高速电主轴
国内外木材加工高速电主轴技术现状
仿形镂铣机 、数控镂铣机 、 自动封边机 等 ，逐 渐发展到木材加工 中心 、五轴数控机床 、并联
式数控机床 、封边加工 中心等高档数控机床 ，
并 且 带 动 了木 结 构 建 筑 构 件 加 工 、木 门加 工 、 木 窗 加 工 等 成 套 设 备 的 发 展 ，以及 四 面刨 、直
置 ，检测刀具交换位置 ，有效地保护操作者安
全。
线修边机 、榫槽机等普通木工机床的高速化。
质 比热容较大 ，冷却 效果较好 ，但是冷却 回路
结构 比较复杂 。气体介 质冷却结 构相对简单 ，
成 本较 低 。
电主轴具 有高速 、高精度等特点 ，同时根
据 木 材 加 工 的环 境 要 求 ，需 要 电 主轴 具 有 空 气
基金项 目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 ，项 目编号 ：Ｃ ＦＮ ２０ Ｋ ９ Ａ Ｉ Ｔ ０９ ０ 。
Ａｂ ｔａ ｔＴｈ ｈ ａｃ ｅ ｉｔ ｓ ａｎ ｌ ｓ ｉ ｃ ｔｏ ｆｈ ｇ — ｐ ｄ ｅｌ ｔｉ ｐｎ ｅ ｆ ｒｗ ｏ ｄ ｓ ｒ ｃ ： ｅ ｃ ａｒ ｔ ｒｓ ｉ ｄ ｃａ ｓｆ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｈ ｓ ｅｅ ｅｃ ｒｃ ｓ ｉｄｌ ｏ ｏ ｃ ｉ ｐ ｃ ｓ ｉｇ ａ ｅ ｂ ｉｆｉｔ ｄ ｃ ｄ ｉ ｈ ａ ｅＬ ｔｅ ｐ ｓ ｎ ｉ ａ ｉｎ ａ ｄ ｄ ｖ ｏ ｍｅ ｔ ｏ ｒ ｅ ｓｎ ｒ ｒ ｒ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅ ｐ ｐ ｈ ｒ ｏ
３ １ 形镂铣 机和 数控 镂铣 机 ．仿
高速主轴电机的三种控制方式详解
高速主轴电机的三种掌控方式详解
在数控机床中，高速电主轴通常采纳变频调速方法，目前重要有一般变频驱动和掌控、矢量掌控驱动器的驱动和掌控以及直接转矩掌控三种掌控方式，那么，这三种掌控方式有哪些不同呢？
一般变频为标量驱动和掌控，其驱动掌控特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。
一般变频掌控的动态性能不够理想，在低速时掌控性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能。
但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和一般的高速铣床等。
矢量掌控技术仿照直流电动机的掌控，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和掌控，具有良好的动态性能。
矢量掌控驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许速度。
这种驱动器又有开环和闭环两种，后者可以实现位置和速度的反馈，不仅具有更好的动态性能，还可以实现C轴功能；而前者动态性能稍差，也不具备C轴功能，但价格较为便宜。
直接转矩掌控是继矢量掌控技术之后进展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其掌控思想新奇，系统结构简洁明白，更适合于高速电主轴的驱动，更能充足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。
通过对比可以看出，直接转矩掌控这一掌控方式更适合电主轴的驱动，设计的电主轴直接转矩掌控系统具有良好的动静态特性，将直接转矩掌控方法应用于电主轴驱动掌控系统是可行的，较适应高速数控机床驱动掌控系统的快速响应要求。
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电主轴综述
高速电主轴技术乔志敏 S1203027 摘要:通过阐述了高速电主轴的发展历程、高速电主轴的结构以及高速电主轴设计制造过程中的关键技术，分析了高精度、高转速电主轴对数控机床性能的影响。
实践证明，采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，能够获得特殊的加工精度和表面质量，高精度高转速电主轴功能部件，对提高数控机床的性能具有极大的影响。
关键词：高速电主轴；高精度；数控机床Abstract: Based on the development of high-speed motorized spindle and the main str ucture of the motorized and the key technologies in the manufacturing process of high -speed motorized spindle, it analyzes the high precision, high speed electric spindle of influence on the performance of the numerical control machine. Practice has proved t hat high-speed processing technology can solve many problems in the manufacturing of mechanical products, and it can obtain special machining accuracy and surface qual ity. High precision and high speed motorized spindle features have a great impact on t he performance of CNC machine tools .Keywords: high-speed motorized spindle, high precision, CNC machine1.高速电主轴的现状与发展早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。
数控机床高速电主轴技术要点分析
203中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2021.05 （上）高速电主轴，即为内装式电机主轴单元，是数控机床的重要部件。
其是在机床主轴单元内部安装主轴电机，对主轴起到了驱动作用，由此促使电机和主轴成为一个整体。
要提高数控机床的运行效率，就要掌握高速电主轴技术要点，充分发挥其优势，同时，推进电主轴技术不断完善。
1 高速电主轴所具备的优点传统的数控机床上的主轴运行，在发挥电机驱动作用的过程中，主要是带动中间的变速装置和传动装置，诸如齿轮、皮带以及联轴节等，此为“机械主轴”，也被形象地称为分离式和直联式主轴。
与这种传统的主轴相比，电主轴具备的优点如下。
（1）主轴运行中，是通过内部安装的电机驱动的，不需要通过中间的变速装置和传动装置，其设计结构简单而且紧凑，能够提高运行效率而且精度很高。
在运行的过程中，不会产生很大的噪声，振动也非常小。
（2）将交流变频技术充分利用起来，在额定转速范围内，电主轴可以无级变速。
当机床运行的过程中，无论发生任何的工况，或者在负载变化的情况下，电主轴都有很好的适应性。
（3）内装电机运行中，能够控制闭环矢量，还可以按照控制命令有效调控功率，且能够灵活控制驱动装置运行速度、输出力矩等等。
电主轴可以满足各种大功率要求，诸如低速重切削大转矩的时候，或者高速精加工的时候，电主轴都能够很好地发挥作用，还可以实现准停，同时满足C 轴传动功能。
（4）电主轴可以高速运行，有良好的稳定性，动态精度较高，使数控机床切削的速度更高，加工的精密度也更高。
（5）由于电主轴的运行不需要经过中间传动环节，因此其平稳性更高，不会受到外来的冲击，主轴的轴承不需要承受很大的动负荷，精度寿命得以延长。
（6）电主轴使电机和主轴构成一个整体，形成一个单元，使电主轴可以系列化生产，形成一定的规模，而且生产更加专业化。
电主轴作为数控机床功能部件，也作为一种商品进入到市场中。
电主轴装配工序和关键技术浅述
电主轴装配工序和关键技术浅述高速数控机床设计制造中，高速主轴最为关键。
近两年我公司与德国某研究机构联合设计了HTC40100zy车削中心，其主轴箱就是内置式电主轴。
一、高速电主轴的结构高速电主轴的典型结构：主轴有前后两套滚珠轴承来支承。
电主轴的转子用过盈配合的方法安装在主轴上，处于前后轴承之间，由过盈配合产生的摩擦力来实现大扭矩的传递。
在主轴上取消了一切形式的键连接和螺纹联接（这种设计主要是为了容易使主轴运转部分达到精确的动平衡），电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴箱体中。
HTC40100zy车削中心的电主轴即采用上述典型结构，将主电机置于主轴前后轴承之间，床头箱和主轴为我厂自制，电机为西门子的1FE1145-8WS31同步内置电动机，其中，定子常温下装在床头箱里，转子热装在主轴上。
主轴前后轴承分别为FAG B71932C.T.P4S（160×220×28）和FAG B71928C.2RSD.T.P4S （140×190×24），装在前后轴承座里，并采用适合高速主轴的弹簧预紧结构。
圆光栅采用HEIDENHAIN ERA180，冷却机为上海哈伯HWT-2RPSA。
前后轴承安装在前后轴承座里。
二、电主轴装配工艺的关键技术及工艺方案的确定1.装配工艺方案2.电主轴主要装配工序分析2.1装配前的准备由于电主轴床头箱装配后，拆装非常困难，因此装配前必须确保零件符合图纸要求。
装配过程如下：清点零件，收集所需工装，清洗零件，按图纸对零件进行检测。
2.2复检精度为确保床头箱体装配后的各项精度，装配前对床头箱及主轴精度进行复检、弹簧安装孔深度及预紧弹簧长度一致性的检测。
2.2.1复检床头箱精度取下前后轴承座，重新安装，送计量室上三坐标复检轴承安装孔精度，按检测结果和轴承外环与箱体孔的间隙修复箱体轴承孔。
2.2.2 弹簧安装孔深度及预紧弹簧长度一致性的检测前后外环隔套上的弹簧安装孔深度一致性要求均在0.04 mm以内；弹簧（φ10Xφ2X18，德国进口）自然状态下长度一致性要求均在0.01 mm以内。
高速电主轴的内部结构说明
高速电主轴的内部结构说明高速主轴单元主要有高速电主轴，气动主轴和水动主轴。
其中高速电主轴最为常见，高速电主轴单元是高速加工机场中最为关键的部件之一。
目前大多数电主轴结构都是把加工主轴与电机转轴做成一体，以实现零传动。
同时电机外壳带有冷却系统，高速电主轴主要有带冷却系统的壳体，定子、转子、轴承等部分组成，工作时通过改变电流的频率来实现增减速度。
由于高速电主轴要实现高速运转，以下几个零部件质量直接影响着高速电主轴的性能。
（1）转轴是高速电主轴的主要回转体。
他的制造精度直接影响电主轴的最终精度。
成品转轴的形位公差尺寸精度要求很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起震动，严重影响其动态性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。
部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试。
（2）高速电主轴的核心支撑部件是高速精密轴承。
因为电主轴的最高转速取决于轴承的功能、大小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。
近年来，相继开发了动静压轴承、陶瓷轴承、磁浮轴承。
动静压轴承具有很高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率、加工质量、延长寿命，降低加工成本；而且这种寿命为半无限长。
磁浮主轴的高速性能好、精度高、容易实现诊断和在线监控。
但这种主轴由于电磁测控系统复杂，价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今未能得到广泛应用。
目前市场上应用最广泛的就是陶瓷轴承，一般的角接触陶瓷轴承内外圈都是钢圈，滚动体是陶瓷材料。
陶瓷具有密度小，刚度好，热膨胀系数小等优点。
而且在理论计算和接触疲劳试验和压碎试验表明，混合式陶瓷轴承首先失效的是钢圈而不是陶瓷球。
由于前面三种轴承理论寿命均为无穷大，特别是磁悬浮轴承还具有自动调节偏心等优点，在未来超高速机床市场上，随着技术的发展，磁悬浮轴承应是发展方向。
而在一般的高速加工机床中，混合式陶瓷轴承或纯陶瓷轴承也将具有广泛的使用场合。
（3）润滑系统采用良好的润滑系统对高速电主轴性能有着重要的影响。
DGZ-60E滚珠高速电主轴的研发和应用
1.电机系统电机系统为交流变频调速电机，处于主轴中部位置，如图所示，该电机具有以下特点：（1）调速方便、节能高效。
（2）电机结构简洁、体积小、惯量小、造价低、维修容易、耐用。
（3）通过变频器的调节，实现高转速和高电压运行。
（4）可以实现软启动和快速制动。
（5）无火花、防爆、环境适应能力强。
Research & Application 研发与应用2.拉刀系统主轴内部装有拉刀系统，主轴前端装有夹头，通过夹头的开闭，实现加工刀具的装夹，从而实现换刀的功能。
3.轴承系统轴承位于电机两端，分为上下两部分轴承。
轴承起支撑主轴旋转部分的作用，轴承采用闭式高性能陶瓷球轴承，具有转速高、寿命长、免维护等特性。
此系统已获得国家实用新型专利201120085353.8、201320740734.4、201320893672.0。
4.冷却系统主轴内部开有水道，冷却水通过图上的进水接头，进入主轴内部进行冷却电机及轴承，流经所有发热的部件后，由出水接头排出。
此系统已获得国家实用新型专利201320594939.6。
5.气缸系统气缸系统位于主轴的后端，其上方装有气接头，通入一定压力的气体后，气缸即瞬间打开运动。
与拉刀系统配合后，夹头即打开，完成换刀的功能。
6.气封系统由于主轴长期在机床中切削，切削时的切削液每时每刻都反弹到主轴表面上，主轴必须具备高度密封性。
60E在设计时，已对密封性作了详细的考虑，在主轴加工时，仅需在气封接头上通入低压力的压缩空气(0.15MPa)，即可实现密封功能。
此系统已获得国家实用新型专利201320743961.2。
以上各系统紧密结合，紧凑地组成60E电主轴且维护方便，使60E具有广泛的应用性及可靠性。
主轴内部的轴芯结构已获得国家实用新型专利201320893834.0，主轴整体结构已获得国家实用新型专利201120085351.9。
近几年内昊志机电60E电主轴相继获得广东省高新技术产品奖、国家重点新产品证书奖、广州市科学进步奖、广东省科学技术奖等。
日本NAKANISHI高速电主轴使用方法及注意事项
日本NAKANISHI高速电主轴使用方法及注意事项有些客户是使用日本NAKANISHI高速电主轴没多久就损坏了，会质疑主轴质量问题，实质上在使用高速电主轴的时候，使用方法以及注意事项也是有讲究的，下面松本机电就来介绍一下日本NAKANISHI高速电主轴使用方法及注意事项。
日本NAKANISHI高速电主轴的使用方法及注意事项：1.高速电主轴在安装上就有一定的技术要求，主轴夹具紧固力电流要求在元基础上不能大于10mA,紧固力过大，将会影响主轴的运行寿命，因为夹持过紧，将会导致主轴处于高转速摩擦下运行，因此在制作和选购夹具时要注意，选择合适的。
2.有些客户还会遇到，夹具选择合适了，但是主轴还是出现了故障，是什么原因？根据我司十几年经验技术，维修主轴时检测的结果显示，很多因为是外部气源导致的。
NAKANISHI高速电主轴是高精度的，且内部冷却是经过轴承缝往外排出，如果外部气源过滤不干净，就会导致杂质及水分进入堆积，久而久之就会导致轴承卡死损坏，高速电主轴的转速和精度都比较高，因此主轴的内部零件结构都比较精密和紧凑，在外部气源进入冷却轴承过程中，对气源过滤要求会比较高，在气源过滤上要加强改进计划，空气过滤调压阀上压力表，正常工作压力值为（0.25-0.3Mpa），及时清理过滤调压阀里面的水分，下面松本技术告知大家怎么正确去安装排布过滤装置：3.夹具和空气过滤系统都处理好了，可主轴还是时不时出故障？这个时候应该要注意高速电主轴在使用过程中，有没有出现刮碰现象，以及刀具是否磨损了，因为主轴内部零配件比较精密结构紧凑，主轴的刮碰这都将影响到主轴内高精度轴承，另外在使用过程中要时常注意刀具磨损及时更换刀具，因为刀具磨损未及时更换会导致主轴轴承进向和轴向受力比较大，久而久之就会导致主轴无故损坏，将给你使用会带来不便。
请参考以下案例图：以上是松本机电专业技术总结出的日本NAKANISHI高速电主轴使用方法及注意事项，NAKANISHI高速电主轴的特点就是高精密、高转速、体积小，带来高效率生产，正确的使用及维护，延长主轴寿命，节约成本。
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目前，国内外各著名机床制造商在高速 数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是 在复合加工机床、多轴联动、多面体加工 机床和并联机床中。
工作原理
电主轴就是直接将空心的电动机转子 装在主轴上，定子通过冷却套固定在主 轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元， 通电后转子直接带动主轴运转。
结构
电主轴由主轴及主轴箱本体、 电主轴由主轴及主轴箱本体、内置式 的交流伺服电机、辅助装置、检测装置组成。 的交流伺服电机、辅助装置、检测装置组成。 主轴的变速有主轴驱动模块控制， 主轴的变速有主轴驱动模块控制，而 主轴单元内的温升由冷却装置控制。 主轴单元内的松刀油缸， 后面装有测速、测角位移编码器，松刀油缸， 旋转接头；全段的内锥孔和端面用于安装刀具， 旋转接头；全段的内锥孔和端面用于安装刀具， 刀具夹爪；中间有刀具拉杆，刀具夹紧弹簧。 刀具夹爪；中间有刀具拉杆，刀具夹紧弹簧。
发展趋势
（1） 向高速大功率和低速大转矩方向发展 向高精度、 （2） 向高精度、高刚度方向发展 （3） 向精确定向（准停）方向发展 向精确定向（准停） 向快速起、 （4） 向快速起、停方向发展 （5） 向超高速方向发展 （6） 向标准化方向发展
自动换刀机构原理
电主轴自动换刀机构的组成
由刀具夹紧部分和松刀部分组成。 刀具夹紧部分主要由拉刀爪、拉杆、碟 形弹簧等组成，这一部分随主轴一起旋转。 松刀部分主要通过气缸来实现，气动装 置提供动力，实现夹紧和放松刀柄的动作。
电主轴
机械与精密仪器工程学院 李博
内容
电主轴简介概述 自动换刀机构原理 电主轴动画制作流程 总结
电主轴简介概述
概述
电主轴是高速数控加工机床的“ 电主轴是高速数控加工机床的“心脏部 件”。 由于高速加工不但可以大幅度提高加工 效率，而且还可以显著提高工件的加工质 量，所以其应用领域非常广泛，特别是在 航空航天、汽车和模具等制造业中。于是， 具有高速加工能力的数控机床已成为市场 新宠。
自动换刀系统的工作原理
在夹头夹紧刀具的状态下， 在夹头夹紧刀具的状态下，碟形弹簧 压缩，弹簧向后施加力给拉杆， 压缩，弹簧向后施加力给拉杆，拉杆拉紧拉 刀爪，夹紧刀具。 刀爪，夹紧刀具。 松刀时， 松刀时，电主轴后端配置的松刀气缸 充气，顶杆顶推拉杆后部，压缩碟形弹簧， 充气，顶杆顶推拉杆后部，压缩碟形弹簧， 拉杆推动该拉刀爪下移，拉刀爪张开， 拉杆推动该拉刀爪下移，拉刀爪张开，松开 刀具。 刀具。
电主轴动画制作流程
绘制各个零件
后大盖
壳体
主轴
前螺母
装配
活塞装配体
完整装配图
动态组装演示
电主轴动作动画
截图动画
总结
从本次的制作过程中，了解到电主轴 的工作原理、应用，对电主轴的整体结构 有了一定程度的了解，为下一步的研究做 好了准备。