基于高速電主軸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床分析

季福云　張克健

摘 要:本文敘述了高速電主軸的特點之后,依據(jù)簡易結(jié)構(gòu)圖詳細(xì)描述了其工作原理,然后分析高速電主軸因為結(jié)構(gòu)緊湊而帶來的一些重要技術(shù)問題,并且提出了相對應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞:高速電主軸加工數(shù)控機床

中圖分類號:TG659 文獻標(biāo)識碼:Ａ 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0091-01

數(shù)控機床中用來表現(xiàn)機床主要性能的重要部件就是主軸。數(shù)控機床在當(dāng)前情況下,大部分所用的主軸部件均為內(nèi)置變頻電動機。該種電動機是將機電集于一體,主軸和電動機的轉(zhuǎn)子是成為一體的,并不需要通過任何機械進行連接。主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可以通過改變電動機的供電頻率來實現(xiàn)。電主軸就是人們用來稱呼這種系列化、模塊化功能部件的代名詞。這種電主軸的制造商必須具有豐富的經(jīng)驗,能夠設(shè)計并制造出高速、高精準(zhǔn)度以及變頻調(diào)速的電主軸,并且是一家正規(guī)專業(yè)的生產(chǎn)公司,這樣在電主軸方面質(zhì)量才能夠得到很好的保證。

1高速電主軸特點

在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電機主軸的工作形式是在主軸組件的內(nèi)部裝入主軸電機的定子以及轉(zhuǎn)子,即將高速電機安裝子精密主軸的內(nèi)部,將電主軸中的電機轉(zhuǎn)子作為主軸,電機的機座作為主軸的外殼,從而使得主軸和變頻調(diào)速的電機能夠一體化,主軸直接被電機所驅(qū)動,從而形成了電主軸。電主軸將電機到主軸傳動鏈上的皮帶和齒輪等所有中間環(huán)節(jié)進行了省略,主軸的運行動力直接來源于動力源,傳動鏈的長度是零,這樣就實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)在機床上的零距離傳動電主軸具備高精準(zhǔn)度以及高轉(zhuǎn)速、所產(chǎn)生的噪音小、體積相對較小、溫度升高緩慢、安裝運載方便等特點,是現(xiàn)今高檔數(shù)控機床上主要且關(guān)鍵性的部件。其與早些年前應(yīng)用在內(nèi)圓磨床中的內(nèi)裝式電機的主軸的區(qū)別之處在于其將變頻控速技術(shù)得到應(yīng)用,電機主軸的驅(qū)動功率和轉(zhuǎn)矩相對較大,除此之外其還具有一系列的監(jiān)控系統(tǒng),可以對主軸的振動和軸承溫度參數(shù)進行檢測控制。電主軸以及其驅(qū)動系統(tǒng)是一套技術(shù)含量較高的機電一體化產(chǎn)品,其所涉及的領(lǐng)域非常廣泛,電機、驅(qū)動和控制、機械、潤滑、熱處理和振動等均包含在內(nèi),可以稱其為是一套完整的、獨立的智能型功能部件。

2簡易結(jié)構(gòu)圖與其工作原理

在機床的主軸與電動機主軸所組成的電主軸中,比較普遍采用的是高頻率的交流電動機,亦將其稱之為“高頻主軸”。圖1為電主軸結(jié)構(gòu)的簡易圖,它的主要特點是在主軸的內(nèi)部安裝電動機裝置,使其能夠?qū)崿F(xiàn)直接對主軸的驅(qū)動,從而使主軸和電動機成為一體。由無殼電機、主軸單元殼體、軸承、驅(qū)動模塊、以及冷卻裝置和主軸等部件組成了電主軸。人們通常采用壓配的方式將電機轉(zhuǎn)子與主軸合成一體,利用前后軸承將主軸支撐起來。將電機中的定子安裝在主軸的殼體中是通過冷卻套來實現(xiàn)的。主軸驅(qū)動模塊對主軸的運行速度進行控制,冷卻裝置對主軸單元內(nèi)的溫度升溫情況進行制約。主軸后端所裝的傳感器用于對主軸速度的測量和角位移動的測量,前端則配有內(nèi)錐孔與端面用來安裝刀具。

電主軸的工作原理是通過改變輸入電動機中的定子繞組的電流頻率以及勵磁電壓的變化來取得不同的轉(zhuǎn)速,其工作原理與普通的異步電動機的工作原理基本上是相同的。在提速與制動的過程中,為了有效的避免電動機的溫度升溫過高,可以通過對電主軸工作頻率的改變來控制電主軸的加速和減速。因為電動機中輸入定子的三相交流電決定了其旋轉(zhuǎn)磁場的方向,所以要想實現(xiàn)對電主軸的旋轉(zhuǎn)方向的改變,可以通過對電主軸輸入電流的相序的改變來實現(xiàn)。

3掌握重要技術(shù)

在圖1中大家可以看到,電主軸的結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊密,并且其都是在高速運轉(zhuǎn)中進行工作,因此如何能夠有效控制其工作所發(fā)熱量是其的關(guān)鍵技術(shù)所在。

電主軸的溫度主要體現(xiàn)在兩大熱源:一個是內(nèi)部安置的電動機,另一個則是主軸軸承所發(fā)出的熱量。分析以及檢測的結(jié)果表現(xiàn)出轉(zhuǎn)子的溫度可以達到140℃～160℃,定子的溫度則會達到45℃～85℃。為了有效快速的使高速轉(zhuǎn)動中的電主軸降溫,通常條件下會對電主軸的外壁灌注循環(huán)冷卻劑,使其嚴(yán)格控制在一個恒定溫度內(nèi)。我們現(xiàn)在將德國CyTec公司的CySpeed系列高速電主軸作為例子,這種電主軸的功率范圍在10kW～60kW之間,最大轉(zhuǎn)速可以達到8000～40000r/min。它可以具備4種不同功能的冷卻回路。

3.1 主軸冷卻

為了減少主軸前端的伸長程度以及對主軸軸承的保護而采用了主軸冷卻回路。主軸冷卻回路無論主軸的轉(zhuǎn)速多大,其都可以保持主軸的溫度為一定值,從而確保電動機發(fā)熱的溫度不會影響到主軸的精確度。

3.2 電動機冷卻

為了使主軸部件的外殼部分的溫度與室溫相一致,從而采用了電動機冷卻回路,其可以增加電動機的對外散熱功能,進而達到預(yù)期的目的。

3.3 刀具內(nèi)孔冷卻

刀具內(nèi)孔冷卻法是冷卻液在80kPa的壓力情況下,通過旋轉(zhuǎn)分配器中間的孔道,打開刀具內(nèi)孔的單向閥門,從刀具的刀柄中間孔而噴出。為了達到給高速轉(zhuǎn)動主軸快速散熱的目的,人們常用的方式是通過在電主軸的外壁使用循環(huán)冷卻劑,從而吸收電動機產(chǎn)生的熱量并將其帶走,確保電主軸外殼的溫度均勻分布。人們所采用冷卻裝置的目的是為了確保冷卻劑的溫度,而通常電主軸所用的冷卻劑是水。當(dāng)電主軸處于最高速運轉(zhuǎn)時,其所產(chǎn)生的噪音應(yīng)該低于70Db～75Db(A)。

從以上的分析可以看出,電主軸能夠較好的滿足超高速加工對主軸的技術(shù)要求,并且將來的實際工作中傳統(tǒng)的機床主軸系統(tǒng)必將被電主軸所取代。

參考文獻

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