数控机床的主传动系统
数控机床主传动系统是指驱动主轴运动的系统；主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转，产生切削运动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。与普通机床一样，数控机床也必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求；在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，来满足切削的需要。
主传动系统是实现主运动的传动系统，它的转速高、传递的功率大，是数控机床的关键部件之一，对它的精度、刚度、噪声、温升、热变形都有严格的要求。主传动电机已逐步被变频主轴电机和交流调速电机所代替，不再使用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机。由于主轴部件要求实现自动更换刀具或工件，因此主轴上设计有刀具自动夹紧机构。此外还有主轴准停装置。
一．数控机床主传动系统要求
作为高度自动化的设备，数控机床对主传动系统的基本要求如下：
(1).为了能达到最佳的切削效果，数控机床一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能实现无级变速。
(2).要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需求。
(3).为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。
(4).在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。
(5).为了扩展机床的功能，实现对C轴位置(主轴回转角度)的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。
二．数控机床的主轴变速方式
目前，主传动系统大致可分为以下大类。
1.变速齿轮的主传动
如图3.3所示，通过少数几对齿轮降速，以满足主轴低速时对扭矩特性的要求。数控机床在交流或直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸和拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。齿轮传动的结构简单、紧凑，能传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。它的缺点是线速度不能过高。齿轮传动是目前机床中应用最多的一种传动方式。这种传动种类很多，如直齿、斜齿、人字齿、圆弧齿等，其中最常用的是直齿圆柱齿轮传动。
图3.3主轴的齿轮传动
2.通过带传动的主传动
如图3.4所示，带传动靠摩擦力传动(除同步齿形带外)、结构简单、制造容易、成本低，
在过载中会打滑，能起到过载保护作用。常用的有平带、三角带、多楔带和同步齿形带等，这种传动方式可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，但只能适用于低扭矩特性要求的主轴。带传动缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合，主要应用在小型数控机床上，由交流电机通过皮带直接带动主轴。
同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力。同步齿形带无相对滑动，传动比准确，传动精度高；厚度小、重量轻、传动平稳、噪声小适用于高速传动；无需特张紧，对轴和轴承压力小，传动效率高；不需要润滑，耐水耐腐蚀，能在高温下工作，维护保养方便；传动比大。缺点是制造工艺复杂，安装条件要求高。
图3.4主轴的带传动
3.调速电机直接驱动的主传动
如图3.5所示，这种主传动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，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大。
图3.2主轴的直接传动方式
4.电主轴
传统数控机床主轴驱动通常有三种方式：电机经过有限级齿轮传动驱动主轴的方式，电机经过同步带传动驱动主轴的方式，电机直接驱动主轴的方式。它们分适用于大、中、小转矩的场合。这几种传动方式如果用于高速场合，会出现皮带打滑，振动和噪声加大，转动惯量大的缺点，从而影响零件的表面加工质量。
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，如图3.3。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。
所谓电主轴结构就是将电机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电机座，并配合其他安全保障措施，实现电机与机床主轴的一体化。电主轴结构的基本构成如图3.4所示，它通常由电主轴单元、轴承及其润滑单元、主轴冷却单元以及动平衡单元组成。
图3.3电主轴及其传感器
图3.4电主轴的结构
电主轴电机的类型的判定：
①根据电主轴内装式电机的控制方法
普通交流变频电主轴——结构简单，成本低，但存在低速输出功率不稳的问题，难以满足低速大扭矩的要求。
交流伺服电主轴——低速输出性能好，可实现闭环控制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传动的数控机床。
②根据电主轴内装式电机的输出特性
恒转矩电主轴——转矩是恒定的，输出功率与转速成正比。适合于磨削及高速钻削，电主轴的转速越高，输出功率越大。
恒功率电主轴——在低速段的输出是恒转矩，高速段则是恒功率。主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工况变化大的场合。
