【編者按】本文介紹了數(shù)控機(jī)床的電主軸技術(shù)辖狞、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)脓匿、重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)遍略、高精度機(jī)床測量技術(shù)压鉴，并論述了其研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景崖咨。

　　數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段油吭，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)击蹲。數(shù)控機(jī)床是運(yùn)用高新技術(shù)改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要載體。以信息化帶動(dòng)工業(yè)化婉宰，實(shí)現(xiàn)社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展歌豺，將在一定程度上取決于以數(shù)控化為核心的裝備工業(yè)，特別是數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步心包。（參閱五軸數(shù)控機(jī)床加工的原理與特點(diǎn) ）

　　數(shù)控機(jī)床當(dāng)前的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)包括：電主軸技術(shù)宁路、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)、重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)辛辱、高精度機(jī)床測量技術(shù)猩肪。

　　1 電主軸技術(shù)

　　電主軸是高頻主軸（High Frequency Spindle）的簡稱，有時(shí)也稱直接傳動(dòng)主軸（Direct DriveSpindle）找仙，是內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元糜谒。它把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零链坝，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，具有結(jié)構(gòu)緊湊狸岁、機(jī)械效率高饿婴、可獲得極高的回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)精度高泛滔、噪聲低腌馒、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用寡花。

　　1.1 電主軸的結(jié)構(gòu)

　　電主軸由無外殼電機(jī)掐划、主軸、軸承昼钻、主軸單元?dú)んw掸屡、驅(qū)動(dòng)模塊和冷卻裝置等組成。電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體然评，主軸則由前后軸承支承仅财。電機(jī)的定子通過冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制, 而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置限制碗淌。在主軸的后端裝有測速盏求、測角位移傳感器，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具亿眠。

 1.2 電主軸的軸承

　　軸承是決定主軸壽命和承載能力的關(guān)鍵部件碎罚，其性能對(duì)電主軸的使用功能極為重要。目前電主軸采用的軸承主要有陶瓷球軸承纳像、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承荆烈。

　　陶瓷球軸承是應(yīng)用廣泛且經(jīng)濟(jì)的軸承，它的陶瓷滾珠質(zhì)量輕竟趾、硬度高耙考，可大幅度減小軸承離心力和內(nèi)部載荷，減少磨損劣秦，從而提高軸承壽命王菲。德國GMN公司和瑞士STEP-TEC公司用于加工中心和銑床的電主軸全部采用了陶瓷球軸承。

　　流體靜壓軸承為非直接接觸式軸承蔼邓，具有磨損小羽矮、壽命長、回轉(zhuǎn)精度高侨懈、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)痪蚤，用于電主軸上，可延長刀具壽命、提高加工質(zhì)量和加工效率穴肄。美國Ingersoll公司在其生產(chǎn)的電主軸單元中主要采用其擁有專利技術(shù)的流體靜壓軸承娇符。

　　磁懸浮軸承依靠多對(duì)在圓周上互為180o的磁極產(chǎn)生徑向吸力（或斥力）而將主軸懸浮在空氣中，使軸頸與軸承不接觸人度，徑向間隙為1mm左右遂撮。當(dāng)承受載荷后，主軸空間位置會(huì)產(chǎn)生微小變化拉氧，控制裝置根據(jù)位置傳感器檢測出的主軸位置變化值改變相應(yīng)磁極的吸力（或斥力）值壳坪，使主軸迅速恢復(fù)到原來的位置，從而保證主軸始終繞其慣性軸作高速回轉(zhuǎn)掰烟，因此其高速性能好爽蝴、精度高，但由于價(jià)格昂貴纫骑，至今沒有得到廣泛應(yīng)用蝎亚。

　　1.3 電主軸的冷卻

　　由于電主軸將電機(jī)集成于主軸單元中，且其轉(zhuǎn)速很高先馆，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量颖对，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性變差磨隘，從而影響電主軸的正常工作。因此顾患，必須采取一定措施控制電主軸的溫度番捂，使其恒定在一定值內(nèi)。目前一般采取強(qiáng)制循環(huán)油冷卻的方式對(duì)電主軸的定子及主軸軸承進(jìn)行冷卻江解，即將經(jīng)過油冷卻裝置的冷卻油強(qiáng)制性地在主軸定子外和主軸軸承外循環(huán)设预，帶走主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。另外废筒，為了減少主軸軸承的發(fā)熱焦忌，還必須對(duì)主軸軸承進(jìn)行合理的潤滑。

　　1.4 電主軸的驅(qū)動(dòng)

　　當(dāng)前棉挤，電主軸的電動(dòng)機(jī)均采用交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)绳粮，由于是用在高速加工機(jī)床上，啟動(dòng)時(shí)要從靜止迅速升速至每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)乃至數(shù)十萬轉(zhuǎn)岳扒，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大需天，因而啟動(dòng)電流要超出普通電機(jī)額定電流5～7倍。其驅(qū)動(dòng)方式有變頻器驅(qū)動(dòng)和矢量控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩種掘叫。變頻器的驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)猩禀，輸出功率與轉(zhuǎn)矩成正比。最新變頻器采用先進(jìn)的晶體管技術(shù)可實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)變速。矢量控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制為：低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)躯橡，中等跳、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng)。

　　1.5 電主軸的基本參數(shù)

　　電主軸的基本參數(shù)包括：套筒直徑廉屑、最高轉(zhuǎn)速萌狂、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口等管闷，其中套筒直徑為電主軸的主要參數(shù)粥脚。

　　在國外，電主軸已成為一種機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品包个，由一些技術(shù)水平很高的專業(yè)工廠生產(chǎn)刷允，如瑞士的FISCHER公司、德國的GMN公司碧囊、美國的PRECISE公司树灶、意大利的GAMFIOR公司、日本的NSK公司等糯而。

　　2 直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　直接驅(qū)動(dòng)就是將直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)（DDR）或直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)（DDL）直接耦合或連接到從動(dòng)負(fù)載上天通，從而實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的剛性耦合。全新直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得電機(jī)可直接連接被驅(qū)動(dòng)負(fù)載熄驼，而無須像常規(guī)伺服電機(jī)那樣需要通過機(jī)械傳動(dòng)部件（如滾珠螺桿/導(dǎo)螺桿像寒、齒條與齒輪、傳動(dòng)帶/皮帶輪瓜贾、以及減速器）会贝，從而可為客戶的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)帶來零維護(hù)和清潔的機(jī)械組件、更高的精度誊殊、更高的可靠性跺鬼、以及平穩(wěn)安靜的操作等諸多優(yōu)勢(shì)。

　　2.1 直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)

　　直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)鱼练，有時(shí)也稱作轉(zhuǎn)矩電機(jī)墩沸，可將負(fù)載直接連接到電機(jī)上，能在相對(duì)較低的速度時(shí)產(chǎn)生較高轉(zhuǎn)矩响攘。DDR能夠?yàn)榭蛻魩淼暮锰幱校海?）DDR可以減少零部件數(shù)量址嘴，縮短組裝時(shí)間;（2）DDR可將精度提高50倍，具備更高的伺服性能和更大的帶寬千有，不需要慣量“匹配”伴罢；（3）DDR既沒有需要張緊和調(diào)節(jié)的皮帶，也沒有會(huì)發(fā)生泄漏并需要潤滑的齒輪护丢，所以幾乎不需要維護(hù)挚性；（4）DDR的精度和重復(fù)性不會(huì)像機(jī)械分度器那樣隨時(shí)間而下降纲盟；（5）DDR不存在會(huì)斷裂的機(jī)械傳輸部件；（6）運(yùn)行噪音可降低高達(dá)20db烫扼。

　　丹納赫傳動(dòng)（Danaher Motion）作為DDR 產(chǎn)品技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者曙求，提供了眾多DDR 解決方案，以便與客戶的機(jī)器進(jìn)行最佳匹配映企。

　　2.2 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)

v直線電機(jī)的工作原理：直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能悟狱，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開堰氓，并展成平面而成挤渐，由定子演變而來的一側(cè)稱為初級(jí)，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級(jí)双絮。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)浴麻，將初級(jí)和次級(jí)制造成不同長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級(jí)與次級(jí)之間的耦合保持不變囤攀。直線電機(jī)可以是短初級(jí)長次級(jí)软免，也可以是長初級(jí)短次級(jí)》倌樱考慮到制造成本膏萧、運(yùn)行費(fèi)用，目前一般均采用短初級(jí)長次級(jí)挖毅。

　　近幾年直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用在世界機(jī)床行業(yè)得到重視尤稍，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起“直線電動(dòng)機(jī)熱”。

　　在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中倡搞，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)帶來了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)：高速響應(yīng)弓匪、高精度、動(dòng)剛度高谦牛、速度快、加減速過程短价忙、行程長度不受限制住建、運(yùn)動(dòng)安靜、噪音低以及效率高皮围。

　　直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是高速高精數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動(dòng)模式逆辐，受到機(jī)床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速捏裂。近年來唧尊，國際上幾十家公司展出了直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床，一些制造廠商已將機(jī)床運(yùn)動(dòng)加速度提高到2～3g吩屹，快速移動(dòng)速度提高到150～240m/min跪另。MAZAK公司將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min,快速移動(dòng)速500m/min, 加速度6g免绿。這標(biāo)志著唧席，以直線伺服為代表的第二代高速機(jī)床，已克服了直線電機(jī)的發(fā)熱嘲驾、防護(hù)和成本高的缺點(diǎn)淌哟，逐步走向?qū)嵱谩?/p>

　　3 重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　眾所周知，如果在構(gòu)件的一端施力辽故，會(huì)破壞平衡徒仓、產(chǎn)生振動(dòng)。如果在重心施力誊垢，可筆直推進(jìn)而不產(chǎn)生振動(dòng)掉弛，但由于機(jī)床重心處有物體，所以不能直接將力加于其上彤枢。如果在重心兩端平均施力狰晚，就可以筆直移動(dòng)，重心驅(qū)動(dòng)就是這樣一個(gè)簡單的道理须彼。

　　3.1 重心驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

　　3.1.1 減少振動(dòng)

     重心驅(qū)動(dòng)設(shè)備很快就消除了振動(dòng)乒萝，反之其他設(shè)備的振動(dòng)則持續(xù)了較長時(shí)間。使用位于振動(dòng)設(shè)備頂端的刀具加工工件司箫，會(huì)造成加工面質(zhì)量的明顯惡化想预。

如果在振動(dòng)時(shí)使用刀具切割工件，會(huì)輕微磨損刀尖绕众。因此振動(dòng)對(duì)刀具壽命來說實(shí)為大敵瞪卜。更嚴(yán)重的是，如果發(fā)生振動(dòng)姆已，數(shù)控裝置會(huì)將其作為正常指令之外的動(dòng)作進(jìn)行檢測畴文，而為了修正錯(cuò)誤又要驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。如此反復(fù)急响，進(jìn)一步加劇了振動(dòng)删猿。

　　3.1.2 縮短加工時(shí)間

　　重心驅(qū)動(dòng)在縮短加工時(shí)間方面效果明顯。采用重心驅(qū)動(dòng)的機(jī)械嘱悄，由于在加速一開始產(chǎn)生的振動(dòng)較小隅本，可隨之立即從初始力向最大力加速。而不采用重心驅(qū)動(dòng)的機(jī)械兼呵，為防止在加速開始時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)兔辅，只能慢慢地加力。如圖5所示击喂，上方曲線為非重心驅(qū)動(dòng)维苔，下方曲線為重心驅(qū)動(dòng)碰辅。黃色曲線表示開始加速至最高速的時(shí)間差，可以看出兩者在達(dá)到最高速的時(shí)間差異蕉鸳。

　　 3.2 重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

　　日本森精機(jī)制造所開發(fā)出nv4000dcg乎赴、nh4000dcg立、臥式加工中心潮尝。機(jī)床的特點(diǎn)是采用了重心驅(qū)動(dòng)新結(jié)構(gòu)榕吼。它把移動(dòng)部件設(shè)置在2根滾珠絲杠之間構(gòu)成了“雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式”，以抑制各軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和彎曲勉失。即使移動(dòng)部件進(jìn)行高速移動(dòng)時(shí)羹蚣，重心也不會(huì)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)乱凿。

　　4 高精度機(jī)床測量技術(shù)

　　4.1 單場掃描技術(shù)

　　新型的單場掃描技術(shù)中忘当，掃描掩膜帶一個(gè)大尺寸光柵，其柵距與光柵標(biāo)尺的柵距略有不同帝璃，由此在掃描掩膜光柵長度上會(huì)產(chǎn)生明暗交替現(xiàn)象：某些地方柵線與柵線重疊圈蛹，光線可以通過；某些地方柵線與空隙重疊茎陪，光線無法通過奇茫；在這兩者之間，空隙部分被遮擋烫王，這起到了光學(xué)過濾的作用上绅，使得產(chǎn)生均勻的高正弦性信號(hào)成為可能。特制的柵狀感光元件取代了獨(dú)立感光元件靠鸦，生成四個(gè)相位差為90°的掃描信號(hào)岛宵。圖6為單場成像式光電掃描法原理。

　　單場掃描光學(xué)掃描系統(tǒng)對(duì)角度和長度測量設(shè)備性能的提高起到了決定性的作用苔巍。它的大面積掃描區(qū)和特殊光學(xué)過濾可在測量設(shè)備全行程中產(chǎn)生穩(wěn)定質(zhì)量的掃描信號(hào)滚吱。

　　對(duì)直線電機(jī)而言，配備了單場掃描光柵尺后避归，速度控制可以更為平滑荣月。覆蓋光柵標(biāo)尺全寬的大尺寸掃描面以及交替重復(fù)出現(xiàn)的條狀掃描區(qū)使得采用單場掃描原理的測量設(shè)備對(duì)污染的干擾特別不敏感：即便在有大面積污染干擾時(shí)，測量設(shè)備仍任能提供高質(zhì)量的測量信號(hào)槐脏，位置誤差遠(yuǎn)低于測量設(shè)備標(biāo)定精度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的誤差值喉童。

　　4.2 絕對(duì)式測量技術(shù)

　　絕對(duì)式測量是相對(duì)于增量式測量而言的撇寞。增量式測量設(shè)備通過對(duì)光柵探頭掃描過的柵線進(jìn)行計(jì)數(shù)來獲得相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離數(shù)據(jù)顿天。為了獲得絕對(duì)位置，增量式測量設(shè)備在開機(jī)后須執(zhí)行過參考點(diǎn)動(dòng)作蔑担，而絕對(duì)式測量設(shè)備以不同寬度牌废、不同間距的柵線將絕對(duì)位置數(shù)據(jù)以編碼形式直接制作到測量設(shè)備中咽白，測量設(shè)備開機(jī)后即可以提供絕對(duì)位置信息。通常鸟缕，絕對(duì)式測量設(shè)備在絕對(duì)軌之外還同時(shí)配備有增量軌晶框，用以進(jìn)一步提高測量設(shè)備的精度與分辨率。

　　近幾年以來懂从，絕對(duì)式光柵因其不可取代的種種優(yōu)點(diǎn)授段，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這些優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面:縮減機(jī)床非生產(chǎn)時(shí)間番甩、提高機(jī)床可靠性悄函、提高機(jī)床安全性。

　　數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)磅芬。因此山顶，我們需要掌握數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，形成重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域的突破着癞，力爭在國際競爭中掌握更多的主動(dòng)權(quán)好员。

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