数控机床的主传动系统主要用于主轴的转速调节。除了国产普及型数控机床或数控化改造机床有时采用机械齿轮变速外，正规生产的数控机床一般都需要使用无级变速的主轴驱动系统，通过对主电动机的调速来达到主轴调速的目的。

数控机床的主轴驱动系统主要有变频器调速和交流主轴驱动两类，前者多用于国产普及型数控机床，后者用于全功能数控机床。衡量主轴调速性能的主要技术指标有调速范围、调速精度和速度响应三个。

1.调速范围

主轴调速范围直接代表了机床可使用的切削速度范围，它是决定机床的加工能力和范围的主要参数。调速范围以一定负载，主轴实际可达到的最低转速与最高转速之比（如1∶100）或最高转速与最低转速的比值（如100）来表示。

调速范围有恒转矩和恒功率之分，在恒转矩调速范围内，主电动机的输出转矩可以保持不变，但电动机功率将随着转速的降低同比例下降；在恒功率调速范围内，主电动机的输出功率可以基本保持不变，但输出转矩将随着转速的升高同比例下降。金属切削机床单位时间内可切削的金属材料体积和功率成正比，因此，在恒功率调速区，机床的切削加工能力可保持不变，所以数控机床的主轴需要有足够大的恒功率调速范围。

对于使用通用感应电动机、变频器调速的普及型数控机床主轴来说，确定调速范围时需要注意以下几点。

1）变频器样本中提供的频率调节范围并不是实际能够达到的主轴调速范围。频率调节范围只是变频器本身能够输出的频率范围，而主轴调速范围则是指主轴具有一定切削能力（输出转矩）的转速范围。一般而言，当变频器的输出频率小于一定值（如2Hz）时，主电动机和主轴将无法输出正常运行所需的转矩，更不能用来进行切削加工。因此，变频调速的主轴调速范围要远小于变频器的频率调节范围，以三菱公司较为先进的FR-A740系列变频器为例，其频率调节范围为1∶40000（0.01～400Hz），但实际有效调速范围在1∶200以下。

2）变频器调速的特性与变频器的调速方式、电动机性能密切相关。使用V/F调速的通用感应电动机，实际只能在额定频率的点上才能输出额定转矩；使用矢量控制的变频电动机，其调速性能有所提高。

3）不同的生产厂家，对通变频器调速范围的定义方式有所不同。例如，三菱公司一般将变频器能短时输出150%转矩的调频范围定义为调速范围；而安川公司则以连续输出转矩大于50%的调频范围定义为调速范围等。

2.调速精度

交流主轴调速系统的调速精度一般是指电动机空载工作和额定负载（满载）工作的转速差与基准转速之比，计算式如下：

在使用通用变频器、开环控制的调速系统上，式中的空载、满载转速是使用4极标准感应电动机测试得到的数据，式中的基准转速是指电动机的额定转速。在闭环控制的交流主轴调速系统上，式中的基准转速为电动机最高转速。

3.速度响应(www.daowen.com)

速度响应是衡量交流调速系统动态快速性的技术指标。速度响应是在负载惯量与电动机惯量相等的情况下，其速度给定以正弦波的形式输入时，系统输出能完全跟随给定变化的指令正弦波的频率值。速度响应有时也称频率响应，它可用rad/s或Hz两种单位表示，转换关系为1Hz=2π rad/s。

速度响应是衡量交流调速系统的动态跟随性能的重要指标，也是不同交流调速系统的主要性能差距。表7.1-1是目前大多数通用变频器、主轴驱动器和伺服驱动器能达到的速度响应比较表。

表7.1-1 变频器、主轴驱动器与伺服驱动器的速度响应比较表

4.输出特性

主轴输出特性是主轴的输出转矩（或功率）/转速的关系曲线，通用变频器调速系统和交流主轴驱动系统间的性能差别很大。

V/F控制的变频调速系统的输出特性一般如图7.1-1a所示，它只能在额定频率的点上才能输出额定转矩，其加减速能力也较差，加减速转矩通常在150%以下，因此，在主轴采用变频调速的数控机床上，不能根据额定转矩和额定功率来确定主电动机、变频器容量，而是需要根据实际输出特性来选择主电动机和变频器。

采用变频调速的感应电动机，在额定转速以上区域可获得金属切削机床所需要的、近似于恒功率输出的特性；为了扩大主轴调速范围、保证主轴有一定的恒功率输出区，调速时应尽可能增加额定频率以上的调速区。但是，由于通用感应电动机在工频运行时的最高转速不可能超过3000r/min，因此，标准电动机的结构、支承轴承、动平衡等通常都按3000r/min的要求进行设计；为了保证电动机的长时间可靠、稳定运行，其最高转速一般不能超过设计转速。因而，在采用通用感应电动机变频器调速的机床上，原则上应选择同步转速为1000r/min、1500r/min的6极、4极电动机，以保证电动机有1∶3、1∶2的近似恒功率输出区。

交流主轴驱动系统的的输出特性一般如图7.1-1b所示，它可在额定转速以下区域保持额定转矩输出、在额定转速以上区域保持额定功率输出；短时工作（30min以下）时还可输出高一规格的转矩和功率；电动机加减速转矩通常在200%左右；故可根据额定转矩和额定功率来选择主电动机。

图7.1-1 主电动机输出特性

a）变频调速 b）主轴驱动

总体而言，采用电气调速的主电动机恒功率调速范围都比较小，因此，通用型数控机床一般需要通过附加机械齿轮变速，来扩大恒功率调速区域。