XKA5750数控铣床主传动系统设计

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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

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The main drive system design of XKA5750 CNC milling machine

Author:Han Liguo Tutor:Yan Cunfu

Abstract

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

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目 录

1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1 1.1我国数控机床的发展现状 ............................................................................................... 1 1.2课题提出的意义和目的 ................................................................................................... 2 2 XKA5750数控铣床主传动系统方案的确定 .................................................................... 3 2.1数控铣床主传动系统简介 ............................................................................................... 3 2.2 对数控铣床主传动系统的要求 ...................................................................................... 3 2.3 主传动的类型及方案选择 .............................................................................................. 4 3 主传动变速系统主要参数计算 ........................................................ 错误！未定义书签。 3.1 计算切削功率 ................................................................................ 错误！未定义书签。

3.1.1切削力的计算 .......................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.2切削功率的计算 ...................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.3主轴转速范围的确定 .............................................................. 错误！未定义书签。 3.2 计算主传动功率 ............................................................................ 错误！未定义书签。 3.3 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 .... 错误！未定义书签。 3.3.1 变速级数Z的确定 ................................................................. 错误！未定义书签。 3.3.2 电动机的功率的确定 ............................................................. 错误！未定义书签。 3.3.3 电动机参数 ............................................................................. 错误！未定义书签。 3.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定 ............................. 错误！未定义书签。 4 主轴组件设计 .................................................................................... 错误！未定义书签。 4.1概述 ................................................................................................. 错误！未定义书签。 4.2主轴组件应满足的基本要求 ......................................................... 错误！未定义书签。 4.3主轴的设计 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 4.3.1轴的分类 .................................................................................. 错误！未定义书签。 4.3.2主轴材料选择 .......................................................................... 错误！未定义书签。 4.3.3主轴结构设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。 4.3.4主轴强度的校核 ...................................................................... 错误！未定义书签。 4.4轴承设计 ......................................................................................... 错误！未定义书签。 4.4.1轴承的类型选择 ...................................................................... 错误！未定义书签。 4.4.2 轴承游隙等级的选择 ............................................................. 错误！未定义书签。 4.4.3轴承布局 .................................................................................. 错误！未定义书签。 4.4.4轴承装置的设计 ...................................................................... 错误！未定义书签。 5 数控铣床主轴电气控制系统设计 .................................................... 错误！未定义书签。 5.1控制方式选择 ................................................................................. 错误！未定义书签。 5.2 PLC概述......................................................................................... 错误！未定义书签。 5.2.1 可编程控制器的由来及现状 ................................................. 错误！未定义书签。 5.2.2 PLC按I/O点数和结构形式的分类 ...................................... 错误！未定义书签。 5.2.3 可编程控制器的特点 ............................................................. 错误！未定义书签。 5.2.4 PLC的应用领域 ...................................................................... 错误！未定义书签。

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5.3 PLC 在主轴电动机控制中的应用 ................................................ 错误！未定义书签。 结论 ............................................................................................................................................ 7 致谢 ............................................................................................................................................ 8 参考文献 .................................................................................................................................... 9

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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

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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。

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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Rn＞100，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。

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（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1.3 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，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

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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。

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此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系在线扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！全部设计都已通过答辩

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结论

短短的三个月的毕业设计是我们对大学四年的机械知识的整体总结，也是理论与实践的结合，通过这次毕业设计我们收益非浅，这次设计，主要是对XKA5750立式数控铣床主传动系统进行设计。在进行毕业设计中，我学到了许多新的知识。我深刻的认识到，要想成为一名合格技术人员只掌握本专业的知识是远远不够的，我们应该具有更加渊博的知识。

先从主传动系统设计入手接着是主轴零件的选用，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。

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。

由于最初了解的不深入，经常会有无从下手的感觉，碰到问题只有去问老师和看相关书籍，最终虽然完成了大概模型，有许多地方还是没完全吃透的，这需要在以后的工作学习中进一步加深学习。

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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。

在写致谢信时心里有一些想说出的东西，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，带自己毕业设计的闫老师有问必答，有难必解，虽然接触不是很多，但有些东西要用心感觉的。还有好多老师在这次毕业设计中给予我一些帮助，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，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。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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参考文献

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