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【摘 要】通过对刚性攻丝运动过程的分析，市场上钻铣加工中心刚性攻丝能力的比较，提出应用稀土永磁电机电主轴做为钻铣中心主轴的应用方案。并说明方案突出的刚性攻丝性能，特别是小螺纹孔攻丝的独特性能。向广大的同行推荐这一优秀技术、促进我国数控攻丝技术的进步。
【关键词】稀土永磁同步电机电主轴 数控钻铣加工中心 刚性攻丝 小螺纹孔攻丝
一、引言
在通讯设备、笔记本电脑、智能手机等高端电子消费品，小型汽车部件、高端医疗器械中大量存在要小螺孔攻丝的一类零件。小螺孔加工就成了研究课题。目前针对小螺孔加工的设备是以日本Brother、FANUC公司出产的钻铣中心为主，台湾、韩国、中国大陆产钻铣中心为辅。导致这一状况的根本原因是中国大陆、韩国、台湾均未掌握钻铣中心用伺服主轴电机的核心技术。而日本两家公司又不对外出售他们钻铣中心用伺服主轴电机产品，导致了这两家钻铣中心在市场上有一定的独占性。
钻铣加工中心对伺服主轴电机的要求：低速大转矩输出、15000rpm以上的工作转速、可以高速刚性攻丝，刚性攻丝转速6000rpm以上。稀土永磁同步主轴电机及稀土永磁同步电机电主轴同时具备这三个特征，是钻铣加工中心的最佳选择。本文着重就稀土永磁同步电主轴在钻铣加工中心中的使用做以介绍，以推广这一先进技术，促进行业进步。
二、钻铣加工中心
钻铣加工中心实际就是钻孔攻丝功能突出的小型立式加工中心。机床X＼Y＼Z三坐标轴应用高速线性导轨、滚珠丝杆，运动速度可达48m/min以上，加速度可达1G。主轴转速多在12000 rpm以上，部分在15000 rpm以上。要能高速刚性攻丝、断锥频率低。目前只有FANUC、Brother能达到。2013年西安英威腾合升动力科技有限公司取得技术突破，小螺孔刚性攻丝达到甚至超越Brother的水平。
三、加工中心刚性同步攻丝功能
（一）刚性同步攻丝
加工中心攻丝，是根据所选用的丝锥和工艺要求，在加工程序中编入适当指令，主轴与Z轴同步运动，Z 轴进给速度根据 F =丝锥螺距×主轴转速得出，这样才能加工出需要的螺孔来。主轴和Z轴电机在攻丝的过程中需要经历停止-正转-停止-反转-停止的过程，也要经历加速-制动-加速-制动。在切削过程中由于工件材质的不均匀，主轴负载波动都会使 主轴速度不可能恒定不变。而主轴电机是感应式异步伺服电机，动态响应相对Z轴的永磁同步伺服电机要慢且难以精确控制。对于进给Z轴，它的速度是跟随主轴的，是跟随而不是严格同步，两者不可能配合得天衣无缝。攻丝时，要不断锥就得用带有弹簧伸缩装置的夹头， 用它来补偿 Z 轴进给与 主轴运动产生的螺距误差。要么只能以较慢转速攻螺孔，不能满足需要。
刚性同步攻丝就是针对上述方式的不足提出的，主轴伺服电机上的位置编码器，把主轴旋转的位置反馈给 数控系统形成位置闭环，同时与 Z 轴进给建立同步同期到达关系，这样就严格保证了主轴旋转角度和 Z 轴进给尺寸的线 性关系。有了严格的同步关系，刚性攻丝时，只要丝锥适用，主轴的转速能提高很多，加工效率就能提高，螺纹精度还得到保证，目前已经成为加工中心不可缺少的一项主要功能。但由于惯量、加减速时间常数不同、负载时刻的波动，异步伺服主轴与Z轴的同步同期到达控制是非常困难的，攻丝的转速不能提的较高，易断锥。
从控制的角度来看，数控系统只要具有主轴位置控制和同步功能，机床就能进行刚性攻丝。目前钻铣加工中心都是主轴与电机直接连结。但由于主轴电机是感应异步伺服电机，转子与定子旋转磁场滑差的存在，现实上同步从理论上难以达到，不同的控制方案能使刚性攻丝达到不同的水平，高水准的三菱控制方案能达到主轴4000rpm 刚性攻丝的水平，但不能保证不断锥、或断锥发生频次低到大多数用户敢用的程度。如果主轴电机象Z轴电机一样是永磁同步电机，这一问题就可解决。永磁同步电机实现高速稳定工作是重点、难点。西安英威腾合升动力科技有限公司经过多年的不懈努力，开发了稀土永磁电机电主轴技术，该技术电机转子及角度测量传感器与主轴回转体结合一体，同步电机转子磁场先天就与定子磁场严格同步，没有滑差，是刚性攻丝功能精确实现的最佳选择。西安英威腾合升动力科技有限公司已有可靠的稀土永磁电机电主轴产品能实现铜铝件M3螺纹刚性攻丝转速8000 rpm的水平，且在工艺措施适当条件下刀具达到其精度使用寿命而不断锥。
某加工中心用永磁同步电主轴的内部结构图
（二）加工应用要求
引言中零件小孔攻丝是加工的难点所在。刚性攻丝中同步控制、冷却润滑、高精度地刀具安装等要点，都会影响攻丝质量，但同步控制才是根本。小螺纹攻丝较易断丝锥，断锥往往发生在主轴由正向到反向转换中。在快速正反向转换过程中，主轴转速应与其配合的进给轴进给有严格的线性关系，这个线性关系必须严格遵守否则就会断锥。这就要求有高动态响应能力的主轴电机。目前市场上除日本Brother外主轴电机都是异步伺服电机，异步伺服主轴电机难以满足小螺纹攻丝的同步性能要求，M2以下螺孔是难以逾越的门槛。同步伺服主轴电机可以轻松解决这个问题，稀土永磁同步电主轴更为优良。
四、典型方案
（一）深圳康铖数控应用稀土永磁电机电主轴钻铣中心
（见下图一）
（二）西安英威腾合升动力科技有限公司应用稀土永磁电机电主轴钻铣中心（见下图二）
五、总结
本文对永磁同步电主轴的应用特点做了简单介绍，着重介绍了永磁同步电主轴在钻铣加工中心刚性攻丝功能上的应用效果。对案例做了比较，直观表现了这一技术的优势。为有兴趣应用这一技术的广大用户和机床生产商做一简单科普，为推广应用永磁同步电主轴的各类技术人员提供参考和借鉴。
【关键词】稀土永磁同步电机电主轴 数控钻铣加工中心 刚性攻丝 小螺纹孔攻丝
一、引言
在通讯设备、笔记本电脑、智能手机等高端电子消费品，小型汽车部件、高端医疗器械中大量存在要小螺孔攻丝的一类零件。小螺孔加工就成了研究课题。目前针对小螺孔加工的设备是以日本Brother、FANUC公司出产的钻铣中心为主，台湾、韩国、中国大陆产钻铣中心为辅。导致这一状况的根本原因是中国大陆、韩国、台湾均未掌握钻铣中心用伺服主轴电机的核心技术。而日本两家公司又不对外出售他们钻铣中心用伺服主轴电机产品，导致了这两家钻铣中心在市场上有一定的独占性。
钻铣加工中心对伺服主轴电机的要求：低速大转矩输出、15000rpm以上的工作转速、可以高速刚性攻丝，刚性攻丝转速6000rpm以上。稀土永磁同步主轴电机及稀土永磁同步电机电主轴同时具备这三个特征，是钻铣加工中心的最佳选择。本文着重就稀土永磁同步电主轴在钻铣加工中心中的使用做以介绍，以推广这一先进技术，促进行业进步。
二、钻铣加工中心
钻铣加工中心实际就是钻孔攻丝功能突出的小型立式加工中心。机床X＼Y＼Z三坐标轴应用高速线性导轨、滚珠丝杆，运动速度可达48m/min以上，加速度可达1G。主轴转速多在12000 rpm以上，部分在15000 rpm以上。要能高速刚性攻丝、断锥频率低。目前只有FANUC、Brother能达到。2013年西安英威腾合升动力科技有限公司取得技术突破，小螺孔刚性攻丝达到甚至超越Brother的水平。
三、加工中心刚性同步攻丝功能
（一）刚性同步攻丝
加工中心攻丝，是根据所选用的丝锥和工艺要求，在加工程序中编入适当指令，主轴与Z轴同步运动，Z 轴进给速度根据 F =丝锥螺距×主轴转速得出，这样才能加工出需要的螺孔来。主轴和Z轴电机在攻丝的过程中需要经历停止-正转-停止-反转-停止的过程，也要经历加速-制动-加速-制动。在切削过程中由于工件材质的不均匀，主轴负载波动都会使 主轴速度不可能恒定不变。而主轴电机是感应式异步伺服电机，动态响应相对Z轴的永磁同步伺服电机要慢且难以精确控制。对于进给Z轴，它的速度是跟随主轴的，是跟随而不是严格同步，两者不可能配合得天衣无缝。攻丝时，要不断锥就得用带有弹簧伸缩装置的夹头， 用它来补偿 Z 轴进给与 主轴运动产生的螺距误差。要么只能以较慢转速攻螺孔，不能满足需要。
刚性同步攻丝就是针对上述方式的不足提出的，主轴伺服电机上的位置编码器，把主轴旋转的位置反馈给 数控系统形成位置闭环，同时与 Z 轴进给建立同步同期到达关系，这样就严格保证了主轴旋转角度和 Z 轴进给尺寸的线 性关系。有了严格的同步关系，刚性攻丝时，只要丝锥适用，主轴的转速能提高很多，加工效率就能提高，螺纹精度还得到保证，目前已经成为加工中心不可缺少的一项主要功能。但由于惯量、加减速时间常数不同、负载时刻的波动，异步伺服主轴与Z轴的同步同期到达控制是非常困难的，攻丝的转速不能提的较高，易断锥。
从控制的角度来看，数控系统只要具有主轴位置控制和同步功能，机床就能进行刚性攻丝。目前钻铣加工中心都是主轴与电机直接连结。但由于主轴电机是感应异步伺服电机，转子与定子旋转磁场滑差的存在，现实上同步从理论上难以达到，不同的控制方案能使刚性攻丝达到不同的水平，高水准的三菱控制方案能达到主轴4000rpm 刚性攻丝的水平，但不能保证不断锥、或断锥发生频次低到大多数用户敢用的程度。如果主轴电机象Z轴电机一样是永磁同步电机，这一问题就可解决。永磁同步电机实现高速稳定工作是重点、难点。西安英威腾合升动力科技有限公司经过多年的不懈努力，开发了稀土永磁电机电主轴技术，该技术电机转子及角度测量传感器与主轴回转体结合一体，同步电机转子磁场先天就与定子磁场严格同步，没有滑差，是刚性攻丝功能精确实现的最佳选择。西安英威腾合升动力科技有限公司已有可靠的稀土永磁电机电主轴产品能实现铜铝件M3螺纹刚性攻丝转速8000 rpm的水平，且在工艺措施适当条件下刀具达到其精度使用寿命而不断锥。
某加工中心用永磁同步电主轴的内部结构图
（二）加工应用要求
引言中零件小孔攻丝是加工的难点所在。刚性攻丝中同步控制、冷却润滑、高精度地刀具安装等要点，都会影响攻丝质量，但同步控制才是根本。小螺纹攻丝较易断丝锥，断锥往往发生在主轴由正向到反向转换中。在快速正反向转换过程中，主轴转速应与其配合的进给轴进给有严格的线性关系，这个线性关系必须严格遵守否则就会断锥。这就要求有高动态响应能力的主轴电机。目前市场上除日本Brother外主轴电机都是异步伺服电机，异步伺服主轴电机难以满足小螺纹攻丝的同步性能要求，M2以下螺孔是难以逾越的门槛。同步伺服主轴电机可以轻松解决这个问题，稀土永磁同步电主轴更为优良。
四、典型方案
（一）深圳康铖数控应用稀土永磁电机电主轴钻铣中心
（见下图一）
（二）西安英威腾合升动力科技有限公司应用稀土永磁电机电主轴钻铣中心（见下图二）
五、总结
本文对永磁同步电主轴的应用特点做了简单介绍，着重介绍了永磁同步电主轴在钻铣加工中心刚性攻丝功能上的应用效果。对案例做了比较，直观表现了这一技术的优势。为有兴趣应用这一技术的广大用户和机床生产商做一简单科普，为推广应用永磁同步电主轴的各类技术人员提供参考和借鉴。