小型雕刻機結構設計說明書

1、目 錄摘 要1關鍵字11 引言21.1 雕刻機的概述21.1.1 雕刻機的特點21.1.2 研究雕刻機的目的和意義31.1.3 我國雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀31.1.4 雕刻機的發(fā)展趨勢31.2 設計研制雕刻機的特點41.3 研制的雕刻機的功能及使用范圍42 系統(tǒng)分析與方案的制定42.1 三維雕刻機的設計參數(shù)42.2 雕刻機總體方案選擇42.2.1 總體布局要求42.2.2 總體方案確定62.3 雕刻機運動系統(tǒng)方案設計72.3.1 坐標系統(tǒng)的確定72.3.2 總體結構72.3.3 主運動方案92.3.4 進給運動方案93 主運動系統(tǒng)的設計及校核93.1 銑削力、扭矩和功率的計算103.2 鉆削力、扭矩

2、和功率的計算123.3 主運動系統(tǒng)的設計143.3.1 主運動系統(tǒng)的方案143.3.2 主軸電機的設計計算144 進給運動系統(tǒng)設計計算154.1 Z方向進給運動系統(tǒng)設計154.1.1 Z方向進給運動系統(tǒng)組成154.1.2 滾珠絲杠副的設計計算154.1.3 滾珠絲杠的校核204.1.4 Z方向進給電機的設計計算234.1.5 聯(lián)軸器的選擇244.1.6 Z方向直線導軌副的設計計算254.2 X方向進給運動系統(tǒng)設計264.2.1 X方向進給運動系統(tǒng)組成264.2.2 滾珠絲杠副的設計計算264.2.3 滾珠絲杠的校核294.2.4 X方向進給電機的設計計算314.2.5 聯(lián)軸器的選擇324.2.

3、6 X方向直線導軌副的設計計算324.3 Y方向進給運動系統(tǒng)設計334.3.1 Y方向進給運動系統(tǒng)組成334.3.2 滾珠絲杠副的設計計算344.3.3 滾珠絲杠的校核374.3.4 Y方向進給電機的設計計算394.3.5 聯(lián)軸器的選擇404.3.6 Y方向直線導軌副的設計計算404.4 雕刻機設計參數(shù)的確定415 結論42參考文獻42致 謝43小型雕刻機結構設計 摘 要：雕刻機制作工藝日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。但雕刻機的價格均比較高。為了提高其普及率，設計一個經(jīng)濟、簡練的機械運動系統(tǒng)是具有重要的理論意義和實用價值的。本雕刻機的運動系統(tǒng)包括了主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)。其主運動系統(tǒng)采用電機直

4、接聯(lián)接刀具，省去中間傳動。而進給運動系統(tǒng)是采用步進電機帶動滾珠絲杠使部件在導軌上平移來實現(xiàn)三軸聯(lián)動。再次，對主電機的選用、滾珠絲杠、步進電機以及導軌等主要零部件進行了詳細的設計與計算。本課題是在參考現(xiàn)有雕刻機的基礎上，設計的一種小型雕刻機，適合一般的塑料板、鋁板等普通材料的機械加工。它有著安裝方便，結構簡單、新穎，制造成本低等優(yōu)點。關鍵字：雕刻機； 運動系統(tǒng)；三維；滾珠絲杠；The Structural Design of Small Carving Machine Abstract: Sculpture mechanism to mature process and has been wid

5、ely used. But relatively, the price of carving machine is high. In order to improve its popularizing rate, a economy, succinct mechanical motion systems design has important theoretical significance and practical value.This sculpture machine movement system includes main movement systems and feed mo

6、vement system. Its connection type of main movement system uses motor connecting cutting tools directly, saving middle transmission. Moreover, feed movement system uses the stepping motor drive screw component in the translation of the guide rail to realize three axis linkage. Again, the selection o

7、f main motor, the ball screw, step motor, guide rail and other major parts were detail designed and calculated. Based on the existing carving machines, this topic is used to design a small carving machine, which suitable for general plastic board, sheet of aluminium and the common material of mechan

8、ical processing. It has advantages such as convenient installation, simple structure, novel, the manufacturing cost, etc. Key words: Engraving machine; Motion system; 3D; The ball screw1 引言1.1 雕刻機的概述雕刻機，顧名思義就是用機械代替人工進行雕刻的設備。雕刻可以追溯到遠古時期，母系氏族時期的半坡氏族文化的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時期便發(fā)明了活字印刷，這里刻的字應屬于雕刻的范疇。隨著時代的

9、發(fā)展，我國的雕刻藝術日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術都可以堪稱一絕。上世紀90年代至今，機械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機、刻章機再到三維雕刻機，制作工藝也日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標識銘牌，可謂雕刻的使用無處不在。1938年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本等國也開始研制。20世紀90年代，隨著微電子技術的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術和微型計算機技術帶動整個高科技群體飛速發(fā)展，從而使雕刻

10、機產(chǎn)生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D-2.5D-3D加工的變革，功能完善、性格穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求1。1.1.1 雕刻機的特點 雕刻機的主要特點如下：產(chǎn)品的精度高，一致性好。雕刻機雕刻過程是由計算機控制完成的，可以達到很高的精度要求和表面質量。雕刻機投資少，見效快。以國產(chǎn)品牌為例，一臺小型號的雕刻機價格在兩萬左右，大型號的也不超過三四萬。雕刻機簡單易學，操作簡單。以一個電腦初級水平的人為例，如果接受公司培訓的話用不了一個星期就能全部掌握?，F(xiàn)在市場上都有很多相關的雕刻軟件，簡單易學。3 雕刻機加工范圍廣，前景廣闊。雕刻加工涉及各行各業(yè)、分布很廣，有禮品業(yè)、廣告業(yè)、印章

11、業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術模型業(yè)、機械加工等等。可加工的材料也是非常廣泛，包括金屬、石材、PVC板、ABS板、亞克力、仿石材、橡皮、雙色板、鋁塑板等等各種材料。隨著人們對雕刻機的認識和掌握逐步加深，應用范圍會得到不斷擴大，應用水平也會逐步提高，雕刻加工必定會有更廣闊的前景。1.1.2 研究雕刻機的目的和意義建國六十年來，我國的機械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟和人民生活的需要。但隨著世界科學技術的迅速發(fā)展，我國機械工業(yè)的技術水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達國家相比還存在相當大的差距。因此，在我國以新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術含量的新產(chǎn)品，已成為當前機械工業(yè)以至

12、各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關注和改革的焦點。機電一體化技術是機械技術和電子技術的有機結合，它包括機械、電子、計算機和自動控制技術。它從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實現(xiàn)整體優(yōu)化。1.1.3 我國雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著人類社會的發(fā)展，雕刻行業(yè)發(fā)生著巨大的變化，現(xiàn)如今人們對雕刻機有了全新的認識，數(shù)控木工雕刻機、模具雕刻機、激光雕刻機等電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機械已是大勢所趨。以廣告業(yè)為例，許多廣告行業(yè)的客戶都經(jīng)歷過從手工刻字到使用電腦刻字機，廣告雕刻機的使用實現(xiàn)了機械代替手工的飛躍，電腦代替了人腦，字體標準規(guī)范同時又大大提高了生產(chǎn)效率。隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，我國的雕刻

13、機產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機遇，有效地促進了我國雕刻機的生產(chǎn)和推廣應用。我國的雕刻機起步于經(jīng)濟型機床，隨著科學技術的進步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已形成了多個國產(chǎn)品牌的雕刻機，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機、北京精雕公司生產(chǎn)的精雕數(shù)控雕刻機和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機等。上述各類型雕刻機的機床本體結構較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術，采用基于高檔的微控制器或PC 的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進電機驅動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機的性價比較高，適用于精度要求不太高的普及應用場合。對高精度的雕刻加工，目前我國尚以進口數(shù)控雕刻機為主，如意大利的左拉、日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻

14、機。這類數(shù)控雕刻機機床本體設計剛度好、精度高，采用伺服電機驅動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高，但價格昂貴，往往數(shù)倍于國產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應用于模具等高精度加工場合。1.1.4 雕刻機的發(fā)展趨勢 雕刻機作為制造業(yè)一個有力的工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計算機技術、電機技術、機械技術等各個科學技術的發(fā)展，雕刻機的功能將日益強大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機發(fā)展趨勢總結如下：1更加精密；2更加高效；3隨著移動通訊技術和網(wǎng)絡技術飛速的發(fā)展，雕刻機將朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。1.2 設計研制雕刻機的特點本雕刻機是一種典型的機電一體化設備，但是本次機械設計，我只對機械部分進行設計，本設計簡化機械結

15、構，提高精度。主要措施是采用電機直接接刀具來實現(xiàn)主運動系統(tǒng)、步進電機直接與滾珠絲杠連接，從而省去了機械運動鏈，這不但簡化了整體結構，而且減少了由于機械摩擦、磨損、間隙等引起的傳動誤差。1.3 研制的雕刻機的功能及使用范圍雕刻機可以完成切、刻、雕，現(xiàn)主要有以下方面得到了廣泛的運用： 廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類雙色板標牌、有機玻璃、三維廣告牌、雙面人物雕像、浮雕獎章、有機板浮雕、立體門頭字等。 模型行業(yè)，房地產(chǎn)的發(fā)展，對建筑模型的需求不斷增加。售樓處的售樓模型、廣場模型、建筑設計方案的展現(xiàn)和展示，車輛模型市場的擴大，一些艦船模型、工業(yè)模型也有紀念和收藏的意義。雕刻機已成為制作模型的最佳助手。

16、木器工藝，用于浮雕圖案設計及制作。雕刻機可以打孔、鏤邊等，特別是新型裝飾材料、波浪板的廣泛應用，也給了雕刻機更大的成長空間，在提高了產(chǎn)品的重復性、標準化的同時，使成品的生產(chǎn)效益得到顯著的提高。 標志行業(yè)，伴隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，日新月異的城市公共基礎建設，街路的翻新改造，現(xiàn)代化住宅小區(qū)、星級酒店、寫字樓的不斷建設，對一些符合潮流和標準的標識和導向系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的需求，其中雕刻機制作的牌匾標志、標牌，占據(jù)了相當大的部分。 印章業(yè)，各類字體各類材料的印章雕刻。 汽車工業(yè)、輪胎模具，車燈模具及飾品模具加工。 印刷電路板（PCB）新產(chǎn)品開發(fā)中的電路制作，鉆孔、銑槽等。 藝品行業(yè)，旅游市場的不斷擴大，

17、旅客對具有當?shù)仫L情的禮物情有獨鐘，雕刻機在這方面也大有用武之地。 機械加工業(yè)，刻度盤字輪及標尺刻度。 2 系統(tǒng)分析與方案的制定2.1 三維雕刻機的設計參數(shù)2.2 雕刻機總體方案選擇2.2.1 總體布局要求雕刻機總體布局的基本要求有以下幾點：表1 雕刻機參數(shù)表Table 1 Carving machine parameter table規(guī)格型號參數(shù)X,Y軸雕刻范圍(mm)200×120進給速度（mm/s）工作1,2,3，5,8，10,15,20,30,40,50,60快速20,40,60機械精度（mm）0.01Z軸最大行程（mm）80進給速度（mm/s）工作0.5,

18、1,2,3,5,8,10快速5,10,15,20,25,30機械精度（mm）0.01指令精度（mm）0.0025主軸轉速（rpm）600020000最大工件重量（kg）20水平精度（mm）0.2直線精度（mm）0.1/300垂直精度（mm）±0.3/300原點精度（mm）±0.2定位精度（mm）0.025重復定位精度（mm）0.01工作臺面的平面度0.03/500橫梁移動的垂直度（mm）0.02/300主軸錐孔中心線的徑向跳動（mm）0.02主軸的軸向竄動（mm）0.01主軸回轉中心線對工作臺面的垂直度（mm）0.03刀具上下移動對工作臺面垂直度0.02首先必須滿足如加工范

19、圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等各種要求；確保實現(xiàn)工件和刀具的相對位置與相對運動。在經(jīng)濟合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率；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；應便于觀察加工過程，便于操作、調整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理。注意防護，確保安全；結構簡單，合理可靠，便于加工和裝配;體積小，重量輕，節(jié)約原材料，降低制造成本，縮小占地面積，外型美觀大方。在滿足總體布局的基本要求的基礎上，還應當考慮影響雕刻機布局的基本因素：表面形成運動的影響:不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來加工，從而表面形成運動的形式和數(shù)目就不同，并導致

20、布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術要求和生產(chǎn)率要求等同，也可以采用不同的刀具，不同的表面形成運動來加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表形成運動直接決定了雕刻機布局的形式是影響雕刻機布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機時，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動，以期作出具有較好技術經(jīng)濟效果的布局設計。 雕刻機運動分配的影響: 工件表面形成方法及運動相同，而雕刻機的運動分配不同，雕刻機的布局亦不同。對于同一種運動分配的布局，由于導軌的布置及其它結構型式的不同，也將使雕刻機的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機運動時，一般應注意以下三點: 1移動部件的重量應盡量輕。在其他條

21、件相同的情況下，越小，所需電機功率和傳動件的尺寸也越小。2應有利于提高加工精度。3應有利于提高雕刻機剛度，縮小占地面積。 工件的尺寸、重量和形狀的影響 工件的表面形成運動及雕刻機部件的運動分配基本相同，而工件的尺寸、重量和形狀的不同，雕刻機的布局也會有很大差異。另外，還應考慮雕刻機性能要求的影響，如振動、噪聲、熱變形、剛度和抗振性；操縱方便性的影響；模塊化設計法的影響等等。2.2.2 總體方案確定通過查閱相關資料，目前雕刻機基本布局形式通常有如圖1所示的兩種方案: 這兩種布局都采用龍門框架結構，雕刻機的剛度均較高。 布局(l)方案中，工作臺固定，雕刻頭作橫向和上下移動，立柱作縱向移動。該方案便

22、于變形為不同縱向長度的雕刻機。由于工作臺不動，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工件進行批量加工時，支點高度相同，故支架支撐調整方便。但雕刻頭運動精度較難保證且立柱移動較笨重。布局(2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動，工作臺作縱向移動。由于工作臺移動，承載能力較布局(1)方案差。若設計所承載工件的較輕，這種布局方式所需電機功率和傳動件的尺寸較小，移動較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長工件進行批量加工時，支點高度相同，故支架支撐調整方便，但支架結構較布局(1)方案略顯復雜。該方案的最大優(yōu)勢在于雕刻頭運動精度較易保證。 圖1 雕刻機布局簡圖Fig 1 Engravin

23、g machine layout diagram 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維雕刻機的設計參數(shù)，采用布局(1)方案。 2.3 雕刻機運動系統(tǒng)方案設計本部分著重研究在確定了總體布局型式后對雕刻機各組成部分方案的選擇,它包括：有效雕刻區(qū)域、滾珠絲杠的結構型式和參數(shù)、直線導軌的結構型式和參數(shù)、主電機的結構型式和參數(shù)、步進電機的結構型式和參數(shù)、主運動和進給運動的傳遞方式和轉速范圍等。 2.3.1 坐標系統(tǒng)的確定雕刻機的坐標系統(tǒng)采用右手法則，直角卡迪爾坐標系統(tǒng)?；咀鴺溯S為X、Y、Z直角坐標，對相應每一個旋轉運動符號為 A、B、C，如圖2

24、所示。Z 軸為平行于雕刻機主軸的坐標軸，垂直于工件裝卡面。 2.3.2 總體結構機械本體部分是雕刻機的骨架，有底座、立柱、工作臺、機頭和主軸組件等部分。在保證整個系統(tǒng)的機械剛性的前提下，為了簡化設計的結構，減輕整機重量，縮短產(chǎn)品的設計和制造的周期，其主體框架采用鋁合金拉延型材和軋制鋁板制造，防護件用塑料件和飯金件制造，用標準的緊固件和定位銷連接。雕刻機的機械結構部分：機械結構作為雕刻機的硬件部分，對雕刻機的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。 雕刻機的機械幾何結構由以下幾部分組成：底座部分，作為雕刻機整機的基礎，承擔整個機體的重量，要求穩(wěn)定堅固。底座由底下的四只腳與地面接觸；圖2 右手坐標系統(tǒng)

25、Fig 2 Right-handed coordinate system圖3 本雕刻機的總體布局和坐標系統(tǒng)的確定2Fig 3 The general layout of the carving machine and coordinate system identied工作臺部分，工作臺部分由工作臺及支架組成。工作臺作為雕刻工作時承載雕刻物體的部件，表面有T型溝槽，工作臺固定不動。 橫梁部分，橫梁由X方向的絲杠和導軌以及支架組成。橫梁承載機頭的重量，驅動機頭動，容易彎曲變形，在結構仿真和運動仿真中是重要的分析對象；機頭部分，機頭部分由

26、主軸組件、Z方向的絲杠和導軌以及支架組成。絲杠驅動主軸組的上下運動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻機頭的高速旋轉運動。2.3.3 主運動方案 主軸組件是雕刻機的執(zhí)行元件。它的功能是支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成形運動。雕刻機的主軸部分固定在Z方向絲杠的支架上，采用電主軸高速旋轉，實現(xiàn)刀具的切削運動。 高速控制機床主傳動機構已經(jīng)得到極大的簡化，取消了帶傳動和齒輪傳動，機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床主運動的“零傳動”，這種結構稱為電主軸。它具有結構緊湊，機械效率高，可獲得極高的回轉速度，振動小等特點。本雕刻機由

27、于主軸轉速達到20000r/min,所以應用電主軸。2.3.4 進給運動方案由前所述，采用橫梁移動、工作臺固定實現(xiàn)相對運動的方式，機頭在橫梁上移動(X 向)，實現(xiàn)雕刻寬度；龍門架在底座上移動(Y 向)，實現(xiàn)雕刻長度；主軸組件上下移動(Z 向)，實現(xiàn)雕刻深度。由于滾珠絲杠副具有很多優(yōu)點,因此各運動鏈中傳動件均采用滾珠絲杠副。步進電機和滾珠絲杠副直接連接。至于導軌,各運動鏈中支承件均采用滾動直線導軌副。機頭沿X 方向在絲杠上左右運動，實現(xiàn)雕刻寬度，如下圖4所示。整個立柱在底座上沿Y 方向前后運動，實現(xiàn)雕刻長度，如下圖5所示。主軸組件沿Z 方向上下運動，實現(xiàn)雕刻深度。各個傳動鏈中均采用絲杠螺母傳動副

28、，保證了運動的傳遞平穩(wěn)和結構的緊湊。絲杠一端通過聯(lián)軸器與電機主軸相聯(lián)，由步進電機驅動絲杠，將旋轉運動轉化為直線運動。另一端采用軸承位支承。步進電機的旋轉方向和轉速，由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電動機的轉動步數(shù)，即角位移的大小。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進電機的旋轉速度在很寬范圍內連續(xù)調節(jié)。它具有以下特點：1.位置控制功能；2.無極調速功能；3.正、反，急停及鎖定功能；4.低轉速及高精度位置功能。3 主運動系統(tǒng)的設計及校核三維機械雕刻機的加工對象主要是塑料、橡膠等有機材料和鋁、銅及其合金等有色金屬材料，這些材料具有較高的強度和良好的塑性。圖4 雕刻機X方向進給圖Fig 4 The

29、0;engraving machine X direction into to figure圖5 雕刻機Y方向進給圖Fig 5 The engraving machine Y direction into to figure以下采用了硬質合金直柄立銑刀(d0=8mm，z=2)和高速鋼標準麻花鉆(d0=3mm)在鋁板(180MPa)上進行銑削和鉆削，分別進行切削力、切削扭矩和切削功率的計算。根據(jù)三維機械雕刻機的加工范圍和使用功能及用戶在實際生產(chǎn)過程中不同的切削方式的所使用時間的分配，經(jīng)過統(tǒng)計，大致可將切削方式分為強力切削(切)、一般切削(雕)、精細切削(刻)和快速進

30、給四種切削方式，使用時間的分配分別是 10%，30%，50%，10%。3.1 銑削力、扭矩和功率的計算查參考文獻3，可得知下有關于銑削力、銑削扭矩和銑削功率的經(jīng)驗公式3。 （N） (1) （Nm） (2) (KW) (3)式中圓周銑削力(N)，銑削條件改變時銑削力修正參數(shù) ，扭矩 M(Nm)，銑削功率 ( kW )，查參考文獻取銑削寬度 (mm)=1.5×=10mm ，銑削深度 (mm) ,進給速度= (mm / min),銑削速度 v/1000(m/min),銑刀外徑=8(mm),每齒進給量(mm/z)，銑刀齒數(shù)z=2 ,銑刀轉速 n (r/mim) 。查機械加工工藝手冊二卷表9.

31、4-10 得以下與硬質合金鋼立銑刀的對應參數(shù):=116,=1,=0.75,=0.85,=0.73，=0.13，=0.25(加工鋁板)。將已知參數(shù)代入式(1) (2) (3)進行簡化，可得到僅與切削深度(mm) 、進給速度= (mm/min)和銑刀轉速n有關的計算公式4。 （4） （5） （6）另絲杠轉速 （7）初選絲杠導程=4（mm）將四種切削方式下的切削深度，進給速度和銑刀轉速n的變量帶入分別計算。強力切削將參數(shù)=2，=120，n=9000帶入（4）（5）（6）（7）得：53.5×2×1200.75×9000-0.62=13.613.6=0.054413.6&#

32、215;9000×10-7=0.0512一般切削 將參數(shù)=1，=1200，n=15000帶入（4）（5）（6）（7）得：53.5×1×12000.75×15000-0.62=28.128.1=0.11228.1×15000=0.176精細切削將參數(shù)=0.5，=2400，n=20000帶入（4）（5）（6）（7）得：53.5×0.5×24000.75×20000-0.62=19.819.8=0.079219.8×200000=0.166快速進給將參數(shù)=0.5，=3600，n=20000帶入（4）（5）（6）

33、（7）得：，3.2 鉆削力、扭矩和功率的計算 查參考文獻4，可得知下有關于鉆削力、鉆削扭矩和鉆削功率的經(jīng)驗公式。 (8) (9) (10)式中鉆削軸向力(N)，加工條件改變時的切削力修正參數(shù),鉆削扭矩M(Nm)加工條件改變時的切削力修正參數(shù),鉆削功率(kW),進給速度(mm/min),鉆削速度v=/1000(m/min) ,鉆頭外徑（mm）,進給量f(mm/r),鉆頭轉速n(r/min)。查機械加工工藝手冊二卷表 10.4-11 得以下與高速鋼標準麻花鉆相對應的參數(shù)：=600,=1,=0.7,=0.305,=2.0,=0.8 ,=0.25（加工鋁板）。將查得參數(shù)代入(8) (9) (10),可

34、得到僅與進給速度和鉆頭轉速 n 有關的計算公式。 （11） （12） （13） 另絲桿轉速 （14） 初選絲杠導程=4（mm）將四種切削方式中進給速度和鉆頭轉速n的變量帶入分別計算。強力切削將參數(shù)=300，n=9000 代入式（11）（12）（13）（14）得:=41.60.045一般切削將參數(shù)=480,n=15000代入式（11）（12）（13）（14）得:=0.0001×0.437×15000=0.656精細切削將參數(shù)=600,n=20000代入式（11）（12）（13）（14）得:=38.650.0415=0.0001×0.0415×20000=0

35、.083快速進給將參數(shù)=900,n=0代入式（11）(12)（13）（14）得:，。3.3 主運動系統(tǒng)的設計本節(jié)著重設計計算主運動系統(tǒng)中主軸電機的結構形式，以確定其型號及參數(shù)。為了減少主運動系統(tǒng)所占的空間，采用了由主軸電機直接接刀夾，中間不采用傳動機構。3.3.1 主運動系統(tǒng)的方案為了簡化機械結構，本設計采用主軸電機直接接上刀夾。 3.3.2 主軸電機的設計計算根據(jù)前兩節(jié)的計算結果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動效率，主軸電機所需扭矩、功率和轉速計算過程如下：轉矩計算查參考文獻5機電一體化系統(tǒng)設計手冊可知所采用的電機的扭矩，由章節(jié) 3.1 和 3.2 計算結果可知,最大扭矩值為0.437（Nm）。

36、故使便可滿足要求5。確定額定轉矩為（Nm）。功率計算查參考文獻5 機電一體化系統(tǒng)設計手冊,所采用的電機的功率。由章節(jié) 3.1 和 3.2 計算結果可知,最大功率為0.656（KW）,故使 0.656,定額定功率(kW )。因此,電機選用安陽萊必泰機械有限公司的生產(chǎn)的雕刻機用電主軸,外形圖與參數(shù)表如下：圖6 雕刻機主軸電機的外形圖Fig 6 Engraving machine spindle motor appearance figure表2 雕刻機主軸電機的技術參數(shù)Table 2 Engraving machine spindle motor technology

37、 parameters主軸型號Spindle type轉速Speed(r/min)電機Motor外形尺寸Shape Dimension(mm)潤滑LubKWVAHzDD1Joint of noseLL1L2ADX60-24Z/0.8240000.82202.24004026-ER11206620grease4 進給運動系統(tǒng)設計計算雕刻機的進給運動分為三部分：主軸的上下移動、小車的左右移動和橫梁的前后移動。它們的設計沒有本質的區(qū)別。三部分分別為Z主軸部件，X 軸部件，Y 軸部件。這一節(jié)先著重對Z軸進給運動傳動鏈中進給電機、滾珠絲杠和直線導軌，以確定規(guī)格型號及參數(shù)。4.1 Z方向進給運動系統(tǒng)設計4

38、.1.1 Z方向進給運動系統(tǒng)組成由前章所述，步進電機直接與滾珠絲杠連接，將電機的旋轉運動轉化為部件的移動，結構簡圖如圖7所示。4.1.2 滾珠絲杠副的設計計算主軸部件設計模擬模型如圖8。圖7 Z方向進給運動系統(tǒng)簡圖Fig 7 Z direction feed movement system diagram4.1.2.1 當量轉速與當量載荷確定各種切削方式下絲杠的轉速。查 3.2 節(jié)計算結果得四種加工方向下絲杠轉速：=75（rpm），= 120（rpm），=150（rpm），=225（rpm）。求各種切削方式下軸向載荷。絲杠受到的軸向力包括主軸部件的重力和導軌摩擦力以及鉆削力，以鉆孔時對Z軸絲杠

39、的軸向力最大,以其為例進行設計計算,過程如下:圖8 主軸部件模型圖Fig 8 Spindle assembly model diagram即 （15） 設重心在部件的中心,由于重心與導軌不在一線上,所以對導軌產(chǎn)生扭矩,導軌的受力如簡圖9。兩導軌的中心距離a=40mm,重心與絲杠的水平距離=60mm,軸向切削 力與絲杠的水平距離=80mm。查機械設計手冊中導軌章節(jié)得此類裝法對導軌的作用力： （16）作用在導軌上的摩擦力： （17）將式（4.3）代入式（4.1）得： （18）圖9 導軌的受力圖Fig 9 By trying to guide動摩擦系數(shù)理論上為 0.01

40、,但實際應用中由于安裝平行度，為消除間隙采取的預緊，常常大于理論值很多。所以動摩擦系數(shù)按照0.1核算，靜摩擦系數(shù)按照0.2核算。查章節(jié)3.2 得四種加工方式下的鉆削力：41.6,40.44 ,38.65，0。初步估計設計出來的主軸部件重量=5（kg）分別代入式（18）的四種加工方式下絲杠所受軸向力：10.04 , 10.73,11.81，65當量轉速，當量轉速計算公式為 （19）四種切削方式的使用時間占總使用時間的百分比與絲杠轉速分別為：=10%，=30%，=50%，=10%。=75（rpm）= 120（rpm）=150（rpm）=225（rpm）=75×10%+120×3

41、0%+150×50%+225×10%=141(rpm)當量載荷，當量載荷計算公式為： （20）以上結果代入式（20）得：=36（N）4.1.2.2 預定額定動載荷按預期工作時間估算：動載荷設計公式為： （21）查機床設計手冊第四冊表9，輕微沖擊取負載性質系數(shù)=1.3，查表7，按7級精度=0.8，查表8，按可靠性97%取可靠性系數(shù)=0.44,當量載荷=36（N）,當量轉速=141,根據(jù)設計要求6,本雕刻機預期工作時間=15000，代入式(4.7)得：=310（N）擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大負載計算： （22）查機床設計手冊第四冊表10，輕預載取=6.7代入式(22) 65=

42、435.5，取兩種結果的大值: 435.5(N)4.1.2.3 螺紋最大軸向變形量及螺紋最小底徑確定估算允許的最大軸向變形量（）的重復定位精度，故又的定位精度，故取兩種結果的小值估算最小螺紋底徑， （23）因采用的是一端固定,一端游動的安裝方式，故式中L(1.11.2)L行程+(1014)，初定Z方向的行程為80mm,導程=4mm。得L150mm。導軌靜摩擦力 =30(N)，代入式(23) 得：=1.85(mm)4.1.2.4 初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號初選內循環(huán)浮動式法蘭，直筒型墊片預緊螺母，型號代碼為FF，導程=4。由計算出的,在樣本中選取滾珠絲杠副FF1204-3，=4000>=43

43、5.5, =9.5>=1.85。選用南京工藝裝備制造有限公司的滾珠絲杠7，外形與參數(shù)表如下圖10,表3。圖10 滾珠絲杠外形圖Fig 10 The ball screw shape map表3 滾珠絲杠技術參數(shù)與外形尺寸表Table 3 The ball screw technical parameters and dimensions table規(guī)格代號公稱直徑公稱導程Ph絲杠外徑鋼球直徑絲杠底徑循環(huán)圈數(shù)基本額定負荷剛度KcN/m動載荷Ca(KN)靜載荷Coa(KN)FF1204-312411.32.3819.5346.720

44、8螺母安裝連接尺寸如下：D1=22mm D2=22mm L2=10mm D3=44mm B=8mm D4=32mm L1=35mm D5=4.8mm D6=8.5mm h=5mm D7=32mm M=2.5mm D8=16mm 確定滾珠絲杠副的預緊力，,而且65，故22（N）4.1.2.5 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號、規(guī)格軸承類型選擇依據(jù)。因為絲杠所受軸向力很小,而已絲杠采用一端固定于電機上另一端游動,沒有預拉伸力，另外,使用直線運動球軸承有以下的優(yōu)點：由于流動接觸可使起動磨擦阻力及動磨擦阻力為極小，因此可以節(jié)省能源，容易得到較高運動速度。對負荷增大，但磨擦系數(shù)無敏感變化，因此重負荷下，磨擦

45、系數(shù)極小，并且長期保持精度不變，可得機械使用壽命長期保持。直線運動軸承互換性好，安裝使用方便省時，并使機械結構新穎，小型，量輕之特點。節(jié)省給油手續(xù)，達到簡化潤滑保養(yǎng)的目的。兩側附加油封的軸承還適用與灰塵較多或 異物容易侵入的場所。因此，選用 FF-12型的直線軸承為Z軸的軸承。軸承型號。深圳市萬臣科技有限公司有直線軸承,外形參數(shù)如下圖11 FF-12軸承外形圖Fig 11 FF-12 bearing appearance figure表4 參數(shù)與安裝尺寸表Table 4  Parameters and installation size table軸承型

46、號外型尺寸（mm）FF-12d1LHFDg6APCDBXYZ101578345242424.5844.1.2.6 滾珠絲杠長度確定行程補償值C，行程補償值計算公式為C=11.8 （24）其中 （25）式中=80（mm）,螺母長度=37（mm）,安全行程=（24）=12，代入式(25)得=129(mm)。將溫差=2.5，129代入式(24)得：滾珠絲杠副工作圖設計。1.絲杠螺紋長度，查參考文獻14得余程=16（mm）,得：161(mm)。2.繪制工作圖，查樣本中螺母安裝連接尺寸，支承距離=165（mm）,絲杠全長L=220（mm），行程起點距固定點支承距離=40（mm）.4.1.3 滾珠絲杠的校

47、核4.1.3.1 傳動系統(tǒng)剛度絲杠抗壓剛度。由于本絲杠采用一端固定另一端游動。查參考文獻9得抗壓剛度計算公式： （26）由4.1.2.6節(jié)查得絲杠底徑=9.5（mm），兩支承距離=185（mm），行程起點距固定點支承距離=40（mm）,代入式(26)分別得:最小抗壓剛度455(N/)最大抗壓剛度2106(N/)絲杠支承副的剛度。以一端固定一端游動的安裝法，由于選用的是直線軸承，沒有接觸角，而一端固定提供了軸向力。故按參考文獻內的推力軸承剛度公式計算。支承副的剛度: (27)式中滾動體直徑=10,滾子數(shù)Z=4,最大軸向載荷65,代入式(27)得=85(N/µ m)絲杠滾珠和滾道的接觸剛

48、度。接觸剛度 (28)查參考文獻7得: 額定剛度,動載荷4000（N），滾珠絲杠副的預緊力=45（N）代入式（28）得：4.1.3.2 剛度驗算及精度選擇最小實際統(tǒng)剛度 (29)最大實際系統(tǒng)剛度 (30)查4.1.3.1節(jié)得最小抗壓剛度455(N/µm),最大抗壓剛度2106(N/µm)，絲杠支承副的剛度=85( N/µm )，接觸剛度=100 (N/µm),分別代入式(29)和式(30)得 ：驗算傳動系統(tǒng)剛度。靜摩擦=30根據(jù)設計要求，初定系統(tǒng)反向差值或重復定位精度為10µm。設計要求系統(tǒng)剛度9.6<=41.67，故事跡系統(tǒng)剛度滿足要求

49、。根據(jù)參考文獻8中表17-44,有定位精度的數(shù)控機械和精密機械可參考選用三四級精度8。4.1.3.3 驗算臨界壓縮載荷臨界壓縮載荷 （31)查參考文獻9垂直安裝的安全系數(shù)=0.5，一端固定一端游動的支承系數(shù)=2，查 4.1.2.5 節(jié)與 4.1.2.6 節(jié)得絲杠底徑9.5mm,兩支承距離185 mm，代入式(4.17)得23799遠大于最大負載，故滿足要求9。4.1.3.4 驗算臨界轉速臨界轉速計算公式: (32)式中是與以一端固定一端游動的安裝方式有關的系數(shù)，查表參考文獻14得=15.1,螺母與游動端的距離=185mm, 絲杠底徑=9.5 mm,代入式(32)得: =41914，0.8=33

50、531>工作最大轉速=900，故滾珠絲杠滿足要求。4.1.3.5 值的驗算 (33)式中滾珠絲杠的節(jié)圓直徑=15.88，最高轉速=900，代入得：70000符合要求。4.1.3.6 基本軸向額定載荷驗算。，式中=65N，查參考文獻9得絲杠載荷的靜態(tài)安全系數(shù)=2，查絲杠樣本最大靜載荷=6700，代入式中，故軸向額定載荷滿足要求。4.1.3.7 確定滾珠絲杠的規(guī)格代號。根據(jù)Z方向進給滾珠絲杠校核計算，確定其為以下型號:型號FF1204-3,公稱直徑：12mm,導程：4mm,螺紋長度：165mm,絲杠全長：220mm,P類3級精度 FF1204-3/220×1654.1.4 Z方向進給電機的設計計算4.1.4.1 作用在絲杠副上的各種轉矩外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩， (34)由4.1.2.1 節(jié)查得絲杠最大軸向力=65,導程=4 ,三級精度的絲杠副效率=0.9，代入式(4.20)得 ：=0.046(Nm)預加載荷產(chǎn)生的預緊力矩， (35)由4.1.2.4 節(jié)查得滾珠絲杠預緊力:=22，代入式(35)得：=0.0033（Nm）4.1.4.2 計算轉動慣量J(g/cm)負載轉動慣量。絲杠的轉動慣量 (36)由4.1.2.節(jié)查得絲杠全長L=22(cm),外徑d=1.13(cm),密度=7.85代入式(36