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摘 要
數(shù)控雕刻機包括木工雕刻機、石材雕刻機、廣告雕刻機、玻璃雕刻機、激光雕刻機、等離子雕刻機、激光切割機。在機械制造領(lǐng)域，人們對于機械零件加工的質(zhì)量、精度和效率等的要求也越來越高。因此，對于加工零件所需要的機床的跟新?lián)Q代也與日俱增。在此趨勢的推動下，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造設(shè)計變得非常重大。大批的數(shù)控機床正如雨后春筍般進軍機械制造業(yè)。比如數(shù)控雕刻機在模具加工、PCB電路板以及廣告招牌等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
本文主要調(diào)查和研究了定梁式數(shù)控雕刻機在國內(nèi)外發(fā)展狀況以及其在未來制造業(yè)的前景，并對數(shù)控雕刻機的結(jié)構(gòu)做了研究和優(yōu)化設(shè)計，主要包含了數(shù)控機床的總體布局方案設(shè)計、機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計、（電主軸或電機直聯(lián)傳動結(jié)構(gòu)）、機床進給運動系統(tǒng)（導軌及滾珠絲杠）的結(jié)構(gòu)設(shè)計、相關(guān)滾珠絲杠的計算選型及校核、軸承和電機的計算及選型，最后利用CAD繪圖軟件繪制了機床的總裝配圖、部分零件圖及相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
關(guān)鍵詞：數(shù)控雕刻機；電主軸；導軌；滾珠絲杠；
Abstract
In today's world, modern industrial technology are rapidly developing with each passing day. In the field of machinery manufacturing, people are increasingly high requirements for the quality, accuracy and efficiency of the machine parts. Therefore, for a machine with a new generation of machined parts is also increasing. In this trend, driven by CNC machine tools transform the structure optimization design becomes very significant. A large number of CNC machine tools just mushroomed into the machinery manufacturing industry. Such as CNC engraving machine plays an important role in the field of mold, PCB circuit board, and advertising signs.
In this paper, surveys and studies have been done of the fixed beam CNC engraving machine CNC machine tools development at home and abroad as well as its outlook for manufacturing in the future, and the structure of the CNC machine to do the research and design optimization, the overall layout design machine main drive system design (the electric spindle or motor directly connected to the transmission structure), machine tool feed motion systems (rail and ball screw) structural design, the ball screw calculation of selection and check the bearing and motor the calculation and selection, and finally the use of CAD drawing software to draw the general assembly drawing of the machine, some parts diagram and structure diagram.
Key words: CNC engraving and milling machine；spindle；rail；ball screw
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1 數(shù)控雕刻技術(shù)的產(chǎn)生 1
1.2 本課題研究的內(nèi)容及意義 1
1.3 國內(nèi)外研究狀況及其發(fā)展趨勢 1
1.4 雕刻機機械系統(tǒng)設(shè)計的主要技術(shù)指標 4
2 雕刻機總體布局方案設(shè)計 5
2.1 數(shù)控雕刻機布局要求及影響因素 5
2.2 數(shù)控雕刻機總體結(jié)構(gòu)布局 6
2.3 數(shù)控雕刻機結(jié)構(gòu)的改良對比 7
2.4 工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
2.5 本章小結(jié) 10
3 主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計 11
3.1 主運動傳動系統(tǒng)設(shè)計 11
3.2 電主軸 12
3.2.1 電主軸的介紹 12
3.2.2 電主軸的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點 12
3.2.3 電主軸的安裝 14
3.3 本章小結(jié) 14
4 機床進給系統(tǒng)方案設(shè)計 15
4.1 進給傳動系統(tǒng)選擇 15
4.1.1 進給傳動系統(tǒng)的要求 15
4.1.2 進給傳動系統(tǒng)的基本形式 15
4.1.3 以上幾種傳動方案的簡介和比較 15
4.2 滾珠絲杠系統(tǒng) 17
4.2.1 強度的計算 17
4.2.2 滾珠絲杠副傳輸效率 17
4.2.3 直線滾動導軌的選型 19
4.2.4 滾珠絲杠副的制動裝置 19
4.4 本章小結(jié) 20
5 主傳動及X向進給系統(tǒng)部分零件計算和校核 21
5.1 主傳動零部件計算及校核 21
5.1.1 主軸參數(shù)設(shè)計 21
5.1.2 主軸系統(tǒng)銑削力的計算 21
5.1.3 滾珠絲杠副參數(shù)的計算選擇 22
5.1.4 滾珠絲杠副的強度校核 25
5.1.5 伺服電機參數(shù)計算和型號選擇 26
5.2 X向進給系統(tǒng)零部件計算及校核 28
5.2.1 X向絲杠的選型及校核 28
5.2.2 絲杠軸承的選擇及計算 29
5.3 本章小結(jié) 30
6 展望和結(jié)論 31
致 謝 32
參考文獻 33
附 錄 34
31
1 緒論
1.1 數(shù)控雕刻技術(shù)的產(chǎn)生
早在二十世紀中葉以前，人們對于零件打孔和銑削的加工手段主要是靠人工作坊式的手動和半自動的金屬沖、鉆、壓等機床設(shè)備。不但厚重、笨、大，而且性能差、速度慢、功能少、效率低。自從60年代初以來，就工業(yè)發(fā)達國家的許多PCB（印刷電路板）加工設(shè)備設(shè)計而言，為了使產(chǎn)品具有強勁的市場競爭力以滿足人們的要求，生產(chǎn)廠家紛紛投入了較大的人力、物力和財力，就PCB加工設(shè)備的設(shè)計過程中存在的問題做了深入研究，最后在60年代初獲得了較大的成果。
隨后雕刻機、雕銑機、加工中心等一系列數(shù)控機床便如雨后春筍般應運而生。跟據(jù)相關(guān)資料載述，世上首臺CNC機床的問世，是1952年在芝加哥機床展覽會上出現(xiàn)的，而針對于PCB工業(yè)加工的CNC機床大概晚于純金屬切削加工機床10年左右，它是60年代初期出現(xiàn)的，從此便開創(chuàng)了數(shù)控雕刻技術(shù)的新紀元[1]。
1.2 本課題研究的內(nèi)容及意義
目前，數(shù)控雕刻機主要是用于各類材料的文字雕刻、印刷電路板的制作、各類印章銘牌的制作、藝術(shù)浮雕及小型模具加工(如沖壓模、五金模、塑料模、玻璃模)以及零件的精密雕刻。
由于模具產(chǎn)業(yè)和美術(shù)品制造業(yè)的日益發(fā)展，縱觀全球，市場上對于數(shù)控雕刻機的需求逐步擴大，首先是相對高端的數(shù)控雕刻中心，其需求量最為龐大。數(shù)控雕刻機已成為模具制造行業(yè)必不可少的加工機床裝備。
數(shù)控雕刻機的機械加工精度高、剛性強，它的數(shù)控系統(tǒng)還擁有抗干擾特性，是含有高新科學技術(shù)的一種加工設(shè)備，其機電一體化水平先進。同時，它價格適宜，被認為是低投入高回報的一類加工機床。就當今制造類行業(yè)來講，尤其在復雜型腔模的精細加工中，CNC雕刻機的加工精度高、速度快、表面質(zhì)量好，能夠代替價格相對昂貴的加工中心的機加工。 CNC雕刻機一般采用滾珠絲杠副和直線導軌來作為各向運動的實現(xiàn)元件，它的數(shù)控系統(tǒng)功能全面，采用半閉環(huán)伺服電機驅(qū)動，其加工精度可達0.001 毫米，定位精度和重復定位精度都優(yōu)于普通的數(shù)控機床的加工精度。另外，它的加工范圍大，性價比較高，能夠普遍用于輕型金屬構(gòu)件的精密加工和模具型腔的曲面加工，也可以用來加工各類工藝品和非金屬制品。
目前，雖然數(shù)控雕刻機的技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也日漸趨于穩(wěn)定。但是一般都體積龐大，結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴[2]。
本課題研究的數(shù)控雕刻機是一種小型三軸聯(lián)動定梁式數(shù)控雕刻機床。它可以完成一般的輕型零件及電子電路板的加工，也可以進行透刻輪廓等加工。該機床具有占地面積小，加工幅面較大等特點。根據(jù)數(shù)控雕刻機的自身特點，可以將其分為機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，本文著重研究機械系統(tǒng)設(shè)計過程。完成數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計及零部件的選型計算、結(jié)構(gòu)強度校核，并繪制裝配圖和零件圖紙。
1.3 國內(nèi)外研究狀況及其發(fā)展趨勢
伴隨著模具業(yè)、廣告招牌業(yè)、家具制造業(yè)的發(fā)展日趨擴大，尤其在模具行業(yè)中對零件表面的加工，要求不斷提高。再加上電火花加工存在不足，近年來數(shù)控雕刻機在國內(nèi)有了突破性的發(fā)展。
CNC雕刻機相對于一般加工機床有著技術(shù)上的優(yōu)勢，而且它的價格合理，現(xiàn)已成為了市場上電子零配件的制造、五金產(chǎn)品、家具制造、小型精密模具制造等行業(yè)加工機床工具。另外，數(shù)控雕刻機也逐步被投入如：大功率LED鋁基板、金屬電極、美術(shù)工藝禮品、眼鏡框架加工等領(lǐng)域。由于數(shù)控雕刻機的應用領(lǐng)域日益拓展，它的市場規(guī)模也不斷擴大。根據(jù)羅百輝的調(diào)查顯示，2002～2006年，數(shù)控雕刻機被用于模具加工、家具制造行業(yè)還是小批量，是它導入市場的階段。
隨著數(shù)控雕刻機技術(shù)的不斷成熟和價格趨于合理，其性價比逐漸得到業(yè)界的認可，市場快速擴大。進入2007年我國數(shù)控雕刻機產(chǎn)銷量突破10000臺，產(chǎn)值超過15億元，標志著國內(nèi)數(shù)控雕刻機產(chǎn)業(yè)進入高速成長期；從2007～2010年，在模具加工、家具與五金制造等行業(yè)需求繼續(xù)快速增長的同時，由智能手機、平板電腦、電子書、GPS等帶動的消費類電子零配件制造業(yè)的需求異常突起，推動數(shù)控雕刻機行業(yè)迅速發(fā)展，2010年國內(nèi)數(shù)控雕刻機產(chǎn)量已突破4.5萬臺。
隨著下游各應用領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品加工過程中的高精密、高效率、低耗能、低耗材的要求不斷提升，數(shù)控雕刻機自身技術(shù)不斷成熟，下游新興應用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)人工成本的不斷增長，原有老舊設(shè)備的更新?lián)Q代等等，都將對數(shù)控雕刻機市場起到積極的推動作用。未來數(shù)控雕刻機行業(yè)將持續(xù)高速增長。結(jié)合各下游行業(yè)十二五規(guī)劃制定的發(fā)展目標，羅百輝預計到2015年全國數(shù)控雕刻機產(chǎn)銷量將達到12萬臺。
在市場結(jié)構(gòu)方面，消費類電子產(chǎn)品零配件制造、模具制造、五金制品及家具制造等四大行業(yè)仍將是數(shù)控雕刻機的主要應用領(lǐng)域。其中，隨著觸摸屏手機、平板電腦的滲透率不斷提高，未來消費類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)對數(shù)控雕刻機需求將持續(xù)快速增長，到2015年，僅消費類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)，對數(shù)控雕刻機需求量就將達到38000臺[3]。
下面以PCB的加工為例，介紹數(shù)控雕刻機在印刷電路板領(lǐng)域的應用。
現(xiàn)在印刷電路板和它的制造技術(shù)的發(fā)展已達到了一個較高水平。從印刷電路板的機加工環(huán)節(jié)上來分析，為了制造出高質(zhì)量的印刷電路板，目前有激光鉆孔技術(shù)、光致法成孔、等離子體蝕孔等技術(shù)含量高的加工工藝。由于這些加工技術(shù)本身有著一定的局限性，所以一般PCB加工作業(yè)大多數(shù)得依靠數(shù)控雕刻機床來進行。
就我國而言，通過幾十年的發(fā)展，PCB制造行業(yè)的技術(shù)含量和設(shè)備支持都達到了一個較高的水平。那些純手工加工方法以及電路板的沖孔加工工藝方法在機械加工方法中已經(jīng)很少出現(xiàn)了，數(shù)控雕刻機床和數(shù)控銑床用在PCB制造行業(yè)早已很常見了，數(shù)控雕刻機床和數(shù)控銑床也已列入了當前國內(nèi)印制板機械加工的主導設(shè)備行列里。
數(shù)控鉆銑床技術(shù)就用于PCB制造業(yè)而言擁有其獨特的特性和優(yōu)點：
1）大多數(shù)采用了先進的控制技術(shù)
現(xiàn)在PCB工業(yè)中人們使用的數(shù)控鉆銑床大多數(shù)采用了先進的主從結(jié)構(gòu)的多微計算機C數(shù)控技術(shù)，也可稱為一主多從的多CPU控制技術(shù)。由主CPU控制，從CPU再分別控制不同功能與特性的結(jié)構(gòu)部件，確保它們于主CPU的控制步調(diào)一致。
2）數(shù)控鉆銑的效率高，精度好，速度快，質(zhì)量高
一般來說數(shù)控鉆銑床的各個電主軸都配置了Z軸進給深度控制感應系統(tǒng)?？梢噪S時探測PCB的疊層與電主軸的壓力角的距離，從而把它們控制在一個合適的范圍里，確保了電主軸的最佳移動距離，使其鉆孔的速度達到最高。Z軸采用獨立驅(qū)動方式，電主軸系統(tǒng)使用氣浮軸承，很大程度上減少了摩擦力，從而確保了加減速的時間較短，也就提高了加工精度，提高了效率。再加上采用了高動態(tài)伺服馬達，僅僅只需幾毫秒的時間電主軸的速度就能達到最高。
目前，當電主軸達最高運轉(zhuǎn)速度時，其值為120000r/min。對于加工鉆孔直徑為0.1mm小孔時。一般銑床因工藝的需要，其速度會確保在55000r/min以下，速度快反而不利于加工。就位置的反饋系統(tǒng)而言，配置了直線光柵或線性磁尺，將它們組成閉環(huán)式反饋回路，讓鉆孔的定位精度達0.003mm以下，重復定位精度在0.002mm以下。而且，加工出來的PCB板無毛刺，不會有斜度，表面光滑整齊。
3）具有自檢自控功能
數(shù)控鉆銑床,大多數(shù)都具備自我檢測，自我反饋，自我調(diào)整的功能。它的設(shè)計理念是,在主CPU的控制下，有一個從CPU在全閉環(huán)控制系統(tǒng)下,負責對鉆銑床的各個部位進行動態(tài)檢查,發(fā)現(xiàn)問題隨時在顯示器上反饋出來。甚至有的同時顯示和報警。工作人員排除故障疏忽的情況下，為使機器不會損壞，有的還可以自動控制，讓機器停止工作，制定它保持待機，從而有效防止了機器發(fā)生故障而損壞。同時，每個主軸都安裝激光測試徑向跳動裝置，保證每個主軸都保持在最佳工作狀態(tài)。鉆頭的折斷在實際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生，但若不能及時發(fā)現(xiàn)并采取更換措施，應該要鉆的孔就有可能為鉆。而且，PCB電路板還可能被斷的鉆頭劃壞損傷，嚴重影響到電路板制作的質(zhì)量問題。
然而，針對這個問題，現(xiàn)在數(shù)控鉆銑床的主軸系統(tǒng)都安裝了斷鉆檢測裝置，當鉆頭斷了，數(shù)控機床將自動停止運轉(zhuǎn)，并顯示提醒斷鉆的位置，相應的換上好的鉆頭，還要自動檢測所裝鉆頭的直徑，并重新進行孔加工。另一方面，機床具有了自檢功能后，它還能自動控制鉆孔的深度，確保鉆頭尖端和工作臺面的距離。從而確保機床的工作臺面不會被鉆壞損傷。
4）機床工作臺面的移動方式采用了氣墊加磁浮，確保了機床工作臺面不會因為擦碰而被劃傷
PCB電路板機械加工時所需的負載較小。要求高速、高精度的進給，所以PCB鉆銑機的進給系統(tǒng)要求阻尼小、摩擦小、靈敏度高，這樣才能滿足PCB的孔加工時頻繁高速的起停運動。因此快速PCB鉆銑機床的進給系統(tǒng)采用了伺服電機－滾珠絲杠－導軌的方式，導軌還選擇了氣浮導軌，它的摩擦系數(shù)更小，加工動作更輕便。
當空氣軸承出現(xiàn)問題時，數(shù)控鉆銑機床將處在一種不平衡的狀態(tài)，這樣工作臺面很容易被劃傷。數(shù)控鉆銑床多數(shù)采用了氣墊加磁浮的方式，X、Y軸用氣浮導向，工作臺面用氣浮支撐，采用伺服馬達作為工作臺面的定位驅(qū)動，還配有精密的滾珠絲杠以及預加載荷的雙螺母進行校正調(diào)整。這樣機床工作臺面移動起來輕盈，快捷，精準。也使得運動加減速過程的時間遠遠縮短。如若機器有不平衡現(xiàn)象出現(xiàn)，磁浮會吸住機床工作臺面，讓機器停下來，使得整個工作臺面完好無損。而且X軸和Y軸采用分離式布局，避免了傳統(tǒng)的重疊現(xiàn)象。布置X軸、Y軸在大理石結(jié)構(gòu)的中央位置，工作臺面始終保持在最佳平衡狀態(tài)，相應得也就提高了孔加工的精度。數(shù)控鉆銑床還可以進行軟件的編程限位，不但可以自動測量刀具大小長短，還能對刀具進行管理等。
5）機床的電主軸頭數(shù)種類多、加工幅面大
現(xiàn)在的數(shù)控鉆床大多都是4-6個主軸鉆頭。這大大提高了生產(chǎn)效率，同時也滿足了大規(guī)模的自動化生產(chǎn)需要。增加主軸以后，機床臺面尺寸也要對應增加。X、Y軸的編程也將相應擴大，(一般在600mm×600mm以上)，軸的行程增加了，相應的鉆孔面積也將增加。
6）編程的功能多種化
當前市場上的數(shù)控鉆銑床一般都有兩種以上的編程功能。一種是直接人工編程的照像底片或光繪底片，一種是采用幾何工藝語言GTL進行編程，最后一種是用參數(shù)化進行編程。目前，最后一種普遍得到運用，它是一種特有的有效的編程工具，能夠把任何加工順序作為用戶加工環(huán)境來運用和設(shè)計編程。只要給出一定的變數(shù)值，就可以編制形狀相似的工件加工程序[4-6]。
1.4 雕刻機機械系統(tǒng)設(shè)計的主要技術(shù)指標
通過分析比較以往數(shù)控雕銑機及雕刻機的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前數(shù)控雕刻機的最高主軸轉(zhuǎn)速通常在24000r/min左右，刀具最高切削速度介于4到6m/min之間，機床主軸電機功率為2.2千瓦上下。本文所設(shè)計的小型數(shù)控雕刻機機床的性能指標參數(shù)如下表1-1：
表1-1 數(shù)控雕刻機系統(tǒng)主要性能指標參數(shù)
性能名稱
數(shù)值
加工幅面
120×160×200mm
工作臺尺寸X/Y
270×278mm
行程X/Y/Z
50×150×200mm
最大進給速度
5.0m/min
加工刀具最大直徑
Φ6.0mm
主軸電機最高轉(zhuǎn)速
3000r/min
主軸電機功率
400kw
換刀方式
手動換刀
X/Y/Z定位精度
-0.1～+0.1mm
X/Y/Z重復定位精度
-0.05～+0.05mm
總功率P
1000W
軸聯(lián)動數(shù)
4
脈沖當量
-0.001～+0.001mm/脈沖
外觀尺寸
400×500×600
2 雕刻機總體布局方案設(shè)計
2.1 數(shù)控雕刻機布局要求及影響因素
數(shù)控雕刻機床主要是用于較小雕刻量或軟金屬材料的工件的加工。要求加工精度較高。它主軸的轉(zhuǎn)速甚至高達30000r/min左右。各向移動部件要求運動輕巧、剛性好、靈活性強。對于機床的數(shù)控系統(tǒng)而言，它的控制反應速度要迅速、靈敏，其所配置的伺服電機的特性要極佳。
從機械的角度出發(fā)去分析，對于數(shù)控雕刻機床而言，它的結(jié)構(gòu)應滿足：加工范圍廣、工作精度高、生產(chǎn)率高和經(jīng)濟性能好等各項要求；另外，它的非移動部件的剛性要好，移動部件而言，首先它要具有良好剛性，還要整體結(jié)構(gòu)輕巧，要具有較好的靈活性；確保雕刻機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；應便于觀察和檢測。在機床的加工過程中還要利于操作、位置的調(diào)整和進行維修。方便換刀和裝卸所要加工零部件；注意防護，確保安全；機床的機械結(jié)構(gòu)要簡單、可靠，機床的各個零部件要便于加工、裝配；最好要確保重量輕盈，體積較小，制造成本較低，占地面積要小，總體外型要大方美觀[7]。
在滿足了機床總體布局基本要求的基礎(chǔ)上，還應考慮到影響雕刻機布局的其它基本因素，如下：
1.加工零件表面成形運動的影響
要在加工零件的表面銑雕出不同形狀的線路紋路，就要結(jié)合不同的刀具來進行加工，所以機床表面成形運動的數(shù)目及形式也就不同，將直接導致機床布局的差異。因此，在布局雕刻機時，必須根據(jù)加工的要求，首先對所要加工零件表面成形的方法及運動進行綜合、全面合理地考慮。
加工零件的表面，要成形的加工運動主要可分為銑削、鉆孔、切割三類。因此所設(shè)計的數(shù)控雕刻機必須滿足下面幾種運動才可以實現(xiàn)各種加工過程：
(1)X、Y 兩個方向上相互垂直的直線移動。從而實現(xiàn)了鉆頭在X、Y 平面內(nèi)的定位自由，從而使得刀具在 平面X、Y內(nèi)按照不同的軌跡路徑對零件進行銑雕加工。
(2)與X、Y 平面相垂直的Z方向上直線移動。使刀具的鉆孔加工有個切入的過程。
(3)機床切削的主運動是刀具的高速轉(zhuǎn)動。
2.數(shù)控雕刻機動靜分配所產(chǎn)生是影響
由于數(shù)控雕刻機的動靜分配存在差異，所以機床對應的布局也會不同。而且，就同一種動靜分配的布局而言，因為機床導軌的布局加上導軌結(jié)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)不一樣，雕刻機的布局也會不一樣。
因此，對于雕刻機動靜分配的規(guī)劃，可依照下面的原則來考慮：
(1)所選的動靜分配將增強機床加工的精度。
(2)機床移動部分的零件的重量最好輕巧。因為就其它條件相同下，機床的移動部分的零件的重量越小，那么它的慣性將越小，其傳動件的尺寸以及驅(qū)動電機的功率也將越小。這樣，雕刻機的運動力學性能將大大提高。
(3)要有助于加強雕刻機結(jié)構(gòu)的剛度，機床的占地面積要盡可能的小。
3.所要加工的零件的形狀、硬度、尺寸和其重量所產(chǎn)生的影響
一般來說，雕刻機機構(gòu)的布局一定程度上也和待加工的零件的尺寸、形狀、重量和硬度有關(guān)。所需加工零件的大小面積，將直接和導軌的布局以及機床工作臺的尺寸相關(guān)。
比如，所需加工零件的面積尺寸很大，機床工作臺在于加工同一方向尺寸將會變大，其它一系列部件如與工作臺相連接的滑塊、滑板及兩導軌布局的跨距將越大。所需加工零件的重量越大，所要求機床工作臺、導軌等部件的剛度就要提高。由此可見，待加工零件的形狀、尺寸、重量等也將是對雕刻機布局產(chǎn)生影響的直接性、決定性因素。
相比而言，一般零件的硬度不會有較大的差別，因此機床工作臺的切削力的大小和承載能力也不會產(chǎn)生很大差異，其對于機床的整體布局的影響比較若[8]。
2.2 數(shù)控雕刻機總體結(jié)構(gòu)布局
本次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床主要由：1.立柱 2.機床床身 3.工作臺 4.橫梁 5.X軸 6.工控機 7.電器柜 8.Z軸 9.主軸立鉆頭和10.Y軸等零部件所構(gòu)成。
機床龍門式結(jié)構(gòu)具有剛性和對稱性優(yōu)良的特點，所以一向是設(shè)計高速切削機床結(jié)構(gòu)的首選。本次設(shè)計的機床總體布局將采用龍門架式布置結(jié)構(gòu)。
機床龍門框架式的基本布局形式一般有如圖2.2所示A,B兩種結(jié)構(gòu)：
圖A 工作臺移動式 圖B 龍門架移動式
圖2.2 龍門式數(shù)控雕刻機結(jié)構(gòu)示意圖
如圖A的布局方案，龍門架是固定的，數(shù)控雕刻機Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動，機床X工作臺將作縱向移動。由于機床工作臺的移動，機床的承載能力將不如布局B的承載能力優(yōu)良。如果所需承載加工零件比較輕，那么此類機床布局方式要求的電機功率及傳動部件的尺寸就比較小，移動比較快捷、輕便。對于縱向較長工件的批量加工時，需要使用外伸支架支撐的結(jié)構(gòu)，它們的支點高度相同，所以支架支撐的調(diào)整較方便，但是支架的結(jié)構(gòu)和布局B方案相比顯得繁雜。由于機床移動部件的質(zhì)量比較小，因此該種方案中的數(shù)控雕刻機Z軸系統(tǒng)刀具的運動、精度易于得到保障。
在圖B的布局方案中，機床工作臺是固定的，數(shù)控雕刻機Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動，龍門架作縱向的移動。由于機床工作臺是不動的，所以它的承載能力比較好，適合于對重型零件的工件。對于縱向較長工件的批量加工時，需要使用外伸支架支撐的結(jié)構(gòu)，它們的支點高度相同。但機床Z軸系統(tǒng)刀具的運動精度難以得到保證，而且龍門架的移動相對笨重。且加工過程能耗較高，效率較底。
綜合上述比較，充分結(jié)合參考機床布局的基本要求、影響機床布局的基本因素以及本次設(shè)計的雕刻機的設(shè)計參數(shù)，最終選用圖A的布局方案。該機床的橫梁和立柱還特意設(shè)計得較寬。而且考慮到不良力矩產(chǎn)生的影響，機床還對X、Y、Z三個方向上的兩根直線滾動導軌之間的跨距進行了加寬，從機床的整體布局上進行考慮，有效、可靠地確保了機床的剛性。
2.3 數(shù)控雕刻機結(jié)構(gòu)的改良對比
至于其它結(jié)構(gòu)方面，綜合比較以往雕刻機、雕銑機的有關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)以往的一些結(jié)構(gòu)存在某些普遍問題，比如：
1）對于機床各方向上的加工精度不容易保障，零部件的組合裝配比較煩雜。
2）加工的切削力較大的情況下，機床Z軸滑座與Y向橫梁的垂直程度有偏移誤差的現(xiàn)象。
3）機床主軸在高速運轉(zhuǎn)時, 對于加工進給的速度快時, 主軸刀具較容易斷掉。
通過查閱資料、分析研究，對數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)作如下改進:
a.對機床的橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更新設(shè)計，原來滑塊下的直線導軌布局在同一平面內(nèi)，如圖2.3中的圖（a）所示，現(xiàn)把它們布置在互相垂直的空間平面內(nèi), 如圖2.3中的圖（b）的結(jié)構(gòu)所示，此時完全鎖定了機床Z軸滑座的各相偏移誤差。
b.在機床工作臺和直線導軌滑塊的相連處布置臺階，其側(cè)面采用螺釘鎖定，這樣X向就被鎖定了。
c.由于孕育鑄鐵的穩(wěn)定性、耐沖擊性和吸振性都很優(yōu)越，這將大大提高機床床身的結(jié)
構(gòu)強度和剛性。因此本次設(shè)計機床的整體式床身底座由孕育鑄鐵鑄造加工而成。采用箱形結(jié)構(gòu)的方式，其底部內(nèi)部筋板采用井字型筋板配合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)方式。保證了對X向工作
臺及兩邊立柱所需的剛性支撐作用，總體上使得機床的動態(tài)加工穩(wěn)定性得到了提高。
d.對于加工精度難以保證的部位添加調(diào)整墊片，采用調(diào)節(jié)的方式確保滿足各向精度的要求，使得各個方向的運動輕快、便捷[9]。
圖2.4 數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)示意圖
由于此次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床的剛性大部分是為了克服機床移動系統(tǒng)在高速移動的情況下對非移動系統(tǒng)產(chǎn)生強大的沖擊力，因此該機床的滾珠絲杠副和導軌系統(tǒng)在設(shè)計選型時要盡量考慮加粗，這樣，機床的剛性將有利于加強。
正因為采用了以上一系列措施，本次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床的最大優(yōu)點是可以對比較細小、輕便的零件進行加工，而且加工精度較高，對軟金屬可進行高速切削加工。
2.4 工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計
綜合考慮到機床的總體美觀及安全性能等各個方面的因素，機床的滾珠絲杠和導軌系統(tǒng)不可以裸露在外面，因此需要在機床工作臺的下方布置一個防護罩。所以機床的工作臺將不能與滾珠絲杠的滑塊和導軌底座直接連接，之間需有一塊X向的滑板作為引導，來固定機床工作臺。機床工作臺與X向滑板之間加防護罩，固定在機床底座上。
為了減輕數(shù)控雕刻機機床移動部件的質(zhì)量，機床工作臺的材質(zhì)選用鋁合金，輕便牢固，易于加工，而且鋁的材料特性較好，不易生銹，提高了機床使用的可靠性。
2.5 本章小結(jié)
本章主要講述了本次設(shè)計的雕刻機總體機械結(jié)構(gòu)的布局，包括介紹了影響機床機械結(jié)構(gòu)布局的一些因素，并分析了它們的區(qū)別，優(yōu)缺點。對機床橫梁導軌的布局進行了改進，由一般的平面式布局改為空間式布局，提高了機床的穩(wěn)定性和加工精度。根據(jù)實際情況，還對機床工作臺移動的實現(xiàn)方式進行改進優(yōu)化，確立了工作臺的結(jié)構(gòu)布局方式。
3 主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計
3.1 主運動傳動系統(tǒng)設(shè)計
數(shù)控雕刻機的主傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)主雕刻運動的系統(tǒng)，其特點是：主軸的轉(zhuǎn)速較高，傳遞的功率較大，因此是數(shù)控機床中的一種重要部分。由于數(shù)控雕刻機床主軸的轉(zhuǎn)速較高，對于傳統(tǒng)的“主軸電機+皮帶傳動+ 齒輪變速”傳動的方式已經(jīng)不再適合，因此，目前采用電主軸來完成主傳動的方式已經(jīng)廣泛運用于大多機床的主軸系統(tǒng)。
電主軸是一種新型技術(shù)，是為高速數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)動而專門研發(fā)出來的一種新型產(chǎn)物。將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主軸傳動方式,。當前其在高速雕削機床領(lǐng)域得到了廣泛的應用。它的結(jié)構(gòu)緊湊, 慣量小, 重量輕、精度高、能耗小, 提高了機床啟動、停止的系統(tǒng)響應特性, 還有控制振動及噪音等優(yōu)點。因為本次所設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床的整體結(jié)構(gòu)比較小，加上高速電主軸價格昂貴，所以主傳動方式采直流電機直聯(lián)帶動主軸機構(gòu)，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運動可靠。
這種方式所采用的直流電機所具有的特點如下：
（1）特性保持線性關(guān)系
無論機械特性還是調(diào)節(jié)特性都呈現(xiàn)良好的線性度。即在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系或是轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系都是線性的。
（2）調(diào)速范圍寬
其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)并穩(wěn)定運行。
（3）反應速度迅捷
由于輸入控制信號的作用，電機轉(zhuǎn)子可以快速地反應并相應地動作，其時間常數(shù)比較小。
因此本次設(shè)計采用直流電機直聯(lián)帶動主軸機構(gòu)的方案。直流電機通過彈性夾頭直接與刀具連接。
主軸轉(zhuǎn)速是通過用變頻器來改變電動機的電源頻率，從而控制主軸的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，確保主軸的轉(zhuǎn)速范圍控制在1500到24000r/min之內(nèi)，從而實現(xiàn)了無級轉(zhuǎn)速。變頻器是通過電腦所給的信息，發(fā)出一種脈沖，再通過脈沖來控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了1500至24000r/min之內(nèi)的不同轉(zhuǎn)速。變頻器是一種電氣設(shè)備，主要用來改變交流電的電頻率。另外，其還具備改變交流電壓的輔助功能。
一般，變頻器主要由逆變器、整流器還有直流部分等3個部分所組成。其中，輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電是通過整流器來實現(xiàn)，直流電再轉(zhuǎn)換成所需頻率的交流電是由逆變器來實現(xiàn)。其中，變壓器的作用是改變電壓而且可以隔離輸入/輸出的電路，補償變頻器內(nèi)部線路上的能量損失由電池來實現(xiàn)。不同種類的變頻器可以處理的電源功率是不同的，大概范圍在幾瓦到幾兆瓦。此類變頻器的工作原理如式（3.1）所示：
(3.1)
式（3.1）中：異步電動機的轉(zhuǎn)速為n，異步電動機的頻率為f，電動機轉(zhuǎn)差率為s，電動機極對數(shù)為p。通過公式（3.1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f是正比關(guān)系。因此，改變電動機轉(zhuǎn)速可以通過改變頻率f來實現(xiàn)，當頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變動時，電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較大。變頻器的速度調(diào)節(jié)就是通過改變電動機電源頻率來實現(xiàn)的，它是一種理想的、高效率、高性能的調(diào)速手段。
雖然在本次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床中，機床的主軸傳動系統(tǒng)采用的是電機直聯(lián)主軸傳動方式，但就電主軸來講，無論從其功能還是其在未來的發(fā)展趨勢都有著很大的優(yōu)勢和潛力。因此保留電主軸作為預備方案。
由于對高速電主軸這類新型事物還未深入研究，在此對其作一些簡單的介紹。
3.2 電主軸
3.2.1 電主軸的介紹
目前，高速電主軸是高速切削機床的關(guān)鍵核心部件之一, 其結(jié)構(gòu)是將機床的主軸與變頻電機軸做為一體，合二為一, 也就是把變頻主軸電機的轉(zhuǎn)子和定子直接裝在主軸部件結(jié)構(gòu)的內(nèi)部, 因此也把它稱做內(nèi)裝式電主軸 ,它們之間將不需使用齒輪或皮帶作為傳動副, 其結(jié)構(gòu)也就實現(xiàn)了機床主軸部件系統(tǒng)的“零傳動”。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)特性好、慣性小、穩(wěn)定性好。它還有利于機床動平衡的改善, 避免了加工過程中的振動及噪音。所以，它被廣泛應用于超高速機床領(lǐng)域。
對于在不同機床中的適用程度，電主軸又可分為好多類，如: 鉆銑主軸、雕刻機主軸、加工中心主軸、磨床加工電主軸等等。目前，伴隨著高速加工制造技術(shù)的迅猛發(fā)展和普遍運用, 多種工業(yè)制造部門，尤其在航空航天、汽車摩托配、電子電路板加工、廣告招牌及模具加工等行業(yè), 對于高精度、高速度的數(shù)控機床的需求量正日益增加。因此，對于研發(fā)出性能更加優(yōu)越的高速電主軸迫在眉睫[10]。
3.2.2 電主軸的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點
電主軸的結(jié)構(gòu)是采用變頻電機和機床的主軸合為一體，即具備有冷卻套的定子裝配在主軸結(jié)構(gòu)的腔體內(nèi)部再與機床直接連接，成為一體，是一種集成式的電機主軸。
通俗來講，電動機的轉(zhuǎn)子也就是機床的主軸部件，機床的主軸部件的腔體就是電機的機座。這種結(jié)構(gòu)使得變頻電機和機床的主軸的連接形成“零傳動”方式，就是直接相連，沒有任何傳導媒介，大大提高了傳動效率。這對于數(shù)控機床傳動系統(tǒng)來講是一項的重大突破的改革。相對于傳統(tǒng)機床采用的皮帶式或齒輪傳動式的主軸系統(tǒng)相比，它克服了它們在主軸高速轉(zhuǎn)動下發(fā)生打滑、噪音大和振動、傳動慣量大、穩(wěn)定性差等缺點。
這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)實現(xiàn)了主軸高速化的轉(zhuǎn)速，能夠強有力地改善提高了主軸的高速綜合性能。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。
圖3.1 電主軸結(jié)構(gòu)裝配示意圖
傳統(tǒng)機床的主軸系統(tǒng)是由電機在中間媒介產(chǎn)生變速和傳動裝置，比如齒輪、皮帶、聯(lián)軸器等的驅(qū)動下使得主軸旋轉(zhuǎn)進行工作。這樣的主軸聯(lián)結(jié)形式被稱作直聯(lián)式和分離式主軸，也可都稱其為機械主軸。與機械主軸相比較，電主軸具備以下優(yōu)點。
（1）主軸是通過內(nèi)裝式電機聯(lián)結(jié)直接驅(qū)動的，除去了齒輪、皮帶、聯(lián)軸器等中間媒介的變速及傳動裝置，這種結(jié)構(gòu)的特點是：結(jié)構(gòu)緊湊簡單、噪聲低、效率高、產(chǎn)生振動低和加工精度高等等。
（2）通過采用交流變頻的技術(shù)，電主軸能夠在額定的轉(zhuǎn)速范圍之間發(fā)生無級變速，從而適應了機床在工作時的各種不同工作情況以及負載發(fā)生變化的需求。
（3）通過利用內(nèi)裝式電機的伺服控制系統(tǒng)、閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)技術(shù)，既保證了機床在進行低速粗切削加工時產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩、在高速精加工時對大功率的需求，又能夠?qū)崿F(xiàn)機器停車時各向的準確定位(也就是所謂的準停)以及C軸傳動的功能，同時還適應了需要具備C軸功能以及準停的數(shù)控機床、加工中心以及其它一些數(shù)控機床的需求。
（4）電主軸與其它結(jié)構(gòu)形式的主軸系統(tǒng)相比，其更有利于實現(xiàn)響應快、轉(zhuǎn)動高速化的需求，而且電主軸的動態(tài)精度以及穩(wěn)定性更加優(yōu)秀。在數(shù)控機床加工中進行高速度的切削以及對零件的精密加工，電主軸能夠滿足此類要求，而傳統(tǒng)的機械主軸則存在欠缺。
（5）由于電機主軸采用直聯(lián)一體式，不存在中間傳動的環(huán)節(jié)，因此電主軸工作時將運行地更為平穩(wěn)，幾乎沒有外來的沖擊現(xiàn)象，由于主軸軸承所能夠承受的動、負載荷比較小，所以這種結(jié)構(gòu)也延長了它的精度壽命。
（6）由于采用了電機和主軸一體化布局結(jié)構(gòu)，從而制造商們可以對電主軸進行規(guī)?；⑾盗谢约皩I(yè)化的生產(chǎn)，由此電主軸就以商品的形式投人到市場中，作為一類專業(yè)化的數(shù)控機床零部件，方便于主機挑選使用，最終帶動促進了機床的模塊化生產(chǎn)和其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與運用。
電主軸在工作中轉(zhuǎn)速極高，為了能夠讓高速運行的電主軸快速地散去熱量，一般在電主軸的外壁加以不斷循環(huán)冷卻液。通常機床的電主軸都采用水冷卻，其冷卻裝置布置在機床床身的后部。就而言，電主軸的潤滑方式通常有脂潤滑與油氣潤滑兩類，用戶可以按其需求任選其一。一般來講，如果采用脂潤滑的方式，那么其相應運轉(zhuǎn)的速度就油氣潤滑相比要低[11]。
3.2.3 電主軸的安裝
電主軸在機床上的安裝如圖3.2所示。
電主軸的外圓部分與外部的支座結(jié)構(gòu)采用內(nèi)孔式配合定位，電主軸的主軸支座8被固定在機床Z軸數(shù)控工作臺滑塊上，電主軸在支座上的鎖緊是通過手動式彈簧脹套夾緊機構(gòu)來實現(xiàn)的。安裝時旋緊螺母從而使得螺栓1朝上移動，此過程中壓蓋7被帶動著和1一起向上移動，夾緊力之所以能被均勻地傳遞到壓環(huán)6上是通過兩個過渡壓塊5與螺栓1垂直布局的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的 ，再通過壓環(huán)6上的4個壓塊2（與過渡壓塊成45度布局），這樣夾緊力就能夠均勻地傳遞到彈簧漲套4上面，此時彈簧漲套外壁向外部彎曲變形，從而將外圍與支座基體頂緊，同時彈簧漲套內(nèi)壁向里收縮變形，從而把主軸緊緊抱住。
此種裝配的夾緊機構(gòu)的對中性好，夾緊剛度強，便于操縱，夾緊有效可靠。
3.3 本章小結(jié)
本章主要敘述了機床主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用了電機與主軸直聯(lián)的方式實現(xiàn)傳動切削，包括其傳動優(yōu)點和直流電機的特性。而且簡單介紹了高新技術(shù)電主軸，包括其優(yōu)點、結(jié)構(gòu)布局、安裝形式等。
4 機床進給系統(tǒng)方案設(shè)計
4.1 進給傳動系統(tǒng)選擇
4.1.1 進給傳動系統(tǒng)的要求
一般來講，機床的進給傳動系統(tǒng)的靈敏度、精度、穩(wěn)定性是數(shù)控機床的輪廓加工精度以及定位精度的直接影響因素。如果就控制系統(tǒng)的角度來進行分析，其中能夠起到?jīng)Q定性作用的主要因素有：
（1）機床傳動系統(tǒng)的傳動慣量和剛度，它們將直接影響到機床進給系統(tǒng)的靈敏度以及穩(wěn)定性。
（2）機床傳動系統(tǒng)的非線性以及傳動部件精度，它們將直接影響機床進給系統(tǒng)的加工輪廓精度和位置定位精度。
通常機床傳動系統(tǒng)的慣性以及剛度主要由機械結(jié)構(gòu)設(shè)計來決定。然而，造成傳動系統(tǒng)非線性的主要原因是傳動系統(tǒng)的摩擦死區(qū)、傳動間隙。所以，就數(shù)控機床而言，其對機械傳動系統(tǒng)的基本要求可以總結(jié)如下：
1）盡量降低傳動部件的慣量；
2）盡量提高傳動部件的剛度；
3）盡量將傳動部件的間隙減??；
4) 盡量減少傳動系統(tǒng)的摩擦阻力。
4.1.2 進給傳動系統(tǒng)的基本形式
數(shù)控機床的進給運動一般可以分為直線運動以及圓周運動這兩大類。直線進給運動又包括了機床的基本坐標X/Y/Z軸以及與基本坐標軸相互平行的坐標軸U/V/W軸的直線運動；而圓周進給運動指的是環(huán)繞基本坐標軸X、Y、Z回轉(zhuǎn)的坐標軸的運動。本次設(shè)計的進給機構(gòu)系統(tǒng)采取的是直線進給運動。在數(shù)控機床上，能夠?qū)崿F(xiàn)直線進給運動的主要有以下三種形式：
（1）通過絲杠（一般為靜壓絲杠或滾珠絲杠）螺母副，把電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動。
（2）通過齒輪、齒條副的過渡，將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線進給運動。
（3）采用直線電動機直接進行進給驅(qū)動。
4.1.3 以上幾種傳動方案的簡介和比較
（1）滾珠絲杠螺母副
滾珠絲杠螺母副擁有如下的特點：
1）系統(tǒng)傳動過程中的效率高，摩擦損失較小；
2）在絲杠螺母之間加以預緊后，能夠有效地消除間隙，大大提高了進給系統(tǒng)的傳動剛度；
3）系統(tǒng)傳動過程中的摩擦阻力較小，而且?guī)缀鹾瓦M給系統(tǒng)的運動速度無關(guān)，動和靜摩擦力的變化也較小，較難出現(xiàn)低速爬行情況；
4）系統(tǒng)長期工作不會產(chǎn)生較大的磨損，其使用壽命較長，保持精度特性良好。因此，這種結(jié)構(gòu)在數(shù)控機床上運用相當廣泛，是當前中、小型數(shù)控機床中最為普遍的傳動形式。但是因為它存在運動的可逆性，即一方面它能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，相應的反過來它也可以把直線運動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運動，它不能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。因此當它用于水平放置或者垂直傳動的高速度、大慣量的傳動中一定要配有制動裝置。其中，采用具有制動裝置的伺服電動機來進行驅(qū)動是最簡單有效的解決方法。另外，在安裝和使用中為了防止螺母會脫離絲杠滾道，一般在機床上還要安裝超程保護裝置。就高速加工數(shù)控機床而言，這點至關(guān)重要。
（2）靜壓絲杠螺母副
靜壓絲杠螺母副的工作原理：在絲杠和螺母接觸面之間，通過油壓產(chǎn)生一層保持一定厚度，以及擁有一定剛度的壓力油膜，從而使得絲杠和螺母之間的摩擦由原來的邊界摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w摩擦，大大降低了摩擦阻力。絲杠轉(zhuǎn)動時，通過油膜的推動螺母將作直線運動，反之，螺母轉(zhuǎn)動時，可使絲杠作直線移動。靜壓絲杠螺母的特點是：
1）摩擦系數(shù)很小，僅為0.0005，比滾珠絲杠的摩擦損失更小，因此，其起動力矩很小，傳動靈敏，避免了爬行。
2）油膜可以吸振，提高了運動的平穩(wěn)性。
3）由于油液的不斷流動，有利于散熱和減少熱變形，提高了機床的加工精度和光潔度。
4）油膜層具有一定剛度，減少了反向間隙。
5）油膜層介于螺母與絲杠之間，對絲杠的誤差有“均化”作用，即可以使絲杠的傳動誤差小于絲杠本身的制造誤差。
6）承載能力與供油壓力成正比，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。但靜壓絲杠螺母副應有一套供油系統(tǒng)，而且對油的清潔度要求高，如果在運動中供油忽然中斷，將造成不良后果。
（3）齒輪齒條副
大型數(shù)控機床不宜采用絲杠傳動，因長絲杠制造困難，且容易彎曲下垂，影響傳動精度；同時軸向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度也難提高。如果加大絲杠直徑，則轉(zhuǎn)動慣量增大，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性不易保證，故常用齒輪齒條副。齒輪齒條副傳動用于行程較長的大型機床上，可以得到較大的傳動比，進行高速直線運動，剛度及機械效率也高。但其傳動不夠平穩(wěn)，傳動精度不高，而且還不能自鎖。采用齒輪齒條副傳動時，必須采取措施消除齒側(cè)間隙，當傳動負載小時，也可采用雙片薄齒輪調(diào)整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊，從而消除齒側(cè)間隙。當傳動負載大時，可采用雙厚齒輪傳動結(jié)構(gòu)。
（4）直線電動機驅(qū)動
采用直線電動機驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動相比，它具有以下優(yōu)點：
1）采用直線電動機驅(qū)動，不需要絲杠、齒輪齒條等轉(zhuǎn)換裝置即能直接實現(xiàn)直線運動，因此，它大大簡化了進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率。
2）旋轉(zhuǎn)電動機本身機械結(jié)構(gòu)由于受到離心力的作用，其旋轉(zhuǎn)速度受到限制；滾珠絲杠又受轉(zhuǎn)速特征值的約束，轉(zhuǎn)速不能太高。對于高速加工機床來說，雖然可以通過加大螺距提高進給速度，但是難以提高加速度。采用直線電動機驅(qū)動時，則可以不受此限制。
3）旋轉(zhuǎn)電動機必須通過絲杠、齒條等轉(zhuǎn)換機構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線運動，傳動環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性和穩(wěn)定性的影響無法避免；并且，這些轉(zhuǎn)換機構(gòu)在運動中必然會帶來噪聲。直線電動機從根本上消除傳動環(huán)節(jié)，故進給系統(tǒng)的精度高、剛度、快速性和穩(wěn)定性好，噪聲很小或無噪聲。
直線電動機的不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）與同容量旋轉(zhuǎn)電動機相比，直線電動機的效率和功率因數(shù)要低，特別在低速時更明顯。
（2）直線電動機，特別是直線感應電動機的起動推力受電源電壓的影響較大，故對驅(qū)動器的要求較高，應采用措施保證或改變電動機的有關(guān)特性來減少或消除這種影響。
（3）在金屬加工機床上，由于電動機直接和導軌、工作臺做成一體，必須采取措施以防止磁力和熱變形對加工的影響。綜上所述，本次數(shù)控雕刻機進給系統(tǒng)X/Y/Z三向均采用滾珠絲杠副作為傳動系統(tǒng)，機床X/Y軸均采用高精度直線導軌。Z軸采用圓柱導軌[12]。
4.2 滾珠絲杠系統(tǒng)
4.2.1滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算
①根據(jù)機床的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸，參照《南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列》，選用FFZD內(nèi)循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲桿，具體型號如下：
X向： FFZD 2504-3/1050×550
Y向： FFZD 2504-3/670×320
②因X向的滾珠絲桿比Y向的滾珠絲桿所受的負載大，現(xiàn)只計算X向絲桿的相關(guān)數(shù)據(jù)，Y向根據(jù)X向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。
具體計算如下:
4.2.2 強度計算
軸向負荷計算公式：
式中F—— 切削力，F(xiàn)=0
W——工件重量+工作臺重量 W=2301N
U——滾動導軌上的滾動摩擦系數(shù)（約為0.003-0.004），取U=0.004則 Fa=F+UW=0.004×2301=92N
激光切割機滾珠絲杠是在低速條件下工作的。
故本處的Go=（0.2-0.3）
Fa=18.4-27.6N對照樣本參數(shù),這里的Go非常小。
選定導程為4mm的滾珠絲杠副。
4.2.3滾珠絲杠副的傳動效率
滾珠絲杠副的傳動效率為:
η= tgψ/tg（ψ+ρ＇）
式中ψ—滾珠絲杠的螺紋升角
ρ＇—當量摩擦角
根據(jù)當量摩擦系數(shù)和當量摩擦角關(guān)系（見表2.1）
前面已經(jīng)定v=1m/s 材料選擇灰鑄鐵 HRC≥45
所以ρ＇=4°00′ tgρ＇=0.0025 ψ=arctg（Ph/πd）
式中:P h—導程，4mm
d——絲杠公稱直徑，27mm
則：
ψ=arctg（Ph/πd）＝2.91°
則傳動效率 η= tgψ/tg（ψ+ρ＇）＝0.953
表2. 1 當量摩擦系數(shù)f＇和當量摩擦角ρ＇
滾珠材料
錫青銅
無錫青銅
灰鑄鐵
絲杠表面硬度
HRC≥45
其它
HRC≥45
HRC≥45
其它
相對滑動速度 υs m/s
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
0.01
0.05
0.10
0.25
0.50
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
4
5
8
10
15
24
0.110
0.090
0.080
0.065
0.055
0.045
0.040
0.035
0.030
0.028
0.024
0.022
0.018
0.016
0.014
0.013
6°17′
5°09′
4°34′
3°43′
3°09′
2°35′
2°17′
2°00′
1°43′
1°36′
1°22′
1°16′
1°02′
0°55′
0°48′
0°45′
0.120
0.100
0.90
0.075
0.065
0.055
0.05
0.045
0.040
0.035
0.031
0.029
0.026
0.024
0.020
6°51′
5°43′
5°09′
4°17′
3°43′
3°09′
2°52′
2°35′
2°17′
2°00′
1°47′
1°40′
1°29′
1°22′
1°09′
0.180
0.140
0.130
0.100
0.090
0.070
0.065
0.055
0.05
0.045
0.040
0.035
0.03
10°12′
7°58′
7°24′
5°43′
5°09′
4°00′
3°43′
3°09′
2°52′
2°35′
2°17′
2°00′
1°43′
0.180
0.140
0.130
0.100
0.090
0.070
0.065
0.055
10°2′
7°58′
7°24′
5°43′
5°09′
4°00′
3°43′
3°09′
0.190
0.160
0.140
0.120
0.100
0.090
0.080
0.070
10°45′
9°05′
7°58′
6°51′
5°49′
5°09′
4°34′
4°00′
4.2.4直線滾動導軌的選型
導軌主要分為滾動導軌和滑動導軌兩種， 直線滾動導軌在數(shù)控機床中有廣泛的應用。相對普通機床所用的滑動導軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點：
①定位精度高
直線滾動導軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很 小，運動靈活，可使驅(qū)動扭矩減少90%，因此，可將機床定位精度設(shè)定到超微米級。
②降低機床造價并大幅度節(jié)約電力
采用直線滾動導軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復進行起動、停止的往復運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構(gòu)小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。
③可提高機床的運動速度
直線滾動導軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實現(xiàn)機床的高速運動，提高機床的工作效率20～30%。
④可長期維持機床的高精度
對于滑動導軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。
與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能?。疂L動面的摩擦損耗也相應減少，故能使直線滾動導軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計及使用維護方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用： 開式直線滾動導軌。
參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列
型號: 選用GGB型四方向等載荷型滾動直線導軌副。
具體型號 X向選用GGB20BA2P，2 420-4
Y向選用GGB20AB2P，2 560-4
圖2.2 直線導軌副
4.3 滾動導軌的安裝定位
通常導軌的安裝應滿足如下要求：剛度好、承載能力大、精度高、摩擦阻力小、精度保持性好、運動平穩(wěn)、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、便于加工、裝配、調(diào)整和維修、成本低等。
由于數(shù)控雕刻機床要求具有良好的靈活性來滿足機床的高速雕刻的要求，本機床X、Y、軸方向上均采用GGB型（四方向等載荷型）高精度直線導軌。直線滾動導軌通常是兩條組合配套成對使用，它可以水平式安裝，也可以垂直或傾斜式安裝。為了確保兩條導軌能夠平行，通常把其中一條導軌作為基準導軌