图2一2带传动与齿轮传动的主轴转速图
1） 可扩大恒功率的调速范围。如图2-1所示的主电机采用直流复激式电动机，从额定转速
以下用调节电枢电压的方法调节速度，并输出恒转距。从额定转速以上是用调节磁场电
流（调磁）的方法来调速，并输出恒功率。从转速图2-2可以看出：
主轴恒功率的调速范围= 2500/250=10 主电机恒功率的调速范围=3500/1160=3。017 由此可见，恒功率的调速范围从3.017扩大到10,而恒转距的调速范围则不变。这样进一步拓宽了调速范围，以便适应更广泛的加工工艺要求。
2） 扩大了主轴输出转距。通过两对齿轮降速，使主轴的最高输出转距从126N。M提高到
584.4N.M. 由此可见，通过带轮与齿轮的降速可以进一步扩大输出转距，以获的强力切削时所需的转距。
3） 具有齿轮传动缺点。由于采用齿轮传动，容易引起主轴发热、振动和噪声，给切削加工
带来许多不利影响。近来随着主电机特性的改善，出现了主电机直接带动主轴的形式。 （2）齿轮变速方式。主轴正反转、启停与制动均是靠直接控制电动机来实现的。而齿 速操纵方式通常采用液压拨叉与电磁离合器来实现
1）液压拨叉就是用一只或几只小油缸进回油时的不同状态，使油缸活塞处于不同的位置， 来移动齿轮拨叉，从而达到齿轮变速的目的。而油缸的进回油则是由数控装置送来的电信 号转换成电磁换向阀的动作来实现的。用液压拨叉变速必须在主轴停车之后才能进 吏变速时不发生“顶齿”现象．主轴还要做低速转动。
2）电磁离合器变速是应用电磁效应的原理，来吸引或分离不同运动元件，从而改变 齿轮的传动路线来实现主轴变速。电磁离合器能简化变速机构，变速可在主轴转动时进 行，便于自动操作。电磁离合器有系列产品可供选用，一般有摩擦片式与牙嵌式两种形 滋离合器变速有剩磁与发热的缺点．在使用时受到了一定的限制。
2．经带传动的主传动
这是一种由无级变速主电机经皮带传动直接带动主轴运转的主运动形式，如图2-3 立种形式的传动系统图。
图2-3带传动的主传动系统图
这种变速方式一般适用于中小型数控机床，用于调速范围不需太大转矩也不需太高的场合。 它可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，从而大大提高主轴的运转精度。
另外，随着现代主轴伺服电动机的发展．出现了能实现宽范围无级调速的宽域主电动机，使主轴的输出特性得到了很好的改善，扩大了恒功率的调速范围．并提高了输出转距。在避免 齿轮传动不足的情况下，又能保持齿轮传动带来的优点，使数控机床在机械结构上朝着优化的方向前进了一大步。为保证皮带传动的平稳一般用多楔带为宜。
3．由调速电动机直接驱动的主传动
这种传动方式是将主电动机直接与主轴连接，带动主轴转动，如图2一5所示。
图2一5直接驱动主轴
这样大大简化了主轴箱体与主轴结构，有效地提高了主轴的刚度。由于这种结构比前 者减少了皮带的降速传动，其主轴的输出转矩更小，而且主电动机的发热对主轴精度的影 响更大。
近年来，出现了一种内装式电动机主轴，即主轴与电动机的转子合为一体，而电动机 的定子则与主轴箱体固定。如图2-6所示，这种形式使主轴部件的结构紧凑、重量轻· 惯量小，可提高主轴的启动、停止响应特性，有利于控制振动和噪声·主轴的最高转速可 达20000r/min以上。但是·这种传动方式最大的缺点是主电动机运转时产生的热量易使 主轴产生热变形·因此，采用内装式主电动机方式时·温度的控制与冷却是一个关键的问 产·通常，这种数控机床自带特定的冷却系统·如风冷、水冷·空调降温等装置·
图2-6内装主电动机主轴 1主轴支承2内装电动机定子3一内装电动机转子5一主轴 三、主轴部件
主轴部件是机床的一个关键部件，主轴对零件加工质量有着直接的影响。而数控机床 的王轴部件应有更高的精度、刚度和热稳定性，还应满足数控机床所特有的结构要求。如 为那丁螺纹需配有主轴编码器，为加上中心的白动换刀需配有刀具自动夹紧、放松与主轴 I停和吹屑装置等
1主轴的轴承配置形式
数控机床上主轴轴承的布置形式有各种各样，根据数控机床加工要求与加工情况的不 同．轴承的承载、转速与回转精度的特点，可采用不同的轴承组合形式。如图2一7所示 目为较典型的四种配置形式．每种形式的承载与极限转速的比较情况见表2-1
数控机床主轴轴承的配置形式性能比较
1） 中等转速、高刚度。如图2_ _,a所示配置形式中主轴的前支承为圆锥孔双列向心 短圆柱滚子轴承与双列向心推力球轴承组合，后支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承＿ 这种配置具有中等转速、高刚度的特点。其轴向载荷由双列向心推力球轴承来承受，径向 载荷则由圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承来承受．轴承的间隙可以通过修磨轴承之间的隔 圈来保证，它常用于中型数控车床、精密谴床等机床上
（助中等刚度、较高转速。如图2--76所示配置形式中主轴的前支承为三个联组的双 向角接触向心球轴承．后支承为圆锥孔双列fl心短圆柱滚子轴承口这种配置具有中等刚 度、较高转速的特点，一般在要求转速较高的数控车床、数控铣床等方面应用较多。 (3)高转速、低刚度。如图2-7c所示配置形式中主轴的前后支承均采用同向组合的 角接触向心球轴承，这种配置形式具有高转速、低刚度的特点，一般用于转速要求高、刚 度较低的场合如数控磨床等。
(4)高刚度、低转速。如图2-7d所示配置形式中主轴前支承为带凸肩的双列圆锥滚 子轴承，后支承则为单列圆锥滚子轴承，这种配置具有高刚度、低转速的特点，一般用于 要求承载能力大、刚度大的场合，如坐标镬床等。
2.主轴编码器
数控机床的进给系统与普通机床的进给系统有质的区别，数控机床没有传统的进给 箱、溜板箱和挂轮架，而是直接用伺服电机通过滚珠丝杠来驱动溜板和刀架实现进给运 动，因而进给系统结构大为简化。数控机床上能加工各种螺纹，这是因为安装了与主轴同步
运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号，使主轴电机的旋转与切削进给同步，从而 实现螺纹的切削另外，车削螺纹一般都需要多次走刀才能完成，为防止乱牙，脉冲编码 器在发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲，以保证每次走刀刀具在工件的同一点切人。其 工作原理见本单元第四节口
主轴脉冲编码器可通过一对齿轮或同步齿形带与主轴联系起来，由于主轴要求与编码 器同步旋转，所以此连接必须做到无间隙。 3主轴头部刀具自动夹紧机构
在带有刀库的自动换刀数控机床中为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设 什有刀具的自动夹紧机构这里简单地介绍一下其主轴前端的结构形式，如图2-8所示． 当数控系统发出装刀信号后．刀具则由机械手或其他方法装插人主轴孔后，其刀柄及 后部的拉钉1便被送到与主轴固定的前端套筒5内。随即数控系统发出刀具夹紧信号，此 时拉杆3在后端碟形弹簧（图中略）的弹力作用下，呈紧紧拉伸（图2-8中往右方向）的状态。与拉杆固定连接的套筒4内的一组钢球2，在套筒5的锥孔逼迫下，收缩分布直径，随 即将刀柄拉钉1紧紧拉住．从而完成了刀具定位工作；反之，如需要松开刀具时，数控系统 发出松刀信号后，在主轴拉杆3后端的油缸（图中略）作用下，便可克服碟形弹力．放松对拉杆3的拉伸，即拉杆二往左移而呈压缩状态。这时套筒5前端的喇叭口使钢球2的分布直径变大，随即松开刀柄后的拉钉1，即可卸下用过的刀具为进一步换新刀做准备，另外．目动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀时一个不容忽视的问题通常采用在换
刀的同时．从主轴内孔喷射压缩空气的方法来解决，以保证刀具准确地定位。 4． 主轴的准停装置
在自动换刀的数控铣镗类机床上，必须具有主轴准确的周向定位功能，这个功能称为 主轴准停，这是由于刀具装在主轴锥孔内，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递．通常在王轴前端设置一个凸键，称为端面键。当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与凸键对准相配，为保证自动换刀，主轴必须停止在某一固定角度的位置上，准停装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。
目前准停装置有很多形式，就其基本原理有以下三种，机械方式一种、电气方式两种。 (1）机械方式。在主轴尾部连接一定位盘，在此定位盘上开有一个V形槽。再利用无 触点行程开关在某个特定位置发出准停信号一这时定位销插人V形槽来实现主轴准停．这 种准停方式的优点是比较可靠，但结构复杂。 (2)电气方式
1)利用磁性传感器作为位置反馈部件，由它输出信号，使主轴准确停在规定位置上， 这种方式可靠性好．能满足一般换刀要求。
2)利用主轴光电脉冲编码器的同步信号作为准停信号来控制主轴准停．近来在数拄 铿铣床上已将这一编码器与主轴电动机合二为一使结构大大简化。这种准停方式可靠． 动作迅速平稳，在一定程度上大有取代以上两种准停方式的趋势
另外．准停功能还可延伸至其他功能，如压憧孔时为不使刀尖划伤已加二表面．在退 刀时要让刀尖在固定位置退出加工表面一个微小量；又如在加工精密坐标孔时，准停能仗 每次都在主轴固定的圆周位置上装刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少 被加工孔的误差还有在数控车床上利用准停功能可以保证在特殊卡盘上装夹不规则薄 件时，为实现自动上下料．主轴必须停在特定位置to由此可见．准停的it能可扩大到泊 多主轴需要周向定位的场合
第二节数控机床的进给伺服系统
数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。数控机床的伺服系统是数控系纤 与机床本体的联系环节，伺服系统有两种：进给伺服系统控制各坐标轴的进给运动；另一