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1、 加工中心伺服电主轴的典型结构 随着近年来加工中心机床的普及，越来越多的加工中心机床制造及使用单位对加工中心主轴的要求也越来越高。作为一台机床的核心功能部件，它先后经历了齿轮传动的机械主轴，皮带传动的机械主轴，直联的机械主轴，以及现在的伺服电主轴。其实，加工中心伺服电主轴在国际高端知名品牌的产品中，早在20年前就开始运用，以获得机床良好的整体性能，目前的高端机床已经基本普及。我国虽然起步较慢，但近几年已经呈现了井喷的趋势，这意味着中国的加工中心开始向高端产品方向积极发展了。作为一名技术工程人员或者说是一家机床主轴的制造单位，我们就公司在对加工中心伺服电主轴方面的结构、性能、性价比及优越性方面，
2、向广大机床制造商和机床使用单位，撰此文给大家一个概念性的介绍，希望广大机床厂家与使用单位对伺服电主轴有一个概念性的了解。积极参与使用，以提高机床的整体性能和终端产品加工精度与效率。 首先，请看一下HEAVY CUT公司设计制造的加工中心伺服电主轴的内部总体结构，如图1所示。 图1 通常加工中心伺服电主轴包括前轴承座、内藏式高频电机、后轴承座、转速位置反馈编码器、机械锁刀装置、松刀装置、冷却液供给装置共七个部分组成。这七各部分的机械零件精度环环相扣，也就是导致伺服电主轴难以制造，造价相对较贵的主要原因。值得提出的是，不带编码器反馈的电主轴不是伺服电主轴，只能说是变频电主轴。 相对各种机械主轴单元
3、而言，伺服电主轴具备的优势主要有以下几点： 1、 能够获得特高或超高的转速。目前国内生产的加工中心伺服电主轴中，30000r/min的主轴已经得到了良好的运用。这主要因为编码器反馈的限制，目前比较普及的磁感应编码器只能达到这个转速。在伺服电主轴方面，需要更高的速度的话，就需要更高转速的感应式编码器配合。通常采用皮带驱动的机械式加工中心主轴，目前转速很少有超过12000r/min的，基本都在8000r/min的转速段徘徊。这并非是主轴的条件不允许，而是皮带的噪音、传动精度、电机及主轴的径向载荷等条件引起的。 2、 安装空间大幅缩小，主轴安装更简单。加工中心机械式主轴驱动电机基本是外挂的，它与主轴
4、的叠加高度一起，相当于主轴部分的两倍以上，直联式机械主轴的长度更长，它要在长度方向给出松刀机构及冷却液供给装置的空间。伺服电主轴的电机是内藏式的，它虽然比机械式主轴的直径大一些，但长度方向大大的缩短了。如果和直联主轴相比，它的总长度只有60%左右，而直径增加部分还不到30%。无论安装哪一款机械式主轴，对其周边对应零件精度都有一定的要求。特别是齿轮传动主轴的位置度。伺服电主轴在这个方面省却不少麻烦，甚至除了主轴安 装孔和端面以外，其它位置可以不做机械加工处理。锁紧端面法兰螺栓，联接好管线就宣告安装完成。大大节省了主轴安装部位的机械零部件和人工费用。 3、 主轴载荷更合理，使用寿命更长。除直联传动
5、外，其它的机械传动结构都会给主轴的前后轴承产生偏载。没有传动载荷就不可能传递出工作扭矩，假设这个关系是1：1的话，那么，因机械传动所带来的轴承寿命损失会是同轴传动方式的1倍。这是机械主轴的弊端。直联主轴和伺服电主轴由于驱动力和主轴是同轴的，所以不存在偏载。同时，加工中心的伺服电主轴由于电机是中置的，所以相对直联式机械主轴在工作负荷下所产生的扭震要小得多，但这个数据是根据载荷不同和主轴的刚度不同而变化的。 4、 位置反馈准确，无传动信号偏差，绝大与大部分操作系统兼容。和直联主轴一样，伺服电主轴的磁感应编码器是安装在主轴上，它的脉冲给出是与主轴位置一致的。在系统兼容的条件下，完全实现电机的伺服性能
6、。现在所有机床制造厂家都在担心伺服电主轴与系统的兼容性问题。众所周知，数控系统在中国起步较晚，中国前些年大部分使用的还是进口的操作系统，由于这个系统需要对执行电机及数字化处理器方面需要通讯，而这些通讯需要一个协议来对接，编码器、驱动器、系统三者之间都带有协议，而这个协议能否一致，是否被别的原件接受执行指令，就要看各制造厂家是否愿意开放这个接口。或者说它们之间是否有介入的密码和频率通道。这个问题主要是产生在进口 的数控系统上面，特别是日本的操作系统。目前台湾和本土生产的操作系统，是允许其它的国产驱动器进行数字化对接的，也就是说，国产系统可以对伺服电主轴及驱动器进行全数字化管理。在国际知名品牌中，
7、西门子、发那科等大部分系统也进行了部分接口的开放，可以通过模拟量全闭环的工作方式使电主轴驱动工作。目前，只有三菱的数控系统没有开放闭环的功能给中国的驱动器和编码器，如果要在三菱的系统中应用伺服电主轴，那就必需采购三菱指定型号的驱动器、电机和编码器，而这个价格相对而言是比较昂贵的。否则只能在模拟量的状态下进行。所以，在系统的兼容性方面，不必太大的担心，兼容的系统还是占绝大多数的。如果伺服电主轴产量上来了，大家一起封杀不开放的系统，相信那些不开放的厂家不用三个月就会乖乖就范，全球没有一家制造商可以和中国这个庞大的需求市场叫板的。当然，最好有中国自己的高端操作系统。 5、 伺服电主轴的制造成本与可维
8、护性。用户最关心的问题就是机床主轴成本和可维修性的问题。伺服电主轴从理论上讲比机械主轴加伺服电机的成本会略低一些。高速伺服主轴电机的成本并不低，伺服电主轴去掉了不必要的传动系统，这个成本是省掉了的。确切的说，一个伺服电机加一套机械主轴的成本应该是可以制造出一套同等转速的伺服电主轴。集成设计制造后成本应该更低。但是，由于伺服电主轴现在没有主导市场，产量极低，未形成产业化前相对成本较高。另外，伺服电主轴所采用的编码器为中空型磁感应编码器，这款编码器也是由于制造 产量的原因，成本也居高不下。在大量普及的雕铣机电主轴行业，价格便宜的让你无法计算出利润，这就是一个产品在中国普及后的成本优势。目前的伺服电
9、主轴性能较原来的皮带机械主轴整体性能大幅度提高，具体体现在高速性能、反扣松刀装置等方面，用户往往没有把这些因素考略在内。电主轴的维修性能方面主要反应制造厂家的设计理念。HEAVY CUT公司设计制造的第二代伺服主轴，在维护和维修方面是比较方便的，如果你会修机械主轴，这个电主轴就可以自行维修。而且HEAVY CUT公司对每款电主轴都备有详尽的使用维护说明书，专业从业人员一看就会，在申请完各项专利后，我们会将使用维护图面及说明书公诸于众，以达到产品普及化的目的。至于具体的维修方法，我们会在后续的加工中心电主轴的各组成部件中提出！相信机床制造技术人员都可以理解！ 本文下半部分为加工中心伺服电主轴各组成部分的概述，因为时间关系，将于下周发表，敬请留意！ HEAVY CUT 汤铁军
