主轴驱动系统和主轴电机发展趋势

数控系统发展趋势從目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展。

标签：数控系统;发展趋势;高精尖一、性能发展方面1.1高精高速高效化速度效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。

若采用高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统配套电主轴、直线电机等技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

在今后的几年，随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。

新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，大力发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展，超精密数控机床正在向精密化、高速化、智能化和纳米化发展，汇合而成的新一代数控机床，1.2多轴化多轴联动加工，零件在一台数控机床上装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴头、能转工作台等操作，完成多工序、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。

采用5轴联动对三维曲面零件加工，可使用刀具最佳几何形状进行切削，不仅加工表面粗糙度值低，而且效率也大幅度提高。

一般，1台5轴联动机床的效率等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工比3轴联动加工能发挥更高的效益。

1.3软硬件开放化用户可根据自己的需要，对数控系统软件进行二次开发，用户的使用范围不再受生产商的制约。

1.4实时智能化在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等方面发展。

如编程专家系统故障诊断专家系统，当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。

二、功能发展方面2.1图形化界面功能和水平进一步提高高档数控系统发展对图形化界面的功能和水平要求进一步提高，用户希望看到更丰富、更形象、更直观的界面，以此减少用户编程难度，提高编程和加工效率。

什么是电主轴？电主轴和机械主轴优缺点对比电主轴电主轴是将机床主轴功能与电机功能从结构上融为一体的新型主轴部件，即将高速电机置于主轴部件内部，通过控制系统，使主轴获得所需的工作速度和扭矩，因而也被称为内装式电主轴。

电主轴是一套组件，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。

而电主轴本身就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。

电主轴省去了皮带、齿轮或联轴器的传动环节，实现了机床主轴系统的“零传动”，是数控机床传动系统的重大变革；它克服了传统机械主轴在高速下打滑、振动和噪声大、惯量大等缺点，有效改善了主轴高速情况下的整体性能，具有机械主轴不可替代的优越性。

第一，由于电主轴由内装式电机直接驱动，省去了中间变速和传动装置，具有结构紧凑、重量轻、噪声低、振动小和转动惯量小等特点，可实现很高的速度、加速度及定角度的快速启停，且动态精度和稳定性更好，可满足数控机床进行高速切削和精密加工的需要；由于没有中间传动环节的外力作用，电主轴工作时运行更加平稳，主轴轴承所承受的动负荷较小，延长了其精度寿命；利用交流变频和矢量控制技术，电主轴可在额定转速范围内实现无极变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。

第二，电主轴的电机内藏式结构使其从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，形成一个功能相对完整的“主轴单元”，从而促进了机床结构的模块化。

电主轴厂商根据机床的用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化的产品，供机床制造商选用，改变了传统机床厂商“大而全”的生产模式，缩短了机床的研发和生产周期，更加适应快速多变的市场环境。

此外，标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化的生产能力，从而促进制造成本的降低。

第三，某些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和微孔加工机床等，由于加工工艺和加工对象的特殊性，其对主轴的转速、精度以及机床的结构都有特殊要求。

数控机床的发展趋势及国内发展现状摘要：本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。

关键词：数控机床趋势问题1．引言从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。

数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。

数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。

数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。

机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。

随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。

本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。

2．数控机床的发展趋势2.1 高速化随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。

（1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；（2）进给率：在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min 且可获得复杂型面的精确加工；（3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。

数控技术的发展趋势 中国作为⼀个制造⼤国，主要还是依靠劳动⼒、价格、资源等⽅⾯的⽐较优势，⽽在产品的技术创新与⾃主开发⽅⾯与国外同⾏的差距还很⼤。

下⾯，店铺就为⼤家讲讲数控技术的发展趋势，⼀起来了解⼀下吧! 数控技术的发展趋势 数控技术不仅给传统制造业带来了⾰命性的变化，使制造业成为⼯业化的象征，⽽且随着数控技术的不断发展和应⽤领域的扩⼤，它对国计民⽣的⼀些重要⾏业的发展起着越来越重要的作⽤。

尽管⼗多年前就出现了⾼精度、⾼速度的趋势，但是科学技术的发展是没有⽌境的，⾼精度、⾼速度的内涵也在不断变化，正在向着精度和速度的极限发展。

从世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下⼏个⽅⾯： 1.机床的⾼速化、精密化、智能化、微型化发展 随着汽车、航空航天等⼯业轻合⾦材料的⼴泛应⽤，⾼速加⼯已成为制造技术的重要发展趋势。

⾼速加⼯具有缩短加⼯时间、提⾼加⼯精度和表⾯质量等优点，在模具制造等领域的应⽤也⽇益⼴泛。

机床的⾼速化需要新的数控系统、⾼速电主轴和⾼速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。

⾼速加⼯不仅是设备本⾝，⽽且是机床、⼑具、⼑柄、夹具和数控编程技术，以及⼈员素质的集成。

⾼速化的最终⽬的是⾼效化，机床仅是实现⾼效的关键之⼀，绝⾮全部，⽣产效率和效益在“⼑尖”上。

2.五轴联动加⼯和复合加⼯机床快速发展 采⽤五轴联动对三维曲⾯零件进⾏加⼯，可⽤⼑具最佳⼏何形状进⾏切削，不仅光洁度⾼，⽽且效率也⼤幅度提⾼。

⼀般认为，1台五轴联动机床的效率可以等于2台三轴联动机床，特别是使⽤⽴⽅氮化硼等超硬材料铣⼑进⾏⾼速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加⼯可⽐三轴联动加⼯发挥更⾼的效益。

但过去因五轴联动数控系统主机结构复杂等原因，其价格要⽐三轴联动数控机床⾼出数倍，加之编程技术难度较⼤，制约了五轴联动机床的发展。

当前数控技术的发展，使得实现五轴联动加⼯的复合主轴头结构⼤为简化，其制造难度和成本⼤幅度降低，数控系统的价格差距缩⼩。

电机控制技术发展前景（一）伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化。

80年代以来，数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。

交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。

目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。

在当代数控系统中，交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。

由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。

随着微处理器和全数字化交流 伺服系统的发展，数控系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。

硬件伺服控制变为软件伺服控制后，大大地提高了伺服系统的性能。

例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。

这些技术的发展，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。

另外，先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。

交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器，其传感器具有小于1μs的响应时间。

伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。

为保证高速时电动机旋转更加平滑，改进了电动机的磁路设计，并配合高速数字伺服软件，可保证电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。

（二）交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟。

数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动” 两种类型。

传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高，实现高速化的成本相对较低，所以目前应用广泛。

使用滚，珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。

但滚珠丝杠是机械传动，机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应会造成运动滞后和非线性误差，所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。

5轴数控加工中心的重要驱动系统有哪些？5轴数控加工中心采纳了先进的技术和创新的设计，具有高精度、高效率和多功能的特点。

它能够在一台机器上进行多种多而杂零件的加工，大大提高了生产效率和产品质量。

5轴数控加工中心的重要驱动系统包含以下几个部分：1.直线轴驱动系统：直线轴驱动系统负责驱动加工中心的X、Y、Z轴直线运动。

这些轴的运动通常由电机驱动，电机通过传动系统将动力传递到直线轴上，使其进行往复运动。

直线轴驱动系统一般采纳交流伺服电机或直流伺服电机作为动力源，利用数控机床中的掌控系统对电机进行精准明确掌控，从而实现高精度的加工操作。

2.旋转轴驱动系统：旋转轴驱动系统负责驱动加工中心的旋转运动，包含A、B、C 轴。

这些旋转轴通常由伺服电机驱动，通过齿轮或同步带将动力传递到旋转轴上，使其进行旋转运动。

旋转轴驱动系统需要充足高精度、高速度和大扭矩的要求，以确保工件的加工质量和精度。

3.主轴驱动系统：主轴驱动系统负责驱动加工中心的主轴进行旋转运动。

主轴是加工中心的核心部件，用于装夹和加工工件。

主轴驱动系统一般采纳交流电机或直流电机作为动力源，通过减速器将动力传递到主轴上，使其进行旋转运动。

主轴驱动系统需要具备高精度、高速度和强大的扭矩输出本领，以确保加工过程中的稳定性和精度。

4.进给轴驱动系统：进给轴驱动系统负责驱动加工中心的进给轴进行往复运动。

进给轴通常由伺服电机驱动，通过丝杠或同步带将动力传递到进给轴上，使其进行往复运动。

进给轴驱动系统需要充足高精度、高速度和大扭矩的要求，以确保工件的加工质量和精度。

总体来说，5轴数控加工中心的驱动系统需要具备以下特点：1.高精度：为了保证加工过程中的稳定性和精度，驱动系统需要具备高精度和低误差的特点，以确保工件的加工质量和精度。

2.高速度：为了提高加工效率和质量，驱动系统需要具备高速度和快速响应的特点，以实现高速、高效的加工操作。

3.大扭矩：为了充足重切削的需求，驱动系统需要具备大扭矩和强大的动力输出本领，以确保工件的加工质量和精度。

第一章课后习题1.简述数控机床经历的两个阶段和六代的发展过程。

答：数控技术是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物。

2.简述数控机床的发展趋势。

答：当前，世界数控技术及其装各正朝着下述几个方向发展:1. 高速、高效、高精度和高可靠性2.模块化、智能化、柔性化和集成化4.数控机床通常由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：数控机床通常是由程序载体：用于存取零件加工程序的装置计算机数控装置（CNC装置）：接收从输入装置送来的脉冲信号；并将信号通过数控装置的系统软件或逻辑电路的编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和控制指令。

伺服系统：把来自CNC装置的微弱指令信号调解、转换、放大后驱动伺服电动机，通过执行部件驱动机床移动部件的运动，使工作台精确定位或使刀具和工件及主轴按规定的轨迹运动，最后加工出符合图样要求的零件。

检测与反馈装置：将机床导轨和主轴移动的位移量、移动速度等参数检测出来，通过模数转换变成数字信号，并反馈到数控装置中，数控装置根据反馈回来的信息进行判断，并发出相应的指令，纠正所产生的误差。

辅助装置：把计算机送来的辅助控制指令经机床接口转换成强电信号，用来控制主轴电动机启停和变速、冷却液的开关及分度工作台的转位和自动换刀等动作。

机床主体：它是实现加工零件的执行部件。

5.简述数控机床的工作原理。

答：用数控机床加工零件时，首先将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入装置送入数控系统中，经过数控系统的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出零件的全部轮廓。

6.数控机床的分类通常是如何划分的？答：1.按工艺用途分类：1）切削加工类数控机床。

2）成型加工类数控机床。

3）特种加工类数控机床。

4）其他加工类数控机床2.按机床运动轨迹分类：1）点位控制数控机床。