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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。
数控机床主轴设计
一、概述
1.数控机床主轴是机床加工过程中的核心部件，其质量直接影响到机
床的精度和生产效率。
数控机床主轴设计的主要任务是解决加工件的加工
精度、表面质量和生产效率等要求的技术问题。
2.数控机床主轴设计工作需要满足性能、结构、重量、尺寸、动力、
控制、安装等方面的要求，其中最重要的是性能和结构要求。
二、主轴结构设计
1.针对不同的加工工艺的要求，数控机床主轴设计的结构形式有很多，常见的有研磨轴、多段轴、悬臂式轴等。
2.研磨轴是机床主轴的基本结构，一般用于精超磨削，其结构特点为
研磨轴有较长的平稳运行区段，其强度高，通常采用梃形连接，耐磨性能好，是目前机床常用的轴形式。
3.多段轴是指主轴有多段，每段之间有齿轮连接，它可以满足不同加
工工艺的需求。
4.悬臂式轴是指主轴的两端分别有悬臂，是一种自转和轴向振动均有
良好平衡的结构形式，是用于精铣、拉床等加工工艺的主轴形式。
三、主轴性能设计
1.主轴的动力要求是指主轴所需的动力。
主要有机械动力、电动机动
力和气动动力等形式，根据不同的加工工艺要求，采用不同动力形式实现，其中机械动力是最常用的动力形式。
1．车床组成部件及其作用由床身、床头箱、变速箱、进给箱、光杆、丝杆、溜板箱、刀架、床腿和尾架等部分组成。
1、床身：是车床的基础零件，用来支承和安装车床的各部件，保证其相对位置，如床头箱、进给箱、溜板箱等。
床身具有足够的刚度和强度，床身表面精度很高，以保证各部件之间有正确的相对位置。
床身上有四条平行的导轨，供大拖板（刀架）和尾架相对于床头箱进行正确的移动，为了保持床身表面精度，在操作车床中应注意维护保养。
2、床头箱（主轴箱）：用以支承主轴并使之旋转。
主轴为空心结构。
其前端外锥面安装三爪卡盘等附件来夹持工件，前端内锥面用来安装顶尖，细长孔可穿入长棒料。
C6132 车床主轴箱内只有一级变速，其主轴变速机构安放在远离主轴的单独变速箱中，以减小变速箱中的传动件产生的振动和热量对主轴的影响。
3、变速箱：由电动机带动变速箱内的齿轮轴转动，通过改变变速箱内的齿轮搭配（啮合）位置，得到不同的转速，然后通过皮带轮传动把运动传给主轴。
4、进给箱：又称走刀箱，内装进给运动的变速齿轮，可调整进给量和螺距，并将运动传至光杆或丝杆。
5、光杆、丝杆：将进给箱的运动传给溜板箱。
光杆用于一般车削的自动进给，不能用于车削螺纹。
丝杆用于车削螺纹。
6、溜板箱：又称拖板箱，与刀架相联，是车床进给运动的操纵箱。
它可将光杆传来的旋转运动变为车刀的纵向或横向的直线进给运动；可将丝杆传来的旋转运动，通过"对开螺母"直接变为车刀的纵向移动，用以车削螺纹。
7、刀架：用来夹持车刀并使其作纵向、横向或斜向进给运动。
8尾架：安装在床身导轨上。
在尾架的套筒内安装顶尖，支承工件；也可安装钻头、铰刀等刀具，在工件上进行孔加工；将尾架偏移，还可用来车削圆锥体。
2.主运动传动链的作用是什么进给传动链的作用是什么动传动链的作用是什么进给传动链的作用是什么主运动传动链属于外联系传动链，两末端是电动机和主轴，作用是把动力源的运动及动力传给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动。
第2章数控机床的典型结构与部件2.1 数控机床的结构特点及要求2.1.1数控机床的结构特点由于数控机床的控制方式和使用特点，使数控机床与普通机床在机械传动和结构上有显著的不同，其特点有：（1）采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，机械传动结构大为简化，传动链缩短。
（2）采用刚度和抗振性较好的机床新结构，如动静压轴承的主轴部件、钢板焊接结构的支承件等。
（3）采用在效率、刚度、精度等各方面较优良的传动元件，如滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆副以及塑料滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等。
（4）采用多主轴、多刀架结构以及刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装置和自动排屑、自动润滑冷却装置等，以改善劳动条件、提高生产率。
（5）采取减小机床热变形的措施，保证机床的精度稳定，获得可靠的加工质量。
2.1.2数控机床的结构要求及措施1．提高机床的静、动刚度在数控机床加工过程中，加工精度除了取决于数控系统，还取决于数控机床本身的精度。
而由机床床身、导轨工作台、刀架和主轴箱的几何精度和变形所产生的误差取决于它们的结构刚度，并且这些误差在加工过程不能进行人为的调整和补偿。
因此，必须把移动件的重量和切削力引起的弹性变形控制在最小限度之内，以保证加工精度和表面质量。
为了提高机床的静刚度，在机床结构上常采用以下措施。
1）为提高机床主轴的刚度，常采用三支承结构，并且选用刚性好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。
2）为提高机床整体的刚度，常采用筋板结构。
表2-1给出了方形截面立柱在加筋前后的静刚度比值。
从表中可以看出，加筋板后相对弯曲刚度和扭转刚度均提高。
表2-1 方形截面立柱加筋前后的静刚度比值加筋形式相对质量相对弯曲刚度相对扭曲刚度1 1 11.24 1.17 1.381.34 1.21 8.861.63 1.32 17.73）在大型数控机床中，移动载荷对机床边形有较大的影响。
常采用液压平衡和重快平衡来减少构件的变形，如图2-1所示，利用重块有效地减小主轴箱左右移动对横梁变形的影响。
机床应该具备的三个组成部分
机床通常由以下三个主要组成部分：
1. 机床本体：机床本体是机床的基础部分，它包括床身、工作台、立柱、导轨等结构。
机床本体的设计和制造质量直接影响到机床的稳定性、精度和刚性。
机床本体需要具备足够的强度和刚性，以承受加工过程中的力和振动，并确保工件的加工精度。
2. 动力和传动系统：动力和传动系统为机床提供动力源和运动传递。
它包括电动机、减速器、传动轴、皮带、齿轮等部件。
动力和传动系统的性能将直接影响机床的加工效率和加工精度。
高效、稳定的动力和传动系统能够提供足够的动力，并将动力准确地传递给刀具或工件，以实现期望的加工效果。
3. 控制系统：控制系统是机床的“大脑”，它负责控制机床的各种动作和功能。
控制系统包括数控系统、电气控制元件、传感器、人机界面等。
控制系统的先进程度和功能将决定机床的自动化程度和加工精度。
现代机床通常配备先进的数控系统，能够实现高精度的加工控制，并提供丰富的功能和编程选项。
以上三个组成部分是机床的核心要素，它们相互协作，共同实现机床的加工功能。
除了这三个部分，机床还可能包括其他辅助设备，如冷却系统、润滑系统、刀具库等，以提高机床的性能和可靠性。
不同类型和规格的机床在具体结构和配置上可能会有所差异，但以上三个组成部分是机床的基本构成。
D2机床主要部件设计习题
1机床的主轴主件设计应满足的要求？为什么对机床主轴系统要提出旋转精度、刚度、抗振性、温升以及耐磨性要求？
2主轴组件的旋转精度?
3主轴的轴向定位有几种？各有什么特点？CA6140车床为什么采用后端定位？而数控机床为什么采用前端定位？
4选择主轴材料的依据？
5机床的支承部件包括哪些？为什么多数机床的支承部件采用铸铁制造？怎样补偿机床中不封闭支承件的刚度损失？
6在机床支承件的机构设计中，支承件截面形状的选用原则是什么？
7支承件的形状分为几大类?提高支承件结构性能的措施有哪些?
8横向、纵向、斜向隔板的作用？
9何谓爬行？产生于哪种类型的运动中？产生爬行的原因是什么？消除爬行的措施有哪些？
10在各种切削加工机床中，广泛采用的直线运动导轨的组合形式有哪些？说明主要性能及应用场合。
1 主轴zu件设计应满足的基本要求
旋转精度
刚度
抗振性
温升和热变性
精度保持性
2旋转精度
旋转精度是主轴组件装配后，静止或低速空载状态下，刀具或工件安装基面上的全跳动值。
3 主轴轴向定位
推力轴承在主轴上的配置形式，它影响主轴轴向精度和主轴热变性方向和大小。
a前端配置（前端定位）推力轴承布置在前支承处
这种方案的前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高。
用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。
b后端配置（后端定位）推力轴承布置在后支承处。
这种方案前支承处轴承较少，发热少，温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。
用于轴向精度要求不高的普通机床，如：立铣、多刀车床。
c两端配置（两端定位）推力轴承布置在前后两个支承处。
当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。
为避免松动，用弹簧消除间隙和补偿热变形。
用于较短主轴或轴向间隙变化不影响正常工作的机床。
如组合机床主轴
4主轴的选材依据：载荷类型、耐磨性、热处理方法。
5床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件——大件
支承件的基本要求
1).具有足够静刚度和较高固有频率,2)良好的动态特性 3)结构合理4)排屑畅通，工艺性
好，成本低，吊运安装方便
（1）机床支承件常采用铸铁
灰口铸铁的铸造、切削性能好，易得到复杂形状；阻尼大，有良好的抗振性能；加入少量合金元素可提高耐磨性。
6支承件的截面形状设计原则
支承件变形主要是弯扭变形。
且抗弯刚度和抗扭刚度随支承件的截面惯性矩增大而增大。
设计原则：
◆截面积一定时，空心截面比实心截面的惯性矩大，满足工艺要求时，应尽量减小壁厚，提高抗弯刚度。
◆承受一个方向弯矩的支承件，当高度方向为受弯方向时，截面形状应为矩形。
◆承受弯扭作用的支承件，截面形状应为方形。
◆承受纯转矩的支承件，截面形状应为圆环形。
◆不封闭截面刚度远小于封闭截面刚度，尽量将支承件制成封闭形状。
◆截面不能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施
7提高支承件静刚度的措施
1).隔板和加强肋2.)支承件开孔后的刚度补偿在孔上加盖板，用螺栓将盖板固定在壁上。
也可将孔的周边加厚（翻边），再加嵌入式盖板。
3).提高接触刚度
提高动刚度的措施
合理选择支承件的结构形式②合理选用构件的材料
8纵向隔板能提高抗弯刚度。
支承件内增加横向隔板能提高抗扭刚度。
支承件内增加斜板可提高抗弯和抗扭刚度
9爬行现象及产生原因
1）爬行是进给传动机构的一种低速运动的不均匀现象，即在传动件以很低的速度匀速转动时，工件台出现速度不均匀的跳跃式运动，或出现间歇式运动，速度时快时慢，时走时停。
2）爬行是一种摩擦自激振动。
主要原因是摩擦面上的动摩擦系数小于静摩擦系数，且由于摩擦阻尼，动摩擦系数随滑移速度的增加而减小，以及传动系统的弹性变形。
3.）消除爬行的措施
1）减少静动摩擦系数之差，改变动摩擦系数随速度变化的特性
2）提高传动系统的刚性（3）尽量减少动导轨及工作台的质量。
10.导轨的截面形状选择（直线运动导轨组合形式）
①双矩形导轨②三角形和矩形导轨的组合③双三角形导轨④燕尾形和矩形导轨的组合⑤双燕尾形导轨
D机床主要部件设计主要知识点
1.主轴组件
基本要求、滚动轴承的选用原则、主轴的支承数目选择、轴向定位及特点
角接触球轴承又称为向心推力球轴承，可以同时承受径向和(某一方向的)轴向载荷。
2支承件设计
① 功用、静刚度、固有频率及其要求。
② 受力分析与机床类型的关系。
③ 结构设计截面形状选择原则，提高静刚度措施。
④ 材料(铸铁、钢材、树脂混凝土特点及应用，为什么铸铁应用最广泛。
) 3导轨：
分类、滑动导轨的截面形状及应用、间隙调整，材料及其选择。
低速运动平稳性：爬行现象和机理，消除爬行的措施。
4.滚珠丝杠副：
工作原理、结构及轴向间隙调整方法
总结
1试分析及床主轴的前轴承精度，一般要比后轴承的精度高一级
答：1）前轴承的轴心有偏移量
δ
A
， 后轴承偏移量为零时，由偏移量
δ
A
引起的主
轴主端轴心偏移量为 （2分）
δδA
A l a
L +=
1 （1分）
后轴承有偏移量δ
B
,前轴承的轴心偏移量为零时，引起的主轴主轴端偏移量为：
（2分）
δδB
B L a
=
1 （1分） 显然，前轴承的精度比后轴承对主轴部件应响大 （1分） 。
作图
2机床动态刚度、支承件静刚度、固有频率P74 支承件的静刚度包括整体刚度、局部刚度和接触刚度。
整体刚度又称自身刚度，与支承件的材料以及截面形状、尺寸等影响惯性矩有关。
局部刚度是指支承件载荷集中的局部结构处抵抗变形的能力。
接触刚度是指支承件结合面在外载荷作用下抵抗接触变形的能力。
支承件的固有频率是刚度与质量比值的平方根 3
1）.导轨的截面形状选择（直线运动导轨组合形式）
① 双矩形导轨② 三角形和矩形导轨的组合③ 双三角形导轨④ 燕尾形和矩形导轨的组合⑤ 双燕尾形导轨
导轨间隙调整：压板间隙调整、镶条间隙调整、导向调整板间隙调整。
后 轴承 前轴承
δ
A
δ
1A
A
B
轴 端
L
a
δ
B
δ
1B
4滚珠丝杠双螺母预紧三种结构？P
1.垫片调隙式。
结构简单，可靠性好，刚度高装卸方便，但调整复杂。
2.螺纹调隙式。
结构紧凑，调整方便，调整间隙不很精确。
3.齿差调隙式。
调整精确，但结构尺寸大，调整装配复杂，适用于高精度传动。
轴向间隙调整方法
垫片调隙式，螺纹调隙式，齿差调隙式。
