数控加工中心主轴的结构设计和改进

2014年第1期（总第447期

）上C H IN E SE &FO R E IG N E N T R E PR E N E U R S

1.前言

加工中心（M achining Center ，简称M C ）是能够实现多工序编程并能根据需求具备切换刀具功能的数控机床。它将铣床、镗床、钻床多种数控功能聚集在一台设备上，配备刀库和自动换刀装置，能够同时完成多道工序。由于其减少了工件装夹、产品和设备调整，节约了工件的转移时间，因此其效率比通用机床高出80%以上。

2.加工中心主传动系统的特点

加工中心主传动系统的组成主要分为主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件。加工中心的主传动优点为高转速、高回转精度、高机构刚性以及抗震性。加工中心的主轴系统具备以下特点：（1）主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速。（2）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。（3）升降速时间短，调速时运转平稳。（4）主轴组件要有较高的固有频率，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。（5）有自动换刀和刀具自动夹紧功能。（6）主轴具有足够的驱动功率或输出转矩。（7）主轴具有准停功能又称主轴定位功能（Spindle Specified Position Stop ）。

3.加工中心主传动系统设计

3.1变速系统设计

如要求主轴转速40r/min ～4000r/min ，电机功率4kw （1）选用直流电动机无级变速机构。

（2）主轴的计算转速。

（3）转速图的设计。

a.主轴要求的恒功率变速范围

b.电动机可达到的恒功率变速范围

电机功率4kw ，电机转速4000r/min ～320r/min ，额定转速为1330r/min 。

c.公比和传动级数的确定

一般变速箱有2级、3级、4级。选用，即分级变速箱为4级变速。公比

。

则分级变速箱的转速图如图1所示。变速箱有4种传动比（1/1）×（1/1）=（1/1）；（1/2）×（1/1）=（1/2）；（1/1）×（1/4）=（1/4）；（1/2）×（1/4）=（1/8）。传动比为1/1时，主轴转速为4000r/min ～1330r/min ；为1/2时，主轴转速为2000r/min ～667r/min ；为1/4时，主轴转速为1000r/min ～335r/min ；为1/8时，主轴转速为500r/min ～168r/min 。这四段用的全是电动机的恒功率区。168r/min ～40r/min 为恒转矩区。分级变速箱的结构如图1。

收稿日期：2014-01-02

作者简介：葛亚玺，（1987-），男，江苏江阴人，本科，研究方向：机械结构。

数控加工中心主轴的结构设计和改进

葛亚玺

（上海新跃联汇电子科技有限公司，上海200233）

摘要：加工中心是一种快速、高效的多功能数控机床，它的成熟和发展代表了国家工业设计和工业制造水平。本文通过加工中心主传动变速系统的设计、加工中心主轴组件结构的设计等两方面，就加工中心的主轴组件的结构设计和改进进行详细的阐述。

关键词：主轴组件；轴承；准停中图分类号：TH13

文献标志码：A

文章编号：1000-8772（2014）01-0208-03

图1分级变速箱结构图

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d.分级变速箱各轴齿数的选择

查《机床设计手册》[1]

，根据各齿轮间的转速比确定各个齿

轮的齿数。则分级变速箱内的结构及各个齿轮的齿数、模数如图2所示。

图2分级变速箱的机构及齿轮分布图

3.2加工中心主轴材料的选择及热处理

主轴材料的选择主要根据刚度、载荷情况、耐磨性、热处理变形大小等因素确定。主轴的刚度大小与材料的弹性模量E 有关，钢的E 值较大（E=2.1×107N/cm 2左右），所以主轴材料首先考虑钢材。而且钢的弹性模量E 的数值与钢的种类和热处理方式无关。因此在选择钢材时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢）。只有在高载荷和大冲击或者减少材料变形以及需要高强度耐磨性时，才考虑选择合金钢。

当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可以不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（48HRC ～54HRC ）。当采用滑动轴承时，为减少磨损，轴颈表面必须有很高的硬度。因此通常在轴颈处进行高频淬火；对大直径主轴（φ350～400mm ）也可用火焰淬火来提高其表面硬度；对手较大冲击的主轴，可用15或20钢，并在轴颈表面渗碳、淬火及回火。主轴材料常采用的有45钢、GCr15等，需经渗氮和感应加热淬火。

3.3加工中心主轴结构设计3.3.1初选主轴直径

（1）主轴直径。主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。[2]（2）主轴内孔直径。主轴的内孔直径用于通过刀具夹紧装置固定刀具、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也越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。[2]3.3.2主轴悬伸量a 的确定

主轴悬伸量a 是指主轴前支承径向支反力的作用点到主轴前端面之间的距离，见图3。它对主轴组件刚度影响较大。根据分析和实验，缩短悬伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量a 。[3]3.3.3主轴最佳跨距L 的选择

主轴的支承跨距L 。主轴前支承点至主轴后支承点之间的距离称为跨距L ，见图3。主轴组件的支承跨距对主轴本身刚度

图3主轴跨距图

和对支承刚度有着很大的影响。

跨距L 对综合刚度K 的影响不是单向的。如L 较大，则主轴变形较大；如L 较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，L 有一个最佳值，L 太大或太小，都会降低综合刚度。

主轴的支承跨距存在着最佳跨距L 0，可使主轴组件前端位移最小。主轴组件由于受结构限制以及保证主轴组件的重心落在两支承之间，实际的支承可大于最佳的支承跨距。

为了确定最佳跨距L 0和前悬伸a 之比L 0/a ，可先求出η。

式中：E-弹性模量，钢的E=2.1×107M Pa ；I ———主轴的截面惯性矩，I=0.05×（d 4-d 4i ），mm 4；d 、d i ———主轴的外径和孔径，mm ；K A ———前轴承的刚度，N/um ；A ———前悬伸量，mm 。

3.3.4主轴径向刚度的验算

通过经验公式验算设计主轴结构满足主轴径向刚度要求。3.4主轴轴承的选择

3.4.1主轴轴承精度的选择。精密加工中心主轴前支承应选用B 级，而普通精度加工中心主轴前支承轴承则选用C 级。主轴后支承轴承，则选用比前支承轴承低一级精度的轴承。`传动轴支承，选用D 级或E 级。通常，主轴轴承的轴向定位采用的是前端支承定位。这样前支承受轴向力，前端悬臂量小，主轴受热时向后延伸，使前端的变形小，精度高。

3.4.2主轴常用动轴承的类型。主轴常用动轴承的类型有四种：

（1）深沟球轴承；（2）角接触球轴承；（3）双列圆柱滚子轴承；（4）圆锥滚子轴承。

3.4.3主轴轴承的配置与调整。主轴轴承的结构配置主轴轴承

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的结构配置主要取决于主轴的转速特性的速度因素和主轴的

刚度要求。主轴轴承结构配置形式主要由下面两种。①适应高刚度要求的轴承配置形式。主轴前支承由3182100型双列向心短圆柱滚子轴承和2268100型推力向心球轴承组成。前者承受径向载荷，后者主要承受轴向载荷，是现有数控机床主轴结构中刚性最好的一种。这种配置形式主要适用于大中型卧式加工中心主轴和强力切削机床主轴。既要高刚性又要高速度是，可以把60°接触角的标准型推力角接触球轴承，换成45°接触角的高速型推力角接触球轴承。THM 6350型精密卧式加工中心主轴前支承就采用这种轴承配置，而后轴承采用了两个46117型角接触球轴承组合配置形式。如果后支承采用3182100型调心双

圆柱滚子轴承，更能加强主轴刚性。[2]

②适应高速要求的轴承配置形式前支撑采用三个超精密级角接触球轴承组合方式，为适用高速化要求，且因轴承精度高，能保证较高的回转精度。三个轴承的组合形式，根据载荷大小和最高转速以及结构设计要求，可以在三个轴承间加个隔套，也可以使单个轴承都靠在一起的结构形式。后支承结构，有两个角接触球轴承支承。也有一

个3182100型调心圆柱滚子轴承支承的。由于在运转中发热，

主轴必然产生热膨胀。为了吸收这个热膨胀，希望后支承能在轴向移动。3182100型调心圆柱滚子轴承真好具有这种功能，而角接触球轴承由于施加了预紧，轴向不能移动，容易使轴承受损。因此从提高后支承刚性和适应主轴热胀时后端能够自由移动这一要求来说，后部支承采用3182100型轴承为好。[2]3.5主轴准停装置

自动换刀数控机床主轴组件设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停止在固定的周向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽，同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而提高孔加工时孔径的一致性。

本设计采用机械准停系统，具体结构如图4所示。

4.加工中心的发展改进方向

随着科学技术的发展，加工中心融入更多高新技术。它结合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、现代化

图4准停装置机构图

控制技术理论、

测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术。使它朝着高效、精密、可靠、稳定的方向发展。具体表现为以下几方面：（1）高速高效、高精度、高可靠。新一代加工中心采用高速主轴单元（电主轴，转速15000r/min ～100000r/min ）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60m/min ～120m/min ，切削进给速度高达60m/min ）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统实现高速高效。为了满足客户的需求，精密级加工中心的加工精度则从±（3～5）um 提高到±（1～1.5）um 。现代加工中心还通过采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。（2）模块化、智能化、柔性化。机床结构模块化，数控功能专门化使机床性能比显著提高。CNC 系统的发展使加工中心向智能化、柔性化迅速发展。（3）开放性体系结构。开放性体系结构可通过升挡或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控加工中心的数控系统。（4）网络化。加工中心的网络化将能够更及时地进行生产信息统计和反馈。（5）行业化。行业化指加工中心的零部件有专门的生产厂家。

5.结语

随着时代的进步，

客户要求的提高，加工中心也在不断地向前发展。为了实现加工中心主轴转速的超高速，陶瓷轴承开

始走进人们的视眼。陶瓷轴承是指轴承滚动体是用陶瓷材料制成，而内外圈则仍用轴承钢制造。陶瓷材料为高密度热压氮化硅（si 3N 4）。之所以选用陶瓷作为滚动体，主要是因为它具有如下特性：一是重量轻，是轴承钢的1.5倍。所以它具有离心力小，动摩擦力小，预紧力稳定，弹性变形小，刚度高的特点。转速愈高，则由滚动体引起的离心力和惯性滑移亦随之增高。采用陶瓷滚动体，可大大减少离心力和惯性滑移，有利于进一步提高主轴转速，其主轴最高转速可达50000。但由于还存在价格昂贵和有关寿命、可靠性的实验数据尚不充分等问题，还需要进一步实验和完善。不过，其今后有很大的发展前途。

为了实现更高速的加工，人们对加工中心的优化方面青睐于高速主轴的研究。高速主轴取消了齿轮变速机构，采用集成交流伺服电机直接驱动，并增加强力的冷却和润滑系统设计。参考文献：

[1]《机床设计手册》编写组．机床设计手册[M]．北京：机械工业出版社，1982．

[2]夏田．数控加工中心设计．化学工业出版社[M]．北京：化学工业出版社，2006．

[3]文怀兴，夏田．数控机床系统设计[M]．北京：化学工业出版社，2005．

（责任编辑：刘娇娇）

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(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。

塑料产品结构设计-----第五章 加强筋

第五章加强筋(含凸台、角撑) 基本设计守则 加强筋在塑胶部件上是不可或缺的功能部份。加强筋有效地如『工』字型，增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积，但没有如『工』字型筋，倒扣结构将难於成型，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑胶产品尤其适用。此外，加强筋更可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助塑料流入部件的支节部份很大的作用。 加强筋一般被放在塑胶产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置亦受制於一些生产上的考虑，如模腔充填、缩水及脱模等。加强筋的长度可与产品的长度一致，两端相接产品的外壁，或只占据产品部份的长度，用以局部增加产品某部份的刚性。要是加强筋没有接上产品外壁的话，末端部份亦不应突然终止，应该渐次地将高度减低，直至完结，从而减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。 加强筋一般的设计 加强筋最简单的形状是一条长方形的柱体附在产品的表面上，不过为了满足一些生产上或结构上的考虑，加强筋的形状及尺寸须要改变成如以下的图一般。 长方形的加强筋必须改变形状使生产更容易

加强筋的两边必须加上出模角以减低脱模顶出时的摩擦力，底部相接产品的位置必须加上圆角以消除应力过分集中的现象，圆角的设计亦给与流道渐变的形状使模腔充填更为流畅。此外，底部的宽度须较相连外壁的厚度为小，产品厚度与加强筋尺寸的关系图a说明这个要求。图中加强筋尺寸的设计虽然已按合理的比例，但当从加强筋底部与外壁相连的位置作一圆圈R1时，图中可见此部分相对外壁的厚度增加大约50%因此，此部份出现缩水纹的机会相当大。如果将加强筋底部的宽度相对产品厚度减少一半(产品厚度与加强筋尺寸的关系图b)，相对位置厚度的增幅即减至大约20%，缩水纹出现的机会亦大为减少。由此引伸出使用两条或多条矮的加强筋比使用单一条高的加强筋较为优胜，但当使用多条加强筋时，加强筋之间的距离必须较相接外壁的厚度大。加强筋的形状一般是细而长，加强筋一般的设计图说明设计加强筋的基本原则。留意过厚的加强筋设计容易产生缩水纹、空穴、变形挠曲及夹水纹等问题，亦会加长生产周期，增加生产成本。 产品厚度与加强筋尺寸的关系 为避免缩水，筋的根部为0.6T，筋的高度为2 T (最大不过3T), 底部圆角为R=0.125T, 拔模斜度为0.5°~1.5°, 筋的方向最好和GATE同向. 筋间的距离尽可能在壁厚两倍以上. L<3T

机床主轴设计

设计题目机床主传动系统设计系别机电工程分院 专业机械制造及其自动化学生姓名 专业班级 班级学号 设计日期

车床设计任务书一、设计题目 工件最大回转直径D max=300mm， /r 轴最低转速=355min /r 轴最高转速=1800min 电机功率P=3KW，公比Ф=1.26= 二、运动设计，确定结构式 1. 查表得 250 500 1000 265 530 1060 280 560 1120 300 600 1180 315 630 1250 335 670 1320 355 710 1400 375 750 1500 400 800 1600 425 850 1700 450 900 1800

475 950 1900 355，450，560，710，900，1120，1400，1800（共8级） 或者 Z=8 2.结构式、传动组和传动副数的确定 ①传动组和传动副数可能的方案有： 8=4×2 8= 2×4 8 = 2×2×2 第一行方案有时可以省掉一根轴。缺点是有一个传动组内有四个传动副。如果用一个四联滑移齿轮，则会增加轴向尺寸；如果用两个双联滑移齿轮，则操纵机构必须互锁以防止两个滑移齿轮同时啮合。所以一般少用。 第二行的方案根据 “前多后少”的原则。取8 = 2×2×2 的方案。 ②结构式或结构网的各种方案的确定 由①知方案有 a.4212228??= b.4122228??= c.2142228??= d.2412228??= e.1422228??= f.1242228??=

选择原则： I)传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围 降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制m in u ≥41 ； 避免被动齿轮的直径过大升速传动比最大值max u ≤2（斜齿传动max u = 2.5）尽量减少振动和噪声； 各变速组的变速范围m ax R =max u /m in u ≤8-10 之间； 对于进给传动链，由于转速通常较低，零件尺寸也较小，上述限制可放宽些。 8.251 ≤≤进i 。故max 进R 14≤ 在检查传动组的变速范围时，只需检查最后一个扩大组。因为其它传动组的变 速范围都比它小。应为: max ) 1-(p n R R n x n ≤=? II)基本组与扩大组的排列顺序。 原则是选择中间传动轴变速范围最小的方案。 综上所述，方案4212228??= 较好 三、转速图与传动系统图 1.根据已知参数，取 4级电动机Y100L2-4，额定功率3KW ，满载转速1430min /r 本例所选定的结构式共有三个传动组，变速机构共需4轴。加上电动机轴

数控铣床主轴箱结构设计

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：机械设计数控三坐标铣床主轴数控系统

Abstract Digital control is a kind of automatic control technology developed in recent years is a method of using the digital signals of the machine is the machining process control, with the rapid development of science and technology, numerical control machine tool is an important standard of mechanical industry of a country level. NC machine tool is provided with the program control system of machine tool. The system can be logically processing with the use of numbers, or other symbols coded instructions procedures. NC machine tool is the penetration of the new technology of numerical control technology as the representative of the traditional manufacturing industries form the integration of mechanical and electrical products, technical scope covers many fields: (1) mechanical manufacturing technology (2) information processing, processing, transmission technology; (3) the automatic control technology; (4) servo drive technology; (5) sensor technology; (6 software technology. The computer penetration of the traditional mechanical industry, completely changed the manufacturing industry. The manufacturing industry is not only to become a symbol of industrialization, and because the penetration of information technology, the manufacturing industry is a sunrise industry, has the broad development world. NC machine tools is the relative displacement between the various steps required to process as well as the tool and workpiece are using digital codes to represent. By controlling the medium of digital information into the special area for general computer. The computer processes the input, servo system sends commands to control the machine tool or other executive element, make the machine tool workpiece needed. Keywords: mechanical design, CNC three axis milling machine spindle CNC system

机械制造装备设计第三章习题答案(关慧贞)..

第三章典型部件设计 1.主轴部件应满足那些基本要求？ 答：主轴部件应满足的基本要求有旋转精度、刚度、抗振性、温升热变形和精度保持性等。主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义，主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。主轴部件的振动会直接影响工件的表面加工质量，刀具的使用寿命，产生噪声。主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力，必须提高其耐磨性。 2.主轴轴向定位方式有那几种？各有什麽特点？适用场合 答：（1）前端配置两个方向的推力轴承都分布在前支撑处；特点：在前支撑处轴承较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向后伸，不影响轴向精度；适用场合：用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。 （2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支撑处；特点：发热小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围：用于普通精度机床、立铣、多刀车床。 （3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支撑处；特点：这类配置方案当主轴受热伸长后，影响轴承的轴向间隙，为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀；适用范围：用于短主轴，如组合机床。 （4）中间配置两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧；特点：此方案可减少主轴的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。3.试述主轴静压轴承的工作原理 答：主轴静压轴承一般都是使用液体静压轴承，液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。静压轴承由供油系统供给一定压力油，输进轴和轴承间隙中，利用油的静压压力支撑载荷、轴颈始终浮在压力油中。所以，轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。静压轴承与动压轴承相比有如下优点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在极低转速下工作，也能在极高转速下工作；摩擦小，轴承寿命长。

数控机床主传动系统及主轴设计.

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

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：

主轴的形式及结构

关于主轴结构 何謂直結式主軸？ 直結式主軸即類似三軸馬達與滾珠螺桿之接合方式，主軸馬達置於主軸上方，馬達與主軸以高剛性無間隙連軸器相連，馬達端之轉動經由連軸器傳於主軸，此即直結式主軸 直結式主軸比起皮帶式，齒輪式與內藏式有什麼特色？ 內藏式主軸: 內藏式主軸即將馬達與主軸合而為一，將馬達轉子安裝於主軸軸心，定子在外，運轉原理和一般主軸馬達相同，其具有低振動特性，動態迴轉精度亦較好，但因主軸內必須置放馬達轉子造成軸承跨距較大，剛性較弱的情形發生 內藏式主軸因剛性之故並不適合重切削 直結式主軸： 直結式主軸即類似三軸馬達與滾珠螺桿之接合方式，主軸馬達置於主軸上方，馬達與主軸以高剛性無間隙連軸器相連，馬達端之轉動經由連軸器傳於主軸，此即直結式主軸 直結式主軸屬於剛性連結，對於馬達輸出之POWER較能完全表達於主軸特性，機械效率較高，於主軸運動時，連軸器扮演著不可或缺的角色，連軸器校正好或壞足以影響主軸運動精度，若連軸器校正不良對主軸產生下列影響，主軸溫昇急劇昇高、主軸震動過大、主軸偏擺過大、加工精度不良、甚至主軸燒毀 皮帶式主軸: 皮帶式主軸以皮帶傳遞主軸馬達之運動至主軸，其優點為，振動較齒輪式主軸小，易組裝，缺點為高速時噪音大，皮帶張力不易控制等 齒輪式主軸: 齒輪式主軸最大之優點為可傳遞高扭力，重切削能力優良，其缺點為轉速受限於齒輪設計不易提昇等 电主轴是最近几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，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。 电主轴所融合的技术： 高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限； 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

数控铣床的主轴箱结构设计

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。

机械结构设计实用

5.1.1机械结构设计的任务 机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。所以，结构设计的直接产物虽是技术图纸，但结构设计工作不是简单的机械制图，图纸只是表达设计方案的语言，综合技术的具体化是结构设计的基本内容。 5.1.2机械结构设计特点 机械结构设计的主要特点有：（1）它是集思考、绘图、计算（有时进行必要的实验）于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段，在整个机械设计过程中，平均约80%的时间用于结构设计，对机械设计的成败起着举足轻重的作用。（2）机械结构设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。（3）机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，常常需反复交叉的进行。为此，在进行机械结构设计时，必须了解从机器的整体出发对机械结构的基本要求 5.2机械结构件的结构要素和设计方法 5.2.1结构件的几何要素 机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零部件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中有的与其它零部件表面直接接触，把这一部分表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部分称为联接表面。 零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件结

构设计的核心问题。描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。 5.2.2结构件之间的联接 在机器或机械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在结构设计中除了研究零件本身的功能和其它特征外，还必须研究零件之间的相互关系。 零件的相关分为直接相关和间接相关两类。凡两零件有直接装配关系的，成为直接相关。没有直接装配关系的相关成为间接相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两类。位置相关是指两零件在相互位置上有要求，如减速器中两相邻的传动轴，其中心距必须保证一定的精度，两轴线必须平行，以保证齿轮的正常啮合。运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关，如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心线，这是靠床身导轨和主轴轴线相平行来保证的，所以，主轴与导轨之间位置相关；而刀架与主轴之间为运动相关。 多数零件都有两个或更多的直接相关零件，故每个零件大都具有两个或多个部位在结构上与其它零件有关。在进行结构设计时，两零件直接相关部位必须同时考虑，以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同时还必须考虑满足间接相关条件，如进行尺寸链和精度计算等。一般来说，若某零件直接相关零件愈多，其结构就愈复杂；零件的间接相关零件愈多，其精度要求愈高。例如，轴毂联接见图5.1。 5.2.3结构设计据结构件的材料及热处理不同应注意的问题 机械设计中可以选择的材料众多，不同的材料具有不同的性质，不同的材料对应不同的加工工艺，结构设计中既要根据功能要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的

高速立式加工中心主轴箱结构设计及分析_文怀兴

高速立式加工中心主轴箱结构设计及分析 文怀兴1,陆　君1,吕玉清2 (1.陕西科技大学机电工程学院,陕西西安　710021) (2.宁夏中卫大河机床有限责任公司,宁夏中卫　755000) 摘要:以高速立式加工中心主轴箱为研究对象,为满足高速加工中心整体性能的需要,利用Pro/E 软件,建立了4种主轴箱结构的三维模型,分别进行了主轴箱的力学分析和静、热刚度计算,并对4种方案中最优的设计方案进行了合理的结构优化。分析结果表明,箱体内筋板是影响主轴箱整体刚度的重要因素,并通过优化设计改进了筋板结构布局,提高了箱体刚度。 关键词:主轴箱;Pro/E;静刚度;热刚度 中图分类号:TH122A 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2010)19-0037-04 高速加工具有生产率高、切削力小、工件热变形小、加工精度和表面质量高等4大优点,因此获得了许多工业部门的青睐。加工中心的高速化,使得最初配备的主轴箱等关键部件的刚度和精度要求难以满足,因此必须加强对机床重要部件自身刚度、强度、抗振性的分析来提高机床整体性能,使高速加工技术得到更快的发展[1]。 与国外技术相比,国产数控机床还有一段差距,需要进一步提高进给速度、位置精度以及重复定位精度等性能指标。要提高这些参数必须拥有一套与之相应的有限元模拟仿真和完整的静、动态性能分析方法及优化方案。作为机床主轴系统的重要部件主轴箱体,对其进行结构设计、布局以及静力学动力学分析,是迎合高速加工中心发展的必要条件。因此,如何根据制造工艺技术及组配件的要求,在设计上灵活应用并有所创新,以更好地适应高速加工中心的需要,是摆在机床设计人员面前的一个新课题。高档数控机床的发展将在机床制造业的市场竞争中带来显著的经济效益与社会效益。 本文对主轴箱的研究是为机床厂提供合理的方案选择,对性能最佳的方案进行结构最优化设计,为整体动态性能分析奠定基础,实现从机床的前期设计阶段到生产阶段的转变,达到国内先进水平。1　主轴箱的结构设计及分析 1.1　主轴箱三维建模 主轴箱结构设计采用了以往的设计经验,在结构上采用不同的筋板支撑来提高主轴箱自身刚度,例如:连续加强筋可明显提高扭转刚度,不连续的边缘加强筋对扭转刚度的影响不大,同时边缘加强筋有助于减少缺口部位的应力集中缺陷,对于提高这些部位的刚度是有效的,只有当它有利于形成封闭的切应力流的隔板时,才能对整个结构刚度的提高起到有益作用[2]。在分析了影响刚度的因素后,对主轴箱进行结构设计。主要设计了4种模型,如图1所示 。 图1　三维模型设计 收稿日期:2010-05-06 基金项目:“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项基金资助项目(2009ZX04001-014) 作者简介:文怀兴(1957-),男,陕西武功人,陕西科技大学教授,博士,主要研究方向为机械设计制造及自动化。

立式钻床主轴箱的结构设计

立式钻床主轴箱的结构设计 摘要 组合机床是一种专用机床，它是由系列化标准化的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成。。组合机床随着生产力的发展，是由万能机床和专用机床发展而来的。 此次设计的任务是机床立式主轴箱的设计。这次设计的内容有主轴箱设计及其各部件的主要参数。主轴箱的设计是这次任务的重点，它是组合机床的重要部件之一。它是由通用部件，按照被加工零件的加工要求，根据专用要求设计的。合理的安排主轴箱内部每一根轴的的位置，选择合适的各级传动比，将动力和运动由电机或动力部件传给各工作主轴,使之得到要求的转速和转向从而实现对零件的加工。其次，合理安排各主轴和传动轴上齿轮所在的排数；确定主轴和传动轴的支撑方式和预紧方法也是非常重要的工作。 本文依据主轴箱的设计原则完成了对结构型式的选择及动力计算，传动系统的设计与计算，主要轴和轴承以及齿轮的校核，主轴箱总图设计。 关键词主轴箱；传动轴；齿轮；立式钻床

Structure design of vertical drilling machine spindle box Abstract Combined machine tool is a kind of s pecial machine tool. It’s composed of u niversal Parts which systematic and unitized and according to t he shape of the processed parts and special parts of the design of requirements of the machining process. Following with the development of productive forces, combined machine tool developed by u niversal machine tools and special machine tools. This design’s task is the design of vertical machine tool spindle box. This design’s content is the design of spindle box and the parts of this’s major parameter. The key point of this task is the design of spindle box, it is one of the major part of combined machine tool. It is design by universal Parts, and according to p rocessed parts’s processing requirements and p articular requirements. In order to i mplementation of parts processing, arrange the site of each shaft in the spindle box, choose appropriate All levels of drive ratio, let m otivation and sport to the work spindle through motor or power part. By means of it, it can acquire speed and steering. Next, reasonable arrangement the row number of main shaft and shaft’s gear; it is also a very important work that to ensure main shaft and shaft’s support way and pre-tightening methods. In this paper, according to the spindle box’s design princ iples, it complete structure form’s choose and dynamic calculation. The design and calculation of the transmission system. Main shaft and bearing, as well as the check of gear. The design of the spindle box general layout. Keywords The spindle box; Transmission shaft; Gear

机械设计的结构要素

机械设计的结构要素 一、机械结构件的结构要素与设计方法 1、1 结构件的几何要素 机械结构的功能主要就是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零部件的几何形状由它的表面所构成,一个零件通常有多个表面,在这些表面中有的与其它零部件表面直接接触,把这一部分表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部分称为联接表面。 零件的功能表面就是决定机械功能的重要因素,功能表面的设计就是零部件结构设计的核心问题。描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表面的变异设计,可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。 1、2 结构件之间的联接 在机器或机械中,任何零件都不就是孤立存在的。因此在结构设计中除了研究零件本身的功能与其它特征外,还必须研究零件之间的相互关系。 零件的相关分为直接相关与间接相关两类。凡两零件有直接装配关系的,成为直接相关。没有直接装配关系的相关成为间接相关。间接相关又分为位置相关与运动相关两类。位置相关就是指两零件在相互位置上有要求,如减速器中两相邻的传动轴,其中心距必须保证一定的精度,两轴线必须平行,以保证齿轮的正常啮合。运动相关就是指一零件的运动轨迹与另一零件有关,如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心线,这就是靠床身导轨与主轴轴线相平行来保证的,所以,主轴与导轨之间位置相关;而刀架与主轴之间为运动相关。 多数零件都有两个或更多的直接相关零件,故每个零件大都具有两个或多个部位在结构上与其它 零件有关。在进行结构设计时,两零件直接相关部位必须同时考虑,以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同时还必须考虑满足间接相关条件,如进行尺寸链与精度计算等。一般来说,若某零件直接相关零件愈多,其结构就愈复杂;零件的间接相关零件愈多,其精度要求愈高。 1、3 结构设计据结构件的材料 机械设计中可以选择的材料众多,不同的材料具有不同的性质,不同的材料对应不同的加工工艺, 结构设计中既要根据功能要求合理地选择适当的材料,又要根据材料的种类确定适当的加工工艺,并根据加工工艺的要求确定适当的结构,只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分的发挥优势。 设计者要做到正确地选择材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。

CA6140机床主轴箱的设计12

调研报告 大学四年的学习生活即将结束，大学学习生活中的最后一个环节也是最重要一个环节——毕业设计，是对所学知识和技能的综合运用和检验。 本人的毕业设计课题是对CA6140车床主轴箱的设计，其内容包括：总体方案的确定和验证、机械部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理等。对普通车床主轴箱的设计符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔的市场。从另一个角度来说，该设计既有机床结构方面内容，又有机加工方面内容，有利于将大学所学的知识进行综合运用。虽然设计者未曾系统的学习过机床设计的课程，但通过该设计拓宽了知识面，增强了实践能力，对普通机床和数控机床都有了进一步的了解。 毕业设计作为我们在大学校园里的最后一堂课、最后一项测试，它既是一次锻炼，也是一次检验，在整个设计过程中，我获益匪浅。在此，我要衷心感谢刘老师对我的关心和细致指导。 由于毕业设计是我的第一次综合性设计，无论是设计本人的纰漏还是经验上的缺乏都难免导致设计的一些失误和不足，在此，恳请老师和同学们给以指正。

摘要 作为主要的车削加工机床，CA6140机床广泛的应用于机械加工行业中，本设计主要针对CA6140机床的主轴箱进行设计，设计的内容主要有机床主要参数的确定，传动方案和传动系统图的拟定，对主要零件进行了计算和验算，利用三维画图软件进行了零件的设计和处理。 关键词：CA6140机床主轴箱零件传动

目录第一章引言 第二章机床的规格和用途 第三章机床主要参数的确定 第四章传动放案和传动系统图的拟定第五章主要设计零件的计算和验算 第六章结论 第七章致谢 第八章参考资料编目

浅谈电主轴在数控加工中心的应用

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。

机床主轴结构优化设计

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