一、結(jié)構(gòu)組成
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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(dòng)系統(tǒng)取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零,實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的"零傳動(dòng)"。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸"合二為一"的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式,使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)座,并且配合其他零部件,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。
二、驅(qū)動(dòng)方式
電主軸的電動(dòng)機(jī)均采用交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī),由于是用在高速加工機(jī)床上,啟動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大,因而啟動(dòng)電流要超出普通電機(jī)額定電流5~7倍。其驅(qū)動(dòng)方式有變頻器驅(qū)動(dòng)和矢量控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩種。變頻器的驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng),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(jí)變速。機(jī)床矢量控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制為在低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng),在中、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng)。
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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(shì)。
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(dòng)、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(dòng)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(dòng),以滿足高速切削對(duì)機(jī)床“高速度、高精度、高可靠性及小振動(dòng)”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(dòng)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(huì)用到切削液來冷卻刀具,IP57的防護(hù)等級(jí)完全避免了液體進(jìn)入主軸的擔(dān)心,密封氣壓同時(shí)對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(shì)
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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(dòng)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(shì),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。
2
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(duì)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(dòng)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(dòng)加速度水平,為了監(jiān)視和限制軸承上的振動(dòng),安裝了振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊,以延長電主軸工作壽命。
4
電主軸內(nèi)裝電動(dòng)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(dòng)機(jī)的性能得到了改善,如瑞士FISCHER主軸電動(dòng)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(dòng)機(jī)電主軸,與相同功率的異步電動(dòng)機(jī)電主軸相比,同步電動(dòng)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(dòng)、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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)、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(dòng)動(dòng)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(cè)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(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)和故障異常診斷、軸向位置變化自動(dòng)補(bǔ)償、砂輪修整過程信號(hào)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制以及刀具磨損和損壞信號(hào)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)造成撞塊松動(dòng),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(dòng)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(dòng)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(dòng)造成主軸有竄動(dòng);
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
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