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聯(lián)系人：楊思簫

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一、結(jié)構(gòu)組成

電主軸是近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。高速數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動，從而把機(jī)床主傳動鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的"零傳動"。這種主軸電動機(jī)與機(jī)床主軸"合二為一"的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨(dú)立出來，因此可做成"主軸單元"，俗稱"電主軸"(ElectricSpindle,Motor Spindle)。

電主軸是在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，電主軸它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，把高速加工推向一個(gè)新時(shí)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(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子直接作為機(jī)床的主軸，主軸單元的殼體就是電動機(jī)機(jī)座，并且配合其他零部件，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。

常見品牌：

 

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二、驅(qū)動方式

電主軸的電動機(jī)均采用交流異步感應(yīng)電動機(jī)，由于是用在高速加工機(jī)床上，啟動時(shí)要從靜止迅速升速至每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)乃至數(shù)十萬轉(zhuǎn)，啟動轉(zhuǎn)矩大，因而啟動電流要超出普通電機(jī)額定電流5~7倍。其驅(qū)動方式有變頻器驅(qū)動和矢量控制驅(qū)動器驅(qū)動兩種。變頻器的驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率與轉(zhuǎn)矩成正比。機(jī)床的變頻器采用先進(jìn)的晶體管技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)主軸的無級變速。機(jī)床矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動控制為在低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，在中、高速端為恒功率驅(qū)動。

 

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電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。電主軸軸承采用高速軸承技術(shù)，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍。


三、高速電主軸在機(jī)床行業(yè)的應(yīng)用

 

簡化結(jié)構(gòu)，促進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化

電主軸可以根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，供主機(jī)選用，從而促進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化。

降低機(jī)床成本，縮短機(jī)床研制周期

一方面，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的電主軸產(chǎn)品易于形成專業(yè)化、規(guī)�；a(chǎn)，還可以縮短機(jī)床研制周期，適應(yīng)目前快速多變的市場趨勢。

改善機(jī)床性能，提高可靠性

采用電主軸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)簡化，傳動、連接環(huán)節(jié)減少，因此提高了機(jī)床的可靠性;技術(shù)成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的電主軸功能部件使機(jī)床的性能更加完善，可靠性得以進(jìn)一步提高。

實(shí)現(xiàn)某些高檔數(shù)控機(jī)床的特殊要求

  有些高檔數(shù)控機(jī)床，如并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床、五面體加工中心、小孔和超小孔加工機(jī)床等，必須采用電主軸，方能滿足完善的功能要求。促進(jìn)了高速切削技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用電主軸系由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動，以滿足高速切削對機(jī)床“高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求，與機(jī)床高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)一起組成高速切削所需要的必備條件。電主軸技術(shù)與電機(jī)變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)相結(jié)合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。

 

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四、高速電主軸在機(jī)器人上的應(yīng)用

 

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及機(jī)器人在FMS、CIMS系統(tǒng)中的群體應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)敏捷制造、滿足多樣化、個(gè)性化需求。目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。

 

主軸與機(jī)械手臂完美結(jié)合，應(yīng)用于合金材料、汽車后備箱SMC材料的切割、去毛刺、鉆孔及拋光，將主軸行業(yè)與工業(yè)自動化緊密的聯(lián)系在一起。

 

主軸前端裝入夾頭，用于銑削鉆，主軸的大扭力能輕松的切割較厚的合金板，通氣密封的功能解決了切削過程中產(chǎn)生大量的粉塵進(jìn)入主軸的問題，切削過程中時(shí)常會用到切削液來冷卻刀具，IP57的防護(hù)等級完全避免了液體進(jìn)入主軸的擔(dān)心，密封氣壓同時(shí)對主軸進(jìn)行了冷卻，有利于主軸長時(shí)間的加工。

 

前端伸長40mm，機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)可避開工裝器具，便于產(chǎn)品切割；選用了熱縮筒夾與之配套使用，節(jié)省了每次更換刀具重新對刀的時(shí)間，提高了工作效率。主軸功率達(dá)到5000W，強(qiáng)大的功率輸出，可加工的材料范圍擴(kuò)大，自身重量3.5KG，輕巧便捷，采用HSK夾頭，精度高，夾持范圍可到達(dá)10mm，通氣自動換刀，提高了工作效率。主軸功率達(dá)到5000W，強(qiáng)大的功率輸出，可加工的材料范圍擴(kuò)大，自身重量3.5KG，輕巧便捷，采用HSK夾頭，精度高，夾持范圍可到達(dá)10mm，通氣自動換刀，提高了工作效率。

 

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五、電主軸技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

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繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展

由于高速切削和實(shí)際應(yīng)用的需要，隨著主軸軸承及其潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(shù)、高速刀具及其接口技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床用電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢，如鉆、銑用電主軸，瑞士IBAG的HF42的轉(zhuǎn)速達(dá)到140 000 r/min、英國WestWind公司的PCB鉆孔機(jī)電主軸D1733更是達(dá)到了250 000 r/min；加工中心用電主軸，瑞士FISCHER轉(zhuǎn)速達(dá)到42 000 r/min，意大利CAMFIOR達(dá)到了75 000 r/min。在電主軸的系統(tǒng)剛度方面，由于軸承及其潤滑技術(shù)的發(fā)展，電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，滿足了數(shù)控機(jī)床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。

 

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向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展

根據(jù)實(shí)際使用的需要，多數(shù)數(shù)控機(jī)床需要同時(shí)能夠滿足低速粗加工時(shí)的重切削、高速切削時(shí)精加工的要求。因此，機(jī)床電主軸應(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec以及德國GMN等制造商生產(chǎn)的加工中心用電主軸，低速段輸出轉(zhuǎn)矩到200 N·m以上的已經(jīng)不是難事，德國CYTEC的數(shù)控銑床和車床用電主軸的轉(zhuǎn)矩更是達(dá)到了630 N·m；在高速段大功率方面，一般在l0～50 kW；CYTEC電主軸的輸出功率為50 kW；瑞士Step—Tec電主軸的功率更是達(dá)到65 kW（S1），用于航空器制造和模具加工；更有電主軸功率達(dá)到80 kW的報(bào)道。

 

3

進(jìn)一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展

用戶對數(shù)控機(jī)床的精度和使用可靠性提出了越來越高的要求，作為數(shù)控機(jī)床核心功能部件之一的電主軸，要求其本身的精度和可靠性隨之越來越高。如主軸徑向跳動在0.001 mm以內(nèi)、軸向定位精度在0.5 μm以下。同時(shí)，由于采用了特殊的精密主軸軸承、先進(jìn)的潤滑方法以及特殊的預(yù)負(fù)荷施加方式，電主軸的壽命相應(yīng)得到了延長，其使用可靠性越來越高。Step—Tec的電主軸還加裝了加速度傳感器，降低軸承振動加速度水平，為了監(jiān)視和限制軸承上的振動，安裝了振動監(jiān)測模塊，以延長電主軸工作壽命。

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電主軸內(nèi)裝電動機(jī)性能和形式多樣化

為滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，電主軸電動機(jī)的性能得到了改善，如瑞士FISCHER主軸電動機(jī)輸出的恒轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速與恒功率高轉(zhuǎn)速之比（即恒功率調(diào)速范圍）達(dá)到了l：14。此外，出現(xiàn)了永磁同步電動機(jī)電主軸，與相同功率的異步電動機(jī)電主軸相比，同步電動機(jī)電主軸的外形尺寸小，有利于提高功率密度，實(shí)現(xiàn)小尺寸、大功率。

 

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快速啟動、停止響應(yīng)速度加快

為縮短輔助時(shí)間，提高效率，要求數(shù)控機(jī)床電主軸的啟、停時(shí)間越短越好，因此需要很高的啟動和停機(jī)加（減）速度。目前，國外機(jī)床電主軸的啟、停加速度可達(dá)到lg以上，全速啟、停時(shí)間在l s以內(nèi)。

 

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軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化

除了常規(guī)的鋼制滾動軸承外，近年來陶瓷球混合軸承越來越得到廣泛的應(yīng)用，潤滑方式有油脂、油霧和油氣等，尤其是油氣潤滑方法（又稱Oil-air），由于具有適應(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，得到越來越廣泛的推廣和應(yīng)用；滾動軸承的預(yù)負(fù)荷施加方式除了剛性預(yù)負(fù)荷（又稱定位預(yù)負(fù)荷）、彈性預(yù)負(fù)荷（又稱定壓預(yù)負(fù)荷）之外，又發(fā)展了一種智能預(yù)負(fù)荷方式，即利用液壓油缸對軸承施加預(yù)負(fù)荷，并且可以根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速、負(fù)載等具體工況控制預(yù)負(fù)荷的大小，使軸承的支承性能更加優(yōu)良。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面，如磁浮軸承、氣浮軸承電主軸（瑞士IBAG等）、液浮軸承電主軸（美國Ingersoll等）等已經(jīng)有系列商品供應(yīng)市場。

 

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刀具接口逐步趨于HSK、Capto刀柄技術(shù)

機(jī)床主軸高速化后，由于離心力作用，傳統(tǒng)的CAT（7：24）刀柄結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足使用要求，需要采用HSK（1：10）等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的靜態(tài)和動態(tài)聯(lián)接剛性、大的傳遞轉(zhuǎn)矩能力、高的刀具重復(fù)定位精度和聯(lián)接可靠性，特別適合在高速、高精度情況下使用。因此，HSK刀柄接口已經(jīng)廣泛為高速電主軸所采用（如瑞士的IBAG、德國的CYTEC和意大利CAMFIOR等）。近年來由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也開始在機(jī)床行業(yè)得到應(yīng)用，其基本原理與HSK接口相似，但傳遞轉(zhuǎn)矩的能力稍大一些，缺點(diǎn)是主軸軸端內(nèi)孔加工困難較大，工藝比較復(fù)雜。

 

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向多功能、智能化方向發(fā)展

在多功能方面，有角向停機(jī)精確定位（準(zhǔn)停）、C軸傳動、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉(zhuǎn)矩放大、軸向定位精密補(bǔ)償以及換刀自動動平衡技術(shù)等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護(hù)和故障監(jiān)測診斷措施，如換刀聯(lián)鎖保護(hù)、軸承溫度監(jiān)控、電機(jī)過載和過熱保護(hù)、松刀時(shí)軸承卸荷保護(hù)、主軸振動信號監(jiān)測和故障異常診斷、軸向位置變化自動補(bǔ)償、砂輪修整過程信號監(jiān)測和自動控制以及刀具磨損和損壞信號監(jiān)控等，如Step-Tec電主軸安裝有診斷模塊，維修人員可通過紅外接口讀取數(shù)據(jù)，識別過載，統(tǒng)計(jì)電主軸工作壽命。

 

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六、 主軸部分常見故障  


1．故障現(xiàn)象：主軸異響嚴(yán)重；轉(zhuǎn)數(shù)高時(shí)有噪聲；溫升比較高。

原因分析：

①可能主軸軸承研傷或損壞；

②可能主軸潤滑不好，造成缺油；或潤滑油臟或有雜質(zhì)；

③可能隔環(huán)端面有臟物；      

④可能主軸軸承的預(yù)緊力過大。

⑤可能皮帶位置和張力不合適；

⑥主軸部件動平衡不好；

     

解決辦法：

①更換主軸軸承；            

②適當(dāng)加主軸油；更換新油，保證主軸的清潔；           

③拆下主軸后，把隔環(huán)進(jìn)行清洗；        

④重新調(diào)整預(yù)緊力；

⑤重新調(diào)整皮帶位置和張力；            

⑥重新調(diào)整動平衡；

 

 2．故障現(xiàn)象：主軸有異響，用手旋轉(zhuǎn)時(shí)費(fèi)力，有明顯的卡塞感覺。

 原因分析：可能鎖緊汽缸打刀撞塊的螺釘松動造成撞塊松動，使得鎖緊蝶 簧螺母與撞塊之間沒有間隙，從而產(chǎn)生摩擦。 、

 

 解決辦法：緊固松動的螺母，使兩者之間的間隙合適。

 

3.  故障現(xiàn)象：在切削過程中，振動大。

 原因分析：

①可能主軸軸承拉毛或損壞；     

②軸承預(yù)緊螺母松動造成主軸有竄動；

③軸承預(yù)緊力不夠、間隙過大；              

④其他因素；

   

解決辦法：

 

①更換軸承；                    

②緊固螺母，確保主軸精度合格；           

③重新調(diào)整軸承間隙，但預(yù)緊力不要過大；    

④檢查刀具或改變切削參數(shù)。

 

 

 

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八、 主要分類及共性

 

1.電主軸分類：

   1.車削主軸         2.銑削主軸        3.磨削主軸

 

2.結(jié)構(gòu)共同點(diǎn)：

   拉刀機(jī)構(gòu)包含（拉力傳感器、拉刀傳感器、松刀傳感器，拉桿、卡爪、碟簧）。

   潤滑機(jī)構(gòu)（脂潤滑6000轉(zhuǎn)以內(nèi)，油霧潤滑20000轉(zhuǎn)以內(nèi)，油氣潤滑20000轉(zhuǎn)以上）。

   冷卻機(jī)構(gòu)（風(fēng)冷、自冷、油冷）。

   功能機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)單元（易跳減沖）。

   軸承（陶瓷球軸承，組合方式：前四后一、前二后二、前三后一等，軸承與軸承之間有      隔環(huán)、組裝時(shí)軸承位讓位于軸承）。

 

3.結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)：

   編碼器（齒輪磁柵式），中心出水