電主軸是高頻主軸（High Frequency Spindle）的簡(jiǎn)稱，有時(shí)也稱作直接傳動(dòng)主軸（Direct Drive Spindle），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，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高、可獲得極高的回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)精度高、噪聲低、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。
提高加工效率、降低加工成本、改善加工質(zhì)量，是加工行業(yè)永恒不變的追求，提高主軸的轉(zhuǎn)速則是提高加工效率最直接的方法。然而，提高主軸轉(zhuǎn)速則會(huì)使主軸的升溫明顯，進(jìn)而影響到主軸和整個(gè)機(jī)床的壽命。而且提高主軸轉(zhuǎn)速又會(huì)降低主軸的精度，從而影響加工質(zhì)量。 電主軸的問世很好地解決了上述矛盾。電主軸能夠在很好地控制主軸電機(jī)溫度的前提下提升轉(zhuǎn)速，而且很好地保證加工精度。目前電主軸的轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到200000rpm，甚至更高，功率可以達(dá)到70kw。在進(jìn)口的加工設(shè)備以及我國(guó)一些高檔機(jī)床上都運(yùn)用了電主軸。特別是在一些轉(zhuǎn)速比較高的加工中心、雕刻機(jī)、數(shù)控銑床等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛?？梢哉f，電主軸是未來加工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
電主軸的優(yōu)點(diǎn)
電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。電主軸軸承采用高速軸承技術(shù)，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍。
電主軸的結(jié)構(gòu)
電主軸由無外殼電機(jī)、主軸、軸承、主軸單元?dú)んw、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。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。在主軸的后端裝有測(cè)速、測(cè)角位移傳感器，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具。
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，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、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。
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、硬度高，可大幅度減小軸承離心力和內(nèi)部載荷，減少磨損，從而提高軸承壽命。德國(guó)GMN公司和瑞士士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，具有磨損小、壽命長(zhǎng)、回轉(zhuǎn)情度高、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，用于電主軸上，可延長(zhǎng)刀具壽命、提高加工質(zhì)量和加工效率。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。
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，徑向間隙為1mm左右。當(dāng)承受載荷后，主軸空間位置會(huì)產(chǎn)生微小變化，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，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)，因此它的高速性能好、精度高，但由于價(jià)格昂貴，至今沒有得到廣泛應(yīng)用。
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，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，從而影響電主軸的正常工作。因此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)。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，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)，帶走主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。另外，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。如對(duì)于陶瓷球軸承，可采用油霧潤(rùn)滑或油氣潤(rùn)滑方式。
電主軸的驅(qū)動(dòng)
當(dāng)前，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，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)，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。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。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。最新的變頻器采用先進(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：在低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，在中、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng)。
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、輸出功率、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)。
高速電主軸的選用
高速電主軸根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同大致可以分為8大類：磨削用、銑削用、車削用、拉碾用、鉆削用、加工中心用、機(jī)械式主軸（不含內(nèi)置電機(jī)）皮帶傳動(dòng)主軸、特種旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)主軸等。
一般用戶常用的有磨削用、銑削用、車削用、加工中心用、機(jī)械主軸（不含內(nèi)置電機(jī)）皮帶傳動(dòng)主軸幾類。在選擇電主軸時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：
一定要關(guān)注你的應(yīng)用場(chǎng)合，不同的應(yīng)用場(chǎng)合的接口是不同的，另外一定要弄清楚工況的功率要求，以及在此功率下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，這一點(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)橥瑯邮?kW，在1000轉(zhuǎn)和10000轉(zhuǎn)的要求下電主軸的外形尺寸是相差很多的，對(duì)于電主軸設(shè)計(jì)的難度也是不同的，所以工況一定要準(zhǔn)確。 刀具的接口一定要明確，這也是有原則的，一般情況下BT50的接口轉(zhuǎn)速只能在8000RPM一下的電主軸中使用，BT40的接口可以在18000RPM下的電主軸中使用，如果要更高的轉(zhuǎn)速，刀具接口需要選擇相應(yīng)的HSK等高速刀具接口，數(shù)控銑削電主軸上配用的ER彈簧夾頭或者SD彈簧夾頭也是有一定的許用最高轉(zhuǎn)速的。 磨用電主軸一般都是橫扭矩設(shè)計(jì)的電機(jī)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和功率以及電壓的關(guān)系是等比關(guān)系，電壓和功率隨電主軸轉(zhuǎn)速的增加線性增加。電流維持基本恒定不變，由于轉(zhuǎn)矩和電流的關(guān)系是線性關(guān)系，所以稱這種制式的電主軸為恒轉(zhuǎn)矩制電機(jī)。磨用電主軸的設(shè)計(jì)一般兼顧的轉(zhuǎn)速范圍比較小，通常是最高轉(zhuǎn)速的80%~100%，同時(shí)還要兼顧砂輪的最高許用線速度，因此一般在使用時(shí)不能既用高速小砂輪又用低速大砂輪，否則會(huì)因?yàn)榈退俟β什粔虼蠖鴮?dǎo)致大砂輪磨削的效果和效率比較低差，另外由于大砂輪本身的自重，高速電主軸軸承通常為了適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)軸承以滿足最高轉(zhuǎn)速要求為主，兼顧一定程度的承載能力，在低速使用大砂輪磨削時(shí)，因軸承本身的承載能力不能滿足其要求會(huì)導(dǎo)致主軸軸承壽命的急劇降低，精度壽命大大縮短。另外磨用電主軸由于轉(zhuǎn)速分檔比較接近，用戶完全可以分開選擇不同的產(chǎn)品來滿足不同的磨削要求，以更大更好的發(fā)揮電主軸的工作能力和效率潛力。而銑削和加工中心用電主軸在設(shè)計(jì)上通常有橫扭矩段和恒功率段相配合，以滿足寬速度范圍內(nèi)的切削需要，低速需要大扭矩重切削，高速需要一定功率的精切削，所以電機(jī)制式與磨用電主軸等有較大不同。
另外，磨用電主軸的電機(jī)參數(shù)制式通常標(biāo)注S6制工作制，有S6-40%、S6-60%等幾種，這是與磨削的工作特性所分不開的，磨削時(shí)一個(gè)工件的磨削拍節(jié)通常包括，快速進(jìn)刀、磨削、退刀、修砂輪等幾個(gè)步驟，電機(jī)功率的消耗不是恒定的負(fù)載，而且在磨用電主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)上我們通常要提高其過載能力，因此，在看磨削電主軸的參數(shù)時(shí)會(huì)看到S1和S6兩組參數(shù)，S6通常比S1高出較多，一是與電機(jī)工作制有關(guān)，一是與電機(jī)的過載能力有關(guān)，標(biāo)注S6制功率表明電機(jī)可以在30s~120s內(nèi)短時(shí)過載到該功率制，長(zhǎng)期使用只能按S1制使用，這一點(diǎn)是與其他電主軸不太相似的地方，一定要注意。其他類型的電主軸比如車削、銑削等，和磨用電主軸不一樣，往往需要在一個(gè)轉(zhuǎn)速段內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速，這類電主軸用戶往往覺得它的功率小，這是錯(cuò)的，因?yàn)樗墓β蕦?duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，根據(jù)M=9550P/n1的扭矩計(jì)算公式，它能夠輸出的扭矩是相對(duì)較高的，這樣設(shè)計(jì)電主軸的目的是為了滿足用戶在一定的常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可以較好的使電主軸工作。另一種比較復(fù)雜的類型是加工中心用電主軸，通常是橫扭矩、恒功率混合設(shè)計(jì)，這也是和加工中心類電主軸的工作方式分不開的，在低速段，通常指1500轉(zhuǎn)以下，加工中心需要大吃刀量的切削，扭矩輸出要很大，并具備很強(qiáng)的短時(shí)過載能力，通常要求能達(dá)到2.2倍以上。而在高轉(zhuǎn)速段，需要有足夠的功率實(shí)現(xiàn)恒功率的精銑工作，需要使功率能隨著轉(zhuǎn)速的升高恒定保持。配合能夠在低速段實(shí)現(xiàn)數(shù)倍額定扭矩輸出的伺服控制器，加工中心電主軸在低速大扭矩輸出的能力可以更好的得到提高。
國(guó)外電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)外電主軸最早用于內(nèi)圓磨床，上世紀(jì)80年代，隨著數(shù)控機(jī)床和高速切削技術(shù)的發(fā)展和需要，逐漸將電主軸技術(shù)應(yīng)用于加工中心、數(shù)控銑床等高檔數(shù)控機(jī)床，成為近年來機(jī)床技術(shù)所取得的重大成就之一。隨著機(jī)床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的需要，對(duì)機(jī)床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，目前國(guó)外從事高速數(shù)控機(jī)床電主軸研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)主要有如下幾家：德國(guó)GMN、西門子、瑞士IBAG、美國(guó)Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等，其中尤以GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等幾家的技術(shù)水平代表了這個(gè)領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。
這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
功率大、轉(zhuǎn)速高。 采用高速、高剛度軸承。國(guó)外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承，特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承。 精密加工與精密裝配工藝水平高。 配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤(rùn)滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。
并在此基礎(chǔ)之上，這些外國(guó)廠家如美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床。如瑞士米克朗公司，就是世界上著名的精密機(jī)床制造商。它生產(chǎn)的機(jī)床配備最高達(dá)60000r／min的高速電主軸，可以滿足不同的切削要求，所有的電主軸均裝有恒溫冷卻水套對(duì)主軸電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻，并通過高壓油霧對(duì)復(fù)合陶瓷軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。所有的電主軸均采用矢量控制技術(shù)，可以在低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出大扭矩。
為滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，電主軸電機(jī)的性能得到了改善，如瑞士FISCHER主軸電機(jī)輸出的恒轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速與恒功率高轉(zhuǎn)速之比(即恒功率調(diào)速范圍)達(dá)到了l：14。此外，出現(xiàn)了永磁同步電機(jī)電主軸，與相同功率的異步電機(jī)電主軸相比，同步電機(jī)電主軸的外形尺寸小，有利于提高功率密度，實(shí)現(xiàn)小尺寸、大功率。
向快速啟、停方向發(fā)展
為縮短輔助時(shí)間，提高效率，要求數(shù)控機(jī)床電主軸的啟、停時(shí)間越短越好，因此需要很高的啟動(dòng)和停機(jī)加(減)速度。目前，國(guó)外機(jī)床電主軸的啟、停加速度可達(dá)到lg以上，全速啟、停時(shí)間在ls以內(nèi)。
軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤(rùn)滑方式多樣化
除了常規(guī)的鋼制滾動(dòng)軸承外，近年來陶瓷球混合軸承越來越得到廣泛的應(yīng)用，潤(rùn)滑方式有油脂、油霧、油氣等，尤其是油氣潤(rùn)滑方法(又稱Oil-air)，由于具有適應(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，得到越來越廣泛的推廣和應(yīng)用；滾動(dòng)軸承的預(yù)負(fù)荷施加方式除了剛性預(yù)負(fù)荷(又稱定位預(yù)負(fù)荷)、彈性預(yù)負(fù)荷(又稱定壓預(yù)負(fù)荷)之外，又發(fā)展了一種智能預(yù)負(fù)荷方式，即利用液壓油缸對(duì)軸承施加預(yù)負(fù)荷，并且可以根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速、負(fù)載等具體工況控制預(yù)負(fù)荷的大小，使軸承的支承性能更加優(yōu)良。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面，如磁浮軸承、氣浮軸承電主軸(瑞士IBAG等)、液浮軸承電主軸(美國(guó)Ingersoll等)等已經(jīng)有系列商品供應(yīng)市場(chǎng)。
刀具接口逐步趨于HSK、Capto刀柄技術(shù)
機(jī)床主軸高速化后，由于離心力作用，傳統(tǒng)的CAT(7：24)刀柄結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足使用要求，需要采用HSK(1：10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)聯(lián)接剛性、大的傳遞扭矩能力、高的刀具重復(fù)定位精度和聯(lián)接可靠性，特別適合在高速、高精度情況下使用。因此，HSK刀柄接口已經(jīng)廣泛為高速電主軸所采用(如瑞士的IBAG、德國(guó)的CYTEC、意大利CAMFIOR等)。近年來由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也開始在機(jī)床行業(yè)得到應(yīng)用，其基本原理與HSK接口相似，但傳遞扭矩的能力稍大一些，缺點(diǎn)是主軸軸端內(nèi)孔加工困難較大，工藝比較復(fù)雜。
向多功能、智能化方向發(fā)展
在多功能方面，有角向停機(jī)精確定位(準(zhǔn)停)、C軸傳動(dòng)、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉(zhuǎn)矩放大、軸向定位精密補(bǔ)償、換刀自動(dòng)動(dòng)平衡技術(shù)等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護(hù)和故障監(jiān)測(cè)診斷措施，如換刀聯(lián)鎖保護(hù)、軸承溫度監(jiān)控、電機(jī)過載和過熱保護(hù)、松刀時(shí)軸承卸荷保護(hù)、主軸振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)和故障異常診斷、軸向位置變化自動(dòng)補(bǔ)償、砂輪修整過程信號(hào)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制、刀具磨損和損壞信號(hào)監(jiān)控等，如Step-Tec電主軸安裝有診斷模塊，維修人員可通過紅外接口讀取數(shù)據(jù)，識(shí)別過載，統(tǒng)計(jì)電主軸工作壽命。
