下载文档原格式
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。
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。
某机床主轴的优化设计一、问题来源机床主轴是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具完成表面成形运动，同时还起到传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用，结构复杂，价格昂贵，是机床最重要的部件之一。
主轴的前端安装着卡盘与工件，直接参与切削加工，它的变形和振动对机床的加工精度和表面质量影响最大，直接影响到机床的加工质量和生产率。
因此，机床设计的成功关键取决于主轴设计的优劣。
主轴优化设计是机床设计中主轴设计的有效手段，它可以克服以往设计方法中的盲目性，提高主轴的设计质量、设计效率及设计的科学性和可靠性。
二、已知条件题目中的主轴是一个阶梯轴，支撑采用角接触轴承，机床主轴的输入功率P=1.5kW ，主轴的转速n=940r/min ，主轴的悬臂端受到的切削力F=20kN ，主轴内径d=40mm ，悬臂端许用挠度mm 05.0y 0=，取[]m /121='ϕ，[] 0025.0=θ。
要求主轴两支承跨距（L ）为350mm ≤L ≤600mm ，外径（D ）为70mm ≤D ≤150mm ，悬臂端长度（a ）为80mm ≤a ≤160mm ．主轴的材料采用40Cr ，密度3kg/m 7800=ρ。
从机床主轴制造成本和加工精度的要求出发，考虑主轴的自重和外伸段挠度这两个重要因素，选取主轴的质量最轻和最小轴端位移为设计目标，将主轴的刚度作为约束条件。
三、数学建模图1 主轴示意图1设计变量本文设计的机床主轴结构主要由5个参数来确定： （1）主轴悬伸段直径Da ； （2）主轴前后支承间轴径D ； （3）支承跨距L ； （4）主轴悬臂端长度a ； （5）主轴内孔直径d 。
另外，主轴轴端有作用力F 和弯矩M ，设：X=[]Tx x x x 43214321a x x x x a L D D =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡2 目标函数在满足主轴传动要求下，减轻重量，节约材料，降低成本．以最小自重为追求的目标．机床主轴的质量：()()[]L d D a d D 4W 2222a⨯-+⨯-=πρ式中：()，令为主轴密度3m /kg ρ()=x f ()()[]3222422a X d X X d D 4W ⨯-+⨯-=πρ目标函数()x f x F min )(=3 约束条件（1）刚度约束机床主轴变形对加工质量影响很大，因此，对主轴的要求主要表现为刚度要求，即主轴伸出端的挠度（或位移）Y 尽可能小。
课程设计任务书1.设计目的本次课程设计是毕业课程设计前一次对我们大学四年期间机械专业基础知识的考核和检验。
它囊括了理论力学，材料力学，机械原理，机械设计，机械制造装备设计等许多机械学科的专业基础知识。
它不仅仅是对我们专业知识掌握情况的考核和检验，也是一次对我们所学的知识去分析，去解决生产实践问题的运用。
通过本专业课程设计的训练，使学生初步掌握机床的运动设计（包括主轴箱、变速箱传动链），动力计算（包括确定电机型号，主轴、传动轴、齿轮的计算转速），以及关键零部件的强度校核，获得工程师必备设计能力的初步训练，从而提高分析问题、解决问题尽快适应工程实践的能力。
2.设计内容和要求1．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。
2．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（如齿轮、主轴、轴承等）进行计算（初算和验算）。
3．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。
4．编写设计说明书1）机床的类型、用途及主要参数主轴转速范围：.m in /630m in,/50max min r n r n ==变速级数：z=12，主电动机：P=13KW ，n=1460r/min 。
工作台尺寸：1000x3000mm 。
主轴孔径：29mm 。
主轴套筒：直径250mm ，手动调整距离200mm 。
主轴箱进给范围：18级，10——500mm/min ，快速移动速度1.5m/min ，回转角度±30°。
推荐最大刀盘直径：350mm 。
2）设计部件名称：X2010型龙门铣床主轴箱。
3.设计工作任务要求1．专业课程设计设计说明书一份2．主轴箱展开图一张3．主轴箱剖面图一张4．机床传动系统图一张5．一个零件工作图（主轴）一张目录一、概述 (3)二、参数的确定2.1转速范围、各级转速等的确定 (3)三、传动设计3.1确定结构式及结构网 (4)3.2绘制转速图 (5)3.3绘制传动系统图 (6)四、传动件的估算4.1齿轮齿数确定 (7)4.2 各轴和齿轮计算转速 (9)4.3验算主轴各级转速相对误差 (10)五、动力设计5.1电机型号 (11)5.2各轴直径估算 (11)5.3齿轮模数的估算 (13)5.4尺宽的确定 (14)5.4轴承的选择 (15)六、结构设计6.1齿轮的轴向布置 (15)6.2各传动轴及其上传动元件的布置 (15)6.3主轴及其组件的配置 (17)6.4传动件的验算 (18)七、总结 (19)八、参考文献 (19)一、概述在现代机械制造工业中，金属切学机床是加工机器零件的主要设备，它所担负的工作量，约占机器总制造工作量的40%～60%。
SINUMERIK 840D数控系统在改造数控仿形铣中自动换刀程序的设计项目简介神龙汽车有限公司为国内三大轿车生产基地之一，其生产线及检测线设备主要从欧洲进口，自动化程度非常高，各类SIMATIC自动化产品和软件得到大量使用。
公司95年从法国FO REST-LINE公司引进的一台龙门式3＋2轴数控仿形铣加工中心，用作汽车模具型面的加工及修改工作。
因机床的NUM760F数控系统严重老化，导致机床故障率高，模具加工精度差；同时由于数控系统内部功能的缺乏，导致某些特殊型面的模具加工无法完成，满足不了新车型模具加工的需求。
为此在2005年冲压工厂对该机床的数控系统进行了改型，经过系统选型和方案比较，笔者选用了SINUMERIK系列产品：840D数控系统和611D伺服驱动，并配以1PH7/1FT6/1FK6系列电机。
本文将对SINUMERIK 840数控系统在数控仿形铣床系统改造方面的应用作一些阐述和介绍。
数控仿形铣原数控系统介绍机床整体描述FOREST-LINE 3＋2轴数控仿形铣床为龙门式加工中心（见图1），工作台台面2m×4m，载重30t，X轴行程4500mm，Y轴行程3000mm，Z轴行程1200mm，W横梁轴行程64 0mm。
数控仿形铣加工中心配有刀具库和附件库，刀具库为旋转盘式，可容纳30把刀具；附件库有3个附件头，它们分别为：RM40多功能铣头、AL40加长铣头、护板铣头。
图1 数控铣加工中心工艺布置图数控仿形铣加工中心有1个主轴；7个数控轴：X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴、刀库轴、附件轴；一个PLC轴：W横梁轴。
其中X/Y/Z三轴可插补联动，若使用RM40多功能铣头则增加A轴和C轴，C轴由主轴电机驱动，且A轴和C轴均由鼠牙盘定位；W轴为横梁轴，不属于数控轴，由受控于数控系统PLC的一台LS变频器驱动，只有上下两个极限位置，属PLC轴。
由以上描述知3＋2轴数控仿形铣加工中心实际上指插补联动的X/Y/Z三轴加上能实现斜面加工的A/C两轴。
机床主轴结构的优化和改良技术摘要数控机床中，主轴对机床起至关重要的作用，所以主轴结构的设计在数控机床设计中占主要地位。
目前在机床主轴的结构设计中，基于优化设计理论的基本思想与求解方法，已得到学术界与实业界的广泛认可。
故本文将此方法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，并采用内点惩罚函数法对模型求解，获得最优结构设计方案。
使得本设计下，机床主轴满足本文假设中的各种约束条件，材料最为节省，刚度达到最好。
关键词机床；主轴；优化设计；数学模型1 数控机床的主轴结构改进数控机床设计中，如何设计主轴结构对数控机床的运行来说十分重要。
主轴设计中，结构设计是其中的首要问题，即在机床的主轴设计中，其结构设计是首先要解决的问题，且在加工与装配的过程中，工艺问题也是需要设计者考虑的设计因素。
如图1-1所示，是机床主轴的设计中所普遍采用的结构。
其中，轴承4、5、8支撑主轴1，主轴上的3个压块紧锁螺母3、7、9用来实现轴承的轴向定位。
主轴的装配质量，主轴及其相关零件的加工精度等级、轴承的精度等级对主轴系统的精度起决定作用。
主轴的双列圆锥滚子轴承4和主轴的外锥配合程度直接对轴承的工作精度造成影响，一般情况下，要求它们之间配合时的接触面积应大于75%。
所以，为了达到要求，在购买轴承时，应对轴承的等级与品牌严格要求；且在设计时，将主轴的高度较高的两端的同轴度设置为0.005mm。
而对相关零件，例如螺母3、7、9与隔套6的端面对主轴线的跳动为0.008mm以内。
一般压块螺母在进行实际加工时，精度难以达到要求，使装配时，主轴精度很低，以至于需要反复调整圆螺母的松紧来达到要求，但是这种达标也仅仅是刚刚符合，很难做到精准。
最终导致轴承偏紧，且精度、稳定性较差，安装的位置也不准确，出现游隙不均匀的现象。
那么在机床运行时，就会出现噪声大、工作温度过高，震动严重，对工件的加工质量与轴承的寿命均造成不利的影响。
用圆锥滚子轴承来代替原有轴承，可平稳的运行，并可承载的负荷较大，精度调整好后，可保持机床精度；高速与轻型机床的运行要求却不能很好的满足。
数控加工中心多主轴系统设计分析摘要：数控加工中心作为一种高效快捷的多功能数控机床，其成熟和发展也在一定程度上反映了我国的工业设计和制造水平。
本文主要对数控加工中心多主轴系统设计、加工中心主轴组件结构设计等进行分析，结合加工中心主轴组件结构设计以及改进方案研究，为数控加工中心多主轴系统优化设计提供思路。
关键词：数控加工中心；多主轴；系统设计数控加工中心的应用能够促进多工序编程实现，还能结合需求进行道具切换，是一种高效便捷的数控加工机床。
这一中心聚集了铣床、镗床、钻床等多种数控功能，还有独立的刀库和自动换刀装置，可以同时进行多道工序。
数控加工中心的应用能够有效减少工件装夹、产品和设备调整等工序，也为工件转移提升了效率，所以在数控加工中得到了广泛应用。
1.数控加工中心主轴组件构成目前的数控加工中心主轴组件包含多种，有主轴、主轴支承、传动件、密封件等。
借助数控系统来对于主轴的启动、变速以及停止进行控制，借助装在主轴上的刀具来实现切削作业，也是切削加工的功率输出部件[1]。
主轴是加工中心的重要组成部分，其结构好坏对于数控加工中心的性能影响较大，直接影响到数控加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。
主轴中的刀具自动加紧机构主要功能是实现刀具交换的自动化。
1.机械系统方案设计2.1主轴传动机构针对现阶段的机床主轴传动机构而言，可以分为齿轮传动以及同步带传动。
其中齿轮传动是机械传动中的关键传动装置，其类型多样，应用范围也比较刚。
且传动机构的传递效率较高，可以达到约10万千瓦，其圆周速度接近200m/s，效率接近0.99。
这类传动模式一般是以传动比固定传动为主的，也有部分是有级变速传动[2]。
齿轮传动制造和安装对于精度的要求比较高，但是成本也相对更高，所以在唇动距离过大的情况下并不适用。
同步带在齿合传动中应用的最大优势就是其不需要进行润滑传动。
在齿合传动中，其结构也更为简单，制作难度低，使用经济实惠，且其弹性缓冲能力突出，质量较轻，两轴的布置可调节性强，运行中的噪声较小。
龙门机床加工中心主轴系统改型设计龙门镗铣床加工中心主轴部分的改型设计学院机械学院专业机械设计制造及其自动化班级学号姓名指导教师辽宁科技大学2015，04目录龙门镗铣床加工中心主轴部分的改型设计 (2)摘要 (7)第一章绪论 (9)1.1 我国机床行业发展趋势 (9)1.1.1 我国机床发展史 (9)1.1.2 我国机床行业今年的发展状况 (10)1.1.3 我国机床行业未来发展的趋势 (10)1.2 本课题的提出 (12)1.2.1 龙门镗铣床及镗铣加工中心简介 (12)1.2.2本课题提出的意义 (13)1.3 本课题研究的主要任务 (14)1.4可行性分析 (15)第二章主轴系统的设计 (17)2.1 设计参数 (17)2.2 主轴箱体方案设计 (17)2.2.1 加工中心主轴型号的选择 (17)2.2.2 电机型号的选择 (18)2.2.3 电机主轴轴颈的确定.. 192.2.4 电机转速的确定 (19)2.2.5 加工中心变速箱总体结构设计 (20)2.3 主要结构的设计与计算 (21)2.3.1 带传动的设计 (21)2.4齿轮传动设计 (24)2.4.1 轴Ⅰ上的第一组啮合齿轮 (24)2.4.2 轴Ⅰ上的第二组啮合齿轮 (28)2.4.3 轴Ⅱ上的第一组啮合齿轮 (33)2.2.4 轴Ⅱ上的第二组啮合齿轮 (37)2.4.5 第Ⅲ轴啮合齿轮 (42)2.5轴的尺寸设计及强度校核 (46)2.5.1 轴Ⅰ的尺寸设计 (46)2.5.2 轴Ⅱ的尺寸设计错误!未定义书签。
2.5.3 轴Ⅲ的尺寸设计错误!未定义书签。
第三章主轴箱其余部件选择错误!未定义书签。
3.1 轴承选择... 错误!未定义书签。
3.2 液压缸的选择错误!未定义书签。
第四章 Z轴拖动系统的设计错误!未定义书签。
4.1 拖动导轨的选型错误!未定义书签。
4.2 导轨间隙调整装置错误!未定义书签。
4.3 导轨滚珠丝杠设计错误!未定义书签。
4.3.1 载荷计算错误!未定义书签。
4.3.2 确定额定动载荷及丝杠的选型..... 错误!未定义书签。
4.3.3 稳定性验算错误!未定义书签。
4.3.4 刚度验算错误!未定义书签。
4.3.5 效率核算错误!未定义书签。
致谢............... 错误!未定义书签。
参考文献.. (47)摘要图纸全套cad qq129735602本课题主要内容是以中捷摇臂转床厂已有的产品GMD200动桥式龙门数控铣钻床的基础上改型设计，由以前的钻，铣两种功能提升到镗，铣，钻三种功能。
这次改型设计主要是主轴箱和Z轴拖动系统的设计。
主轴箱的设计主要是电机的选型，变速系统的设计，轴的强度校核，拖动系统设计等，变速系统的设计是这次改造过程的重点和难点。
其中电机的选型要根据设计参数从转速以及转矩的角度上考虑，来选择一个最合适的电机，要求电机在满足设计所需的动力的基础上，能够最大限度的节省能源和电力。
其次，变速系统设计部分是针对所给设计的参数要求，从设备的寿命，安全系数，效率，以及整体结构特点综合考虑分析之后进行速比分配，使变速箱系统获得良好的工作效果。
拖动系统设计主要是根据刀台的重量以及主轴轴颈大小，刀具行程来确定拖动系统滚珠丝杠轴颈大小，从来确定其他零部件的尺寸。
通过该机构的设计，使学生对机械加工设备有进一步的了解，同时熟练掌握可变速减速器等机构的设计方法，树立严谨的设计理念，从而达到综合训练的目的，为将来走向工作岗位打下坚实的基础。
关键字：电机选择；速比分配；强度校核；拖动系统AbstractThe core content in this paper is the model change of the fretting damage Longmen CNC that is increase one more function of boring through the creation which has the function of drilling and milling, that is based on the product created by the Bilateral Radial Drilling Machine Factory.Generally, there are two parts in this paper-the spindle box and the driving system on the Z axis.The design of the spindle box include the model selection of the electric machine, speed control system-which is the key and difficult points in this paper, the strength checking of the axis and the design of the driving system. Firstly, the selection of the electric machine that is based on the parameters that are known from the sheets through the rated torque and rated speed. The electric machine should own the capacities of energy conservation and save money that is based on the function that satisfy the operating requirement. Secondly, the design of speed control system should analysis by synthesis the factors that including the equipment life, safety factor, efficiency and the general structure features to allocate the speed ratio that could optimize the running. The design of driving system must considerate the weight of the cutter sets, the size of the principal axis and the maximum cutter travel to determine the size of the ball screw, then confirm the other accessories. Through the design, the students could have a further understanding of mechanical processing equipment, in the meantime, mastering institutions such as variable speed reducer design methods, set up rigorous design concept, so as to achieve the purpose of the comprehensive training, go to work to lay a solid foundation for the future.Key words: Selection of the electric machine;Speed ratio distribution;Strength checking;Driving system第一章绪论1.1 我国机床行业发展趋势1.1.1 我国机床发展史一个国家的工业实力很大程度上取决与这个国家机械制造业的发达程度，可以说机械制造业的发展史伴随着人类文明发展史延续至今，西方的发达得益于他们的两次工业革命，这不难看出机械制造业对人类的重要性。
工业革命导致了多种多样的机床的诞生和改进。
1774年，英国科学家John Wilkinson 发明了较为精密的炮筒镗床。
第二年，他利用这台镗床加工出了汽缸，达到了当时可以称得上苛刻的瓦特蒸汽机的要求。
之后，他对与之前的设备加以改进，在1775年，他研制出了水轮驱动的汽缸镗床，这大大增进了蒸汽机的发展。
此后，机床开始用蒸汽机通过曲轴驱动。
被称为“英国机床之父”的Maudslay制造了车床可由丝杠传动刀架，实现了机动进给和车削螺纹，这是机床机构的一次重大的突破。
进入了十九世纪之后，由于防止，动力，交通运输机械和军火生产的推动，各种类型的机床相继出现，比如1817年，英国发明家罗伯兹制造了龙门刨床；1818年美国人惠特尼制成卧式铣床；187年，美国研制成万能外圆磨床；1835年和1897年发明滚齿机和插齿机。
到了20世纪前期，机床行业已经进入精密化时代，单一的机床已经逐渐演化出了铣床，刨床，磨床，和钻床等，并且这些机床已经基本定型，也为精密机床和生产机械和半自动化创造了条件。
中国机床工业的发展要从二十世纪中叶，1949年中华人民共和国成立后逐渐发展起来的，至今已有将近70年的历史。
回首中国机床行业这60多年的发展道路，一路上充满了艰辛与坎坷。
其发展大致可以分为两个阶段，建国30年为一个阶段，改革开放又是一个阶段。
两个时期的人们有着不同的思想意识，这也必然会影响机床工业的发展。
第一阶段，新中国刚刚成立，国内经历过内战之后，百废待兴，技术人才匮乏，科技落后。
在苏联技术人员指导下，机床厂根据苏联人的图纸逐步生产一些普通的手动机床，用以供应生产急需。
在1950年到1957年这八年的时间里，进一步引进更为先进的技术，整合规划发展，我国陆续建设起了机床厂“十八罗汉”，七所综合性的机床研究所，并成为当时的机床工具产业先锋，为整个中国的机床工业的生产，布局和管理打下了坚定的基础，这可以称得上是中国工业发展将近70年中的黄金时期。
第二阶段，在经历了国内一系列错误的意识形态的惨痛的革命教训，中国走向了改革开放的道路。
机床工业进一步走向了科学生产，大力发展的道路。
1980年的改革开放，我国开始逐步引进德，美，日的数控系统，以及各类数控机床，加工中心，进行了综合性生产。
2006年，我国有进一步加强了自主创新。
中国的机床行业在数控生产研发领域渐入佳境。
改革开放的30多年，我国的机床产业在技术上，质量上飞速发展。
