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摘 要：主轴结构在数控机床中是一个非常主要的构成部分，该结构在很大的程度上影响着数控机床的运行效率。因此，在安装主轴结构的时候，不光需要合适的方式、将轴承的调试工作做好，还得保证材料的质量，结合具体的情况制定出合理的维护方案。在设计数控机床的主轴结构时，存在着较多的因素影响到数控机床的使用寿命以及应用质量。本文对数控机床主轴结构的改进以及优化设计进行了简单的分析。
关键词：数控机床;主轴结构;改进;优化设计
引言：在数控机床当中最核心的部件就是主轴，只有确保主轴的精确运转，将主轴的耐磨性以及抗震性有效地提升上来，才能够更好地确保工件的加工质量。与此同时，数控机床的作业环境以及操作人员也在一定的程度上影响着工件的加工质量。必须要做好主轴结构的设计工作，对其中各种可控因素进行明确，还得不断地进行改进以及优化，这样才可以更好地提升数控机床的使用效率以及使用寿命。
1 数控机床的发展现状
就目前的情况来看，我国的数控机床正在朝着高速度、高精度以及更加智能化控制的方向进行发展。我国的工业化进程也在不断地加快，各种新材料的应用也变得更加广泛，与此同时，对数控机床的加工质量也有着更高的要求。为了更好地顺应工业化的发展，还得不断地提升数控机床的主轴转速以及进运算速度[1]。数控机床的主轴在进行变速的时候一共两种方式，第一种是常规的无级变速，第二种是分段式的无极变速，通过变速可以实现对复杂型面的加工。为了更好地提升运算的速度，微处理器的工作效率也得到了有效的提升，目前64位的CPU数控系统的应用范围已经十分，而且频率也达到了几千兆赫兹[1]。此外，换刀的速度较之前也提升了很多，有很多的刀具在进行交换的时候只需要花费一秒左右的时间，有些速度更高的刀具在进行交换的时候花费的时间甚至不到一秒，仅仅只有0.5秒，由此可见，数控机床在当前的发展效果十分明显。
2 数控机床主轴结构的改进以及优化设计
2.1主轴传动系统
为了将数控机床的质量以及运转效率有效地提高上来，必须要对主轴结构加强设计。主轴的精度在很大的程度上影响着主轴组件的旋转精度，主轴传承系统包含了主轴、齿轮以及轴承等零件，而且这些零件之间是连接在一起的，假如在设计的时候出现了偏差，就会直接影响到这些零件的接触刚度[2]。此外，零件接触面的形状和其表面的粗糙度之间也有着直接的关系，当形状非常精确的时候，表面也会更加精密，那么在受力之后导致的接触变形概率也会降低很多。在数控机床的传动系统当中主轴是非常核心的一个部件，主轴的强度、精度以及刚度都会直接影响到机床切削的质量。当主轴的长度和直径之间的比值超过了12，这样的主轴就被称之挠性轴[2]。为了有效地提升挠性轴的刚性，就必须要结合实际工况的采取針对性的措施。在对设计进行优化的过程当中，径向力并不会对轴中心位置造成影响，所以就不必采取刚性校核的措施，而是需要把校核的重点放在强度上面。如果想让轴顺利地运转起来，就得先把轴有效地支撑起来，在轴与轴衬间还存在着一个配合的部位，也就是所谓的轴颈，轴颈的长度以及抗压强度都与散热的要求息息相关。假使选择轴承是滚动轴承，那么轴颈就需要根据轴承的特点来进行设计。由于轴上所安装的零件数量比较多，为了保障零件的表面能够更加配合，一般情况下都会选择阶梯轴这种设计方式。对于轴上的零件可以借助套筒或者是挡环来进行定位，不过抬肩是不能选择这种定位方式的。在进行轴加工的时候，不光轴端需要有倒角，而且各个台阶也得有倒角，因为这样能够有效地减少集中应力给加工带来的影响，从而确保数控机床的加工效率。
2.2组件建构
主轴的组件包含了多个部分，诸如主轴、主轴承以及传动件等。主轴组件能够保证机床正常地运行下去，属于一种执行件，主轴组件可以带动工件完成特定的运动，在数控机床当中是非常重要的一个组件，而且主轴组件的性能和数控机床性能之间也有着非常直接的关系。在机床运转的过程当中，切削力是直接在主轴上进行施加的，不管是速度或者是范围都非常大。因此，必须要确保主轴的组件具有较高的可靠性。
2.3前端结构
在进行前端结构设计的时候，必须要保障夹具以及刀具等都可以准确地进行安装，还得采取更加有利于进行装卸的安装方式，所以必须要尽可能地缩短主轴端的悬臂长度，让单元结构能够选择角接触轴承，通过采取这样的措施能够让前端设计更好地承受径向荷载，同时也能够承受轴向荷载。在设计元件的极限速时能够选择角接触轴承，在具体使用的时候可以选择四个元件，借助背组安装这种形式，这样能够将两个承载点进行有效地扩展，从而让主轴头部的悬伸能够变短，进而对主轴端部的变形问题进行一定的遏制，让主轴的刚度能够变得更加强化起来[3]。大多数的主轴前端结构都非常相似，一般都是去设计前支承这个部分，主轴前端通常都是采用3182100这个系列的轴承以及角接触轴承当工作前端支承。现阶段这种主轴结构的设计方式已经被很多国家所应用，在实际的应用过程当中也取得了非常良好的效果。
2.4借助iSIGHT软件
在对数控机床主轴结构的设计进行优化的时候，可以充分地借助iSIGHT软件来完成。iSIGHT软件当中内嵌了MATLAB程序的编辑器，所以就能够在iSIGHT的集成模块当中直接地去编写m程序文件。在进行优化算法的时候选择NCGA，种群的规模选择15，最大遗传的进化代数设定为40，交叉率以及变异率都选择默认值，然后再把计算的结果在硬盘当中进行保存。当iSIGHT的优化计算完全结束过后，可以利用数据挖掘工具来分析结果，这样就能够就可以得出设计变量的最优解数值。由于数控机床主轴的自重以及伸出端的扰度属于一组具有矛盾的目标。结合最优解的前沿曲线就能够根据实际情况以及需要，在曲线当中选择出一个最佳的参数[4]。但是上述采用的分析方法属于近似分析，如果是受力、形状以及支撑都较为复杂的轴，是不可以直接这样进行简化的，加上机床主轴的设计对动力学的性能也有相应的要求，所以只是把主轴简化之后再去利用材料力学公式来进行分析，其实是不可以很好地满足工程设计的相关需求的。针对这种现象，就可以采取ANSYS（有限元分析）软件对主轴采取动静态的力学分析，接着在iSIGHT当中集成一个有限元分析的模块，通过iSIGHT的强大优化设计功能实现数控机床主轴的优化设计。只有这样，才能够切实地提升数控机床的运作效率以及精度。
结语：
为了切实地将数控机床的应用质量提尬上来，必须要改进以及优化主轴结构的设计。通过采取合理的设计方案，能够把主轴的精度以及刚性提升上来，这样在数控机床进行加工的过程当中主轴才能够承担更大的负荷，让轴承间的运转可以更加配合，这对于提高数控机床的精度以及稳定性来说是非常有利的。因此，在数控机床运作的过程中必须要注重对主轴结构进行改进以及优化设计。
参考文献：
[1]孙年亮.关于数控机床主轴结构的改进设计[J].农机使用与维修，2020（03）：22.
[2]徐燕.数控机床主轴结构的改进和优化设计[J].机械研究与应用，2011，24（03）：115-117.
[3]田刘平，李志强.数控机床主轴编码器安装结构优化设计及改进[J].科技创新与应用，2020（07）：100-101.
[4]高利强，牟群力.数控机床主轴编码器安装结构优化设计及改进[J].制造业自动化，2017，39（06）：89-90.
（宁波市凯博数控机械有限公司，浙江 宁波 315000）
关键词：数控机床;主轴结构;改进;优化设计
引言：在数控机床当中最核心的部件就是主轴，只有确保主轴的精确运转，将主轴的耐磨性以及抗震性有效地提升上来，才能够更好地确保工件的加工质量。与此同时，数控机床的作业环境以及操作人员也在一定的程度上影响着工件的加工质量。必须要做好主轴结构的设计工作，对其中各种可控因素进行明确，还得不断地进行改进以及优化，这样才可以更好地提升数控机床的使用效率以及使用寿命。
1 数控机床的发展现状
就目前的情况来看，我国的数控机床正在朝着高速度、高精度以及更加智能化控制的方向进行发展。我国的工业化进程也在不断地加快，各种新材料的应用也变得更加广泛，与此同时，对数控机床的加工质量也有着更高的要求。为了更好地顺应工业化的发展，还得不断地提升数控机床的主轴转速以及进运算速度[1]。数控机床的主轴在进行变速的时候一共两种方式，第一种是常规的无级变速，第二种是分段式的无极变速，通过变速可以实现对复杂型面的加工。为了更好地提升运算的速度，微处理器的工作效率也得到了有效的提升，目前64位的CPU数控系统的应用范围已经十分，而且频率也达到了几千兆赫兹[1]。此外，换刀的速度较之前也提升了很多，有很多的刀具在进行交换的时候只需要花费一秒左右的时间，有些速度更高的刀具在进行交换的时候花费的时间甚至不到一秒，仅仅只有0.5秒，由此可见，数控机床在当前的发展效果十分明显。
2 数控机床主轴结构的改进以及优化设计
2.1主轴传动系统
为了将数控机床的质量以及运转效率有效地提高上来，必须要对主轴结构加强设计。主轴的精度在很大的程度上影响着主轴组件的旋转精度，主轴传承系统包含了主轴、齿轮以及轴承等零件，而且这些零件之间是连接在一起的，假如在设计的时候出现了偏差，就会直接影响到这些零件的接触刚度[2]。此外，零件接触面的形状和其表面的粗糙度之间也有着直接的关系，当形状非常精确的时候，表面也会更加精密，那么在受力之后导致的接触变形概率也会降低很多。在数控机床的传动系统当中主轴是非常核心的一个部件，主轴的强度、精度以及刚度都会直接影响到机床切削的质量。当主轴的长度和直径之间的比值超过了12，这样的主轴就被称之挠性轴[2]。为了有效地提升挠性轴的刚性，就必须要结合实际工况的采取針对性的措施。在对设计进行优化的过程当中，径向力并不会对轴中心位置造成影响，所以就不必采取刚性校核的措施，而是需要把校核的重点放在强度上面。如果想让轴顺利地运转起来，就得先把轴有效地支撑起来，在轴与轴衬间还存在着一个配合的部位，也就是所谓的轴颈，轴颈的长度以及抗压强度都与散热的要求息息相关。假使选择轴承是滚动轴承，那么轴颈就需要根据轴承的特点来进行设计。由于轴上所安装的零件数量比较多，为了保障零件的表面能够更加配合，一般情况下都会选择阶梯轴这种设计方式。对于轴上的零件可以借助套筒或者是挡环来进行定位，不过抬肩是不能选择这种定位方式的。在进行轴加工的时候，不光轴端需要有倒角，而且各个台阶也得有倒角，因为这样能够有效地减少集中应力给加工带来的影响，从而确保数控机床的加工效率。
2.2组件建构
主轴的组件包含了多个部分，诸如主轴、主轴承以及传动件等。主轴组件能够保证机床正常地运行下去，属于一种执行件，主轴组件可以带动工件完成特定的运动，在数控机床当中是非常重要的一个组件，而且主轴组件的性能和数控机床性能之间也有着非常直接的关系。在机床运转的过程当中，切削力是直接在主轴上进行施加的，不管是速度或者是范围都非常大。因此，必须要确保主轴的组件具有较高的可靠性。
2.3前端结构
在进行前端结构设计的时候，必须要保障夹具以及刀具等都可以准确地进行安装，还得采取更加有利于进行装卸的安装方式，所以必须要尽可能地缩短主轴端的悬臂长度，让单元结构能够选择角接触轴承，通过采取这样的措施能够让前端设计更好地承受径向荷载，同时也能够承受轴向荷载。在设计元件的极限速时能够选择角接触轴承，在具体使用的时候可以选择四个元件，借助背组安装这种形式，这样能够将两个承载点进行有效地扩展，从而让主轴头部的悬伸能够变短，进而对主轴端部的变形问题进行一定的遏制，让主轴的刚度能够变得更加强化起来[3]。大多数的主轴前端结构都非常相似，一般都是去设计前支承这个部分，主轴前端通常都是采用3182100这个系列的轴承以及角接触轴承当工作前端支承。现阶段这种主轴结构的设计方式已经被很多国家所应用，在实际的应用过程当中也取得了非常良好的效果。
2.4借助iSIGHT软件
在对数控机床主轴结构的设计进行优化的时候，可以充分地借助iSIGHT软件来完成。iSIGHT软件当中内嵌了MATLAB程序的编辑器，所以就能够在iSIGHT的集成模块当中直接地去编写m程序文件。在进行优化算法的时候选择NCGA，种群的规模选择15，最大遗传的进化代数设定为40，交叉率以及变异率都选择默认值，然后再把计算的结果在硬盘当中进行保存。当iSIGHT的优化计算完全结束过后，可以利用数据挖掘工具来分析结果，这样就能够就可以得出设计变量的最优解数值。由于数控机床主轴的自重以及伸出端的扰度属于一组具有矛盾的目标。结合最优解的前沿曲线就能够根据实际情况以及需要，在曲线当中选择出一个最佳的参数[4]。但是上述采用的分析方法属于近似分析，如果是受力、形状以及支撑都较为复杂的轴，是不可以直接这样进行简化的，加上机床主轴的设计对动力学的性能也有相应的要求，所以只是把主轴简化之后再去利用材料力学公式来进行分析，其实是不可以很好地满足工程设计的相关需求的。针对这种现象，就可以采取ANSYS（有限元分析）软件对主轴采取动静态的力学分析，接着在iSIGHT当中集成一个有限元分析的模块，通过iSIGHT的强大优化设计功能实现数控机床主轴的优化设计。只有这样，才能够切实地提升数控机床的运作效率以及精度。
结语：
为了切实地将数控机床的应用质量提尬上来，必须要改进以及优化主轴结构的设计。通过采取合理的设计方案，能够把主轴的精度以及刚性提升上来，这样在数控机床进行加工的过程当中主轴才能够承担更大的负荷，让轴承间的运转可以更加配合，这对于提高数控机床的精度以及稳定性来说是非常有利的。因此，在数控机床运作的过程中必须要注重对主轴结构进行改进以及优化设计。
参考文献：
[1]孙年亮.关于数控机床主轴结构的改进设计[J].农机使用与维修，2020（03）：22.
[2]徐燕.数控机床主轴结构的改进和优化设计[J].机械研究与应用，2011，24（03）：115-117.
[3]田刘平，李志强.数控机床主轴编码器安装结构优化设计及改进[J].科技创新与应用，2020（07）：100-101.
[4]高利强，牟群力.数控机床主轴编码器安装结构优化设计及改进[J].制造业自动化，2017，39（06）：89-90.
（宁波市凯博数控机械有限公司，浙江 宁波 315000）