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數控車床伺服電主軸
閱讀：2004 發布時間：2013-9-9數控車床伺服電主軸
深圳市漢銳科特精密機械有限公司（以下簡稱HEAVY CUT公司）自2011年以來，一直致力于車床主軸的研發與制造工作，目前已經投入大批量生產的車床主軸主要有A2-4-120、A2-4-150、A2-5-170、A2-6-200、A2-8-230等系列輕載及重載型主軸產品，已經形成年3000套以上的數控車床整體主軸單元的制造能力，其技術精度指標均已達到*水平。
為了滿足數控車床機型的需求，HEAVY CUT公司在研發生產機械主軸單元的同時，也對車銑復合中心電主軸投入了大量的實驗與研究，在車床電主軸的研發費用投入方面已經達到數百萬元以上。
一提到電主軸，眾多機床廠家*反應就是國產品根本不行、進口品昂貴的觀點，這與前些年國產雕銑機電主軸的部分品質未能過關是息息相關的。圍繞底國產的數控車床電主軸的品質究竟能夠達到什么樣的技術指標，國產成本與進口成本相比有哪些方面的優勢，關鍵技術如何解決，與眾多的操作系統如何進行數字化接口等問題，HEAVY CUT公司在此方面做了比較深入的研究與實驗，并將兩年以來的實驗狀況總結如下。
車銑復合伺服電主軸單元的組成部分如下圖所示，該主軸單元主要包括主軸、前軸承組、內藏式主軸電機、后軸承組、電機外殼體、后軸承組、制動系統、編碼器、回轉缸聯接盤等元件組成。值得提出的是：下圖中機械密封組合與氣動制動系統為HEAVY CUT公司研發設計的*結構，其正在申請中，未獲正式*前切勿自行采用。
目前，HEAVY CUT公司的車銑復合伺服電主軸主要推出了以下幾個品種系列，其主要參數見下表：
HVCTCK0625外觀
HVCTSFA2-4～A2-6外觀
這些主軸目前采取的電機冷卻方式都是強制風冷或油冷。
伺服主軸在精度指標方面具備很大的優勢，除各處的靜態精度都可以控制在0.002mm以內的跳動精度外，從HEAVY CUT公司已經出廠的電主軸來看，其各項動態工作指標均優于機械主軸單元，特別是在采用西門子的定轉子和海德漢編碼器的產品上，在雙主軸加工插補過程中獲得了4000r/min的同步技術指標。
附錄：
內藏式主軸電機 這是電主軸內部*的重要元件，我國在這一方面的起步雖然較晚，但發展迅速，只是關鍵技術指標卻未能達到*水平。目前各進口的操作系統廠家針對自身不同系列操作系統的要求都有自己的內藏式主軸電機，如發那科、西門子、三菱等。而我國除變頻式主軸電機外，能做成伺服電機的廠家很少，目前國內已經在生產專業應用于車床伺服電主軸定轉子的生產廠家一個是以異步電機為主的北京超同步公司、一個是以同步電機為主的西安合升動力。其他公司形成批量和系列化的很少見。目前市面上電主軸仍然以異步電機為主，同步電機的應用幾乎屬于鳳毛麟角。HEAVY CUT公司已經批量化生產的走芯車床高速電主軸就是以超同步的異步電機制造的。這款主軸實際上只能滿足目前市場上要求不算高的機床使用。但是它仍然有一定的市場。至少在一段時間內，異步電機還不能被同步電機所取代。當然，國產的內藏式主軸電機價格是有優勢的，特別是異步電機。但功能指標方面卻不能滿足。現在能采購到的國產標準品基本上全部是單繞組異步電機產品，而數控車床，特別是車銑復合中心需要的電機特征是低速大扭矩，同時兼備高速性能，這一點異步電機本身就不具備什么優勢。進口的內藏式電機在應用于車銑復合中心上的產品，如果采用異步電機的話，基本上是雙繞組的，既具備低速大扭矩能力，也具備高速性能，幾乎可以和同步電機特性媲美。小巨人的車床采用的內藏式主軸電機就是這種。國產的異步電機廠家幾乎沒有一款雙繞組的可供選擇，要躋身水準，這一點必需有所突破。另外，國產的異步內藏式主軸電機在制作工藝上也非常的欠缺，只能說是湊合能用。無論從外型尺寸規范、電源輸入線品質、整體絕緣封裝工藝都很難滿足電主軸的基本要求。這一方面是因為制造廠家從成本上考慮，另一方面也是因為制造廠家畢竟只具備電機的生產能力而不具備作為機床主軸精密部件的加工能力所致，同時也是因為我國在此方面還沒有一項約束該產品技術指標的相關標準。令人苦惱的是，在裝配定轉子時，漆包線和電源線隨時都有被刮傷的危險。同步電機在此領域未能取得突破的原因，主要是因為國產目前還沒有高性能的同步伺服電機驅動器，價格相對異步電機而言比較昂貴，以至于難以被客戶接受。
感應式高速編碼器 既然是伺服電主軸，內置編碼器就成了*的數字信號反饋部件。而根據機床主軸的轉速特性、安裝位置及型式結構的需求，目前主要還是采用高速型的非接觸式的中空磁感應編碼器，盡管國內有好些廠家都在做此方面的嘗試與突破，但真正在此方面應用的還只有中國臺灣磐林生產的IGS編碼器應用zui廣，HEAVY CUT公司一直以來全力配合國內生產廠家在此方面的應用推廣，但均以失敗而告終，并且給自己帶來了不小的經濟損失。通常用在車銑復合機床電主軸的編碼器，都要求輸出波形是正余玄的，方波輸出的編碼器雖然也可以用，但是，在低速性能和位置精度控制方面均不及正余玄編碼器的反饋效果。但位置精度這一方面還是及德國海德漢公司生產的ERM系列編碼器的精度。當然價格也相差好幾倍。
驅動器與數控系統 通常伺服電主軸制造廠家是不參與驅動器和數控系統設計制造的。而的數控系統廠家卻都有自己的驅動器和伺服電主軸產品。由此可見，驅動器和操作系統對主軸電機控制的重要性。目前，北京超同步和深圳麥格米克都已經批量生產異步伺服電機的驅動器，HEAVY CUT公司在A2-4伺服電主軸的實驗過程中，就采用了北京超同步的內藏式主軸電機、中國臺灣磐林的IGS正余玄編碼器和深圳麥格米克的伺服驅動器，zui低的穩定工作轉速達到了0.3r/min，30分鐘連續過載達到100％，zui高轉速8000r/min，分度精度為±20”。這個指標與*機床指標相比，特別在分度精度方面還差距較大。在采用西門子同步電機、海德漢ERM280編碼器、西門子同步伺服驅動器中，其分度精度穩定保持在±9”以內，其響應位置精度也高出國產數倍。目前，中國臺灣及其他國產的數控系統生產廠家均已對國內生產的伺服電主軸和伺服驅動器在通訊控制方面已經全部開放，可以在使用過程中進行全伺服性能的驅動與控制。但是其他進口品牌的數控系統對國產的伺服電主軸及驅動器在控制方面作了一定的限制，特別是三菱的系統，對國內的電主軸和伺服驅動器只允許在模擬量的條件下運行，也就是說伺服電主軸在它的系統中只能當變頻電主軸使用。而其它則開放了模擬量加全閉環的控制接口，但是依然存在光纖接口未開放等問題，使得其響應速度、同步性能、位置精度等主要技術指標都大打折扣。當然，要獲得幾*的全伺服控制也有別的辦法，就是直接采購控制系統廠家的內藏式主軸電機和編碼器，不過價格都比較昂貴，和整套主軸進口的價格區別不大。這也是我國車銑復合機床主軸不能良好發展的主要原因。
小結 盡管數控系統廠家對我國的伺服主軸單元在控制上有一定的限制，但作為中低端的數控機床還是有它的一席之地。畢竟中低端車銑復合中心如果采用伺服電主軸，其機床技術指標性能相對傳統的伺服電機用同步帶驅動機械主軸單元還是有極大的優勢，至少在定位速度、精度、噪聲和轉速性能方面都是一個大的飛躍。如果一定要使機床的性能達到進口機床的技術指標，那么我們就只有向系統制造商進口其內藏式主軸電機、編碼器、驅動器等主軸的核心部件，當然軸承也需要！真正要趕超在此方面國外的*技術，其關鍵不在主軸上的機械加工零件與內藏式電機，而是在于編碼器、驅動器和數控系統的生產廠家的技術突破！目前的困局在于就算使用單位愿意拿進口產品的代價來購買達到*水準的國產產品，恐怕到目前為止，這幾項產品國內還沒有一家能夠做到。當然，國家在此方面的投入力度也非常大，每年都投入了大量的費用，相信以后會有所突破！個人感言：我們的企業、研發工作者在此方面的進步真的太慢了，甚至覺得不作為！快點改變現狀吧，國家在裝備方面付出的代價已經夠大了！努力吧！不能再讓別人卡自己的脖子！
湯鐵軍 2013年2月4日