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。
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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。
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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。
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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
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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。
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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