第四节 数控机床主轴部件的结构与维修

一、数控机床主轴部件的结构

数控机床主传动与普通机床相比，概括地说是少而精，也就是传动链很短而主轴回转精度很高，甚至将电动机与主轴合成一体，称作电主轴。还有的电动机直接通过带传动带动主轴。由于电主轴由专业厂商制造和维修，所以不在这里介绍。

图1-18所示为TMD360型数控车床主轴箱结构，它采用双联滑移齿轮变速。来自电动机的运动，通过I轴左端的同步齿形带传至齿数分别为z=29、z=84的齿轮。当z=29的齿轮工作时，主轴在低速区；当z=84的齿轮工作时，主轴在高速区。双联滑移齿轮的轴向移动由液压活塞上连接的拨叉推动，拨叉内装有滚动轴承以隔离齿轮与拨叉的运动。当活塞移向左端时，Z=84的齿轮与主轴Z=60的齿轮啮合；当活塞移向右端时，Z=29的齿轮与主轴Z=86的齿轮啮合。变速活塞杆左端的伸出部分用于控制两个变速开关，变速结束后发出变速完成信号。

图1-19所示为TH6350型加工中心主轴箱结构。为了扩大转速范围并与电动机合理匹配，主轴采取齿轮两档变速方式，并通过液压控制换档。低速区的传动路线为： 交流伺服电动机—→z1/z2 —→z3/z4 —→z5/z6 —→主轴。其传动比为1∶4.75，主轴转速为28～733r/min （电动机转速为133～3482r/min）。高速区的传动路线为： 交流伺服电动机—→牙嵌离合器结合 （由液压操纵）—→z5/z6 —→主轴。其传动比为1∶1.1 ，主轴转速为734 ～3150 r/min （电动机转速为806 ～3465 r/min）。

当电磁换向阀控制液压油进入液压缸左腔，右腔回油时，活塞右移实现低速区传动，变速完成后右端开关压合，发出变速完成信号。

当电磁换向阀控制液压油进入液压缸右腔，左腔回油时，活塞左移使牙嵌离合器结合（z1、z2脱开啮合）实现高速区传动，变速完成后左端开关压合，发出变速完成信号。

主轴锥孔采用锥度号为50的标准锥度（锥度为7∶24）。主轴采用高精度、高刚度的组合轴承，前轴承由C3182120双列短圆柱滚子轴承和D2268120推力球轴承组成，后轴承采用D46117角接触推力球轴承。

该机床主轴采用磁传感器方式实现准停。调整磁发体与磁传感器的相对位置可以微调准停位置。

主轴孔采用7∶24大锥孔使刀柄与主轴相配合，既有利于定心，又不会自锁，为松夹刀柄带来方便。

图1-20所示为VMC-15型立式加工中心主轴部件图。主轴由电动机通过带传动回转，由角接触球轴承支承，可以实现高速旋转。

二、主轴准停装置

1. 概述

主轴准停功能就是将主轴停止在固定的周向位置上。主要目的是:

1）为了满足自动换刀的需要。在刀具交换中，刀具能够在主轴中完成快速准确地装入拔出动作，主轴必须在刀具交换之前进行主轴定位，旋转到一个特定的位置，以保证自动换刀的顺利完成。

2）当加工沟槽（台阶孔）完成后退刀时，为了避免刀具与台阶碰撞；当精细镗孔完成后退刀时，为了避免刀具划伤已镗好的表面，必须先让刀，后退刀，而要让刀就需要主轴在让刀前准停。

2.主轴准停控制

现代数控机床主轴准停控制主要是电气准停控制，包括以下三种方式：

（1）磁传感器主轴准停 当执行M19指令时，数控系统发出准停信号，主轴立即加速或减速至由主轴驱动装置中设定的准停速度，主轴按准停速度转动，当到达准停位置时（磁发体与磁传感器对准），主轴即减速为爬行速度（在主轴驱动装置中设定），当准停磁传感器信号出现时，主轴驱动便立即转入以磁传感器为反馈元件的闭环控制，直至准确地停在准停位置上。磁发体与传感器之间间隙为1～2mm。

图1-21所示为磁传感器准停控制系统的构成，图1-22所示为磁传感器动作准停时序图，图1-23所示为磁传感器主轴准停装置。

如果需要微量调整主轴准停位置，应调整磁传感器或发磁体的位置。

（2）编码器型主轴准停 这种主轴准停的控制同磁传感器主轴准停一样，完全由主轴驱动装置完成。

当执行M19指令时，数控系统发出准停信号，主轴立即加速或减速至准停速度，当接收到编码器零标志信号后，主轴爬行转动，直至达到准停位置时，主轴停止并准确地停在目标位置。与磁传感器不同，用编码器实现主轴准停，其准停位置在0 °～360 °之间任意设定。编码器可以为主电动机内置式，也可为独立式。要注意编码器与主轴间的传动应为无间隙传动，以防准停位置精度超差。

图1-24和图1-25所示分别为编码器主轴准停系统的结构与时序图。

（3）数控系统控制的主轴准停 现代数控机床多数都配有数控系统的主轴准停装置。这种数控系统具有主轴闭环控制功能，主轴驱动装置有可进入伺服状态的功能。通常采用电动机内置编码器信号反馈给数控系统。

采用数控系统控制主轴准停的角度可方便的设定。例如：

1）数控系统控制的主轴准停工作原理。主轴准停控制是使主轴停止在某一固定位置，该位置是由机床参数的设定值确定的。FANUC0i（16i、18i、21i）系统的参数号为4077。当数控系统收到主轴定向指令（如辅助功能代码M19）后，产生主轴定位命令ORC。一方面经顺序控制电路启动定向时间检测电路，另一方面切断主轴原来的速度指令，主轴降速。当主轴转速接近零时，精确定位开始，编码器发出信号，产生慢速蠕动信号。当位置误差小于设定值时，CPU发出主轴“停”信号，切断时间检测电路，完成定向并发出定向完成信号。若在预定时间内主轴未发出定向完成信号，则定向时间检测回路发出定向失败报警。

当执行M19指令或M19 S××时，数控系统先将M19送至编程控制器PLC，经PLC后送出控制信号，控制主轴电动机由静止迅速加速或在原来运行的较高速度下迅速降至准停设定速度运行，并寻找主轴编码器零位脉冲C，然后进入位置闭环控制状态，并按系统参数设定完成定向准停，此参数为主轴准停的位置偏移量。

2）主轴定向偏移位置调整方法。假设换刀时，刀库（斗笠式刀库）或机械手上的主轴刀柄定位的榫头位置是正确的（榫头侧面与X或Y轴平行，本例为X轴）。将百分表座固定于工作台上，执行一次M19指令，百分表触及主轴定位键侧面，记下表针读数，移动X轴，其他轴不动，使表针触及主轴另一侧的定位键侧面，读出表针读数。设百分表读数差为A，X轴的移动距离为B，则偏移角α=arctan（A/B）。

主轴转1°的脉冲数=4096/360=11.378（设电动机与主轴传动比为1∶1，编码器1转的脉冲数为4096）。

主轴定向位置偏移的脉冲数=4096/360×α，其中α为主轴定向偏移角。

修改定向位置的偏移参数，FANUC0i为#4077，在系统原有参数#4077中的数值基础上再偏移4096/360×α，主轴定向便调整完毕，调整完成后检查其百分表读数差应在允差±0.02mm范围内。

三、刀具的松夹

刀柄的松夹是自动实现的。现在以图1-20所示的VMC-15立式加工中心为例说明刀柄夹紧、松开的工作原理。标准拉钉5拧紧在刀柄上（拉钉露出刀柄长度应合适），放松刀柄时，液压油进入液压缸的上腔，下腔导漏回油，活塞下移，推动拉杆下移，碟形弹簧被压缩，钢球4随拉杆一起下移，当钢球移至主轴孔较大处便脱开拉钉，刀柄连同拉钉5被机械手从主轴中取出。夹紧时，上腔回油，碟形弹簧使活塞上移至最上端，拉杆2在碟形弹簧3的作用下向上移动，钢球4被收拢，夹紧在拉杆2的环形槽中，随着拉杆的上移，刀柄与主轴孔的锥面相互压紧，刀柄牢固地与主轴联系在一起（此时刀柄键槽与主轴键也连接在一起）。

刀柄松开或拉紧后，活塞杆之凸环分别压合松开或夹紧行程开关7或8，发出松开或夹紧信号。

采用钢球拉紧拉钉的方法紧固刀柄，容易将主轴孔和拉钉压出坑来，为避免此问题的发生，采用了弹簧卡爪紧固刀柄。它由两瓣组成，装在拉杆2上，如图1-20b所示，卡套10与主轴固定在一起。当拉杆2带动弹簧卡爪9上移时，靠锥面B将卡爪收拢，夹紧拉钉并拉紧刀柄；当拉杆2带动弹簧卡爪9下移时，脱开锥面B，弹簧卡爪9放松，刀柄便可以从卡爪中退出。钢球拉紧与弹簧卡爪拉紧的结构图如图1-26所示。

为了自动清除主轴孔中的切屑和灰尘，机床设置了压缩空气吹屑装置，如图1-19、1-20a所示，当刀柄松开后，压松开开关，发出吹气指令，气动滑阀动作，压缩空气经活塞心部及拉杆的心部孔至主轴孔内的空气喷嘴，将锥孔吹净。

四、数控机床主轴部件常见故障及排除方法（见表1-3）

数控机床主轴部件除了发生如噪声、旋转精度差、振动、轴承发热等与普通机床相同的故障外，还会发生独有的故障。

在判断故障前需对机床有较深入的了解，掌握故障发生时的工况，包括主轴电动机类型、主轴变速方式、主轴准停方式、故障发生时的工作方式、故障发生时的报警情况等。