一、结构组成

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电主轴是近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的"零传动"。这种主轴电动机与机床主轴"合二为一"的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成"主轴单元"，俗称"电主轴"(ElectricSpindle,Motor Spindle)。

电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，电主轴它与直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件:电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。

二、驱动方式

电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机，由于是用在高速加工机床上，启动时要从静止迅速升速至每分钟数万转乃至数十万转，启动转矩大，因而启动电流要超出普通电机额定电流5~7倍。其驱动方式有变频器驱动和矢量控制驱动器驱动两种。变频器的驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率与转矩成正比。机床的变频器采用先进的晶体管技术，可实现主轴的无级变速。机床矢量控制驱动器的驱动控制为在低速端为恒转矩驱动，在中、高速端为恒功率驱动。





电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。


三、高速电主轴在机床行业的应用



简化结构，促进机床结构模块化

电主轴可以根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品，供主机选用，从而促进机床结构模块化。

降低机床成本，缩短机床研制周期

一方面，标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产，还可以缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。

改善机床性能，提高可靠性

采用电主轴结构的数控机床，由于结构简化，传动、连接环节减少，因此提高了机床的可靠性;技术成熟、功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善，可靠性得以进一步提高。

实现某些高档数控机床的特殊要求

  有些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和超小孔加工机床等，必须采用电主轴，方能满足完善的功能要求。促进了高速切削技术在机械加工领域的广泛应用电主轴系由内装式电机直接驱动，以满足高速切削对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。电主轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。







四、高速电主轴在机器人上的应用



随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应敏捷制造、满足多样化、个性化需求。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。



主轴与机械手臂完美结合，应用于合金材料、汽车后备箱SMC材料的切割、去毛刺、钻孔及抛光，将主轴行业与工业自动化紧密的联系在一起。



主轴前端装入夹头，用于铣削钻，主轴的大扭力能轻松的切割较厚的合金板，通气密封的功能解决了切削过程中产生大量的粉尘进入主轴的问题，切削过程中时常会用到切削液来冷却刀具，IP57的防护等级完全避免了液体进入主轴的担心，密封气压同时对主轴进行了冷却，有利于主轴长时间的加工。



前端伸长40mm，机械手臂旋转时可避开工装器具，便于产品切割；选用了热缩筒夹与之配套使用，节省了每次更换刀具重新对刀的时间，提高了工作效率。主轴功率达到5000W，强大的功率输出，可加工的材料范围扩大，自身重量3.5KG，轻巧便捷，采用HSK夹头，精度高，夹持范围可到达10mm，通气自动换刀，提高了工作效率。主轴功率达到5000W，强大的功率输出，可加工的材料范围扩大，自身重量3.5KG，轻巧便捷，采用HSK夹头，精度高，夹持范围可到达10mm，通气自动换刀，提高了工作效率。





五、电主轴技术未来的发展趋势

1

继续向高速度、高刚度方向发展

由于高速切削和实际应用的需要，随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，如钻、铣用电主轴，瑞士IBAG的HF42的转速达到140 000 r/min、英国WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250 000 r/min；加工中心用电主轴，瑞士FISCHER转速达到42 000 r/min，意大利CAMFIOR达到了75 000 r/min。在电主轴的系统刚度方面，由于轴承及其润滑技术的发展，电主轴的系统刚度越来越大，满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。



2

向高速大功率、低速大转矩方向发展

根据实际使用的需要，多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求。因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec以及德国GMN等制造商生产的加工中心用电主轴，低速段输出转矩到200 N·m以上的已经不是难事，德国CYTEC的数控铣床和车床用电主轴的转矩更是达到了630 N·m；在高速段大功率方面，一般在l0～50 kW；CYTEC电主轴的输出功率为50 kW；瑞士Step—Tec电主轴的功率更是达到65 kW（S1），用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到80 kW的报道。



3

进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展

用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在0.001 mm以内、轴向定位精度在0.5 μm以下。同时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。Step—Tec的电主轴还加装了加速度传感器，降低轴承振动加速度水平，为了监视和限制轴承上的振动，安装了振动监测模块，以延长电主轴工作寿命。

4

电主轴内装电动机性能和形式多样化

为满足实际应用的需要，电主轴电动机的性能得到了改善，如瑞士FISCHER主轴电动机输出的恒转矩高转速与恒功率高转速之比（即恒功率调速范围）达到了l：14。此外，出现了永磁同步电动机电主轴，与相同功率的异步电动机电主轴相比，同步电动机电主轴的外形尺寸小，有利于提高功率密度，实现小尺寸、大功率。



5

快速启动、停止响应速度加快

为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加（减）速度。目前，国外机床电主轴的启、停加速度可达到lg以上，全速启、停时间在l s以内。



6

轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化

除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾和油气等，尤其是油气润滑方法（又称Oil-air），由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷（又称定位预负荷）、弹性预负荷（又称定压预负荷）之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴（瑞士IBAG等）、液浮轴承电主轴（美国Ingersoll等）等已经有系列商品供应市场。



7

刀具接口逐步趋于HSK、Capto刀柄技术

机床主轴高速化后，由于离心力作用，传统的CAT（7：24）刀柄结构已经不能满足使用要求，需要采用HSK（1：10）等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的静态和动态联接刚性、大的传递转矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性，特别适合在高速、高精度情况下使用。因此，HSK刀柄接口已经广泛为高速电主轴所采用（如瑞士的IBAG、德国的CYTEC和意大利CAMFIOR等）。近年来由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也开始在机床行业得到应用，其基本原理与HSK接口相似，但传递转矩的能力稍大一些，缺点是主轴轴端内孔加工困难较大，工艺比较复杂。



8

向多功能、智能化方向发展

在多功能方面，有角向停机精确定位（准停）、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿以及换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制以及刀具磨损和损坏信号监控等，如Step-Tec电主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取数据，识别过载，统计电主轴工作寿命。







六、 主轴部分常见故障


1．故障现象：主轴异响严重；转数高时有噪声；温升比较高。

原因分析：

①可能主轴轴承研伤或损坏；

②可能主轴润滑不好，造成缺油；或润滑油脏或有杂质；

③可能隔环端面有脏物；

④可能主轴轴承的预紧力过大。

⑤可能皮带位置和张力不合适；

⑥主轴部件动平衡不好；



解决办法：

①更换主轴轴承；

②适当加主轴油；更换新油，保证主轴的清洁；

③拆下主轴后，把隔环进行清洗；

④重新调整预紧力；

⑤重新调整皮带位置和张力；

⑥重新调整动平衡；



2．故障现象：主轴有异响，用手旋转时费力，有明显的卡塞感觉。

原因分析：可能锁紧汽缸打刀撞块的螺钉松动造成撞块松动，使得锁紧蝶 簧螺母与撞块之间没有间隙，从而产生摩擦。 、



解决办法：紧固松动的螺母，使两者之间的间隙合适。



3.  故障现象：在切削过程中，振动大。

原因分析：

①可能主轴轴承拉毛或损坏；

②轴承预紧螺母松动造成主轴有窜动；

③轴承预紧力不够、间隙过大；

④其他因素；



解决办法：



①更换轴承；

②紧固螺母，确保主轴精度合格；

③重新调整轴承间隙，但预紧力不要过大；

④检查刀具或改变切削参数。

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八、 主要分类及共性



1.电主轴分类：

1.车削主轴         2.铣削主轴        3.磨削主轴



2.结构共同点：

拉刀机构包含（拉力传感器、拉刀传感器、松刀传感器，拉杆、卡爪、碟簧）。

润滑机构（脂润滑6000转以内，油雾润滑20000转以内，油气润滑20000转以上）。

冷却机构（风冷、自冷、油冷）。

功能机构，旋转单元（易跳减冲）。

轴承（陶瓷球轴承，组合方式：前四后一、前二后二、前三后一等，轴承与轴承之间有      隔环、组装时轴承位让位于轴承）。



3.结构不同点：

编码器（齿轮磁栅式），中心出水

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