1885_XKA5750型數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計

1885_XKA5750型數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計,_xka5750,數(shù)控,銑床,傳動系統(tǒng),設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計文獻綜述院 （ 系 ） 名 稱 工 學(xué) 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化學(xué) 生 姓 名 韓 利 國指 導(dǎo) 教 師 閆 存 富2012 年 03 月 10 日黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 1 頁 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)研究摘要: 簡要介紹了數(shù)控銑床及加工中心的主傳動系統(tǒng)的類型和特點，重點對兩段變速主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)和特性參數(shù)進行推導(dǎo)和計算，通過分析這些參數(shù)的相互關(guān)系及其對結(jié)構(gòu)和性能的影響，得出一些有參考價值的結(jié)論。同時對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的理論也有簡單的論述。關(guān)鍵詞： 傳動系統(tǒng)，功率缺口，扭矩，減速比前言主傳動系統(tǒng)是銑床傳動系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的銑床主傳動系統(tǒng)采用有級傳動方式， 其計算和設(shè)計方法早已有詳細(xì)論述。隨著機床技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)控銑床和加工中心的主傳動系統(tǒng)已普遍采用無級傳動方式。盡管一些大型的機床設(shè)計手冊對無級傳動方式的分析計算和設(shè)計方法已有論述， 也已形成一些設(shè)計原則， 但機械加工對主軸無級傳動系統(tǒng)的要求多種多樣， 隨著機床技術(shù)的發(fā)展， 隨著機床產(chǎn)品設(shè)計越來越理性化， 在進行主傳動系統(tǒng)設(shè)計時需要對各主要技術(shù)參數(shù)和特性參數(shù)如高、低檔減速比、主軸額定轉(zhuǎn)速、功率損失等進行計算， 對這些參數(shù)的相互關(guān)系和相互影響以及對結(jié)構(gòu)性能的影響進行分析。文中對主傳動系統(tǒng)各主要設(shè)計參數(shù)和特性參數(shù)進行了推導(dǎo)計算和相互關(guān)系分析， 得出了一些較為適用的結(jié)論， 現(xiàn)介紹如下。同時也簡單的設(shè)計了數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計的相關(guān)論。1 主軸無級傳動系統(tǒng)的特點主軸無級傳動系統(tǒng)主要由無級調(diào)速電機及驅(qū)動單元和機械傳動機構(gòu)組成。1.1 無級調(diào)速電機及驅(qū)動主要機械特性無級調(diào)速電機具有轉(zhuǎn)速拐點， 即額定轉(zhuǎn)速。其特點為: 小于額定轉(zhuǎn)速的為恒扭矩范圍， 大于額定轉(zhuǎn)速的為恒功率范圍， 其特性曲線如圖1 所示。額定轉(zhuǎn)速一般有500r/min、750r/min、1000r/min、1500 r/min、2000r/min等幾種， 按照成本原則， 通常使用較多的為1500r/min。如果直接使用額定轉(zhuǎn)速為1500r/min 以上的電機而不經(jīng)過機械減速， 則輸出的恒功率范圍和低速扭矩較小， 不能滿足很多場合下的正常使黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 2 頁 用要求。圖1.無級調(diào)速電機特性曲線1.2 主軸無級傳動系統(tǒng)中的機械傳動機構(gòu)種類及特點( 1) 直接1:1 傳動 可采用電機與主軸組件直聯(lián)方式或通過同步帶傳動方式，結(jié)構(gòu)簡單， 易獲得高轉(zhuǎn)速， 但低速扭矩小， 一般只適用于高速和輕切削場合。( 2) 直接減速或升速傳動常采用同步帶傳動方式， 也可采用齒輪傳動方式， 結(jié)構(gòu)簡單。對于減速傳動， 可擴大恒功率范圍和提高主軸扭矩， 但擴大和提高程度有限， 或最高轉(zhuǎn)速受到限制。對于升速傳動， 可獲得高轉(zhuǎn)速， 但縮小了恒功率范圍， 降低了低速扭矩。( 3) 高低檔兩段變速傳動一般采用齒輪兩檔變速機構(gòu)， 可配合較為經(jīng)濟的額定轉(zhuǎn)速較大的無級調(diào)速電機， 既可獲得較高轉(zhuǎn)速， 又可較大地拓寬恒功率范圍， 提高低速扭矩， 適合于要求達到較高轉(zhuǎn)速且可進行較大切削量加工的場合。( 4) 高、中、低檔三段變速傳動采用齒輪三檔變速機構(gòu)， 配合較為經(jīng)濟的額定轉(zhuǎn)速較大的無級調(diào)速電機， 既可獲得較高轉(zhuǎn)速， 又可大大拓寬恒功率范圍，大大提高低速扭矩， 適合于要求達到較高轉(zhuǎn)速且可進行大切削量加工的場合， 其機械性能幾乎與齒輪有級變速方式相同。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 且由于采用齒輪多級傳動方式， 最高轉(zhuǎn)速受限更大，目前這種傳動方式黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 3 頁 很少采用。從以上介紹可知， 各種傳動方式各有優(yōu)缺點， 關(guān)鍵是根據(jù)不同的使用要求選擇不同的傳動方式 1-3。1.3 關(guān)于高低檔兩段變速傳動方式從以上分析可以看出， 采用高低檔兩段變速傳動方式， 既可獲得較高轉(zhuǎn)速， 又可較大的拓寬恒功率范圍， 較大的提高低速扭矩， 且結(jié)構(gòu)要比三段變速簡單， 因此是較為理想的傳動方式。特別是， 出于對電控系統(tǒng)價格的考慮， 我們經(jīng)常采用額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min 主軸電機。當(dāng)選用額定轉(zhuǎn)速大于或等于1000r/min 的主軸電機， 且又要求具有較大的輸出恒功率范圍、較大的主軸低速扭矩和較高的主軸轉(zhuǎn)速， 則必須采用高低檔兩段變速傳動方式。同時可以看出， 高低檔兩段變速傳動方式的計算和設(shè)計要比直接傳動方式復(fù)雜得多。不同的參數(shù)選擇可導(dǎo)致機械性能的不同， 并適應(yīng)于不同的使用要求。因此， 導(dǎo)出各設(shè)計參數(shù)的計算公式， 分析各參數(shù)選擇對機械性能的影響， 分析參數(shù)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)系， 這對于主軸無級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計， 對于如何通過計算和設(shè)計達到數(shù)控機床的預(yù)定的技術(shù)要求， 實現(xiàn)較好的制造工藝性和性能價格比， 將具有重要的意義。2 高低檔兩段變速傳動系統(tǒng)的計算和分析高低檔兩段變速傳動機構(gòu)具有多種形式， 但其分析計算是一樣的。在進行機床產(chǎn)品設(shè)計時， 一般情況下， 是根據(jù)產(chǎn)品定位、用途、技術(shù)要求等因素， 確定主電機功率及其額定轉(zhuǎn)速、主軸最高轉(zhuǎn)速、主軸最大扭矩等主要參數(shù)， 再根據(jù)這些主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求特點， 計算和確定主傳動高檔和低檔減速比， 及確定其它參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于采用兩檔傳動方式， 可能會產(chǎn)生在一定速度范圍內(nèi)功率損失的現(xiàn)象， 這就是所謂的功率缺口。盡可能降低功率缺口也是確定主傳動高檔和低檔減速比的主要依據(jù)之一。2.1 高低檔減速比計算a) 低檔減速比計算：i1= Mm（M d0） （1）其中：i 1 低檔減速比黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 4 頁 Mm主軸最大扭矩Md0主電機額定扭矩 傳動機構(gòu)機械效率b) 高檔減速比計算：i2= n smn m （2）其中： i 2 高檔減速比n sm電機使用最高轉(zhuǎn)速n m主軸最高轉(zhuǎn)速2.2 主軸額定轉(zhuǎn)速計算主軸額定轉(zhuǎn)速n om：n om = n odi 1 （3）其中： n om 主軸額定轉(zhuǎn)速n od 電機額定轉(zhuǎn)速2.3 功率損失或功率缺口計算高低檔的分界點轉(zhuǎn)速n g：ng= n smi 1 （4）在高檔轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)， 主軸最大扭矩M m2：Mm2=i2Mdo故對應(yīng)于分界點轉(zhuǎn)速，主軸輸出功率處于最低狀態(tài)， 最低功率P j：（5）1202)(360innPdmmgj 經(jīng)高低檔變速后，主軸機械特性如圖2 所示。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 5 頁 圖2主軸機械特性曲線功率損失P:P = P0- P j （6）其中： P 0 為主電機功率功率損失比率:= PP 0= (P0- P j)/P0=1- P j/P0=1- 1/其中:= P0 P j ( 7)我們稱 為功率缺口， 顯然1， P j 越小， 則 越大，即功率缺口越大。2.4 功率缺口轉(zhuǎn)速范圍計算參見圖2: n 02= n0d/i 2 ( 8)功率缺口轉(zhuǎn)速范圍n:n=n02- ng （9）將式(4)式(8)代入式( 9) ， 得:n = n 0d/i2-nsm/i1 (10)2.5 參數(shù)選擇綜合分析和確定以上算式反映了各主要技術(shù)參數(shù)的關(guān)系， 對設(shè)計參數(shù)選擇、技術(shù)特性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析具有重要作用。( 1) 低檔減速比對機械特性的影響和減速比選擇根據(jù)式( 1) ， 低檔減速比由主軸最大扭矩和電機最大扭矩決定。主軸最大扭矩越大， 則低檔減速比越大； 反過來， 低檔減速比越大， 則主軸最大扭矩越大。同時，根據(jù)式( 3) ， 低檔減速比越大， 則主軸額定轉(zhuǎn)速越小， 即恒功率范圍就越擴大。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 6 頁 但根據(jù)式( 5) 、( 6) 、( 7) ， 低檔減速比越大， 則功率損失或功率缺口越大。所以必須綜合考慮和分析， 選擇較大的低檔減速比， 以保證得到較大的主軸最大扭矩和恒功率范圍， 但低檔減速比又不能太大， 否則功率損失太大， 影響機床機械特性的程度大， 達不到正常使用要求。一般選擇低檔減速比為3.55 較為合適， 具體選擇要綜合根據(jù)具體技術(shù)要求和使用要求而定。( 2) 高檔減速比對機械特性的影響和減速比選擇以往的技術(shù)文獻對高檔減速比的分析極少，只簡單指出高檔減速比一般為1。根據(jù)式( 5) 、( 6) 、( 7) ， 高檔減速比越大， 則功率損失越?。?同時根據(jù)式( 3) 和式( 10) ， 高檔減速比越大， 則功率缺口轉(zhuǎn)速范圍越小。所以， 高檔減速比大對機械特性是好的。但也是根據(jù)式( 2) ， 在主軸最高轉(zhuǎn)速一定的情況下， 高檔減速比越大， 則電機使用最高轉(zhuǎn)速也越大。我們知道， 在進行設(shè)計選擇時， 不一定選擇到電機真正的最高轉(zhuǎn)速， 至于選擇多大， 要進行綜合分析。從以上分析可知， 電機使用最高轉(zhuǎn)速越大則對機械特性越好，但電機使用最高轉(zhuǎn)速越大， 對機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機械加工精度要求也越高， 成本增加，經(jīng)濟性降低在一定程度上成為矛盾。所以一般選擇高檔減速比為11.5而不必限制為1。( 3) 功率缺口的分析根據(jù)式( 5) ， 在電機特性和主軸最高轉(zhuǎn)速確定后， 最低功率與高、低檔減速比有關(guān)。選擇大的高檔減速比和小的低檔減速比， 則最低功率就越大， 即功率損失就越小。但從以上的分析也已知道， 高檔減速比大則對機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機械加工精度要求就高； 低檔減速比小， 則會導(dǎo)致主軸最大扭矩小和恒功率范圍小， 影響機械特性。這是一個矛盾。我們可以加大主電機額定功率來彌補功率損失的影響， 這樣又會加大成本。所以， 在一般情況下， 是允許功率缺口存在的， 允許功率缺口的大小視具體使用要求和技術(shù)要求而定， 一般為不大于1.21.5， 特殊情況下可以大些 4-7 。3 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成. 傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機床執(zhí)行件， 而且要保證傳遞過程中具有良好的動態(tài)特性. 傳動系統(tǒng)在工作過程中， 經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用， 使傳動系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動， 影響了機床的工作性能. 隨著機床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展， 傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單， 但對其機械結(jié)構(gòu)性能黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 7 頁 的要求卻越來越高，因此， 傳統(tǒng)的靜強度設(shè)計方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到要求. 為了保證金屬切削機床高效地加工出高精度的產(chǎn)品零件， 機床的傳動系統(tǒng)就必須具有較高的剛度和抗振性能， 以提高傳動的準(zhǔn)確性和加工的穩(wěn)定性.因此， 本文使用動態(tài)優(yōu)化的方法， 將提高機械結(jié)構(gòu)的剛度作為設(shè)計校核的目標(biāo)， 對機床的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計.目前， 動態(tài)設(shè)計的優(yōu)化正處于發(fā)展與完善階段， 其設(shè)計方法可分為 3 類: 基于模態(tài)柔度和能量平衡的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、基于變分原理的的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和基于最小值原理的動態(tài)優(yōu)化. 本文基于傳遞矩陣法的思想建立數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)的集中質(zhì)量模型， 并應(yīng)用模態(tài)柔度和能量平衡原理優(yōu)化了主傳動系統(tǒng) 8-9。4 結(jié)束語在進行數(shù)控銑床或加工中心的兩段變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計時， 必須對主要設(shè)計參數(shù)、機械特性和使用要求進行綜合考慮和分析， 既要實現(xiàn)好的機械特性和滿足使用要求， 又要滿足制造工藝性和適應(yīng)經(jīng)濟性要求。據(jù)經(jīng)驗一般取高檔減速比為11.5； 低高檔減速比為3.55； 功率缺口一般為不大于1.21.5。傳動系統(tǒng)在工作中主要是扭轉(zhuǎn)振動， 用傳遞矩陣法建立傳動系統(tǒng)的集中質(zhì)量模型，是通過將軸上的零件， 轉(zhuǎn)化為慣性元件， 而將軸轉(zhuǎn)化為彈性元件和慣性元件的組合，并將各軸轉(zhuǎn)化的慣性元件， 平均分配到各個軸的兩端， 最后， 將慣性元件和彈性元件一同轉(zhuǎn)化到輸出軸上， 建立傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)傳遞矩陣模型， 來分析其扭轉(zhuǎn)振動. 與有限元模型相比較， 在滿足工程需要的同時， 能夠養(yǎng)活對計算機容量的需求。運有模態(tài)柔度和能量平稀奇原理， 通過對傳動系統(tǒng)模態(tài)柔度和能量分布率的計算結(jié)果的分析， 表明了動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)和變量， 找出需要修改的結(jié)構(gòu)部位和參數(shù)。 通過高速主軸的跨距、懸伸量、內(nèi)外直徑和主軸長度， 改變慣性元件和彈性元件的參數(shù)， 達到對整個傳動系統(tǒng)進行動態(tài)設(shè)計的目標(biāo) 10-12。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 綜 述 ) 第 8 頁 參考文獻1 現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊編委會. 現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊M. 北京機械工業(yè)出版社，2006.2汪木蘭.數(shù)控系統(tǒng)與原理M.北京：機械工業(yè)出版設(shè)，2004.3秦曾煌.電工學(xué) M.北京：高等教育出版社， 20044文懷興，夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2005.55夏田.數(shù)控加工中心設(shè)計M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.46陳立德.機械制造裝備設(shè)計M.北京：高等教育出版社，2006.47王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計M.北京：兵器工業(yè)出版社，1999.98Napitolela N G. A Mass or Stiffness Addition Technique for Structural Parameter Updating J. The International Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis， 1992， 7(3): 157-168.9Hielmstad K D. Mutual Residual Energy Method for Parameter Estimation in Structures.Journal of Structual Engineering， 1992，118(1) : 223-242.10溫熙森，陳循，唐丙陽.機械系統(tǒng)動態(tài)分析理論與應(yīng)用M .長沙: 國防科技大學(xué)出版社， 1998.11諸乃雄.機床動態(tài)設(shè)計原理與應(yīng)用M.上海:同濟大學(xué)出版社，1987.12徐燕申.機械動態(tài)設(shè)計M.北京:機械工業(yè)出版社，1992. 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 1 頁基于車輛動力學(xué)穩(wěn)定性控制的輪胎參數(shù)實時觀測摘要：車輛動力穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DCS）的性能主要由對輪胎受力的準(zhǔn)確實時的估計決定。輪胎受力的特點是由輪胎的動態(tài)特性和參數(shù)決定，而它們又會隨著工作環(huán)境的不同在很大程度上發(fā)生明顯的變化。目前，已經(jīng)有許多基于非線性觀測器來估計輪胎動力和動態(tài)參數(shù)的方法，但是由于它們計算復(fù)雜而且沒有很好的考慮四個輪子在轉(zhuǎn)向操縱條件下的動態(tài)差異，因此它們只用于離線分析。本文提出了一個新的算法，用于在（DCS）實時控制器中觀察輪胎的參數(shù)。這是一種基于傳感器的算法依靠來自 DCS 傳感器的信號融合技術(shù)，通過一組機動的程序來實現(xiàn)輪胎參數(shù)的估計。在控制周期內(nèi)校準(zhǔn)輪胎參數(shù)被視為車輛動態(tài)觀察的基本階段，其中計算和測量的車輛動態(tài)誤差被用作輪胎參數(shù)觀測過程中的修正因素。在一個給定的加速度下沿著直線運動的測試過程被用來驗證縱向剛度的估計方法，而在一個給定的轉(zhuǎn)向角度的測試過程則被用來驗證側(cè)偏剛度的估計值。地面測試的結(jié)果表明，該算法可以準(zhǔn)確的估計輪胎的剛度，并且由于實時控制器只使用了 DCS 傳感器的信號，因此該算法計算成本可以接受。這一算法可以成為車輛動態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在輪胎動態(tài)參數(shù)估計方面的一個高效的算法，并可用來改善 DSC 控制器的魯棒性。關(guān)鍵詞：輪胎，縱向剛度，側(cè)偏剛度，車輛動力學(xué)穩(wěn)定性1 簡介隨著汽車底盤主動控制技術(shù)的發(fā)展，精確調(diào)整橫向和縱向輪胎受力的分布和范圍已經(jīng)成為提高輪胎動態(tài)穩(wěn)定性的一種重要方法。動態(tài)控制系統(tǒng)如：防抱死制動系統(tǒng)（ABS） ，牽引力控制系統(tǒng)（TCS） ，動態(tài)穩(wěn)定控制（DSC） ，的動態(tài)干預(yù)效果由輪胎與路面的摩擦值決定 1。VAN ZENTAN2首先解釋了基于基本輪胎力估計邏輯的 DCS 控制邏輯，哈托利等人 3進一步開發(fā)了基于輪胎力非線性最佳分布控制的車輛動態(tài)管理系統(tǒng)。顯然對輪胎力的準(zhǔn)確估計已經(jīng)成為上文提到的動態(tài)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。考慮到計算的復(fù)雜性和輪胎力估算方法的成本，簡化參數(shù)的輪胎模型是最常使用的方法 4。輪胎的參數(shù)，尤其是縱向和側(cè)偏剛度，決定了輪胎受力估計的精度。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 2 頁KIN5等人根據(jù)輪胎數(shù)據(jù)地圖來估計輪胎力，但是這種方法不能有效的補償氣壓，溫度，材料老化，輪胎的使用趨勢這些因素的影響作用。VAN ZENTAN2通過簡化的 HSRI 輪胎模型來估計輪胎的受力。這些動態(tài)狀態(tài)可以通過 DCS 控制的實時控制環(huán)節(jié)獲得 6。如果這些輪胎參數(shù)是通過 DCS 傳感器在車輛動態(tài)控制器中觀測的，那么就可能實現(xiàn)輪胎受力的精確估計了。一些研究小組已經(jīng)提出了在車輛動態(tài)控制中觀察輪胎參數(shù)的各種方法。RAY7通過擴展卡爾曼-布西濾波（EKBF）來獲得輪胎參數(shù)。在這之后，李等人 8用 -slip 關(guān)系來估計摩擦力，即便是輪胎工作在較大的滑移率下。PASTERKAMP等人 9通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來估計輪胎的受力。在基于效果的對 max 的預(yù)測中可能用到這些方法。然而這些方法沒能考慮到由四個輪子的單個主動控制，不同的垂直負(fù)載，或在 DCS 控制下的不平路面摩擦而引起的四個輪子之間的動態(tài)差異。同時由于計算復(fù)雜這些方法只用于離線分析。RYU10使用差分全球定位系統(tǒng)（DGPS ）來估計縱向剛度。他提出了基于GPS 的輪胎側(cè)偏剛度的實時識別辦法。但在車輛動態(tài)控制中差分全球定位系統(tǒng)由于其高成本而不被使用?？紤]到車輛動態(tài)狀態(tài)估計是 DCS 控制器中的一個基本組成部分，可以通過 DCS 的控制環(huán)節(jié)或者 DCS 傳感器例如：輪速傳感器，陀螺儀傳感器，轉(zhuǎn)向角傳感器獲得車輛和輪胎的動態(tài)狀態(tài)。輪胎參數(shù)觀測器可以集成到 DCS 控制器中，從而實現(xiàn)與輪胎相關(guān)的名義控制模型的實時自適應(yīng)調(diào)整。為了構(gòu)建輪胎縱向和側(cè)偏剛度的觀測器，由四個輪子的縱向和橫向的動態(tài)及負(fù)載轉(zhuǎn)移引起的差異要在論述中進行補償?；镜囊?guī)則是：通過基于某個輪胎的打滑率的變化的縱向動態(tài)傳感機制來實現(xiàn)縱向剛度的檢測。側(cè)偏剛度則可以通過聯(lián)合勵磁支路在一個給定的轉(zhuǎn)向操縱中來實現(xiàn)檢測。車輛和輪胎的動態(tài)狀態(tài)可以通過 DCS 控制器獲得；這些相關(guān)狀態(tài)的觀測邏輯在本文中只作了簡短的描述。相關(guān)的橫向車輛和輪胎模型在第 2 節(jié)中論述。縱向剛度觀測器在第 3節(jié)中論述。側(cè)偏剛度在第 4 節(jié)中論述。最后，實車測試結(jié)果在第 5 節(jié)給出。2 車輛和輪胎模型一個七自由度的車輛動力學(xué)模型（圖 1）包括縱向，橫向，偏航運動和四個輪子的旋轉(zhuǎn)，可能反映了負(fù)荷轉(zhuǎn)移的影響以及單個輪子在主動制動控制下的 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 3 頁動態(tài)特性。該模型可以描述車輛的平面轉(zhuǎn)向的動態(tài)。這些相關(guān)的動態(tài)狀態(tài)也可以用 DCS 傳感器測量或估計。因此，該模型適合于輪胎動態(tài)觀測器。該模型的相關(guān)參數(shù)在表 1 中列出圖 1.七自由度四輪車輛模型表 1.被測車輛模型的相關(guān)參數(shù)動動力學(xué)方程可以表述如下： ()=(11+12)cos(11+12)sin+21+22,（ 1）(+)=(11+12)sin+(11+12)cos+21+22,(2) =(11+12)cos(1112)sin(21+22)(11+12)sin（3）.(1112)cos(2122)車輪的動力學(xué)方程是： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 4 頁,(4)()=() +()()在這里 i,j（i，j=1,2）代表了不同的輪子。F x 和 Fy 分別是輪胎在縱向和橫向受的力。v x 和 vy 分別代表輪胎橫向和縱向的速度。 表示車輛的偏轉(zhuǎn)率。 w代表前輪的轉(zhuǎn)角。Tw 代表車輪的制動力矩。M calhalf 表示驅(qū)動力矩，可以從引擎控制系統(tǒng)獲得。W whl 是車輪的角速度。VAN ZENTEN 根據(jù) Dugoff 輪胎模型提出了 DCS 中輪胎受力估計的邏輯，可以用輪胎動態(tài)狀態(tài)實時控制中的一個簡單的關(guān)系來描述非線性摩擦性能。并且根據(jù) Dugoff 輪胎模型中描述的關(guān)系，可以很容易的根據(jù)輪胎的縱向受力推導(dǎo)出其橫向受力。因此 Dugoff 輪胎模型是車輛動態(tài)控制系統(tǒng)中合適的輪胎模型。該模型表示如下：=1,12 11 142,12（ 5）=11tan,12 11 142tan,12 （ 6）這里 H 是綜合的滑動參數(shù)，C 和 C 分別代表輪胎的縱向剛度和側(cè)偏剛度，和 分別代表輪胎的滑移率和滑移角。3 輪胎的縱向剛度觀測器Dugoff 輪胎模型應(yīng)用在縱向剛度觀測器中。為了估計結(jié)果的精確性輪胎的受力應(yīng)該定義在輪胎道路摩擦曲線的線性區(qū)域。CARLSON 等人曾經(jīng)提出了一種輪胎縱向剛度觀測方法，在該方法中輪胎的半徑和剛度同時被估計，但前提是假設(shè)左右輪的動態(tài)是一樣的。但是在實時觀測中，輪胎的半徑可以很容易的測得，然而輪速波動和噪聲可能會因為路況的不同而有明顯的差異。所以在認(rèn)為四個輪子的半徑和輪胎的類型是一樣的情況下四個輪子的動態(tài)必須包含在觀測過程中。如果一個車輪的滑移率低于 5，則輪胎的縱向受力與滑移率的關(guān)系可以 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 5 頁表示為線性如下：= 1.(7)將驅(qū)動輪的在驅(qū)動狀態(tài)下的滑動率定義如下：= ,(8)當(dāng)車輛沿直線運動時，輪胎的縱向剛度可以逐個觀測。如果車輛運行的速度低則空氣動力學(xué)和滾動阻力的影響可以忽略不計。因此車輛在水平地面的縱向運動方程可由式（1）簡化：= 2,=1(9)假設(shè)前面輪胎的縱向輪胎剛度是相同的，則只用考慮前輪的驅(qū)動力?？v向方程是基于式（7）（9） ，可表示如下：=1 1(2)(10)這里 sign表示測量或檢測狀態(tài)。輪速傳感器可以測量車輪的轉(zhuǎn)角 u 然后令,則()=142,=1()=142,=1(), =142,() . (11)在 DCS 控制系統(tǒng)里，控制器可以在時間間隔 T通常情況下為 10 毫秒內(nèi)，通過輪速脈沖捕獲轉(zhuǎn)角運動并且計算輪速。那么，=+22 , =+22+1+22 . (12)在即時參數(shù) k 下，車速和車輛縱向加速度的錯誤可能被包含在估計值中。則 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 6 頁=+,=+,=+22 =+. (13)從式子（10）-（13），縱向的方程可以表述如下：1 11+12 (2)=+0 (11+12)(11+12)(+) (2). (14)上述方程是縱向剛度的線性觀測方法，可以用最小二乘發(fā)來計算 C 和 Rf。乘項的錯誤可表述如下：,(11+12)(11+12)(+)這往往會使參數(shù)估計出現(xiàn)偏差，為了克服這樣的錯誤 vx 只能由兩個自由的后輪推導(dǎo)出來。那么，=+， 21+222 =(21+21+22+22)2 , =21+222 =(21+21+22+22)2 .(15)由式（10） ，該方程可轉(zhuǎn)化為：= 2,=1=11 +12 =0. (16)將式（16）乘以 vx，用式（15）代替 vx 和 我們就得到：=24(+21+21+22+22)(21+21+22+22)(21+21+22+22)(11+11+12+12)=0.(17)在實際的測試中，輪胎的半徑變化較小幾乎可以看做保持不變。R r 和 R f 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 7 頁可以看做不變，以減少計算的復(fù)雜性。那么在即時參數(shù) k 下，式（17）可表述為以下方便的形式：(11,12,21,22,11,12,21,22,)=0.(18)來自 DCS 傳感器的檢測信號的錯誤，例如：輪速和縱向速度估計值，可能被視為獨立的零均值IZM 噪聲。為了使測量誤差平方后的總值最小，這個問題將轉(zhuǎn)化為利用檢測到的 IZM 噪聲來找出正確的參數(shù)。那么式（18）可表述如下：(19)11;12;21;22, . (11,12,21,22,11,12,21,22,)=0.為了降低實時控制器的計算復(fù)雜程度，觀測器可以劃分成兩個級聯(lián)的觀測器。先估計 Vx，再估計縱向剛度。初試值有一個給定的常用范圍：CminCCmax。式（19）可簡化為：(20)11;12, . (11,12,11,12,). =0觀測器可以和 DSC 控制算法集成在一塊。如果控制器得到檢測縱向剛度的命令，那么驅(qū)動程序?qū)⒈桓嬷詼睾偷募铀俸蜏p速操作驅(qū)動車輛沿直線運動。根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)向角，控制器可以判斷車輛是否在一條直線上。如果符合要求，控制器將會存儲給定時間內(nèi)的輪速，縱向速度和加速度。然后計算出 C。觀測過程可通過圖 2 說明。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 8 頁圖 2 輪胎縱向剛度觀測示意圖4 輪胎側(cè)偏剛度的檢測側(cè)偏剛度可以在自由滑行時的一個轉(zhuǎn)向操作中檢測。前輪的驅(qū)動力被視為0。如果前輪的轉(zhuǎn)角很小，那么車輛的動力學(xué)方程可由式（2）-（3）推導(dǎo)出。則只需估計前輪的側(cè)偏剛度：(+)+=(11+12)+(1211).(21)如果側(cè)偏角不超過 5 度，線性的水平輪胎力可以用 HSRI 輪胎模型來估計，并且認(rèn)為兩輪的側(cè)偏角是相等的。式（21）可進一步簡化如下：+=2.(22)我們可以定義：=.+,=,=.(23)如果用集成的方法計算側(cè)偏角，那么只要整合的時間足夠長累積得錯誤就會大幅增加。因此，用衰減系數(shù) （1）縮減錯誤。那么：. (24)=用到了復(fù)化梯形積分： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 9 頁+1 =+.(25)考慮到轉(zhuǎn)向角的測量誤差，水平加速度，偏航率以及輪速，式（22）可表示如下：=( + )+12(21+21+22+22)(+)+(+)2.+.+ 2(+)21+21+22+22=0.(26)vx 是由自由滾動的車輪的輪速信號計算得出的。如果車輛處于自由滑行時的轉(zhuǎn)向操作中，那么 vx 可以被看作側(cè)偏剛度檢測中的一個獨立參數(shù)。因此，側(cè)偏剛度檢測器是一個級聯(lián)的觀測器。首先，檢測 vy（或側(cè)偏角），然后檢測側(cè)偏剛（26）可簡化下：=( + )+(+)+(+)2.+.+(+) =0(27)加上一個即時參數(shù) k，式（27）可簡便的表述如下：(,)=0.(28)為了降低計算的復(fù)雜度圍繞輪胎剛度的的常用范圍 CminCfCmin 給出了恰當(dāng)?shù)某跏贾?。那么非線性估計方程如下：(29), . (,)=0,. 該檢測過程如圖 3 所示： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 10 頁圖 3 輪胎側(cè)偏剛度的概略圖觀測器可以和 DCS 控制算法集成在一塊。如果控制器得到檢測偏轉(zhuǎn)剛度的命令，那么驅(qū)動程序?qū)⒁砸粋€溫和的轉(zhuǎn)角驅(qū)動車輛；為了控制水平加速度，縱向速度必須適應(yīng)轉(zhuǎn)向角。這樣輪胎就能夠在水平方向上工作在線性區(qū)域內(nèi)。根據(jù)測量到的轉(zhuǎn)向角，偏航率以及水平加速度控制器就能夠判斷汽車是否以一個適應(yīng)的方式運行。如果條件滿足，該控制器將在給定的時間內(nèi)存儲這些相關(guān)數(shù)值。然后觀測器開始計算 5 在線測試受力檢測器集成在 DCS 控制器里，當(dāng)驅(qū)動程序以某一給定操作驅(qū)動車輛，就會有一個子程序來校準(zhǔn)輪胎的剛度。5.1 縱向剛度的驗證首先，在操縱過程測試中觀測輪胎的縱向剛度。讓車輛沿直線加速，加速度 ax 范圍是 03m/s 2 典型的數(shù)據(jù)集如圖 4 所示。在測試中有兩個加減速周期。DCS 傳感器測量四個輪子的轉(zhuǎn)角。然后可以通過有限差分的方法推導(dǎo)出縱向速度和加速度。接著可以利用式（20）來估計縱向剛度。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 11 頁圖 4 為觀測 Cf 設(shè)置的典型數(shù)據(jù)正如圖 5 所示，分別基于線性和非線性觀測器來估計縱向剛度。進行不同初始值得反復(fù)試驗：估計值列于表 2.非線性觀測器更為精確并且硝化數(shù)量比線性的小。輪胎的類型是米其林 MXV8-205/55R16-91V。垂直載荷約是 4120N。車輛和輪胎的參數(shù)由華晨汽車有限公司和米其林提供。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 12 頁圖 5 基于通過線性和非線性方法縱向剛度估計表 2 縱向剛度估計值5.2 側(cè)偏剛度驗證為了觀測側(cè)偏剛度，設(shè)置了如下試驗：（1）轉(zhuǎn)向角輸入是固定的，車輛繞一半徑約為 16m 的圓運行。（2）轉(zhuǎn)向角，偏航率，橫向加速度及輪速通過 DCS 傳感器測量。（3）車輛的滑動角通過式（23）和(25)估計。估計邏輯也集成在 DCS 控制器中。（4）檢測器收集典型的數(shù)據(jù)集并計算出側(cè)偏剛度。測試數(shù)據(jù)集如圖 6 所示，側(cè)偏剛度的估計如圖 7 所示。來自三項非線性觀測的估計值列于表 3。因為車輛是穩(wěn)定的并且 DCS 控制器在測試的過程中是未激活狀態(tài)，所以計算輪胎剛度的計算能力是足夠的?？刂破鞯闹餍酒怯w凌 XC2000，控制周期為 40ms?？刂破鞯挠嬎銜r間是 9ms。縱向剛度的估計過程可能在 10ms 內(nèi)完成，側(cè)偏剛度的估計過程可能在 15ms 內(nèi)完成。因此整個輪胎參數(shù)的估計過程將很容易在 DCS 實時控制器中實現(xiàn)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 13 頁圖 6 為觀測側(cè)偏剛度設(shè)置的測試數(shù)據(jù)圖 7 側(cè)偏剛度估計值表 3 側(cè)偏剛度的估計值（ w= 0.16rad） 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 14 頁6 結(jié)論（1）利用 DCS 傳感器獲得的信號和直接從 DCS 控制器獲得的一些相關(guān)的車輛動態(tài)狀態(tài)輪胎剛度參數(shù)，在提出的觀測方法中通過一個給定的校準(zhǔn)操作過程可實現(xiàn)輪胎剛度參數(shù)的估計。（2）輪胎縱向剛度和側(cè)偏剛度的計算復(fù)雜程度在實車測試中的到了驗證。結(jié)果表明該估計算法可用在實時控制器中。（3）校準(zhǔn)操縱過程很簡單，并且當(dāng)車輛在普通駕駛狀態(tài)下運行時控制器可以很容易的激活估計算法。（4）輪胎參數(shù)估計的精度并不依賴于車輛和輪胎模型。該算法可以集成在DCS 控制算法中來提高魯棒性。參考文獻：1 LI Liang，LI Hongzhi，SONG lian，et a1Road friction estimation under complicated maneuver conditions for active yaw controlJChinese Journal of Mechanical Engineering,2009，22(4) ：5145202 VAN ZANTEN A TControl aspect of Bosch-VDCCThe3rd International Symposium on Advanced Vehicle Control Aachen, Germany1 996：5736073HAITTOR1 H，KOIBUCHI K，YOKOYAMA TForce and moment contr01 with nonlinear optimum distribution for vehicle dynamicsCThe 6th International Symposium on Advanced Vehicle Control, 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 15 頁Hiroshima，Japan2002：595-6004LI Liang，SONG Jiang，WANG Huiyi，et a1Fast estimation and compensation of the tire force in real time control for vehicle dynamic stability control systemJInternational Journal of Vehicle Design，2008，48(3-4)：208-2295KIN K， RYU H，IKEDA T，et a1Enhanced vehicle stability and stecrability with VSACThe 6th International Symposium on Advanced Vehicle Control HiroshimaJapan2002：75-806TSENG H E，AsHRAFI B，MADAU DThe development of vehicle stability control、 at fordJ IEEE，ASME Transactio on Mechatronics，1999，4(3) ：223-2347RAY LAuRA RNonlinear state and tire force estimation for advanced vehicle controlJ1EEE Transaction on Control System Technology,199513r11：117-1248LEE Chankyu，HEDRjCK Karl，YI KyongsuReal-time slipbased 畢業(yè)設(shè)計文獻翻譯院 （ 系 ） 名 稱 工 學(xué) 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化學(xué) 生 姓 名 韓 利 國指 導(dǎo) 教 師 閆 存 富2012 年 03 月 10 日單位代碼 11834 學(xué)號 080105011分 類 號 TH6 密 級 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書XKA5750 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計院 （ 系 ） 名 稱 工 學(xué) 院 機 械 系 專 業(yè) 名 稱 機 械 設(shè) 計 及 自 動 化學(xué) 生 姓 名 韓 利 國 指 導(dǎo) 教 師 閆 存 富2012 年 5 月 12 日 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 I 頁XKA5750 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計摘要本文介紹了 XKA5750 立式數(shù)控銑床的一些基本情況，簡述了機床主傳動系統(tǒng)方面的原理和類型，分析了各種傳動方案的機理。XKA5750 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)包括主軸電動機、主軸傳動系統(tǒng)和主軸組件三部分。本文詳細(xì)介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程，該立式數(shù)控銑床主軸變速箱是靠齒輪進行傳動的，傳動形式采用集中式傳動，主軸變速系統(tǒng)采用多聯(lián)滑移齒輪變速。齒輪傳動具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準(zhǔn)確等優(yōu)點。文中介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)各種傳動方案優(yōu)缺點的比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計計算、主軸組件的設(shè)計、軸承的選用基潤滑、關(guān)鍵零件的校核、以及主軸電動機的控制等設(shè)計過程。關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床，主傳動系統(tǒng)，主軸組件 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 II 頁The main drive system design of XKA5750 CNC milling machineAuthor:Han LiguoTutor:Yan CunfuAbstractThis 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 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 III 頁目 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 .9 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 IV 頁5.3 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 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁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(biāo)（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(biāo)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(biāo)、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(biāo)、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(biāo)、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 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁的程序，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(yán)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(yán)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁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 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁機床的動力要求。（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 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁優(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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁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（3.1）=0.860.740.980.86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，f Z=0.05mm，a F=4mm， Cf=68mm，計算得：F c=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：（3.2）=6000式中：P c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：P c=2.2kw 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁3.1.3 主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定主軸最高轉(zhuǎn)速為 ，最低轉(zhuǎn)速為 。=4000 =403.2 計算主傳動功率 用下列方法粗略估算主電動機的功率（3.3）=式中， 為銑床主傳動系統(tǒng)總機械效率，主運動為回轉(zhuǎn)運動時， ；主運動 =0.70.8為直線運動時， 。取主傳動的總效率 ，則初選電動機功率=0.60.7 =0.7=2.20.7=3.14取 =4電動機額定轉(zhuǎn)速為；=1500額定最高轉(zhuǎn)速為 =45003.3 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 為 4kw，計算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式 :=(400040)0.35=205電動機的恒功率調(diào)速范圍: 。=45001500=3主軸恒功率調(diào)速范圍: 。 =4000205=19.5因此主軸要求的恒功率變速范圍 遠(yuǎn)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 ，則由于無級變速時=3（3.4） ，=1=故變速箱的變速極數(shù) 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁=loglog=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 又， 即 所以得 ，比=loglog 2=log19.5log =4.42大很多。=3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： =()=(34)4.42=2.71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 。有很大的改善。=()=(35.5)4.42=3.733.3.3 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(biāo)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： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁表 3.1 CBT-45P5BXB50-4 電機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)變頻器功率（kw）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）A型B型CTB-45P5BXB50-45.5 132S-41445 36.3 1.3 2.3 0.021470 5.5 7.5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 A AA AB AC AD AE AF B BB C D DH E ED F G80 125 35 165 175 140 65 160 100 130 50 19 M6*16 40 25 6 15.5 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁90S 140 37 180 195 150 65 170 100 140 56 24 M8*19 50 40 8 2090L 140 37 180 195 150 65 170 125 165 56 24 M8*19 50 40 8 20100L 160 45 200 215 165 65 190 140 180 63 28 M10*22 60 45 8 24112M 190 45 230 240 180 65 200 140 185 70 28 M10*22 60 45 8 24132S 216 50 275 275 190 65 220 140 205 89 38 M12*28 80 60 10 33表 3.3 電機外形尺寸 2機座號 H HA HB HD K KK L LA LD M N P S T80 80 10 180 215 10 M25 395 10 115 165 130 200 4*12 3.590S 90 13 200 235 10 M25 445 12 130 165 130 200 4*12 3.590L 90 13 200 235 10 M25 445 12 130 165 130 200 4*12 3.5100L 100 14 230 265 12 M32 500 12 145 215 180 250 4*15 4112M 112 14 255 290 12 M32 505 12 150 215 180 250 4*15 4132S 132 16 290 325 12 M32 575 13 180 265 230 300 4*15 43.3.4 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30/6/4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30/627/15004000rmin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 。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁I電機45010329524:.768n2.714P/kw圖 3.2 電機轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁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(biāo)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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁（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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁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(zhǔn)確的工作位置,周向和軸向要有準(zhǔn)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) 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁要求外,都必須進行軸向和周向定位,以保證其準(zhǔn)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 (4.1)T=TWT=95500000.23 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位 MPaT軸所受的扭矩，單位為 Nmm軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 3n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 mm許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa由上式可得直徑(4.2)395500000.2=03式中:0=395500000.2 =1022對于空心軸3 (14)=18 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁表 4.1 常見軸材料的 及 A0值軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr 15-25 20-35 25-45 35-45A0 149-126 135-112 126-103 112-97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 ll 0 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(rèn)為 l/l0=0.751.5 時，剛度損失不大（5%左右） 。應(yīng)該認(rèn)為在合理范圍之內(nèi)，稱之為合理跨距，合理跨距 l 合理 = 是一個區(qū)域。(0.751.5)06、 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) 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁系；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aR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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁（4.3）= 316-(-)2式中： 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。許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa。軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 。 3由機械設(shè)計手冊表 8-3 查得 為 45MPa；由機械設(shè)計課程設(shè)計手冊表 4-1（GB1059-79）可查得 ； ； 。5.0tm12b42TNgm將以上各值代入式（4-3）得： =4.7MPa 滿足強度要求。 4000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 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁對于跨距較大（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(fù)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(fù)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(fù)荷可分為旋轉(zhuǎn)負(fù)荷、靜止負(fù)荷或不定向負(fù)荷。承受旋轉(zhuǎn)負(fù)荷及不定向負(fù)荷的套圈應(yīng)取靜配合（過盈配合），承受靜止負(fù)荷的套圈，可取過渡配合或動配合（游隙配合）。軸承負(fù)荷大或承受振動、沖擊負(fù)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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁非分離型軸承（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。