数控机床的主轴控制包括的内容介绍

金属切削机床是利用刀具去除毛坯或被加工零件（简称工件）上的多余金属，使之获得一定形状、尺寸精度和表面质量的加工设备，它必须通过刀具和工件间的相对运动，才能实现切削加工。刀具和工件间的相对运动是金属切削机床的主运动，用来控制这一运动的轴称为主轴。

车削加工机床主要用于回转体零件加工，其切削主运动需要通过工件旋转实现，因此，主轴用来控制工件的旋转；镗铣加工机床是利用刀具旋转实现切削加工设备，其切削主运动需要通过刀具的旋转实现，因此，主轴用来控制刀具的旋转。

数控机床的主轴控制包括速度控制、螺纹切削和位置控制3类，其功能分别如下。

1.速度控制

速度控制是金属切削机床的基本功能。如图7.1-1所示，数控机床加工时的切削速度与工件或刀具的转速、直径有关，其计算式如下：

式中v——切削速度，单位为m/min；

图7.1-1 数控机床的速度控制

n——车削加工为工件转速，镗铣加工为刀具转速，单位为r/min；

D——车削加工为工件直径，镗铣加工为刀具直径，单位为mm。

不同材质的刀具和工件有不同的切削速度要求，数控机床需要满足不同的刀具和工件的加工需要，因此，主轴必须具备速度控制功能，调速范围越大，机床的适用范围就越广。

全功能数控机床的主轴调速由主轴驱动器控制，普及型数控机床一般使用通用变频器调速，简单数控机床有时还使用机械变速方案。使用主轴驱动器或变频器的机床，其主轴转向和转速可通过CNC加工程序中的M、S指令控制；使用机械变速的机床，加工程序只能控制主轴的转向，而不能控制速度。

2.螺纹加工

螺纹加工通常是数控机床的基本功能。数控车床车削螺纹时，刀具的进给需要与工件的旋转保持同步，以保证工件旋转360°，刀具进给1个螺距。镗铣机床的螺纹加工一般采用攻螺纹方式，丝锥的轴向进给需要与旋转保持同步，以保证丝锥旋转360°，轴向进给为1个螺距。主轴的位置（转角）检测需要通过编码器实现，因此，用于螺纹加工的数控机床必须安装检测主轴位置检测编码器。(www.xing528.com)

作为普通数控机床的简单螺纹加工控制，CNC一般只是通过比例换算，直接将主轴的位置检测脉冲转换为刀具的轴向进给脉冲，使刀具进给能够跟随主轴运动，以实现螺纹加工的同步控制要求。这种方式的螺纹加工只需要安装主轴位置编码器便可实现，它对主轴驱动形式并无要求。

3.位置控制

通常而言，数控机床的主轴位置控制功能包括主轴定向准停（Spindle Orientation）、主轴定位（Spindle Positioning）、Cs轴控制3种，介绍如下。

1）主轴定向准停。主轴定向准停一般用于镗铣加工数控机床，此类机床的刀具安装在主轴上，为了传递切削加工转矩，刀具与主轴间一般需要通过键进行啮合。因此，在需要进行图7.1-2a所示刀具自动交换的加工中心上，换刀时必须保证主轴的键与机械手或刀库上的刀具键槽对准，这就需要主轴具有在特定角度上准确定位停止的功能，这一功能称为主轴的定向准停功能。

主轴定向准停只要求主轴能够在某一特定的角度上定位并保持，其实现方式有多种。例如，可通过主轴位置检测编码器或专用接近开关检测主轴实际位置，然后利用CNC或驱动器的临时闭环位置控制功能，控制主轴定向准停；或者，直接通过插销等机械定位方式实现定向准停。

2）主轴定位。在车削中心等机床上，不仅可以通过工件旋转实现车削加工，且还可像镗铣加工机床一样，通过刀具旋转进行图7.1-2b所示的回转体侧面或端面镗铣加工。因此，要求机床的主轴能够在任意角度上定位并保持，这一功能称为主轴定位控制功能。

主轴定位要求主轴能够在任意角度上定位并保持，因此，主轴必须安装能检测360°范围内任意位置的编码器，然后利用CNC或驱动器的临时闭环位置控制功能实现定位。主轴定位的准确度通常较低，它一般只要求主轴安装1024p/r的编码器，编码器检测信号经过CNC的4倍频处理后，位置检测准确度为360°/（4×1024）=0.088°；另外，由于交流主轴电动机、变频电动机、感应电动机的调速范围、低速输出转矩等性能，均与进给轴所配套的伺服电动机有很大的差距，因此，主轴定位功能不能用于下述的Cs轴控制。

图7.1-2 主轴位置控制

3）Cs轴控制。在车削中心、车铣复合加工等现代先进数控机床上，主轴不仅可像数控回转进给轴一样，进行回参考点、任意位置定位、切削进给操作，且能够如图7.1-3所示参与进给轴的插补运算、实现回转体表面的轮廓加工。因此，主轴不但需要有定向、定位等简单位置控制功能，而且需要具备完全位置控制的Cs轮廓控制（Cs Contouring Control）能力，这一功能简称Cs轴控制。

图7.1-3 Cs轴控制

Cs轴控制功能的主轴必须具有类似于进给轴的调速范围、低速输出特性和位置控制准确度，因此，通常需要使用结构类似于伺服电动机的永磁同步主轴电动机驱动，并配备高准确度的位置检测编码器。