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高速電主軸將引爆數控機床領域的新技術

高速電主軸將引爆數控機床領域的新技術

發布日期:2018-03-23 作者: 點擊:

       電主軸是在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融爲一體的新技術,電主軸它與直線電機技術、高速刀具技術一起,把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件,它包括電主軸本身及其附件:電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置等。電動機的轉子直接作爲機床的主軸,主軸單元的殼體就是電動機機座,並且配合其他零部件,實現電動機與機床主軸的一體化。

随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展和日趋完善,高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化,基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的"零传动"。这种主轴电动机与机床主轴"合二为一"的传动结构形式,使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来,因此可做成"主轴单元",俗称"电主轴"(ElectricSpindle,Motor Spindle)。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为"高频主轴"(High FrequencySpindle)。由于没有中间传动环节,有时又称它为"直接传动主轴"(Direct Drive Spindle)。

電主軸由無外殼電機、主軸、軸承、主軸單元殼體、驅動模塊和冷卻裝置等組成。電機的轉子采用壓配方法與主軸做成一體,主軸則由前後軸承支承。電機的定子通過冷卻套安裝于主軸單元的殼俸中。主軸的變速由主軸驅動模塊控制,而主軸單元內的溫升由冷卻裝置限制。在主軸的後端裝有測速、測角位移傳感器,前端的內錐孔和端面用于安裝刀具。

由于電主軸將電機集成于主軸單元中,且轉速很高,運轉時會産生大量熱量,引起電主軸溫升,使電主軸的熱態特性和動態特性變差,從而影響電主軸的正常工作。因此,必須采取一定措施控制電主軸的溫度,使其恒定在一定值內。機床目前一般采取強制循環油冷卻的方式對電主軸的定子及主軸軸承進行冷卻,即將經過油冷卻裝置的冷卻油強制性地在主軸定子外和主軸軸承外循環,帶走主軸高速旋轉産生的熱量。機床另外,爲了減少主軸軸承的發熱,還必須對主軸軸承進行合理的潤滑。

電主軸的電動機均采用交流異步感應電動機,由于是用在高速加工機床上,啓動時要從靜止迅速升速至每分鍾數萬轉乃至數十萬轉,啓動轉矩大,因而啓動電流要超出普通電機額定電流5~7倍。其驅動方式有變頻器驅動和矢量控制驅動器驅動兩種。變頻器的驅動控制特性爲恒轉矩驅動,輸出功率與轉矩成正比。機床最新的變頻器采用先進的晶體管技術,可實現主軸的無級變速。機床矢量控制驅動器的驅動控制爲在低速端爲恒轉矩驅動,在中、高速端爲恒功率驅動

電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、噪聲低、響應快等優點,而且轉速高、功率大,簡化機床設計,易于實現主軸定位,是高速主軸單元中的一種理想結構。電主軸軸承采用高速軸承技術,耐磨耐熱,壽命是傳統軸承的幾倍。

電主軸通常采用動靜壓軸承、複合陶瓷軸承或電磁懸浮軸承。

動靜壓軸承具有很高的剛度和阻尼,能大幅度提高加工效率、加工質量、延長刀具壽命、降低加工成本,這種軸承壽命多半無限長。

複合陶瓷軸承目前在電主軸單元中應用較多,這種軸承滾動體使用熱壓Si3N4陶瓷球,軸承套圈仍爲鋼圈,標准化程度高,對機床結構改動小,易于維護。

電磁懸浮軸承高速性能好,精度高,容易實現診斷和在線監控,但是由于電磁測控系統複雜,這種軸承價格十分昂貴,而且長期居高不下,至今沒有得到廣泛應用。

電主軸是電動機與主軸融合在一起的産物,電動機的轉子即爲主軸的旋轉部分,理論上可以把電主軸看作一台高速電動機。關鍵技術是高速度下的動平衡;

電主軸是一個高精度的執行元件,而影響電主軸回轉精度的主要因素有:

①主軸誤差主要包括主軸支承軸頸的圓度誤差、同軸度誤差(使主軸軸心線發生偏斜)和主軸軸頸軸向承載面與軸線的垂直度誤差(影響主軸軸向竄動量)

②軸承誤差

軸承誤差包括滑動軸承內孔或滾動軸承滾道的圓度誤差,滑動軸承內孔或滾動軸承滾道的波度,滾動軸承滾子的形狀與尺寸誤差,軸承定位端面與軸心線垂直度誤差,軸承端面之間的平行度誤差,軸承間隙以及切削中的受力變形等。

③主軸系統的徑向不等剛度及熱變形

從以上可以看出影響電主軸回轉精度的主要原因就是軸承磨損,軸及接觸面磨損。爲了保證我們的電主軸能在保證精度的情況下正常工作,我們就要盡可能的降低軸承相關部位的磨損率,而降低磨損的主要方式就是潤滑,對軸承進行潤滑處理,保證良好的潤滑及冷卻效果。因此選擇合理正確的潤滑方式是保證電主軸正常工作的重要條件。

經過多年研究和一些客戶的反應,油氣潤滑裝置使用在電主軸上面被普遍認可,俗稱"電主軸油氣潤滑裝置"。電主軸油氣潤滑裝置通俗的解釋就是,油跟隨氣體的流動而往前運動。氣體在運動過程中,會帶動附著在管壁上面的少量油滴進入到兩邊的傳動軸承,噴灑到摩擦面上的是帶有油滴的油氣混合體。這種潤滑裝置不僅經濟、環保、快速、高效,更重要的是油滴適中,不會造成因油量過多軸承無法散熱,也不會造成因油量過多,軸承在高速旋轉過程中産生背壓,避免了電主軸負載增加,更不會産生竄動現象。

我們公司一直在和北京多普賽進行合作,一直使用他們的威普4油氣潤滑裝置進行軸承潤滑,市場客戶評價很高,已經實現了經濟、快速、高效、節能的幾大特點。

爲了盡快給高速運行的電主軸散熱,通常對電主軸的外壁通以循環冷卻劑,冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。

爲了實現自動換刀以及剛性攻螺紋,電主軸內置一脈沖編碼器,以實現准確的相角控制以及與進給的配合。

爲了應用于加工中心,電主軸配備了自動換刀裝置,包括碟形簧、拉刀油缸等;

廣爲熟悉的BT、ISO刀具,已被實踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現了HSK、SKI等高速刀具。

要實現電主軸每分鍾幾萬甚至十幾萬轉的轉速,必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電動機,變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。

數控機床線束中,電主軸通常采用變頻調速方法。目前主要有普通變頻驅動和控制、矢量控制驅動器的驅動和控制以及直接轉矩控制三種控制方式。

普通變頻爲標量驅動和控制,其驅動控制特性爲恒轉矩驅動,輸出功率和轉速成正比。普通變頻控制的動態性能不夠理想,在低速時控制性能不佳,輸出功率不夠穩定,也不具備C軸功能。但價格便宜、結構簡單,一般用于磨床和普通的高速銑床等。

矢量控制技術模仿直流電動機的控制,以轉子磁場定向,用矢量變換的方法來實現驅動和控制,具有良好的動態性能。矢量控制驅動器在剛啓動時具有很大的轉矩值,加之電主軸本身結構簡單,慣性很小,故啓動加速度大,可以實現啓動後瞬時達到允許極限速度。這種驅動器又有開環和閉環兩種,後者可以實現位置和速度的反饋,不僅具有更好的動態性能,還可以實現C軸功能;而前者動態性能稍差,也不具備C軸功能,但價格較爲便宜。

直接轉矩控制是繼矢量控制技術之後發展起來的又一種新型的高性能交流調速技術,其控制思想新穎,系統結構簡潔明了,更適合于高速電主軸的驅動,更能滿足高速電主軸高轉速、寬調速範圍、高速瞬間准停的動態特性和靜態特性的要求,已成爲交流傳動領域的一個熱點技術。

(1)操作員在每天工作完後要使用吸塵器清理電主軸的轉子端和電機接線端子上的廢屑,防止廢屑在轉子端和接線端子上堆積,以此避免廢屑進入軸承,加速高速軸承的磨損;避免廢屑進入接線端子,造成電機短路燒毀。

(2)每次對電主軸更換刀具時,操作員必須要將壓帽卡頭擰下,不能使用直接插拔刀具的方法換刀!操作員要養成一個習慣,在卸刀後要將卡頭和壓帽清理幹淨。

(3)每天開機後操作員必須檢查電主軸的冷卻水流地工作狀態,要檢查水泵是否正常工作,要檢查冷卻水是否被水垢、微生物汙染,要檢查管路狀態是否正常,必須要保證冷卻水正常循環!嚴禁在電主軸內無冷卻水通過的情況下開啓電主軸!只有在正常冷卻的前提下電主軸才能處于良好的工作狀態。如果水管有死彎造成水流不暢或有汙垢堵塞管道,就會造成電主軸無法正常工作,並會影響加工效果。

數控機床線束

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關鍵詞:數控機床線束,三菱編碼器線,三菱動力線

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