数控机床电气控制第五章
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在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能， 要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具 有旋转进给轴（C轴）的控制功能。
加工中心上，要求主轴具有高精度的准停控制。 在加工中心上自动换刀时，主轴须停在一个固定 不变的方位上，以保证换刀位置的准确；为了满 足某些加工工艺，也要求主轴具有高精度的准停 控制。
数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的Ｓ 指令控制的，要求能在较大的转速范围内进行 无级连续调速，减少中间传动环节，简化主轴 的机械结构，一般要求主轴具备1∶(100～1000) 的恒转矩调速范围和1∶10的恒功率调速范围。
数控机床要求主轴在正、反转动时均可进行加 减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力，并 尽可能缩短加减速时间。
5.2.1 无级变速 用于主轴驱动的调速电动机 ➢ 直流电动机 ➢ 交流电动机
❖ 直流电动机主轴调速 由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以 主轴直流电动机在结构上不适用永磁式，一 般是他激式。为缩小体积，改善冷却效果， 以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采 用热管冷却技术。
从电动机拖动理论知，该直流电动机的转速公式n为
此外，有的数控机床还要求具有角度分度控制功 能。为了达到上述有关要求，对主轴调速系统还 需加位置控制，比较多的采用光电编码器作为主 轴的转角检测。
5.2 主 轴 变 速
为了能同时满足对主传动的调速和扭矩 输出等要求，数控机床常用机电相结合 的方法，即同时采用电动机调速和机械 齿轮变速两种方法。其中通过电动机减 速放大输出扭矩，并利用齿轮换挡来调 整最高转速。
图 5-3(f)
5.1.2 数控机床对主轴系统的要求
随着数控机床的不断发展，传统的主轴系统已不 能满足要求，现在数控机床对主轴系统提出了以 下要求：
数控机床主传动要有宽的调速范围，以保证加工 时选用合理的切削用量。
要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率， 并能尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大 功率，恒功率范围要宽。
图 5-3(b)
图5-3（c）所示为外 圆磨床砂轮主轴的
端部，法兰盘靠前端 1：5的圆锥面定位， 并用螺母固定。螺母 的螺纹方向必须与砂 轮的旋转方向相反 （左螺纹），以防止 启动时因砂轮惯性而 导致松脱。
图 5-3(c)
图5-3（d）所示为
内圆磨床砂轮主轴 端部，砂轮的接杆 靠莫氏锥孔定位并 传递转矩，同时用 锥孔底部螺孔紧固 接杆。
如图5-3（a）所示为车床 主轴端部，卡盘靠前端的 短圆锥面和凸缘端面定位， 用拨销传递转矩，卡盘装 有固定螺栓，卡盘装于主 轴端部时，螺栓从凸缘上 的孔中穿过，转动快卸卡 板将数个螺栓同时卡住， 再拧紧螺母将卡盘固牢在 主轴端部。主轴前端的莫 氏锥孔，用于安装顶尖或 心轴。
图 5-3(a)
图5-3（b）所示为铣、 镗类机床的主轴端 部，铣刀或刀杆在 前端7：25的锥孔内 定位，并用拉杆从 主轴后端拉紧，而 且由前端的端面键 传递转矩。
图 5-2 主轴系统的位置
主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀 具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、 位置和安装定位方法等。设计时还应考虑主轴加 工工艺性和装配工艺性。主轴一般为空心阶梯轴， 前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部 径向尺寸最小。
主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具或刀 具的形式。主轴端部用于安装刀具或夹持工件的 夹具，在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、 连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主 轴端部的结构形状都已标准化，应遵照标准进行 设计。
另外，直流主轴电动机一般都有过载能力， 且大都以能过载150%（即连续额定电流的1.5 倍）为指标。至于过载时间，则根据生产厂 的不同有较大差别，从1 min到30 min不等。
返回
❖ 交流电动机主轴调速
大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步 电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式 感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永 磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且 其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系 统不必像进给系统那样，需要如此高的动态 性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构 简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主 轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的 要求。
❖ 交流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动系统 动力源为交流伺服电动机。
目前，数控机床大都采用交流伺服电动机作为主轴 的动力源。
5.1 主 轴 系 统
5.1.1 主轴系统的组成
主轴系统主要由主轴、轴承、传动件、密封件和 刀具自动卡紧机构等组成，如图5-1所示。
图 5-1 主轴系统的组成
主轴在数控机床中的位置，如图5-2所示。
第五章 数控机床主轴系统
数控机床主轴系统按电气控制原理分 ➢ 直流驱动系统 ➢ 交流驱动系统
❖ 直流驱动系统 动力源为直流伺服电动机。
➢ 直流伺服电动机的优点 调速性能好、输出力矩 大、过载能力强、控制精 度高、控制原理简单、易于调整等。
➢ 直流伺服电动机的缺点 电刷和换向器易磨损、换向器换向时会产生电火花、 结构复杂、制造困难、制造成本高。
通常在数控机床 中，为扩大调速 范围，对直流主 轴电动机的调速 采用调压和调磁 两种方法。其典 型的直流主轴电 动机特性曲线如 图5-4所示。返回
图 5-4 直流主轴电动机的特性曲线 1—功率特性曲线；2—转矩特性曲线
在基本转速nj以下时属于恒转矩调速范围，用 改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于 恒功率调速范围，采用控制激磁电流来实现。 一般来说，恒转矩速度范围与恒功率速度范 围之比为1:2。
n=(U-RIa)/(KIf) 式中，U为电枢电压，V；R为电枢电阻，Ω；Ia为 电枢电流，A；K为常数；If为励磁电流，A。 从式中可知，要改变电动机转速n，可通过改变电枢 电压U（降压调速），或改变励磁电流If （弱磁调 速）。当采用降压调速时，从电动机转矩公式 T=CeK IfIa中可得，它是属于恒转矩调速。当采用弱 磁调速时，根据功率公式P=nT，并把上述n公式与T 公式代入得到电动机的功率P=(U-RIa) Ce Ia，可知它 是属于恒功率调速。
图 5-3(d)
图5-3（e）所示为
钻床与镗床主轴端 部，刀杆或刀具由 莫氏锥孔定位，用 锥孔后端第一个扁 孔传递转矩，第二 个扁孔用于拆卸刀 具。
图 5-3(e)
图5-3（f）为组合
机床主轴端部，圆 柱孔用来安装接杆， 刀具则安装在接杆 的莫氏锥孔内。前 端圆螺母用来调整 刀具的轴向位置， 平键用来传递转矩。
加工中心上，要求主轴具有高精度的准停控制。 在加工中心上自动换刀时，主轴须停在一个固定 不变的方位上，以保证换刀位置的准确；为了满 足某些加工工艺，也要求主轴具有高精度的准停 控制。
数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的Ｓ 指令控制的，要求能在较大的转速范围内进行 无级连续调速，减少中间传动环节，简化主轴 的机械结构，一般要求主轴具备1∶(100～1000) 的恒转矩调速范围和1∶10的恒功率调速范围。
数控机床要求主轴在正、反转动时均可进行加 减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力，并 尽可能缩短加减速时间。
5.2.1 无级变速 用于主轴驱动的调速电动机 ➢ 直流电动机 ➢ 交流电动机
❖ 直流电动机主轴调速 由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以 主轴直流电动机在结构上不适用永磁式，一 般是他激式。为缩小体积，改善冷却效果， 以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采 用热管冷却技术。
从电动机拖动理论知，该直流电动机的转速公式n为
此外，有的数控机床还要求具有角度分度控制功 能。为了达到上述有关要求，对主轴调速系统还 需加位置控制，比较多的采用光电编码器作为主 轴的转角检测。
5.2 主 轴 变 速
为了能同时满足对主传动的调速和扭矩 输出等要求，数控机床常用机电相结合 的方法，即同时采用电动机调速和机械 齿轮变速两种方法。其中通过电动机减 速放大输出扭矩，并利用齿轮换挡来调 整最高转速。
图 5-3(f)
5.1.2 数控机床对主轴系统的要求
随着数控机床的不断发展，传统的主轴系统已不 能满足要求，现在数控机床对主轴系统提出了以 下要求：
数控机床主传动要有宽的调速范围，以保证加工 时选用合理的切削用量。
要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率， 并能尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大 功率，恒功率范围要宽。
图 5-3(b)
图5-3（c）所示为外 圆磨床砂轮主轴的
端部，法兰盘靠前端 1：5的圆锥面定位， 并用螺母固定。螺母 的螺纹方向必须与砂 轮的旋转方向相反 （左螺纹），以防止 启动时因砂轮惯性而 导致松脱。
图 5-3(c)
图5-3（d）所示为
内圆磨床砂轮主轴 端部，砂轮的接杆 靠莫氏锥孔定位并 传递转矩，同时用 锥孔底部螺孔紧固 接杆。
如图5-3（a）所示为车床 主轴端部，卡盘靠前端的 短圆锥面和凸缘端面定位， 用拨销传递转矩，卡盘装 有固定螺栓，卡盘装于主 轴端部时，螺栓从凸缘上 的孔中穿过，转动快卸卡 板将数个螺栓同时卡住， 再拧紧螺母将卡盘固牢在 主轴端部。主轴前端的莫 氏锥孔，用于安装顶尖或 心轴。
图 5-3(a)
图5-3（b）所示为铣、 镗类机床的主轴端 部，铣刀或刀杆在 前端7：25的锥孔内 定位，并用拉杆从 主轴后端拉紧，而 且由前端的端面键 传递转矩。
图 5-2 主轴系统的位置
主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀 具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、 位置和安装定位方法等。设计时还应考虑主轴加 工工艺性和装配工艺性。主轴一般为空心阶梯轴， 前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部 径向尺寸最小。
主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具或刀 具的形式。主轴端部用于安装刀具或夹持工件的 夹具，在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、 连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主 轴端部的结构形状都已标准化，应遵照标准进行 设计。
另外，直流主轴电动机一般都有过载能力， 且大都以能过载150%（即连续额定电流的1.5 倍）为指标。至于过载时间，则根据生产厂 的不同有较大差别，从1 min到30 min不等。
返回
❖ 交流电动机主轴调速
大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步 电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式 感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永 磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且 其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系 统不必像进给系统那样，需要如此高的动态 性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构 简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主 轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的 要求。
❖ 交流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动系统 动力源为交流伺服电动机。
目前，数控机床大都采用交流伺服电动机作为主轴 的动力源。
5.1 主 轴 系 统
5.1.1 主轴系统的组成
主轴系统主要由主轴、轴承、传动件、密封件和 刀具自动卡紧机构等组成，如图5-1所示。
图 5-1 主轴系统的组成
主轴在数控机床中的位置，如图5-2所示。
第五章 数控机床主轴系统
数控机床主轴系统按电气控制原理分 ➢ 直流驱动系统 ➢ 交流驱动系统
❖ 直流驱动系统 动力源为直流伺服电动机。
➢ 直流伺服电动机的优点 调速性能好、输出力矩 大、过载能力强、控制精 度高、控制原理简单、易于调整等。
➢ 直流伺服电动机的缺点 电刷和换向器易磨损、换向器换向时会产生电火花、 结构复杂、制造困难、制造成本高。
通常在数控机床 中，为扩大调速 范围，对直流主 轴电动机的调速 采用调压和调磁 两种方法。其典 型的直流主轴电 动机特性曲线如 图5-4所示。返回
图 5-4 直流主轴电动机的特性曲线 1—功率特性曲线；2—转矩特性曲线
在基本转速nj以下时属于恒转矩调速范围，用 改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于 恒功率调速范围，采用控制激磁电流来实现。 一般来说，恒转矩速度范围与恒功率速度范 围之比为1:2。
n=(U-RIa)/(KIf) 式中，U为电枢电压，V；R为电枢电阻，Ω；Ia为 电枢电流，A；K为常数；If为励磁电流，A。 从式中可知，要改变电动机转速n，可通过改变电枢 电压U（降压调速），或改变励磁电流If （弱磁调 速）。当采用降压调速时，从电动机转矩公式 T=CeK IfIa中可得，它是属于恒转矩调速。当采用弱 磁调速时，根据功率公式P=nT，并把上述n公式与T 公式代入得到电动机的功率P=(U-RIa) Ce Ia，可知它 是属于恒功率调速。
图 5-3(d)
图5-3（e）所示为
钻床与镗床主轴端 部，刀杆或刀具由 莫氏锥孔定位，用 锥孔后端第一个扁 孔传递转矩，第二 个扁孔用于拆卸刀 具。
图 5-3(e)
图5-3（f）为组合
机床主轴端部，圆 柱孔用来安装接杆， 刀具则安装在接杆 的莫氏锥孔内。前 端圆螺母用来调整 刀具的轴向位置， 平键用来传递转矩。