不同类型主轴系统的特点和使用范围

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杠或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轴的进给实现刀具与工件的相对切削运动。

1.主轴系统的特点

根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。

在数控机床中，数控车床占42％，数控钻床、镗床、铣床占33％，数控磨床、冲床占23％，其他只占2％。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：

1）主传动电动机应有2.2～250kW的功率范围。

2）要有大的无级调速范围，例如能在1∶100～1∶1000范围内进行恒转矩调速和1∶10的恒功率调速。

3）要求主传动有四象限的驱动能力。

4）为了螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制。

5）在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能（定向准停）等。

2.主轴系统的类型和使用范围

主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动；而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上使用直流主轴伺服系统了。

1）普通笼型异步电动机配齿轮变速箱。这是最经济的一种主轴配置方式，但只能实现有级调速。由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果。它的缺点是噪声比较大，由于电动机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。(www.xing528.com)

2）普通笼型异步电动机配简易型变频器。可以实现主轴的无级调速，但主轴电动机只有工作在500r/min以上才能有比较满意的力矩输出，否则，很容易出现堵转的情况（特别是切削力较大的情况下，例如车床）。鉴于此，一般会采用两挡齿轮或传动带变速，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，例如用于数控钻床、铣床。

3）普通笼型异步电动机配通用变频器。目前进口的通用变频器，除了具有U／f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100～200r/min）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。

4）专用变频电动机配通用变频器。一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有竞争力的产品。例如：YPNC系列变频主轴专用电动机，它具有低速大力矩和恒功率调速范围宽。基频为50Hz时电动机恒功率调速达到1∶4倍；基频为33.3Hz时电动机恒功率调速达到1∶6倍；采用33.3Hz基频时，不仅可以达到6倍恒功率调速，还可以在输出同等力的情况下降低电动机功率，以使配套变频器容量降一挡。可采用矢量控制变频器，或采用闭环速度，转速精度高，低速输出转矩高。但目前提供通用变频器的厂家以国外公司为主，例如西门子、安川、富士、三菱、日立等。

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约为100～200r/min时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用于要求精镗加工的数控镗床、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螺纹的要求。

5）伺服主轴驱动系统。伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能；当然价格也是最高的，通常是同功率变频器主轴驱动系统的2倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻螺纹、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。

6）电主轴。电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。电主轴由于电动机和主轴合二为一，没有传动机构，因此，大大简化了主轴的结构，并且提高了主轴的精度；但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在10kW以下。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，其转速一般在10000r/min以上。

安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。另外，在雕刻机和有色金属以及非金属材料加工机床上应用较多。这些机床只对主轴高转速有要求，因此，往往不用主轴驱动器。

3.主传动变速的配置形式

由于数控机床的主轴驱动广泛采用交、直流主轴电动机，这就使得主传动的功率和调速范围较普通机床大为增加。同时为了进一步满足对主传动调速和转矩输出的要求，在数控机床上常采用机电结合的方法，即同时采用电动机调速和机械齿轮变速这两种方法。如图6-1所示，数控机床主传动系统主要有三种配置方式。

图6-1 数控机床主传动系统的三种配置方式