数控车床伺服电主轴

深圳市汉锐科特精密机械有限公司（以下简称HEAVY CUT公司）自2011年以来，一直致力于车床主轴的研发与制造工作，目前已经投入大批量生产的车床主轴主要有A2-4-120、A2-4-150、A2-5-170、A2-6-200、A2-8-230等系列轻载及重载型主轴产品，已经形成年3000套以上的数控车床整体主轴单元的制造能力，其技术精度指标均已达到*水平。

为了满足数控车床机型的需求，HEAVY CUT公司在研发生产机械主轴单元的同时，也对车铣复合中心电主轴投入了大量的实验与研究，在车床电主轴的研发费用投入方面已经达到数百万元以上。

一提到电主轴，众多机床厂家*反应就是国产品根本不行、进口品昂贵的观点，这与前些年国产雕铣机电主轴的部分品质未能过关是息息相关的。围绕底国产的数控车床电主轴的品质究竟能够达到什么样的技术指标，国产成本与进口成本相比有哪些方面的优势，关键技术如何解决，与众多的操作系统如何进行数字化接口等问题，HEAVY CUT公司在此方面做了比较深入的研究与实验，并将两年以来的实验状况总结如下。

车铣复合伺服电主轴单元的组成部分如下图所示，该主轴单元主要包括主轴、前轴承组、内藏式主轴电机、后轴承组、电机外壳体、后轴承组、制动系统、编码器、回转缸联接盘等元件组成。值得提出的是：下图中机械密封组合与气动制动系统为HEAVY CUT公司研发设计的*结构，其正在申请中，未获正式*前切勿自行采用。

目前，HEAVY CUT公司的车铣复合伺服电主轴主要推出了以下几个品种系列，其主要参数见下表：

 

HVCTCK0625外观

HVCTSFA2-4～A2-6外观

这些主轴目前采取的电机冷却方式都是强制风冷或油冷。

伺服主轴在精度指标方面具备很大的优势，除各处的静态精度都可以控制在0.002mm以内的跳动精度外，从HEAVY CUT公司已经出厂的电主轴来看，其各项动态工作指标均优于机械主轴单元，特别是在采用西门子的定转子和海德汉编码器的产品上，在双主轴加工插补过程中获得了4000r/min的同步技术指标。

附录：

内藏式主轴电机   这是电主轴内部*的重要元件，我国在这一方面的起步虽然较晚，但发展迅速，只是关键技术指标却未能达到*水平。目前各进口的操作系统厂家针对自身不同系列操作系统的要求都有自己的内藏式主轴电机，如发那科、西门子、三菱等。而我国除变频式主轴电机外，能做成伺服电机的厂家很少，目前国内已经在生产专业应用于车床伺服电主轴定转子的生产厂家一个是以异步电机为主的北京超同步公司、一个是以同步电机为主的西安合升动力。其他公司形成批量和系列化的很少见。目前市面上电主轴仍然以异步电机为主，同步电机的应用几乎属于凤毛麟角。HEAVY CUT公司已经批量化生产的走芯车床高速电主轴就是以超同步的异步电机制造的。这款主轴实际上只能满足目前市场上要求不算高的机床使用。但是它仍然有一定的市场。至少在一段时间内，异步电机还不能被同步电机所取代。当然，国产的内藏式主轴电机价格是有优势的，特别是异步电机。但功能指标方面却不能满足。现在能采购到的国产标准品基本上全部是单绕组异步电机产品，而数控车床，特别是车铣复合中心需要的电机特征是低速大扭矩，同时兼备高速性能，这一点异步电机本身就不具备什么优势。进口的内藏式电机在应用于车铣复合中心上的产品，如果采用异步电机的话，基本上是双绕组的，既具备低速大扭矩能力，也具备高速性能，几乎可以和同步电机特性媲美。小巨人的车床采用的内藏式主轴电机就是这种。国产的异步电机厂家几乎没有一款双绕组的可供选择，要跻身水准，这一点必需有所突破。另外，国产的异步内藏式主轴电机在制作工艺上也非常的欠缺，只能说是凑合能用。无论从外型尺寸规范、电源输入线品质、整体绝缘封装工艺都很难满足电主轴的基本要求。这一方面是因为制造厂家从成本上考虑，另一方面也是因为制造厂家毕竟只具备电机的生产能力而不具备作为机床主轴精密部件的加工能力所致，同时也是因为我国在此方面还没有一项约束该产品技术指标的相关标准。令人苦恼的是，在装配定转子时，漆包线和电源线随时都有被刮伤的危险。同步电机在此领域未能取得突破的原因，主要是因为国产目前还没有高性能的同步伺服电机驱动器，价格相对异步电机而言比较昂贵，以至于难以被客户接受。

感应式高速编码器  既然是伺服电主轴，内置编码器就成了*的数字信号反馈部件。而根据机床主轴的转速特性、安装位置及型式结构的需求，目前主要还是采用高速型的非接触式的中空磁感应编码器，尽管国内有好些厂家都在做此方面的尝试与突破，但真正在此方面应用的还只有中国台湾磐林生产的IGS编码器应用zui广，HEAVY CUT公司一直以来全力配合国内生产厂家在此方面的应用推广，但均以失败而告终，并且给自己带来了不小的经济损失。通常用在车铣复合机床电主轴的编码器，都要求输出波形是正余玄的，方波输出的编码器虽然也可以用，但是，在低速性能和位置精度控制方面均不及正余玄编码器的反馈效果。但位置精度这一方面还是及德国海德汉公司生产的ERM系列编码器的精度。当然价格也相差好几倍。

驱动器与数控系统  通常伺服电主轴制造厂家是不参与驱动器和数控系统设计制造的。而的数控系统厂家却都有自己的驱动器和伺服电主轴产品。由此可见，驱动器和操作系统对主轴电机控制的重要性。目前，北京超同步和深圳麦格米克都已经批量生产异步伺服电机的驱动器，HEAVY CUT公司在A2-4伺服电主轴的实验过程中，就采用了北京超同步的内藏式主轴电机、中国台湾磐林的IGS正余玄编码器和深圳麦格米克的伺服驱动器，zui低的稳定工作转速达到了0.3r/min，30分钟连续过载达到100％，zui高转速8000r/min，分度精度为±20”。这个指标与*机床指标相比，特别在分度精度方面还差距较大。在采用西门子同步电机、海德汉ERM280编码器、西门子同步伺服驱动器中，其分度精度稳定保持在±9”以内，其响应位置精度也高出国产数倍。目前，中国台湾及其他国产的数控系统生产厂家均已对国内生产的伺服电主轴和伺服驱动器在通讯控制方面已经全部开放，可以在使用过程中进行全伺服性能的驱动与控制。但是其他进口品牌的数控系统对国产的伺服电主轴及驱动器在控制方面作了一定的限制，特别是三菱的系统，对国内的电主轴和伺服驱动器只允许在模拟量的条件下运行，也就是说伺服电主轴在它的系统中只能当变频电主轴使用。而其它则开放了模拟量加全闭环的控制接口，但是依然存在光纤接口未开放等问题，使得其响应速度、同步性能、位置精度等主要技术指标都大打折扣。当然，要获得几*的全伺服控制也有别的办法，就是直接采购控制系统厂家的内藏式主轴电机和编码器，不过价格都比较昂贵，和整套主轴进口的价格区别不大。这也是我国车铣复合机床主轴不能良好发展的主要原因。

小结  尽管数控系统厂家对我国的伺服主轴单元在控制上有一定的限制，但作为中低端的数控机床还是有它的一席之地。毕竟中低端车铣复合中心如果采用伺服电主轴，其机床技术指标性能相对传统的伺服电机用同步带驱动机械主轴单元还是有极大的优势，至少在定位速度、精度、噪声和转速性能方面都是一个大的飞跃。如果一定要使机床的性能达到进口机床的技术指标，那么我们就只有向系统制造商进口其内藏式主轴电机、编码器、驱动器等主轴的核心部件，当然轴承也需要！真正要赶超在此方面国外的*技术，其关键不在主轴上的机械加工零件与内藏式电机，而是在于编码器、驱动器和数控系统的生产厂家的技术突破！目前的困局在于就算使用单位愿意拿进口产品的代价来购买达到*水准的国产产品，恐怕到目前为止，这几项产品国内还没有一家能够做到。当然，国家在此方面的投入力度也非常大，每年都投入了大量的费用，相信以后会有所突破！个人感言：我们的企业、研发工作者在此方面的进步真的太慢了，甚至觉得不作为！快点改变现状吧，国家在装备方面付出的代价已经够大了！努力吧！不能再让别人卡自己的脖子！

                           汤铁军   2013年2月4日