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數(shù)控車床伺服電主軸

深圳市漢銳科特精密機(jī)械有限公司（以下簡(jiǎn)稱HEAVY CUT公司）自2011年以來(lái)，一直致力于車床主軸的研發(fā)與制造工作，目前已經(jīng)投入大批量生產(chǎn)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(chǎn)品，已經(jīng)形成年3000套以上的數(shù)控車床整體主軸單元的制造能力，其技術(shù)精度指標(biāo)均已達(dá)到*水平。

為了滿足數(shù)控車床機(jī)型的需求，HEAVY CUT公司在研發(fā)生產(chǎn)機(jī)械主軸單元的同時(shí)，也對(duì)車銑復(fù)合中心電主軸投入了大量的實(shí)驗(yàn)與研究，在車床電主軸的研發(fā)費(fèi)用投入方面已經(jīng)達(dá)到數(shù)百萬(wàn)元以上。

一提到電主軸，眾多機(jī)床廠家*反應(yīng)就是國(guó)產(chǎn)品根本不行、進(jìn)口品昂貴的觀點(diǎn)，這與前些年國(guó)產(chǎn)雕銑機(jī)電主軸的部分品質(zhì)未能過(guò)關(guān)是息息相關(guān)的。圍繞底國(guó)產(chǎn)的數(shù)控車床電主軸的品質(zhì)究竟能夠達(dá)到什么樣的技術(shù)指標(biāo)，國(guó)產(chǎn)成本與進(jìn)口成本相比有哪些方面的優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵技術(shù)如何解決，與眾多的操作系統(tǒng)如何進(jìn)行數(shù)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(shí)驗(yàn)，并將兩年以來(lái)的實(shí)驗(yàn)狀況總結(jié)如下。

車銑復(fù)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(nèi)藏式主軸電機(jī)、后軸承組、電機(jī)外殼體、后軸承組、制動(dòng)系統(tǒng)、編碼器、回轉(zhuǎn)缸聯(lián)接盤等元件組成。值得提出的是：下圖中機(jī)械密封組合與氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)為HEAVY CUT公司研發(fā)設(shè)計(jì)的*結(jié)構(gòu)，其正在申請(qǐng)中，未獲正式*前切勿自行采用。

目前，HEAVY CUT公司的車銑復(fù)合伺服電主軸主要推出了以下幾個(gè)品種系列，其主要參數(shù)見下表：

 

HVCTCK0625外觀

HVCTSFA2-4～A2-6外觀

這些主軸目前采取的電機(jī)冷卻方式都是強(qiáng)制風(fēng)冷或油冷。

伺服主軸在精度指標(biāo)方面具備很大的優(yōu)勢(shì)，除各處的靜態(tài)精度都可以控制在0.002mm以內(nèi)的跳動(dòng)精度外，從HEAVY CUT公司已經(jīng)出廠的電主軸來(lái)看，其各項(xiàng)動(dòng)態(tài)工作指標(biāo)均優(yōu)于機(jī)械主軸單元，特別是在采用西門子的定轉(zhuǎn)子和海德漢編碼器的產(chǎn)品上，在雙主軸加工插補(bǔ)過(guò)程中獲得了4000r/min的同步技術(shù)指標(biāo)。

附錄：

內(nèi)藏式主軸電機(jī)   這是電主軸內(nèi)部*的重要元件，我國(guó)在這一方面的起步雖然較晚，但發(fā)展迅速，只是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)卻未能達(dá)到*水平。目前各進(jìn)口的操作系統(tǒng)廠家針對(duì)自身不同系列操作系統(tǒng)的要求都有自己的內(nèi)藏式主軸電機(jī)，如發(fā)那科、西門子、三菱等。而我國(guó)除變頻式主軸電機(jī)外，能做成伺服電機(jī)的廠家很少，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)在生產(chǎn)專業(yè)應(yīng)用于車床伺服電主軸定轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)廠家一個(gè)是以異步電機(jī)為主的北京超同步公司、一個(gè)是以同步電機(jī)為主的西安合升動(dòng)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(jī)為主，同步電機(jī)的應(yīng)用幾乎屬于鳳毛麟角。HEAVY CUT公司已經(jīng)批量化生產(chǎn)的走芯車床高速電主軸就是以超同步的異步電機(jī)制造的。這款主軸實(shí)際上只能滿足目前市場(chǎng)上要求不算高的機(jī)床使用。但是它仍然有一定的市場(chǎng)。至少在一段時(shí)間內(nèi)，異步電機(jī)還不能被同步電機(jī)所取代。當(dāng)然，國(guó)產(chǎn)的內(nèi)藏式主軸電機(jī)價(jià)格是有優(yōu)勢(shì)的，特別是異步電機(jī)。但功能指標(biāo)方面卻不能滿足。現(xiàn)在能采購(gòu)到的國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)品基本上全部是單繞組異步電機(jī)產(chǎn)品，而數(shù)控車床，特別是車銑復(fù)合中心需要的電機(jī)特征是低速大扭矩，同時(shí)兼?zhèn)涓咚傩阅埽@一點(diǎn)異步電機(jī)本身就不具備什么優(yōu)勢(shì)。進(jìn)口的內(nèi)藏式電機(jī)在應(yīng)用于車銑復(fù)合中心上的產(chǎn)品，如果采用異步電機(jī)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(jī)特性媲美。小巨人的車床采用的內(nèi)藏式主軸電機(jī)就是這種。國(guó)產(chǎn)的異步電機(jī)廠家?guī)缀鯖]有一款雙繞組的可供選擇，要躋身水準(zhǔn)，這一點(diǎn)必需有所突破。另外，國(guó)產(chǎn)的異步內(nèi)藏式主軸電機(jī)在制作工藝上也非常的欠缺，只能說(shuō)是湊合能用。無(wú)論從外型尺寸規(guī)范、電源輸入線品質(zhì)、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?yàn)橹圃鞆S家從成本上考慮，另一方面也是因?yàn)橹圃鞆S家畢竟只具備電機(jī)的生產(chǎn)能力而不具備作為機(jī)床主軸精密部件的加工能力所致，同時(shí)也是因?yàn)槲覈?guó)在此方面還沒有一項(xiàng)約束該產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。令人苦惱的是，在裝配定轉(zhuǎn)子時(shí)，漆包線和電源線隨時(shí)都有被刮傷的危險(xiǎn)。同步電機(jī)在此領(lǐng)域未能取得突破的原因，主要是因?yàn)閲?guó)產(chǎn)目前還沒有高性能的同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，價(jià)格相對(duì)異步電機(jī)而言比較昂貴，以至于難以被客戶接受。

感應(yīng)式高速編碼器  既然是伺服電主軸，內(nèi)置編碼器就成了*的數(shù)字信號(hào)反饋部件。而根據(jù)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速特性、安裝位置及型式結(jié)構(gòu)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(yīng)編碼器，盡管國(guó)內(nèi)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(yīng)用的還只有中國(guó)臺(tái)灣磐林生產(chǎn)的IGS編碼器應(yīng)用zui廣，HEAVY CUT公司一直以來(lái)全力配合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家在此方面的應(yīng)用推廣，但均以失敗而告終，并且給自己帶來(lái)了不小的經(jīng)濟(jì)損失。通常用在車銑復(fù)合機(jī)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(guó)海德漢公司生產(chǎn)的ERM系列編碼器的精度。當(dāng)然價(jià)格也相差好幾倍。

驅(qū)動(dòng)器與數(shù)控系統(tǒng)  通常伺服電主軸制造廠家是不參與驅(qū)動(dòng)器和數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的。而的數(shù)控系統(tǒng)廠家卻都有自己的驅(qū)動(dòng)器和伺服電主軸產(chǎn)品。由此可見，驅(qū)動(dòng)器和操作系統(tǒng)對(duì)主軸電機(jī)控制的重要性。目前，北京超同步和深圳麥格米克都已經(jīng)批量生產(chǎn)異步伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，HEAVY CUT公司在A2-4伺服電主軸的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，就采用了北京超同步的內(nèi)藏式主軸電機(jī)、中國(guó)臺(tái)灣磐林的IGS正余玄編碼器和深圳麥格米克的伺服驅(qū)動(dòng)器，zui低的穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速達(dá)到了0.3r/min，30分鐘連續(xù)過(guò)載達(dá)到100％，zui高轉(zhuǎn)速8000r/min，分度精度為±20”。這個(gè)指標(biāo)與*機(jī)床指標(biāo)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(jī)、海德漢ERM280編碼器、西門子同步伺服驅(qū)動(dòng)器中，其分度精度穩(wěn)定保持在±9”以內(nèi)，其響應(yīng)位置精度也高出國(guó)產(chǎn)數(shù)倍。目前，中國(guó)臺(tái)灣及其他國(guó)產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家均已對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的伺服電主軸和伺服驅(qū)動(dòng)器在通訊控制方面已經(jīng)全部開放，可以在使用過(guò)程中進(jìn)行全伺服性能的驅(qū)動(dòng)與控制。但是其他進(jìn)口品牌的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)國(guó)產(chǎn)的伺服電主軸及驅(qū)動(dòng)器在控制方面作了一定的限制，特別是三菱的系統(tǒng)，對(duì)國(guó)內(nèi)的電主軸和伺服驅(qū)動(dòng)器只允許在模擬量的條件下運(yùn)行，也就是說(shuō)伺服電主軸在它的系統(tǒng)中只能當(dāng)變頻電主軸使用。而其它則開放了模擬量加全閉環(huán)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(yīng)速度、同步性能、位置精度等主要技術(shù)指標(biāo)都大打折扣。當(dāng)然，要獲得幾*的全伺服控制也有別的辦法，就是直接采購(gòu)控制系統(tǒng)廠家的內(nèi)藏式主軸電機(jī)和編碼器，不過(guò)價(jià)格都比較昂貴，和整套主軸進(jìn)口的價(jià)格區(qū)別不大。這也是我國(guó)車銑復(fù)合機(jī)床主軸不能良好發(fā)展的主要原因。

小結(jié)  盡管數(shù)控系統(tǒng)廠家對(duì)我國(guó)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(shù)控機(jī)床還是有它的一席之地。畢竟中低端車銑復(fù)合中心如果采用伺服電主軸，其機(jī)床技術(shù)指標(biāo)性能相對(duì)傳統(tǒng)的伺服電機(jī)用同步帶驅(qū)動(dòng)機(jī)械主軸單元還是有極大的優(yōu)勢(shì)，至少在定位速度、精度、噪聲和轉(zhuǎn)速性能方面都是一個(gè)大的飛躍。如果一定要使機(jī)床的性能達(dá)到進(jìn)口機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)，那么我們就只有向系統(tǒng)制造商進(jìn)口其內(nèi)藏式主軸電機(jī)、編碼器、驅(qū)動(dòng)器等主軸的核心部件，當(dāng)然軸承也需要！真正要趕超在此方面國(guó)外的*技術(shù)，其關(guān)鍵不在主軸上的機(jī)械加工零件與內(nèi)藏式電機(jī)，而是在于編碼器、驅(qū)動(dòng)器和數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家的技術(shù)突破！目前的困局在于就算使用單位愿意拿進(jìn)口產(chǎn)品的代價(jià)來(lái)購(gòu)買達(dá)到*水準(zhǔn)的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，恐怕到目前為止，這幾項(xiàng)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)還沒有一家能夠做到。當(dāng)然，國(guó)家在此方面的投入力度也非常大，每年都投入了大量的費(fèi)用，相信以后會(huì)有所突破！個(gè)人感言：我們的企業(yè)、研發(fā)工作者在此方面的進(jìn)步真的太慢了，甚至覺得不作為！快點(diǎn)改變現(xiàn)狀吧，國(guó)家在裝備方面付出的代價(jià)已經(jīng)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