數控機床主軸驅動系統的現狀與發展

作為機械零件的核心關鍵組成部分，數控機床的主電源系統對于控制裝置的整體級別非常重要。主軸驅動遠不同于一般工業驅動,它不但要求較高的速度精度、動態剛度,而且要求連續輸出的高轉矩能力和非常寬的恒功率運行范圍。目前,各主要機床生產廠家和研究單位紛紛把目光投向交流主軸驅動系統。隨著功率電子、計算機技術、控制理論、新材料和電機設計的進一步發展和完善,矢量控制交流電機主軸驅動系統的性能已達到甚至超過了直流主軸驅動系統。交流主軸驅動系統正在逐步取代直流系統。1功率器件正弦波交流主軸驅動系統的逆變器一般基于矢量控制原理,采用正弦波寬調制方式(SPWM),功率器件采用ICBT。根據電機類型可分為感應電機主軸驅動系統、永磁無刷同步電機主軸驅動系統、開頭磁阻電機主軸驅動系統。1.1基于磁場定向控制的旋轉軸運行技術感應電機交流主軸驅動系統是當前商用主軸驅動系統的主流,其功率范圍從零點幾個kW到幾百kW,廣泛地應用于各種數控機床上。感應主軸電機基速以上的放展運動范圍可以通過弱磁控制實現。其恒功率運動范圍可達到1:5。如采用最新的繞組切換技術,其恒功率運動范圍可達到1:14,甚至更寬。目前,感應主軸電機最高轉速可達100000r/min以上。盡管感應主軸電機結構相對簡單、但其變頻控制器價格卻較高。而采用了磁場定向控制技術的變頻器能提供連續的轉矩/速度調節能力、較高的精度、運行可行性和較低的運行費用,因而在一定程度上抵消了整個系統的初始高價格。感應式主軸電機的控制無一例外地采用磁場定向技術。該技術又分為間接磁場定向和直接磁場定向兩種實現方式,其中間接轉子磁場定向控制技術由于較易實現而被廣為應用。它能提供較高的控制品質,但這種技術過分依賴于電機的參數,當參數變化時,控制性能將嚴重下降,遺憾的是,在電機運行過程中,轉子時間常數可以在400%的范圍內變化,因此現代主軸控制器均采用辨識、估算和自整定技術對參數變化在線補償。這項技術另一個難題是隨著電機速度要求越來越高,在恒功率弱磁運行時,當轉子磁場發生變化,而滑差增益無法動態補償時,將引起磁通和轉矩的振蕩。近年來,隨著自適應觀測器和Deatt—beat觀測器的應用以及微處理器性能的提高,直接磁場定向控制技術在主軸驅動中有取代間接磁場定向之勢。1.2永磁主軸電機永磁交流主軸電機分為正弦波驅動(PMSM)主軸電機和方波驅動無刷直流(BDCM)主軸電機。此類主軸電機以轉子無銅耗、高效率和高功率/轉矩密度著稱。其低速運行時可獲得更大的功率和轉矩,因此在同步攻絲時的伺服鎖定運行和快速定向方面有較大的優勢。一般永磁主軸電機功率在l0kW以下,速度低于8000r/min。但目前轉速在20000—30000r/min之間,功率超過l0kW的主軸電機已在制造。永磁主軸電機在轉子上不存在發熱元件,顯著提高了電機效率,同時高性能釹鐵硼材料的應用,使得永磁主軸電機在所有形式的交流主軸電機中具有最高的效率和最小的體積。PMSM和BDCM電機均可運行于高速范圍。但弱磁范圍受到一定限制,使速度不能很高。在控制策略方面,PMSM電機的定子繞組經特殊繞制后將產生正弦反電勢,當繞組通入正弦電流后,便可獲得恒定的轉矩。但是磁場定向必須借助于絕對轉子位置編碼器來實現。近年提出的無傳感器控制為PMSM主軸電機高速運行提供了另一種選擇。BDCM電機定子繞組則使電機產生梯形波反電勢,但同樣也需要轉于位置傳感器來實現定子電流換向。無傳感器運行對BDCM也可實現。永磁交流主軸電機的控制難點主要在于如何拓展弱磁運行范圍。PMSM主軸電機通常采用內裝式結構,而在控制上通常以滿足最大轉矩弱磁為準則。BDCM主軸電機通常采用最優電流和最優PWM控制方式以抑制脈動轉矩,提高電機效率。1.3srm主軸驅動系統開關磁阻電機(SRM)以其簡單、堅固的機械構造、高速運行能力和體積小、重量輕、效率高等特性,近年來在工業界引起了廣泛的興趣,尤其是其優秀的高速度運行能力和價格優勢,使其在10kW以下,調速范圍至100000r/min的數控機床主軸驅動應用中,大有與感應式主軸電機一爭高低之勢。開關磁阻電機定子極上繞有集中繞組,轉子則既無繞組也無永磁體。SRM電機定轉子的極數不同,廣泛采用三相6/4結構。為獲得最優平均轉矩,氣隙需要精確控制并使極弧與氣隙之比在25—30之問。SRM主軸電機的結構通常與控制策略和功率變換器同時考慮,其三者的牽制作用要比感應電機和永磁電機強。通過適當的角度位置控制,SRM可容易地獲得1:3的恒功率運行范圍。在控制策略方面,當電機低于基速以下運行時,常采用電流斬波控制方式,以避免過大的電流和磁鏈值,取得恒轉矩機械特性。同時為獲得最佳效率和減少轉矩諧波,SRM主軸驅動系統通常采用自適應控制、最優控制和預測控制技術來控制開頭模式。而在基速以上的弱磁運行范圍,SRM常采用角度位置控制方式,通過導通角口的調節,調節電機的轉矩實現調速目的。SRM的主要不足在于低速時的高諧波轉矩和高噪聲。而SRM主軸電機主要運行于高速恒功率區域,因此影響并不明顯。2電主軸融合的技術現代機床主軸發展趨勢是逐漸由傳統機床主軸向電主軸過渡。傳統機床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉而工作的,電主軸的主要特點是將電機置于主軸內部,通過驅動電源直接驅動主軸進行工作,實現了電機、主軸的一體化功能。與傳統機床主軸相比,電主軸具有十分明顯的優勢。由于主軸由內裝式電機直接驅動,省去了皮帶、齒輪、聯軸節等中間變速和傳動裝置,具有結構簡單緊湊、效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點。而且利用交流變頻技術,電主軸可以在額定轉速范圍內實現無級變速,以適應機床工作時各種工況和負載變化的需要。電主軸是將機床主軸與主軸電機融為一體的高新技術產品。電主軸實際是指電主軸系統,由電主軸、驅動控制器、編碼器、潤滑裝置、冷卻裝置等組成。電主軸系統是數控機床三大高新技術之一(高速電主軸、數控系統、送給驅動)。隨著數控技術及切削刀具的飛躍發展,越來越多的機械制造裝備都在不斷向高速、高精、高效、高智能化發展,電主軸已成為最能適應上述高性能工況的數控機床核心功能部件之一,尤其是在多軸聯動、多面體加工、并聯機床、復合加工機床等諸多先進產品中,電主軸的優異特點是機械主軸單元不能替代的。電主軸是最近幾年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術,它與直線電機技術、高速刀具技術一起,將會把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件,它包括電主軸本身及其附件:電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置等。電主軸所融合的技術:(1)高速軸承技術:電主軸通常采用復合陶瓷軸承,耐磨耐熱,壽命是傳統軸承的幾倍;有時也采用電磁懸浮軸承,或靜壓軸承,內外圈不接觸,理論上壽命無限長。(2)高速電機技術:電主軸是電機與主軸融合在一起的產物,電機的轉子即為主軸的旋轉部分,理論上可以把電主軸看作一臺高速電機,其關鍵技術是高速度下的動平衡。(3)潤滑:電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑;也可以采用脂潤滑,但相應的速度要打折扣。所謂定時,就是每隔一定的時間間隔注一次油,所謂定量,就是通過一個叫做定量閥的器件,精確地控制每次潤滑油的注油量。而油氣潤滑,指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下,被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要,太少,起不到潤滑作用;太多,在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發熱。(4)冷卻裝置:為了盡快給高速運行的電主軸散熱,通常對電主軸的外壁通以循環冷卻劑,冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。(5)內置脈沖編碼器:為了實現自動換刀以及剛性攻絲,電主軸內置一脈沖編碼器,以實現準確的相位控制以及與進給的配合。(6)自動換刀裝置:為了適用于加工中心,電主軸配備了能進行自動換刀的裝置,包括碟形簧、拉刀油缸。高速刀具的裝卡方式:廣為熟悉的BT、ISO刀具,已被實踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現了HSK、SKI等高速刀柄。(7)高頻變頻裝置:要實現電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速,必須用高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電機,變頻器的輸出頻率甚至需要達到幾千Hz。主軸電機另一個發展趨勢主要是向高效、大功率主軸電動機發展。為提高機床主軸電動機的切削速度、快速響應能力和控制精度,大多數CNC機床都選擇集成式主軸AC感應主軸電動機代替以往的由皮帶或齒輪減速的分離式主軸電動機,而最近隨著技術的進步,新開發出一種含稀有材料的永久磁鐵集成式主軸電動機,由于它能更高效、大功率地傳遞扭矩,所以大有取代感應式集成主軸電動機的趨勢據。據介紹,這種含鈮的永久磁鐵集成式主軸電動機與通用的感應式集成主軸電動機相比.具有以三個優點:(1)傳遞扭矩大用兩種功率為N=7.46kW,轉速n=600Or/min的電動機所作的比較性試驗表明,通用的感應式集成主軸電動機傳遞的轉矩為95N·m。而含稀有材料的永久磁鐵型集成式主軸電動機則能傳遞160N·m的轉矩。(2)易于對使用中產生的溫升進行在線控制,且使用簡單的氣冷方式即可對主軸電動機進行冷卻。無須安裝昂貴的冷卻器。(3)由于電動機選用