机床主轴部件的创新

DESIGN NEWS China 2009.8 P14-15 张曙·卫汉华专栏

主轴部件是机床的心脏，是保证机床工作精度的关键部件。与驱动装置一样，数控机床的主轴部件也是经历了一个不断创新、从沿袭传统机床设计到专业化设计的发展过程。

传统机床主轴的驱动方式是电机轴线和主轴的轴线互相平行，电机通过皮带或齿轮间接地驱动主轴。图1 是间接驱动主轴的结构。

图 1 间接驱动主轴的结构。

间接驱动方式在机床的机械设计上带来许多方便：首先是机床切削工件时产生轴向和径向力由主轴承受，电机仅提供旋转力矩和转速，匹配和更换比较简单；其二是可利用齿轮和皮带轮改变传动比，实现速度调节的目的；最后是主轴后端没有电机的阻挡，便于安装送料机构或刀具夹紧机构等。

电主轴的诞生

近年随着高速加工的应用，传统的主轴间接驱动方式开始不能满足数控机床性能的要求。由于当主轴转速提高到一定水平后，传动皮带开始受离心力的作用而膨胀，传动效率急剧下降，传动齿轮的发热和噪音问题也开始变得严重。为了解决间接传动的转速瓶颈，机床设计人员开始研究将电机和主轴同轴配置，由电机通过联轴节直接驱动主轴。这种驱动方式尽管取消了皮带和齿轮等中间传动带来的问题，但同时又为刀具夹紧机构的配置带来了新的问题。

一种新型功能部件—电主轴的出现，从根本上解决了主轴直接驱动的问题。电主轴是将电机的转子和主轴集成为一个整体。中空的、直径较大的转子轴同时也是机床的主轴，它有足够的空间容纳刀具夹紧机构或送料机构。典型的数控加工中心的电主轴结构如图2 所示。 

图 2 典型电主轴的结构。

电主轴有许多优点：它由变频器供电，可以实机床主轴部件的创新现很高的转速和大范围的速度调节；由于主轴和电机的一体化，没有任何中介传动机构，动态响应表现优异；电主轴的结构紧凑，与机床其它子系统之间的界面简单，大大减少机床设计和装配调试的工作量。由于电主轴的技术含量高，它的设计和生产逐渐从机床企业中独立出来，出现了一个崭新的产业—电主轴专业制造商。

面临的三大挑战

电主轴是机电一体化技术的系统，它包括了承担速度调节和提供扭矩的变频器和机械结构两大部分。这里主要阐述机械结构设计面临的主要挑战。

挑战一是主轴系统的设计。电主轴主要应用在高速加工，在切削工件时要同时承受高转速和高负载，在机械结构上，电主轴的内孔直径必须够大，才能容纳诸如刀具夹紧等机构，而其外径却受空间和重量的限制。因此，可供安放轴承的空间非常有限。目前通常采取的方案是在主轴前后端分别配置一组轻型角接触陶瓷滚珠轴承并施加预载荷。

除了采用陶瓷滚珠轴承以外，某些电主轴供应商也采取动压或静压轴承的方案。例如，瑞士飞速公司（Fischer AG）的Hydro-F 主轴采用静压技术，利用纯水作为工作介质，同时达成支承、冷却和刀具夹紧功能。Hydro-F 技术可以大幅度提高主轴的刚度和阻尼性能。

挑战二是冷却系统的设计。电主轴功率高，产生的热量大。但定子线圈和动子都是密封在空间有限的主轴壳体内，不能自然散热。强制水冷是目前主流的解决手段，但如何在已经非常狭窄的空间中安排冷却液通道，同时保证通道的密封，避免冷却液进入电机线圈和轴承等部位，是电主轴设计的另一棘手问题。

一个解决电主轴冷却问题的创新方案如图3 所示。图中所示蓝色线条为冷却液通道，当中流经主轴轴心的冷却通道是创新的重点，除此以外还有电机冷却、轴承冷却和刀具轴心冷却液供应。

图 3 电主轴的冷却通道。

挑战三是轴承的润滑。电主轴一般转速达到10000～30000r/min， 主轴滚珠轴承的润滑必须可靠，否则主轴就会在短时间内损毁。在中速范围以下，一次性润滑脂润滑是经济、简单和环保的理想解决方案。但在高速范围内，油—气雾润滑才能够满足要求。油—气雾润滑是由外部润滑油泵和雾化器，通过轴承外圈上的油孔向在高应力下工作的轴承滚珠喷射微量油—气混合物。必须指出，电主轴对冷却液和润滑油要求极为严格，必须由专业厂家提供。

智能化电主轴

电主轴作为一种机电一体化系统，机床的核心部件，越来越多地集成各种传感器和软件，对其工作状态的进行监控、预警、可视化和补偿。

主轴轴向位移的补偿是电主轴智能化功能之一。尽管电主轴已经采取冷却措施减少热变形，但主轴仍然在工作时会由于温度变化产生Z 轴向的微小位移。此外，主轴在高速旋转时由于惯性力的影响，也会产生微小的位移。对亚微米级或纳米级的精密加工来说，这些微小位移也是可观的，必须加以补偿。

具有轴向位移补偿的电主轴的工作原理如图4 所示。

图 4 主轴位移补偿原理图。

从图中可见，电主轴的壳体端面位置安装了轴向位移传感器，可以检测出由温升引起的热变形位移Δtherm 和由机械力造成的动态轴向位移Δdyn，两者的总和Δtotal 经过数据处理后，输入数控系统，使机床工作台增加或减少相应的位移Δtotal，从而实现相应的补偿，以提高机床的工作精度。

主轴振动的监控是另一种电主轴智能化功能。在铣削加工时，由于切削截面的变化而导致切削力的波动，会导致主轴产生振动，严重的振动会令工件加工表面的光洁度下降和缩短主轴的寿命。主轴振动监控系统的其原理是在电主轴壳体中前轴承附近安装了一个加速度传感器，使铣削过程中产生的振动可以加速度值变化的形式进行监测和分析。

除了主轴轴向位移和振动外，许多电主轴还会配备轴承温度传感器、刀具夹头位置传感器等其它传感器件，全面地收集主轴的工作状态数据。图5 是瑞士斯特普主轴制造公司（Step-Tec AG）电主轴内各种传感器的分布图。

图 5 电主轴的传感器分布。

装上各种传感器的电主轴能产生海量数据，各大电主轴制造商和机床制造商，目前正努力合作开发专家系统，将这些数据综合后用简明的方式向用户报告。米克朗机床制造公司（Mikron AG）的Spindle Protection System（SPS）是这种专家系统的代表。

SPS 系统的预警原理如图6 所示。从图中可见，SPS 系统从主轴部件的寿命周期和当前的加工轨迹，预测主轴温度、振动等数据的变化，并与传感器收集的实测数据进行比较，当实测数据与预测出现不寻常的偏差，SPS 就会试图判断可能出现的故障，并作出降速、停机、提示更换部件、通知操作员等处置。