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随着当今工业设备水平的不断提高，数控机床变得日益普及起来。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非床重要的位置，一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴系统是车床构成中的一个重要组成部分，其功率消耗约占机床总功率的70%—80%，其性能直接影响到机床的加工效率、加工材料范围、加工质量等。本文主要从使用工程中的特点，来介绍各种数控车床主轴系统以及国际上发达国家数控技术的发展趋势。
1. 主轴系统分类及特点
数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统（CNC）的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。它包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。
全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。另外根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。模拟量控制的的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机控制，有通用变频器控制通用电机和专用变频器控制专用电机两种形式。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。串行主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的α系列等。
1.1普通笼型异步电动机配齿轮变速箱
这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。
1.2普通笼型异步电动机配简易型变频器
可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。
1.3通笼型异步电动机配通用变频器
目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。
1.4专用变频调速电动机配通用变频器
将调速电动机与主轴合成一体，这是几年来新出现的一种结构。这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大。
2.主轴系统的发展方向
机床的主轴驱动与进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20世纪60—70年代，数控机床的主轴一般采用三项感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已经不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：
2.1调速范围宽并实现无级调速；
对主轴的调速范围要求更高，就是要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无极调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。
2.2恒功率范围要宽；
主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级无级变速地方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。
2.3 具有4象限驱动能力；
要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。
2.4 具有位置控制能力；
即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足机床自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。
2.5具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低；
2.6 良好的抗震性和热稳定性。
3.国内外先进主轴系统
数控机床动力磁悬浮主轴系统是一种新型高速机床主轴系统，近几年来，美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发与之相关的高速变频技术和动力磁悬悬浮轴承技术。由于其对调速性能提出了很高的要求，不仅能够实现主轴高速旋转、大功率输出，还要求在较宽的调速范围内实现无级变速。动力磁悬浮主轴调速的关键在于如何实现动力磁悬浮轴承调速，动力磁悬浮轴承也称磁悬浮感应电动机，是一种新型转子支撑结构，磁悬浮轴承和感应电机于一身，具有自悬浮和自驱动能力。与传统电磁轴承相比，动力磁轴承的支撑力不是由分别放置在点击左右两端的电磁轴承产生，而是由动力次轴承自身产生。由于动力磁轴承的旋转机械不再需要任何独立的轴承支撑，同时又具有感应交流电动机的特点，因此它也属于无轴承电动机的一种类型。动力磁轴承具有体积小，临界转速高等特点，适用于小型乃至超小型结构，更适合超高速运行的场合。
动力磁主轴是机电一体化的产物，它的研究工作涉及到电磁理论、控制理论、机械设计、转子动力学多方面的知识。世界上工业发达国家已经成功的将动力磁悬浮主轴技术应用于工业实际生产中，但是国内在工业上的应用还处在起步阶段。改善动力磁悬浮轴控制器性能，使它真正应用于我国的工业实际生产中，对我们来说是任重道远。
1. 主轴系统分类及特点
数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统（CNC）的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。它包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。
全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。另外根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。模拟量控制的的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机控制，有通用变频器控制通用电机和专用变频器控制专用电机两种形式。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。串行主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的α系列等。
1.1普通笼型异步电动机配齿轮变速箱
这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。
1.2普通笼型异步电动机配简易型变频器
可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。
1.3通笼型异步电动机配通用变频器
目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。
1.4专用变频调速电动机配通用变频器
将调速电动机与主轴合成一体，这是几年来新出现的一种结构。这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大。
2.主轴系统的发展方向
机床的主轴驱动与进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20世纪60—70年代，数控机床的主轴一般采用三项感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已经不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：
2.1调速范围宽并实现无级调速；
对主轴的调速范围要求更高，就是要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无极调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。
2.2恒功率范围要宽；
主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级无级变速地方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。
2.3 具有4象限驱动能力；
要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。
2.4 具有位置控制能力；
即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足机床自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。
2.5具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低；
2.6 良好的抗震性和热稳定性。
3.国内外先进主轴系统
数控机床动力磁悬浮主轴系统是一种新型高速机床主轴系统，近几年来，美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发与之相关的高速变频技术和动力磁悬悬浮轴承技术。由于其对调速性能提出了很高的要求，不仅能够实现主轴高速旋转、大功率输出，还要求在较宽的调速范围内实现无级变速。动力磁悬浮主轴调速的关键在于如何实现动力磁悬浮轴承调速，动力磁悬浮轴承也称磁悬浮感应电动机，是一种新型转子支撑结构，磁悬浮轴承和感应电机于一身，具有自悬浮和自驱动能力。与传统电磁轴承相比，动力磁轴承的支撑力不是由分别放置在点击左右两端的电磁轴承产生，而是由动力次轴承自身产生。由于动力磁轴承的旋转机械不再需要任何独立的轴承支撑，同时又具有感应交流电动机的特点，因此它也属于无轴承电动机的一种类型。动力磁轴承具有体积小，临界转速高等特点，适用于小型乃至超小型结构，更适合超高速运行的场合。
动力磁主轴是机电一体化的产物，它的研究工作涉及到电磁理论、控制理论、机械设计、转子动力学多方面的知识。世界上工业发达国家已经成功的将动力磁悬浮主轴技术应用于工业实际生产中，但是国内在工业上的应用还处在起步阶段。改善动力磁悬浮轴控制器性能，使它真正应用于我国的工业实际生产中，对我们来说是任重道远。