XKA5750型數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計【說明書+CAD】

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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 錄1 緒 論11.1我國數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀11.2課題提出的意義和目的22 XKA5750數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定32.1數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介32.2 對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求32.3 主傳動的類型及方案選擇43 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計算63.1 計算切削功率63.1.1切削力的計算63.1.2切削功率的計算63.1.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定63.2 計算主傳動功率73.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計及主軸電動機的功率的確定73.3.1 變速級數(shù)Z的確定73.3.2 電動機的功率的確定83.3.3 電動機參數(shù)83.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構(gòu)的確定94 主軸組件設(shè)計94.1概述94.2主軸組件應(yīng)滿足的基本要求94.3主軸的設(shè)計94.3.1軸的分類94.3.2主軸材料選擇94.3.3主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計94.3.4主軸強度的校核94.4軸承設(shè)計94.4.1軸承的類型選擇94.4.2 軸承游隙等級的選擇94.4.3軸承布局94.4.4軸承裝置的設(shè)計95 數(shù)控銑床主軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計95.1控制方式選擇95.2 PLC概述95.2.1 可編程控制器的由來及現(xiàn)狀95.2.2 PLC按I/O點數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的分類95.2.3 可編程控制器的特點95.2.4 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域95.3 PLC 在主軸電動機控制中的應(yīng)用9結(jié)論9致謝9參考文獻9 1 緒 論1.1我國數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。 近幾年我國數(shù)控產(chǎn)品發(fā)展很快，但真正在市場上站住腳的卻不多。就數(shù)控系統(tǒng)而言，國產(chǎn)貨仍未真正被廣大機床廠所接受，因此出現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)用于舊機床改造的例子較多，而裝備新機床的卻很少，機床廠出產(chǎn)的國產(chǎn)數(shù)控機床大多數(shù)用的都是國外的系統(tǒng)。這當(dāng)然不是說舊機床的數(shù)控化改造不重要，而是說明從商品的角度看，我們的數(shù)控系統(tǒng)與國外相比還存在相當(dāng)大的差距。 影響數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床商品化的主要因素除技術(shù)性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩(wěn)定性和實用性。以往，一些數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)品的研究、開發(fā)部門，所追求的往往是一些體現(xiàn)技術(shù)水平的指標（如多少通道、多少軸聯(lián)動、每分鐘多少米的進給速度等等），而對影響實用性的一些指標和一些小問題卻不太重視，在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、魯棒性、可靠性、實用性方面花的精力相對較少。從而出現(xiàn)某些產(chǎn)品鑒定時的水平都很高，甚至也獲各種大獎。但這些高指標、高性能的產(chǎn)品到用戶哪兒卻由于一些小問題而表現(xiàn)不盡人意，最后喪失了信譽，打不開市場。這說明，高指標、高性能的樣機型的產(chǎn)品離用戶真正需要的實用、可靠的商品是有相當(dāng)大的距離的，將一個高指標、高性能的產(chǎn)品變?yōu)橐粋€有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。 另一方面，數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床不像家電類產(chǎn)品那樣易于大批量生產(chǎn)，應(yīng)用環(huán)境也不那么簡單。數(shù)控產(chǎn)品是在生產(chǎn)環(huán)境中使用，面臨的是五花八門的工藝問題。如果開發(fā)部門對這些問題掌握得不透，就難以將產(chǎn)品設(shè)計得很完善。而且數(shù)控產(chǎn)品的某些問題在開發(fā)、試用，甚至鑒定時都難以發(fā)現(xiàn)。這就造成，同樣型號的數(shù)控機床在有的用戶那兒運行得很好，而在別的用戶那兒卻表現(xiàn)欠佳?；蛘咄瑯有吞柕臄?shù)控機床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件時卻不盡人意。出現(xiàn)這種情況，有時是用戶操作人員的水平問題，但有時就是數(shù)控產(chǎn)品本身潛在問題的暴露。為解決這一問題，國外一些公司設(shè)立了專門機構(gòu)來測試考驗自己的產(chǎn)品，如為考驗新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，廠家自己設(shè)計和從生產(chǎn)實際中收集了大量零件程序，讓數(shù)控系統(tǒng)運行各種各樣的程序，一旦發(fā)現(xiàn)問題，即立即反饋給開發(fā)部門予以解決。經(jīng)過這樣的測試考驗過程后，數(shù)控系統(tǒng)的潛在問題就大為減少。以往，我們的產(chǎn)品就很少進行這樣嚴格的全面的自我測試考驗。很多問題都要等到用戶去給我們挑出來。這樣，即使一個小問題也將嚴重影響國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品的聲譽。1.2課題提出的意義和目的與普通銑床的工藝裝備相比較，數(shù)控銑床工藝裝備的制造精度更高、靈活性好、適用性更強，一般采用電動、氣動、液壓甚至計算機控制，其自動化程度更高。合理使用數(shù)控銑床的工藝裝備，能提高零件的加工精度。各種類型數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)雖然各有不同，但各種數(shù)控系統(tǒng)的功能，除一些特殊功能不盡相同外，其主要功能基本相同。其主要功能如下：點位控制功能：此功能可以實現(xiàn)對相互位置精度要求很高的孔系加工；連續(xù)輪廓控制功能：此功能可以實現(xiàn)直線、圓弧的插補功能及非圓曲線的加工；刀具半徑補償功能：此功能可以根據(jù)零件圖樣的標注尺寸來編程，而不必考慮所用刀具的實際半徑尺寸，從而減少編程時的復(fù)雜數(shù)值計算；刀具長度補償功能：此功能可以自動補償?shù)毒叩拈L短，以適應(yīng)加工中對刀具長度尺寸調(diào)整的要求；比例及鏡像加工功能：比例功能可將編好的加工程序按指定比例改變坐標值來執(zhí)行。鏡像加工又稱軸對稱加工，如果一個零件的形狀關(guān)于坐標軸對稱，那么只要編出一個或兩個象限的程序，而其余象限的輪廓就可以通過鏡像加工來實現(xiàn)；旋轉(zhuǎn)功能：該功能可將編好的加工程序在加工平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)任意角度來執(zhí)行；子程序調(diào)用功能：有些零件需要在不同的位置上重復(fù)加工同樣的輪廓形狀，將這一輪廓形狀的加工程序作為子程序，在需要的位置上重復(fù)調(diào)用，就可以完成對該零件的加工；宏程序功能：該功能可用一個總指令代表實現(xiàn)某一功能的一系列指令，并能對變量進行運算，使程序更具靈活性和方便性。這就使我們更加有需要來研究數(shù)控銑床的各個方面，而本設(shè)計主要真對XKA5750數(shù)控滑枕升降臺銑床主傳動部分加以分析和設(shè)計，設(shè)計出可以實現(xiàn)數(shù)控加工經(jīng)濟合理的主傳動系統(tǒng)，使純機械化的機床實現(xiàn)機電一體化的數(shù)控機床，獲得大的機械效益。2 XKA5750數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定2.1數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，他應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，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、并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機構(gòu)，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調(diào)速的范圍。在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點：(1)目前數(shù)控機床的主傳動電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機和直流調(diào)速電機所代替。(2)轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。(3)變速范圍大。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。(4)主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性5,6。2.2 對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 （1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。（2）主電動機具有足夠的功率，全部機構(gòu)和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。（3）主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。（4）操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。（5）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。2.3 主傳動的類型及方案選擇 數(shù)控機床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級凋速系統(tǒng)。為擴大調(diào)速。為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式。1具有變速齒輪的主傳動這是大、中型數(shù)控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，如圖1.1所示。一部分小型數(shù)控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。圖1.1 圖1.2 圖1.32.通過帶傳動的主傳動通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，如圖1.2所示。3由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動這種主傳動是由電動機直接驅(qū)動主軸，即電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖1.3所示。近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機主軸，即主軸與電動機轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機最高轉(zhuǎn)速可達20000r/min。本次設(shè)計采用變速齒輪主傳動系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和較大的轉(zhuǎn)矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅(qū)動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu)，可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機，經(jīng)齒輪變速后，實現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。3 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計算3.1 計算切削功率 3.1.1切削力的計算銑削時的切削力，公式如下Fc=CFaF0.86fz0.74Z0.98D0.86 （3.1）式中Pc 銑削時的主切削力（公斤力）CF 加工材料影響的系數(shù)fz每齒進給量（mm）aF背吃刀量（mm） B銑削寬度Z銑刀齒數(shù)D銑刀直徑(mm)根據(jù)經(jīng)驗取銑刀直徑D=50mm的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬B=40mm，fZ=0.05mm，aF=4mm， Cf=68mm，計算得：Fc=132（公斤力）7。3.1.2切削功率的計算切削時所消耗的功率稱為切削功率，切削功率的計算公式：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）根據(jù)機床設(shè)計手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取Vc=100m/min計算得：Pc=2.2kw3.1.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定主軸最高轉(zhuǎn)速為nmax=4000rmin，最低轉(zhuǎn)速為nmin=40rmin。3.2 計算主傳動功率 用下列方法粗略估算主電動機的功率PL=PCC （3.3）式中，C為銑床主傳動系統(tǒng)總機械效率，主運動為回轉(zhuǎn)運動時，C=0.70.8；主運動為直線運動時，C=0.60.7。取主傳動的總效率C=0.7，則初選電動機功率Pd=2.20.7=3.14kw取Pd=4kw電動機額定轉(zhuǎn)速為nd=1500rmin；額定最高轉(zhuǎn)速為ndmax=4500rmin3.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計及主軸電動機的功率的確定由3.2中初選電動機功率Pd為4kw，計算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式 :nj=4000400.35=205rmin 電動機的恒功率調(diào)速范圍:Rdp=45001500=3。主軸恒功率調(diào)速范圍: Rnp=nmaxnj=4000205=19.5。因此主軸要求的恒功率變速范圍 遠大于電動機所能提供的恒功率圍 ，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴大電動機恒功率變速范圍。3.3.1 變速級數(shù)Z的確定如取變速箱的公比f=Rdp=3，則由于無級變速時Rnp=fz-1Rdp=fz （3.4），故變速箱的變速極數(shù)Z=logRnplogf=log19.5log3=2.704可取Z=3。雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重疊，但是Z=3，變速箱機構(gòu)較復(fù)雜。因此為簡化變速箱機構(gòu)，取Z=2。3.3.2 電動機的功率的確定由公式（3.4）可知，應(yīng)增大f又，Z=logRnplogf即2=log19.5logf所以得f=4.42，比Rdp=3大很多。此時變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動系統(tǒng)的功率特性圖中出現(xiàn)缺口區(qū)。缺口處的功率為：P=RdpPdf=344.42=2.71kw 低谷處應(yīng)保證傳遞全部功率，只有選擇額定功率較大的電機給予補償。所以選用功率為5.5kw的交流變頻電動機。則缺口處的功率為P=RdpPdf=35.54.42=3.73kw。有很大的改善。3.3.3 電動機參數(shù)電機采用CTB系列變頻電機,型號：CTB-45P5BXB50-4,主要技術(shù)指標如下：（1）電壓:三相380V/50Hz；（2）變頻調(diào)速范圍:5100Hz無級調(diào)速,550Hz恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,50100Hz恒功率調(diào)速,級數(shù)為4級,額定轉(zhuǎn)速1445r/min;（3）電機應(yīng)能承受額定轉(zhuǎn)矩的60%過載,歷時1min,低速時轉(zhuǎn)矩平滑,無爬行現(xiàn)象;能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機頻率在50Hz時輸出額定轉(zhuǎn)矩而不致使電機因發(fā)熱而燒毀。（4）CBT-45P5BXB50-4電機 主要性能參數(shù)如表3.1，法蘭安裝如圖3.1，外形尺寸如表3.2,3.3所示：表3.1 CBT-45P5BXB50-4電機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)型號額定功率（kw）機座號額定轉(zhuǎn)速(rmin)額定轉(zhuǎn)矩（N.m）（堵轉(zhuǎn)）額定轉(zhuǎn)矩（最大）額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）重量（kg）變頻器功率（kw）A型B型CTB-45P5BXB50-45.5132S-4144536.31.32.30.0214705.57.5注：額定電壓/頻率：380V/50Hz，極數(shù)：4極，同步轉(zhuǎn)速1500r/min。圖3.1 B5法蘭安裝圖表3.2 電機外形尺寸1機座號AAAABACADAEAFBBBCDDHEEDFG8012535165175140651601001305019M6*164025615.590S14037180195150651701001405624M8*19504082090L14037180195150651701251655624M8*195040820100L16045200215165651901401806328M10*226045824112M19045230240180652001401857028M10*226045824132S21650275275190652201402058938M12*2880601033表3.3 電機外形尺寸2機座號HHAHBHDKKKLLALDMNPST80801018021510M25395101151651302004*123.590S901320023510M25445121301651302004*123.590L901320023510M25445121301651302004*123.5100L1001423026512M32500121452151802504*154112M1121425529012M32505121502151802504*154132S1321629032512M32575131802652303004*1543.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構(gòu)的確定本系統(tǒng)設(shè)計的傳動系統(tǒng)具有兩檔速度，低檔轉(zhuǎn)速為40900rmin，高檔轉(zhuǎn)速為3004000rmin。采用二級變速傳動，傳動比為的高速傳動的低速傳動兩種變速機構(gòu)，采用撥叉變速。顯然如果要求在15004000rmin內(nèi)作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在1901500rmin內(nèi)作恒功率的不停車變速可用低檔。電機的轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖3.2所示 3,16 。圖3.2 電機轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖4 主軸組件設(shè)計4.1概述主軸部件設(shè)計是機床重要部件之一，它是機床的執(zhí)行件。它的功用是支撐并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運動。4.2主軸組件應(yīng)滿足的基本要求（1）旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度指裝配后，在無載荷、低轉(zhuǎn)速條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和端面圓跳動。其主要取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。（2）剛度 主軸部件的剛度指其在外加載荷的作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性形變時，在位移方向上所施加的作用力來定義。如圖4.1所示。主軸部件的剛度是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件布置形式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量都影響主軸部件的剛度。圖4.1 剛度定義示意圖（3）抗振性 主軸部件的抗振性指抵抗受迫振動和自激振動的能力。在切削過程中，主軸部件不僅受靜態(tài)力作用，同時也受沖擊力和交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質(zhì)量分布及阻尼。其評價指標是主軸部件的低階固有頻率與振型。（4）溫升和熱變形 主軸部件運轉(zhuǎn)時，因相對運動產(chǎn)生的摩擦熱、切削的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的熱變形。其引起軸承間隙變化，潤滑油溫度升高會使粘度降低，這些變化會影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。（5）精度保持性 主軸部件的精度保持性指長期保持其原始制造精度的能力。磨損是主軸部件喪失原始精度的主要原因。因此，必須提高主軸部件的耐磨性。對耐磨性影響較大的有主軸的材料、軸承的材料、熱處理方式、軸承類型及潤滑防護方式等。由于機械結(jié)構(gòu)的要求而需在軸中裝設(shè)其他零件或者減少軸的質(zhì)量具有特別重大的作用的場合,則將軸制成空心的,空心軸內(nèi)徑與外徑的比值通常為0.5-0.6為保證軸的剛度和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。4.3主軸的設(shè)計4.3.1軸的分類軸是機械傳動的一個重要零件，一般作回轉(zhuǎn)運動的零件常要裝在軸上才能實現(xiàn)其回轉(zhuǎn)運動。其承載在載荷可分為：1.轉(zhuǎn)軸工作時既承受彎矩又承受扭矩。2.心軸用于支撐轉(zhuǎn)動零件，只承受彎矩。3.傳動軸傳遞扭矩。在高速傳動的軸不僅要考慮軸的材料、結(jié)構(gòu)、強度和剛度，而且要防止軸的振動（動平衡）。此外，注意軸上零件的固定，結(jié)構(gòu)工藝性，熱處理等要求。作為制造機器的機器上的軸，設(shè)計的主要原則是剛度原則,本次設(shè)計選擇轉(zhuǎn)軸。4.3.2主軸材料選擇軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。數(shù)控主軸主要傳遞扭矩，且在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生大量的熱，產(chǎn)生一定的軸伸長，其他零件的變形，從而影響加工精度和表面質(zhì)量。從多方面考慮選用40Cr為本次數(shù)控銑床主軸材料。4.3.3主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成. 軸的設(shè)計也和其他的零件的設(shè)計相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力的計算兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝性等方面的要求,合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)不合理會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性,還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計很重要。軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。對于機械裝備則需剛度計算，防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形，影響加工精度和表面質(zhì)量。對于高速運轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進行振動穩(wěn)定性計算，防止發(fā)生共振而破壞。1、軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素:（1）軸在機器中的安裝位置及形式；（2）軸上安裝零件的類型、尺寸、數(shù)量和軸連接的方法；（3）載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；（4）軸的加工工藝。2、不論什么條件,軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下條件：（1） 軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置,周向和軸向要有準確的定位；（2） 軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；（3） 軸應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和制造工藝性。3、 確定軸上零件的裝配方案 圖4.2 主軸裝配草圖預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序和關(guān)系，該數(shù)控銑床主軸的裝配如圖4.2所示。前軸承（前支撐）、套筒、軸承、套筒（曲路密封）與端蓋（曲路密封）齒輪（動力輸入部分）、圓螺母、軸承（后支撐）、端蓋、依次從軸的后端向前端安裝。4、軸上零件的定位 為防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向和周向的相對運動,軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)要求外,都必須進行軸向和周向定位,以保證其準確的工作位置。 （1）零件的軸向固定:通常由軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母來保證； （2）零件的周向固定:周向固定的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對運動。常用周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等,其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。5、軸頸的初步設(shè)計（1）按扭轉(zhuǎn)強度初算最小軸頸下面這種方法只是按軸所承受的扭矩來計算軸的強度；如果還承受有不大的彎矩時，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法予以考慮。在作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為計算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為 T=TWT=9550000Pn0.2d3T (4.1)T扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPaT軸所受的扭矩，單位為NmmWT軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3n軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/minP軸傳遞的功率，單位為kwd計算截面處軸的直徑，單位為mmT許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa由上式可得直徑d39550000P0.2Tn=A03Pn (4.2)式中:A0=395500000.2T=102mm2對于空心軸d3Pn(1-4)=18mm表4.1 常見軸材料的T及A0值軸的材料Q235-A、20Q275、354540Cr15-2520-3525-4535-45A0149-126135-112126-103112-97應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑應(yīng)增大7%。對于直徑d2.5取a=65mm（2）主軸合理跨距的選擇：在具體設(shè)計時，常常由于結(jié)構(gòu)上的限制，實際跨距l(xiāng)l0最佳合理跨距。這樣就造成主軸組件的剛度損失。在設(shè)計中一般認為l/l0=0.751.5時，剛度損失不大（5%左右）。應(yīng)該認為在合理范圍之內(nèi)，稱之為合理跨距，合理跨距l(xiāng)合理=0.751.5l0是一個區(qū)域。6、 提高主軸強度的措施軸和軸上零件的結(jié)構(gòu)、工藝及軸上零件的安裝布置等對軸的強度有很大的影響，所以應(yīng)在這些方面進行考慮，以利提高軸的承載的能力，減小軸的尺寸和機器的質(zhì)量，降低制造成本。（1）合理布置軸上零件以減小軸的載荷。為了減小軸所承受的彎矩，傳動件應(yīng)盡量靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支承形式，力求縮短支承跨距及懸臂長度。通常軸是在變應(yīng)力條件下工作的，軸的截面尺寸發(fā)生突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中，軸的疲勞破壞也常常發(fā)生在此處。軸肩要采用較大的R減小應(yīng)力集中；選擇合適的配合關(guān)系；可在輪轂或軸上開減載槽；切制螺紋處的應(yīng)力集中較大，應(yīng)避免在軸上受載較大的區(qū)段切制螺紋。（2）改進軸的表面質(zhì)量提高軸的疲勞強度。軸的表面愈粗糙，疲勞強度愈低。因此，應(yīng)合理減小軸的表面及圓角處的，提高軸的疲勞強度。表面強化處理的方法有：表面高頻淬火；表面滲碳、氮化；碾壓、噴丸等強化處理。7、 軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸的結(jié)構(gòu)工藝性指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件，生產(chǎn)率高，成本低。一般說，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡單。為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應(yīng)制出45的倒角；需要磨削加工的軸段，應(yīng)留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽。為了減少加工刀具種類和提高勞動生產(chǎn)率，軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應(yīng)盡量采用相同的尺寸。主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4.3。圖4.3 主軸結(jié)構(gòu)圖4.3.4主軸強度的校核軸的精確計算主要是軸的強度和剛度校核計算，且在滿足軸的強度和剛度要求，必要時還應(yīng)進行軸的振動穩(wěn)定性計算。進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況,采取相應(yīng)的計算方法,并恰當(dāng)?shù)剡x用許用應(yīng)力。BT30銑床機械主軸既承受彎矩又承受扭矩,應(yīng)按彎扭合成強度條件進行計算,需要時還應(yīng)按疲勞強度進行精確校核計算1,2。1、按扭轉(zhuǎn)強度條件進行校核計算。T=TWT=Td316-btd-t2dT （4.3）式中：T扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa。T軸所受的扭矩，單位為Nmm。d計算截面處軸的直徑，單位為mm。T許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。WT軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3。由機械設(shè)計手冊表8-3查得T為45MPa；由機械設(shè)計課程設(shè)計手冊表4-1（GB1059-79）可查得；。將以上各值代入式（4-3）得： T=4.7MPa T滿足強度要求。2、按剛度條件校核計算:軸在載荷作用下,將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過了允許的限度,就會影響軸上零件的正常工作,甚至?xí)适C器應(yīng)有的工作性能。對于制造產(chǎn)品的銑床主軸來說剛度是關(guān)鍵。由誤差復(fù)映原理可知,剛度較差的機床造出的產(chǎn)品,根本就談不上精度。因此,本次設(shè)計的BT40主軸必須校核剛度。軸的彎曲剛度以撓度和偏轉(zhuǎn)角來度量的;扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。主要任務(wù)是:計算主軸在受載時的變形量,并控制其在允許范圍內(nèi)。剛度校核計算：階梯軸的剛度條件： =5.731041LGi=1zTiIpiT 扭矩，單位為NmmG 剪切彈性模量，單位為，對于各種鋼材，IP極慣性矩，單位為L 階梯軸受扭矩的長度，單位為mmZ 階梯軸受扭矩軸段數(shù)Ti、li、Li 階梯軸第i段上的扭矩、長度、慣性矩代入相應(yīng)數(shù)值得=5.73104420.34788.110100.19320.084-0.0374+0.06320.0754-0.01554 +0.21320.0454-0.034=0.168由機械設(shè)計查得=0.250.5，顯然4000min13,14所以完全可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速為4000r/min的設(shè)計要求。又因為軸承支點跨距較大，溫升較高，所以本設(shè)計采用一端固定，一端游動的軸承固定方式。并且是三支承方式。4.4.4軸承裝置的設(shè)計要想保證軸承順利的工作、，除了正確選擇軸承類型和尺寸外，還應(yīng)該正確設(shè)計軸承的裝置。軸承裝置的設(shè)計主要是正確解決軸承的安裝、配置、緊固、調(diào)節(jié)、潤滑、密封等問題。下面提出一些設(shè)計中注意的要點。1、軸承的配置一般來說，一根軸需要兩個支點，每個支點可由一個或一個以上的軸承組成。合理的軸承配置應(yīng)考慮軸在機器中有正確的位置、防止軸向竄動以及軸受熱膨脹后導(dǎo)致將軸承卡死等因素。常用的軸承配置方法有以下三種:（1）雙支點單向固定這種軸承配置常用兩個反向安裝的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，兩個軸承各限制一個方向的軸向移動。（2）單支點雙向固定對于跨距較大（如大于350mm）且工作溫度較高的軸，其熱伸長量大，應(yīng)采用一支點雙向固定，另一支點游動的支承結(jié)構(gòu)。作為固定支承的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向都要固定。作為補償軸的熱膨脹的游動支承，若使用的是內(nèi)外圈不可分離型軸承，只需固定內(nèi)圈，其外留在座孔內(nèi)應(yīng)可以軸向游動。 （3）兩端游動支承對于一對人字齒輪軸，由于人字齒輪本身的相互軸向定位作用，它們的軸承內(nèi)外圈的軸向緊固應(yīng)設(shè)計成只保證其中一根軸相對機座有固定的軸向位置，而另一根軸上的兩個軸承都必須是游動的，以防止齒輪卡死或人字齒的兩側(cè)受力不均勻。首先通過BT40主軸的工作情況來說，是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定。BT40主軸的轉(zhuǎn)速為8000prm，額定轉(zhuǎn)矩為42Nm，屬于高速中載的工作條件。由于高速旋轉(zhuǎn)，軸承等安裝在軸上的零件會和軸有摩擦，并產(chǎn)生大量的熱。雖然水冷卻系統(tǒng)能帶走一部分熱能，但仍會導(dǎo)致因溫升而產(chǎn)生熱伸長。因此，必須采用“一支點雙向固定，另一支點游動”的軸承配置形式。作為固定支承的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，內(nèi)外圈在軸上都要固定。而作為補償軸的熱膨脹的游動支承，固定內(nèi)圈，外圈在坐孔內(nèi)可以游動，給軸的熱膨脹留余空間。在本次設(shè)計中，受力不是很大，選取前三后二的支承方式。2、軸承的配合配合的目的是使軸承內(nèi)圈或外圈牢固地與軸或外殼固定，以免在相互配合面上出現(xiàn)不利的軸向滑動。這種不利的軸向滑動（稱做蠕變）會引起異常發(fā)熱、配合面磨損（進而使磨損鐵粉侵入軸承內(nèi)部） 以及振動等問題，使軸承不能充分發(fā)揮作用。因此對于軸承來說，由于承受負荷旋轉(zhuǎn)，一般必須讓套圈帶上過盈使之牢固地與軸或外殼固定。配合的選擇一般按下述原則進行：根據(jù)作用于軸承的負荷方向、性質(zhì)及內(nèi)外圈的哪一方旋轉(zhuǎn)，則各套圈所承受的負荷可分為旋轉(zhuǎn)負荷、靜止負荷或不定向負荷。承受旋轉(zhuǎn)負荷及不定向負荷的套圈應(yīng)取靜配合（過盈配合），承受靜止負荷的套圈，可取過渡配合或動配合（游隙配合）。軸承負荷大或承受振動、沖擊負荷時，其過盈須增大。采用空心軸、薄壁軸承箱或輕合金、塑料制軸承箱時，也須增大過盈量。要求保持高旋轉(zhuǎn)時，須采用高精度軸承，并提高軸及軸承箱的尺寸精度，避免過盈過大。如果過盈太大，可能使軸或軸承箱的幾何形狀精度影響軸承套圈的幾何形狀，從而損害軸承的旋轉(zhuǎn)精度。非分離型軸承（例如深溝球軸承）內(nèi)外圈都采用靜配合，則軸承安裝、拆卸極為不便，最好將內(nèi)外圈的某一方采用動配合。所以本次設(shè)計的外圈為過硬配合，軸承內(nèi)圈采用動配合8。 3、 軸承的潤滑潤滑對于滾動軸承具有重要意義，軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還可以起散熱、減小接觸應(yīng)力、吸收振動、防止銹蝕等作用。所以本次設(shè)計根據(jù)工作情況選用脂潤滑。脂潤滑的優(yōu)點：潤滑膜強度高，能夠承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以維持相當(dāng)長的一段時間，方便簡單。表4.8 使用于脂潤滑和油潤滑的dn植界限（表值104）軸承類型脂潤滑油潤滑油浴滴油循環(huán)油（噴油）油霧深溝球軸承1625406060調(diào)心球軸承16254050角接觸球軸承1625406060圓柱滾子軸承1225406060圓錐滾子軸承10162330調(diào)心滾子軸承8122025推力球軸承4612154、軸承的密封為了使軸承保持良好的潤滑條件和正常的工作環(huán)境，充分發(fā)揮軸承的工作性能，延長使用壽命，對滾動軸承必須具有適宜的密封，以防止?jié)櫥瑒┑男孤┖突覊m、水氣或其他污物的侵入。軸承的密封可分為自帶密封和外加密封兩類。所謂軸承自帶密封就是把軸承本身制造成具有密封性能裝置的。如軸承帶防塵蓋、密封圈等。這種密封占用空間很小，安裝拆卸方便，造價也比較低。自帶密封又分為非接觸式與接觸式兩種。（1）非接觸式密封非接觸式密封就是密封件與其相對運動的零件不接觸，且有適當(dāng)間隙的密封。這種形式的密封，在工作中幾乎不產(chǎn)生摩擦熱，沒有磨損，特別適用于高速和高溫場合。非接觸式密封常用的有間隙式，迷宮式和墊圈式等各種不同結(jié)構(gòu)形式，分別應(yīng)用于不同場合。非接觸式密封的間隙以盡可能小為佳。（2）接觸式密封接觸式密封就是密封與其相對運動的零件相接觸且沒有間隙的密封。這種密封由于密封件與配合件直接接觸，在工作中摩擦較大，發(fā)熱量亦大，易造成潤滑不良，接觸面易摩損，從而導(dǎo)致密封效果與性能下降。因此，它只適用于中、低速的工作條件。接觸式密封常用的有毛氈密封、皮碗密封等結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用于不同場合。由以上理論本次設(shè)計主要采用非接觸式密封,優(yōu)點在于在工作中幾乎不產(chǎn)生摩擦熱，沒有磨損，特別適用于高速和高溫場合。前端軸承受力較大,且要求較高故采用間隙密封加一個甩油環(huán)密封可靠。后端軸承要求稍低一點兒,選用曲路密封。曲路密封是由旋轉(zhuǎn)的和固定的密封零件之間拼合成的曲折的縫隙所形成的?？p隙中加入潤滑脂,可以增加密封效果。根據(jù)部件的結(jié)構(gòu)曲路 是布置為軸向的.采用軸向曲路時,端蓋應(yīng)為剖分式,當(dāng)軸因溫度變化而伸縮或采用調(diào)心軸承感作支承時,都有旋轉(zhuǎn)片與固定片相接觸的可能.根據(jù)實際情況本次設(shè)計采用接觸式密封。5 數(shù)控銑床主軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計5.1控制方式選擇本次設(shè)計選用可編程控制器（Programmable Logic Controller）PLC控制變頻電機帶動主軸工作。PLC適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，簡單易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝備。它能夠完成較精確地轉(zhuǎn)停控制。5.2 PLC概述5.2.1 可編程控制器的由來及現(xiàn)狀 可編程控制器（ProgrammableController）簡稱PC，但為了與個人計算機 （Personal Computer）相區(qū)別，也可簡稱為PLC。是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。在60年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當(dāng)時汽車的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。5.2.2 PLC按I/O點數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的分類1、按I/O總點數(shù)分類（1）小型PLC 輸入、輸出點數(shù)在128點以下，用戶存儲器容量在2KB以下。小型PLC適用于開關(guān)量控制場合， 具有邏輯運算、計算、計時等功能，可以實現(xiàn)條件控制、定時、計數(shù)控制和順序控制。（2）中型PLC 輸入/輸出點數(shù)