5.5 数控机床的主轴系统
数控机床主轴控制_图文
5.1.3高速主轴的设计
表5-1铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系
转速/r﹒min-1 进给量 /mm﹒min-1
10000 20000 30000 40000
1000 2000 3000 4000
切削速度 /m﹒min-1 785 1570 2356 3142
Ra/μm
0.56 0.46 0.32 0.32
5.2.1主轴直流电动机
图5-11
直流主轴电动机结构示意图
5.2.2、直流主轴驱动控制系统
数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图如图5-13所示。
（图5-13） 直流主轴驱动系统原理图
实际直流电机的电刷和换向片：
直流电机的基本结构
电机模型的各组成部件
固有机械特性
称为理想空载转速
V2 W1
n
U1
U2
W2 V1
三相绕组基波合成磁动势——旋转磁动势
交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相 的合成磁动势。
取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为 x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动 势为：
三相的合成磁动势：
可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。
（4）励磁回路方程
（5）气隙磁通
。U 。
I Ia
M Ea
。 Uf 。
Φ
5.2.2、直流主轴驱动控制系统
1调磁调速回路 图5-13的上半部分为励磁控制回路，由于主轴电动
机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大 ，因此，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕 组相互独立，并由单独的可调直流电源供电。
2、交流主轴驱动系统
5.1.2主轴变速方式
数控机床的典型机械结构
高传动件的制造精度与刚度。 • ３. 具有良好的抗振性和热稳定性 • 数控机床一般既要进行粗加工, 又要进行精加工。
上一页 下一页 返回
５. ２ 数控机床主轴系统
• 加工时由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过 程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰, 使主轴产生振 动, 影响加工精度和表面粗糙度, 严重时甚至会破坏刀具或工件, 使加 工无法进行。 主轴系统的发热可能导致所有零部件产生热变形, 降低 传动效率, 破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度而造成加工误 差。 因此, 要求主轴组件要有较高的固有频率、较好的动平衡、保持 合适的配合间隙并进行循环润滑等。
• 数控机床的机械结构仍然继承了普通机床的构成模式, 其零部件的设 计方法也同样类似于普通机床。
下一页 返回
５. １ 数控机床的机械结构概述
• 但近年来, 随着进给驱动、主轴驱动和ＣＮＣ 的发展, 为适应高生产 效率的需要, 现今的数控机床有着独特的机械结构, 除机床基础件外, 主要由以下各部分组成。
上一页 下一页 返回
第6章 数组
• 6.1 一维数组 • 6.2 二维数组 • 6.3 字符数组 • 6.4 数组程序举例
6.1 一维数组
• 6.1.1一维数组的定义方式 • 一维数组的定义方式为: • 类型说明符数组名[常量表达式]; • 其中: • 类型说明符可以是任何一种基本数据类型或构造数据类型。 • 数组名是用户定义的数组标识符。 • 方括号中的常量表达式须为整型，其值表小数组元素的个数，也称为
来表示。 • (5)允许在同一个类型说明中说明多个数组和多个变量。
数控机床主轴系统工作原理
数控机床主轴系统工作原理
数控机床主轴系统是数控机床中的核心部件之一，它起到传动功率、转速调节
和位置控制的重要作用。
主轴系统由主轴、主轴驱动装置、主轴轴承和主轴控制系统等组成。
下面将介绍数控机床主轴系统的工作原理。
主轴是数控机床主轴系统的核心部件，它负责传递功率和转速调节。
主轴通常
由电机驱动，通过传动装置将驱动力传递给工件。
主轴采用精密的轴承支撑，并能够承受较大的径向和轴向载荷。
主轴的转速可以根据加工要求进行调节。
主轴驱动装置负责将电机的输出转矩传递给主轴。
通常使用的主轴驱动装置包
括皮带驱动和齿轮传动。
皮带驱动采用皮带传递转矩，具有结构简单、噪音低的优点，适用于低速加工。
而齿轮传动则采用齿轮组将转矩传递给主轴，具有承载能力强、传递效率高的特点，适用于高速加工。
主轴轴承起到支承主轴的作用，保证主轴的稳定运转。
主轴轴承通常使用滚动
轴承，如角接触球轴承和圆柱滚子轴承。
这些轴承具有高速运转和较高刚度的特点，能够满足高速加工的需求。
主轴控制系统是数控机床主轴系统的关键部分，它能够对主轴的转速进行控制。
主轴控制系统通常通过变频器或伺服控制系统来实现转速调节。
变频器能够通过控制电机的供电频率来调节主轴的转速，精度较低。
而伺服控制系统则通过控制电机的转矩来调节主轴的转速，具有较高的控制精度。
总之，数控机床主轴系统是数控机床的重要组成部分，它能够实现工件的传动、转速调节和位置控制。
主轴系统的工作原理包括主轴、主轴驱动装置、主轴轴承和主轴控制系统的协同工作，确保数控机床的高效加工。
数控机床主轴控制系统PPT课件
5.3.5主轴驱动装置的特性
一、交流主轴驱动装置的特性 感应电动机与变频装置配合，其工作特性图5.11所示。 在其基本转速下，为恒转矩输出，在其基本转速以上，为恒
功率负载。
二、交流伺服主轴装置的特性 交流伺服主轴装置除具有交流主轴装置的基本特
性外还应具有以下特性 1.足够大的转矩过载能力； 2.具有高分辨率的位置、速度、电流检测能力； 3.采用更快的生微处理器，采样周期更快； 4.主轴电动机的转矩响应关至5ms以内； 5.具有四象限运行能力，具有足够的制动能力。 驱动电动机若使用感应式电动机，要求其控制方式
波是等效的。如果对正弦波的负半周也做同样处理，即可得到 相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如 图所示。
a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形 与正弦波等效的SPWM波形
②产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机产生，即对给定的正弦波用计 算机算出相应脉冲的宽度，通过控制电路输出相应波 形，还可用专门集成电路产生，如产生三相SPWM波 形的专用集成电路芯片有HEF4752、SLE4520等；也 可用模拟电路产生，其方法是以正弦波为调制波，对 等腰三角
5.3.4直接转矩控制
直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场 定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动 机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转 矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band控 制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波 动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节 器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器 的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。
SPWM变频器属于交一直一交变频器，其原理 框图见图4.23b)。基本工作过程是先将50Hz交流电经 整流变压器变压得到所需电压，经二极管整流和电容 滤波，形成恒定直流电压，然后送入由大功率晶体管 构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整 的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动 三相电机运转。这种变频器结构简单，电网功率因数 接近于1，系统动态响应快，输出波形好，因此，在数 控机床的交流驱动中广泛使用。
机床主轴的工作原理
机床主轴的工作原理机床主轴是机床的核心部件之一，它的工作原理对机床的性能和加工效果有着重要影响。
下面，我将详细介绍机床主轴的工作原理。
1. 主轴的结构机床主轴由轴承、主轴箱、主轴电机和主轴头等组成。
轴承是主轴的重要支撑部件，它承受着主轴的轴向和径向载荷，并保证主轴的稳定性。
主轴箱起到保护和支撑主轴的作用，同时还能起到冷却和润滑主轴的作用。
主轴电机通过传动装置将电能转化为机械能，驱动主轴的旋转。
主轴头则与刀具、工件等连接，完成加工操作。
2. 主轴的工作原理主轴的工作原理主要涉及到传动、动力和支撑三个方面。
（1）传动：主轴电机通过传动装置传递动力给主轴轴承。
常见的传动方式有皮带传动、齿轮传动和直接驱动等。
皮带传动简单易用，能够减小传动过程中的震动和噪音；齿轮传动传递效率高，能够承受较大的传动功率；直接驱动由于没有传动装置，结构相对简单，效率高。
（2）动力：主轴电机提供转动的动力，使主轴能够旋转。
电机通过传动装置将电能转化为机械能，传递给主轴轴承，使主轴产生旋转运动。
主轴的转速可以根据加工要求进行调整，以适应不同的加工工艺和材料。
（3）支撑：主轴轴承起着承受载荷和保证主轴稳定运转的重要作用。
主轴轴承根据承受的载荷可以分为径向轴承和推力轴承两种类型。
径向轴承能够承受主轴的径向力和挠曲力，保证主轴的稳定性和回转精度；推力轴承能够承受主轴的轴向力，保证主轴的刚性和稳定性。
3. 主轴的工作过程主轴工作过程中，机床通过控制主轴电机的转速和方向，控制刀具或工件在主轴轴向上的进给和退刀运动，实现切削、钻孔、铣削、磨削等加工操作。
（1）转速调节：主轴的转速可以通过改变电机的转速来实现。
机床操作人员可以根据加工材料、加工工艺和加工要求来调节主轴的转速。
一般而言，硬材料加工需要较低的转速，而软材料加工一般需要较高的转速。
（2）进给运动：主轴的进给运动是通过驱动装置将刀具或工件沿主轴轴向移动来实现的。
进给速度可以根据加工要求进行调节，以控制切削深度和加工速度。
数控机床的主传动系统资料
电机散热
电机振动
定期检查电机散热风扇是否正常运转， 如发现风扇故障应及时维修或更换。
检查电机运转时的振动情况，如发现 异常振动应及缘电阻，确保电机 绝缘良好，防止电机短路或接地故障。
主轴箱的维护与保养
主轴箱清洁
定期清理主轴箱内的灰尘和杂物， 保持主轴箱内部清洁。
传动装置清洁
清理传动装置内部的灰尘和杂物，保持传动装置 内部清洁。
05
数控机床主传动系统的故障诊断与排
除
主轴故障诊断与排除
主轴转动异常
检查主轴电机、传动带、轴承等部件是否正常，以及润滑系统是否工作正常。
主轴定位不准
检查主轴编码器、定位检测元件、数控系统参数等是否正确设置和连接。
主轴电机故障诊断与排除
04
主轴箱的散热性能和密封性能对机床的运 行稳定性和精度有重要影响。
传动装置
传动装置是连接主轴电机和主 轴的中间环节。
传动装置需要具备高精度、高 刚度和低噪音等特点，以确保
主轴的旋转精度和稳定性。
常见的传动装置包括皮带、齿 轮和传动链等。
传动装置的维护和调整对机床 的运行稳定性和精度有重要影 响。
电机无法启动
检查电源是否正常、电机控制电路是否正常、主轴电机是否 过载等。
电机过热
检查电机冷却系统是否正常、电机负载是否过大、电机轴承 是否损坏等。
主轴箱故障诊断与排除
主轴箱振动
检查主轴箱安装基础是否稳固、主轴 箱内部齿轮和轴承是否损坏等。
主轴箱噪音
检查主轴箱内部齿轮和轴承是否润滑 良好、主轴箱内部是否有异物等。
箱体紧固
检查主轴箱各部位螺丝是否紧固， 防止因螺丝松动导致主轴箱振动或 移位。
油标检查
数控机床的主运动系统
总结词
结构简单、可靠性高、成本低
详细描述
机械主轴是传统数控机床中常用的主轴类型，其结构简单、可靠性高、成本低。它通过齿轮或皮带等传动方式将电动机的动力传递到主轴上，实现主轴的旋转运动。机械主轴的转速和扭矩调节范围较广，适用于多种加工需求，但在高速运转时噪音和振动较大。
VS
适合加工轻质材料、气动控制调节方便
总结词
详细描述
主轴的驱动方式
CATALOGUE
03
直流电机驱动具有较高的启动转矩和良好的调速性能，能够满足数控机床对主轴高精度、高速度的加工需求。
直流电机驱动具有较宽的调速范围，可以根据不同的加工需求调整主轴转速。
直流电机驱动系统通常采用电刷和换向器来转换电流方向，从而实现电机旋转方向的改变。
直流电机驱动系统的缺点是维护成本较高，且容易受到电刷和换向器的磨损影响。
THANKS
感谢观看
CATALOGUE
06
高效化：随着制造业对加工效率的要求不断提高，主运动系统正朝着高效化的方向发展。通过采用更快的伺服系统、优化传动装置和减少运动部件的摩擦阻力等手段，提高数控机床的加工速度和生产效率。
新材料的应用
随着新材料技术的不断发展，未来主运动系统的材料将得到进一步优化。采用新型高强度、轻质材料和复合材料，可以提高主轴的刚性和动态性能，降低重量和能耗。
主轴
主轴电机
主轴箱
主轴轴承
01
02
03
04
主轴是主运动系统的核心部件，它安装刀具并传递切削力，实现工件的切削加工。
主轴电机是主运动系统的动力源，为切削加工提供所需的动力。
主轴箱是主轴的支撑和传动部件，它安装主轴并传递动力，使主轴能够实现旋转运动。
数控机床的系统组成及其功能
数控机床的系统组成及其功能数控机床是一种高度自动化的机床，它利用数字控制技术来加工金属或其他材料。
数控机床的系统组成包括以下几个主要部分：1.数控装置：数控装置是数控机床的核心部件，它通过接收输入的加工程序，将加工过程转化为一系列的指令，控制机床的各个部件进行精确的运动。
数控装置一般由计算机硬件、控制软件和输入输出接口等组成。
2.进给系统：进给系统是数控机床的重要部分，它负责将动力传递给机床的各个运动部件，包括工作台、主轴、刀架等。
进给系统通常由电动机、丝杠、齿轮、轴承等组成，通过改变电动机的转速和旋转方向来控制机床的运动速度和方向。
3.主轴系统：主轴系统是数控机床的关键部件，它负责驱动刀具进行切削加工。
主轴系统一般由电动机、主轴、轴承、刀具夹头等组成，通过调节电动机的转速和旋转方向来控制刀具的旋转速度和旋转方向。
4.辅助装置：数控机床的辅助装置包括冷却系统、润滑系统、排屑系统、照明系统等，它们分别负责提供冷却液、润滑油、排除切屑、照明等工作。
这些辅助装置对于保证机床的正常运转和加工过程的顺利进行至关重要。
5.控制系统：控制系统是数控机床的基础部分，它通过接收操作者输入的指令，将加工过程转化为一系列的数控指令，控制机床的各个部件进行精确的运动。
控制系统通常由控制器、操作面板、传感器等组成，通过调节电动机的转速和旋转方向来控制刀具的旋转速度和旋转方向。
数控机床的功能非常广泛，它可以加工各种类型的零件，包括金属和非金属材料，如钢、铸铁、有色金属、塑料等。
数控机床可以完成多种加工操作，如车削、铣削、钻孔、攻丝、磨削等。
此外，数控机床还可以进行精确的测量和检验，确保加工出的零件符合精度要求。
除了自动化和高精度，数控机床还具有高效率的特点。
由于数控机床可以同时控制多个坐标轴，因此它可以一次装夹多个工件，减少装夹和测量时间，提高生产效率。
此外，数控机床还可以进行在线监测和故障诊断，及时发现并解决问题，减少停机时间和维修成本。
5轴数控加工中心的主要驱动系统有哪些？
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。
五轴数控系统控制原理
五轴数控系统控制原理五轴数控系统是一种先进的数控系统，可以实现对加工设备的五个轴向坐标进行精确控制。
其控制原理主要包括硬件和软件两个方面。
硬件方面，五轴数控系统主要由五轴数控机床、伺服系统、控制柜、操作面板和通信模块等组成。
在五轴数控机床上，通常分为X、Y、Z、A和C五个轴向。
X、Y和Z轴通常用于控制机床上下、前后和左右的移动；A轴用于机械的旋转运动；而C轴则用于机械的倾斜运动。
伺服系统是五轴数控系统的核心部分，用于实现对各个轴向的精确控制。
伺服系统一般由伺服电机、编码器和伺服驱动器等组成。
伺服电机负责驱动机床移动，编码器用于实时反馈伺服电机的位置信息，而伺服驱动器则负责根据编码器的反馈信息控制伺服电机的转动。
控制柜是五轴数控系统的核心控制部分，负责接收来自操作面板的指令，并通过通信模块将指令传输给伺服系统。
在控制柜中，通常还包括电源模块、断电保护模块、运动控制卡和数控系统主控板等组件。
软件方面，五轴数控系统主要通过数控系统主控板上的控制软件来实现对加工设备的控制。
控制软件通常包括G代码解释器、插补器、运动控制模块和数据处理模块等功能模块。
G代码解释器负责将用户输入的G代码翻译成机床可以执行的指令；插补器负责实现不同轴向之间的插补运动；运动控制模块则负责控制伺服系统实现具体的运动。
五轴数控系统的控制原理可以简单概括为以下几个步骤：首先，用户通过操作面板输入加工任务的参数和G代码；然后，控制柜接收到操作面板的指令，并将其传输给数控系统主控板；接着，主控板根据G代码解释器对G代码进行解释，生成相应的指令；随后，插补器根据指令计算出各个轴向的移动路径和速度；最后，运动控制模块将插补器计算出的运动指令传输给伺服系统，伺服系统根据指令驱动机床进行加工。
总之，五轴数控系统的控制原理是通过硬件和软件的配合，实现对机床五个轴向坐标的精确控制。
通过操作面板输入加工任务的参数和G代码，控制柜将指令传输给数控系统主控板，主控板通过解释器对指令进行解释，插补器计算出各个轴向的移动路径和速度，最终由运动控制模块传输给伺服系统，实现机床的精确加工。
数控机床主轴系统工作原理
数控机床主轴系统工作原理数控机床主轴系统是数控机床的核心部件之一，其工作原理是整个数控加工过程中的关键环节。
主轴系统的工作原理涉及到机床主轴的转动、传动方式、速度调节、加工精度控制等多个方面。
下面将详细介绍数控机床主轴系统的工作原理。
一、主轴的转动方式数控机床主轴一般采用电机驱动，其转动方式主要包括直流电机驱动、交流电机驱动和伺服电机驱动。
直流电机驱动主轴工作原理是通过直流电机产生磁场，通过电磁感应产生转矩来驱动主轴转动；交流电机驱动主轴则通过变频器调节电机的频率和电流，控制电机的转速，从而驱动主轴转动；伺服电机驱动主轴则是通过对电机进行闭环控制，实现高精度、高速度的转动。
二、主轴传动方式主轴传动方式主要包括皮带传动、齿轮传动和直联传动。
皮带传动简单、便于调节，但传动效率较低；齿轮传动传动效率高，但噪音大；直联传动是直接将电机轴与主轴连接，传动效率高，但需要考虑刚性和平衡性。
三、主轴速度调节数控机床主轴的速度调节是通过电机的转速和传动方式来实现的。
对于直流电机和交流电机，可以通过调节电机的输入电流和频率来控制转速；而对于伺服电机，则可以通过伺服控制系统实现对主轴速度的精确控制。
四、加工精度控制在数控机床主轴系统中，加工精度的控制是至关重要的。
主轴系统的动态特性、转动平稳性及轴向和径向刚度等参数都会直接影响到加工的精度。
在主轴系统设计中，需要考虑轴承选型、润滑方式、主轴动平衡、温升控制等因素，以确保加工精度的稳定性和精度。
五、主轴保护系统为了确保主轴系统的安全运行，常常需要配置主轴保护系统，例如过载保护、温升保护、振动监测等。
这些保护系统可以及时发现主轴系统的异常情况，并采取相应的保护措施，以避免主轴系统受损或加工质量受影响。
数控机床主轴系统的工作原理涉及到电机驱动、传动方式、速度调节、加工精度控制和保护系统等多个方面。
在数控加工中，主轴系统的稳定性和精度将直接影响到加工质量和效率，因此对主轴系统的设计和调试需要十分重视。
数控机床的主传动系统
性能要求高
电机过载能力强。要求有较长时间 (1~30min)和较大倍数的过载能力
在断续负载下，电机转速波动要小。 速度响应要快，升降速时间要短。 电机温升低，振动和噪音小，精度要高。 可靠性高，寿命长，维护容易。 要具有抗振性和热稳定性。 体积小，重量轻，与机床联接容易。
液体静压滑动轴承主要应用于主轴高转速、 高回转精度的场合，如应用于精密、超精 密的数控机床主轴、数控磨床主轴。
4 、 主轴准停装置
主轴准停也叫主轴定向。在加工中心等数控机 床上，由于有机械手自动换刀，要求刀柄上的 键槽对准主轴的端面键上，因此主轴每次必须 停在一个固定准确的位置上，以利于机械手换 刀。所以，主轴上必须设有准停装置。主轴准 停装置分为机械式准停、电气式准停。
二、数控机床的主轴部件
主轴部件是主运动的执行件，它夹持 刀具或工件，并带动其旋转。 功用：
夹持工件或刀具实现切削运动； 传递运动及切削加工所需要的动力。 组成： 主轴、支承、传动零件、装夹刀具或工 件的附件及辅助零部件。
要求： 主轴的精度要高。包括运动精度(回转精 度、轴向串动)、和安装刀具或夹持工件 的夹具的定位精度(轴向、径向)。 部件的结构刚度和抗振性好。 较低的运转温升以及较好的热稳定性。 部件的耐磨性和精度保持性好。 自动可靠的装夹刀具或工件
（3）机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑 座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件， 并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确 位置。
一、概述
1、概念 主运动是机床实现切削的基本运动。即驱动主轴运动 的系统。在切削过程中，它为切除工件上多余的金属 提供所需的切削速度和动力，是切削过程中速度最高、 消耗功率最多的运动。 主传动系统是：由主轴电机经一系列传动元件和主轴 构成的具有运动、传动联系的系统。 数控机床的主传动系统包括：主轴电动机、传动装置、 主轴、主轴轴承、主轴定向装置。
5数控机床主轴的控制
2. 热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小 低温升、 低温升 的热变形是对主传动系统的要求的重要指标。 的热变形 3. 主轴的旋转精度和运动精度 主轴的旋转精度 旋转精度是指装配后，在无载荷、低速 旋转精度 转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径 向圆跳动和端面圆跳动值。 主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称 为运动精度 运动精度.数控机床要求有高的旋转精度和运动 运动精度 精度.
图5-3三位液压拨叉的原理图 三位液压拨叉的原理图
4、电磁离合器变速 、 电磁离合器是应用电磁效应 电磁效应接通或切断运动的元件， 电磁效应 由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选 用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。
电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速 机构，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和 分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变 速。 如图5-4所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的 主传动系统图，该机床采用双速电机和六个电磁离合器 完成18级变速。 级变速。 级变速
当线圈 断电 线圈8断电 线圈 断电时，外摩擦片4的弹性爪使衔铁10迅 速恢复到原来位置，内、外摩擦片互相分离，运动 被切断。 这种离合器的优点 优点在于省去了电刷，避免了磨 优点 损和接触不良带来的故障，因此比较适合于高速运 转的主运动系统。由于采用摩擦片来传递转矩，所 以允许不停车变速。 但也带来了另外的缺点 缺点，这就是变速时将产生 缺点 大量的摩擦热 摩擦热，还由于线圈和铁心是静止不动的， 摩擦热 这就必须在旋转的套筒上装滚动轴承7，因而增加了 径向尺寸。此外，这种摩擦离合器的磁力 离合器的径向尺寸 径向尺寸 线通过钢质的摩擦片，在线圈断电之后会有剩磁， 所以增加了离合器的分离时间 分离时间。 分离时间
数控机床主轴控制系统
直流主轴驱动系统
直流主轴电动机驱动器有可控硅调速和脉宽 调制（PWM）调速两种形式。由于PWM调速具 有很好的调速性能，因而在对静动态性能要求较 高的数控机床进给驱动装上置曾广泛使用。而三 相全控可控硅调速装置则适于大功率应用场合。
直流电动机因机械换向，换向器表面线速度、 换向电流、电压均受到限制，限制了其转速和功 率的提高，并且它的恒功率调速范围也较小。同 时换向也增加了电动机制造的难度、成本，并使 调速控制系统变得复杂。另外换向器必须定时停 机检查和维修，使用和维护都比较麻烦
交流主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电 机，由变频逆变器实施控制，有速度开环或闭环控制方 式。也有采用永磁同步电动机作为驱动电机，由变频逆 变器实现速度环的矢量控制，具有快速的动态响应特性， 但其恒功率调速范围较小。
交流主轴驱动系统
对于进给用交流伺服电动机，电动机的结构有笼型 感应电动机和永磁式电动机两种结构，而且大都采用后 一种结构形式。而交流主轴电动机与伺服进给电动机不 同。交流主轴电动机多采用感应电动机。这是因为受永 磁体的限制，当容量做得很大时电动机成本太高，使数 控机床难以使用。另外数控机床主轴驱动系统不必像进 给伺服驱动系统那样，要求如此高的性能，调速范围也 可以不要太大。因此，感应电动机采用矢量控制就完全 能满足数控机床主轴的要求。
交流主轴驱动系统
20世纪80年代后，因微电子技术、交流调速理论、 现代控制理论等有了很大发展，同时新型大功率半导体 器件如大功率晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT以 及IPM智能模块，不断成熟并应用于交流驱动直 流驱动系统。而且交流电动机体积小、重量轻，采用全 封闭罩壳，防灰尘和防污染性能好，因此，现代数控机 床90%都采用交流主轴驱动系统。
三相笼型感应电动机的制动
数控机床主轴系统工作原理
数控机床主轴系统工作原理数控机床主轴系统是数控机床的核心部件之一，它承担着驱动、传动和加工的重要功能。
主轴系统的工作原理涉及到多种技术和原理，包括机械传动、电气控制、传感器反馈等多方面的知识。
下面将详细介绍数控机床主轴系统的工作原理。
一、数控机床主轴系统的构成数控机床主轴系统通常包括主轴、主轴驱动装置、主轴轴承、主轴传动装置、主轴控制装置等部件。
主轴是数控机床进行加工的核心部件，主要承担着旋转刀具或工件在加工过程中的旋转动力传递和定位。
主轴驱动装置通常由电机、变速箱或变频器、联轴器等组成，用于提供主轴驱动所需要的动力和转速范围。
主轴轴承则负责支撑和定位主轴，承受加工过程中所产生的轴向和径向载荷。
主轴传动装置包括传动皮带、齿轮、传动轴等，用于将电机提供的动力传递给主轴。
主轴控制装置主要包括主轴的运行状态监测、转速控制、温度控制等功能。
二、数控机床主轴系统的工作原理1. 主轴的运行状态控制主轴的运行状态通常包括启动、停止、加速、减速、定速等几种状态。
数控机床的主轴系统通过控制电机的开关和转速，实现主轴的启动、停止和转速调节。
通过电气控制系统，可以实现对主轴启动和停止的控制，同时可以通过变频器实现对主轴转速的调节。
2. 主轴传动系统主轴传动系统通常采用齿轮传动、带传动或直接联轴的形式。
在齿轮传动系统中，通过齿轮的组合来实现主轴的转速变换；在带传动系统中，通过皮带的松紧程度来调节主轴的转速；在直接联轴系统中，主轴直接与电机通过联轴器连接，实现直接驱动。
3. 主轴轴承系统主轴轴承系统的设计对主轴的稳定性和精度有着重要的影响。
主轴轴承通常采用滚动轴承或滑动轴承，具有高刚性、高转速和高精度的特点。
为了保证主轴在工作过程中的稳定性和耐磨性，通常会对主轴轴承进行润滑和冷却。
4. 主轴的位置控制在数控机床加工过程中，对于主轴的位置控制至关重要。
通过编程、传感器反馈等方式，可以实现对主轴位置的准确定位和控制。
传感器可以用来检测主轴的转速、角度等参数，并将这些参数反馈给数控系统，从而实现对主轴位置的实时监控和控制。
数控机床主轴控制系统
主轴伺服系统
数控机床的主轴驱动系统也叫主传动系统,是完成主 运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转 变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度,配 合进给运动,加工出理想的零件。它是零件加工的成型运 动之一,它的精度对零件的加工精度有较大的影响。机床 的主轴驱动和进给驱动有较大的差别，机床主轴的工作 运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杆或者其他 直线运动装置作往复运动，数控机床通过主轴的回转与 进给实现刀具与工件的相对切削运动。为了满足螺纹车 削，要求主轴能与进给实行同步控制 。
数控机床对主轴的要求
有较宽的调速范围 能进行无极调速 要求主轴恒功率范围宽 要求主轴在正.反转动时均可进行自动加减速 控制 主轴具有高精度的准停控制 在车削中心上具有旋转进给轴（C轴）的控制 功能
华中数控实验台主轴系统实物图
华中数控实验台连线图
MOV_0430.mp4
FANUC主轴系统实物图
机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别机床主轴的工作运动通常是旋转运动不像进给驱动需要丝杆或者其他直线运动装置作往复运动数控机床通过主轴的回转与进给实现刀具与工件的相对切削运动
项目三
数控机床主轴控制系统 知识汇报
三组
罗忠义
宋旭
杨玉兵 田巧丽
内容
主轴系统的认识及简介 华中数控实验台 FANUC 西门子802C
变频器原理
变频器是将恒压恒频的交流电转变成变压变频的交流电的装置， 以满足交流电动机变频调速的需要。 变频器按结构分：交-直-交和交-交变频器，即间接变频变频 器和直接变压变频器。 交-交变频器输入功率因数低，谐波含量大，频谱复杂，最高 输出频率不超过电网频率的一半。 交-直-交变频器先将工频交流电整流变换成直流电，通过逆变 器将直流电变换成可控的频率和交流电压，由于有中间直流环 节，所以又称间接变压变频器。 交-直-交应用广泛，通常使用 的都是交-直-交变频器
数控机床主传动系统及主轴部件讲解(1)
二、数控机床主轴的变速方式
数控机床的主传动要求较大的调速 范围，以保证加工时能选用合理的 切削用量，从而获得最佳的生产率、 加工精度和表面质量。
数控机床的变速是按照控制指令自动进行的， 因此变速机构必须适应自动操作的再求。 故大多数数控机床采用无级变速系统， 数控机床主传动系统主要有以下三种配置方 式。
第五章
第一节
第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
数控机床的结构
数控机床的结构要求
数控机床主传动系统及主轴部件 数控机床的进给系统 数控机床回转工作台 数控加工使用的刀具及自动换刀系统 数控加工件
一、
数控机床主运动的特点
二、 三、
数控机床主轴的变速方式 主轴部件
传统的做法是采用机械挡块等来定向。
而现代的数控机床一般都采用电气式主轴定向，只 要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定向。
主 轴 的准 停 装置 设 置在 主 轴的 尾 端 （如图）。交流调速电动机 11通过多 联三角带 9 和皮带轮 10 带动主轴旋转， ，当主轴需要停车 换刀时，发出降速 信号，主轴箱自动 改变传动路线，使 主轴换到最低转速 运转。在时间继电 器延时数秒后，开 始接通无触点开关。
（二）通过带传动的主传动（如图）
主要应用在小型数控机床上，可以避免齿 轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适 用于低扭矩特性要求的主轴。
同步带传动是一种综合了带、链传动 优点的新型传动。 同步带的结构和传动如图所示。带的工作面及带轮 外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作无 滑动的啮合传动。 带内采用了承载 后无弹性伸长的 材料作强力层， 以保持带的节距 不变，使主、从 动带轮可作无相 对滑动的同步传 动。
（一）带有变速齿轮的主传动（如图）
(5)数控车床的主轴系统
• 中档数控机床主要采用这种方案，主轴传 动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在 100—200r/min左右时车、铣的重力切削。 一些有定向功能的还可以应用与要求精镗 加工的数控镗铣床，若应用在加工中心上， 还不很理想，必须采用其他辅助机构完成 定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻 丝的要求。
3.主传动系统的传动方式
数控机床的调速是按照控制指令自动执 行的，因此变速机构必须适应自动操作的 要求。在主传动系统中，目前多采用交流 主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系 统。为扩大调速范围，适应低速大转矩的 要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机 无级调速相结合的调速方式。
（1）带有变速齿轮的主传动 大、中型数控机床采用这种变速方式。如图 （a）所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出 转矩，一满足主轴低速时对输出转矩特性的要 求。数控机床在交流或直流电动机无级变速的 基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。 滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者 直接由液压缸带动齿轮来实现。
• 可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有 工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩 输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况， 一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只 能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机 最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限 制。 • 这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都 不要求的场合，例如数控钻铣床。国内生产的简 易型变频器较多。
带传动时，总是优先选用圆弧齿同步带。 梯形齿同步带，一般仅在转速不高的或小功率的动力 传动中使用。
齿形带的结构 齿形带的结构由强力层和带体两部分组成
齿形带的安装
与普通带传动相比，同步齿形带传动的特点是： ①钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本 不变,带与带轮间无相对滑动,传动比恒定、准确； ②齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可 达40米/秒，传动比可达10，传动效率可达98%； ③结构紧凑，耐磨性好； ④由于预拉力小，承载能力也较小； ⑤制造和安装精度要求甚高，要求有严格的中心距，故成本 较高。同步齿形带传动主要用于要求传动比准确的场合， 如计算机中的外部设备、电影放映机、录像机和纺织机械 等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
却是使用电主轴的关键问题，对电主轴的设计、生产和装配工艺要求非
教案纸
教学过程设计
常高。电主轴的最高转速一般在20 000 r／min以上。
表 JX-2
第4页
时间 教师 分配 活动
学生 活动
Hale Waihona Puke 3．主轴换挡 主轴换挡是指通过改变主轴电动机至主轴的传动比来获得更宽的
10’
主轴转速范围以及更高的转矩输出的过程。
备的接口在主轴驱动装置上一般都可以找到，只是不同厂家、不同等级 钟
引入 思考
的主轴驱动装置所包含的接口类型不同。例如，主轴伺服装置的接口类
型比变频器的接口要丰富，具备矢量控制功能的变频器又比简易型变频
器接口丰富。不同的是：进给驱动装置主要工作在位置控制模式下，而
主轴驱动装置主要工作在速度控制模式下；同一台数控机床上主轴输出
和维修也比较困难。
这种传动方式常用的变速操作方法有液压拨叉和电磁离合器两种。
(2)一级变速的主传动系统。
目前，数控机床多采用同步齿形带传动，其优点是结构简单，安装
调试方便。但系统的调速范围与电动机一样，受电动机调速范围和输出
转矩特性的约束。这种传动方式可以避免因齿轮传动引起的振动与噪
声，适用于低转矩特性要求的主轴。
难点: 主轴为何要定向。 措施：讲解透彻，反复讲解，突破难点。
采用启发式提问，引入本次课内容， 运用多媒体方式，通过图示法讲解结构， 启发学生思考，参与课堂讨论。
5．5 数控机床的主轴系统
一、数控机床的主传动系统及主轴换挡 1．数控机床主传动系统的要求 2．主轴的传动方式 3．主轴换挡 二、主轴定向功能 1、概述 2．机械定向控制 2．电气定向控制 三、主轴进给功能
多倍。这种加工工艺不仅切削效率高，而且具有加工表面质量好、切削
温度低和刀具寿命长等优点。
高速切削一般采用内装电动机的主轴(简称电主轴)，即主轴与电动
机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，刚度
高，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电
动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，主轴的温度控制和冷
南京技师学院教案（首页）
表 JX—1
授课日期 授课班级 课题
教学目标
教学重点 解决措施 教学难点 解决措施 教学设计 教学手段 教学方法
板书设计 授课提纲
5．5 数控机床的主轴系统
计划 学时
1、掌握主轴传动方式。
2、掌握主轴定向和几种定向的方法及特点
3、了解主轴进给功能的必要性和实现方法。
重点：主轴电气定向的方法。 措施：引导式讲解，反复强调。
教案纸
表 JX-2
教学过程设计
第3页
时间 教师 分配 活动
学生 活动
降速，增大低速时的输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。部分
小型数控机床也有采用这种传动方式，以获得强力切削时所需的扭矩。
这种传动系统的优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范
围调节速度的能力。缺点是机械结构较复杂，制造成本较高。此外制造
2 课时
教案纸
表 JX-2
教学过程设计
【复习提问】 1、主轴系统的常用配置方案和各自特点？ 2、数控机床主轴系统和进给系统相比有什么不同？
【新课引入】
第
时间 分配
6分 钟
1页
教师 活动
老师 提问 并启 发。
学生 活动
个别 学生 回答
主轴驱动装置的接口与进给驱动装置有许多类似，进给驱动装置具 4 分 自 然 回 忆
数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件
不平衡以及切削过程中的自振等原因会引起冲击力和交变力，而使主轴
产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度，严羲时甚至可能损坏刀具
和主轴系统中的零件。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，会
降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成
零件加工的成形运动之一。它的精度对零件的加工精度有较大的影响。 1．数控机床主传动系统的要求 (1)具有较大的调速范围并实现无级调速。
启 发 认真 式 讲 听讲 解
数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量和切削速度，获得
最高的生产率以及较好的加工精度和表面质量，必须具有较大的调速范
围。对于加工中心、车削中心以及一些专用数控机床，为了适应各种工
用皮带传动时应选择齿型带。采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以 提高主轴组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提
回答 问题
高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般采用内径定心的花键传动。侧面
定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触
面大．但加工需要专门的刀具和花键磨床。
(3)良好的抗振性和热稳定性。
功率比进给轴输出功率要大得多。因此，在接口上主轴驱动装置又具有
独自的特点。
【新课讲授】
5．5 数控机床的主轴系统
62’
一、数控机床的主传动系统及主轴换挡
25’
机床主传动系统有时也称主轴系统。数控机床主传动系统是指主轴
电动机至主轴的运动传动系统，主轴电动机作为原动力通过该传动系统
自 然 联想 引入
变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度。主轴的运动也是
加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率、较好的动平衡，且要
保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。 2．主轴的传动方式
10’
为了适应不同的加工要求，目前主传动系统的传动方式大致可以分
为三类。
互 动 积极
式 教 思考
学
回答
问题
(1)二级以上变速的主传动系统。
这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。常通过几对齿轮
对于普通三相异步主轴电动机，通常其转速是固定的。只有通过换
(3)高速切削主轴。
高速切削是20世纪70年代后期发展起来的一种新工艺。这种工艺采
用的切削速度比常规的要高几倍到十多倍，如高速铣削铝件的最佳切削
速度可达2500 m／mm～4500 m／min，加工钢件为400 m／min～1600 m
／min，加工铸铁为800 m／min～2000 m／min，进给速度也相应提高很
教案纸
教学过程设计
序和各种加工材料的要求，主轴系统的调速范围还应进一步扩大。
表 JX-2
第2页
时间 教师 分配 活动
学生 活动
(2)具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。
数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传
动组件的精度与刚度，采用齿轮传动时，齿轮齿面应采用高频感应加热
淬火工艺以增加耐磨性，最后一级传动一般用斜齿轮，使传动平稳。采