数控机床高速电主轴技术及应用

胡俊文

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湖南全宇工业设备有限公司

摘要：高速电主轴部件是数控机床核心的功能部件，融合高速电机，精密轴承和驱动控制等关键技术，对数控机床的性能以及使用有较大影响。高速电主轴技术的开发及应用，推动着数控机床自动化、系统化的发展，对机床的运行效果起到决定性作用。本文从数控机床高速电主轴技术的发展以及应用切入，对主轴驱动控制技术进行系统分析和总结。

关键词：数控机床；高速电主轴；驱动控制技术

高速电主轴作为数控机床的三大高新技术之一(高速电主轴，数控系统，进给传动)，随着数控技术及切削刀具的快速发展，越来越多的机械设备都向高速、高精、高效、高智能化发展，高速电主轴已成为高性能数控机床的核心功能部件，电主轴技术水平的高低和质量的优劣直接绝对和影响机床的品质、性能、工作效率及运行稳定性。电主轴比起传统机械主轴具有明显的性能优势，同时电主轴的生命周期也更长，对于数控机床来说，有着不可替代的作用[[1]]。

表1：电主轴和机械主轴的对比

	电主轴	机械主轴
驱动方式	由内装式电动机直接驱动	带动传动和齿轮驱动
旋转精度	高	低
刚度	高	低
速度	无级变速，速度快	速度慢
散热	要求高	要求低
成本	高	低
震动	小	大

一、高速电主轴的主要构成部分

高速电主轴的主要构成部分包括：轴承、定子、转子、冷却系统、润滑系统和换刀机构等，相比于机械主轴，电主轴将电机和传动机构一体化，极大简化主轴的传动结构[[2]]。

二、高速电主轴的技术要点及应用

（1）高速电主轴的高速精密轴承技术

高速电主轴系统的应用与技术发展中轴承工艺大致分三类:滚动轴承、静压轴承、磁悬浮轴承。滚动轴承具有刚度好，高速性能好，结构简单和标准化程度高等特点。其中比较常见的是角接触轴承，角接触轴承的主要特性是构造简单、极限速度较快、摩擦力矩小，能同时承担径向与轴向的负荷，因此噪声较小。静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小，寿命长，旋转精度高和阻尼特性好等优点，静压轴承的电主轴动静态刚度好，但价格较高，维护使用复杂。磁悬浮轴承与传统滚动轴承相比，不存在机械接触，具有磨损小，能耗低、寿命长和无需润滑和无油污染等特点，因此磁悬浮轴承特别适用于高度，真空，超净的特殊环境。但磁悬浮轴承是一种辅助功能，通常应用方式是磁悬浮+滚珠轴承或者磁悬浮+含油轴承等方式[[3]]。

（2）高速电主轴的润滑技术

高速电主轴对润滑系统要求较高，油量过少不能提供润滑效果，油量过多会出现因为轴承的高速旋转运动时油滴的摩擦阻力加大而出现发热现象。当前高速电主轴的润滑形式主要有油脂润滑，油气润滑和油雾润滑等方式。油脂润滑是一次性永久润滑，不需要任何附加装置，维护简单但温升较高。油气润滑是一直新型的润滑方式，通常采用分配阀针对不同部位按需提供油气混合物；油雾润滑效果较好，但结构复杂，对环境有一定污染。时下出现的喷油润滑和环下润滑是新型少油的润滑方式，在高速电主轴有着广阔的应用前景

（3）高速电主轴的冷却技术

高速电主轴旋转过程中产生的发热和温升问题是高速电主轴研究的一个重点。内置电机和主轴轴承温升是电主轴的主要热源。轴承温度可以靠润滑系统冷却，内置电机主要靠冷却系统完成。冷却系统原理是依靠冷却液的循环流动实现，根据不同的冷却介质分为，油冷却，空气冷却和水冷却方式。空气冷却方式成本低污染少，但热交换性能较差；油冷却具有防生锈，热交换性能好，制冷效果好的优势，但成本高，污染大；水冷却方式相比于油冷却和空气冷却具有成本低，污染小和制冷效果好的优势。

三、高速电主轴的驱动控制技术及应用

高度电主轴是一个集机、电、磁、热为一体的强耦合复合系统，导致高速主轴控制的三个难题：非线性、强耦合和不确定性，驱动控制技术的关键需要克服这三个因素对驱动控制带来的不利影响。实际应用对高速电主轴的控制精度，响应速度，系统稳定性和适应能力提出的要求，促使对高速电主轴的驱动技术从经典的V/F控制、矢量控制、直接转矩控制逐步向智能控制技术发展。本节将对高速电主轴主要的控制方法进行综合分析。

（1）V/F控制技术

V/F控制是基于改变主轴频率的方式控制变频器的输出电压，使电机磁通保持一定，在一定范围内，主轴的效率和功率因数不下降。Vardhan等[[4]]提出的混合脉冲调制技术综合连续和离散的PWM技术，使得V/F控制具有更好的抑制转矩脉动的性能。但由于V/F控制的基础是建立在点击静态数学模型上，而忽略了对相位的控制，让V/F控制获取良好的静态性能的同时牺牲了动态性能。

（2）矢量控制技术

德国学者Blaschke在1974年首先提出的矢量控制实现了对交流电机的电磁转矩的有效控制，实现对电机磁通和转矩的独立控制。矢量控制的原理是通过测量定子电流矢量，并对其解耦后得出的励磁电流和转矩电流进行控制，从而进一步控制励磁磁链和电磁转矩；同时通过调整励磁电流和转矩电流可以优化主轴运行过程的动态速度跟随精度和抗扰动态性能动态参数。矢量控制使得对电主轴的控制具有直流调速系统的优点。但尽管如此，矢量还有很多技术问题需要完善和解决，例如复杂变化带来的计算量大问题，磁场定向的转自磁链轴等问题，目前新型的矢量控制已经具备对主轴参数的自动检测，自动识别和自适应的功能，根据自辨识的计算结果相应的修改相关参数，从而获取更优的控制性能。

（3）直接转矩控制技术

直接转矩控制技术是继矢量控制后发展的另一种高动态性能的控制技术。直接转矩控制技术的控制策略是应用空间矢量分析方法对电主轴的各个物理量采用定子磁场定向方式，获取PMW信号进而取得磁链和转矩的开关信号和定子磁链角。鉴于直接转矩控制的优越性国内人很多学者进行针对性的研究。其中袁登科等[[5]]提出了一种既能保持高动态响应又能减少转矩脉冲的改进方案。Miloudi等[[6]]提出了直接转矩模糊控制技术，通过两个模糊控制器来确定参考电压的幅值和相位，改变逆变器的开关状态。直接转矩控制虽然不是基于电机模型，但是仍然需要通过准确的电机参数对定子磁链和转矩进行估算。其功率开关器件存在的通断时间的缺点也不可避免，此缺点容易在调制周期内产生微小的畸变引起转矩脉动。

（4）智能控制技术

随着控制对控制技术的不断研究探索，国内外学者提出很多前瞻性的控制技术，比如，混合驱动控制技术，该方案的核心思想是对经典控制技术取长补短，充分利用各种控制技术的有点，组合成为一种控制性能更优秀的全新控制技术。基于模糊控制的控制技术，充分利用模糊控制鲁棒性强的特性，降低外界干扰和参数时变对控制效果的影响，得到一种能克服自身参数扰动且保持良好控制性能的控制方案。基于神经网络的控制技术，通过神经网络具备的能任意逼近非线性有理函数的能力得到更精确的电机模型，特别是神经网络和模糊控制相结合的控制方式是近年来主轴控制领域的研究热点。

四、结语

现代化的生产，智能化、信息化、集成化程度越来越高，且技术也越来越先进。对于数控机床的高速电主轴技术的研发和应用领域也越来越多。其高精度、性能稳定，能够更好的满足社会需要，且为企业带来巨大的经济效益。因此，电主轴技术的应用于发展，是数控行业发展的先行条件，在数控机床的生产活动中，具有十分重要的作用。纵观国内外的电主轴技术研发，已经进入了快车道，而中国的电主轴技术也越来越完善，并且通过核心技术的研发以及产品应用，在世界范围内，都具有较好的影响力。

因此，对于数控机床的高速电主轴技术研发来说，更需要行业内企业以及人才的共同努力，开发更多具有核心竞争力的产品，让高速电主轴技术“中国制造”被世人瞩目。

参考文献：

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[[1]] 胡涞， 查俊， 朱永生，等. 基础装备制造及高档集成数控机床研究进展[J]. 中国机械工程， 2021， 32(16):13.

[[2]] 张开洪. 数控机床高速电主轴技术及应用分析[J]. 山东工业技术， 2016(11):1.

[[3]] 郑良钢， 陈铮， 周志科. 数控机床高速电主轴技术要点分析[J]. 中国设备工程， 2021.

[[4]] Harsha M, Reddy V ,Jegathesan V. Open loop V/F control of induction motor based on hybrid PWM with reduced,torque ripple [C] //IEEE Proceedings of ICETECT,2011,331-336

[[5]] 袁登科，陶生桂. 一种感应电机直接转矩控制系统性能改善方案[J].中国电机工程学报，2005，25(8):151-155.

[[6]] Miloudi A, Alradadi E A,Draou A .A new control strategy of direct torque fuzzy control of a PWM inverter fed induction Motor drive [C] // IEEE ISIE,2006,2535-2540