機(jī)床用主軸電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
唐蘇亞(漣水縣經(jīng)濟(jì)委員會(huì))
【摘 要】 介紹機(jī)床用主軸電動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)、內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)和液冷卻式高轉(zhuǎn)矩主軸電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)性能，指出主軸電動(dòng)機(jī)將進(jìn)一步向高速化、高精度化等方向發(fā)展。
【敘 詞】 機(jī)床／主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)
1引 言
近年來(lái)，隨著機(jī)床用伺服系統(tǒng)以及主軸控制的交流化、數(shù)字化、智能化，各種新型機(jī)床不斷問(wèn)世，因而對(duì)機(jī)床用主軸電動(dòng)機(jī)也提出了新的要求。以高速化、寬輸出范圍、高精度化為主要特征的新型機(jī)床用主軸電動(dòng)機(jī)，目前在國(guó)外已進(jìn)入實(shí)用階段。本文在論及這類(lèi)電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)的同時(shí)，著重介紹內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)和液冷卻式高轉(zhuǎn)矩主軸電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)性能。
2主軸電動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)〔1～3〕
2．1高速化
隨著機(jī)床加工效率的提高以及被加工物體材質(zhì)的多樣化，要求主軸電動(dòng)機(jī)的高速化正在加強(qiáng)，這在鋁合金加工中顯得更為突出。由于高速化具有很高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，近10年來(lái)，國(guó)外都非常重視這一技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用．因而，對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)的高速化要求也變得非常重要。在國(guó)外，傳統(tǒng)的主軸電動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為6 000r／min，小容量主軸電動(dòng)機(jī)的****轉(zhuǎn)速已達(dá)8 000r／rain。如果采用油氣潤(rùn)滑和高速磁性軸承，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速更高。如瑞士ibag公司開(kāi)發(fā)的主軸部件共有三種規(guī)格，其功率和轉(zhuǎn)速參數(shù)分別為40 000r／minn(40kw);60000r／min(20kw)；80000r／min(10kw)。日本瀉鐵工的uhsio，其主軸轉(zhuǎn)速為100 000r／min，森精機(jī)的mv一65a／40，為25000r／min。這些主軸部件中的電動(dòng)機(jī)均為不使用皮帶齒輪傳動(dòng)的內(nèi)裝式交流伺服主軸電動(dòng)機(jī)。目前，這些主軸電動(dòng)機(jī)在mc(加工中心)上巳得到廣泛應(yīng)用。
2．2輸出功率范圍的擴(kuò)大
通常，在進(jìn)行機(jī)械切削加工時(shí)，低速需要大的轉(zhuǎn)矩，高速則需要小的轉(zhuǎn)矩。因此，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)，必須擴(kuò)大輸出功率范圍。對(duì)于一般機(jī)床，都備有變速機(jī)構(gòu)。根據(jù)主軸電動(dòng)機(jī)自身的輸出功率范圍，經(jīng)與齒輪或皮帶輪的組合，從而得到相應(yīng)的輸出特性。但是，變速機(jī)構(gòu)有加振源，不僅帶來(lái)加工精度下降，而且受到機(jī)械機(jī)構(gòu)上的種種制約。國(guó)外通常采用在同一電動(dòng)機(jī)中變換繞組的連線等新技術(shù)，這不但能省去機(jī)械式的變速裝置，而且可實(shí)現(xiàn)輸出功率范圍的擴(kuò)大。這一方法是將低速和高速時(shí)電動(dòng)機(jī)指令貯存在控制裝置內(nèi)，根據(jù)外部指令變換參數(shù)和接觸器，從而改變控制裝置的容量，使輸出功率范圍擴(kuò)大。圖1示出了日本安川公司uaaskb一0811ca3型交流主軸電動(dòng)機(jī)的繞組變換方式的輸出特性，從圖中可看出：低速繞組的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速為500r／min，500～2000r／min作為額定輸出范圍，高速繞組的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速為1500r／min，1500～6000r／rain為額定輸出范圍，速比達(dá)1:12。
2．3高精度化
主軸控制中造成精度下降的主要原因有：一是主軸及其電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，二是主軸電動(dòng)機(jī)的速度變動(dòng)和主軸齒輪產(chǎn)生振動(dòng)。為了克服上述的缺點(diǎn)，保證主軸控制的高精度化，目前，國(guó)外通常采用液冷卻式主軸電動(dòng)機(jī)和內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)。前者采用冷卻液進(jìn)行冷卻，后者把電動(dòng)機(jī)和主軸設(shè)計(jì)成一體。
3內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)限[3,4]
傳統(tǒng)的主軸電動(dòng)機(jī)從低速到高速中間要用皮帶輪或齒輪進(jìn)行變速，變速極限大約是20 000r／min，超過(guò)這一轉(zhuǎn)速極限，電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、溫升升高及噪聲等。而內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)，其主軸本身作為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸，定子則與主軸頭結(jié)合成一體，因而使整個(gè)主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和慣量小，有利于提高主軸起動(dòng)或停轉(zhuǎn)時(shí)的響應(yīng)特性。同時(shí)，由于取消了齒輪機(jī)構(gòu)，因而變速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲和振動(dòng)大為降低。
日本安川公司近年研制的40 000r／min高速內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)分別嵌有高速繞組和低速繞組，這兩種繞組具有各自的功率變化范圍，因此，不僅可用于機(jī)床的高速切削，也可用于低速切削，如鉆孔、攻絲等，圖2示出了該電動(dòng)機(jī)高速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的輸出功率特性。
據(jù)文獻(xiàn)(5)報(bào)導(dǎo)，高速內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)選用的軸承主要是高速球軸承和磁性軸承。高速球軸承極限圓周速度低(40～80m／s，通常應(yīng)用在切削速度低于3 000m／min以下的機(jī)床上。而磁性軸承的極限圓周速度高(200m／s以上)，且由于它是利用電磁力，使主軸(轉(zhuǎn)子)懸浮在磁場(chǎng)中，因此無(wú)需潤(rùn)滑或冷卻。此外，它還具有無(wú)噪音、 |
