第五章数数控机床床主轴驱驱动系统统与维修数控机床床的主轴轴驱动系系统也就就是主传传动系统统，它的的性能直直接决定定了加工工工件的的表面质质量，因因此，在在数控机机床的维维修和维维护中，主主轴驱动动系统显显得很重重要。本章主要要内容：介绍绍数控机机床主轴轴驱动系系统组成成及特点点、分类类等；介绍绍了通用用变频器器及典型型系统变变频主轴轴的连接接线路、相相关参数数等；简介介了通用用变频主主轴、伺伺服主轴轴的主要要故障及及处理方方法，并并介绍了了一些维维修实例例。51概概述数控机床床主轴驱驱动系统统是数控控机床的的大功率率执行机机构，其其功能是是接受数数控系统统(CNNC)的的S码速速度指令令及M码码辅助功功能指令令，驱动动主轴进进行切削削加工。它包括主轴轴驱动装装置、主主轴电动动机、主主轴位置置检测装装置、传传动机构构及主轴轴。通常常主轴驱驱动被加加工工件件旋转的的是车削削加工，所所对应的的机床是是车床类类；主轴轴驱动切切削刀具具旋转的的是铣削削加工，所所对应的的机床是是铣床类类。5.1.1数数控机床床对主轴轴驱动系系统的要要求机床的主主轴驱动动和进给给驱动有有较大的的差别。机机床主轴轴的工作作运动通通常是旋旋转运动动，不像像进给驱驱动需要要丝杠或或其它直直线运动动装置作作往复运运动。数数控机床床通常通通过主轴轴的回转转与进给给轴的进进给实现现刀具与与工件的的快速的的相对切切削运动动。在220纪660-770年代代，数控控机床的的主轴一一般采用用三相感感应电动动机配上上多级齿齿轮变速速箱实现现有级变变速的驱驱动方式式。随着着刀具技技术、生生产技术术、加工工工艺以以及生产产效率的的不断发发展，上上述传统统的主轴轴驱动已已不能满满足生产产的需要要。现代代数控机机床对主主轴传动动提出了了更高的的要求：1、调速速范围宽宽并实现现无极调调速 为保证加加工时选选用合适适的切削削用量，以以获得最最佳的生生产率、加加工精度度和表面面质量。特特别对于于具有自自动换刀刀功能的的数控加加工中心心，为适适应各种种刀具、工工序和各各种材料料的加工工要求，对对主轴的的调速范范围要求求更高，要要求主轴轴能在较较宽的转转速范围围内根据据数控系系统的指指令自动动实现无无级调速速，并减减少中间间传动环环节，简简化主轴轴箱。目前主轴轴驱动装装置的恒恒转矩调调速范围围已可达达11100，恒恒功率调调速范围围也可达达1330，一一般过载载1.55倍时可可持续工工作达到到30mmin。主轴变速速分为有有级变速速、无级级变速和和分段无无级变速速三种形形式，其其中有级级变速仅仅用于经经济型数数控机床床，大多多数数控控机床均均采用无无级变速速或分段段无级变变速。在在无级变变速中，变变频调速速主轴一一般用于于普及型型数控机机床，交交流伺服服主轴则则用于中中、高档档数控机机床。2、恒功功率范围围要宽 主轴在全全速范围围内均能能提供切切削所需需功率，并并尽可能能在全速速范围内内提供主主轴电动动机的最最大功率率。由于于主轴电电动机与与驱动装装置的限限制，主主轴在低低速段均均为恒转转矩输出出。为满满足数控控机床低低速、强强力切削削的需要要，常采采用分级级无级变变速的方方法（即即在低速速段采用用机械减减速装置置），以以扩大输输出转矩矩。3、具有有4象限限驱动能能力 要求主轴轴在正、反反向转动动时均可可进行自自动加、减减速控制制，并且且加、减减速时间间要短。目目前一般般伺服主主轴可以以在1秒秒内从静静止加速速到60000rr/miin。4、具有有位置控控制能力力 即进给功功能（CC轴功能能）和定定向功能能（准停停功能），以以满足加加工中心心自动换换刀、刚刚性攻丝丝、螺纹纹切削以以及车削削中心的的某些加加工工艺艺的需要要。5、具有有较高的的精度与与刚度，传传动平稳稳，噪音音低。 数控机床床加工精精度的提提高与主主轴系统统的精度度密切相相关。为为了提高高传动件件的制造造精度与与刚度，采采用齿轮轮传动时时齿轮齿齿面应采采用高频频感应加加热淬火火工艺以以增加耐耐磨性。最最后一级级一般用用斜齿轮轮传动，使使传动平平稳。采采用带传传动时应应采用齿齿型带。应应采用精精度高的的轴承及及合理的的支撑跨跨距，以以提高主主轴的组组件的刚刚性。在在结构允允许的条条件下，应应适当增增加齿轮轮宽度，提提高齿轮轮的重叠叠系数。变变速滑移移齿轮一一般都用用花键传传动，采采用内径径定心。侧侧面定心心的花键键对降低低噪声更更为有利利，因为为这种定定心方式式传动间间隙小，接接触面大大，但加加工需要要专门的的刀具和和花键磨磨床。6、良好好的抗振振性和热热稳定性性。 数控机床床加工时时，可能能由于持持续切削削、加工工余量不不均匀、运运动部件件不平衡衡以及切切削过程程中的自自振等原原因引起起冲击力力和交变变力，使使主轴产产生振动动，影响响加工精精度和表表面粗糙糙度，严严重时甚甚至可能能损坏刀刀具和主主轴系统统中的零零件，使使其无法法工作。主主轴系统统的发热热使其中中的零部部件产生生热变形形，降低低传动效效率，影影响零部部件之间间的相对对位置精精度和运运动精度度，从而而造成加加工误差差。因此此，主轴轴组件要要有较高高的固有有频率，较较好的动动平衡，且且要保持持合适的的配合间间隙，并并要进行行循环润润滑。5.1.2主主轴系统统分类及及特点全功能数数控机床床的主传传动系统统大多采采用无级级变速。目目前，无无级变速速系统根根据控制制方式的的不同主主要有变变频主轴轴系统和和伺服主主轴系统统两种，一一般采用用直流或或交流主主轴电机机，通过带带传动带带动主轴轴旋转，或或通过带带传动和和主轴箱箱内的减减速齿轮轮(以获获得更大大的转矩矩)带动动主轴旋旋转。另另外根据据主轴速速度控制制信号的的不同可可分为模模拟量控控制的主主轴驱动动装置和和串行数数字控制制的主轴轴驱动装装置两类类。模拟拟量控制制的的主主轴驱动动装置采采用变频频器实现现主轴电电动机控控制，有有通用变变频器控控制通用用电机和和专用变变频器控控制专用用电机两两种形式式。目前前大部分分的经济济型机床床均采用用数控系系统模拟拟量输出出+变频频器+感感应（异异步）电电机的形形式，性性价比很很高，这这时也可可以将模模拟主轴轴称为变变频主轴轴。串行行主轴驱驱动装置置一般由由各数控控公司自自行研制制并生产产，如西西门子公公司的6611系系列，日日本发那那克公司司的系列等等。1、普通通笼型异异步电动动机配齿齿轮变速速箱 这是最经经济的一一种方法法主轴配配置方式式，但只只能实现现有级调调速，由由于电动动机始终终工作在在额定转转速下，经经齿轮减减速后，在在主轴低低速下输输出力矩矩大，重重切削能能力强，非非常适合合粗加工工和半精精加工的的要求。如如果加工工产品比比较单一一，对主主轴转速速没有太太高的要要求，配配置在数数控机床床上也能能起到很很好的效效果；它它的缺点点是噪音音比较大大，由于于电机工工作在工工频下，主主轴转速速范围不不大，不不适合有有色金属属和需要要频繁变变换主轴轴速度的的加工场场合。2、普通通笼型异异步电动动机配简简易型变变频器 可以实现现主轴的的无级调调速，主主轴电动动机只有有工作在在约5000转/分钟以以上才能能有比较较满意的的力矩输输出，否否则，特特别是车车床很容容易出现现堵转的的情况，一一般会采采用两挡挡齿轮或或皮带变变速，但但主轴仍仍然只能能工作在在中高速速范围，另另外因为为受到普普通电动动机最高高转速的的限制，主主轴的转转速范围围受到较较大的限限制。这种方案案适用于于需要无无级调速速但对低低速和高高速都不不要求的的场合，例例如数控控钻铣床床。国内内生产的的简易型型变频器器较多。3、通笼笼型异步步电动机机配通用用变频器器 目前进口口的通用用变频器器，除了了具有UU/f曲曲线调节节，一般般还具有有无反馈馈矢量控控制功能能，会对对电动机机的低速速特性有有所改善善，配合合两级齿齿轮变速速，基本本上可以以满足车车床低速速（10002200转转/分钟钟）小加加工余量量的加工工，但同同样受最最高电动动机速度度的限制制。这是是目前经经济型数数控机床床比较常常用的主主轴驱动动系统。4、专用用变频电电动机配配通用变变频器 一般采用用有反馈馈矢量控控制，低低速甚至至零速时时都可以以有较大大的力矩矩输出，有有些还具具有定向向甚至分分度进给给的功能能，是非非常有竞竞争力的的产品。以以先马YYPNCC系列变变频电动动机为例例，电压压：三相相2000V、2220VV、3880V、4400VV可选；输出功功率：11.5-18.5KWW；变频频范围22-2000Hzz；（最最高转速速r/mmin）；30mmin1150%过载能能力；支支持V/f控制制、V/f+PPG（编编码器）控控制、无无PG矢矢量控制制、有PPG矢量量控制。提提供通用用变频器器的厂家家以国外外公司为为主，如如：西门门子、安安川、富富士、三三菱、日日立等。中档数控控机床主主要采用用这种方方案，主主轴传动动两挡变变速甚至至仅一挡挡即可实实现转速速在10002200rr/miin左右右时车、铣铣的重力力切削。一一些有定定向功能能的还可可以应用用与要求求精镗加加工的数数控镗铣铣床，若若应用在在加工中中心上，还还不很理理想，必必须采用用其他辅辅助机构构完成定定向换刀刀的功能能，而且且也不能能达到刚刚性攻丝丝的要求求。5、伺服服主轴驱驱动系统统 伺服主轴轴驱动系系统具有有响应快快、速度度高、过过载能力力强的特特点，还还可以实实现定向向和进给给功能，当当然价格格也是最最高的，通通常是同同功率变变频器主主轴驱动动系统的的2-3倍以以上。伺伺服主轴轴驱动系系统主要要应用于于加工中中心上，用用以满足足系统自自动换刀刀、刚性性攻丝、主主轴C轴轴进给功功能等对对主轴位位置控制制性能要要求很高高的加工工。6、电主主轴 电主轴是是主轴电电动机的的一种结结构形式式，驱动动器可以以是变频频器或主主轴伺服服，也可可以不要要驱动器器。电主主轴由于于电机和和主轴合合二为一一，没有有传动机机构，因因此，大大大简化化了主轴轴的结构构，并且且提高了了主轴的的精度，但但是抗冲冲击能力力较弱，而而且功率率还不能能做得太太大，一一般在110KWW以下。由由于结构构上的优优势，电电主轴主主要向高高速方向向发展，一一般在1100000r/minn以上。安装电主主轴的机机床主要要用于精精加工和和高速加加工，例例如高速速精密加加工中心心。另外外，在雕雕刻机和和有色金金属以及及非金属属材料加加工机床床上应用用较多，这这些机床床由于只只对主轴轴高转速速有要求求，因此此，往往往不用主主轴驱动动器。就电气控控制而言言，机床床主轴的的控制是是有别于于机床伺伺服轴的的。一般般情况下下，机床床主轴的的控制系系统为速速度控制制系统，而而机床伺伺服轴的的控制系系统为位位置控制制系统。换换句话说说，主轴轴编码器器一般情情况下不不是用于于位置反反馈的（也也不是用用于速度度反馈的的），而而仅作为为速度测测量元件件使用，从从主轴编编码器上上所获取取的数据据，一般般有两个个用途，其其一是用用于主轴轴转速显显示；其其二是用用于主轴轴与伺服服轴配合合运行的的场合（如如螺纹切切削加工工，恒线线速加工工，G995转进进给等）。注：当机机床主轴轴驱动单单元使用用了带速速度反馈馈的驱动动装置以以及标准准主轴电电机时，主主轴可以以根据需需要工作作在伺服服状态。此此时，主主轴编码码器作为为位置反反馈元件件使用。5.2通通用变频频主轴驱驱动装置置及维修修随着交流流调速技技术的发发展，目目前数控控机床的的主轴驱驱动多采采用交流流主轴电电动机配配变频器器控制的的方式。目前作为主轴驱动装置市场上流行的变频器有德国西门子公司、日本三肯、安川等。下面以西门子（MM420）为例，讲解模拟量控制主轴运动装置的工