却是使用电主轴的关键问题，对电主轴的设计、生产和装配工艺要求非
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常高。电主轴的最高转速一般在20 000 r／min以上。
表 JX-2
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学生 活动
Hale Waihona Puke 3．主轴换挡 主轴换挡是指通过改变主轴电动机至主轴的传动比来获得更宽的
10’
主轴转速范围以及更高的转矩输出的过程。
备的接口在主轴驱动装置上一般都可以找到，只是不同厂家、不同等级 钟
引入 思考
的主轴驱动装置所包含的接口类型不同。例如，主轴伺服装置的接口类
型比变频器的接口要丰富，具备矢量控制功能的变频器又比简易型变频
器接口丰富。不同的是：进给驱动装置主要工作在位置控制模式下，而
主轴驱动装置主要工作在速度控制模式下；同一台数控机床上主轴输出
和维修也比较困难。
这种传动方式常用的变速操作方法有液压拨叉和电磁离合器两种。
(2)一级变速的主传动系统。
目前，数控机床多采用同步齿形带传动，其优点是结构简单，安装
调试方便。但系统的调速范围与电动机一样，受电动机调速范围和输出
转矩特性的约束。这种传动方式可以避免因齿轮传动引起的振动与噪
声，适用于低转矩特性要求的主轴。
难点: 主轴为何要定向。 措施：讲解透彻，反复讲解，突破难点。
采用启发式提问，引入本次课内容， 运用多媒体方式，通过图示法讲解结构， 启发学生思考，参与课堂讨论。
5．5 数控机床的主轴系统
一、数控机床的主传动系统及主轴换挡 1．数控机床主传动系统的要求 2．主轴的传动方式 3．主轴换挡 二、主轴定向功能 1、概述 2．机械定向控制 2．电气定向控制 三、主轴进给功能
多倍。这种加工工艺不仅切削效率高，而且具有加工表面质量好、切削
温度低和刀具寿命长等优点。
高速切削一般采用内装电动机的主轴(简称电主轴)，即主轴与电动
机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，刚度
高，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电
动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，主轴的温度控制和冷
南京技师学院教案（首页）
表 JX—1
授课日期 授课班级 课题
教学目标
教学重点 解决措施 教学难点 解决措施 教学设计 教学手段 教学方法
板书设计 授课提纲
5．5 数控机床的主轴系统
计划 学时
1、掌握主轴传动方式。
2、掌握主轴定向和几种定向的方法及特点
3、了解主轴进给功能的必要性和实现方法。
重点：主轴电气定向的方法。 措施：引导式讲解，反复强调。
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表 JX-2
教学过程设计
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时间 教师 分配 活动
学生 活动
降速，增大低速时的输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。部分
小型数控机床也有采用这种传动方式，以获得强力切削时所需的扭矩。
这种传动系统的优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范
围调节速度的能力。缺点是机械结构较复杂，制造成本较高。此外制造
2 课时
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表 JX-2
教学过程设计
【复习提问】 1、主轴系统的常用配置方案和各自特点？ 2、数控机床主轴系统和进给系统相比有什么不同？
【新课引入】
第
时间 分配
6分 钟
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教师 活动
老师 提问 并启 发。
学生 活动
个别 学生 回答
主轴驱动装置的接口与进给驱动装置有许多类似，进给驱动装置具 4 分 自 然 回 忆
数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件
不平衡以及切削过程中的自振等原因会引起冲击力和交变力，而使主轴
产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度，严羲时甚至可能损坏刀具
和主轴系统中的零件。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，会
降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成
零件加工的成形运动之一。它的精度对零件的加工精度有较大的影响。 1．数控机床主传动系统的要求 (1)具有较大的调速范围并实现无级调速。
启 发 认真 式 讲 听讲 解
数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量和切削速度，获得
最高的生产率以及较好的加工精度和表面质量，必须具有较大的调速范
围。对于加工中心、车削中心以及一些专用数控机床，为了适应各种工
用皮带传动时应选择齿型带。采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以 提高主轴组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提
回答 问题
高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般采用内径定心的花键传动。侧面
定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触
面大．但加工需要专门的刀具和花键磨床。
(3)良好的抗振性和热稳定性。
功率比进给轴输出功率要大得多。因此，在接口上主轴驱动装置又具有
独自的特点。
【新课讲授】
5．5 数控机床的主轴系统
62’
一、数控机床的主传动系统及主轴换挡
25’
机床主传动系统有时也称主轴系统。数控机床主传动系统是指主轴
电动机至主轴的运动传动系统，主轴电动机作为原动力通过该传动系统
自 然 联想 引入
变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度。主轴的运动也是
加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率、较好的动平衡，且要
保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。 2．主轴的传动方式
10’
为了适应不同的加工要求，目前主传动系统的传动方式大致可以分
为三类。
互 动 积极
式 教 思考
学
回答
问题
(1)二级以上变速的主传动系统。
这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。常通过几对齿轮
对于普通三相异步主轴电动机，通常其转速是固定的。只有通过换
(3)高速切削主轴。
高速切削是20世纪70年代后期发展起来的一种新工艺。这种工艺采
用的切削速度比常规的要高几倍到十多倍，如高速铣削铝件的最佳切削
速度可达2500 m／mm～4500 m／min，加工钢件为400 m／min～1600 m
／min，加工铸铁为800 m／min～2000 m／min，进给速度也相应提高很
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教学过程设计
序和各种加工材料的要求，主轴系统的调速范围还应进一步扩大。
表 JX-2
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(2)具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。
数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传
动组件的精度与刚度，采用齿轮传动时，齿轮齿面应采用高频感应加热
淬火工艺以增加耐磨性，最后一级传动一般用斜齿轮，使传动平稳。采