电主轴的工作原理.docx
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电主轴的工作原理
电主轴的工作原理
目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。
机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。
这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”（ElectricSpindle,MotorSpindle）。
由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（HighFrequencySpindle）。
由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（DirectDriveSpindle）。
电主轴的优点
电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。
电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。
产品特性
高转速、高精度、低噪音、内圈带锁口的结构更适合喷雾润滑。
主要用途
数控机床●机电设备
微型电机●压力转子
步进电机
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。
电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：
电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。
电主轴所融合的技术：
高速轴承技术：
电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限；
高速电机技术：
电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。
关键技术是高速度下的动平衡；
润滑：
电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。
所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。
所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。
而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。
油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
冷却装置：
为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
内置脉冲编码器：
为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。
自动换刀装置：
为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；
高频变频装置：
要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。
什么是电主轴电主轴有什么优点
电主轴概述
高速数控机床（CNC）是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。
高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。
数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。
高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。
不同类型的高速主轴单元输出功率相差较大。
目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。
机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。
这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”（ElectricSpindle,MotorSpindle）。
由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（HighFrequencySpindle）。
由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（DirectDriveSpindle）。
电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。
电主轴概述
主轴是直接体现机床性能的关键部件。
目前，数控机床大量采用内装变频电动机的主轴部件。
它是一种机电一体化的功能部件，其电动机转子与主轴是一体的，无需任何机械连接。
改变供电的频率，就可以实现主轴调速。
这种模块化、系列化的功能部件称为电主轴。
通常由具有设计和制造高速、高精度、变频调速电主轴丰富经验的专业公司提供，产品质量和供货容易获得保证。
变频电主轴制造商通常提供不同结构和用途的系列产品。
变频电主轴按其轴承结构可分为滚动轴承电主轴、静压轴承电主轴和磁浮轴承电主轴；按其变频范围可分为高速（30~1500Hz）和低速（10~40
Gs交流伺服驱动器
Gs系列交流伺服驱动器-让机床拥有非凡品质
Gs交流伺服驱动器是北京超同步科技有限公司自主研发、生产的新一代交流伺服驱动器，它完全继承Ga驱动器的优点，同时在驱动技术和控制精度上有大幅度提高。
是目前国内具有领先水平的交流伺服产品。
该产品设计超前，功能全面，应用广泛，是各种数控机床驱动（主轴）首选的驱动产品。
Gs系列交流伺服驱动器采用双dsp技术完全实现伺服电机的全闭环控制，集速度控制、位置控制、转矩控制于一体。
作为机床动力轴驱动系统，可以方便地实现高速、高精度铣削、车削、磨削等加工，在重切削方面比传统驱动更胜一筹；同时由于卓越的控制性能，完全有能力参与坐标轴的插补控制，完成刚性攻丝、螺纹切削、c轴控制等功能；还可以实现诸如多头铣床等设备的伺服同步驱动。
Gs系列交流驱动器接口丰富，操作简便，标准应用可免调试，给机床设计工程师的选型、设计、调试等工作提供极大的便利。
方便地与国内外各大知名品牌的数控系统接口，使您的机床设计更灵活，充分张显竞争优势。
Gs系列驱动器作为大功率的伺服驱动单元，完全有能力和交流同步驱动器在重型机床的坐标轴控制方面进行角逐，同时其良好的性价比优势，更让我们相信她完全可以让您的立车卧镗、龙门设备等尽显非凡优势。
发布日期：
2011-4-7
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伺服电机与步进电机区别
伺服电机（伺服系统）比步进电机精度高
步进电机属于伺服电机的一种，而伺服系统与步进电机才有区别。
伺服系统通常用在高精度微移动场合，以及高精度场合，而步进电机则使用在要求并不太高的场合，其二者的造价目前伺服系统略高于步进电机，但已经是越来越便宜了。
伺服系统其优越性远高于步进电机，只是造价目前看来还略高一些而已。
步进电机和交流伺服电机性能比较
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。
在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。
随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。
为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。
现就二者的使用性能作一比较。
一、控制精度不同
两相混合式步进电机步距角一般为°、°，五相混合式步进电机步距角一般为°、°。
也有一些高性能的步进电机步距角更小。
如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为°、°、°、°、°、°、°、°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。
以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=°。
对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=秒。
是步距角为°的步进电机的脉冲当量的1/655。
二、低频特性不同
步进电机在低速时易出现低频振动现象。
振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。
这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。
当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
三、矩频特性不同
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。
交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
四、过载能力不同
步进电机一般不具有过载能力。
交流伺服电机具有较强的过载能力。
以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。
其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。
步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
五、运行性能不同
步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。
交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
六、速度响应性能不同
步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。
交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。
但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。
所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。
FANUC的伺服驱动装置
（2007-06-2314:
08:
37阅读数：
418）
一、前言
伺服装置是数控系统的重要组成部分。
伺服技术的发展建立在控制理论、电机驱动及电力电子等技术的基础上。
上世纪50年代初，世界笫一台NC机床的进给驱动采用液压驱动。
由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统所产生的力（约为20：
1），而且惯性低、反应快，因此初期的NC系统的进给伺服装置大多采用液压驱动装置。
当时的日本富士通公司计算机控制部（以后发展为FANUC公司）从麻省理工学院学习了笫一台NC技术后，用电液脉冲电机作为数控机床进给驱动系统。
70年代初期，由于石油危机，加上液压对环境的污染以及系统笨重、效率低等原因，美国GETTYS公司开发出直流大惯量伺服电机，这种伺服电机静力矩和起动力矩大，并在NC机床上得到了应用，性能良好。
另一方面，1974年FANUC公司在开发新的低噪声、大扭矩电液脉冲电机时，遇到了技术困难。
而电液脉冲电机原先是使FANUC数控系统市场占有率高到几乎接近独占鳌头的主要原因； 当时担任公司社长的稻叶先生反复思考，“我是技术人员，同时也是经营者。
作为技术人员，我作为电液脉冲电机的发明者而感到自豪、自信；但是作为经营者，我必须反复自问：
电液脉冲电机就这样原封不动地持续下去而没有危机吗通过调查，我确信有新的电机来取代电液脉冲电机。
”于是当即做出了“割爱”的果断决择：
废弃使用多年的电液脉冲电机驱动方案，同时转而从美国GETTYS公司引进大惯量直流伺服电机制造技术，并立即进行商品化。
从此，在世界最大的CNC公司，开环的系统由闭环的系统取代；液压的驱动系统由电气驱动系统取代。
这件事，一直在NC业界传为美谈。
在这之后，FANUC又成功地把交流伺服电机应用在数控机床上，然后不断推出新的驱动装置：
如直线电机、高速内装电机、直接驱动电机等，提高了数控机床的性能，简化了数控机床的机械结构。
二、数控机床对驱动装置的要求
数控机床主要有两种驱动装置：
进给伺服驱动装置和主轴驱动装置。
这两种驱动装置在很大程度上决定了数控机床的性能优劣。
数控机床对进给伺服装置的要求
机械特性的要求
要求伺服装置静态和动态的速降小、刚度大。
伺服系统的刚度与机床机械构件的刚度有相同的意义，即在外部干扰力（切削力、重力等外力）作用下，这些力从工作部件传到电机轴上产生的转角位置变化。
用C 表示单位外力矩作用下的位移：
=
T
（1）
式中，q为工作部件角位移量，T为外加扰动力矩。
要求δ很小，甚至为零，即通电之后，伺服装置处于闭环状态，要求任何外力不使机床的工作部件发生位移（在限度以内）。
数控机床加工中有时从插补运动过渡到某一轴的直线运动或旋转运动，如果待工作的轴伺服刚性不好，加工精度同样得不到保证，这是显然的。
伺服刚性通常是以对扰动力矩的响应来综合调节系统。
快速相应的要求
这在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格。
调速范围的要求
这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质；适应于各种不同的加工工艺。
在机床加工时，当工作部件处于停止状态，也即进给电机的速度虽然为零，但要求伺服电机仍然具有转矩，这样才能“锁住”工作部件；因此，进给伺服装置仍然处于“伺服”状态。
从理论上说，进给驱动的调速范围为无穷大。
或者说，进给的调速范围越大越好。
比如FANUC的15系统速度范围可达1,000,000,000:
1。
输出转矩的要求
一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。
机床进给机械负载的性质主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力，因此主要是“恒转矩”的性质。
数控机床对主轴驱动装置的要求
足够的输出功率
数控机床的主轴负载性质近似于“恒功率”，也就是当机床的主轴转速高时，输出转矩较小；主轴转速低时， 输出转矩大； 即要求主轴驱动装置也要具有“恒功率”的性质。
可是当主轴电机工作在额定功率、额定转速时，按照一般电机的原理，不可能在电机为额定功率下进行恒功率的宽范围调速。
因此，往往在主轴的机械部分需增加一或二档机械变速档，以提高低速的转矩，扩大恒功率的调速范围；或者降低额定输出功率，扩大恒功率调速范围。
调速范围的要求
为保证数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质，适应于各种不同的加工工艺，要求主轴驱动装置具有一定的调速范围。
对主轴的驱动装置，一般较低的要求为1:
100，高的要求为1:
1,000以上。
速度精度的要求
一般要求静差度小于5%，更高的要求为小于1%。
如果速降过大，则加工的质量就会受影响，比如光洁度就不好。
快速的要求
主轴驱动装置有时也用在定位功能上，这就要求它也具有一定的快速性。
二、驱动电机的发展
进给伺服用电机：
从直流电机到交流电机，从旋转电机到直线电机对于电动机，其输出转矩T的大小与激磁磁感应强度B1和电枢磁感应强度B2的大小及B1、B2之间夹角q的正弦成比例。
即：
T=k（B1×B2×sinθ）
（2）
其中k为比例系数；直流电机由于电刷的位置在几何中心线上，所以θ=90°；因此控制简单，可以输出较大的力矩，得到了广泛的应用。
但是直流电机电刷容易磨损，需要经常更换，这就给维修造成困难。
于是又开发了交流伺服电机。
由于交流电机θ≠90°，为了提高性能，采用交流电机伺服控制理论和数字信号处理器可以对三相交流感应电机进行矢量控制以得到q=90°；对于交流同步机结构的伺服电机，同样也可以采用矢量控制的方法，并通过控制磁场夹角的方法得到θ=90°；由于它的特性可以与直流电机相当，因此，进给伺服应用的电机大多数采用这种电机。
图1直线电机与直接驱动伺服电机
采用电伺服技术的初期阶段，指令的控制为模拟控制；这种控制方法漂移大、精度差，由于数字控制可以克服上述缺点，因此越来越多地得到应用。
当前，FANUC最大的伺服电机3000HVis规格如下：
额定输出功率250kW，最大功率530kW，堵转转矩3000Nm，最大输出转矩为5300Nm，最高转速为2000r/min，目前，也是世界上最大的伺服电机。
这种电机主要应用在数控注塑机和冲压机上，原先，这些机械主要采用液压驱动。
传统设计和制造的NC机床受制于标准驱动装置及控制器，使加工的精度和速度受到限制。
在上世纪80年代末出现了直线伺服电机。
它由两个元件组成，电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接，没有螺距周期误差，精度完全依赖于反馈系统和分级的支承。
由全数字伺服驱动器供电，刚性高，频响好，因而可获得高速度。
比如L17000C3/2is 的直线电机：
最大推力可达17000N， 连续推力3400N/4080N/6800N（分别对应自然冷/气冷/水冷），速度可达4m/s，加速度30g， 分辨率可达µm，甚至更高。
直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：
一是结构简单，由于直线电机不需要有旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地减少；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高；三是反应速度快、灵敏度高，可做到滑块和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定子、滑块间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长。
在数控机床上把低速力矩电机直接作为旋转工作台是伺服技术的又一个发展。
传统的旋转工作台一般是通过高速伺服电机带动降速齿轮、蜗轮、蜗杆副进行降速。
传动链长，噪声大，需要维修。
在采用直接驱动的伺服电机后，由于加大了电机转子直径，采用稀土金属作为磁极材料，因此可以获得大转矩。
并对磁路进行最佳设计，以减少低速的转矩脉动。
表1是齿轮传动工作台和直接驱动工作台性能比较。
表1齿轮工作台和直接驱动工作台性能比较
项目
齿轮工作台
直接驱动工作台
速度
低
高
加速度
低
高
伺服刚度（例
如，位置增益）
一般
高
抗干扰
相对强
相对弱
夹紧转矩
大
相对小
定位精度
高（主要决定于编码器
分辨率和降速机械）
高（主要决定于编码器分辨
率、机械刚度和轴承刚度）
机械噪声
大
低
维修
必需（由于机械磨损）
基本不必要
装配
相对容易
需要思考（由于磁拉力）
冷却
一般不需要
自然冷/气冷/液冷（决定于
连续转矩和散热情况）
外形尺寸
不紧凑（电机外装）
紧凑（电机内装）
当前，FANUC工作台的内装式伺服电机D3000/150is具体规格如下：
最大输出转矩可达3000Nm，连续额定转矩可达1200Nm，最大转速为150r/min，外形高度为160mm，外径为565mm。
主轴电机
由于交流异步电机变频调速容易实现恒转矩、恒功率的功能，又没有直流电机的炭刷，因此很快就被采用在数控机床的主轴上。
随着数控机床速度的提高，为了简化传动链，甚至采用“零传动”的结构，因而出现了电主轴。
把机床的主轴与主轴电动机集成在一起，它的机械结构虽然很简单，但精度和可靠性却要求很高。
当前， 一般内装主轴电机速度达到12000～15000r /min；电机采用三相异步电机的结构，并采用改变极对数的方法改变分级变速。
最近，又出现同步电机的结构，采用稀土磁铁，提高输出转矩，设计最佳机床结构，还开发了宽范围恒功率的主轴电机。
这有两种方法：
降低原有电机的功率，扩大恒功率调速范围；利用变极对数，达到恒功率。
采用FANUC主轴电机规格如表2。
表2FANUC主轴电机规格
型号
特点
额定功率范围
（kW）
速度范围（r/min）
（基速-最大速）
应用
i
标准型
～45
4,500～15,000
车床、加工中心
ip
宽范围恒功率
～22
4,500～8,000
车床、加工中心
iT
电机与机床主轴
直连
～22
5,000～20,000
车床、加工中心
iL
高精度直连，油
冷
～22
15,000～20,000
车床、加工中心
iB
内装
～50
1,000～30,000
车床、加工中心
iH
高压供电
～100
4,000～20,000
车床、加工中心
三、驱动装置的发展
FANUC的驱动装置主要由3部分组成：
电源、放大器、控制。
电源主要把交流变为直流，把泵升电压送回电网或加以处理，在电源故障时进行保护等功能。
早期开发的晶闸管伺服系统控制简单，速度范围能满足一般数控机床的需要，由于晶闸管额定电流大，短时间过电流能力强，因此对大惯量直流伺服电机可以发挥过负荷、高速、高加减速的特点。
控制一般采用移相控制的方法。
晶闸管伺服系统的缺点是功率转换的频率较低，只能是电网的频率50Hz或者高达300Hz。
因此，其伺服装置低速电流波动较大、调速范围不大、快速响应慢。
由于上述原因， 从技术上FANUC又推出了PWM（脉冲宽度调制）控制的电路。
比如，以固定的频率调制直流电源电压V0，当方波的占空比Dt/T0变化时，输出平均电压V1为：
V1=[t/T0]V0
（3）
虽然这种电压的波形也是脉动的，但是由于调制的频率可以达到很高，因此波形仍然可以很好。
从上述原理看出，PWM的特点可以使系统的快速性提得很高。
如果采用晶体管，其动态调节时间比可控硅快，但允许的电流较小，因此比较适合中、小功率的驱动电路。
除了直流进给电机外，FANUC的交流电机也采用PWM控制。
交流电机的控制，是通过交流、直流、交流的原理产生交流电压去控制交流电机。
首先电网的交流电压经过整流变成直流电压，供电给逆变器，它把直流磁路，减小低速脉动。
这种电机非常适合数控车床和数控齿轮机床的应用。
除此以外，FANUC还开发了与机床主轴直连的主轴电机，油冷主轴电机。
为了简化变成交流；而逆变器是由PWM控制的，通过PWM电路，变化交流电压的幅值，频率低时，输出电压的幅值也低，频率高时，由于采用PWM的控制，输出电压的幅值也高。
这样就达到变频的同时也改变了电压。
不但进给驱动系统采用这个原理；而且交流主轴电机的调速也是如此。
一般频率为3kHz～10kHz。
伺服技术的发展与电力电子技术的发展有关，上世纪50年代初使用的功率电子器件为电子管、闸流管，体积大、寿命短、效率低；60年代之后，又相继出现了晶闸管SCR（可控硅整流器）、功率晶体管GTR、功率场效应管MOSFET、绝缘栅三极
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