立式数控铣床主传动系统设计

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2017届本科生毕业设计

分类号：TH122



题 目: 立式数控铣床主传动系统设计





作 者 姓 名： 陶 诚

学 号： 2013080834

学 院： 机械与电子工程学院

专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师姓名： 杨 权 王 松 指导教师职称： 助 教 工程师

2017年5月

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摘 要



本文介绍了立式数控铣床的一些基本概况，叙述了机床主传动系统方面的原理以及

类型，分析了各种传动方案的机理。立式数控铣床主传动系统主要包括了主轴电动机、主轴传动系统两部分。

本文详细地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，主轴箱传动系统采用齿轮传动，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。另外文中还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、轴承的选用及润滑、关键零件的校核以及主轴电动机的控制等内容。 关键词：立式数控铣床；主传动系统；主轴组件；轴承

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ABSTRACT



This paper introduces the general situation of the basic vertical CNC milling machine, this paper expounds the principle and type of the machine tool main drive system, analyzes the mechanism of various kinds of transmission scheme.

The main drive system of vertical nc milling machine consists of two parts: main shaft motor and spindle drive system.

Vertical CNC milling machine are introduced in detail in this paper the design process of the main transmission system, the vertical CNC milling machine spindle is by the gear transmission gearbox, spindle box transmission system adopts gear drive, drive mode adopts centralized transmission, spindle drive system using sliding multigang gear.

This paper introduces the vertical CNC milling machine main drive system of the comparison of the advantages and disadvantages of various transmission schemes, the choice and determination of main transmission scheme, the design and calculation of main drive variable speed system, the design of spindle component, the selection of bearing and the key parts of lubrication, checking and spindle motor control, etc.

Key words：Vertical nc milling machine; Main drive system; The spindle component; bearing

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目 录

绪论 ..................................................................... 1 1 立式数控铣床主传动系统方案的确定 .............................................................................. 2

1.1 对立式数控铣床主传动系统简介 ............................................................................. 2 1.2 对立式数控铣床主传动系统的要求 ......................................................................... 2 1.3 主传动的类型及方案选择 ......................................................................................... 2 1.4 本章小结 ..................................................................................................................... 3 2 主传动变速系统主要参数计算 .......................................................................................... 4

2.1 计算切削功率 ............................................................................................................ 4 2.2 计算主传动功率 ......................................................................................................... 5 2.3 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 ................................. 5 2.4本章小结 ...................................................................................................................... 7 3 主轴组件设计 ........................................................................................................................ 8

3.1概述 .............................................................................................................................. 8 3.2主轴结构设计 .............................................................................................................. 8 3.3主轴强度的校核 ........................................................................................................ 12 3.4本章小结 .................................................................................................................... 16 4 轴承的设计 ........................................................................................................................ 17

4.1概述 ............................................................................................................................ 17 4.2轴承的类型选择 ........................................................................................................ 17 4.3 轴承游隙等级的选择 ............................................................................................... 17 4.4 轴承的寿命计算 ....................................................................................................... 17 4.5轴承装置的设计 ........................................................................................................ 18 4.6本章小结 .................................................................................................................... 21 5 数控铣床主轴电气控制系统设计 ...................................................................................... 22

5.1控制方式选择 ............................................................................................................ 22 5.2 PLC的简单介绍 ........................................................................................................ 22 5.3主轴电动机控制 ........................................................................................................ 23 5.4本章小结 .................................................................................................................... 24 结论 .......................................................................................................................................... 25 参考文献 .................................................................................................................................. 26 致 谢 ........................................................................................................................................ 27





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绪论

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，它的发展水平标志了该国或地区经济的实力，科技水平和国防实力。国际市场的竞争归根到底就是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。机床是制造业的主要生产设备，而数控机床是高精度、高效率的自动化生产设备。目前，国内、外数控机床正朝着高性能、高精度、高效率、高柔性、高自动化和模块化方向迅速发展。数控机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。

数控铣床是一种加工功能非常强的数控机床。数控铣床也像通用铣床那样可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的数控系统不同，其功能也有所不同。

随着科学技术的极速发展，机械产品的结构也越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。所以，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采取了数控技术，使得许多以前在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。

综上所述，数控机床在促进技术进步，提高人类生存质量以及创造新的就业机会等方面都起着非常重要的作用。

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1 立式数控铣床主传动系统方案的确定

1.1 对立式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，它应具有一定的转速和变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

数控机床主传动系统主要包括了电动机、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较简单，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，具有以下几个特点：(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，它们已经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。(3)变速范围大。(4)主轴速度的变换迅速可靠。

1.2 对立式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）主电动机具有足够大的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足动力要求。

（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，并且噪声要小，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，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。 1.3 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。

为了适应不同的加工要求，主传动系统目前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，见图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。

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图1.1具有变速齿轮的主传动

2．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，见图1-2所示。





图1.2 通过带传动的主传动

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，因此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。



图1.3 由调速电机直接驱动的主传动

近些年来，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，使用内装电动机主轴的关键问题是温度控制和冷却。 1.4 本章小结

本章主要是对立式数控铣床主传动系统的确定，本次设计采用了变速齿店主传动系统。使主轴获得较高的转速和较大的转矩。

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2 主传动变速系统主要参数计算

2.1 计算切削功率 2.1.1切削力的计算 铣削时的切削力，公式如下

FC

.860.74

CFa0fzBZ0.98p

D0.86

（2-1）

式中：FC——铣削时的主切削力（N）； CF——加工材料影响的系数； fZ——每齿进给量（mm）； ap——背吃刀量（mm）； B——铣削宽度； Z——铣刀齿数； D——铣刀直径(mm)。

用直径D=50mm的四齿锥柄立铣刀，铣刀宽B=40mm的刚工件，fZ=0.05mm，ap=4mm，

CF=68mm，

计算得：FC=132N 2.1.2切削功率的计算

切削时所消耗的功率称为切削功率。切削功率的公式计算： FV

PCCC （2-2）

6000式中：PC——切削功率（kw）；

FC——切削力（N）； 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=2.2kw

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2.1.3主轴转速范围的确定

主轴最高转速为nmax4000r/min，最低转速为nmin40r/min2.2 计算主传动功率

用下列粗略估算主电动机的功率

PL

PC



C

（2-3）

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0.7~0.8；主运动为直线运动时，C0.6~0.7。 取主传动的总效率=0.7 则初选电动机功率

Pd2.2/0.73.14kw 取Pd4kw 电动机额定转速为

nd1500r/min；

额定最高转速为

ndmax4500r/min

2.3 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2.2中初选电动机功率Pd为4kw， 计算转速依据如下公式计算:

400

nj40

40则电动机的恒功率调速范围:

主轴恒功率调速范围:

0.35

205r/min （2-4）

Rdp4500/15003

Rnpnmax/nj4000/20519.5

因此主轴要求的恒功率变速范围Rnp远大于电动机所能提供的恒功率围Rdp，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，来扩大电动功率变速范围。

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2.3.1 确定变速级数Z

如取变速箱的公比 fRdp3

1z

则由于无级变速时 RnpzfRdpf

故变速箱的变速极数

Z

lgRnplgf



lg19.5

2.704 可取Z=3 （2-5） lg3

虽然此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。 2.3.2 电动机的功率的确定

由公式（2—5）可知，应增大f Z

lgRnplgf

即 2

lg19.5

lgf

所以f4.42比Rdp3大很多。 缺口处的功率为

PRdpPd/f34/4.422.71kw

所以选用5.5kw的交流变频电动机。

则缺口处的功率为PRdpPd/f35.5/4.423.73kw。有很大的改善。 2.3.3 电动机参数

电动机性能指标：

电机采用CTB系列变频电机,型号：CBT—43P5BXB50—4,主要技术指标如下： （1）电压:三相380V/50Hz；

（2）变频调速范围:5～100Hz无级调速,5～50Hz恒转矩调速,50～100Hz恒功率调速,级数为4级,额定转速1440r/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; （4）CTB系列变频电机,型号：CBT—43P5BXB50—4

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图2.1 电动机外形图

2.3.4 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40900r/min，高档转

3004000r/min。显然如果要求巧15004000r/min内作恒功率的不停车变速可用高

档。转速图和功率特性图如图2.2所示。



图2.2转速图和功率特性图

2.4本章小结

本章通过对切削规律和主传动功率的计算，分级变速箱传动系统的设计以及主轴电动机功率的确定得出主传动变速系统的主要参数。

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3 主轴组件设计

3.1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。 3.1.1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。 3.1.2主轴材料

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。 3.2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。 主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部件有较高的要求。 3.2.1主轴部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。



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图3-1 主轴形变

（3）抗振性 （4）温升和热变形

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。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。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。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。 3.2.2轴的结构设计

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。

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。 3.2.3草拟轴上零件的装配方案



图4.2 主轴装配图

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预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和关系，如下图立式数控铣床主轴的装配。 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。 3.2.4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。

3.2.5 各轴段直径与的确定

由轴的结构和拉刀方式确定出轴的最小直径：立式数控铣床主轴必须制成空心轴，且又因为为空心轴的内径d1与外径d 之比，为了保证轴的刚度和扭转刚度,通常在

0.5~0.6之间,取为0.6。故d=50mm。按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处起逐

一确定各轴段的直径。在实际的设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验确定，或参考同类机器用类比的方法确定。

有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件的部位的轴径，应取为相应的标准值及所选的配合公差。且在这样的轴段需0.5mm的碳氮共渗层。为了使带轮、轴承等有配合要求的零件装配拆卸方便，并减少配合面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径，发挥轴肩的作用。

确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还需要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠与带轮等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2~3mm，所以取Dmax=78mm.

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（1）主轴悬伸量a与前端轴颈D1之比可按下表3.1选择：

表3.1 主轴悬伸量与前端轴颈之比

机床和主轴的类型

通用和精密机床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承和支架

a/D1 0.5~1.5

中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸较长的精密镗床 和内圆磨床

孔加工机床应用加工细长孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较长而不适用于有高精度要求的机床

1.25~2.5

>2.5

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ll0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0.75~1.5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0.75~1.5l0是一个区域。 3.2.6 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Ra，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。

3.2.7 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

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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。主轴结构设计如下图：

图3.3 主轴结构示意图

3.3主轴强度的校核

常见轴材料见表3.2所示。

表3.2 常见轴材料

轴的材料 [] A0

Q235-A、20 15-25 149-126

Q275、35 20-35 135-112

45 25-45 126-103

40Cr 35-45 112-97



3.3.1按扭转强度进行计算

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

P

9550000Tn （3-1） TTWT0.2d3

式中：T——扭转切应力，单位MPa；

T——轴所受的扭矩，单位为Nmm； WT——轴的抗扭截面系数，单位为mm3； n——轴的转速，单位为r/min；

P——轴传递的功率，单位为kw； d——计算截面处轴的直径，单位为mm

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T——许用扭转切应力，单位为MPa。

由上式可的直径

d

9550000PP

A03 （3-2）

0.2Tn

式中: A0

3

9550000

102mm2

0.2T

对于空心轴

P

18mm （3-3） 4

n(1)

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

d3

于直径d>100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大7%。对于直径d<100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大5%-7%有两个键槽时，应增大10%-15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径dmin。 3.3.2 强度校核计算

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. 按扭转强度条件进行校核计算。 T

TT

r （3-4） 32

dbt（d-t）WT

16d

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》查得T为45MPa；由《机械设计课程设计手册》可查得

t5.0mm；b12mm；T42Ngmm。

将以上各值代入式（3—4）得： T=4.7MPa

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2. 按弯扭合成强度计算：

过轴的结构设计，轴上零件的位置，外载荷和支反力的作用位置都已确定，算出轴上载荷。

由金属切削手册表得：

表3.3 参数表

项目 参数

D B S t Z

50mm 30mm 0.1mm/齿 8mm 4 数值

出处 <<金属切削手册>>

表9-7 表9-4 表9-11 t=0.02*D 表9-7



由金属切削机床夹具设计手册表得

0.88

P1150t1.06szD1.3B0.90n0.18z

115081.060.10.88501.3300.960000.184 1758

查手册表1-2逆铣时得;

P横P纵P垂

0.80.70.5PPP, ,

所以p纵0.817581406N, p横0.717581230

P垂0.51758879N 求出支反力：

已知 p径879N ; p横0.717581230N

Fr1Fr2879

Fr10.3Fr20.6059850.0445.50

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联立解得：

Fr2885NFr11764N



刚度校核计算:

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： 

1zTlii

5.7310LGi1Ipi

4

式中：T ——扭矩，单位为Nmm；

G ——剪切弹性模量，单位为MPa，对于各种钢材，G8.1104MPa； IP——极惯性矩，单位为mm4；

L ——阶梯轴受扭矩的长度，单位为mm； Z ——阶梯轴受扭矩轴段数；

Ti、li、Ii ——阶梯轴第i段上的扭矩、长度、惯性矩；

dv19.6mm 。

由《机械设计》查得0.25~0.5°/m，显然，。

0.190.06

4444

(0.080.037)(0.0750.0155)342323245.7310100.210.34788.110i1

44

(0.0450.03)32

0.168/mm

故满足刚度条件。

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3.4本章小结

主轴部件设计是机床重要部件之一，它是机床的执行件。本章确定了主轴部件的设计，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。

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4 轴承的设计

4.1概述

由于在高速机械上使用的轴承对于转速的要求很高，国内的标准轴承无法满足本次设计要求，根据本次设计的要求选取国外生产的FAG型号轴承为本次设计所用轴承。 4.2轴承的类型选择

通过本次设计的BT40铣床机械主轴的受力分析可知：轴承在工作过程中，既受径向载荷又受轴向载荷。因此，本次设计必须选用角接触球轴承。

由于本次设计的主轴为高速机械主轴，所以对主轴轴承要求较高，国内的标准轴承以无法满足本次设计，所以选择国外的FAG型号轴承作为本次设计所选轴承。 4.3 轴承游隙等级的选择

为了提高主轴的刚度和抗振性，BT40铣床主轴采用三支承方式，且前后为主要支承，中间支撑为辅助支承。但是三支承方式对三支承孔的同轴度要求较高，制造装配较复杂。主轴承也应消除间隙或预紧，且辅助支承必须选用较大游隙的轴承。因此，前、后轴承选4组游隙并预紧，辅助支承选用4组游隙。 4.4 轴承的寿命计算

轴承在承受负荷旋转时，由于套圈滚道面及滚动体滚动面不断地受到交变负荷的作用，即使在正常的使用条件下，也会因材料疲劳使滚道面及滚动面出现疲劳损伤。即使是结构、尺寸、材料、加工方法等完全相同的轴承，在同样条件下旋转时，轴承的（疲劳）寿命仍会出现较大的差异。于是就将一批相同的轴承在同样条件下分别旋转时，其中90%的轴承不出现滚动疲劳损伤的总旋转数称做“轴承的基本额定寿命”（即可靠性为90%的寿命)。这些损伤可以通过做好轴承的选择、安装和润滑等加以避免。本次设计所以轴承的寿命符合要求。



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轴承布局

表4.1 常用轴承布局方式

配置方式

可达到的转速系数

0.85 0.80 0.75 0.65 0.72



  



按轴承参数可知，轴承的极限转速为22000r/min

为了适应高速运行同时保证一定的刚度，本次设计采用面对面设置。 配置选第五种，其速度系数为0.65，则可得最高转速为

Nmax0.722200015840/min4000r/min

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。 4.5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。 4.5.1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。

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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8000r/min，额定转矩为42Nm，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。 4.5.2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。轴承负荷大或承受振动、冲击负荷时，其过盈须增大。

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，负荷性质的影响 轴承负荷根据其性质可分为内圈旋转负荷、外圈旋转负荷及不定向负荷。 4.5.3 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，还具有散热、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。



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表4.2 使用于脂润滑和油润滑的dn植界限（表值10）

轴承类型

脂润滑

油润滑

4

油浴 滴油 循环油（喷油） 油雾

深沟球轴承 16 25 40 60 >60

调心球轴承 16 25 40 50

角接触球轴承 16 25 40 60 >60

圆柱滚子轴承 12 25 40 60 >60

圆锥滚子轴承 10 16 23 30

调心滚子轴承 8 12 20 25

推力球轴承 4 6 12 15

4.5.4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，必须对滚动轴承具有适宜的密封。

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。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。

（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。

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4.6本章小结

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。

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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的简单介绍

5.2.1 可编程控制器的由来

可编程控制器（Programmable Controller）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。 5.2.2 可编程控制器的现状

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。 5.2.3 可编程控制器的分类

PLC一般可按I/O点数和结构形式分类。 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。

（2）中型PLC

输入/输出点数在256－1024点之间，用户程序存储器容量在2－8KB。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。

（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。

2 按结构形式分类 （1）整体式

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。

（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）、

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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。 5.2.4 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。

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。 5.2.5 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。 5.3主轴电动机控制

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。

主轴正转（或反转）起动至指定转速时，主轴变频器输出主轴速度到过信号给PLC，完成主轴起动过程。主轴的起动时间、制动时间由主轴变频器内部参数设定。如图6.3所示。

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指 令

SB2SB3SB1

X0X1X2COM

Y0

KM1Y1

X0

KM2

FR

X2X1Y1

Y0

Y0

KM2KM1

X1Y1

X2X0

Y1Y0END

COM

~220

步 序 语 言 0 LD X0 1 OR Y0 2 ANI X2 3 ANI X1 4 ANI Y1 5 OUT Y0 6 LD X1 7 OR Y1 8 ANI X2 9 ANI X0 10 ANI Y0 11 OUT Y1 12 END



（a）接线图 （b）梯形图 （c）助记符语言

图5.3主轴电动机控制系统图



5.4本章小结

本章是对数控铣床主轴电气控制系统的设计，本次设计选用了可编程控制器PLC控制变频电机带动主轴工作，并对PLC进行了一些介绍。

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结论



这次设计主要是对立式数控铣床主传动系统进行设计,具体通过了五个部分来进行设计。

首先从主传动系统设计以及主轴零件的选用，再定轴承的选型及其组配形式，然后对主轴电气控制的设计。具体步骤包括立式数控铣床主传动系统方案的确定、主传动变速系统主要参数的计算、主轴组件设计、轴承的设计以及数控铣床主轴电气控制的系统设计。并且还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、轴承的选用及润滑、关键零件的校核以及主轴电动机的控制等内容。

在以上设计中，对零件的材料，对轴承，对装配方法等等知识点温习和学习。使以前学习的理论知识能够应用到实际设计当中去，更加深了我们对所学知识的理解。对实际加工中的一些问题有了进一步的了解，并在设计中考虑和避免这些问题的发生。



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参考文献

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致 谢

毕业设计很快已经结束了，在这段时间里，不仅仅感觉到的是忙碌，还有忙碌后作完一件令自己心动的东西时的那种无声的喜悦。

在写致谢信的这个时候心里想有一些说出的东西，想想自己在做毕业设计时的种种困难，在老师同学的用心帮助下也一一解决了，说句实话，凭自己的能力要作完毕业设计是有些太困难了，但是在你的身边总有一些人会给你带来惊喜，自己的能力毕竟有限，在面对别人无私帮助的时候我的内心十分感激，带自己毕业设计的杨老师会有问必答，有难必解，虽然接触不是很多，但有些东西使用心感觉的。还有好多老师在这次毕业设计中给于我一些帮助，我非常的感激。当然还有我身边的那些同学，在我有疑惑的时候总是不厌其烦的给我解释清楚。在我设计的时候，因为我以前从没接触过的东西，一开始很是迷茫，我的好几位同学都在这时候一边忙自己的事，一边还要在我有疑惑的时候为我帮忙分析，共同解决。最终自己终于完成了主传动系统设计这一部分的毕设要求。现在想起来，有时候最能让自己感动的事就发生在自己的身边。

这次毕业设计不仅给我带来了知识上的收获，在做人方面也教会了我许多许多，在对待事情方面，尤其是有选择的时候自己该放弃什么，该抓住什么。什么是该自己作的，什么时候做，我明白了好多。

在此，我对给我帮助的老师，同学至以诚挚的谢意和由衷的感激。感谢您们对我的帮助，和教会我那些人生的道理。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！



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