主轴结构
1-6-8——螺母
2——同步带
作用：同步带传动是由一条内周表面设有等间距齿的环形皮带和具有相应齿的带轮所组成，运行时，带齿与带轮的齿槽相啮合传递运动和动力，它是综合了皮带传动、链传动齿轮传动各自优点的新型带传动。
4——脉冲编码器
作用：利用同步脉冲，数控车床可实现加工控制，也可作为主轴准停装置的准停信号
5-12-13-17——螺钉
7——主轴
9——箱体
作用：用来支撑、固定的。主要任务就是把主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反转向的不同转速。
10——角接触球轴承
作用角接触球轴承（Angular Contact Ball Bearings）可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15度接触角。在轴向力作用下，接触角会增大。
11-14圆柱滚子轴承
作用：分为四列圆柱滚子和双列圆柱滚子，径向承载能力高，但不能承受轴向力，径向尺寸小，极
限转速高，由于内圈无挡边所以可分别安装内圈和外圈组件（带全套滚子和保持架）。 ----该种轴
承对于轧辊更换频繁的各类冷、热轧钢机具有径向承载能力大，旋转精度高，安装拆卸方便的优点。适用于各种冷热轧机，开坯机等轧机上的工作辊或支承辊
15-带轮
浅析数控铣床的主轴结构设计 摘要自从我国改革开放之后，我国的工业领域发展就十分迅速，工业化水平不断提高，促进了国民经济的迅速发展，尤其是近几年自动化技术在工业领域中的普遍应用，极大提高了工业生产的质量和效率，其中各种工业生产设备的应用，极大的便利了工业生产活动，数控铣床作为工业生产中的常见设备，在工业生产中的高速度，高精度以及高效率等优势，使其在工业领域中发挥的作用越来越大。在数控铣床结构中，主轴结构无疑是十分关键的，直接影响着数控铣床的应用，所以本文就针对数控铣床的主轴结构设计进行分析，促进数控铣床在工业领域中的应用。 关键词数控铣床；主轴；结构设计 在我国的工业生产领域中，数控铣床作为高速切削技术的主要应用设备，在我国应用十分广泛，有效提高了切削工作的效率和质量，提高了工业生产中的产品加工精度，在高速切削的过程中主轴是极为核心的部件，主轴的结构和质量会直接影响工业生产的质量和效率，所以在现代数控铣床的应用过程中，需要加强对主轴结构的设计，提高主轴的质量，从而促进数控铣床的广泛应用。 1 數控铣床主轴结构特点 主轴是数控铣床结构中最为关键和核心的部件，其主要作用是带动刀具高速旋转，从而实现高速切削，完成加工任务，而在切削工作中，主轴的作用也就具体表现为切削力的承受和为机床提供驱动力。由于主轴在数控铣床的工作中发挥着重要的作用，承受了巨大的压力，所以数控铣床的工作过程中，主轴想要实现高速旋转，保证加工的质量和效率就必须对自身的结构进行优化，保证自身的可靠性，也就是说，需要有良好的静动态特性。 数控铣床的主轴具有一定的结构特点，主要包括： （1）主轴的中心为空心，在其中会装弹簧等装置来固定和使用铣刀，方便铣刀的使用； （2）在主轴的前端会设置一个7：24比例的锥形空洞，在断面上会设置用于将主轴转矩数据传输给铣刀的主轴转矩检测装置； （3）在主轴的后部会设置用于铣刀放松的液压缸，在日常为铣刀进行保护； （4）主轴的运转主要依靠齿轮进行，用齿轮进行变速传动； 2 数控铣床主轴结构的设计优化 2.1 进行设计控制
前言 机床主轴的性能正在向高转速、高精 度、高刚度方向发展，通过对机床主轴动 态特性的有限元分析，为改善机床主轴的 静动态特性提供必要的理论依据和数据， 不仅能在产品设计阶段就能对主轴部件动 机床主轴的 动力学建模及优化设计 吴化勇 山东理工大学工程技术学院 ２５５０１２ 态特性作出符合实际的预测并提出改进方 向，还可以在短时间内作出多种方案比 较，使机床主轴实现优化设计，进而提高 产品一次设计成功率、缩短产品开发周 期，提高加工中心产品的设计水平。 １ 主轴部件的有限元建模 ＣＡ６１４０机床主轴为阶梯轴，可以简 化为一个线弹性系统，其运动微分方程可 以写为： （１） 图１ 力学模型 图１（ａ） 有限元模型 图２（ｅ） 五阶模态的振型图 最大变形位于主轴后端位置，最大位移量０．７９３６１９ｍｍ。 图２（ｄ） 四阶模态的振型图 最大变形位于主轴前端位置，最大位移量０．３２６１０９ ｍｍ。 图２（ｃ） 三阶模态的振型图 最大变形位于主轴中间位置，但与二阶模态变形的方向不 同，最大位移量０．２９１１４９ ｍｍ。 图２（ｂ） 二阶模态的振型图 最大变形位于主轴中间位置，最大位移量为０．２８０５５９ｍｍ。 图２（ａ） 一阶模态的振型图 最大变形遍布于整个主轴，最大位移量为０．３９５７４ｍｍ。 图２ 五阶模态的列表显示
式中，［Ｍ］、［Ｃ］、［Ｋ］分别为系统的总体质量、阻尼和刚度矩阵；｛δ（ｔ）｝、｛Ｒ（ｔ）｝分别为节点的位移和外力矢量。 简化后的力学模型如图１所示。 其中Ｆｒ， Ｆｔ分别表示主轴上大齿轮所 受轴向力和切向力。Ｆ２表示刀具对工件的 主切削力。Ｔ１表示由Ｆｔ产生的扭矩，Ｔ２ 表示Ｆ３产生的扭矩。应用体单元建立其结构有限元模型，如图１（ａ）所示。根据力学模型对其施加约束与载荷，模态提取方法选用子空间方法。根据力学模型对其施加约束与载荷，模态提取方法选用子空间方法。其前三阶固有频率分别为：ｆ１＝５２．７５Ｈｚ；ｆ２＝８４．３７Ｈｚ；ｆ３＝１１７．００Ｈｚ。前三阶固有频率的振型分别对应于图２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）。五阶模态的列表显示如图２。五阶模态的振型图如图２（ａ）（ｂ）（ｃ） （ｄ） （ｅ）。由上述结果明显看出，各阶振型的分布状况及位移大小，高阶模态的位移量变化较大，前五阶最大值为０．７９３６１９ｍｍ，模态分析结果为改进主轴动态特性提供了理论依据。２ 主轴部件的优化设计 优化设计问题描述：材料的弹性模量：Ｅ＝２．１×１０８ ＭＰａ材料的许用应力：σ＝２００ ＭＰａ 需要简化有限元分析模型，因为主轴左端没有载荷作用，所以为了方便建模和减少设计变量，只对主轴中间支撑和右端支撑之间的部分进行优化设计。长度固定不变，只优化横截面，因为密度一定，所 以求体积最小转化为求质量最小。 有限元优化分析模型如图３。建立结构优化设计的模型：Ｍｉｎ ｆ﹙ｘ﹚ Ｘ＝〔Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５，Ｘ６〕＝〔Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６〕 ｓ．ｔ． σ≤〔σ〕０．０２０≤Ａ１≤０．０２６０．０３５≤Ａ２≤０．０４５０．０３５≤Ａ３≤０．０５００．０３５≤Ａ４≤０．０５３０．０３５≤Ａ５≤０．０５８ ０．０３５≤Ａ６≤０．１００注：横截面积的单位为ｍ。 其中，ｆ﹙ｘ﹚表示主轴的重量，Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６分别代表图３中所表明的变量。优化后的结果与优化前进行比较，如表１。 从表１中可以明确看出，在满足设计要求的情况下，能够减小横截面积，从而减轻主轴的重量（优化后的重量为１４．４３６千克），实现对主轴结构的优化，可以节省材料。但是受到结构方面的限制，Ａ６的值仍为１００ｍｍ。 ３ 优化后的主轴动态分析 （１）使用相同的方法对优化后的主轴进行动态分析，得出５阶模态的频率及 表１ 优化结果比较 （单位：ｍｍ） 表２ 优化前后模态分析结果比较 （单位：Ｈｚ） 图４ 五阶模态的列表显示 图３ 优化分析模型 其它信息，如图４。 （２）对原主轴与优化后主轴的模态分析结果比较，如表２。 机床的转速范围为１０～１４００ｒ／ｍｉｎ，都不会发生共振，优化后的主轴在工作过程更远离共振发生的区域，满足要求。 ４ 结论 通过对机床主轴的动态模型建立并对其进行优化分析，在主轴设计阶段即得出相关结论。
数控机床主轴结构的改进和优化设计 严鹤飞 （天水星火机床有限责任公司技术中心 甘肃 天水 741024） 摘 要： 掌握机床主轴的关键部件，安装方式，轴承的调制环节以及材料、操作维护等，并且各种原因中又包含着多种影响因素互相交叉，因此必须对每个影响因素作具体分析。而对于优化设计理论的基本思想及其求解方法，将其应用于机床主轴的结构设计，建立了机床主轴结构优化设计的数学模型，并用内点惩罚函数法求解模型，得到了整体最优的结构设计方案，使机床主轴在满足各种约束要求条件下，刚度最好，材料最省。 关键词：机床主轴；轴承；调整；优化设计；数学模型 在数控机床中，主轴是最关键的部件，对机床起着至关重要的作用，主轴结构的设计首先考虑的是其需实现的功能，当然加工及装配的工艺性也是考虑的因素。 1. 数控机床主轴结构改进： 目前机床主轴设计普遍采用的结构如图1所示。图中主轴1支承在轴承4、5、8上，轴承的轴向定位通过主轴上的三个压块紧锁螺母3、7、9来实现。主轴系统的精度取决于主轴及相关零件的加工精度、轴承的精度等级和主轴的装配质量。在图1中主轴双列圆锥滚子轴承4的内锥孔与主轴1:12外锥配合的好坏将直接影响株洲的工作精度，一般要求其配合接触面积大于75%，为了达到这一要求，除了在购买轴承时注意品牌和等级外，通常在设计时对主轴的要求较高，两端的同轴度为0.005mm，对其相关零件，如螺母3、7、9和隔套6的端面对主轴轴线的跳动要求也较高，其跳动值一般要求在0.008mm以内。对一般压块螺母的加工是很难保证这么高的精度的，因而经常出现主轴精度在装配时超差，最终不得不反复调整圆螺母的松紧，而勉强达到要求，但这样的结果往往是轴承偏紧，精度稳定性差，安装位置不精确，游隙不均匀，造成工作时温升较高，噪音大，震动厉害，影响工件的加工质量和轴承的寿命。但对于重型数控机床用圆锥滚子轴承其承载负荷大，运转平稳，精度调整好时，其对机床的精度保持性较好，可对与轻型及高速机床就不十分有力了。 图1 通用机床主轴结构图 1— 主轴；2—法兰盘；3—圆螺母；4—双列圆柱滚子轴承；5—球轴承 6— 调整垫；7—圆螺母；8—双列圆柱滚子轴承；9-螺母
第一章概述 1.1设计目的 (2) 1.2主轴箱的概述 (2) 第2章主传动的设计 (2) 2.1驱动源的选择 (2) 2.2转速图的拟定 (2) 2.3传动轴的估算 (4) 2.4齿轮模数的估算 (3) 2.5V带的选择 (4) 第3章主轴箱展开图的设计 (7) 3.1各零件结构尺寸的设计 (7) 3.1.1 设计内容和步骤 (7) 3.1.2有关零件结构和尺寸的设计 (7) 3.1.3各轴结构的设计 (9) 3.1.4主轴组件的刚度和刚度损失的计算 (10) 3.1.5轴承的校核 (13) 3.2装配图的设计的概述 (13) 总结 (19) 参考文献 (20)
第一章概述 1-1设计目的 数控机床的课程设计，是在数控机床设计课程之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过数控机床伺服进给系统的结构设计，使我们在拟定进给传动及变速等的结构方案过程中得到设计构思、方案分析、结构工艺性、CAD制图、设计计算、编写技术文件、查阅技术资料等方面的综合训练，建立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养我们初步的结构设计和计算能力。 1-2 主轴箱的概述 主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来手比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。 第二章2主传动设计 2-1驱动源的选择 机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin时调节电枢电压的方法来调速的属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。 根据主轴要求的最高转速4000r/min，最大切削功率5kw，选择北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500r/min。 2-2 转速图的拟定 根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围Rdp=nmax/nd=3 而主轴要求的恒功率转速范围Rnp=3，远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率
新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书 学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计 接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系 设 计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。 设计(论文)要求 1．论文格式要正确。 2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。 3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。 4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。 论文指导记录 2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。 2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。 2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。 2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。 参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1 [2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5 [3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5 [4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1 [5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004
数控机床主轴部件结构 主轴部件是数控机床的核心部件，其运转精确度、耐磨性能、防震性能、机械强度等都会影响到工件加工的质量，再加上操作过程中还会有环境的影响以及人为因素的影响，工件加工的质量就更难得到保证。所以要从可控的方面着手，将一切可控因素都调整到位，比如数控机床的主轴结构设计以及主轴结构的日常维护等。 目前所使用的数控机床类型主要包括数控车床、数控铣床以及工件加工中心。 1.数控车床主轴部件结构特点 （1）主轴的主体结构是一个空心阶梯轴。 （2）主轴的前面部分主要由法兰盘和专门的卡盘结构组成。 （3）主轴的后面部分放置回转油缸。 （4）主轴空心部分用于设置油缸的活塞杆。 （5）车床的传动装置主要有齿轮传动、传送带传送以及齿轮-传送带组合传动等方式。 （6）驱动器主要作用是连接电动机，驱动数控车床的运转。 （7）光电脉冲编码器，用于测量主轴的转动速度，并
及时反馈信息至数控系统。 （8）回转油缸的主要作用是通过调整液压来控制卡盘装置与法兰盘的结合与分离。 2.数控铣床主轴部件结构特点 （1）同数控车床一样，主轴的中心是空心的。 （2）主轴的前面部分是一个比例为7：24的锥型孔洞，并且在端面上设有一对专门的主轴转矩检测装置将主轴转矩数据传输给铣刀。 （3）主轴的后面部分设有液压缸装置用于放松铣刀。 （4）主轴中间的空心部分用于弹簧的安装、以及铣刀固定刀爪的安装等。 （5）主轴的传动装置主要是齿轮传动，而且是变速传动。 （6）电气结构与数控车床相似，驱动器用于连接电动机，驱动数控铣床的运转；光电脉冲编码器，用于测量主轴的转动速度，并及时反馈信息至数控系统；液压缸的主要作用是通过调整液压来控制回路。 3.工件加工中心主轴部件结构特点 工件加工中心主轴部件的大致结构与数控铣床相类似，唯一不同的地方在于工件加工中心自带刀库和自动换刀的装置，自动化程度相对较高，在控制结构上与数控铣刀会有所不同，具体表现在：
西南科技大学网络教育 毕业设计（论文） 题目名称：论数控铣床的主轴箱结构相关设计 年级：层次：□本科□√专科 学生学号：指导教师： 学生姓名：技术职称：讲师 学生专业：机电一体化技术学习中心名称： 西南科技大学网络教育学院制
毕业设计（论文） 任务书 题目名称论数控铣床的主轴箱结构相关设计题目性质□√真实题目□虚拟题目 学生学号指导教师 学生姓名 专业名称机电一体化技术技术职称讲师 学生层次学习中心名称 年月日
毕业设计（论文）内容与要求： 1.设计部件名称：数控铣床的主轴箱 2．运动设计：根据所给定的转速范围及变速级数，拟定机床主运动传动结构方案(包括传动结构式、转速分布图)和传动系统图，确定各传动副的传动比，计算齿轮的齿数，主轴实际转速及与标准转速的相对误差。 3.根据数控铣床中的重要部件，做出电路图。 4．动力计算：选择电动机型号及转速，确定传动件的计算转速、对主要零件（如皮带、齿轮、主轴、轴承等）进行计算（初算和验算）。 5．结构设计 进行主传动系统的轴系、变速机构、主轴组件等的布置和设计并绘制展开图、剖面图、主要零件工作图。 毕业设计领导小组负责人：（签字） 年月日
毕业设计（论文）成绩考核表 过程评分评阅成绩答辩成绩 总成绩 百分制等级制 1、指导教师评语 建议成绩指导教师签字：年月日
2、论文评阅教师评语 建议成绩评阅教师签字：年月日3、毕业答辩专家组评语 建议成绩答辩组长签字：年月日4、毕业设计领导小组推优评语 组长签字：年月日
摘要 数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术是用数字化信号对机床运动极其加工过程进行控制的一种方法,随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经是一个国家机械工业水平的重要标准。 数控机床是装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。 数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业的渗透形成的机电一体化产品，起技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感技术；(6)软件技术等。计算机对传统机械业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业，具有广阔的发展天地。 数控机床就是将加工过程所需的各种步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都是用数字化的代码来表示。通过控制介质数字信息送入专用区域通用的计算机。计算机对输入的信息进行处理，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。 关键词：机械设计；主轴；数控系统。
课题一认识数控机床主轴零部件任务一认识数控机床主轴零部件 应用实例 如图1所示是数控加工中心主轴照片，图2是其主轴。 图1数控加工中心（含主轴部分） 图2数控加工中心主轴图3数控车床中的主轴
一、轴 1 轴的分类及轴上零件的固定 (1)轴的分类 轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。按照轴的曲线形状，轴可以分为直轴、曲轴和软轴，如图4所示： 图4轴的分类 （2）轴上零件的固定 轴承在轴上和外壳孔内定位方式的选择，取决于作用在轴上负荷的大小和方向，轴 承的转速，轴承的类型，轴承在轴上的位置等。 轴承的轴向定位方式有圆螺母定位，弹性挡圈定位，紧定螺钉定位，锁紧挡圈定位，圆锥面定位，轴端挡圈定位。如图5图所示： 图5轴承的轴向定位方式
轴承的周向定位方式有键连接，花键连接，销连接，无键连接，过盈连接。如图6图所示： 图6轴承的周向定位方式 2 轴的加工工艺性 轴类零件加工工艺要求保证轴的尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度、表面粗糙度等。此外，轴的加工还需要考虑轴的安装和定位，因此需要考虑加工出退刀槽、越程槽、键槽。 图7轴的加工工艺性
3 主轴端部的结构形状 主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在结构上，应能保证定位猴确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部的结构形状都已标准化。几种机床上通用的结构形式。车床主轴端部的结构形状和铣床主轴端部的结构形状图如图8所示。 图8主轴端部的结构形状 4 主轴结构常用材料 主轴结构常用材料如表1所示： 表1主轴结构常用材料 想一想 1.轴的作用是什么？对轴有哪些要求？ 2.阶梯轴有哪些结构？ 3.试述轴上零件的轴向固定方式及特点。
数控车床主轴箱设计 一、设计题目 Φ400 毫米数控车床主轴箱设计。主轴最高转速4000r/min ，最低转速30r/min ，计算转速150r/min ，最大切削功率5.5kw 。采用交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min 。 二、主轴箱的结构及作用 主轴箱是机床的重要的部件，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。 主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。 主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。 三、主传动系设计 机床主传动系因机床的类型，性能，规格尺寸等基本因素的不同，应满足的要求也不一样。再设计时结合具体机床进行具体分析，一般应满足下属基本要求： 1）满足机床使用性能要求。首先应满足机床的运动性能能，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等。 2）满足机床传递动力要求。主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。 3）满足机床工作性能要求。主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度、和抗振性，热变形特性稳定。 4）满足产品设计经济性的要求。传动链尽可能简短，零件数目要少，以节省材料，降低成本。 5）调整维修方便，结构简单、合理、便于加工和装配。防护性能好，使用寿命长。 四、主传动系传动方式 由题目知，我们设计的主轴箱传动方式为交流电动机驱动、机械传动装置的无级变速传动。再者，本题目中对精度要求一般，因此选用集中传动方式。另外主轴箱结构设计只需达到结构紧凑，便于集中操作，安装调整方便即可。 五、电动机的选择 按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。调速交流电动机又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。 根据设计要求采用交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min 。选用FANUC-S 系列8s 型交流主轴电动机。 六、 计算过程 主轴最高转速4000r/min ，最低转速30r/min ，计算转速150r/min ，最大切削功率5.5kw ； 交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min ； 主轴要求的恒功率调速范围max 400026.7150 nN i n R n === 电动机的调速范围450031500dN R == 在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机恒功率变速范围，所以在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，以扩大其功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。 根据以上分析，选择交流电动机的型号为： 若取3f dN R ?==，则可得到变速箱的变速级数 99 .2lg /lg ==f nN R Z ψ 所以，Z 可近似取为3，此处我们分别对Z=2、3、4三种情况进行研究，比较。 1） Z=3 根据f nN R Z ψlg /lg =可以得出99.2=f ψ，查表2-5取f ψ的标准值为3.0，dN f R =ψ,即主传动系功率特
数控机床主轴箱设计 数控机床主轴箱设计 楚海涛 继续教育学院 机电一体化 指导老师：杨建宇 二0一一年十月二日
数控机床主轴箱设计 毕业设计（论文）任务书
摘要 主轴箱为数控机床的主要传动系统，它包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。 本设计采用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500r/min。通过给定的技术参数来初步设定部分轴、齿轮等单元的结构尺寸，对传动系统进行理论力学分析，精确计算选定尺寸及材料，由电机转速传动至进给系统的参数反馈，校核所选定主轴和转动轴尺寸的合理性完成整体结构设计，最后对齿轮进行了验算以及V型带的、离合器的选择与计算。 通过本次设计，使数控机床结构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密，有利于改善数控机床的性能，使得产品的加工更加高效。 关键词：数控机床；主轴箱；交流调速电动机；BESK-8
Abstract For the spindle box of NC machine tool main transmission system which comprises a motor, the transmission system and the spindle, it with ordinary lathe spindle box is relatively simple, only two or three stage gear transmission system, it is mainly used to expand the range of stepless speed regulation of motor, to meet a certain constant power, and speed problems. This design uses the Beijing CNC equipment factory of type BESK-8 AC spindle motor, maximum speed is 4500r / min. Through the given technical parameter to set an initial portion of the shaft, gear unit size, the transmission system of theoretical mechanics analysis, accurate calculation of the selected size and material, the motor speed drive to the feed system parameters feedback, check the selected spindle and rotary shaft size is reasonable to complete the overall structure design, assembly drawing and parts graph.
机床主轴结构优化设计【教学目标】 1.掌握优化设计方法与传统设计方法在轴设计上的异同 2.学会分析问题 3.掌握确定目标函数、设计变量、约束条件的方法 4.掌握计算方法的选择 【教学重点】 1.学会分析问题 2.掌握确定目标函数、设计变量、约束条件的方法【教学难点】 1.掌握确定目标函数、设计变量、约束条件的方法【教学过程】 一、以工程实际案例引入课题 【比较】轴的传统设计方法 经验法类比法设计更改繁琐且修改量较大 1、按扭转强度条件初步估算轴的直径
2、按弯扭合成强度计算轴的直径 3、按疲劳强度精确校核 4、按静强度条件进行校核 一、数学模型的建立 在设计这根主轴时，有两个重要因素需要考虑。一是主轴的自重；一是主轴伸出端c 点的挠度。 对于普通机床，不要求过高的加工精度，对机床主轴的优化设计，以选取主轴的自重最轻为目标，外伸端的挠度为约束条件。 当主轴的材料选定时，其设计方案由四个设计变量决定。孔径d 、外径D 、跨距l 及外伸端长度a 。由于机床主轴内孔用于通过待加工的棒料，其大小由机床型号决定。不作为设计变量。故设计变量取为 [][]123T T x x x x l da == 机床主轴优化设计的目标函数为 ()()()2213214f x x x x d πρ=+- 再确定约束条件 ()00 g x y y =-≤ 在外力F 给定的情况下，y 是设计变量x 的函数,其值按下式计算 ()23Fa l a y I π+=
()4464I D d π=- ()() ()23130442640 3Fx x x g x y E x d π+=-≤- 刚度满足条件，强度尚有富裕，因此应力约束条件可不考虑。边界约束条件为设计变量的取值范围，即 min max min max min max l l l D D D a a a ≤≤≤≤≤≤ 将所有的约束函数规格化，主轴优化设计的数学模型可表示为： ()()()()()() ()()()()2213223131044221min 32min 42max 53min 14 64/1031/0 1/0 /10 1/0 f x x x x d Fx x x g x y E x d g x x l g x x D g x x D g x x a πρπ=+-+=-≤-=-≤=-≤=-≤=-≤ 二、计算实例。 如图所示的主轴进行优化设计,已知主轴内径d=30mm,外力F=15000N, 许用挠度=0.05mm 。设计变量数n=3, 约束函数个数m=5, 收敛精度
数控车床总体设计及其主轴箱设计要点(doc 47页)
开题报告 题目：数控车床总体设计及主轴箱设计专业：机电一体化 学生： 学号： 指导教师：
1、
2、理论的渊源及演讲过程 现代数控技术的发展趋势主要是高速化、高精度化、多功能和智能化 目前，柔性制造技术的发展也相当迅速。柔性制造技术主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。 柔性制造单元可由一台或多台数控设备组成，即具有独立的自动加工的功能又部分具有自动传送和监控管理的功能。柔性制造单元有两大类：一类是数控机床配上机器人另一类是加工中心配上工作台交换系统若干个柔性制造单元可组成一个柔性制造系统 柔性制造系统是一个由中央计算机控制的自动化制造系统。他是由一个传输系统联系起来的一些数控机床加工中心。传输装置将工件放在托盘或其他连接设备上送到加工设备使加工能够准确、迅速和自动的进行 计算机集成制造系统就是利用计算机进行信息集成，从而实现现代化的生产制造以求的企业的总体效益。计算机集成制造系统是建立在多项先进技术基础上的高技术制造系统，他综合利用了CAD/CAM、FMS、FMC及工厂自动化系统，是面向二十一世纪的生产制造技术。 3、国内有关研究的综述 随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。 “十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39%；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国
摘要 数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。 本次设计课题是CK6140数控卧室车床，CK是数控车床，61是卧式车床，40是床身上最大工件回转直径为400mm。 此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计，其中还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和软件系统设计，说明了芯片的扩展，键盘显示接口的设计等等。 车床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其他基准面，车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。设计主抽箱主要是从主传动系统的运动设计、主运动部件的结构设计和箱体这三方面进行设计。 主传动系统的运动设计有:确定极限转速、确定公比、确定转速级数、确定结构网和结构式、绘制转速图、确定齿轮齿数和拟定传动系统图。 主运动部件的结构设计有：带传动的设计、确定各种计算转速、确定齿轮模数、确定各轴最小直径和设计部分主轴主件。 关键词：数控机床；开放式数控系统；电动机；纵向进给设计
Abstract The numerical control lathe called the numerical control (Numbercal control, is called NC) the engine bed. It is based on the numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed. This design topic is the CK6140 numerical control bedroom lathe, CK is the numerical control lathe, 61 is the horizontal lathe, 40 is on the lathe bed the biggest work piece rotation diameter is 400mm. This design including the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design, also includes the gear modulus computation and the examination, the main axle rigidity examination and so on. The control system partially including step-by-steps the electrical machinery to select and the hardware circuit design and the software system design, explained the chip expansion, keyboard demonstration connection design and so on. Key word： numerical ；control tool；Open-architecture；motor
第12期2011年12月 组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool ＆Automatic Manufacturing Technique No．12Dec．2011 文章编号:1001－2265(2011)12－0022－03 收稿日期:2011－05－25 *基金项目:南京工程学院科研基金项目(KXJ08024) 作者简介:杜官将(1967—)，男，江苏盐城人，南京工程学院讲师，南京理工大学在读硕士研究生，研究方向为先进制造技术， (E －mail )gujidu@126．com 。 基于ANSYS 的机床主轴结构优化设计 * 杜官将1，2，李东波 2 (1．南京工程学院机械工程学院，南京211167;2．南京理工大学机械学院，南京210094)摘要:运用APDL 建立机床主轴的参数化有限元模型，应用ANSYS 优化设计功能，以主轴的重量为优 化目标，对主轴的支承跨距、外径、悬伸长度和传动件安装位置进行了优化计算，并对优化结果进行了分析。结果表明:主轴结构优化后，在保证机床各种性能的前提下，主轴重量得到有效的减小。关键词:机床主轴;优化设计;ANSYS ;APDL 中图分类号:TH16;TG65 文献标识码:A Optimization Design of the Structure of Machine Tool Spindle Based on ANSYS DU Guan-jiang 1，2 ，LI Dong-bo 2 (1．School of Mechanical Engineering ，Nanjing Institute of Technology ，Nanjing 211167，China ;2．School of Mechanical Engineering ，Nanjing University of Science and Technology ，Nanjing 210094，China )Abstract :A parameterized FEA model of machine tool spindle was established using APDL in ANSYS．Choosing the weight of spindle as the optimizing target ，its bearings distance and the outer diameter and overhang distance between the front spindle and the front bearing and the location of transmission parts were calculated by using the optimized function integrated in ANSYS ，and analysis on the optimized data was made．The result reveals its weight has significantly reduction in meeting various performance of the machine tool． Key words :machine tool spindle ;optimization design ;ANSYS ;APDL 0问题的提出 机床主轴部件是机床实现旋转运动的执行件， 是机床中的一个非常重要的零件，它关系到整个机床的使用性能，机床设计成功与否在一定程度上取决于主轴系统设计的优劣。机床主轴一般为多支撑空心阶梯轴，通常采用二支承或三支承，在主轴上安装有传动件，传递动力和运动，在主轴前轴通常装有刀具或工件，在切削加工过程中，有切削力作用于主轴。因此，机床主轴的优化设计始终是机床设计的一项重要内容。截至目前为止，关于主轴结构的优 化设计，国内外学者已经提出了不少方法［1］ 。于国 平利用惩罚函数法对机床主轴结构进行了优化［2］ ，沈浩等利用MATLAB 对机床主轴结构进行了优化设计［3］，裴大明等采用有限元法对主轴进行了优化［4］，宋春明等应用有限元方法对电主轴结构进行了优化［5］ 。上述方法中，有的忽略了主轴轴承的特性，把其 看作刚性支承，有的未考虑主轴上传动件的位置、作用 力对主轴的影响，使建立的主轴模型不够准确，对主轴的优化结果产生了一定的影响。本文以普通机床的主轴为研究对象，在考虑主轴传动件位置、作用力及轴承刚度的基础上，利用ANSYS 的APDL 对机床主轴进行参数化建模，利用ANSYS 软件对其进行优化设计，使优化设计结果更接近实际情况。 1 ANSYS 优化设计原理与步骤 1.1 ANSYS 的优化设计原理 机床主轴的优化大多以在一定的约束条件下主轴刚度最好或质量最轻为目标，对轴承的支承跨度、轴径、悬伸长度等进行优化。由于主轴部件结构的复杂性及对主轴性能的更高要求，传统的材料力学分析方法已显得无能为力。有限元法是一种数值计算方法，它能够精确地对大多数机械结构进行结构
目录 绪论 (1) 第1章主传动系统设计概述 (3) 第2章数控铣床主传动系统的配置方式 (4) 第3章主轴电动机的选取 (5) 第4章同步带传动设计与计算 (6) 4.1、同步材料选择 (6) 4.2、同步带参数的计算 (6) 4.2.1、模数的选取 (6) 4.2.2、小带轮齿数 (6) 4.2.3、同步带节距 (6) 4.2.4、节圆直径 (7) 4.2.5、大带轮齿数 (7) 4.2.6、大带轮直径 (7) 4.2.7、带的速度 (7) 4.2.8、定中心距 (7) 4.2.9、带的节线长度 (7) 4.2.10、计算中心距 (7) 4.2.11、带轮与带的啮合齿数 (8) 4.2.12、带宽 (8) 4.2.13、作用在轴上的力 (8) 4.2.14、小带轮的最小包角 (8) 4.2.15、带轮宽度 (8) 第5章主轴组件的设计 (9) 5.1、主轴组件的设计要求 (9) 5.1.1、回转精度 (9) 5.1.2、主轴刚度 (9) 5.1.3、主轴的抗振性 (10) 5.1.4、主轴温升 (10) 5.1.5、主轴耐磨性 (10) 5.1.6、提高主轴组件抗振性的措施 (10) 5.2、减少主轴组件热变形的措施 (10) 5.3、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算 (11) 5.4、主轴转动装置箱体的作用 (13) 5.5、主轴箱体的截面形状和壁厚的计算 (15) 第6章主轴轴承的选择 (15) 6.1、轴承的选择和轴承的精度 (15) 6.2、轴承预紧力的要求 (15) 6.3、主轴轴承的润滑与密封 (16) 6.4、选取轴承求 (16) 6.5、轴承寿命校核 (18) 6.6、轴承座孔的设计要求 (19) 第7章联接键的选择碟形弹簧的选择与计算 (20)
课题十六车床主轴箱的拆装 车床主要是用来加工各种回转表面，包括端面、外圆、内圆、锥面、螺纹、回转沟槽、回转成形面和滚花等，普通车床加工尺寸精度一般为IT10～IT8,表面粗糙度值Ra=6.3～1.6μm。如图16—1所示，车床一般由主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、床身、底座以及车床附件等组成。 图16—1 车床的结构示意图 1—主轴箱；2—卡盘；3—刀架；4—后顶尖；5—尾座；6—床身 7—光杠；8—丝杠；9—溜板箱；10—底座；11—进给箱 普通车床的型号是用汉拼音字母和数字，按一定规律组合来表示机床的类型和主要规格，以CA6140为例说明。 车床主轴箱的功用主要是安装主轴和主轴的变速机构，主轴前端安装卡盘以夹紧工件。并带动工件旋转实现主运动。为方便安装长棒料，主轴为空心结构。车床的主轴箱是车床的变速机构和动力分配机构，它能正常、平稳运转是车床工作的首要条件。主轴箱也是一个复杂的装配体，是一个集合了带传动、链传动、齿轮传动、凸轮机构、离合器机构、变速拨叉机构以及各种轴、轴承等的复杂的机构。
本课题以车床主轴箱为例来叙述机床主轴部件的拆卸、检测、装配与调整。 16.1 拆装过程中的注意事项 1.拆卸前，仔细观察拆卸对象，确定拆卸顺序，做好位置记号；按照教师的要求，对机构、轴系组件进行拆卸；拆下后按装配顺序成组放好；紧固螺钉、键、销等件拆卸后装入原孔（槽）内，防止丢失。 2.拆装中，用铜棒传力，不得用手锤直接敲打工件；拆卸滚动轴承用拉马；拆卸轴上零件时，着力点应尽量靠近轮毂；拆装过程要放稳工件，注意安全。 3.拆卸螺纹联接要特别检查有无防松垫片或其他防松措施；拆卸角接触轴承、推力轴承要特别注意轴承装配方向及其调整垫片的位置。 4.拆卸中用力适当；拆卸弹性挡圈或调节弹簧力的螺纹连接件时，防止零件弹出伤人。 5.拆卸圆锥销时，要用冲子，从小端施力，禁止反向敲击。 6.装配时注意装配件的初始位置和装配顺序；螺纹紧固力应均匀；按教师要求进行间隙（游隙）位置的调整，调整后盘动机构，手感应轻便且阻力均匀无窜动。 7.机械装配前必须进行清洗。清洗剂一般用煤油，也可用金属清洗剂等；清洗滚动轴承等精密零件要用绸布，以防纤维脱落影响零件正常工作。 任务1 CQ6136车床主轴箱的拆装 1．CQ613车床的主轴箱的结构 CQ613车床的主轴箱是由主轴部件、其它传动轴部件及操纵机构等组成。主轴箱内各传动件的传动关系，传动件的结构、形状、装配方式及其支承结构，常采用展开图的形式表示，如图16—2所示。