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XKA5750
数控
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XKA5750型数控铣床主传动系统设计,XKA5750,数控,铣床,传动系统,设计
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XKA5750数控铣床主传动系统设计摘要本文介绍了XKA5750立式数控铣床的一些基本情况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。XKA5750立式数控铣床主传动系统包括主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分。本文详细介绍了立式数控铣床主传动系统的设计过程，该立式数控铣床主轴变速箱是靠齿轮进行传动的，传动形式采用集中式传动，主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速。齿轮传动具有传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确等优点。文中介绍了立式数控铣床主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计、轴承的选用基润滑、关键零件的校核、以及主轴电动机的控制等设计过程。关键词：数控铣床，主传动系统，主轴组件The main drive system design of XKA5750 CNC milling machineAuthor:Han LiguoTutor:Yan CunfuAbstract This paper introduces some basic situations of the XKA5750 vertical CNC milling machine, briefly discusses the principles and types about spindle driving system of machine tool and analyzes the mechanism of various transmission scheme. The main driving system of XKA5750 CNC milling machine includes three parts that is spindle motor, spindle driving system and spindle components. This paper describes the main driving system design process of the XKA5750 CNC milling machine in detail. The spindle gearbox of this vertical CNC milling machine is driven by gear, and the driving mode adopts a centralized transmission, the spindle speed system uses multi sliding gear transmission. The advantages of gear drive are high transmission efficiency, compact structure, reliable, long life and accurate transmission ratio and so on. This paper compares the advantages and disadvantages of the various transmission scheme for vertical CNC milling machine system, introduces the selection and identification of main drive program, gearshift design and calculation of the main drive, the design of the spindle components, the selection and lubrication of the bearing, verification of critical parts, and the control of spindle motor, and so on.Key words：CNC milling machine, spindle driving system, spindle components目 录1 绪 论11.1我国数控机床的发展现状11.2课题提出的意义和目的22 XKA5750数控铣床主传动系统方案的确定32.1数控铣床主传动系统简介32.2 对数控铣床主传动系统的要求32.3 主传动的类型及方案选择43 主传动变速系统主要参数计算63.1 计算切削功率63.1.1切削力的计算63.1.2切削功率的计算63.1.3主轴转速范围的确定63.2 计算主传动功率73.3 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定73.3.1 变速级数Z的确定73.3.2 电动机的功率的确定83.3.3 电动机参数83.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定94 主轴组件设计94.1概述94.2主轴组件应满足的基本要求94.3主轴的设计94.3.1轴的分类94.3.2主轴材料选择94.3.3主轴结构设计94.3.4主轴强度的校核94.4轴承设计94.4.1轴承的类型选择94.4.2 轴承游隙等级的选择94.4.3轴承布局94.4.4轴承装置的设计95 数控铣床主轴电气控制系统设计95.1控制方式选择95.2 PLC概述95.2.1 可编程控制器的由来及现状95.2.2 PLC按I/O点数和结构形式的分类95.2.3 可编程控制器的特点95.2.4 PLC的应用领域95.3 PLC 在主轴电动机控制中的应用9结论9致谢9参考文献9 1 绪 论1.1我国数控机床的发展现状数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 近几年我国数控产品发展很快，但真正在市场上站住脚的却不多。就数控系统而言，国产货仍未真正被广大机床厂所接受，因此出现国产数控系统用于旧机床改造的例子较多，而装备新机床的却很少，机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系统。这当然不是说旧机床的数控化改造不重要，而是说明从商品的角度看，我们的数控系统与国外相比还存在相当大的差距。 影响数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外，更重要的就是可靠性、稳定性和实用性。以往，一些数控技术和产品的研究、开发部门，所追求的往往是一些体现技术水平的指标（如多少通道、多少轴联动、每分钟多少米的进给速度等等），而对影响实用性的一些指标和一些小问题却不太重视，在产品的稳定性、鲁棒性、可靠性、实用性方面花的精力相对较少。从而出现某些产品鉴定时的水平都很高，甚至也获各种大奖。但这些高指标、高性能的产品到用户哪儿却由于一些小问题而表现不尽人意，最后丧失了信誉，打不开市场。这说明，高指标、高性能的样机型的产品离用户真正需要的实用、可靠的商品是有相当大的距离的，将一个高指标、高性能的产品变为一个有市场的商品还需作出大量艰苦的努力。 另一方面，数控系统和数控机床不像家电类产品那样易于大批量生产，应用环境也不那么简单。数控产品是在生产环境中使用，面临的是五花八门的工艺问题。如果开发部门对这些问题掌握得不透，就难以将产品设计得很完善。而且数控产品的某些问题在开发、试用，甚至鉴定时都难以发现。这就造成，同样型号的数控机床在有的用户那儿运行得很好，而在别的用户那儿却表现欠佳。或者同样型号的数控机床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件时却不尽人意。出现这种情况，有时是用户操作人员的水平问题，但有时就是数控产品本身潜在问题的暴露。为解决这一问题，国外一些公司设立了专门机构来测试考验自己的产品，如为考验新开发的数控系统，厂家自己设计和从生产实际中收集了大量零件程序，让数控系统运行各种各样的程序，一旦发现问题，即立即反馈给开发部门予以解决。经过这样的测试考验过程后，数控系统的潜在问题就大为减少。以往，我们的产品就很少进行这样严格的全面的自我测试考验。很多问题都要等到用户去给我们挑出来。这样，即使一个小问题也将严重影响国产数控产品的声誉。1.2课题提出的意义和目的与普通铣床的工艺装备相比较，数控铣床工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强，一般采用电动、气动、液压甚至计算机控制，其自动化程度更高。合理使用数控铣床的工艺装备，能提高零件的加工精度。各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。其主要功能如下：点位控制功能：此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工；连续轮廓控制功能：此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工；刀具半径补偿功能：此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算；刀具长度补偿功能：此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求；比例及镜像加工功能：比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现；旋转功能：该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行；子程序调用功能：有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工；宏程序功能：该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。这就使我们更加有需要来研究数控铣床的各个方面，而本设计主要真对XKA5750数控滑枕升降台铣床主传动部分加以分析和设计，设计出可以实现数控加工经济合理的主传动系统，使纯机械化的机床实现机电一体化的数控机床，获得大的机械效益。2 XKA5750数控铣床主传动系统方案的确定2.1数控铣床主传动系统简介主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、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简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。(2)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。(3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn100，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。(4)主轴速度的变换迅速可靠。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机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性5,6。2.2 对数控铣床主传动系统的要求 （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）主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有是够的强度和刚度，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精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。（4）操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。（5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。2.3 主传动的类型及方案选择 数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级凋速系统。为扩大调速。为了适应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式。1具有变速齿轮的主传动这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，如图1.1所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。图1.1 图1.2 图1.32.通过带传动的主传动通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，如图1.2所示。3由调速电机直接驱动的主传动这种主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。如图1.3所示。近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量亦使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机最高转速可达20000r/min。本次设计采用变速齿轮主传动系统。使主轴获得较高的转速和较大的转矩。二级以上齿轮变速系统虽然此种结构复杂，制造和维修费用高，但和以上两种驱动方式比，变速装置多采用齿轮变速结构，可以使用可调的交、直流无级变速电动机，经齿轮变速后，实现分段无级变速，调速范围增加，且能满足各种切削运动的转矩输出，因此选用二级以上齿轮变速系统作为主传动的变速方式。3 主传动变速系统主要参数计算3.1 计算切削功率 3.1.1切削力的计算铣削时的切削力，公式如下Fc=CFaF0.86fz0.74Z0.98D0.86 （3.1）式中Pc 铣削时的主切削力（公斤力）CF 加工材料影响的系数fz每齿进给量（mm）aF背吃刀量（mm） B铣削宽度Z铣刀齿数D铣刀直径(mm)根据经验取铣刀直径D=50mm的四齿锥柄立铣刀，铣刀宽B=40mm，fZ=0.05mm，aF=4mm， Cf=68mm，计算得：Fc=132（公斤力）7。3.1.2切削功率的计算切削时所消耗的功率称为切削功率，切削功率的计算公式：Pc=FcVc6000 （3.2）式中：Pc切削功率（kw）Fc切削力（公斤力）Vc切削速度（m/min）根据机床设计手册典型加工条件以及钢材料的铣削速度范围，取Vc=100m/min计算得：Pc=2.2kw3.1.3主轴转速范围的确定主轴最高转速为nmax=4000rmin，最低转速为nmin=40rmin。3.2 计算主传动功率 用下列方法粗略估算主电动机的功率PL=PCC （3.3）式中，C为铣床主传动系统总机械效率，主运动为回转运动时，C=0.70.8；主运动为直线运动时，C=0.60.7。取主传动的总效率C=0.7，则初选电动机功率Pd=2.20.7=3.14kw取Pd=4kw电动机额定转速为nd=1500rmin；额定最高转速为ndmax=4500rmin3.3 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定由3.2中初选电动机功率Pd为4kw，计算转速依据如下公式 :nj=4000400.35=205rmin 电动机的恒功率调速范围:Rdp=45001500=3。主轴恒功率调速范围: Rnp=nmaxnj=4000205=19.5。因此主轴要求的恒功率变速范围 远大于电动机所能提供的恒功率围 ，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，来扩大电动机恒功率变速范围。3.3.1 变速级数Z的确定如取变速箱的公比f=Rdp=3，则由于无级变速时Rnp=fz-1Rdp=fz （3.4），故变速箱的变速极数Z=logRnplogf=log19.5log3=2.704可取Z=3。虽然此中方法功率特性图示连续的、无缺口(即没有功率降低区)和无重叠，但是Z=3，变速箱机构较复杂。因此为简化变速箱机构，取Z=2。3.3.2 电动机的功率的确定由公式（3.4）可知，应增大f又，Z=logRnplogf即2=log19.5logf所以得f=4.42，比Rdp=3大很多。此时变速箱每挡内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统的功率特性图中出现缺口区。缺口处的功率为：P=RdpPdf=344.42=2.71kw 低谷处应保证传递全部功率，只有选择额定功率较大的电机给予补偿。所以选用功率为5.5kw的交流变频电动机。则缺口处的功率为P=RdpPdf=35.54.42=3.73kw。有很大的改善。3.3.3 电动机参数电机采用CTB系列变频电机,型号：CTB-45P5BXB50-4,主要技术指标如下：（1）电压:三相380V/50Hz；（2）变频调速范围:5100Hz无级调速,550Hz恒转矩调速,50100Hz恒功率调速,级数为4级,额定转速1445r/min;（3）电机应能承受额定转矩的60%过载,历时1min,低速时转矩平滑,无爬行现象;能通过变频装置的电压提升,保证电动机频率在50Hz时输出额定转矩而不致使电机因发热而烧毁。（4）CBT-45P5BXB50-4电机 主要性能参数如表3.1，法兰安装如图3.1，外形尺寸如表3.2,3.3所示：表3.1 CBT-45P5BXB50-4电机的相关技术参数型号额定功率（kw）机座号额定转速(rmin)额定转矩（N.m）（堵转）额定转矩（最大）额定转矩转动惯量（kg.m2）重量（kg）变频器功率（kw）A型B型CTB-45P5BXB50-45.5132S-4144536.31.32.30.0214705.57.5注：额定电压/频率：380V/50Hz，极数：4极，同步转速1500r/min。图3.1 B5法兰安装图表3.2 电机外形尺寸1机座号AAAABACADAEAFBBBCDDHEEDFG8012535165175140651601001305019M6*164025615.590S14037180195150651701001405624M8*19504082090L14037180195150651701251655624M8*195040820100L16045200215165651901401806328M10*226045824112M19045230240180652001401857028M10*226045824132S21650275275190652201402058938M12*2880601033表3.3 电机外形尺寸2机座号HHAHBHDKKKLLALDMNPST80801018021510M25395101151651302004*123.590S901320023510M25445121301651302004*123.590L901320023510M25445121301651302004*123.5100L1001423026512M32500121452151802504*154112M1121425529012M32505121502151802504*154132S1321629032512M32575131802652303004*1543.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定本系统设计的传动系统具有两档速度，低档转速为40900rmin，高档转速为3004000rmin。采用二级变速传动，传动比为的高速传动的低速传动两种变速机构，采用拨叉变速。显然如果要求在15004000rmin内作恒功率的不停车变速可用高档。如果要求在1901500rmin内作恒功率的不停车变速可用低档。电机的转速图和功率特性图如图3.2所示 3,16 。图3.2 电机转速图和功率特性图4 主轴组件设计4.1概述主轴部件设计是机床重要部件之一，它是机床的执行件。它的功用是支撑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，完成表面成型运动。4.2主轴组件应满足的基本要求（1）旋转精度 主轴的旋转精度指装配后，在无载荷、低转速条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和端面圆跳动。其主要取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。（2）刚度 主轴部件的刚度指其在外加载荷的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形变时，在位移方向上所施加的作用力来定义。如图4.1所示。主轴部件的刚度是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件布置形式、主轴部件的制造和装配质量都影响主轴部件的刚度。图4.1 刚度定义示意图（3）抗振性 主轴部件的抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。在切削过程中，主轴部件不仅受静态力作用，同时也受冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动。影响抗振性的主要因素是主轴部件的静刚度、质量分布及阻尼。其评价指标是主轴部件的低阶固有频率与振型。（4）温升和热变形 主轴部件运转时，因相对运动产生的摩擦热、切削的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的热变形。其引起轴承间隙变化，润滑油温度升高会使粘度降低，这些变化会影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。（5）精度保持性 主轴部件的精度保持性指长期保持其原始制造精度的能力。磨损是主轴部件丧失原始精度的主要原因。因此，必须提高主轴部件的耐磨性。对耐磨性影响较大的有主轴的材料、轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护方式等。由于机械结构的要求而需在轴中装设其他零件或者减少轴的质量具有特别重大的作用的场合,则将轴制成空心的,空心轴内径与外径的比值通常为0.5-0.6为保证轴的刚度和扭转稳定性。4.3主轴的设计4.3.1轴的分类轴是机械传动的一个重要零件，一般作回转运动的零件常要装在轴上才能实现其回转运动。其承载在载荷可分为：1.转轴工作时既承受弯矩又承受扭矩。2.心轴用于支撑转动零件，只承受弯矩。3.传动轴传递扭矩。在高速传动的轴不仅要考虑轴的材料、结构、强度和刚度，而且要防止轴的振动（动平衡）。此外，注意轴上零件的固定，结构工艺性，热处理等要求。作为制造机器的机器上的轴，设计的主要原则是刚度原则,本次设计选择转轴。4.3.2主轴材料选择轴的材料主要是碳钢和合金钢。数控主轴主要传递扭矩，且在高速旋转中产生大量的热，产生一定的轴伸长，其他零件的变形，从而影响加工精度和表面质量。从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料。4.3.3主轴结构设计主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成. 轴的设计也和其他的零件的设计相似，包括结构设计和工作能力的计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺性等方面的要求,合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构不合理会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性,还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此轴的结构设计很重要。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。对于机械装备则需刚度计算，防止工作时产生过大的弹性变形，影响加工精度和表面质量。对于高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，防止发生共振而破坏。1、轴的结构主要取决于以下因素:（1）轴在机器中的安装位置及形式；（2）轴上安装零件的类型、尺寸、数量和轴连接的方法；（3）载荷的性质、大小、方向及分布情况；（4）轴的加工工艺。2、不论什么条件,轴的结构应满足以下条件：（1） 轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置,周向和轴向要有准确的定位；（2） 轴上的零件应便于装拆和调整；（3） 轴应具有良好的结构工艺性和制造工艺性。3、 确定轴上零件的装配方案 图4.2 主轴装配草图预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和关系，该数控铣床主轴的装配如图4.2所示。前轴承（前支撑）、套筒、轴承、套筒（曲路密封）与端盖（曲路密封）齿轮（动力输入部分）、圆螺母、轴承（后支撑）、端盖、依次从轴的后端向前端安装。4、轴上零件的定位 为防止轴上零件受力时发生沿轴向和周向的相对运动,轴上零件除了有游动或空转要求外,都必须进行轴向和周向定位,以保证其准确的工作位置。 （1）零件的轴向固定:通常由轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母来保证； （2）零件的周向固定:周向固定的目的是限制轴上零件与轴发生相对运动。常用周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等,其中紧定螺钉只用在传力不大之处。5、轴颈的初步设计（1）按扭转强度初算最小轴颈下面这种方法只是按轴所承受的扭矩来计算轴的强度；如果还承受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。在作轴的结构设计时通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为计算结果。轴的扭转强度条件为 T=TWT=9550000Pn0.2d3T (4.1)T扭转切应力，单位MPaT轴所受的扭矩，单位为NmmWT轴的抗扭截面系数，单位为mm3n轴的转速，单位为r/minP轴传递的功率，单位为kwd计算截面处轴的直径，单位为mmT许用扭转切应力，单位为MPa由上式可得直径d39550000P0.2Tn=A03Pn (4.2)式中:A0=395500000.2T=102mm2对于空心轴d3Pn(1-4)=18mm表4.1 常见轴材料的T及A0值轴的材料Q235-A、20Q275、354540Cr15-2520-3525-4535-45A0149-126135-112126-103112-97应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大7%。对于直径d2.5取a=65mm（2）主轴合理跨距的选择：在具体设计时，常常由于结构上的限制，实际跨距ll0最佳合理跨距。这样就造成主轴组件的刚度损失。在设计中一般认为l/l0=0.751.5时，刚度损失不大（5%左右）。应该认为在合理范围之内，称之为合理跨距，合理跨距l合理=0.751.5l0是一个区域。6、 提高主轴强度的措施轴和轴上零件的结构、工艺及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，所以应在这些方面进行考虑，以利提高轴的承载的能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低制造成本。（1）合理布置轴上零件以减小轴的载荷。为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度。通常轴是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生突变处产生应力集中，轴的疲劳破坏也常常发生在此处。轴肩要采用较大的R减小应力集中；选择合适的配合关系；可在轮毂或轴上开减载槽；切制螺纹处的应力集中较大，应避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。（2）改进轴的表面质量提高轴的疲劳强度。轴的表面愈粗糙，疲劳强度愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的，提高轴的疲劳强度。表面强化处理的方法有：表面高频淬火；表面渗碳、氮化；碾压、喷丸等强化处理。7、 轴的结构工艺性轴的结构工艺性指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，生产率高，成本低。一般说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简单。为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45的倒角；需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。为了减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽量采用相同的尺寸。主轴结构设计如图4.3。图4.3 主轴结构图4.3.4主轴强度的校核轴的精确计算主要是轴的强度和刚度校核计算，且在满足轴的强度和刚度要求，必要时还应进行轴的振动稳定性计算。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况,采取相应的计算方法,并恰当地选用许用应力。BT30铣床机械主轴既承受弯矩又承受扭矩,应按弯扭合成强度条件进行计算,需要时还应按疲劳强度进行精确校核计算1,2。1、按扭转强度条件进行校核计算。T=TWT=Td316-btd-t2dT （4.3）式中：T扭转切应力，单位MPa。T轴所受的扭矩，单位为Nmm。d计算截面处轴的直径，单位为mm。T许用扭转切应力，单位为MPa。WT轴的抗扭截面系数，单位为mm3。由机械设计手册表8-3查得T为45MPa；由机械设计课程设计手册表4-1（GB1059-79）可查得；。将以上各值代入式（4-3）得： T=4.7MPa T满足强度要求。2、按刚度条件校核计算:轴在载荷作用下,将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过了允许的限度,就会影响轴上零件的正常工作,甚至会丧失机器应有的工作性能。对于制造产品的铣床主轴来说刚度是关键。由误差复映原理可知,刚度较差的机床造出的产品,根本就谈不上精度。因此,本次设计的BT40主轴必须校核刚度。轴的弯曲刚度以挠度和偏转角来度量的;扭转刚度以扭转角来度量。主要任务是:计算主轴在受载时的变形量,并控制其在允许范围内。刚度校核计算：阶梯轴的刚度条件： =5.731041LGi=1zTiIpiT 扭矩，单位为NmmG 剪切弹性模量，单位为，对于各种钢材，IP极惯性矩，单位为L 阶梯轴受扭矩的长度，单位为mmZ 阶梯轴受扭矩轴段数Ti、li、Li 阶梯轴第i段上的扭矩、长度、惯性矩代入相应数值得=5.73104420.34788.110100.19320.084-0.0374+0.06320.0754-0.01554 +0.21320.0454-0.034=0.168由机械设计查得=0.250.5，显然4000min13,14所以完全可以实现转速为4000r/min的设计要求。又因为轴承支点跨距较大，温升较高，所以本设计采用一端固定，一端游动的轴承固定方式。并且是三支承方式。4.4.4轴承装置的设计要想保证轴承顺利的工作、，除了正确选择轴承类型和尺寸外，还应该正确设计轴承的装置。轴承装置的设计主要是正确解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题。下面提出一些设计中注意的要点。1、轴承的配置一般来说，一根轴需要两个支点，每个支点可由一个或一个以上的轴承组成。合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置、防止轴向窜动以及轴受热膨胀后导致将轴承卡死等因素。常用的轴承配置方法有以下三种:（1）双支点单向固定这种轴承配置常用两个反向安装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，两个轴承各限制一个方向的轴向移动。（2）单支点双向固定对于跨距较大（如大于350mm）且工作温度较高的轴，其热伸长量大，应采用一支点双向固定，另一支点游动的支承结构。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向都要固定。作为补偿轴的热膨胀的游动支承，若使用的是内外圈不可分离型轴承，只需固定内圈，其外留在座孔内应可以轴向游动。 （3）两端游动支承对于一对人字齿轮轴，由于人字齿轮本身的相互轴向定位作用，它们的轴承内外圈的轴向紧固应设计成只保证其中一根轴相对机座有固定的轴向位置，而另一根轴上的两个轴承都必须是游动的，以防止齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均匀。首先通过BT40主轴的工作情况来说，是内圈旋转，外圈固定。BT40主轴的转速为8000prm，额定转矩为42Nm，属于高速中载的工作条件。由于高速旋转，轴承等安装在轴上的零件会和轴有摩擦，并产生大量的热。虽然水冷却系统能带走一部分热能，但仍会导致因温升而产生热伸长。因此，必须采用“一支点双向固定，另一支点游动”的轴承配置形式。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，内外圈在轴上都要固定。而作为补偿轴的热膨胀的游动支承，固定内圈，外圈在坐孔内可以游动，给轴的热膨胀留余空间。在本次设计中，受力不是很大，选取前三后二的支承方式。2、轴承的配合配合的目的是使轴承内圈或外圈牢固地与轴或外壳固定，以免在相互配合面上出现不利的轴向滑动。这种不利的轴向滑动（称做蠕变）会引起异常发热、配合面磨损（进而使磨损铁粉侵入轴承内部） 以及振动等问题，使轴承不能充分发挥作用。因此对于轴承来说，由于承受负荷旋转，一般必须让套圈带上过盈使之牢固地与轴或外壳固定。配合的选择一般按下述原则进行：根据作用于轴承的负荷方向、性质及内外圈的哪一方旋转，则各套圈所承受的负荷可分为旋转负荷、静止负荷或不定向负荷。承受旋转负荷及不定向负荷的套圈应取静配合（过盈配合），承受静止负荷的套圈，可取过渡配合或动配合（游隙配合）。轴承负荷大或承受振动、冲击负荷时，其过盈须增大。采用空心轴、薄壁轴承箱或轻合金、塑料制轴承箱时，也须增大过盈量。要求保持高旋转时，须采用高精度轴承，并提高轴及轴承箱的尺寸精度，避免过盈过大。如果过盈太大，可能使轴或轴承箱的几何形状精度影响轴承套圈的几何形状，从而损害轴承的旋转精度。非分离型轴承（例如深沟球轴承）内外圈都采用静配合，则轴承安装、拆卸极为不便，最好将内外圈的某一方采用动配合。所以本次设计的外圈为过硬配合，轴承内圈采用动配合8。 3、 轴承的润滑润滑对于滚动轴承具有重要意义，轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还可以起散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用。所以本次设计根据工作情况选用脂润滑。脂润滑的优点：润滑膜强度高，能够承受较大的载荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以维持相当长的一段时间，方便简单。表4.8 使用于脂润滑和油润滑的dn植界限（表值104）轴承类型脂润滑油润滑油浴滴油循环油（喷油）油雾深沟球轴承1625406060调心球轴承16254050角接触球轴承1625406060圆柱滚子轴承1225406060圆锥滚子轴承10162330调心滚子轴承8122025推力球轴承4612154、轴承的密封为了使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境，充分发挥轴承的工作性能，延长使用寿命，对滚动轴承必须具有适宜的密封，以防止润滑剂的泄漏和灰尘、水气或其他污物的侵入。轴承的密封可分为自带密封和外加密封两类。所谓轴承自带密封就是把轴承本身制造成具有密封性能装置的。如轴承带防尘盖、密封圈等。这种密封占用空间很小，安装拆卸方便，造价也比较低。自带密封又分为非接触式与接触式两种。（1）非接触式密封非接触式密封就是密封件与其相对运动的零件不接触，且有适当间隙的密封。这种形式的密封，在工作中几乎不产生摩擦热，没有磨损，特别适用于高速和高温场合。非接触式密封常用的有间隙式，迷宫式和垫圈式等各种不同结构形式，分别应用于不同场合。非接触式密封的间隙以尽可能小为佳。（2）接触式密封接触式密封就是密封与其相对运动的零件相接触且没有间隙的密封。这种密封由于密封件与配合件直接接触，在工作中摩擦较大，发热量亦大，易造成润滑不良，接触面易摩损，从而导致密封效果与性能下降。因此，它只适用于中、低速的工作条件。接触式密封常用的有毛毡密封、皮碗密封等结构形式，应用于不同场合。由以上理论本次设计主要采用非接触式密封,优点在于在工作中几乎不产生摩擦热，没有磨损，特别适用于高速和高温场合。前端轴承受力较大,且要求较高故采用间隙密封加一个甩油环密封可靠。后端轴承要求稍低一点儿,选用曲路密封。曲路密封是由旋转的和固定的密封零件之间拼合成的曲折的缝隙所形成的。缝隙中加入润滑脂,可以增加密封效果。根据部件的结构曲路 是布置为轴向的.采用轴向曲路时,端盖应为剖分式,当轴因温度变化而伸缩或采用调心轴承感作支承时,都有旋转片与固定片相接触的可能.根据实际情况本次设计采用接触式密封。5 数控铣床主轴电气控制系统设计5.1控制方式选择本次设计选用可编程控制器（Programmable Logic Controller）PLC控制变频电机带动主轴工作。PLC适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装备。它能够完成较精确地转停控制。5.2 PLC概述5.2.1 可编程控制器的由来及现状 可编程控制器（ProgrammableController）简称PC，但为了与个人计算机 （Personal Computer）相区别，也可简称为PLC。是为工业控制应用而设计制造的。在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。5.2.2 PLC按I/O点数和结构形式的分类1、按I/O总点数分类（1）小型PLC 输入、输出点数在128点以下，用户存储器容量在2KB以下。小型PLC适用于开关量控制场合， 具有逻辑运算、计算、计时等功能，可以实现条件控制、定时、计数控制和顺序控制。（2）中型PLC 输入/输出点数在2561024点之间，用户程序存储器容量在28KB。中型PLC除具有上述逻辑运算功能外，还有模拟量输入、输出、数据传输、数据通信等功能。这种PLC多采用模块使结构，用户可根据控制要求增加I/O模块外，还有模拟量模块。因此，可以完成既有开关量又有模拟量复杂的工业生产过程的自动控制。（3）大型PLC 输入/输出点数在1024点上，最多可达8192点，用户程序存储器容量在8KB或8KB以上。这种PLC有丰富的I/O 模块，能适应各种控制要求。它除了能用梯形图编程外，还可以采用高级语言编程，如BASIC、C语言等。具有数据运算、模块调节、实时中断、过程监控、联网通讯、文件处理、远程控制、智能控制等，也可构成分布式控制系统或整个工厂的自动化网络。2、按结构形式分类（1）整体式（箱体式）将PLC的中央处理器单元、输入、输出部件安装在一块印刷电路板上，并连同电源一起装在一个标准机壳内，形成一个箱体。这种结构简单，体积小，重量轻，通过输入、输出端子与外部设备连接。一般小型PLC常采用这种结构，它适用于单机自动控制。（2）机架模块式把PLC的各个部分制成独立的标准尺寸的模块，主要有CPU模块（包括存储器）、输入模块、输出模块、电源模块以及其他各种模块直接插入机架底板的插座上即可。这种结构形式配置灵活，装配方便，便于扩展，用户根据控制要求灵活地配置各种模块，构成各种控制系统。一般大型、中型PLC采用这种结构。5.2.3 可编程控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强这是选择控制装置的首要条件。可编程控制器生产厂家在硬件方面和软件方面上采取了一系列抗干扰措施。（无触点控制）硬件措施：屏蔽、滤波、隔离软件措施：故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟（死循环报警）、程序检验（2）使用灵活，通用性强产品均成系列化生产，多数采用模块式的硬件结构，用户可灵活选用。软接线逻辑使得PLC能简单轻松的实现各种不同的控制任务，且系统设计周期短。（3）编程方便，易于掌握 采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂；近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言 (SFC Sequential Function Chart) ，也称功能图，使编程更简单方便。 （4）接口简单、安装，维护方便 、体积小、结构紧凑、可编程控制器可直接与现场强电设备相连接，接口电路模块化，与被控制对象的硬件连接方式简单，接线少、便于维护。体积小、重量轻、便于安装。有完善的自诊断和监视功能。可编程控制器对于其内部工作状态，通信状态，异常状态和 I/O 点的状态均有显示。可以方便的查出故障原因，迅速作出处理。 （5）功能完善，性价比高除基本的逻辑控制，定时计数，算术运算外，配合特殊功能模块可以实现点位控制， PID 运算，过程控制，数字控制等功能，还可与上位机通信、远程控制等。5.2.4 PLC的应用领域PLC在国内外广泛应用于钢铁、采矿、石化、电力机械制造、汽车制造、环保及娱乐等各行各业。用于开关逻辑和顺序控制,是PLC最基本的应用范围，它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序控制，可用PLC取代传统继电器控制。如机床电气、电机控制等，亦可取代顺序控制。如高炉上料等，总之PLC可用于单机、多机及生产线的自动控制。5.3 PLC 在主轴电动机控制中的应用PLC发出Y0主轴正转（或Y1主轴反转）信号以及主轴转速指令时，代表主轴转速的直流电压值就会送入主轴变频器，主轴变频器按代表主轴转速的直流电压值控制主轴转速进行正转（或反转）起动15,17。主轴正转（或反转）起动至指定转速时，主
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