1、摘 要数控机床将高效、高精度和高柔性集为一体。同时为了得到高生产率，以及为了提高加工精度，高速的加工技术也越来越收到业内的重视。超高速数控机床是实现超高速加工的物质基础,而高速主轴又是超高速数控机床的“核心”部件,它的性能直接决定了机床的超高速加工性能，它不但要求较高的速度精度，而且要求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。因此,具备相应的高转速和高精度、高速精密和高效率特性的数控机床电主轴应运而生。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点,并可改善机床的动平衡,避免振动、污染和噪声,它在超高速切削机床上得到了广泛的应用。美国、德国、日本、瑞士、意大利等工业发达国家,都在高
2、速数控机床上广泛采用了电主轴结构。电主轴的出现，很好的适应了超高速加工的要求，并将逐步取代传统的机床主轴系统。不同的电机应用于电主轴驱动有各自的优劣，具体的情况由加工对象决定。永磁同步电机转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好，但是永磁同步电机弱磁问题始终较难解决，而且主轴电机功率要求较高，用永磁同步电机的稀土材料成本过高。其他二种磁阻电机具有较高的性价比和独特的性能优势，但目前还处于研究阶段，实际的应用较少。当前的高速电主轴，几乎都是内置异步交流感应电动机。异步型电主轴的优点是结构较简单，制造工艺相对成熟和安装方便，特别是可以更大限度地减弱磁场，易于实现高速化。虽然矢量控制、直接转矩控制需
3、精确计算磁通矢量位置，存在计算量大的问题，但随着具有高速运算能力功能强大的dsp、risc微处理器的应用，各种现代控制理论算法如自适应控制、kalman滤波算法已经能够实时实现，能精确地计算出磁通矢量的位置，完成闭环磁通控制。低速抖动、对参数变化敏感等异步电机的缺点将被弱化，以实现高性能的主轴驱动。所以现阶段异步交流感应电机仍将是实况机床电主轴的主要机型。关键词：主轴发展 主轴驱动 主轴部件 主轴维修 目 录第一章 主轴的发展31.1 电主轴结构及工作原理31.2 国内外电主轴技术与发展趋势31.3 电主轴常用电机4第二章 主轴部件62.1 对主轴驱动的要求62.2 主轴驱动装置和主轴部件62
4、.3 数控机床主轴72.4 主轴的支承方式92.5 数控机床主轴的密封与润滑132.6 数控机床典型主轴部件14第三章 主轴维修173.1外界干扰173.2主轴过载173.3主轴转速与进给不匹配183.4主轴异常噪声及振动183.5主轴电机不转19总结20致谢21参考文献22第一章 主轴的发展数控机床将高效、高精度和高柔性集为一体。同时为了得到高生产率，以及为了提高加工精度，高速的加工技术也越来越收到业内的重视。超高速数控机床是实现超高速加工的物质基础,而高速主轴又是超高速数控机床的“核心”部件,它的性能直接决定了机床的超高速加工性能，它不但要求较高的速度精度，而且要求连续输出的高转矩能力和非
5、常宽的恒功率运行范围。因此,具备相应的高转速和高精度、高速精密和高效率特性的数控机床电主轴应运而生。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点,并可改善机床的动平衡,避免振动、污染和噪声,它在超高速切削机床上得到了广泛的应用。美国、德国、日本、瑞士、意大利等工业发达国家,都在高速数控机床上广泛采用了电主轴结构。1.1 电主轴结构及工作原理主轴电动机和机床主轴合为一体的电主轴，通常采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。图1所示为电主轴的结构简图，其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能。1.电源接口 2.电机反馈 3.后轴承 4.无外壳主轴电
6、机 5.主轴 6.主轴箱体 7.前轴承图1电主轴机构简图与传统机床主轴相比，电主轴具有如下特点:主轴由内装式电动机直接驱动，省去了中间传动环节，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点;采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，功率转矩特性好;机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速准停;电主轴更容易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好;由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承寿命得到延长。1.2 国内外电主轴技术与发展趋势电主轴最早是用在磨床上，后来才发展到加工中心。强大的精密机械工业不断提出要求，使电主轴的功率和品质都不断
7、得到提高。目前电主轴最大转速可达200000r/min，直径范围33300mm，功率范围125w80kw，扭矩范围0.02300nm。国外高速电主轴技术由于研究较早，电主轴单元发展较快，技术水平也处于领先地位，并且随着变频技术及数字技术的发展日趋完善，逐步形成了一系列标准产品，高转速电动主轴在机床行业和工业制造业中普遍采用。最近及今后一段时间，着重发展研究大功率、大扭矩、调速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电动主轴单元。近几年美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发此项技术。著名的有德国的gmn公司、siemens公司、意大利的gam
8、fior公司及日本三菱公司和安川公司等，它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。具有功率大、转速高，采用高速、高刚度轴承，精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高等特点。1.3 电主轴常用电机1.3.1异步主轴电机目前，大多数普通机床通常使用普通异步主轴电机间接驱动主轴。但异步调速主轴电机存在的问题十分明显:效率较低，转矩密度比较小、体积较大、功率因数低。此外，异步电机低速下转矩脉动严重，低速下温升高，而且控制算法的运算量大。但是随着dsp等新型控制器的飞速发展，运算速度可满足异步电机的复杂控制算法，使得异步电机低速性能得到显著提升。矢量控制系统异步主轴电机主要的控制方法有二种:矢
9、量控制和直接转矩控制。矢量控制系统如图2所示，转子磁链矢量的相角是利用电机电压、电流信号或电流、速度信号观测转子磁链矢量而得到, 磁链采用闭环控制。转子磁链矢量的观测也受某些参数变化的影响,但比起间接矢量控制参数变化的影响更容易得到补偿，高速时可获得更精确的转子磁链矢量相角，而且磁链闭环控制可进一步降低对参数变化的敏感性,提高磁场定向准确度。直接转矩控制系统直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，直接转矩控制系统如图3所示。它避免了繁琐的坐标变换，充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，控制定子磁链，也即调整定
10、于磁链与转子磁链的夹角，从而对电动机转矩进行直接控制，使异步电动机的磁链和转矩同时按要求快速变化。在维持定子磁链幅值不变的情况下，通过改变定子磁链的旋转速度以控制电机的转速。以上二种控制方法均能达到较好的控制效果，且目前已有许多成熟的应用。如德国keb公司的带编码器反馈的闭环异步伺服系统，采用闭环矢量控制，并且同时支持增量型，正余弦及ssi编码器反馈，给系统的组成带来了极大的灵活性。1.3.2 永磁同步电机永磁同步电机是另外一种主轴电机，其优点明显:转子温升低，在低限速度下，可以作恒转矩运行。转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好。对比现有的交流异步电动机，它有以下优点:工作过程中转子不发热
11、;功率密度更高，有利于缩小电主轴的径向尺寸;转子的转速严格与电源频率同步;也可采用矢量控制。但是一般情况下，永磁同步电机的同步转速不会超过3000r/min，这就要求永磁同步电机具有较高的弱磁调速功能。在弱磁控制的区间内，电压通常会非常接近电压极限值，一旦超出电压极限椭圆，d轴和q轴电流调节器就将达到饱和，并相互影响，这样通常会导致电流、转矩输出结果变差。人们在弱磁控制方面也提出过不少方法，如改变转子结构，加上特殊铁心构成磁阻，以加大ld与lq的比值等3。但是实际效果并不十分理想，并且主轴电机功率要求较高，用永磁同步电机的稀土材料成本过高。1.3.3其他形式电机其他形式电机如开关磁阻电机、同步
12、磁阻电机作为机床主轴的应用，现在也开始慢慢被关注。开关磁阻电机做主轴有如下优点:系统效率高，输出功率大。开关磁阻调速式主轴在宽广的调速范围内，整体效率比其它系统高出10以上。在低转速下高效率更加明显。普通交流电机驱动的主轴空载时功率因数为0.20.4,满载时为0.860.8。而开关磁阻调速式主轴的功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98。主轴电机温升低。因转子无绕组，热耗大部分在定子，易于冷却，开关磁阻调速电机及控制器系统的温升低于其它系统的温升。但其缺点也是很明显，转矩脉动较大，电机和控制器的成本和复杂度高。同步磁阻电机是轴向叠片各向异性(axially laminated anis
13、otropic, 简称ala)转子磁阻同步电机的简称，上世纪90年代以来得到较快发展。它是其定子与普通交流电机定子相似, 而转子由高导磁材料和非导磁绝缘材料叠片沿轴向交替高密叠压而成。其独特的转子结构使之可获得很高的凸极比(即ld/lq), 同步磁阻电机的出现对于机床的主轴驱动又有了性价比更好的选择。从本身上看它具有造价低，易于控制，低速性能好，调速范围宽等优势。从控制方面看，他能很好的适应dq轴矢量控制方法，而且算法比感应电动机简单，在高速部分有着比pmsm好的弱磁性能。电主轴的出现，很好的适应了超高速加工的要求，并将逐步取代传统的机床主轴系统。不同的电机应用于电主轴驱动有各自的优劣，具体的
14、情况由加工对象决定。永磁同步电机转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好，但是永磁同步电机弱磁问题始终较难解决，而且主轴电机功率要求较高，用永磁同步电机的稀土材料成本过高。其他二种磁阻电机具有较高的性价比和独特的性能优势，但目前还处于研究阶段，实际的应用较少。当前的高速电主轴，几乎都是内置异步交流感应电动机。异步型电主轴的优点是结构较简单，制造工艺相对成熟和安装方便，特别是可以更大限度地减弱磁场，易于实现高速化。虽然矢量控制、直接转矩控制需精确计算磁通矢量位置，存在计算量大的问题，但随着具有高速运算能力功能强大的dsp、risc微处理器的应用，各种现代控制理论算法如自适应控制、kalman滤波
15、算法已经能够实时实现，能精确地计算出磁通矢量的位置，完成闭环磁通控制。低速抖动、对参数变化敏感等异步电机的缺点将被弱化，以实现高性能的主轴驱动。所以现阶段异步交流感应电机仍将是实况机床电主轴的主要机型。第二章 主轴部分2.1 对主轴驱动的要求2.1.1调速范围足够大 数控机床主轴驱动要求有较大的调速范围，以满足各种工况的切削，获得最合理的切削速度，从而保证加工精度、加工表面质量及高的生产效率。特别是对于具有自动换刀装置的加工中心，为适应各种刀具、各种材料的加工，对主轴的调速范围要求更高。2.1.2实现无级变速 数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的指令控制的，要求能在较大的转速范围内进行无级连
16、续调速，减少中间传动环节，简化主轴的机械结构，一般要求主轴具备1（1001000）的恒转矩调速范围和110的恒功率调速范围。2.1.3主传动要求有四象限的驱动能力 数控机床要求主轴在正、反转动时均可进行加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力，并尽可能缩短加减速时间。2.1.4车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能 在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。2.1.5加工中心上要求主轴具有准停功能 在加工中心上自动换刀时，主轴须停止在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确以及某些加工工艺的需要，即要求主轴具有高精度的准停功能
17、。2.1.6具有恒线速度切削控制功能 利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值。利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值。2.2 主轴驱动装置和主轴部件数控机床的主轴驱动常采用直流复励电动机和交流变频电动机，并实现无级变速。由于电机功率和扭矩特性一般不能满足机床主轴的使用要求，因此需要通过一个中间装置来协调驱动电机和机床主轴部件的功率和扭矩特性，这个中间装置便是分级变速箱。2.2.1直流电动机无级调速 直流电动机是采用调压和调磁方式来得到主轴所需的转速。其调速范围与功率特性如图所示。
18、电机从最低转速至额定转速，是通过调节电枢电压，保持励磁电流恒定的方法进行调节，属于恒扭矩调速，起动力矩大，响应快，能满足低速切削需要。从额定转速至最高转速，是通过改变励磁电流，从而改变励磁磁通，保持电枢电压恒定的方法进行调速，属于恒功率调速。2.2.2 直流电动机功率特性曲线2.2.3交流电动机无级调速 交流调速电动机是通过调频实现调速。交流电动机一般为笼式感应电动机结构，体积小，转动惯性小，动态响应快，且无电刷，因而最高转速不受火花限制。全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强的超载能力，具有很宽的调速范围。举例 兰州电机厂生产的额定转速为1500r/min或2000r/min的交流调速电
19、机，恒定功率调速范围可达1：4或1：5。2.2.4 交流调速电动机功率特性曲线2.2.5 主轴驱动电机和主轴部件功率特性匹配数控机床主轴运动的传动，电动机和主轴的功率特性必须相匹配。由于主轴要求的恒功率变速范围Rnp远大于电动机的恒功率变速范围Rdp，所以在电动机和主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。2.3 数控机床主轴2.3.1 传动方式、特点及应用范围a分段无级变速数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范
20、围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，即解决电机驱动和主轴传动功率的匹配问题，使之成为分段无级变速。分段无级变速图例b分段无级变速特点在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、反向启动与停止、制动是由电动机实现的，主轴变速则由电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现。这种配置适合于大中型机床，确保主轴低速时输出大扭矩、高速时输出恒功率特性的要求。c三位液压拨叉工作原理在带有齿轮变速的主传动系统中，液压拨叉和电磁离合器是两种常用的变速操纵方式。液压拨叉工作原理 能够带动滑移齿轮移动实现变速。 当通油、卸荷，滑移齿轮在最左侧。 当通油，卸荷，滑移齿轮在最右侧。
21、 当、同时通油，套筒在最右侧，活塞杆顶在套筒上，滑移齿轮在中间位置。三位液压拨叉工作原理图2.3.2 数控机床主轴带传动变速主轴带传动变速主要是将电机的旋转运动通过带传动传递给主轴。这种传动方式多见于数控车床和中、小型加工中心，它可避免齿轮传动时引起的振动与噪声。 带传动变速图例a数控机床主轴带传动变速数控机床主轴带传动变速常用多楔带和同步带。同步带又称为同步齿形带，按齿形不同又可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种。其中梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中。同步齿形带纵向断面图梯形齿圆弧齿b数控机床主轴带传动变速同步带特点：无滑
22、动，传动比准确。传动效率高，可达98。传动平稳，噪声小（带传动具有吸振的功能）。使用范围较广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。维修保养方便，不需要润滑。2.3.3 调速电机直接驱动主轴传动 数控机床般采用直流或交流主轴伺服电动机直接驱动主轴实现无级变速。交流主轴电动机及交流变频驱动装置（笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统），由于没有电刷不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。因此，目前应用较为广泛。电机直接驱动原理图a调速电机直接驱动主轴传动主轴传递的功率或转矩与转速之间关系图示中，当机床处在连续运转状态时，
23、主轴的转速在4373500rmin范围内，主轴传递电动机的全部功率为llkW，为主轴的恒功率区域(图中实线部分)。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩(245Nm)随着主轴转速的增高而变小。主轴转速在35437rmin范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域(图中实线部分)。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。主轴功率转矩特性曲线b调速电机直接驱动主轴传动主轴直接驱动还有另一种方式是内置电动机主轴变速。将调速电动机与主轴合成一体（电动机转子轴即为机床主轴），这是近年来新出现的一种结构。这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴的输出
24、转矩较小，电动机发热对主轴精度影响较大。2.4主轴的支承方式2.4.1数控机床主轴部件常用轴承类型 锥孔双列圆柱滚子轴承 内圈为l12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大，刚性好，允许转速高。内、外圈均较薄，因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴承只能承受径向载荷锥孔双列圆柱滚子轴承图例3a数控机床主轴部件常用轴承类型 双列推力向心球轴承 接触角60，球径小，数目多，能承受双向轴向载荷。磨薄中间隔套，可以调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。该轴
25、承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径作成负公差，保证只承受轴向载 双列推力向心球轴承图例4b数控机床主轴部件常用轴承类型 双列圆锥滚子轴承 它有个公用外圈和两个内圈，由外圈的凸肩在箱体上进行轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差个，能使振动频率不致，明显改善了轴承的动态特性。这种轴承能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。双列圆锥滚子轴承图例c数控机床主轴部件常用轴承类型 角接触球轴承 这种类型的轴承既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。接触角有=15，=25和=40三种。15接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的场合；25
26、、40接触角多用于轴向载荷较大的场合。将内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧。它们多用于高速主轴。角接触球轴承图例角接触球轴承有三种基本组合方式 图a为背靠背组合，图b为面对面组合，图c为同向组合。这三种方式，两个轴承都共同承担径向载荷；图a和图b可承受双向轴向载荷；图c则只能承受单向载荷，但承载能力较大，轴向刚度较高。这种轴承还可以三联组配、四联组配。角接触球轴承成对使用时的几种安装方式2.4.2主轴常见支承方式前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合(如图a) ，后支承采用成对向心推力球轴承。此配置可提高主轴的综合刚度，可满足强力切削的要求，普遍用于各类数控机
27、床主轴。前支承采用高精度双列向心推力球轴承(如图b)。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小。适于高速，轻载，高精密的数控机床主轴。 前支承采用高精度双列向心推力球轴承(如图b)。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小。适于高速，轻载，高精密的数控机床主轴。前后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承(如图c)。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。安装，调整性能好，但这种支承方式限制了主轴转速和精度，所以用于中等精度，低速，重载的数控机床的主轴。数控机床主轴常见支承方式图例2.4.3 主轴支
28、承的典型结构a数控车床主轴支承如图所示为数控车床主轴，前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于中等转速，能承受较大的切削负载，主轴刚性高。数控车床主轴支承图例b卧式铣床主轴支承图示为卧式铣床主轴支承，轴的径向刚度好，并有较高的转速。 卧式铣床主轴支承图例c卧式镗铣床主轴支承图示为卧式镗铣床主轴部件的支承，这种支承方式可以承受双向轴向载荷和径向载荷，承载能力大，刚性好，结构简单。卧式镗铣床主轴支承图例2.4.6 滚动轴承的间隙与预紧 滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，
29、承载能力下降，旋转精度变差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生一定量预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高轴承承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。过盈量不宜太大，否则轴承的摩擦磨损加剧，承载能力将显著下降。公差等级、轴承类型和工作条件不同的主轴组件，其轴承所需的预紧量各有所不同。主轴组件必须具备轴承间隙的调整机构。2.5 数控机床主轴的密封与润滑 2.5.1主轴的密封 在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式，越界泄漏到密封连接处的彼侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出，或是由于密封部件内外两侧密封
30、介质的压力差或浓度差，致使流体向压力低或浓度低的一侧流动。图示为卧式加工中心主轴前支承的密封结构，采用的是双层小间隙密封装置。主轴前端加工有两组锯齿形护油槽，在法兰盘和上开有沟槽及泄油孔，当喷入轴承内的油液流出后被法兰盘内壁挡住，并经其下部的泄油孔和套筒上的回油斜孔流回油箱，少量油液沿主轴流出时，在离心力的作用下被主轴护油槽甩至法兰盘的沟槽内，经回油斜孔重新流回油箱，达到了防止润滑介质泄漏的目的。卧式加工中心主轴前支承的密封结构图例1-套筒 2-轴承 3-套筒 4、5-法兰盘 6-主轴 7-泄漏孔 8-回油斜孔 9-泻油孔 2.5.2主轴的润滑为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把
31、主轴组件的热量带走，通常采用循环式润滑系统，用液压泵强力供油润滑，使用油温控制器控制油箱油液温度。高档数控机床主轴轴承采用了高级油脂封存方式润滑，每加一次油脂可以使用710年。须防止润滑油和油脂混合。新型的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴热变形小。2.5.3常见主轴润滑方式油气润滑方式 这种润滑方式近似于油雾润滑方式，但油雾润滑方式是连续供给油雾，而油气润滑则是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又避免了油雾太多而污染周围空气。喷注润滑方式喷注润滑方式是用较大流量的恒温油(每个轴承34L/min)喷注到主轴轴承，以达到润滑、冷却的目的。这里
32、较大流量喷注的油必须靠排油泵强制排油，而不是自然回流。同时，还要采用专用的大容量高精度恒温油箱，油温变动控制在0.5。2.6 数控机床典型主轴部件 2.6.1高速主轴与电主轴电主轴的结构和系统基本配置国内外专业的电主轴制造厂已可供应几百种规格的电主轴。其套筒直径从32mm至320mm、转速从10000r/min到150000r/min、功率从0.5kW到80kW、转矩从0.1Nm到300Nm。除可满足各类高速切削的要求外，还可供应各种规格带锥柄用于现有普通加工中心、铣床、钻床作增速用的电主轴。用于普通加工中心作增速用的电主轴图例电主轴的基本参数和主要规格 套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀
33、具接口等，其中套筒直径为电主轴的主要参数。2.6.2高速电主轴的典型结构 主轴由前后两套滚珠轴承来支承。电动机的转子用压配合的方法安装在机床主轴上，处于前后轴承之间，由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递。 电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。这样，电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的箱体就是电动机座，成为机电一体化的一种新型主轴系统。主轴的转速用电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。在主轴的后部安装有齿盘和测速、测角传感器。主轴前端外伸部分的内锥孔和端面，用于安装和固定加工中心可换的刀柄。电主轴典型结构图例2.6.3 JCS-018A加工中心主轴部件如图所示为主轴箱结构简图，主要
34、由四个功能部件构成，分别是主轴部件、刀具自动夹紧机构、切屑清除装置和主轴准停装置。JCS-018A加工中心主轴部件图例a主轴基本构成主轴的前支承4配置了三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母5来调整。后支承6为一对小口相对配置的角接触球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式，满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等
35、组成。 b主轴工作原理取用过刀具过程 CNC发出换刀指令液压缸（7）右腔进油活塞（6）左移推动拉杆（4）克服弹簧（5）的作用左移带动钢球（12）移至大空间钢球失去对拉钉（2）的作用取刀吹扫过程 旧刀取走后CNC发出指令空压机启动压缩空气经压缩空气管接头（9）吹扫装刀部位并用定时器计时装刀过程 时间到CNC发出装刀指令机械手装新刀液压缸右腔回油拉杆（4）在碟形弹簧的作用下复位拉杆带动拉钉右移至小直径部位通过钢球将拉钉卡死主轴转矩的传递 机床的切削转矩是由主轴上的端面键来传递的。主轴的准停功能 每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主
36、轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称为主轴定向装置。电气式主轴准停装置 即用电磁传感器检测定向。如图所示，主轴8的尾部安装有发磁体9，它随主轴转动，在距发磁体外缘14mn处，固定了一个磁传感器10,它经过放大器11与主轴伺服单元3联接。主轴定向指令l发出后，主轴处于定向状态，当发磁体上的判别孔转到对准磁传感器上的基准槽时，主轴立即停止。图中5为电动机与主轴之间的同步齿形带，4为主轴电动机，2为强电时序电路，7为主轴端面键，6是位置控制回路，12是定向电路。主轴准停装置原理图第三章 主轴故障当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在
37、主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障，三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障如下。对于数控机床来说，合理的日常维护措施，可以有效的预防和降低数控机床的故障发生几率。首先，针对每一台机床的具体性能和加工对象制定操作规程建立工作、故障、维修档案是很重要的。包括保养内容以及功能器件和元件的保养周期。其次，在一般的工作车间的空气中都含有油雾、灰尘甚至金属粉末之类的污染物，一旦他们落在数控系统内的印制线路或电子器件上，很容易引起元器件之间绝缘电阻下降，甚至倒是元器件及印制线路受到损坏。所以除非是需要进行必要的调整及维修，一般情况下不允许随便开启柜门，更不允许在使用过程
38、中敞开柜门。另外，对数控系统的电网电压要实行时时监控，一旦发现超出正常的工作电压，就会造成系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电子部件的损坏。所以配电系统在设备不具备自动检测保护的情况下要有专人负责监视，以及尽量的改善配电系统的稳定作业。当然很重要的一点是数控机床采用直流进给伺服驱动和直流主轴伺服驱动的，要注意将电刷从直流电动机中取出来，以免由于化学腐蚀作用，是换向器表面腐蚀，造成换向性能受损，致使整台电动机损坏。这是非常严重也容易引起的故障。3.1外界干扰由于受到电磁干扰，屏蔽和接地措施不良的影响，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判别有无干扰的方法
39、是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。 某经济型数控车床主轴出现干扰故障故障现象：经济型数控机床主轴一般采用变频控制，使用外置光短编码器配合机床进行螺纹加工，在加工时产生乱牙。故障分析：乱牙的 主要原因多时光电编码器与CNC装置的电缆接触不良，光电编码器器损坏、观点编码器与弹性联轴器连接松动或者其他原因。先从电器和信号连接线等方面进行检查。检查光编码器与CNC装置之间的连接线和+5电源是正常的：在主轴通电旋转后，用示波器测量光短编码器的 A相和B相辨向输出端，该波形信号没后正常的辨向脉冲输出。关掉主轴电源，通过手动旋转主轴，再用示波器测量光电编码器的辨
40、向脉冲信号，发现光短编码器的辨向信号是正常的。所以确定故障原因是电气干扰，判断干扰来自主轴调速所使用的变频器。故障处理：在 光电编码器的辨向脉冲端，零标志脉冲端和+5V电源信号零线之间并接滤波器电容后，解决了螺纹乱牙问题，消除故障3.2主轴过载切削用量过大，或频繁地正、反转变速等均可引起过载报警。具体表现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。故障现象：主轴电动机过热，CNC装置和主轴驱动装置现实过电流报警等。原因分析：主轴电动机通风系统不良、动力连线接触不良、机床切削用量过大、主轴频繁正、反转等引起电流增加，电能以热能的形式散发出来，主轴驱动系统和CNC装置通过检测，显示过载报警。故
41、障处理：根据CNC和主轴驱动装置提示报警信息，检查引起各种故障的各种因素。保持主轴电动机通风系统良好，保持过滤网清净；检查动力接线端子接触情况；严格按照机床的操作规程，正确操作机床。3.3主轴转速与进给不匹配当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给，主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问题。可以用下列方法来确定：1.CRT画面有报警显示。2.通过CRT调用机床数据或I/O状态，观察编码器的信号状态，3.用每分钟进给指令代替每转进给来执行程序，观察故障是否消失。故障现象：一台配套FANUC 0M的二手数控铣床，采用FA
42、NUC S系列主轴驱动器，开机后，不论输入S*M03或S*M04指令，主轴仅仅出现低速旋转，实际转速无法达到指令值。故障处理：在数控机床上，主轴转速的控制，一般是数控系统根据不同的S代码，输出不同的主轴转速模拟量值，通过主轴驱动器实现主轴变速的。在本机床上，检查主轴驱动器无报警，且主轴出现低速旋转，可以基本确认主轴驱动器无故障。根据故障现象，为了确定故障部位，利用万用表测量系统的主轴模拟量输出，发现在不同的S*指令下，其值改变，由此确认数控系统工作正常。分析主轴驱动器的控制特点，主轴的旋转除需要模拟量输入外，作为最基本的输入信号还需要给定旋转方向。在确认主轴驱动器模拟量输入正确的前提下，进一步
43、检查主轴转向信号，发现其输入模拟量的极性与主轴的转向输入信号不一致；交换模拟量极性后重新开机，故障排除，主轴可以正常旋转。3.4 主轴异常噪声及振动 首先要区别异常噪声及振动发生在机械部分还是在电气驱动部分.若在减速过程中发生,一般是驱动装置再生回路有故障;主轴电动机在自由停车过程中若存在噪声和振动,则多为主轴机械部分故障;若振动周期与转速有关,应检查主轴机械部分及测速装置,若无关,一般是主轴驱动装置参数未调整好.故障现象：一台配套FANUC 6系统的立式加工中心, 在加工过程中，机床出现剧烈抖动、交流主轴驱动器显示AL-04报警。分析与处理过程：FANUC交流主轴驱动系统AL-04报警的含义
44、为“交流输入电路中的P1、F2、F3熔断器熔断”，故障可能的原因有：1)交流电源输出阻抗过高。2)逆变晶体管模块不良。3)整流二极管(或晶闸管)模块不良。4)浪涌吸收器或电容器不良。针对上述故障原因，逐一进行检查。检查交流输入电源，在交流主轴驱动器的输入电源，测得R、S相输入电压为220V，但T相的交流输入电压仅为120V，表明驱动器的三相输入电源存在问题。进一步检查主轴变压器的三相输出，发现变压器输入、输出，机床电源输入均同样存在不平衡，从而说明故障原因不在机床本身。检查车间开关柜上的三相熔断器，发现有一相阻抗为数百欧姆。将其拆开检查，发现该熔断器接线螺钉松动，从而造成三相输入电源不平衡；重
45、新连接后，机床恢复正常3.5 主轴电机不转CNC系统至主轴驱动装置一般有速度控制模拟量信号使能控制信号,主轴电动机不转要重点围绕这两个信号检查.检查CNC系统是否有速度控制信号输出;检查使能信号是否接通.通过I/O状态,确定主轴启动条件如润滑、冷却的等是否满足.主轴电动机不转的其他原因有主轴驱动装置故障或主轴电动机故障.故障现象：某配套YASKAWA J50M的加工中心，在机床调试时，发现主轴不能正常旋转。故障处理：由于该机床主轴采用的是YASKAWA主轴驱动器，在自动方式运行时，主轴转速是通过系统输出的模拟电压控制的。利用万用表测量变频器的模拟电压输入，发现在不同转速下，模拟电压无输出，说明
46、CNC存在问题。经现场分析，由于在YASKAWA J50M中，“主轴模拟量输出”为选择功能，它决定于系统选择功能参数的设定，其选择参数为#6055bit5、#6036bitl。经检查发现，该机床参数已经被修改，设定参数#6055bit5=0、#6036 bitl=1后，“主轴模拟量输出”生效，机床恢复正常。故障现象：某采用SIEMENS 810M的立式加工中心，配套6SC6502主轴驱动器，在开机调试时，发现主轴不能正常旋转，系统无报警。 故障处理：测量系统主轴模拟量输出，发现此值为“0”，因此可以确定故障是由数控系统无模拟量输出引起的。由于系统为刚出厂的原装系统，因此系统内部不良的可能性较小，出现以上故障最大的可能原因是系统的参数设定不当引起的。仔细检查系统的机床参数设定，发现全部MD参数设定均正确无误；检查系统的SD(设定)参数发现，在SETTING DATA页面下的G96转速限制值为“0”，将该值更改为机床的最大转速6000r/min后，机床主轴模拟量输出正常，主轴可以正常旋转。总 结
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