(完整版)数控车床主轴设计
绪论
随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。
现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。
本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计、计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。
一、设计题目及参数
1.1 题目
本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。
主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。
1.2参数
床身回转空间400mm
尾架顶尖与主轴端面距离1000mm
主轴卡盘外径Φ200mm
最大加工直径Φ600mm
棒料作业能力50～63mm
主轴前轴承内和110～130mm
最大扭矩480N·m
二、主轴的要求及结构
2.1主轴的要求
2.1.1旋转精度
主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。
主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。
通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。
2.1.2 静刚度
主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。
各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。
2.1.3抗振性
主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。
振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。
影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度，质量分布和阻尼（特别是主轴前支撑的阻尼），主轴的固有频率应远大于自激振动的频率，以使它不易发生共振。
目前，尚未制定出抗振性的指标，只有一些实验数据可供设计时参考。
2.1.4温升和热变形
主轴组件工作时因各相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化（热变形）。
主轴组件受热伸长，使轴承间隙发生变化。温度使润滑油粘度降低，降低了轴承的承载能力。主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。前后轴承的温度不同，还会导致主轴轴线倾斜。
由于受热膨胀是材料固有的性质，因此高精度机床要进一步提高加工精度，往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热，如何控制温度，是高精度机床主轴组件的研究的主要课题之一。
2.1.5耐磨性
主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。对精度有影响的首先是轴承，其次是安置刀，夹具和工件的部位，如锥孔，定心轴径等。
为了提高耐磨性，一般机床主轴上的上述部分应淬硬至HRC60左右，深约1mm.
2.1.6材料和热处理
主轴承载后允许的弹性变形很小，引起的应力通常远远小于钢的强度极限。因此，强度一般不做为选材的依据。
主轴的形状，尺寸确定之后，刚度主要取决于材料的弹性模量。各种材料的弹性模量几乎相同，因此刚度也不是选材的依据。
主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。普通机床的材料通常是45号或60号优质中碳钢，数控机床需调质处理和淬火。
2.2主轴的结构
为了提高刚度，主轴的直径应该大些。前轴承到主轴前端的距离（称悬伸量）应尽可能小一些。为了便于装配，主轴通常作成阶梯形的，主轴的结构和形状与主轴上所安装的传动件，轴承等零件的类型，数量，位置和安装方法有直接的关系。
主轴中的孔主要用于通过棒料，拉杆或其它工具。为了能够通过更大的棒料，车床的中空希望大些，但受刚度条件的影响和限制，孔径一般不宜超过外径的70%。主轴的结构如（附图1）。
图1
三、主传动系统变速方式
为了适应不同的加工要求，数控机床主传动主要有以下几种配置方式：
（1）带有变速齿轮的主传动。这种方式在大、中型数控机床采用较多。通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求，一部分小型数控机床也采用此种传动方式。以获得强有力的切削时所需要扭矩。数控机床使用可调无级变速交流、直流电动机。所以经齿轮变速后，实现8段无级变速，调速范围增加。其优点是可满足各种切削运动输出转矩，具有大范围调速能力。但是由于结构复杂，需要增加润滑及温度控制装置。成本较高，此外，制造和维修也比较困难。（参图a）
（2）一级带传动变速方式。这种传动方式主要应用在中小型数控机床上。采用V型带或同步带传动，可以避免齿轮传动时可引起的振动与噪声，适用于低扭矩特性要求的主轴。这种方式结构简单，安装方便，调试容易，被广泛用于许多数控机床传动中。（参图b）（3）调速电机直接驱动方式，这种主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高主轴部件的刚度，由于结构紧凑，占用空间少，加工中心的可加工空间相对变大。但是主轴转速的变化及扭矩的输出和电动机输出特性完全一致，电动机的发热对主轴的精度影响大，最好装有冷却装置，否则使用还是受到约束。（参图c）
（4）电主轴直接驱动方式：这种驱动方式其实和（c图）方式差不多，但这种传动方式结构方式更为紧凑，占用空间更小。它主要是将主轴作为电机的转子，箱体壳（与主轴配合箱体壳）作为电机的定子。但是这种电机形式的主轴结构，连带主轴组件都是成套，
要求很高，精度也高。另外制造成本也很高。且容易发热，同样会影响主轴精度。（参图d）以下为传动方式的结构图:
图（a）带有变速齿轮的主传动图（b）一级带传动变速方式
图(c) 调速电机直接驱动方式图(d) 电主轴直接驱动方式综上所述，进行各种传动方式优缺点进行分析和比较来选取本设计所采用的主轴传动方式。首先是该设计为数控车床，主轴选用带传动（同步齿形带），主轴主要是车削加工，必须保证其加工精度，而带传动能缓和冲击、吸收振动，故传动平稳。由此选用一级带传动变速方式。
四、机床夹具的确定
本次设计的数控车床所加工工件长度约为300mm长（附图2），夹具相对设计较单一，选用卡盘夹紧工具即可满足加工要求。卡盘夹紧工件与主轴联接，并与主轴同步旋转。
对于数控车床夹具主要就是卡盘夹具。卡盘从它的工作原理上分为以下几种类型：
①手动松紧卡盘
②液压松紧卡盘
③气动松紧卡盘
④电动松紧卡盘
首先从数控车床的自动化程度讲，手动卡盘属人工操作，不合适。另外液压和气动松紧卡盘实际工作原理相似，一个是油泵进行驱动，一个是气泵驱动，结构设计简明，传动机构简单。另外电动卡盘同样结构紧凑，效率高，但综上所述，我们选择液压卡盘，液压
卡盘结构紧凑，自动化程度高，结构比电动卡盘简单，有时可改装为与其相似的气动卡盘。另外所设计的数控车床许多装置重于用液压系统，所以用液压卡盘是比较合理的。液压卡盘的控制原理实质为一锁紧回路（附图3）。
五、主轴主要参数的计算及校核
5.1主轴主要参数的计算
主轴的主要参数是：主轴前端直径D1，主轴内径d 。主轴悬伸量a 和主轴支撑跨距L 。 5.1.1主轴前端直径D1
功率（kw ）
D1 机床 1.4～2.5
2～3.6
3～5.5
5～7.3
7.4～11
车床 60～80 70～90 70～105 95～130 110～145 铣床及加工中心 50～90 60～90 60～95 75～100 90～105 外圆磨床
——
50～60
55～70
70～80
75～90
车床、铣床、镗床、加工中心等机床因装配的需要，主轴直径常是自前往后逐渐减小的。前轴颈直径D1大于后轴直径D2。对于车、铣床一般21(0.70.9)D D ～，由上表可取
D1=110mm 。
因此可知由式子
21(0.70.9)D D =～
后端直径21100.7582.5D mm =?=
圆整后 2
80D mm =
5.1.2主轴内径 d
主轴内孔径与机床类型有关，主要用来通过棒料、镗杆、拉杆或顶尖。确定内孔径原则是为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求下，应取最大值。
主轴的内径是通过刀具夹具装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，主轴部件的相对重量就越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴相等；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。
主轴本身刚度K 正比于抗弯断面惯性矩I
4
11
1()k I d k I D ==-空空实实
由式子可知取孔径的直径极限1max d
为
1max 10.7d D <
此时若孔径再大，刚度急剧下降
根据推荐值
1
1
0.6d D =～0.65 取 1
1
0.6d D = d1=55 mm 5.1.3主轴前端悬伸量a 确定
图5-1
主轴悬伸量指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径支撑中点）的距离，参考（1）表6.1-45，它主要取决于主轴前端部结构形式和尺寸，前支撑轴承配置和密封等。因此主要由结构设计确定。
悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比，故应尽量取小值。 E---材料的弹性模量
I---轴惯性距
1K --前刚度值 2K --后刚度值
初选a 值可参考下表5-2确定
表5-2
计算得悬伸量为80mm 5.1.4 主轴跨距的确定
主轴跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素，目的是找出在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距（0l ）。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得最优值，因此设计时尽量达到最优值。
前端角接触球轴承的刚度（主要为轴向刚度）
3.443332.370a N
k m μ=?=
其中：
0e F F F ααα=+
内径为110mm,查参考（2）表4.3-5
25
α=o
20z
= 19.05b d =
查轴承样本额定动载荷74c KN =
取10
e
c
F α= 7400e F N α= 01380F N α=
计算得主轴跨距为300mm 5.2 轴的刚度计算
如果主轴前后轴承由数段组成，则当量直径d
1122n n d l d l d l d l
+++=
L （mm ） （参考文献2）
式中 1d 、1l 、2d 、2l 、…、n d 、n l ——分别为各段的直径和长度（㎜）；
l ——总长，12()n l
l l l mm =+++L
如果前后轴承的直径相差不大，也可把前后轴承直径的平均值近似地作为当量直径d 。 主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不记，后悬伸部分不影响刚度，也可不计算。如主轴前端作用一外载荷F 如下图（参考文献3）
图5-2 主轴组件计算模型 则挠度：
223()1033s Fa l Fa l mm EI El
δ==? （参考文献2）
2544132749030032100.05(11066)6.67m m ??=
????-=μ<μ
式中 F ——外载荷（N ）；
a ——前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm ）； l ——跨距，等于前后支承的距离（mm ）；
E ——弹性模量，钢的
5
210()E MPa =? ；
I ——截面惯性距,
4440.05()()
i I d d mm =-；
i d d 、——主轴的外径和孔径（mm ）。
又因为/0.6i d d =，孔的影响可以忽略由此可得主轴刚度满足要求。
六、主轴轴承的选择
6.1 轴承的选型
主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。
滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承有专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体的数目有限，刚度是变化的，抗震性略差，但总体来说，数控机床主轴组件在可能的条件下，应尽量使用滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴在套筒内能够做轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑，以避免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。
主轴轴承主要应根据精度、刚度和转速来选择，为了提高精度和刚度，主轴轴承间的间隙应该是可调的。线接触的滚子轴承比点接触的球轴承的刚度高，但一定温升下允许的转速较低，下面就简述几种常用的数控机床主轴的机构及适用范围。
6.1.1 角接触球轴承
这种轴承既可以承受径向载荷又可以承受轴向载荷。常用的接触角主要有两种： ａ=25°，ａ=15°，其中ａ=25°的编号为7000AC 型（旧代号为46100型），属于特轻型；或编号为7190AC 型（旧代号为46900型），属于超轻型。ａ=15°的编号为7000C 型（旧代号为36100型），属于特轻型；或编号为7190C 型；或编号为7190C 型（旧代号为1036900型），属于超轻型。如图6-1所示（参考文献2）
.
图 6-1角接触球轴承
角接触球轴承多用于高速主轴，随接触角的不同，其应用有所区别，α=25°的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，多用于车、镗、铣加工中心等主轴；α=15°的转速可更高一些，但是轴向刚度较低，常用于轴向载荷较小、转速较高的磨床主轴或不承受载荷的车、镗、铣主轴后轴承。
图6-2角接触球轴承
这种轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的方法。所以本设计前支承采用双联组配的方式，代号为DF。
6.1.2 圆柱滚子轴承
图6-3为双列圆柱滚子轴承（参考文献2），他的特点是内孔为1：12的锥孔，与主轴的锥行轴径相配合。轴向移动为内圈，可把内圈胀大，以消除径向间隙或预紧，这种轴承只能承受径向载荷。
图 6-3双列圆柱滚子轴承
6.1.3圆锥滚子轴承
圆锥滚子轴承既能承受径向载荷，又能承受双向的轴向载荷，滚子数量大，故刚度和承载能力均较大。由于圆锥滚子轴承是外缘凸肩轴向定位，因而箱体上通孔加工方便，但
缺点是滚子大端的端面与内圈挡边之间为滑动摩擦，发热较大，故允许的极限转速较低。
6.1.4深沟球轴承
这种轴承只能承受径向载荷，轴向载荷则由配套的推力轴承承受。此种轴承一般不能调整，常用于精度要求和刚度要求不太高的地方。
在本设计中，前轴承采用角接触球轴承以适应较高速的要求。主轴轴向载荷较大，故α=?的轴承。轴向力的方向是从轴头部指向尾部，故前轴承采用三联组配，选用接触角25
前两轴承同向都面朝前，共同承担轴向载荷。后一轴承与前两轴承背靠背，以实现预紧。后支承的载荷较大，因此采用双列圆柱滚子轴承。这种轴承的外圈是可以分离的，主轴热膨胀时，可连同轴承内圈的滚子在外圈滚道上轴向移动。后轴承直径比前轴承小，预紧力也小，因此温升不致超过前轴承。
6.2轴承间隙调整和预紧
主轴轴承的内部间隙，必须能够调整。多数轴承，还应能够在过盈状态下工作，使滚动体和滚道之间有一定的欲变形，这就是轴承的预紧。
轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚动体和滚道接触。预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更均匀。这都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方向都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且太大的预紧将使轴承的寿命降低，故预紧要适当。本设计为数控车床的主轴组件设计，功率相对较小，所以取中预紧。
七、主轴箱箱体的设计
7．1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。
7.2主传动设计
7.2.1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。
7.2.2传动轴的估算
传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下不至于产生过大的变形。如果刚度不够，轴上的零件由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效，因此，必须保证传动轴有足够的刚度。
计算转速n是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转
速图是直接得出，如表2-1所示。
各轴的计算转速
表7-2-1
各轴功率和扭矩计算：
已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），同步带传动效率为0.98，则 I轴：P1=Pd x 0.98=7.5 x 0.98=7.35KW
II 轴 p2=p1 x 0.97=7.5 x 0.97=7.28KW
III轴 P3=P2 x 0.97=7.28 x 0.97=7.06KW
10
II轴扭矩：T2=9550P2/n2=9550 x x7.28/530=1.31x5
10 [Φ]是每米长度上允许
III轴扭矩：T3=9550 P3/N3=9550 x 7.06/140=4.82x5
的扭转角（deg/m）,可根据传动轴的要求选取，其选择的原则如表7.2-2所示。
表7-2-2
表7-2-3
把以上确定的各轴的输入功率N=7.5KW ，计算转速nj ，允许扭转角[Φ]代入扭转刚度的估算公式
,可得传动轴的估算直径：
2d ===
40mm
3d ===
52.06mm
1d ==
31.39mm.最后取值如下表所示：
主轴轴径尺寸的确定：
已知车床最大加工直径为Dmax=400mm,
则
主轴前轴颈直径 D1=0.25Dmax
+15=85-115mm 后颈直径 D2=(0.7-0.85)D1=67-81mm 内孔直径 d=0.1Dmax +10=35-55mm 7.2.3齿轮模数的估算
按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。
齿轮模数的估算方法有两种，一是按齿轮的弯曲疲劳进行估算，二是按齿轮的齿面点蚀进行估算。这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知。
根据齿轮不产生跟切的基本条件：齿轮数不小于17。由于Z3,Z3’这对齿轮有较大的传动比，各个齿轮中最小齿数的齿轮必然是Z3. 取Z4=22,S=105,则Z4’=83
从转速图上直接看出Z3的计算转速是530r/min.根据齿轮弯曲疲劳估算公式
2.7m ω≥==
根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算 得m=2.7
由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为m=3 mm,对比上面的结果，可知这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，故取同一变速组中的所以齿轮的模数都为m=3mm.可得两轴中心距为a=157.5mm.圆整为a=158mm.. 7.2.4V 型带的选择；
V 带选择V 型带，取小带轮的大小72mm ，大带轮的大小为204mm ； 2-5-1确定中心距a 和带的基准长d L
如果中心距未给出，可根据传动的结构需要初定长度中心距a0，取
0.7（12d d d d +） d d d d +），193.2 几何关系，按下式计算所需代的基准长度 ' d L ：' d L =2a0+2π （12d d d d +）+ 2 22 )4(d d d d a - 得到' d L =855.4，取d L =900mm a=a0+ ' 2 d d L L -=200+(900-855.4)/2=222mm 。 验算主动轮上的包角1α： 00 21 118057.5d d d d a α-=- ?=0145.8>=0 120； 确定带的根数z ： 00 2.7 ()ca a L p z p p k k +?= =根，圆整为3根。 V 带速度的验算： 11 116.73/601000d d d n V m s π==? 22 216.96/601000d d d n V m s π==? max 2530/V m s =-- 12max d d V V V << 故带符合要求。 7.3主轴箱展开图的设计 主轴箱展开图是反应各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸，并以此为依据绘制零件工作图。 7. 3.1 各零件结构和尺寸设计 1．设计内容和步骤 通过绘图设计轴的结构尺寸以及选出轴承的型号，确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。 2 ．有关零件结构和尺寸的确定 传动零件，轴，轴承是主轴部件的主要零件，其他零件的结构尺寸是根据主要零件的位置和结构而定。 齿宽影响齿的强度。轮齿越宽承载能力越高。但如果太宽，由于齿轮的制造误差和轴 的变形，可能接触不均，反而容易引起振动和噪声，一般取齿宽系数m Φ=（6-10）m.这里取齿宽系数m Φ=10，则齿宽B=m ΦX m=10x3=30mm.各个齿轮的齿厚确定如表3-1. 表7.3-1 由计算公式； 齿顶：1221 (2)(1);(2) a d z m h d z h d **=+==+ 齿根：11 (22)(0.25)f z h c m c d *** =--=得到下列尺寸表 齿轮的直径决定了各轴之间的尺寸。各主轴部件中各个齿轮的尺寸计算如下表3-2 表7.3-2 表7.3-3 3)确定齿轮的轴向布置 为避免同一滑移齿轮变速组内的两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的宽度，一般留有间隙1-2mm 。 轴承的选择及其配置 主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承，又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要根据主轴的刚度，承载能力，转速，抗振性及结构要求合理的进行选定。 3. 各轴结构的设计 Ⅰ轴的一端与带轮相连，将Ⅰ轴的结构草图绘制如图 7.3-2 图7.3-2 Ⅱ轴其结构完全按标准确定，根据其周详的尺寸可将结构简图绘制如图7.3-3 所示： 图7.3-3 4. 主轴组件的刚度和刚度损失的计算： 最佳跨距的确定： 取弹性模量E=5 2.110?N/2 mm ， D=（90+65）/2=77.5mm ； 主轴截面惯距： 4464 () 1.64102 D d I mm π-= =? 截面面积；A=3459.92 mm 主轴最大输出转矩：59550000 5.1210.n P M N mm n ==? /2002560450/2n z n M F M N == 0.51280Y z F F N == 故总切削力为：222862.17z y F F F N =+= 估算时，暂取 0/3, L a =即取270mm 前后支承支反力 3816.22a R N = 954.06b R N = 取a k =1033000N/mm 53.6710/b k N mm =? 3 0.338 a EI K a η==? 则0/ 2.5 L a = 则 L =225mm 当量切削力的计算： P=（a=B ）/a ＝3639对于车床 B=0.4max D =160mm 则水平面内：1819.5h p N = 垂直面内： 1273.65v p N = 主轴端部的挠度计算： 3221211(1)(1)(1)()3p a L a a a a Y EI a EA L K L K L ??=++++++ ? ?? 38.19610ph Y mm -=?， 35.73710pv Y mm -=? 传动力的作用下，主轴端位移的计算公式见下式： 212()1(1)(1)6Q bc L c a b a ab Y Q EIL k L L K L ?? +=-+-+- ??? 式中：“－”号表示位移方向上与力反向，b 表示齿轮与前支承的距离，c 表示齿轮与后支承的距离，将各值带入，得 34.30710Qh Y -=-? 3 3.8610Qv Y -=-? 水平面内：33.88910H Y mm -=? 垂直面内： 31.87710v Y mm -=? 则主轴最大端位移为： 3max 4.3910Y mm -=? 已知主轴最大端位移许用值为[ ] y ＝0.0002L ＝0.09mm 则max Y <[]y ，符合要求。 主轴倾角的验算： 在切削力p 的作用下主轴前轴承处的倾角为： 水平面： 57.110rad 3H ph p La EI θ-= =? 垂直面内： 54.910rad 3V pV p La EI θ-= =? 传动力Q 作用下主轴倾角为： 水平面内：5 3.86710QH θ-=-?rad 垂直面内： 5 3.46510H θ-=-?rad 则主轴前轴承处的角为53.23310rad H PH QH θθθ-=+=? 垂直面内： 5 1.43510V PV QV θθθ-=+=? rad 5max 3.53710rad θ-==? 故符合要求。 7.3.5轴承的校核： 齿轮受切向力2911te F N = 径向力： 0.51455.5re F p N ==；切削力F=1310N ，径向切削力0.5655r F p N == 轴向切削力 0.35458.5a F p N ==， 转速n=4000r/min d=90mm 垂直面内的受力分析： 166213.47450re r v F F N ?== 23841242.03450re r v F F N ?== 水平面内的受力分析： 1903842615.05450r te r h F F F N ?+?== 254066359450r te r h F F F N ?-?== 故合力： 12623.7r F N = 21292.89r F N = 求两轴承的轴向力:对70000AC 型轴承 d r F eF = 1110.681778.23d r r F eF F N ==?= 2220.68879.2d r r F eF F N ==?= 121337.7a a d F F F N =+= 22879.2a d F F N == 101337.70.012108a F c = 22879.20.019 46.2a F c ==两次计算的差值不大，因此，确定120.68e e ==， 当量动载荷： 1111337.7 0.5092623.7a r F e F ==< 112879.20.681292.89a r F e F === 对两轴承取X=1，Y=0； X=1，Y=0； 由载荷性质，轻载有冲击故取 1.5 p f = 当量载荷： 111() 1.52623.73935.6p r p f X F N ==?= 222() 1.51292.891939.3p r p f X F N ==?=。 因为12p p >所以可知其寿命61 10()14334660h c L h n p ε == 轴承也符合刚度要求。 八、主轴组件的润滑和密封 8.1主轴滚动轴承的润滑 润滑的作用是减少摩擦、降低温升并与密封装置一起保护轴承不受外物的损伤与腐蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择合适，可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命。 滚动轴承可以用润滑脂或润滑油润滑。在速度较低时，用润滑脂比用润滑油温升低；速度较高时，用油润滑较好。 8.1.1脂润滑 脂润滑使用方便，不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果转速不太高（数值可 电主轴的介绍 1.概括：高速数控机床（CNC）是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高速主轴单元输出功率相差较大。 2.电主轴的结构：电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。 3. 优点：电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。 4.电主轴的融合技术： 高速轴承技术 电主轴通常采用动静压轴承、复合陶瓷轴承或电磁悬浮轴承。 动静压轴承具有很高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率、加工质量、延长刀具寿命、降低加工成本，这种轴承寿命多半无限长。 复合陶瓷轴承目前在电主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈，标准化程度高，对机床结构改动小，易于维护。 电磁悬浮轴承高速性能好，精度高，容易实现诊断和在线监控，但是由于电磁测控系统复杂，这种轴承价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今没有得到广泛应用。 高速电机技术 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡； 润滑 电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。 冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。 高速刀具的装卡方式 广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。 高频变频装置 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。 电主轴的运动控制 在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。 普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能。但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。 矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。这种驱动器又有开环和闭环两种，后者可以实现位置和速度的反馈，不仅具有更好的动态性能，还可以实现C轴功能；而前者动态性能稍差，也不具备C轴功能，但价格较为便宜。 直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。 5.电主轴的发展趋势：随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求， 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. 绪论 随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。 现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。 本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计、计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。 一、设计题目及参数 1.1 题目 本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。 主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。 1.2参数 床身回转空间400mm 尾架顶尖与主轴端面距离1000mm 主轴卡盘外径Φ200mm 最大加工直径Φ600mm 棒料作业能力50～63mm 主轴前轴承内和110～130mm 最大扭矩480N·m 二、主轴的要求及结构 2.1主轴的要求 2.1.1旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。 通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。 2.1.2 静刚度 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。 各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。 2.1.3抗振性 主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。 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。 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 目录 1. 绪论 (2) 2. 数控机床主轴总体设计 (3) 2.1数控机床的加工原理 (3) 2.2机床主传动系统设计 (3) 2.2.1机床主传动功率 (3) 2.2.2 主传动的调速围 (4) 2.2.3主传动系统设计要求 (4) 2.2.4 主传动系统电机选择 (6) 2.2.5 主传动分级变速设计 (6) 3. 主轴设计 (8) 3.1 主轴材料的选择及热处理 (8) 3.2 主轴尺寸确定 (8) 3.2.1 主轴前后颈及孔尺寸确定 (8) 3.2.2 主轴部件支承结构选择 (8) 3.3主轴组件设计 (9) 3.3.1主轴组件的性能要求 (9) 3.3.2 主轴轴承的选择……………………………………………………… 10 3.3.3 主轴轴承的预紧及润滑……………………………………………… 11 3.3.4 主轴上齿轮参数确定及键的选择…………………………………… 12 3.3.5 主轴部件结构图……………………………………………………… 13 4. 主轴验算 (14) 4.1 确定弯曲变形的验算条件 (14) 4.1.1刚度标准 (14) 4.1.2主轴的载荷 (15) 4.2三支承主轴刚度验算……………………………………………………… 17 5. 设计总结 (19) 6. 参考文献 (20) 1 绪论 在现代制造技术中，数控机床已经用它所显示的效益和巨大潜力，引起世界各国科技界和工业界的普遍重视。发展现代数控机床是当前机械制造业技术改造，技术更新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。 数控机床主轴及其部件作为数控机床主要部件的一部分，在数控机床中占据着重要的地位，主轴系统的精度将直接影响到数控加工产品的精度，因此在数控机床设计中当十分注意主轴及其部件的设计。 此次课程设计，主要针对数控车床主传动系统和主轴组件设计，学习和了解数控机床主轴设计的基本思路，理解数控车床主传动系统的传动原理，以及主轴组件选用和数控主轴结构的构成。并熟悉数控机床主轴设计相关计算，了解数控机床设计中的一些验算公式，并对关键部件进行强度或者刚度验算。 通过此次课程设计，应当达到熟悉数控机床主轴系统设计的基本思路，熟练掌握主轴系统设计流程，绘制主轴系统结构装配图和部分零件图，了解设计过程中的必要计算及一些经验公式的运用，初步具备数控机床主轴设计能力。 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： 摘要 随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发突显它的重要性。为进一 步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。 本论文是开发设计出一种体积小、结构紧凑、价格较低、生产周期短的小型 立式加工中心刀库本文。首先介绍了国内外加工中心研究现状及发展趋势，阐明了本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍本小型加工中心刀库总体结构和各部件方案的选择，并在此基础上进行了小型加工中心刀库的机械结构的设计计算， 主要包括刀盘部件设计（含刀盘，夹块，刀爪），刀库转动定位机构设计（含转臂， 槽轮，滚子，锁止盘），刀库总体机构设计（含轴承套，轴，箱盖，箱体）刀库移 动部分设计。 关键词：数控系统加工中心刀库机械手 ABSTRACT Along with the numerical control technology development and the popularization, the processing center function reveals its importance even more suddenly.For further enhances the numerical control engine laths the processing efficiency, the numerical control engine laths is clamping to the work piece in an engine laths attire then completes the multi-channel working procedure or the complete working procedure processing direction develops, therefore appeared each kind of type processing center engine laths, like the turning center, the boring mill processing center, drills truncates center and so on.This kind of working procedure processing numerical control engine laths must use many kinds of cutting tools in the processing process, therefore must have trades the knife installment automatically, also is the knife storehouse which said, in order to select the different cutting tool, completes the different working procedure the processing craft.Trades the knife equipment to have automatically to have trades the knife time short, the cutting tool repetition pointing accuracy high, the enough cutting tool margin, the area small, safe reliable and so on the characteristics. The present paper is the development designs one kind of volume slightly, the 西门子802S数控车床变频主轴设计与调试 摘要 主轴运行的是否平稳直接影响数控车床加工的精度。通过对西门子802S数控车床主轴的研究、分析，从而掌握数控应用系统设计的一般方法。主轴控制系统由西门子802S数控系统、变频器和主轴电机组成，通过PLC控制主轴的正反转、CNC控制主轴的转速。 关键词：数控车床；主轴；西门子802S Designing Spindle Control System for a Siemens 802S CNC Lathe Abstract Whether or not the smooth running of the spindle directly affects the accuracy of CNC lathe.T o grasp the general design method of CNC application system, the Spindle control system of Siemens CNC Lathe was researched and analyzed, which had Siemens 802S CNC system, inverter and the spindle motor, where PLC controlling the direction, and CNC controlling the speed. Keywords: CNC Lathe；Spindle；Siemens 802S system 目录 引言 (2) 第一章数控系统的介绍 (3) 1.1 数控系统发展简史 (3) 1.1.1 数控NC阶段 (3) 1.1.2 计算机数控(CNC)阶段 (3) 1.2 数控技术未来发展方向 (4) 1.2.1 向开放式、基于PC的第六代方向发展 (4) 1.2.2 向高速化和高精度化发展 (4) 1.2.3 向智能化方向发展 (4) 第二章西门子802S数控车床系统 (6) 2.1 西门子802S的系统 (6) 2.2 人机界面 (7) 2.3 步进进给系统 (8) 2.4 主轴驱动系统 (8) 2.5 刀架控制系统 (9) 第三章西门子802S数控车床主轴的设计 (10) 3.1 设计方案 (10) 3.2 变频器MICROMASTER 420 (11) 3.2.1 变频器的选型 (11) 3.2.2 变频器的接口 (12) 3.2.3 变频器的主要参数设置 (12) 3.4 控制电路的设计 (12) 3.5 西门子802S的主轴参数调试 (13) 第四章 PLC程序设计 (15) 4.1 PLC控制流程图 (15) 4.2 PLC的I/O分配 (16) 4.3 PLC的部分参数设定 (18) 致谢............................................................ 错误！未定义书签。参考文献. (20) 附录1 PLC程序 (21) 附录2 电气原理图 (31) 数控车床主轴箱的优化设计和开发，以尽量减少热变形 森精机--Nagoya--日本 数字技术实验室--Sacramento--美国 关键词：热误差，设计方法，精度，主轴箱 本文是以调查的方法来减少和弥补精度数控车床中较大的热位移误差。为此，在这里我们提出了一个高效的设计和优化方法——主轴箱结构设计方法，来尽量减少主轴中心位置的热位移。和现有的那些经验方法相比较，这种方法可以更好的节省开发时间和成本。为了确定最佳的主轴箱结构，我们提出了Taguchi方法和有限元分析方法，这两种方法主要是用来验证和评估主轴中心过渡的主轴箱优化结果。 一：介绍 精度数控车床的精度越高，在加工精度要求方面的需求也越高。而热变形对于加工效果有非常显著的影响。关于这一个问题已经进行了的许多的研究。然而，并没有在实践中取得很多良好的效果。 热变形的主要研究归纳如下，Moriwaki和Shamoto建议使用温度传感器的热位移估计补偿方法，Brecher和Hirsche在延长这项工作的基础上控制部数据，刺激等等，这些主要是用于非金属材料（如碳纤维增强塑料），以抑 页脚. 制热位移。应用轴承的有限元方法（FEM）来分析预紧问题和铸件的形状优化问题，可以尽量减少热位移，Jedrzejewski通过进行补偿，再加上热执行器控制的应变是基于热失真反馈，清水等的原理。开发了一种新的算法，这种算法可以估计装修总机热变形的变形模式，并从涡流型位移传感器处获得所需要的数据。 一些机床制造商通过使用从传感器或部的NC控制器获得温度信息的方法，来估计热位移并进行补偿。对于数控车床来说，热位移通常是受机器的结构，环境的温度，热源的状态（伺服电机或加工热），气流和冷却剂的使用情况等的影响，虽然说理论上是可以进行准确的补偿，但是估计位移要涉及以上这些复杂的相互作用、参数和需要大量的组合实验。比如说，沿每个轴的线性热变形补偿问题，它的变形是伴随着精度显着下降，扭曲或翘曲的。 一种新数控车床的开发涉及到修改现有机器的结构和运行实验，而且，这通常要耗费大量的时间，而且费用也比较昂贵。所以在这里，提出一种新的方法——设计一个主轴箱，数控车床自身随机引起的热变形温度偏差。通过Taguchi方法，CAE分析等，确定数控车床主轴结构和热变形评估，以此证明上面说的方法是一个非常有效率的方法。 二:主轴结构和热位移测量 图1显示了数控车床主轴的部结构、零件以及环境变量的参数。热位移的目标是设计一个主轴箱，让热集中页脚. 毕业设计（论文）任务书 指导老师 课题名称CA6150车床主轴箱设计学生姓名 专业班级数控班 目录 1、概述 2、主运动的方案选择与主运动的设计 3、确定齿轮齿数 4、选择电动机 5、皮带轮的设计计算 6、传动装置的运动和运动参数的计算 7、主轴调速系统的选择计算 8、主轴刚度的校核 一、概述 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的 刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，剩去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。 1.1数控机床主传动系统的特点 与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。 4转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 5变速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般Ra>100，以保证加工时能选用合理的切 削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面 质量。 6主轴变速迅速可靠，数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的 要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋 完善，所以不仅能够方便地实现宽范围无级变速， 而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠 性。 7主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都 有足够的硬度，轴承处还有良好的润滑。 1.2 主传动系统的设计要求 ①主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数， 能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足 机床的运动要求。 ②主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够 的强度和刚度，以满足机床的动力要求。 ③主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的 加工中心总体、主轴部件及立柱设计 摘要 加工中心是一种具有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的高科技产品，综合了数控铣床、数控镗床、数控钻床多功能的加工设备。 基于加工中心的迅速发展，本次毕业设计的任务是设计加工中心总体、主轴部件及立柱。加工中心的总体设计主要是通过设计各部件之间的尺寸联系来满足它们之间的位置关系要求。主轴部件是机床的重要部件之一。它是机床的执行件，其功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，从而完成表面成形运动。主轴部件由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴Z向运动。根据对立柱的结构、性能及其经济性的要求，采用井字型的内腔结构。 加工中心的设计符合数控机床高速化、高精度化、智能化、系统化与高可靠性等发展趋势。目前，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛应用于机械制造中。 关键词：加工中心，主轴，轴承，立柱 DESIGN OF THE OVERALL , SPINDLE ASSEMBLY AND COLUMN OF MACHININING CENTER ABSTRACT Machining center (MC) is a kind of CNC machine with tool magazine. It can perform the multi-processing of workpiece by change cutting tool automatically. It is the high-tech product developed to adapt to the requirements for effort-saving and time-saving, and the multi-function equipment which integrated CNC milling machine with CNC boring and drilling machines. The tasks of graduation design are to design the overall of machine, the spindle assembly and column. The purpose of MC overall design is to establish the dimension relation between components. Spindle assembly is one of the important parts of the machine. It is the executive pieces, and its function is to support and carry the workpiece or rotary cutting tools, and bear the cutting force. The spindle assembly consists of the spindle and its support, the transmission members, seals and other components mounted on it. The function of MC column is to support the headstock to satisfy the movement of Z-axis. Based on the performance requirements of the structure and the economy, Column is of the cross-type structure inside. The design of MC is consistent with the development trend in high-speed, high precision, intelligent, and high reliability of CNC machine tools. Currently, MC stands for the main development direction of modern machine tool, which is widely used in machine manufacturing. KEYWORDS: machining center, spindle, bearing, column 电主轴参数详解 1、主轴产品名称由组成为:安装尺寸-类别代号-主参数-设计序列号 安装尺寸：指主轴与机床或主机的配合尺寸，一般指外径。 类别代号反映产品的用途和特点，由2～4位英文字母组成，从前往后分别代表主轴驱动方式、应用领域、外形代号等含义。 2、应用方式说明： E——内装电机驱动主轴，即电主轴 M——皮带或连轴器驱动主轴，即机械主轴 3、应用领域说明 C——车床用主轴 X——铣床用主轴 Z——钻床用主轴 N——拉辗用主轴 M——磨床用主轴 S——试验机用驱动主轴 L——离心机用主轴 T——特殊用图主轴 4、外形代号说明 F——外形带法兰的主轴 H——电机后置式主轴 Y——其它异形主轴 5、主参数说明 主参数段由数字和一小写英文字母组成，总位数为3～4位，表示电主轴额定转速和润滑方式，转速以kr/min表示；字母有g、m、a等，分别代表油脂、油雾、油气等润滑方式。6、设计序列号说明 主轴代号最后一段为设计序号（可以没有），设计序号有1个英文字母或字母+数字组成，以A、B、C…（后述特殊字母除外）顺序英文字母表示。 举例说明： 180MCF05g-A 安装尺寸——φ180 MCF——车削机械主轴，带法兰结构 最高转速——5000 r/min 润滑——油脂A——批量衍生产品 电主轴刀具的常见问题 1、刀具无法夹紧 （1）碟形弹簧位移量太小，使主轴抓刀、夹紧装置无法到达正确位置，刀具无法夹紧。通过调整碟形弹簧行程长度加以排除。 （2）弹簧夹头损坏，使主轴夹紧装置无法夹紧刀具。通过更换新弹簧夹头加以排除 （3）碟形弹簧失效，使主轴抓刀、夹紧装置无法运动到达正确位置，刀具无法夹紧。通过更换新碟形弹簧加以排除。 （4）刀柄上拉钉过长，顶撞到主轴抓刀、夹紧装置，使其无法运动到达正确位置，刀具无法夹紧。通过调整或更换拉钉，并正确安装加以排除。 2、刀具夹紧后不能松开 （1）松刀液压缸压力和行程不够。通过调整液压力和行程开关位置加以排除。（2）碟形弹簧压合过紧，使主轴夹紧装置无法完全运动到达正确位置，刀具无法松开。通过调整碟形弹簧上的螺母，减小弹簧压合量加以排除。 为什么电主轴强力切削时会停转？ （1）主轴电动机与主轴连接的传动带过松，造成主轴传动转矩过小，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。（通过重新调整主轴传动带的张紧力，加以排除。） （2）主轴电动机与主轴连接的传动带表面有油，造成主轴传动时传动带打滑，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。（通过用汽油或酒精清洗后擦干净加以排除。） （3）主轴电动机与主轴连接的传动带使用过久而失效，造成主轴电动机转矩无法传动，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。（通过更换新的主轴传动带加以排除。） （4）主轴传动机构中的离合器、联轴器连接、调整过松或磨损，造成主轴电动机转矩传动误差过大，强力切削时主轴振动强烈。产生报警，数控机床自动停机。（通过调整、更换离合器或联轴器加以排除。） 高速电主轴3种常见故障 故障一、主轴发热 1、主轴轴承预紧力过大，造成主轴回转时摩擦过大，引起主轴温度急剧升高，可以通过重新调整主轴轴承预紧力加以排除； 2、主轴轴承研伤或损坏，造成主轴回转时摩擦过大，引起主轴温度急剧升高，可以通过更换新轴承加以排除； 3、主轴润滑油脏或有杂质，也会造成主轴回转时阻力过大，引起主轴温度升高，可以通过清洗主轴箱，重新换油加以排除； 4、主轴轴承润滑油脂耗尽或润滑油脂过多，也会造成主轴回转时阻力、摩擦过大，引起主轴温度升高，可以通过重新涂抹润滑脂加以排除； 故障二、主轴强力切削时停转 1、主轴电动机与主轴连接的传动带过松，造成主轴传动转矩过小，强力切削时 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。 浅谈电主轴在数控加工中心的应用 电主轴最近十年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它是高速数控机床的”核心”部件，它的性能直接决定了机床的高速加工性能。本文简述了电主轴和加工中心的一些基本情况，并重点介绍了一种电主轴的结构及它在数控加工中心的应用情况。 标签：电主轴；数控加工中心；自动换刀系统 1 电主轴简介 电主轴是近些年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”（Electric Spindle或Motor Spindle）。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。 2 电主轴结构及工作原理 电主轴单元典型的结构布局方式是电机置于主轴前、后轴承之间（如图所示），其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，功率大，较适合于大、中型高速数控机床；其不足是在封闭的主轴箱体内电机的自然散热条件差，温升比较高。下图为某进口品牌电主轴的结构图。图中可以看出该电主轴配有旋转编码器及刀具锁紧系统（后面将继续介绍），这是所有数控加工中心电主轴都必须具有的元件。旋转编码器是实现自动换刀时主轴相位角的定位元件，确保每次主轴都在同样的位置松抓刀；刀具锁紧系统（液压）是自动换刀的执行元件，该电主轴实际还配有自动换刀控制器，通过控制液压系统来控制电主轴的松夹刀。 图1 某进口品牌电主轴结构图 3 数控加工中心介绍 数控加工中心是从数控铣床发展而来的。与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的5～10倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。电主轴的介绍 090404041009
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