主轴是产生主切削运动的动力源，主轴不仅要在高速旋转的情况下承载切削时传递的主轴电机的动力，而且还要保持非常高的精度。主轴是数控机床的关键部件，主轴的技术指标也决定了机床的技术水平。主轴在结构上可分为机械主轴和电主轴。机械主轴由刀具的装夹机构、轴承、主轴冷却系统以及配套的主轴电机、测量部件及驱动装置等构成。有的主轴还配备了液压或气动的换挡机构。电主轴的特点是主轴电机被集成到主轴的机械部件中，构成一个整体结构的主轴系统。用于电主轴的主轴电机供货商一般只提供主轴电机的转子和定子，由机床制造厂根据其主轴的机械结构将转子和定子以及松刀机构集成到主轴中，构成一个完整的电主轴。也有一些数控转塔冲床厂商可提供完整的电主轴产品，比如德国WEIS公司的电主轴系列可直接用于车床和铣床。图3 13所示为某电主轴的内部结构。采用电主轴，可缩短机床传动链，提高机床的性能。 ~)X;z"y%b
本节只描述用于机械主轴的主轴电机，介绍主轴电机的性能和正确设计及使用方法，以避免主轴电机在机床的使用过程中出现故障。 Gz8JOl
(1)主轴电机的特性 4"{g{8
在描述主轴特性的参数中，有一个重要的数据--额定转速。图3 14所示为某一型号3.5 kW主轴电机的特性曲线。在特性曲线图中可以看出，当主轴的转速小于额定转速时，主轴工作在恒转矩区；当主轴的转速大于额定转速时，主轴工作在恒功率区。主轴的额定转速越低，表示主轴进入恒功率区的速度越慢。 (2)主轴的工作点 ?V_v=X%w
在机床设计时，需要根据数控冲床切削的指标定义机床的技术指标。其中，主轴的输出功率和主轴的调速范围为关键的技术指标。比如，主轴的输出功率为3.5 kW，调速范围为1 500---8000 r/min。 je>gT` 8
从图3-14所示的某主轴电机的特性曲线可以看出，主轴与主轴电机之间采用1:1的直蔗方式，即可实现上述技术指标。虽然主轴电机的速度可以在零速到标定的最大速度之间连嬖变化，但在额定输出功率下的调速范围为额定转速到最大转速。当主轴在低于额定转速下工作时，主轴的输出功率不能达到主轴电机的额定功率。即使在低于额定转速的工作区，主轴电机仍可以在过载的状态下运行，输出更高的功率，甚至输出功率可高于额定功率，但在 过载的状态下主轴是不能长时问工作的。 6Q+VW_~
因此，在数控机床的设计阶段，必须明确主轴的输出功率和调速范围等技术指标，否则用户在切削时可能出现由于主轴输出功率不够造成的主轴“闷车”，从而不能完成用户加工程序中所要求的切削用量。以主轴与主轴电机Il直连的机床为例，如果加工工艺要求主轴在500r/min时进行切削，根据主轴电机的特性曲线可知，此时主轴的实际输出功率只有额定功率的1/3。如果用户需要机床主轴在500 r/min下能够产生3.5 kW的输出功率，根据该主轴电机的特性曲线，可确定在该转速下主轴电机不能产生所需要的功率，这时就需要考虑更改机床的设计=方案之一是主轴的机械结构不变，主轴与主轴电机之间仍然采用1:1直连方式，而选择另一型号的主轴电机，使其在500 r/min下可以产生大于等于3 5 kW的输出功率。方案之二是改变主轴的机械结构，增加主轴的减速机构。如采用3 1的减速器，主轴电机运转在1 500 r/min时就可以输出3.5 kW的功率，但是减速器会影响主轴的最高速度。如果主轴电机的最高转转速为9 COO r/min，增加3：1的减速器后，主轴的最高转速只能达到3 000 r/min．这时主轴的调速范围就变为500 --3 000 r/min。还有一种方案是采用主轴换挡机构，需要低速加工时，采用3:1挡，而需要高速加工时。采取I:1挡。这样不仅能满足低速状态下可以产生足够的转矩，而且可以保证主轴的调速范围。
