数控机床主轴
数控机床主轴设计
数控机床主轴设计
一、概述
1.数控机床主轴是机床加工过程中的核心部件，其质量直接影响到机
床的精度和生产效率。
数控机床主轴设计的主要任务是解决加工件的加工
精度、表面质量和生产效率等要求的技术问题。
2.数控机床主轴设计工作需要满足性能、结构、重量、尺寸、动力、
控制、安装等方面的要求，其中最重要的是性能和结构要求。
二、主轴结构设计
1.针对不同的加工工艺的要求，数控机床主轴设计的结构形式有很多，常见的有研磨轴、多段轴、悬臂式轴等。
2.研磨轴是机床主轴的基本结构，一般用于精超磨削，其结构特点为
研磨轴有较长的平稳运行区段，其强度高，通常采用梃形连接，耐磨性能好，是目前机床常用的轴形式。
3.多段轴是指主轴有多段，每段之间有齿轮连接，它可以满足不同加
工工艺的需求。
4.悬臂式轴是指主轴的两端分别有悬臂，是一种自转和轴向振动均有
良好平衡的结构形式，是用于精铣、拉床等加工工艺的主轴形式。
三、主轴性能设计
1.主轴的动力要求是指主轴所需的动力。
主要有机械动力、电动机动
力和气动动力等形式，根据不同的加工工艺要求，采用不同动力形式实现，其中机械动力是最常用的动力形式。
数控机床常用的主传动的机械结构
数控机床的主轴部件一般包括主轴、主轴轴承和传动件等。
对于加工中心，主轴部件还包括刀具自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的切屑消除装置。
1．主轴轴承的配置形式数控机床主轴轴承主要有以下几种配置形式：（1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承，后支承采用向心推力球轴承，如图2-30（a）所示。
（2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承，如图2-30（b）所示。
（3）前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承，如图2-30（c）所示。
在主轴的结构上必须处理好卡盘或刀具的安装、主轴的卸荷、主轴轴承的定位、间隙调整、主轴部件的润滑和密封等问题。
对于某些立式数控加工中心，还必须处理好主轴部件的平衡问题。
2．主轴的自动装夹和切屑消除装置在加工中心上，为了实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有自动夹紧机构。
例如自动换刀数控立式镗铣床（JCS-018）的主轴部件如图2-31所示。
3．主轴准停装置加工中心的主轴部件上设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽，同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而可提高孔加工时孔径的一致性。
另外，一些特殊工艺要求，如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削。
目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。
JCS-018加工中心采用电气准停装置，其原理见图2-32。
在带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁3，在主轴箱箱体的对应于主轴准停的位置上，装有磁传感器2。
当机床需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，在主轴以最低转速慢转几圈、永久磁铁3对准磁传感器2时，磁传感器发出准停信号，该信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机停在规定的周向位置上。
数控机床结构-数控机床的主轴部件
数控机床结构-数控机床的主轴部件主轴部件主轴部件是数控机床的最关键部件，它对零件加工质量有着直接的影响。
主轴部件包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。
数控机床的主轴部件要求有高的精度、刚度和热稳定性，还应满足数控机床所特有的结构要求。
如对于自动换刀的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构。
1.主轴部件的运动方式主轴部件按运动方式可分为以下几类:（1）只做旋转运动的主轴组件这类主轴组件结构较为简单，如车床、铣床和磨床等主轴组件属于这一类（2）既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴组件如钻床和镗床等的主轴组件。
其中主轴组件与轴承装在套筒内。
主轴在套筒内做旋转主运动，套筒在主轴箱的导向孔内做直线进给运动。
（3）既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴组件属于这一类的主轴组件有滚齿机、部分立式铣床等的主轴组件。
主轴在套筒内做旋转运动，并可根据需要随主轴套筒一起做轴向调整移动。
主轴组件工作时，用其中的夹紧装置将主轴套筒夹紧在主轴箱内，提高主轴部件的刚度。
（4）既有旋转运动又有径向进给运动的主轴部件属于这一类的有卧式镗床的平旋盘主轴部件和组合机床的镗孔车端面头主轴部件。
主轴做旋转运动时，装在数控机床结构主轴前端平旋盘上的径向滑块可带动刀具做径向进给运动。
（5）主轴做旋转运动又做行星运动的主轴部件新式内圆磨床砂轮主轴部件的工作原理如图3.2所示，砂轮主轴l在支撑套2的偏心孔内做旋转主运动。
支承套2安装在套筒4内。
套筒4的轴线与工件被加工孔轴线重合，当套筒4由蜗杆6经蜗轮W传动，在箱体3中缓慢地旋转时，带动套筒及砂轮主轴做行星运动，即圆周进给运动。
通过传动支承套2来调整主轴与套筒4的偏心距e，实现横向进给。
2.主轴主轴是主轴部件中的关键零件。
它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理等对主轴部件的工作性能有很大的影响。
主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有多种形式。
数控机床的主轴速度调节方法
数控机床的主轴速度调节方法数控机床是现代制造业中广泛应用的一种重要设备，其高精度、高效率的加工能力使得生产过程更加灵活和精确。
而数控机床的主轴速度调节方法在其中起着至关重要的作用。
主轴是数控机床中负责转动刀具的部件，主轴速度调节方法主要用于控制主轴的转速，以满足不同加工需求下的工作要求。
下面将详细介绍一些常见的数控机床主轴速度调节方法。
1. 机械变速法：机械变速法是一种通过机械装置改变传动比以调节主轴转速的方法。
常见的机械变速装置有齿轮传动、皮带传动和变压器传动等。
通过调整齿轮或皮带的组合方式，可以实现主轴的多种转速选择。
机械变速法的优点是结构简单、可靠性高，但调速范围相对较窄。
2. 变频调速法：变频调速法是通过改变电机的供电频率来控制主轴转速的方法。
通过控制变频器输出的电源频率，可实现主轴转速的连续调节。
变频调速法具有调速范围广、精度高、响应速度快等优点，适用于各种不同工况下的加工需求。
3. 数字调速法：数字调速法是利用数控系统通过控制主轴电机的电流或电压来精确控制主轴转速的方法。
数控系统通过传感器对主轴的转速进行实时监测，并通过闭环控制方式对主轴电机的电流或电压进行调整，从而实现精准的主轴转速控制。
数字调速法具有调速精度高、可靠性好、适应性强等优点，适用于对加工精度要求较高的场合。
4. 智能调速法：智能调速法是一种结合人工智能技术的主轴速度调节方法。
通过对加工过程中的实时数据进行分析和处理，机床可以自动调整主轴转速以达到最佳加工效果。
智能调速法具有自适应性强、能够根据工件材料、加工情况等因素进行动态调整的优点，适用于复杂的加工过程。
在应用各种主轴速度调节方法时，还需考虑到以下几点：1. 加工要求：根据不同的加工要求选择合适的主轴转速调节方法。
如对于高速电镀加工，要求主轴转速稳定且高速，可以选择数字调速法；而对于高精度加工，要求主轴的转速精度较高，可以选择智能调速法。
2. 加工材料：对于不同的加工材料，需要选择适当的主轴转速以保证加工效果。
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。
数控机床主轴常见的故障分析
数控机床主轴常见的故障分析数控机床主轴驱动系统包括主轴驱动装置、主轴电机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。
主轴是数控机床重要的部件之一，发生故障的几率也相对较大。
1、主轴不转变频主轴要转动，必须满足三个方面条件，一是确保数控系统到变频器再到主轴电动机之间的接线正确；二是数控系统要有正转或反转信号和0～10V的SVC模拟电压输出到变频器侧；三是变频器的参数必须调整正确。
遇到主轴不转的情况可以用逐一排除的方法，检查系统是否有上述两个信号输出，如果确认是系统五该信号输出，但不能确认是系统有故障，这时应检查数控系统和主轴控制相关的参数，例如档位控制和变频器的控制方式选择参数是否正确。
如果数控系统信号输出正常，就需检查变频器，先测量变频器的输入电压是否正常，一般应为380V 输入，然后检查变频器的参数，再看控制方式是否正确，接着检查参数是否设置为0～10V直流电压控制转速。
一般来说，经过上述步骤可检查出所以参数和线路问题，即使不能当场修好，也能把故障锁定在某一部件或某一块电路板甚至某一个元件，为维修提供必要的条件。
2、只有正转或只有反转如果主轴只能正转或只能反转，主轴转速正常，可以说明模拟电压输出正常。
应先检查系统有没有控制正反转的M3或M4信号输入到变频器，如果有的话就证明系统侧正常，接下来加粗变频器相关的参数是否设置正确，例如艾莫默生EV2000变频器的F3.00参数是防反转选择，应将其设置为0，即允许反转。
如果变频器参数设置正确，就有可能是变频器硬件故障，需要更换硬件。
3、主轴一转即停下来这种情况应先检查数控系统的主轴是否设置为点动运行，其次是系统的M功能是否设置为脉冲信号（非保持信号）。
确定上述设置均正确后，接下来需要检查变频器是否设置为点动，要着重检查和控制方式相关的参数是否设置正确。
4、转速和实际不符主轴实际转速和编程转速不一致，一般可以在数控系统的参数里调整，只要把最高转速的每分钟转数输入到系统对应的档位即可，编程转速比实际大的时候，应该把该参数调小一点，反之调大。
数控机床主轴的几种结构形式
数控机床主轴的几种结构形式
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数控机床的主轴部件包括主轴、主轴的支承轴承和安装在主轴上的传动零件等。
主轴部件是机床的重要部件，其结构的先进性已成为衡量机床水平的标志之一。
由于数控机床的转速高、功率大，并且在加工过程中不进行人工调整，因此要求主轴部件具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性、耐磨性和精度的保持性。
对于具有自动换刀装置的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹紧，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置等。
机床主轴的端部一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。
在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。
目前，主轴端部的结构形状都已标准化，图i所示为几种机床上通用的结构形式。
（a）数控车床主轴端部（b）铣、镗类机床主轴端部（c）外圆磨床砂轮主轴端部
（d）内圆磨床砂轮主轴端部（e）钻床与普通镗床锤杆端部（f）数控镗床主轴端部
图1机床主轴的几种结构形式。
数控机床主轴结构
材料优化
结构形状优化
轴承配置优化
选用高性能材料，如合 金钢、陶瓷等，提高主
轴的刚度和耐磨性。
通过改变主轴的形状和 尺寸，优化其刚度和质 量分布，提高动态性能。
合理选择和配置轴承， 提高主轴的旋转精度和
稳定性。
冷却与润滑优化
改进冷却和润滑系统， 降低主轴温升和摩擦磨
损，提高使用寿命。
案例分析：某型号数控机床主轴设计
发展历程及现状
发展历程
随着数控技术的不断发展，主轴结构 经历了从简单到复杂、从低速到高速 、从低精度到高精度的演变过程。
现状
目前，数控机床主轴结构已经实现了 高速化、高精度化、高刚性化、高可 靠性化等目标，满足了现代制造业对 高效率、高质量加工的需求。
市场需求与应用前景
市场需求
随着制造业的快速发展，数控机床主轴的市场需求不断增长。特别是在汽车、 航空航天、模具等高端制造领域，对高精度、高效率的主轴需求尤为迫切。
维护效果
经过维护后，数控机床主轴的发热和振动问题得到了有效解决，主轴运 转恢复正常。此次维护不仅提高了设备的稳定性和加工精度，也延长了 设备的使用寿命。
06 主轴结构发展趋势与展望
技术创新方向
高速、高精度主轴技术
通过优化主轴结构、提高制造精度和采用先进的控制策略，实现 主轴的高速、高精度运转，满足高端数控机床的加工需求。
致。
主轴振动
可能是主轴动平衡不良、轴承磨 损或主轴电机故障等原因引起。
主轴转速不稳定
可能是主轴电机故障、电源电压 不稳定或控制系统故障等原因造
成。
维护保养方法与建议
定期检查主轴轴承预紧力， 确保其在合适范围内。
定期检查主轴动平衡，如 有必要，进行动平衡调整。
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六.机床参数设定—超同步驱动器参数设定
模拟量速度控制的相关参数
功能码 Bn01 名称 运转指令方式 0：使能+方向 1：正转/反转 0：双极性（-10V~+10V） 0：逆时针为正转 1：逆时针为反转 内容说明
Bn02 Bn05
模拟量方式选择 电机运转方向
六.机床参数设定—超同步驱动器参数设定
模拟量速度控制的相关参数
选型注意事项 按驱动器额定电流的 150%选型 按驱动器额定电流的 150%选型
备注
电磁接触器ຫໍສະໝຸດ 输入电抗器按驱动器额定电流的 100%选型
输入噪声滤波器
按驱动器额定电流的 150%选型 根据厂家提供的标准 选型 根据厂家提供的标准 选型
制动电阻
滤波磁环
六.机床参数设定—超同步驱动器参数设定
说明： 一级菜单包括8个菜单选项，分别是：Un菜单；An菜单；Bn菜单；Cn菜单；Dn菜单； Fn菜单；Pn菜单；Sn菜单。 二级菜单中，每组包含48个参数，其中Sn包括99个参数。
六.机床参数设定—超同步驱动器参数设定
主轴驱动器与周边期间连接示意图
（以下内容来源于北京超同步科技股份有限公司GS DRIVER使用说明书）
名称 空气断路器
用途 接通或切断驱动 器电源 用于驱动器上电 或故障时自动切 断电源 提高电网的功率 因数一直电源高 次谐波 抑制驱动器对电 源的干扰 消耗驱动器的再 生能量 抑制驱动器对外 的无线干扰及公 模干扰
功能码 Cn01 Cn02 Cn03 Cn10 Cn11 Cn17 名称 模拟量零点正向偏移 模拟量零点负向偏移 模拟量增益 最高输出速度 速度控制时的零漂设定 模拟量输入滤波时间常数 内容说明 用于调整模拟量相对 零点的对称性 用于调整模拟量相对 零点的对称性 调节模拟量偏差出现 的速度偏差 模拟量10V对应的主 轴电机转速 单极性时：零漂的转 速=Cn11xCn10/4092 设定范围 0~100 0~100 1-1500 1-~15000 0~100 5~10000