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数控机床的“芯片”
日期 :2017-10-17 14:39:06
中国数控机床行业的发展令人瞩目，据中国机床工具工业协会提供的数据，2006年数控机床的产量达85756台，同比增长32.7%。但令人遗憾的是，作为数控机床关键功能部件的电主轴，无论是从产品品种、技术水平、可靠性和产业化程度等方面均与国外有一定差距，电主轴国产化率低，中高端产品主要依靠进口。对此，有关专家指出，如果不提高电主轴国产化率，一味依靠进口，不仅会浪费大量外汇，而且会制约国产数控机床的发展。
数控机床的“芯片”
传统机床主轴是通过传动装置带动主轴旋转而工作的，电主轴的主要特点是将电机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电机、主轴的一体化功能。
与传统机床主轴相比，电主轴具有十分明显的优势。由于主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。而且利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。
电主轴是将机床主轴与主轴电机融为一体的高新技术产品。电主轴实际是指电主轴系统，由电主轴、驱动控制器、编码器、润滑装置、冷却装置等组成。国产电主轴的价位从几万元到十几万元不等，电主轴技术水平的高低、性能的优劣都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展。
因此，有专家认为，电主轴在数控机床中的作用类似电脑中的芯片，将电主轴称为数控机床的“芯片”。也有日本学者将包括电主轴在内的关键功能部件产业统称为“中场”产业，取足球“中场”寓意，表明其重要位置。
电主轴系统是数控机床三大高新技术之一(高速电主轴、数控系统、送给驱动)。随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断向高速、高精、高效、高智能化发展，电主轴已成为最能适宜上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一，尤其是在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，电主轴的优异特点是机械主轴单元不能替代的。
电主轴国产化任重而道远
与数控机床的长足发展相比，国产电主轴的发展明显滞后，已引起了业内以及国家相关部委的关注。
此前，记者曾参加了机床工具工业协会召开的“数控机床关键功能部件产品创新发展座谈会”。会上机床工具工业协会根据国内数控机床的需求，对到会各生产主导单位提出强化发展要求：到2010年用于数控机床的电主轴单元总产量达到1万台套。据到会各主轴生产主导单位估计，如国家发改委动用国债资金强化支持，到 2010年可能扩产到6000台套，其余缺口尚需通过进口来解决。随着数控机床使用电主轴的比例的增加，数控机床用电主轴将成为电主轴总需求量的主体，从而替代磨用电主轴成为电主轴市场的主力军。
面对如此之大的电主轴需求市场，国产的电主轴生产却没有跟上去。原因何在？其实早在20世纪60年代，我国的轴承行业就已经开始研究生产电主轴。目前国内电主轴的生产以洛阳轴研科技公司最为著名，它生产的内孔磨削用电主轴已有40多年的历史。
我国大型数控铣、加工中心和数控车床实用型电主轴的开发始于1998年。迄今为止，洛阳轴研科技公司已能开发生产8大类，20个系列，200多种电主轴产品，功率从0.2kW～100kW，加工中心用电主轴大型的可达外径318毫米，扭矩200Nm，小型号外径80毫米，50000r/min。它开发的加工中心、高速铣床和车床用电主轴，已与国产高速机床和国产并联机床配套投入使用。
与此同时，北京机床研究所也相继开发出用日本 FUNAC电机组装的20000r/min、24000r/min电主轴。北京机电研究院、上海第二机床厂等单位，利用德国REXROTH的电机组装成转速高于10000r/min的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈合作也开发出转速高于10000r/min的电主轴。近期又有汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有限公司等数家企业相继投入开发电主轴单元的行列。
虽然近年来国产电主轴的开发取得了很大的进步，但与国外产品相比较，国产的电主轴无论是性能、品种和质量都有较大差距，所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。
电主轴国产化难点何在？
对于电主轴生产是否存在技术瓶颈，有不少业内专家发表了各自看法。有专家在分析了电主轴技术后认为，电主轴的技术难度并不大。电主轴的确需要的是综合技术，但只要一家企业拥有了其中一种技术，就可以生产电主轴这种产品。因为与其他技术相对应的产品，完全可以外购。比如轴承厂就可以外购电机，而电机厂也可以外购轴承，这是一些国外电主轴生产厂家通用的做法。就是世界顶级的电主轴生产商也不具备全套技术，他们也同样外购产品或是技术。
洛阳轴研科技公司研究员级高级工程师徐同申认为，电主轴国产化率低指的是高端加工中心、数控铣床等用电主轴国产化率低，在常规磨用电主轴方面，几乎是国内产品一统天下。对一般主轴，技术门槛相对较低，国内技术实力较雄厚，在电主轴性价比方面占有优势，除非特殊要求，国外产品很少。
对中、高端数控机床电主轴，国内起步太晚，也未引起国家、企业的足够的重视。等我们看清发展趋势时，国外已大大领先，并给国产技术发展设置障碍、卡“脖子”。如，国产控制系统不过关，要买国外控制系统就必须买国外电机，不买国外电机，就不开放数字量接口，只能是模拟量。国外对国内电主轴发展进行封锁，我们只能用模拟量与国外编码器对接，高难度动作国内电主轴做不出来。
在编码器方面，高端电主轴不用国内掌握技术的光学编码器，需要用磁性编码器。据了解，国内企业至今未开发出可实用的磁性编码器。国内企业只好用进口的，但无法与国外数控系统接口，只能实现模拟量控制，如刚性攻丝就无法进行。因此，国内电主轴在使用上受到限制，难以推广。目前，洛阳轴研科技公司高端电主轴实际产品量尚未突破两位数。
在高速精密轴承方面，国产轴承可靠性与国外有差距，由于材料质量问题，引起轴承质量不稳定。国内电机设计技术偏保守，同功率时，国产电主轴体积大。
电主轴国产化需要国家支持
徐同申建议，国家应重视电主轴发展，加强研发投入。
由机床工具协会组织，机床厂、数控系统厂家、电主轴制造企业、大学等联手攻关，加强电主轴关键技术研究。如加强高速、高刚度轴承研究、轴承润滑冷却方式研究、新一代驱动技术的研究，此外还要加快电主轴标准化工作。过去电主轴没有统一的标准，各厂家自行确定电主轴外形尺寸，造成无法互换、用户难以选型，影响电主轴批量生产。
要鼓励支持以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传统主轴，电主轴将会像直线导轨一样成为机床标准部件，使主轴单元成为一个有自主知识产权，可供用户使用选择、批量生产、稳定供货的优质部件。
河南省先进制造重点实验室主任李济顺博士指出，在数控机床的几大关键件中，电主轴是工作装置，是关键件之一。电主轴实际上是诸多学科、众多高新技术应用的综合体，它涉及机械、电子、控制等领域。过去国内研究不够，在高精度、高速、大功率方面无法满足要求，成为真正的瓶颈。而驱动精度相对容易提高，机械系统精度达不到，再好的驱动精度也不行。他建议，国家应加大投入，重视电主轴基础技术研究。
苏州汇申机电科技有限公司总经理张劲松认为，国内电主轴用户的观念需更新。现在主要用户不认同国产品牌，一些用户、主机厂由于对国产电主轴质量可靠性不信任，指名选配国外产品，国产电主轴难以批量生产，制约了电主轴产业化发展。当然电主轴生产企业也应加大宣传力度，重视与用户沟通。他认为，还需解决好理论与实际的结合问题。如用软件算出来的刚性曲线如何利用。一些经验丰富的人不会用软件分析，搞软件的不知如何用这些分析结果。凭经验、摸索，对中低端电主轴尚可，安全系数取大，影响不大。在高端电主轴方面，速度、功率、刚度指标有可能在极限值位置，没有基础理论研究，想凭经验就不行了。
此前一位业内人士指出，电主轴看似简单，实则不易。入门容易，搞精不易。如果仅仅是精密加工、装配，其他依靠外购外协，依靠低廉劳动力来获取利润，初期可能实现。但在电主轴的核心竞争力方面，无法与国外公司抗衡，简单的拿来主义，不掌握核心、关键技术，就会受制于人，电主轴产业只能永远跟在别人后面。正是由于在高速轴承技术、精密加工技术、电机技术、驱动控制技术上与国外先进水平有差距，才影响了国产电主轴的市场竞争力。
此外还有专家建议，政府要加大对电主轴等功能部件的扶持力度，加大科技投入支持、加大技改资金支持、加大鼓励电主轴国产化的政策支持，让电主轴也享受数控机床主机享有的税收优惠支持。记者了解到，在数控机床重大专项中，国家发改委已经开始考虑电主轴等关键功能部件的发展问题。
