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

　　數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)道伟。它為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段迹缀，具有無(wú)限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)。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)的重要載體蜜徽。以信息化帶動(dòng)工業(yè)化祝懂，實(shí)現(xiàn)社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展，將在一定程度上取決于以數(shù)控化為核心的裝備工業(yè)拘鞋，特別是數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步窜旺。（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)、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)驶闰、重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)杏紫、高精度機(jī)床測(cè)量技術(shù)。

　　1 電主軸技術(shù)

　　電主軸是高頻主軸（High Frequency Spindle）的簡(jiǎn)稱阔垢，有時(shí)也稱直接傳動(dòng)主軸（Direct DriveSpindle）申蔗，是內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元。它把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零挨奶，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”些玖，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高粥萍、可獲得極高的回轉(zhuǎn)速度步垢、回轉(zhuǎn)精度高、噪聲低榨惭、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)骡拐，因而在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中獲得了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。

　　1.1 電主軸的結(jié)構(gòu)

　　電主軸由無(wú)外殼電機(jī)忿项、主軸、軸承城舞、主軸單元?dú)んw轩触、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，主軸則由前后軸承支承脱柱。電機(jī)的定子通過(guò)冷卻套安裝于主軸單元的殼體中伐弹。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。在主軸的后端裝有測(cè)速榨为、測(cè)角位移傳感器惨好，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具。

 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)鍵部件随闺，其性能對(duì)電主軸的使用功能極為重要日川。目前電主軸采用的軸承主要有陶瓷球軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承矩乐。

　　陶瓷球軸承是應(yīng)用廣泛且經(jīng)濟(jì)的軸承龄句，它的陶瓷滾珠質(zhì)量輕、硬度高恋猜，可大幅度減小軸承離心力和內(nèi)部載荷畦洞，減少磨損，從而提高軸承壽命贰嚷。德國(guó)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铡捉。

　　流體靜壓軸承為非直接接觸式軸承，具有磨損小泵位、壽命長(zhǎng)蝴车、回轉(zhuǎn)精度高、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)拢给，用于電主軸上蛹协，可延長(zhǎng)刀具壽命、提高加工質(zhì)量和加工效率褥疆。美國(guó)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)的流體靜壓軸承兆焦。

　　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永铛，徑向間隙為1mm左右生碗。當(dāng)承受載荷后，主軸空間位置會(huì)產(chǎn)生微小變化驾窟，控制裝置根據(jù)位置傳感器檢測(cè)出的主軸位置變化值改變相應(yīng)磁極的吸力（或斥力）值庆猫，使主軸迅速恢復(fù)到原來(lái)的位置，從而保證主軸始終繞其慣性軸作高速回轉(zhuǎn)绅络，因此其高速性能好月培、精度高，但由于價(jià)格昂貴恩急，至今沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用杉畜。

　　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，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量此叠，引起電主軸溫升纯续，使電主軸的熱態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性變差，從而影響電主軸的正常工作灭袁。因此猬错，必須采取一定措施控制電主軸的溫度，使其恒定在一定值內(nèi)茸歧。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)行冷卻倦炒，即將經(jīng)過(guò)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)，帶走主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量迈叫。另外锌拱，為了減少主軸軸承的發(fā)熱，還必須對(duì)主軸軸承進(jìn)行合理的潤(rùn)滑暂韭。

　　1.4 電主軸的驅(qū)動(dòng)

　　當(dāng)前姿抒，電主軸的電動(dòng)機(jī)均采用交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由于是用在高速加工機(jī)床上盒伸，啟動(dòng)時(shí)要從靜止迅速升速至每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)乃至數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)茂蓬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，因而啟動(dòng)電流要超出普通電機(jī)額定電流5～7倍橘沾。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)兩種吴钧。變頻器的驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率與轉(zhuǎn)矩成正比仲它。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(wú)級(jí)變速宙娃。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)，中兜飒、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng)幻林。

　　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、最高轉(zhuǎn)速音念、輸出功率沪饺、轉(zhuǎn)矩和刀具接口等，其中套筒直徑為電主軸的主要參數(shù)闷愤。

　　在國(guó)外整葡，電主軸已成為一種機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品，由一些技術(shù)水平很高的專業(yè)工廠生產(chǎn)讥脐，如瑞士的FISCHER公司遭居、德國(guó)的GMN公司、美國(guó)的PRECISE公司攘烛、意大利的GAMFIOR公司魏滚、日本的NSK公司等镀首。

　　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)載上坟漱，從而實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的剛性耦合鼠次。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，而無(wú)須像常規(guī)伺服電機(jī)那樣需要通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)部件（如滾珠螺桿/導(dǎo)螺桿芋齿、齒條與齒輪齿矗、傳動(dòng)帶/皮帶輪、以及減速器）秤瞒，從而可為客戶的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)零維護(hù)和清潔的機(jī)械組件爷凫、更高的精度、更高的可靠性侵透、以及平穩(wěn)安靜的操作等諸多優(yōu)勢(shì)罪团。

　　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)，有時(shí)也稱作轉(zhuǎn)矩電機(jī)逞脚，可將負(fù)載直接連接到電機(jī)上嗤渔，能在相對(duì)較低的速度時(shí)產(chǎn)生較高轉(zhuǎn)矩。DDR能夠?yàn)榭蛻魩?lái)的好處有：（1）DDR可以減少零部件數(shù)量霸篡，縮短組裝時(shí)間;（2）DDR可將精度提高50倍薯湾，具備更高的伺服性能和更大的帶寬，不需要慣量“匹配”吹毫；（3）DDR既沒(méi)有需要張緊和調(diào)節(jié)的皮帶线满，也沒(méi)有會(huì)發(fā)生泄漏并需要潤(rùn)滑的齒輪，所以幾乎不需要維護(hù)龟卷；（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)間而下降同诫；（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樟澜。

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

　　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)械能贩猎，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(kāi)萍膛，并展成平面而成吭服，由定子演變而來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)，由轉(zhuǎn)子演變而來(lái)的一側(cè)稱為次級(jí)蝗罗。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)艇棕，將初級(jí)和次級(jí)制造成不同長(zhǎng)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串塑。直線電機(jī)可以是短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)沼琉，也可以是長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)北苟。考慮到制造成本琉枚、運(yùn)行費(fèi)用酌涮，目前一般均采用短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)。

　　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)得到重視更鼻，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起“直線電動(dòng)機(jī)熱”丑炒。

　　在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)：高速響應(yīng)措铸、高精度芬阀、動(dòng)剛度高、速度快废含、加減速過(guò)程短讽渐、行程長(zhǎng)度不受限制、運(yùn)動(dòng)安靜锰玩、噪音低以及效率高揭斥。

　　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，受到機(jī)床廠家的重視练代，技術(shù)發(fā)展迅速廊席。近年來(lái)，國(guó)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)床菠发，一些制造廠商已將機(jī)床運(yùn)動(dòng)加速度提高到2～3g王滤，快速移動(dòng)速度提高到150～240m/min。MAZAK公司將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心滓鸠，切削速度8馬赫雁乡，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min,快速移動(dòng)速500m/min, 加速度6g。這標(biāo)志著糜俗，以直線伺服為代表的第二代高速機(jī)床踱稍，已克服了直線電機(jī)的發(fā)熱、防護(hù)和成本高的缺點(diǎn)悠抹，逐步走向?qū)嵱谩?/p>

　　3 重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　眾所周知珠月，如果在構(gòu)件的一端施力，會(huì)破壞平衡楔敌、產(chǎn)生振動(dòng)啤挎。如果在重心施力，可筆直推進(jìn)而不產(chǎn)生振動(dòng)卵凑，但由于機(jī)床重心處有物體庆聘，所以不能直接將力加于其上。如果在重心兩端平均施力淋话，就可以筆直移動(dòng)商寝，重心驅(qū)動(dòng)就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的道理筝便。

　　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)，反之其他設(shè)備的振動(dòng)則持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間愁淀。使用位于振動(dòng)設(shè)備頂端的刀具加工工件匆力，會(huì)造成加工面質(zhì)量的明顯惡化。

如果在振動(dòng)時(shí)使用刀具切割工件掸枉，會(huì)輕微磨損刀尖八领。因此振動(dòng)對(duì)刀具壽命來(lái)說(shuō)實(shí)為大敵疑拯。更嚴(yán)重的是磷妻，如果發(fā)生振動(dòng)，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(cè)矿矿，而為了修正錯(cuò)誤又要驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)搁赘。如此反復(fù)，進(jìn)一步加劇了振動(dòng)棋躬。

　　3.1.2 縮短加工時(shí)間

　　重心驅(qū)動(dòng)在縮短加工時(shí)間方面效果明顯愁反。采用重心驅(qū)動(dòng)的機(jī)械，由于在加速一開(kāi)始產(chǎn)生的振動(dòng)較小剪勿，可隨之立即從初始力向最大力加速贸诚。而不采用重心驅(qū)動(dòng)的機(jī)械，為防止在加速開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)厕吉，只能慢慢地加力酱固。如圖5所示，上方曲線為非重心驅(qū)動(dòng)头朱，下方曲線為重心驅(qū)動(dòng)运悲。黃色曲線表示開(kāi)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)間差異项钮。

　　 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(kāi)發(fā)出nv4000dcg班眯、nh4000dcg立、臥式加工中心烁巫。機(jī)床的特點(diǎn)是采用了重心驅(qū)動(dòng)新結(jié)構(gòu)署隘。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)和彎曲亚隙。即使移動(dòng)部件進(jìn)行高速移動(dòng)時(shí)磁餐，重心也不會(huì)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)督羊。

　　4 高精度機(jī)床測(cè)量技術(shù)

　　4.1 單場(chǎng)掃描技術(shù)

　　新型的單場(chǎng)掃描技術(shù)中耸颁，掃描掩膜帶一個(gè)大尺寸光柵，其柵距與光柵標(biāo)尺的柵距略有不同塑赁，由此在掃描掩膜光柵長(zhǎng)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舞绝，光線可以通過(guò)童丢；某些地方柵線與空隙重疊，光線無(wú)法通過(guò)吆踏；在這兩者之間择车，空隙部分被遮擋，這起到了光學(xué)過(guò)濾的作用轩丁，使得產(chǎn)生均勻的高正弦性信號(hào)成為可能阀严。特制的柵狀感光元件取代了獨(dú)立感光元件，生成四個(gè)相位差為90°的掃描信號(hào)仙商。圖6為單場(chǎng)成像式光電掃描法原理砚凳。

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

　　對(duì)直線電機(jī)而言鳄橘，配備了單場(chǎng)掃描光柵尺后，速度控制可以更為平滑芒炼。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(chǎng)掃描原理的測(cè)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)瘫怜，測(cè)量設(shè)備仍任能提供高質(zhì)量的測(cè)量信號(hào)，位置誤差遠(yuǎn)低于測(cè)量設(shè)備標(biāo)定精度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的誤差值本刽。

　　4.2 絕對(duì)式測(cè)量技術(shù)

　　絕對(duì)式測(cè)量是相對(duì)于增量式測(cè)量而言的鲸湃。增量式測(cè)量設(shè)備通過(guò)對(duì)光柵探頭掃描過(guò)的柵線進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)獲得相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離數(shù)據(jù)。為了獲得絕對(duì)位置子寓，增量式測(cè)量設(shè)備在開(kāi)機(jī)后須執(zhí)行過(guò)參考點(diǎn)動(dòng)作暗挑，而絕對(duì)式測(cè)量設(shè)備以不同寬度、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(cè)量設(shè)備中别瞭，測(cè)量設(shè)備開(kāi)機(jī)后即可以提供絕對(duì)位置信息窿祥。通常，絕對(duì)式測(cè)量設(shè)備在絕對(duì)軌之外還同時(shí)配備有增量軌蝙寨，用以進(jìn)一步提高測(cè)量設(shè)備的精度與分辨率晒衩。

　　近幾年以來(lái)，絕對(duì)式光柵因其不可取代的種種優(yōu)點(diǎn)墙歪，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用囚缝。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、提高機(jī)床可靠性抄瀑、提高機(jī)床安全性旧匈。

　　數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。因此隆惊，我們需要掌握數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)闯智，形成重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域的突破，力爭(zhēng)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中掌握更多的主動(dòng)權(quán)蹬寸。

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