第四节

一、主轴箱与立柱的连接与Y轴抖动的原因

1．主轴箱与立柱的连接

（1）主轴箱和立柱的连接，和X轴大导轨一样，是抱轨压板。

在加工精度上，它不能和底盘的连接模式相同，因为它所悬挂的主轴箱重力是偏心的，要有一种导向的东西来限制它的蹿动，这就是导向压板了。下面是常用的一种导向压板，平时我们也可以见到，就是维修调整水平时，防止水平尺将导轨拉坏，都会把水平尺等放在这样的导轨上打水平，因为这种导轨的精度等级非常高，不影响大机床的水平检测，如图2-13所示。

（2）主轴箱上下移动（Y轴运行）的动力，是由滚珠丝杠来传动的。

这个丝杠通常是固定的，由安置在主轴箱上的动力电动机来带动轴承座固定在主轴箱上的滚珠丝母旋转，从而达到升降。早期把丝杠电动机安装在立柱顶端，带动丝杠旋转升降主轴箱的模式逐渐被淘汰，因为这样长距离的电气和液压控制，增加了生产制造成本，也不利于集中维修与管理。

（3）主轴箱的重力是侧向下垂的，这和立柱的压力完全压在X轴大导轨上不同，这就要有一个额外的平衡，用顶端的滑轮副连接重锤平衡是现在通用的方法。

（4）主轴箱的精度就是主轴的水平轴线，这个问题同样是依靠楔板来解决的。

2．加工时Y轴抖动的原因

讲到主轴箱的上下运行，不得不讲一下Y轴的抖动，这跟X轴的爬行有些不同的情况。其中，抱轨压板的动作滞后问题是相同的，就不再多讲了，请大家再关注一下丝杠抖动和配重块卡滞这两个方面。

1）丝杠抖动

如果丝杠和主轴箱上的大丝母配合不好，运行起来必然有抖动。例如，丝母没有安装在丝杠的轴心位置，每转一圈就会晃动一次，这就造成了Y轴的抖动；或者丝杠有磨损，当丝母到达磨损位置时，同样会发生一次抖动。

2）配重块

配重块在立柱内上下运行，时间久了会有磨损，对于没有弹簧预制力的滚轮导向来说，总会有一些滚轮卡滞现象，这就会给主轴箱的重力平衡造成影响，出现Y轴抖动现象，如果是这个原因，更换重锤导向滚轮就可以，还是比较好解决的，只是拆卸重锤要顶住主轴箱防止下滑，这看起来还是比较麻烦。

二、主轴前端下沉问题

卧式镗床的主轴，伸出去都会有一个重力的下沉，如图2-15所示，加工时一定要注意，以防加工出来的轴向孔系中心高不同，即不同轴的结果出现。

当操作人员接触一台新的落地镗床时，在第一时间掌握这个主轴下沉量至关重要。例如，在地平台上调整工件的水平，主轴要伸出不同的长度，那么，不考虑下沉而调整出来的水平是有误差的，可能对加工造成严重影响。

镗轴向排列的孔系时，为了避免这个影响，通常都会选择在旋转工作台上完成，这样就可以借助水平度比较好的V轴来进行轴向进给完成镗孔任务（前面提到的Z轴和X轴不垂直时的镗孔，也是这样解决的）。

主轴下沉问题的影响，不单是对镗孔，铣面的影响也非常严重，前面讲到立柱和底盘时，给出了Z轴和X轴在水平位置上的垂直度不好对铣面的影响，而Z轴和Y轴的不垂直同样会造成这样的结果。比较实用的办法是调整底盘静压系统的油压，使立柱前后倾斜，就能使刀盘竖直度达到要求。麻烦的是，这样铣面后还要将静压调整到初始状态，因为主轴伸出的距离不同，下沉不同，倾斜角度也不同。

有一种机床，在控制主轴下沉方面做得非常优秀，它的主轴箱悬挂系统不单单是钢丝绳的连接，在钢丝绳和主轴箱之间增加了一个平衡油缸，它可以微动调节主轴箱一段的上下位置，从而达到调整主轴下沉的目的。

跟X轴的调整一样，调整竖直楔板的油压或上下位置，同样可以达到调整主轴下沉的目的，只是这种调整比较麻烦，须要拆卸主轴箱来调整，很多维修人员都懒得去做这个工作，但在没有平衡油缸的情况下，只能这样调整来达到一个大致的平衡。

如果可以改造，笔者还是认为可以在楔板上做文章，如图2-16所示，用电气控制来使楔板上下位置进行调整，或者直接调整楔板上的静压油压，就能够使主轴一直处于水平位置，这实际上是和上面提到的液压缸的专利技术如出一辙。

三、主轴箱结构与主轴电动机控制

如图2-17所示，主轴箱的内部通常是很简单的三大块：顶部的传动齿轮箱和主轴电动机相连；下部前方的主轴箱（含方枕）；后方的附件箱（伺服、水冷、润滑、拉刀等）。

通常，主轴箱里要有三个电动机，即主轴的驱动电动机，一般采用笼型异步电动机；而主轴和方枕的尾端，都会有一个伺服电动机，它可以控制主轴和方枕的前后移动；在主轴箱顶端，还会有一个主轴箱升降电动机。

现在绝大多数主轴电动机都采用笼型交流三相异步电动机，因为它不存在直流电动机的碳刷换向问题，矢量变频技术也使笼型异步电动机的性能完全达到了直流电动机的水平，而且其过载能力强，体积小，全封闭免维护。

电动机的特性曲线分为两个部分，低转速时的横扭矩，高转速时的恒功率，在这两个曲线交叉部位有一个节点，这个节点叫做基本转速。设计者们根据这个基本转速，通常将齿轮箱设计成了两个挡位，这样便于控制器的控制，因为两种不同的情况，调整的情况有着本质的不同。

（1）低转速时横扭矩，通过调整电枢电压的方式来调速。

（2）高转速时恒功率，通过调整励磁电流的方式来调速。

主轴转速无论采用哪种调整方式，都是通过变频器来完成的。如果采用了永磁同步式交流伺服电动机，它自身不能很好地在弱磁状态下工作，这时就要有一套辅助系统来完成主轴的动作，对于这么一套辅助系统而言，在结构设计上会单独设置成一个挡位以便控制，这就是一些大型机床采用了三个挡位的原因。

目前，主轴驱动装置的恒转矩调速范围比可达1∶100，恒功率调速范围比可达1∶30，恒转矩和恒功率调速范围比达到1∶2，过载1．5倍时仍然可以持续工作30min。例如，该主轴额定转速1500r／min，则挡位应该在500r／min位置分开，低挡最低5r／min，设计好一些的齿轮副，能够将转速降到0．5r／min。

一般的笼型异步电动机可以直接启动，但重型机床上的负载较大，通常会用低电流低电压启动电动机，当电动机接近额定转速时，再以正常电压驱动电动机运行，这种方法称为降压启动。

四、主轴力矩传递系统及主轴刹车

虽然笼型异步电动机调速范围较广，但用在大型机床上还是不能满足要求，通常要借助于齿轮箱来完成这个调速任务。齿轮箱会分为三个挡位，采用全局分段调速、段内无级调速的方法，以满足机床的生产加工要求。

1．齿轮箱——主轴力矩传递系统

连接主轴旋转的齿轮箱，对应着每一个挡位，分别有一组齿轮，如图2-18所示。由于笼型异步电动机的宽调速，如今的齿轮箱大大简化，甚至少到每挡只用一个齿轮。三个挡位之间的切换，通常选择液压拨叉方式，但是在换挡时有可能会有顶齿的现象发生，那么就需要给主轴电动机附加一个较低的电流，使其带动齿轮副蠕动直至换挡完成。如果用电磁耦合器来完成换挡任务，这个齿轮蠕动的动作也不能省略。但即使有这种防顶齿的技术保障，有些二流的机床制造厂商设计的齿轮箱还是不尽如人意，当主轴启动旋转时，想切换到另一个挡位的转速，不能直接切换，而必须把主轴停下来到静止状态，然后再换挡，否则它不自动执行停车动作而直接动作拨叉，转速较高时不把换挡齿轮的一圈牙都打下来就不错了。

在力矩的传递过程中，齿轮箱与主轴的力矩传递方法却是由很多种的，图2-18所示就是一种简单的连接。

2．主轴的旋转速度监控

通常，主轴电动机都会自带一个尾部的内嵌式编码器，用来反馈控制系统发出的转速指令，系统得到这个电动机转速反馈后与其发出的指令进行对比校核，得出与设定值的偏差进行修调，编码器再将这个实际转速反馈回系统重新校核直到与设定值相符。但须注意，这个主轴电动机上得到的旋转指令，并不能与主轴转速相同，因为有齿轮传动比的影响，控制系统发给电动机的转速，要把电动机与主轴之间的传动比计算进去。那么，主轴的实际转速是如何调整的呢？

齿轮箱与主轴之间的传递齿轮花键轴上，也会由皮带带动一个编码器来反馈主轴转速的最后一级传动，它通常就在主轴箱的最前头，方枕旁边。但是仅仅有这个编码器还是不够，不能消除最后一级齿轮传动造成的误差，这样，在主轴的尾部还会安置一个编码器来修正，它的主要功能除了作为速度编码器来修正传动误差，还作为位置编码器进行主轴定位准停、刚性攻丝等工作。这样，两个编码器就能比较准确地反馈出主轴的转速，通过控制系统调整主轴电动机转速，以达到修调主轴转速的目的。

在进行刚性攻丝加工过程中，主轴是在编码器控制状态下运行的，这时只能以主轴尾部的编码器为准。如果这个编码器限于机械结构不能与主轴同轴安装，应该用1∶1的同步带连接。小型主轴和电主轴的编码器与主轴、电动机都是同芯的，这样省去了在主轴尾端安装单独编码器的麻烦。

主轴编码器仅仅作为速度检测元件使用，它的用途：一是反应主轴转速；二是用于主轴与伺服轴的配合，如刚性攻丝。对于主轴的驱动装置，一般采用变频器控制，而高端机床则都会由数控系统生产厂商配备专用的闭环主轴驱动装置，如西门子的SIMDRIVE611。

3．主轴的刹车与准停

主轴是在方枕内部，如果加装一套刹车系统是非常麻烦的，设计者们就想在外部来控制主轴的停止，这样就找到了力矩传递的源头——主轴电动机。刹车的方法有两种，即电气刹车与机械刹车。

（1）电气刹车有几种情况，最简单的是反接制动，即把变频器电源相序调换，电动机内产生相反的旋转磁场，使电动机转速迅速下降。而另一种方法是能耗制动，即由变频器提供一直流电源加载在电动机中，因其产生的是静止不动的磁场，而笼型异步电动机用的是旋转磁场异步旋转，这样它切割直流电产生的静止磁场就产生制动效果，但它的制动力不如反接的效果好。这样就出现了将两种制动方式混合的双流控制，如用二极管整流将直流电和反接交流电同时作用于电动机，将两种制动方法的优势融合以保护电动机。现今采用电气制动的主轴电动机，多数都采用这种混合控制的方法。

（2）机械刹车系统结构简单，只要在主轴输出端与齿轮箱之间的联轴节处设置两片刹车片就可以了，为了能够控制刹车的力量，通常这个刹车制动力是由液压系统完成的。在重型机床中多数刹车系统都是采用以机械刹车方式为主。它的缺点就是刹车片要维护和更换，刹车噪声大。

主轴刹车能对攻丝加工造成严重影响，如果不事先规避这种影响，就有可能损毁刀具伤及工件。因为大型机床的主轴刹车所需时间通常较长，而在柔性攻丝中是在攻丝到达循环程序设定的深度后，才开始刹车减速，那么它将在刹车过程中在主轴旋转作用下，继续向工件内拧转丝锥向里走，容易顶碎丝锥，这就要求操作者不能将攻丝深度直接设定成图纸要求的深度。而小型机床的主轴或者加工中心上用的电主轴，因其主轴惯性小，刹车所需时间非常短，对攻丝造成的影响就微乎其微了。

精确停车，即主轴准停，在加工过程中时常会用到这个功能。例如，用CYCLE86进行精镗孔时；自动换刀时；用CYCLE840攻螺纹时；连接角铣头时等。这个停止的控制也分为机械和电气两种，机械式的动作迅速，停止精确，但在有限的方枕空间内加装一套机械零件在成本上是不划算的，而且它快速准停会对主轴造成冲击，影响使用寿命，维护起来更是不划算，所以现今多数都采用电气控制，它只要在主轴上安装传感器，在方枕对应的位置安装接收器就可以完成主轴的准停控制，制动平稳，寿命更长。

五、主轴和方枕的精度与定位

1．精度

大型落地镗的主轴外都会加装一个方滑枕，以加长主轴的轴向加工范围，大体上能够增加一倍的伸长距离。主轴伸出方枕的长度不能比在方枕内的长度长，方枕伸出主轴箱的长度也不能比在主轴箱内的部分长，这是出于重力平衡的考虑，也是对主轴方枕的抗弯强度的考虑，以防止主轴伸出后的过分下垂。

由于数控机床的精度较高，主轴的转速也较高，因此对主轴的抗震性与静刚度较高。主轴的轴颈精度、轴承类型与配置的位置、轴承预紧、主轴附件整体上的重力平衡等因素都可以对其造成影响。

检验主轴与方枕的装配调整是否合格的标准：主轴在低速空载情况下，测量主轴前端的端跳和距主轴端面300mm的径跳。这两项指标便是主轴的旋转精度，主轴在工作速度时这两项指标为运动精度。

2．定位

通常主轴是由一前一后两个轴承固定在方枕里的，在方枕前端我们就可以看到前轴承的检查孔或槽，而后端的却要安装在主轴中间的位置，这是考虑主轴伸出到极限时，后端仍然有轴承支撑。但是在主轴伸出距离较短时，在方枕尾部的主轴长度又很长，因为它的悬空没有支撑，易产生振动，大大降低了主轴的实际转速，影响加工质量与效率，这样，好一些的主轴设计就会在主轴的尾部加装一个轴承，使主轴在伸出距离短时加工更高效。但它对安装精度的要求要高一个等级。

方枕的固定与主轴的布设位置是一样的，只是方枕的导向不是轴承，而是导向板，多数都是用耐磨的工程塑料制成。这种导向板分布在方枕的四周，将其固定在主轴箱内。

3．拉刀机构

主轴还应具备一套拉刀系统以装卸刀具，大体上分为液压、气动、机械三种。秉承老式的机床装刀方式，机械式仅仅以一根贯穿主轴内部的螺杆来拧紧刀具，它的动力来自于主轴尾部的拉刀电动机，这个拉力是有力矩监控的，当拉刀拉力达到设定值时装刀模式关闭。相对于前面的刀具，也是不需要拉钉的。而数控机床的液压与气压拉刀机构都比较烦琐，它在主轴尾部既要装拉刀油缸，又要安装主轴喷雾、喷水、喷气机构，如图2-19所示，在设计制造上成本会高出很多。

对于液压装刀，须要配置拉爪，从前到后这个拉杆都是中空的，因为它要考虑主轴内冷的设计。拉爪是4个靠弹簧顶开的爪瓣，靠在斜面上前后移动以达到收紧与张开，从而实现刀具的装卸。在实际应用中，刀具有时候会松，如果确认刀具拉钉没有松的话，就是拉爪松了，我们自己可以给它拧紧，但要自制一个小工具。因为拉爪后边都有一个调整拉爪前后位置的螺帽，它是可以旋紧的，做成一个可以旋紧它的长柄小叉子，这样问题就解决了。