微型雕刻機(jī)總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)

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畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書微型雕刻機(jī)總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)摘 要 ： 隨 著 微 電 子 技 術(shù) 和 微 型 計(jì) 算 機(jī) 的 飛 速 發(fā) 展 ， 微 型 雕 刻 機(jī) 的 應(yīng) 用 越 來(lái) 越 廣 泛 。機(jī)電一體化廣泛地綜合了機(jī)械、微電子、自動(dòng)控制、信息、傳感測(cè)試、電力電子、接口、信號(hào)變換和軟件編程等技術(shù)，并將這些技術(shù)有機(jī)的結(jié)合成一體，它是當(dāng)今世界機(jī)械 工 業(yè) 技 術(shù) 和 產(chǎn) 品 發(fā) 展 的 主 要 趨 勢(shì) 。 本 文 調(diào) 查 研 究 了 雕 刻 機(jī) 的 發(fā) 展 ， 介 紹 臺(tái) 式 數(shù) 控 龍 門 雕 刻 機(jī) X 的 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 ， 包 括機(jī) 床 總 體 方 案 設(shè) 計(jì) 、 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 和 X 向 進(jìn) 給 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 。 X 向 進(jìn)給 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 中 主 要 分 析 了 絲 杠 的 安 裝 ， 以 及 相 關(guān) 固 定 和 支 承 。 計(jì) 算 主 要 有 兩 個(gè) 方面 ： 對(duì) 滾 珠 絲 杠 和 X 軸 電 機(jī) 的 選 擇 計(jì) 算 和 校 核 。 此 外 ， 我 還 進(jìn) 行 了 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 選擇 ， 數(shù) 控 系 統(tǒng) 是 機(jī) 床 自 動(dòng) 化 的 重 要 組 成 部 分 ,其 性 能 直 接 影 響 到 加 工 的 精 度 、 效 率 及生 產(chǎn) 企 業(yè) 的 效 益 。 本 文 詳 細(xì) 介 紹 了 數(shù) 控 系 統(tǒng) 及 驅(qū) 動(dòng) 單 元 的 原 理 及 其 優(yōu) 缺 點(diǎn),如 何 選 擇性 價(jià) 比 最 好 、 最 合 適 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 及 驅(qū) 動(dòng) 單 元 。本課題是在參考現(xiàn)有雕刻機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)尺寸比較簡(jiǎn)單的數(shù)控雕刻機(jī)，適用性比較大的工藝品的雕刻加工。關(guān) 鍵 字 ： 雕 刻 機(jī) ， 數(shù) 控 系 統(tǒng) ， 機(jī) 電 一 體 化 ， X 軸 ， 插 補(bǔ) 法鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20112Miniature engraving machine overall and selection design of CNC systemAbstract：Along with the development of micro-electronics technology and microcomputer technology，miniature engraving machine will be widely used. These technologies are widely used in Mechatronics, including mechanism, microelectronics，autocontrol, information, sensor and test,power and electron, interface, signal transform, software program. On the other hand, mechatronics maked these technologies integrated closely. It is the primary trend of the development of mechanical industrial technology and products in the world nowadays. The development of the CNC engraving machine and the meaning of the electric spindle to the NC machine was investigated about this thesis. The process of design for the X axle in Desk-work CNC engraving and milling machine was introduced, including the design project of the machine, the design of the mechanical structures of the feeding mechanism of X axis. In the section of the feeding machine of X axis , the assembly of the straight guide-way and the bearing of the ball screw and so forth was presented .The calculation mainly includes two aspects: choosing and verifying the servo-motor of X axis. At last,In addition, I also had the choice of numerical control system CNC system is an important component of machine tool automation,and the capacity directly affected the machining accuracy,efficiency and the benefit of the production enterprise.The principle and advantage/disadvantage of CNC system and driver unit were introduced.How to select the highest price ratio and most appropriate CNC system and driver unit was also described.This topic is based on the existing engraving machine to design a CNC engraving machines with a simple size, which adapted to the relatively large carving handicraft processing.Keywords: Engraving plotter, numerical control system, mechatronics, X axis，and interpolation arithmetic.鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20113目錄1 引言 11.1 雕刻機(jī)概述 11. 1. 1 雕刻機(jī)起源 11.2 數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 11.2.1 數(shù)控雕刻機(jī) 11.2.2 研制雕刻機(jī)的目的和意義 21.2.3 數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn) 21.2.4 數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 21.2.5 我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 31.2.6 主要設(shè)計(jì)任務(wù)32 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) .42.1 雕刻機(jī)的工作原理 42.2 整體結(jié)構(gòu) 42.2.1 雕刻機(jī)總體布局的基本要求 42.2.2 影響雕刻機(jī)布局的基本因素 .62.2.3 坐標(biāo)系的確定 .62.2.4 三維雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 62.3 進(jìn)給系統(tǒng) 72.5 典型零件工藝分析 .103 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 123.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 123.2 切削力、切削扭矩和切削功率計(jì)算 12鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201143.2.1 銑削力、扭矩和功率的計(jì)算 .133.2.2 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 .143.3 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 153.3.1 主軸組件.153.3.2 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成. 163.3.3 主軸電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 163.4 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .173.4.1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 173.4.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 .173.4.3 工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .213.4.4 工作臺(tái)直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算 224 數(shù)控系統(tǒng)的選用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.1 NC 選型 234.2 插補(bǔ)法 364.3 控制程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 總結(jié) 41參考文獻(xiàn) 42致 謝 43附 錄 44鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201151.引言1.1 雕刻機(jī)概述1. 1. 1 雕刻機(jī)起源 雕刻可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期，母系氏族時(shí)期的半坡氏族的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國(guó)北宋時(shí)期便發(fā)明了活字印刷， 《夢(mèng)溪筆談》有記:“其法用膠泥刻字，薄為錢唇，每字為一印，火燒令堅(jiān)··一” 。這里的刻字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)的雕刻藝術(shù)日益精深，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可堪稱一絕。上世紀(jì) 90 年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)，刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)銘牌，可謂雕刻的使用范圍無(wú)處不在。雕刻機(jī)(Engraving Plotter)，顧名思義就是用機(jī)器代替人工進(jìn)行雕刻的設(shè)備。1938 年世界第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國(guó)“嘉寶”問(wèn)世，1950 年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺(tái)真正意義的電動(dòng)、可縮放比例的手動(dòng)雕刻機(jī)。隨后美國(guó)、日本和法國(guó)等國(guó)也開始研制。20 世紀(jì) 90 年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動(dòng)微型計(jì)算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動(dòng)整個(gè)高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從 2D-2.5D-3D 加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價(jià)格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。1.2 數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 數(shù)控雕刻機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)是數(shù)控技術(shù)和雕刻工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專用的數(shù)控機(jī)床。與通用數(shù)控機(jī)床類似，數(shù)控雕刻機(jī)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)雕刻加工的自動(dòng)化。較傳統(tǒng)的手工雕刻、仿形雕刻，數(shù)控雕刻具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、成品率高、對(duì)零件的適應(yīng)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì);同時(shí)，借助于專用的雕刻 CAD/CAM 軟件系統(tǒng)，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，數(shù)控雕刻機(jī)現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)雕刻加工自動(dòng)化、高效率、高精度的有效手段，也是當(dāng)今雕刻機(jī)的發(fā)展主鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20112流，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、廣告?zhèn)髅健⑷粘ＯM(fèi)以及建筑裝演等眾多領(lǐng)域。對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，數(shù)控雕刻機(jī)可分為模具雕刻機(jī)、木工雕刻機(jī)、廣告雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等多種類型。它們的加工性能要求出入很大，對(duì)機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的要求也各不相同。如模具雕刻機(jī)的加工材料為金屬，所以對(duì)機(jī)床本體的剛性要求較高，而且其加工對(duì)象是模具，所以對(duì)加工系統(tǒng)的精度要求高;而廣告機(jī)加工的是一般是塑膠板或有機(jī)玻璃等非金屬材料，所以對(duì)機(jī)床剛性和加工系統(tǒng)的精度都沒有很高要求。但各類雕刻機(jī)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，也是數(shù)控雕刻機(jī)與普通數(shù)控機(jī)床的一個(gè)顯著區(qū)別，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有效成形面積小，所以零件雕刻的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡很長(zhǎng)，加工時(shí)間往往也較長(zhǎng)。因此，提高雕刻機(jī)的刀具運(yùn)動(dòng)速度對(duì)縮短零件雕刻時(shí)間、提高加工效率具有特別重要的意義。按照伺服驅(qū)動(dòng)控制的類型不同，數(shù)控雕刻機(jī)又可以分為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)屬于開環(huán)控制，控制精度較低，但價(jià)格便宜，適用于對(duì)加工要求不高的中低檔雕刻機(jī)，如木工、廣告業(yè)的雕刻加工。伺服驅(qū)動(dòng)控制精度高，但價(jià)格較貴，主要用于模具加工等高精度雕刻機(jī)。此外，還可根據(jù)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機(jī)分為三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)、五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)等。三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以控制三個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工;五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以聯(lián)動(dòng)控制 X，Y，Z 三個(gè)移動(dòng)軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，用來(lái)完成復(fù)雜形狀零件的雕刻加工。1.2.2 研制雕刻機(jī)的目的和意義機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來(lái)，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來(lái)了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是我國(guó)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。1.2.3 數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn)數(shù)控雕刻機(jī)的主要特點(diǎn)如下:1、自動(dòng)化程度高。具體的雕刻過(guò)程都是數(shù)控雕刻機(jī)自動(dòng)完成的。2、產(chǎn)品的尺寸精度高，一致性好。數(shù)控雕刻過(guò)程是由計(jì)算機(jī)控制完成，可以達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量:批量加工時(shí)，產(chǎn)品的一致性好，這對(duì)于小模具行業(yè)十分重要。3、拓展了雕刻領(lǐng)域。只需改變控制程序，數(shù)控雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕、各種復(fù)雜的曲面，支持各種刀具，改善了雕刻表面質(zhì)量，提高了雕刻效率。4、數(shù)控雕刻機(jī)都有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊、加工小模具，性價(jià)比高。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201131.2.4 數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，舉例如下:1、廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類雙色板標(biāo)牌、有機(jī)玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎(jiǎng)?wù)?、有機(jī)板浮雕、立體門頭字等。2、模型制作業(yè)，制作沙盤模型、房屋模型等。3、模具制作業(yè)，雕刻紐扣浮雕模、印刷燙金模，注塑模、沖壓模、鞋模等。4、木器業(yè)，用于浮雕圖案設(shè)計(jì)及制作。5、印刷電路板(PCB)新產(chǎn)品開發(fā)中的電路制作，鉆孔、銑槽等。6、印章業(yè)，各類字體各類材料的印章雕刻。7、電火花加工機(jī)床電極雕刻加工。8、機(jī)械加工業(yè)，刻度盤字輪及標(biāo)尺刻度。9、汽車工業(yè)、輪胎模具，車燈模具及裝飾品模具加工。而且，隨著各種新型裝飾材料的不斷出現(xiàn)，能用于雕刻的材料越來(lái)越多，使得計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)有了更大的用武之地。因此，計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。1.2.5 我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著近年來(lái)我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)機(jī)遇有效地促進(jìn)了我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國(guó)的數(shù)控雕刻機(jī)起步經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，己形成了多個(gè)國(guó)品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機(jī)、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類型雕刻機(jī)機(jī)床本體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制器大多借鑒國(guó)外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制或 PC 的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)為主，可獲得中等控制精度，但價(jià)格比較便宜，因此整機(jī)的性價(jià)比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)高精度的雕刻加工，目前我國(guó)尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛高度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性，但價(jià)格昂貴往往倍于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場(chǎng)合。1.2.6 主要任務(wù)設(shè)計(jì)一臺(tái)微型雕刻機(jī)，用于工程應(yīng)用，雕刻機(jī)具有三個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)。其主要內(nèi)容有：1. 設(shè)計(jì)微型雕刻機(jī)的總體方案。根據(jù)雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)，主要包括雕刻機(jī)主軸的傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；2. 雕刻機(jī)零件的工藝分析；3. 繪制雕刻機(jī)的零件圖；4. 數(shù)控系統(tǒng)選用及控制設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)有一下幾方面：1. 課題來(lái)源：工程實(shí)踐；2. 產(chǎn)品名稱：微型雕刻機(jī)；3. 批量：一臺(tái)；4. 雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)定位精度±0.01mm；5．工作環(huán)境-10 oC~50 oC；6. 電氣控制部分的設(shè)計(jì)按相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；7. 數(shù)控系統(tǒng)推薦選用市場(chǎng)上比較成熟的產(chǎn)品，能與設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)巧妙結(jié)合。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201142. 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1 雕刻機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)實(shí)際是一個(gè)三維數(shù)控系統(tǒng)，其工作原理如圖所示圖 2.1 數(shù)控雕刻機(jī)工作原理通用微型計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝專用的設(shè)計(jì)排版軟件進(jìn)行圖形、文字的設(shè)計(jì)、排版，自動(dòng)生成加工路徑信息，通過(guò) USB 接口或其他數(shù)據(jù)傳輸接口將刀具路徑數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)接收刀具路徑數(shù)據(jù)，完成顯示、和用戶交互等一系列功能后，用特定的算法將輸入的路徑信息轉(zhuǎn)化為數(shù)控信息，控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的信號(hào)(脈沖串)，控制雕刻機(jī) X，Y，Z 三軸的走刀。同時(shí)，進(jìn)行銑削，即可雕刻出在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的各種平面或立體的圖形文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化加工。2.2 整體結(jié)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對(duì)雕刻機(jī)的加工過(guò)程、刻字效果等有著重要的影響。下面對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。2.2.1 雕刻機(jī)總體布局的基本要求雕刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn):1、首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等等各種要求;鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201152、確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率;3、確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；4、應(yīng)便于觀察加工過(guò)程，便于操作、調(diào)整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理，注意防護(hù)，確保安全；5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，合理可靠，便于加工和裝配。2.2.2 影響雕刻機(jī)布局的基本因素在滿足總體布局的基本要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)考慮影響雕刻機(jī)布局的基本因素: 1、表面形成運(yùn)動(dòng)的影響不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來(lái)加工，從而表面形成運(yùn)動(dòng)的形式和數(shù)目就不同，并導(dǎo)致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術(shù)要求和生產(chǎn)率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成運(yùn)動(dòng)來(lái)加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運(yùn)動(dòng)直接決定了雕刻機(jī)布局的形式，是影響雕刻機(jī)布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機(jī)時(shí)，必須根據(jù)加工要求，全面、綜合地考慮工件的表面形成方法及運(yùn)動(dòng)，以期作出具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的布局設(shè)計(jì)。2、雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配的影響工件表面形成方法及運(yùn)動(dòng)相同，而雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)不同。對(duì)于同一種運(yùn)動(dòng)分配的布局，由于導(dǎo)軌的布置和其它結(jié)構(gòu)形式的不同，也將使雕刻機(jī)的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn):1) 移動(dòng)部件的重量應(yīng)盡量輕。在其它條件相同的情況下，移動(dòng)部件的重量越小，所需電機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸也越小;2) 應(yīng)有利于提高加工精度;3）應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)剛度，縮小占地面積;4）工件的尺寸重量和形狀的影響;工件的表面形成運(yùn)動(dòng)及雕刻機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)分配基本相同，而工件尺寸、重量和形狀不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)有很大差異。另外，還應(yīng)考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動(dòng)、噪聲、熱變形、剛度和抗振性，操縱方便形的影響，模塊化設(shè)計(jì)法的影響等。通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，雕刻機(jī)基本布局形式通常有下圖所示的兩種方案：圖 2.2 雕刻機(jī)的布局簡(jiǎn)圖鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20116圖 2.2 雕刻機(jī)的布局形式這兩種布局都采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，雕刻機(jī)的剛度均較高。布局(1)方案中，工作臺(tái)固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，立柱作縱向移動(dòng)。該方案便于變形為不同縱向長(zhǎng)度的雕刻機(jī)。由于工作臺(tái)不動(dòng)，承載能力好，適合加工較重的工件。在使用外伸支架支撐縱向長(zhǎng)工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便。但雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較難保證且立柱移動(dòng)較笨重。布局(2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，工作臺(tái)作縱向移動(dòng)。由于工作臺(tái)移動(dòng)，承載能力較布局(1)方案差。若設(shè)計(jì)所承載的工件較輕，這種布局方式所需電動(dòng)機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸較小，移動(dòng)較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長(zhǎng)工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)較布局(1)方案略顯復(fù)雜。該方案的最大優(yōu)勢(shì)在于雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較易保證。經(jīng)以上比較，充分考慮到布局的基本要求、影響布局的基本因素及三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可采用布局(2)的方案。2.2.3 坐標(biāo)系的確定雕刻機(jī)的坐標(biāo)系采用右手法則，直角卡笛兒坐標(biāo)系統(tǒng)?；咀鴺?biāo)軸為 X 、Y 、Z 直角坐標(biāo)，對(duì)相應(yīng)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符號(hào)為 A 、B 、C ，如圖 2. 3 所示。Z 軸為平行于雕刻機(jī)主軸的坐標(biāo)軸，垂直于工件裝夾面。圖 2.3圖 2.3 右 手 坐 標(biāo) 系 統(tǒng)2.2.4 三維雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)該三維雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)，由以下幾部分組成:1、底座部分鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20117作為整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個(gè)機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)固。底座由底下的四只支腳與地面接觸;2、工作臺(tái)部分工作臺(tái)部分由工作臺(tái)，y 方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。工作臺(tái)作為雕刻工作時(shí)承載雕刻物體的部件，表面有 T 形溝槽，由絲杠驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌導(dǎo)向:3、橫梁部分橫梁由 x 方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，驅(qū)動(dòng)機(jī)頭動(dòng)，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動(dòng)仿真中是重要的分析對(duì)象:4、機(jī)頭部分機(jī)頭部分由主軸組件，Z 方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。絲杠驅(qū)動(dòng)主軸組的上下運(yùn)動(dòng)，主軸組件在加工過(guò)程中直接帶動(dòng)雕刻頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。下面從雕刻機(jī)的功能角度，介紹一下各部分的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì):2.3 進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的區(qū)別，它能根據(jù)指令信號(hào)精確的控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度和位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。下面介紹一下雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式如下:工作臺(tái)帶動(dòng)工件做 y 方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭沿 x 方向橫梁做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，雕刻頭在直流電機(jī)的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，并在 Z 方向做上下運(yùn)動(dòng)。刀具和工件的運(yùn)動(dòng)的合成就可以得到文字和圖案的輪廓。1.機(jī)頭沿 x 方向的絲杠左右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻寬度;如下圖所示圖 2.4 雕刻機(jī) X 方向進(jìn)給圖2.工作臺(tái)沿 y 方向的絲杠前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻長(zhǎng)度,如下圖所示：鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20118圖 2.5 雕刻機(jī) Y 方向的進(jìn)給圖3.機(jī)頭沿 Z 向的絲杠上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻深度。各個(gè)傳動(dòng)鏈中均采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副，保證了運(yùn)動(dòng)的傳遞平穩(wěn)和結(jié)構(gòu)緊湊。絲杠一端通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)軸相聯(lián)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。另一端采用軸承為支承。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，即角位移的大小。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在很寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。它具有以下特點(diǎn):1、位置控制功能可預(yù)先發(fā)出具體的脈沖數(shù)量，從而得到需要輸出的角度。2、無(wú)極調(diào)速功能可根據(jù)發(fā)送脈沖的速度，得到需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3、正/反，急停及鎖定功能通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的高低電平控制，得到正/反旋轉(zhuǎn)的效果，在電機(jī)鎖定情況下 （電機(jī)繞組中存在電流，外部沒有要求旋轉(zhuǎn)的電脈沖)，仍有靜止力矩的輸出。4、低轉(zhuǎn)速及高精度位置功能通過(guò)對(duì)脈沖速度的控制，可直接得到極低的轉(zhuǎn)速而不需要通過(guò)齒輪箱的過(guò)渡，從而避免了功率的損耗和角度位置的偏差。5、長(zhǎng)壽命不需要象普通的直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)電刷和換相器換相，從而減少了摩擦，增長(zhǎng)了壽命。如圖 2.6 所示鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20119圖 2.6 絲杠與電機(jī)軸的連接剛性聯(lián)軸器用于絲桿與電機(jī)的聯(lián)接，可提高兩軸頭連接的固定精度，如圖 2.6所示。它的特點(diǎn)有:1、可用于小型、瞬間慣量小和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合;2、安裝后無(wú)反作用力，而且維護(hù)簡(jiǎn)單;3、提高絲杠的強(qiáng)度時(shí)，跳動(dòng)不會(huì)受到影響;4、依靠鎖緊螺栓施加的摩擦緊固，無(wú)需鍵;6、在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可保持平穩(wěn)。導(dǎo)軌的主要功能是導(dǎo)向和承載作用。導(dǎo)軌使運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而保證各部件的相對(duì)位置和相對(duì)位置精度。導(dǎo)軌承受運(yùn)動(dòng)部件及工件的重量及切削力，在很大程度上決定數(shù)控機(jī)床的剛度、精度與精度保持性。雕刻機(jī)的 x 向和 y 向絲杠兩側(cè)各采用一對(duì)圓柱形導(dǎo)軌作為導(dǎo)向件，另外可以分擔(dān)絲杠所承受的機(jī)頭和工作臺(tái)的重量。圓柱形導(dǎo)軌加工容易，導(dǎo)向精度高，可滿足定位精度的要求。Z 絲杠不承受徑向載荷，為保證精度，采用兩根導(dǎo)軌導(dǎo)向。Z 的固定依靠步進(jìn)電機(jī)的自鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圓形導(dǎo)軌兩端通過(guò)螺釘固定在絲杠支架上，并與導(dǎo)軌套形成移動(dòng)副。如圖 2.7所示鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201110圖 2.7 絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式各個(gè)傳動(dòng)鏈上的絲杠螺母與不同零件以螺釘固定連接，通過(guò)與絲杠的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng):1、與工作臺(tái)固定連接，相對(duì)于 y 向絲杠運(yùn)動(dòng)向絲杠運(yùn)動(dòng)向支架固定連接；2、與機(jī)頭向絲杠運(yùn)動(dòng)；3、與機(jī)頭 向支架固定連接，相對(duì)于 Z 向絲杠移動(dòng)。2.4 典型零件工藝分析2.4.1 滾珠絲杠工藝分析：（1）零件材料：GCR15。合金含量較少，具有良好的性能，它為應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng) 過(guò) 淬 火 加 回 火 后 具 有 較 高 的 硬 度 、 均 勻 的 組 織 、 良 好 的 耐 磨 性 、高 的 接 觸 疲 勞 性 能 。 該 鋼 冷 加 工 塑 性 中 等 ， 切 削 性 能 一 般 ， 焊 接性能差，對(duì)形成白點(diǎn)敏感性能大，有回火脆性。實(shí)際就是 Cr15。（2）零件組成表面：兩端面，外圓附有滾珠，外身為單線螺紋，無(wú)鍵槽，無(wú)倒角。（3）主要表面分析：Ф16 外圓表面主要用于傳動(dòng)件，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所需的直線運(yùn)動(dòng)，具有相當(dāng)?shù)木取?（4）主要技術(shù)條件：Ф16 外圓精度要求：IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端螺紋應(yīng)與之保持基本的同軸關(guān)系，鍵槽亦與之對(duì)稱。 （5）零件總體特點(diǎn)：長(zhǎng)徑比達(dá) 18，為較典型的細(xì)長(zhǎng)軸。2.4.2 T 型臺(tái)工藝分析：（1）零件材料：45 鋼。切削加工性良好，無(wú)特殊加工問(wèn)題，故加工中不需采取特殊工藝措施。 刀具材料選擇范圍較大，高速鋼或 YT 類硬質(zhì)合金均能勝任。刀具幾何參數(shù)可根據(jù)不同刀具類型 通過(guò)相關(guān)表格查取。（2）零件組成表面：長(zhǎng)方形表面（長(zhǎng) 300mm，寬 340mm） ，厚 20mm，有 T形凹槽。（3）主要表面分析： 外表面主要用于支承以及夾持工件，具有相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?（4）主要技術(shù)條件： 外表面精度要求：IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端平面應(yīng)與之保持基本的平面關(guān)系，鍵槽亦與之對(duì)稱。 （5）零件總體特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，定位能力非常強(qiáng)。2.4.3 三軸滑塊工藝分析：鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201111（1）零件材料：鋁合金。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一類有色結(jié)構(gòu)金屬材料。純鋁的密度?。é?2.7g/cm3） ，大約是鐵的 1/3，熔點(diǎn)低（660℃） ，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%） ，易于加工，可制成各種型材、板材。（2）零件組成表面：軸套類零件，表面是光滑的空孔，用于支持導(dǎo)軌。（3）主要表面分析： 內(nèi)表面主要用于支承以及夾持工件，具有相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?（4）主要技術(shù)條件： 外表面精度要求：IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端平面應(yīng)與之保持基本的平面關(guān)系，空孔亦與之對(duì)稱。 （5）零件總體特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)中與機(jī)架用移動(dòng)副相連又與其他運(yùn)動(dòng)構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的構(gòu)件。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2011123. 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本章詳細(xì)介紹了微型三維機(jī)械雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要零部件，如主軸電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件和支承部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算及選型過(guò)程。3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定由課題所給的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合微型三維機(jī)械雕刻機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，初步確定該雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要參數(shù)，如表 3.1 所示。表 3.1 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 參 數(shù) 表 項(xiàng)目 參數(shù) 單位主軸最高轉(zhuǎn)速 n=20000 r/min最大進(jìn)給速度 360fv?mm/min工作臺(tái)總行程(Y) 235 mm主軸總行程(X) 220 mm主軸總行程(Z) 102 mm定位精度 ±0.01 mm脈沖當(dāng)量 0.01 mm使用壽命 20hL?hrs3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計(jì)算三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)械雕刻機(jī)的加工對(duì)象主要是針對(duì)非金屬材料和鋁合金材料的雕刻加工。這些材料具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性。用硬質(zhì)合金直柄立銑刀（）和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)直柄麻花鉆（ ）在鋁板上進(jìn)行銑削和鉆削，06,2dmz? 03dm?分別進(jìn)行切削力、切削扭矩和切削功率的計(jì)算。根據(jù)三維機(jī)械雕刻機(jī)的加工范圍和使用功能及在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不同的切削方式所使用時(shí)間的分配，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，大致可將切削方式分為強(qiáng)力切削（切）、一般切削（雕）、精細(xì)切削（刻）和快速進(jìn)給。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2011133.2.1 銑削力、扭矩和功率的計(jì)算通過(guò)查閱王先逵主編的《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》，得到表 3.2 左側(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式，代入已知參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到僅與切削深度 、進(jìn)給速度 和銑刀轉(zhuǎn)速 n 有關(guān)pafv的計(jì)算公式填入表 3.2 右側(cè)。表 3.2 銑 削 力 、 扭 矩 和 功 率 計(jì) 算 公 式 的 簡(jiǎn) 化計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì) 算 結(jié) 果銑削力： 0F()FZxyupfwFqCzzkNadn?? 0.75.6242.()zpfFavnN???銑削扭矩： z0m2M???????? zM3.0m??????（ ）銑削功率： Zm4FvpkW610????? 7mZp.14FnkW???（ ）其中： 銑削寬C,,.75,0.8,.3,0.,.25 FFFFXYUqK? ?。度 ，銑削深度 ,進(jìn)給速度 ，銑削速度a()wa()p (/in)ffvaz， —— 銑刀外徑((mm), —— 每齒進(jìn)給量(mm/z)， z —— 銑0/(/invdn??0df刀齒數(shù)，n——銑刀轉(zhuǎn)速(r /min) 。將切削深度 、進(jìn)給速度 和銑刀轉(zhuǎn)速 n 的變量代入分別計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果，如表 3.3 所示。pfv表 3.3 銑 削 力 、 扭 矩 和 功 率 的 計(jì) 算參 數(shù) 計(jì)算結(jié)果切削方式工作時(shí)間百分比 t %pafvn絲 ZFMmP強(qiáng)力切削 10% 2.5 120 9000 30 13.70 0.041 0.039一般切削 30% 1 1200 15000 300 22.45 0.043 0.106精細(xì)切削 50% 0.5 2400 20000 600 15.80 0.0475 0.0992鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201114快速進(jìn)給 10% — 3600 — 900 0 0 0其中： —絲杠轉(zhuǎn)速， ，預(yù)選絲杠導(dǎo)程n絲 f/(min)hnvPr?絲 4()hPm?—銑削深度（mm）， —進(jìn)給速度（mm/min），n—銑刀轉(zhuǎn)速（r/min），pafV—銑削力（N），M—銑削扭矩（Nm）， —銑削功率（kW）。zF3.2.2 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整說(shuō)明書和設(shè)計(jì)圖紙等.請(qǐng)聯(lián)系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！該論文已經(jīng)通過(guò)答辯表 3.5 鉆 削 力 、 扭 矩 和 功 率 的 計(jì) 算參 數(shù) 計(jì) 算 結(jié) 果切削方式工作時(shí)間百分比t%fvn絲 zFM mP強(qiáng)力切 削 10% 300 9000 75 41.61 0.045 —一般切削 30% 480 15000 120 40.44 0.044 —精細(xì)切削 50% 600 20000 150 38.65 0.042 —快速進(jìn)給 10% 900 — 225 0 0 0其中： —絲杠轉(zhuǎn)速， ，預(yù)選絲杠導(dǎo)程 ， —進(jìn)給速n絲 f/(min)hnvPr?絲 4()hPm?fv度(mm/min), —鉆削轉(zhuǎn)速(r/min), —鉆削力(N), M—鉆削扭矩(Nm), —鉆削功zF率(kW)。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2011153.3 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 主軸組件主軸組件是雕刻機(jī)的執(zhí)行件。它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成形運(yùn)動(dòng)。主軸組件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件等組成，要求良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。雕刻機(jī)的主軸部分固定在 Z 向絲杠的支架上，采用電主軸高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具的切削運(yùn)動(dòng)。自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，數(shù)控機(jī)床、加工中心主軸向高速化發(fā)展。高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)得到極大的簡(jiǎn)化，取消了帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的“零傳動(dòng)” ，這種結(jié)構(gòu)稱為電主軸。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，可獲得極高的回轉(zhuǎn)速度，振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中獲得了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。本雕刻機(jī)由于主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到 20000r／min,所以應(yīng)用電主軸。本節(jié)主要設(shè)計(jì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的電主軸，以確定它們的型號(hào)和參數(shù)。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動(dòng)的要求外，還提出以下要求：1.具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，并充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對(duì)于自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床，工序集中，共建一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種國(guó)內(nèi)工序和各種加工材質(zhì)的要求，住運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。2.具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。3.良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)行粗加工又要進(jìn)行精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平衡以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗燥度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，是加工無(wú)法順利進(jìn)行。 因此在主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的靜剛度，而且具有足夠的抑制各種干擾力引起的動(dòng)的能力——抗振性?？拐裥杂脛?dòng)剛度或動(dòng)柔性度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度、阻尼比及固有頻率等參數(shù)。機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低了傳動(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此要求主軸不見具有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)保持合適的配合間隙，并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2011163.3.2 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成電 機(jī) 直 接 驅(qū) 動(dòng) 主 軸 是 精 密 機(jī) 床 、 高 速 加 工 中 心 和 數(shù) 控 車 床 常 用 的 一 種 驅(qū) 動(dòng) 形 式 。如 平 面 磨 床 的 砂 輪 主 軸 ， 高 速 內(nèi) 圓 磨 床 的 磨 頭 。 轉(zhuǎn) 速 小 于 3000r／ min的 主 軸 ， 采 用 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 軸 通 過(guò) 聯(lián) 合 器 直 接 驅(qū) 動(dòng) 主 軸 ， 機(jī) 床 可 通 過(guò) 改 變 電 動(dòng) 機(jī) 磁極 對(duì) 數(shù) 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 變 速 ； 轉(zhuǎn) 速 小 于 8000r／ min 的 主 軸 ， 可 采 用 變 頻 調(diào) 速 電 動(dòng) 機(jī) 直 接驅(qū) 動(dòng) ； 高 速 主 軸 ， 可 將 電 動(dòng) 機(jī) 與 主 軸 做 成 一 體 ， 即 內(nèi) 裝 電 動(dòng) 機(jī) 主 軸 ， 轉(zhuǎn) 子 軸 就 是主 軸 ， 所 以 本 雕 刻 機(jī) 應(yīng) 選 用 電 主 軸 ，3.3.3 主軸電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)前面兩節(jié)的計(jì)算結(jié)果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動(dòng)效率，主軸電動(dòng)機(jī)所需的扭矩、功率和轉(zhuǎn)速計(jì)算過(guò)程如表 3.6 所示。表 3.6 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算序號(hào) 計(jì)算項(xiàng) 目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果1 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 0MNm??0iMiAX?查表 3.3 和表3.5，取 i=2 取較大值得到：M0 ≥ 0.095 取整額定轉(zhuǎn)矩 0.1eM?2 功率計(jì)算 0PkW??0iPAX?查表 3.3 和表 3.5,取大值得到取整0.16額定功率 0.12eP?根 據(jù) 上 述 所 算 功 率 可 選 擇 安 陽(yáng) 華 安 通 用 主 軸 科 技 有 限 公 司 生 產(chǎn) 的 型 號(hào) 為DD58Z24/0.8 的電主軸。如下表所示：表 3.7 電主軸選型鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201117轉(zhuǎn)速 電機(jī) 外型尺寸 軸承型號(hào)主軸型號(hào)Speed Motor Dimensdions(mm)潤(rùn)滑SDpingdle type(r/min)KW V A H2 D D1軸端連接LL1 L2 LubBearingSD typeDD58Z24/0.824000 0.82202.3 400 58 44 ER11 67 23 18 油脂前B7002C/P4后6001C/P53.4 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)部分：主軸的上下移動(dòng)，主軸的左右移動(dòng)和工作臺(tái)的前后移動(dòng)。它們的設(shè)計(jì)沒有什么很大的區(qū)別，因此可以通過(guò)對(duì)其中一個(gè)方向上的設(shè)計(jì)來(lái)勾勒出我們?cè)谝苿?dòng)部分的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在以工作臺(tái)部件為例，著重設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈中進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，同步帶和帶輪，滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，以確定它們的規(guī)格型號(hào)及參數(shù)，來(lái)滿足在機(jī)械加工過(guò)程中的各種切削加工要求。3.4.1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成從前面所述，我們知道步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和滾珠絲杠連接，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為部件的移動(dòng).3.4.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算參閱徐灝主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四冊(cè)和李鶴軒主編的《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》以雕刻機(jī)進(jìn)行銑槽加工時(shí)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，過(guò)程如表 3.8 所示。表 3.8 工 作 臺(tái) 滾 珠 絲 杠 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算序號(hào) 計(jì)算項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果1 確定滾珠絲杠導(dǎo)程 hPmm 電動(dòng)機(jī)與絲杠 1:1 傳動(dòng) hP4?2 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速 mnr/min nm =（ nmax+nmin）/2 450鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2011183 預(yù)期額定動(dòng)載荷amCN (1)按預(yù)期工作時(shí)間估算 3mwamhacFfC60nL1?查表 9,輕微沖擊 .查表 7,按 7 級(jí) af8查表 8,可靠性 97% c0.4查表 3.1 得， 2hL?(2)擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載 計(jì)算：maxFaeCf查表 10，輕預(yù)載 ef6.7?其中經(jīng)過(guò)計(jì)算 （當(dāng)量轉(zhuǎn)速） ，mn我選擇了 450 r/min， （當(dāng)量F載荷） ，經(jīng)計(jì)算選擇 92 N。(1) amC2760?(2) amC653?取兩種結(jié)果的大值 a2704(1)(2)確定允許的最小螺紋底徑估算允許得最大軸向變形量估算最小螺紋底徑m?2md?mm1~345m????????重 復(fù) 定 位 精 度定 位 精 度020.78L()mmFLdFgw?????????h臺(tái) 夾 件采 用 一 端 固 定 ， 一 端 游 動(dòng)1.5行 程 +)P其中 導(dǎo)軌靜摩擦力 =0.2062mm????取 兩 種 結(jié) 果的 小 值取 =1.20236.1mLFd?5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)(1)選取內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒型墊片預(yù)緊螺母(2)由計(jì)算出的 2,hamPCd在樣本中選取滾珠絲杠副FFZDFFZD1604-32248013.5aamCd??鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2011196 確定滾珠絲杠 副的預(yù)緊力 pFN maxa2138.45pF?3PF?7(1)(2)(3)確定滾珠絲杠副支承用軸承型號(hào)、規(guī)格軸承所承受的最大軸向載荷軸承類型軸承型號(hào)規(guī)格maxBFNmax1maxBF??固定端背對(duì)背 角接觸球軸5?承，游動(dòng)端深溝球軸承 Pmax3B預(yù)加載荷 F?max97.45BF?軸承內(nèi)徑 d=10軸承預(yù)緊力 P82.B固定端 7000C游動(dòng)端 610030BPF?8 行程補(bǔ)償值 C m?3kn21.802L9(~4).5CuahtLPt??????△式 中 ：其 中 ： ，溫 差 △ 2467.3uC?9(1)(2)(3)（4）滾珠絲杠工作圖設(shè)計(jì)絲杠螺紋長(zhǎng)度繪制工作圖支承距離絲杠全長(zhǎng)行程起點(diǎn)距固定支承距離sL1L 0mmmmmmmm216sueeLL???查 表 得 ：查 樣 本 中 螺 母 安 裝 連 接 尺 寸如工作圖所示278sL?19306L?10(1)(2)傳動(dòng)系統(tǒng)剛度絲杠抗壓剛度最小抗壓剛度最大抗壓剛度組合剛度一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度minsKaxBObK/N?//N?2min122ax0.65.4()ssdKL???35Qmaxmax.68sind4.,15BOdZFF????Q是 預(yù) 加 載 荷 的 倍查 樣 本 查 出 7C軸 承 ：一端固定，一端游動(dòng)minax10496sK?a32BOF32bK?鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201120支承軸承組合剛度絲杠滾珠和滾道的接觸剛度cK/Nm?/查表得： bBOK?13(0/)4C378,cpacapF??查 樣 本 ， 得 ， 130cK?11(1)(2)(3)(4)(5)（6）（7）剛度驗(yàn)算及精度選擇計(jì)算 min1K計(jì)算 ax靜摩擦力驗(yàn)算傳動(dòng)剛度傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差確定精度全行程變動(dòng)量確定規(guī)格代號(hào)min1ax0Fmink?upV/N?/N /?minin11sbcKK??axaxsc0min0in1.62FK?重 復(fù) 定 位 精 度△ 0minax1k?????????0.8()upKV??對(duì) 于 開 環(huán) 系 統(tǒng) 而 言定 位 精 度min120?ax403Fmin2.76K??△ △.k?.846upV??FFZD1603-3-P4/320×27812 驗(yàn)算臨界壓縮載荷FCN 12max/3,508.45cKLF??maxF1807C???13 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 cnrpm72210f.ccdnL???axm6390ccn14 驗(yàn)算 nDmaxnPWD14400J=460.3鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2011223 最大加速轉(zhuǎn)矩 amTNcmax2a603,t.2anTJ??取 8.1amT?4 連續(xù)工作最大 轉(zhuǎn)矩 MM()Fpi??查樣本：額定轉(zhuǎn)矩 13.5.35M?5 最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 rTcramT?查樣本：最大轉(zhuǎn)矩 80 1.980rT?3.4.4 工作臺(tái)直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算表 3.10 滾 動(dòng) 直 線 導(dǎo) 軌 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算序號(hào) 計(jì)算項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果1 初選直線導(dǎo)軌副的型號(hào) HTSD-15NAA2 擬定滑塊數(shù) M 單根導(dǎo)軌兩滑塊 M=43 負(fù)載計(jì)算 R N1121××W4hYXFZRLF???滿足要求4 摩擦力 F N Pf???5 壽命計(jì)算 nIh 32nsHTCWLIfP?????????????滿足要求鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2011234. 數(shù)控系統(tǒng)的選用4.1 NC 選型目前市場(chǎng)上主流的數(shù)控系統(tǒng)有國(guó)外的西門子，F(xiàn)ANUC，三菱;國(guó)內(nèi)比較著名的有廣州數(shù)控，華中數(shù)控等等，以及為雕刻機(jī)量身定做的 FUDNC（富佳力）雕刻機(jī)控制系統(tǒng)。4.1.1 上述各數(shù)控系統(tǒng)的簡(jiǎn)介4.1.1.1 FANUC 系統(tǒng)FANUC 系統(tǒng)是日本富士通公司的產(chǎn)品，通常其中文譯名為發(fā)那科。FANUC系統(tǒng)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)有非常悠久的歷史，有多種型號(hào)的產(chǎn)品在使用，使用較為廣泛的產(chǎn)品有 FANUC 0、FANUC16、FANUC18、FANUC21 等。在這些型號(hào)中，使用最為廣泛的是 FANUC0 系列。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)易于拆裝、各個(gè)控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。FANUC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了比較健全的自我保護(hù)電路。 PMC 信號(hào)和 PMC 功能指令極為豐富，便于工具機(jī)廠商編制 PMC 控制程序，而且增加了編程的靈活性。系統(tǒng)提供串行 RS232C 接口，以太網(wǎng)接口，能夠完成 PC 和機(jī)床之間的數(shù)據(jù)傳輸。 FANUC 系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作界面友好，系統(tǒng)各系列總體結(jié)構(gòu)非常的類似，具有基本統(tǒng)一的操作界面。FANUC 系統(tǒng)可以在較為寬泛的環(huán)境中使用，對(duì)于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，因此適應(yīng)性很強(qiáng)。 鑒于前述的特點(diǎn)，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)擁有廣泛的客戶。使用該系統(tǒng)的操作員隊(duì)伍十分龐大，因此有必要了解該系統(tǒng)的一些軟、硬件上的特點(diǎn)。我們可以通過(guò)常見的 FANUC 0 系列了解整個(gè) FANUC 系統(tǒng)的特點(diǎn)。（1） 剛性攻絲：主軸控制回路為位置閉環(huán)控制，主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與攻絲軸（Z 軸）進(jìn)給完全同步，從而實(shí)現(xiàn)高速高精度攻絲。（2）復(fù)合加工循環(huán)：復(fù)合加工循環(huán)可用簡(jiǎn)單指令生成一系列的切削路徑。比如定義了工件的最終輪廓，可以自動(dòng)生成多次粗車的刀具路徑，簡(jiǎn)化了車床編程。（3）圓柱插補(bǔ)：適用于切削圓柱上的槽,能夠按照?qǐng)A柱表面的展開圖進(jìn)行編程。（4）直接尺寸編程：可直接指定諸如直線的傾角、倒角值、轉(zhuǎn)角半徑值等尺寸，這些尺寸在零件圖上指定，這樣能簡(jiǎn)化部件加工程序的編程。（5）記憶型螺距誤差補(bǔ)償：可對(duì)絲杠螺距誤差等機(jī)械系統(tǒng)中的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償數(shù)據(jù)以參數(shù)的形式存儲(chǔ)在 CNC 的存儲(chǔ)器中。（6）CNC 內(nèi)裝 PMC 編程功能：PMC 對(duì)機(jī)床和外部設(shè)備進(jìn)行程序控制（7）隨機(jī)存儲(chǔ)模塊：MTB(機(jī)床廠)可在 CNC 上直接改變 PMC 程序和宏執(zhí)行器程序。由于使用的是閃存芯片，故無(wú)需專用的 RAM 寫入器或 PMC 的調(diào)試RAM。4.1.1.2 西門子（SINUMERIK）數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介西門子（SINUMERIK）數(shù)控系統(tǒng)是德國(guó)西門子公司的產(chǎn)品。西門子憑借在數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品方面的專業(yè)思考與深厚積累，不斷制造出機(jī)床產(chǎn)品的典范之作，為自動(dòng)化應(yīng)用提供了日趨完美的技術(shù)支持。SINUMERIK 不僅意味著一系列數(shù)控產(chǎn)品，鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 201124其力度在于生產(chǎn)一種適于各種控制領(lǐng)域不同控制需求的數(shù)控系統(tǒng)，其構(gòu)成只需很少的部件。它具有高度的模塊化、開放性以及規(guī)范化的結(jié)構(gòu)，適于操作、編程和監(jiān)控。主要包括：控制及顯示單元、PLC 輸入/輸出單元（PP）、PROFIBUS 總線單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)等部分。主要數(shù)控系統(tǒng)類型有： （1）SINUMERIK 802S/C 系統(tǒng):SINUMERIK 802S/C 系統(tǒng)專門為低端數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)而開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型 CNC控制系統(tǒng)。802S/C 兩個(gè)系統(tǒng)具有同樣的顯示器，操作面板，數(shù)控功能，PLC 編程方法等，所不同的只是 SINUMERIK 802S 帶有步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機(jī)，可帶 3個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)軸及一個(gè)±10V 模擬伺服主軸；SINUMERIK 802C 帶有伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),它采用傳統(tǒng)的模擬伺服±10V 接口,最多可帶 3 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)軸及一個(gè)伺服主軸。（2）SINUMERIK 802D 系統(tǒng)：該系統(tǒng)屬于中低檔系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：全數(shù)字驅(qū)動(dòng)，中文系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(通過(guò) PROFIBUS 連接系統(tǒng)面板、I/O 模塊和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))，調(diào)試方便。具有免維護(hù)性能的 SINUMERIK 802D 核心部件-控制面板單元（PCU）具有 CNC、PLC、人機(jī)界面和通訊等功能，集成的 PC 硬件可使用戶非常容易地將控制系統(tǒng)安裝在機(jī)床上。 （3)SINUMERIK 840D/810D/840Di 系統(tǒng)：840D/810D 是幾乎同時(shí)推出的，具有非常高的系統(tǒng)一致性，顯示/操作面板、機(jī)床操作面板、S7-300PLC、輸入/輸出模塊、PLC 編程語(yǔ)言、數(shù)控系統(tǒng)操作、工件程序編程、參數(shù)設(shè)定、診斷、伺服驅(qū)動(dòng)等許多部件均相同。SINUMERIK 810D 是 840D 的 CNC 和驅(qū)動(dòng)控制集成型，SINUMERIK 810D 系統(tǒng)沒有驅(qū)動(dòng)接口，SINUMERIK 810D NC 軟件選件的基本包含了840D 的全部功能。采用 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)西門子 840Di 系統(tǒng)，全 PC 集成的 SINUMERIK 840Di 數(shù)控系統(tǒng)提供了一個(gè)基于 PC 的控制概念。 (4)SINUMERIK 840C 系統(tǒng)：SINUMERIK 840C 系統(tǒng)一直雄居世界數(shù)控系統(tǒng)水平之首，內(nèi)裝功能強(qiáng)大的 PLC 135WB2，可以控制 SIMODRIVE 611A/D 模擬式或數(shù)字式交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，適合于高復(fù)雜度的數(shù)