基于pc機的小型雕刻機設計——結構設計【畢業(yè)設計】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于pc機的小型雕刻機設計——結構設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 機械設計制造及自動化 </p

2、><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　

3、　機電一體化廣泛地綜合了機械、微電子、自動控制、信息、傳感測試、電力電子、接口、信號變換和軟件編程等技術，并將這些技術有機的結合成一體，它是當今世界機械工業(yè)技術和產品發(fā)展的主要趨勢。三維機械雕刻機是一種典型的機電一體化產品，在廣告制作行業(yè)、模具加工等很多行業(yè)具有較大的市場前景。本文簡要地介紹了雕刻機的起源和發(fā)展現狀，分析了國內外同類雕刻機的特點，說明了雕刻機的功能和使用范圍；制定了研制的三維機械雕刻機的總體設計方案詳細地分析了雕刻機系統

4、的總體布局和結構方案、數控系統的運動方式，以及主運動和進給運動系統選擇等。分別進行了機械系統的設計和實現，包括主運動和進給運動的設計計算及硬件的選用等內容。</p><p>　　關鍵詞：雕刻機，數控系統，機電一體化 </p><p>　　Research On The NC Engraving Of Structure Based On The PC</p><p>

5、;<b>　　Abstract</b></p><p>　　These technologies are widely used in Mechatronics，including mechanism，microelectro-nics，autocontrol，information，sensor and test，power and electron，interface，signal tr

6、ansform，software program．On the other hand，Mechatronics makes these techn0109ies integrated closely．It is the primary trend of the development of mechanical industrial technology and products in the world nowadays．3D—Mec

7、hanical Engraving Plotter is a typical mechatronics products，it has marketability foreground in the advertising ，</p><p>　　KEY WORDS：Engraving Plotter，numerical control system，mechatronics</p><p&g

8、t;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 雕刻機概述1</p><p>　　1.2雕刻機行

9、業(yè)介紹1</p><p>　　1.3 雕刻機分類4</p><p>　　1.4雕刻機問題描述5</p><p>　　1.5雕刻機工作原理5</p><p>　　2 總體設計方案6</p><p>　　2.1 三維雕刻機的設計參數6</p><p>　　2.2雕刻機總體方案選擇7&l

10、t;/p><p>　　2.2.1雕刻機工作方式的選擇7</p><p>　　2.2.2 主要直線傳動元件的選擇7</p><p>　　2.3雕刻機運動系統方案設計8</p><p>　　2.3.1 坐標系統的確定8</p><p>　　2.3.2主運動方案9</p><p>　　2.3.3

11、 進給運動方案9</p><p>　　3 主運動系統的設計及校核10</p><p>　　3.1 銑削力、扭矩和功率的計算10</p><p>　　3.2 鉆削力、扭矩和功率的計算12</p><p>　　3.3 主運動系統的設計14</p><p>　　3.3.1 主運動系統的方案14</p>

12、<p>　　3.3.2 主軸電機的設計計算14</p><p>　　4 進給運動系統設計計算17</p><p>　　4.1 Z方向進給運動系統設計17</p><p>　　4.1.1 Z 方向進給運動系統組成17</p><p>　　4.1.2 滾珠絲杠副的設計計算17</p><p>　　4

13、.1.3滾珠絲桿的校核23</p><p>　　4.1.4 Z方向進給電機的設計計算25</p><p>　　4.1.5 聯軸器的選擇27</p><p>　　4.1.6 Z方向直線導軌副的設計計算27</p><p>　　4.2 X方向進給運動系統設計29</p><p>　　4.2.1 X 方向進給運動系

14、統組成29</p><p>　　4.2.2 滾珠絲杠副的設計計算29</p><p>　　4.2.3滾珠絲桿的校核33</p><p>　　4.2.4 X方向進給電機的設計計算35</p><p>　　4.2.5 聯軸器的選擇37</p><p>　　4.2.6 X方向直線導軌副的設計計算37</p&

15、gt;<p>　　4.3 Y 方向進給運動系統設計37</p><p>　　4.3.1 Y 方向進給運動系統組成37</p><p>　　4.3.2 滾珠絲杠副的設計計算38</p><p>　　4.3.3滾珠絲桿的校核41</p><p>　　4.3.4 X方向進給電機的設計計算43</p><p

16、>　　4.3.5 聯軸器的選擇45</p><p>　　4.3.6 X方向直線導軌副的設計計算45</p><p>　　4.4雕刻機設計參數的確定45</p><p><b>　　總 結48</b></p><p><b>　　參考文獻49</b></p><p&

17、gt;<b>　　致謝50</b></p><p><b>　　附錄51</b></p><p>　　附錄圖1 雕刻機三維圖：51</p><p>　　附錄圖2 CAD圖紙：54</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>&

18、lt;b>　　1.1 雕刻機概述</b></p><p>　　計算機數控雕刻技術是傳統雕刻技術和現代數控技術結合的產物，它秉承了傳統雕刻精細輕巧、靈巧自如的操作特點，同時利用了傳統數控加工中的自動化技術，并將二者有機的結合在一起，成為一種先進的雕刻技術。所有這些技術最終都是通過CNC雕刻機轉化為真 正的生產能力。CNC雕刻機集計算機輔助設計技術（CAD)技術、計算機輔助制造技術（CAM技術）、數

19、控技術（NC技術）、精密制造技術于一體，是目前最先進的雕刻設備，代表了最先進的雕刻技術。使用CNC雕刻技術和CNC雕刻機已經成為雕刻行業(yè)的一種潮流[1]。 </p><p>　　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、日本和法國等國也開始研制。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

20、子技術和微型計算機技術帶動整個高技術群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產生了值得飛躍。雕刻機完成了從2D——2.5D——3D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。</p><p>　　國外的雕刻機，如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”是此行業(yè)的佼佼者，但價格非常昂貴。不管大小都在10萬元人民幣以上。近幾年國內的雕刻機，北京“精雕”、上?！白哪绝B”在國內也有一定的市場，但價格也不

21、菲。</p><p>　　1.2雕刻機行業(yè)介紹 </p><p>　　雕刻從加工原理上講是一種鉆銑組合加工，同其他加工手段存在著特有的長處和天生的短處。若CNC雕刻對象選擇正確、工藝使用合理，CNC雕刻就會成為賺錢的職業(yè)。若CNC雕刻入錯了行，陷入弱勢，CNC雕刻就會“勉為其難”，投資者的回報將會很低，由于CNC雕刻對象的特點為圖案復雜、造型奇特、成品精細，而CNC雕刻機以輕型結構為主

22、，這實際上限定了CNC雕刻的工作方式為“小刀的快速銑削”，事實上這也正是CNC雕刻的“專業(yè)勢”，緣由是CNC雕刻是在干“常規(guī)大刀具無法加工的業(yè)務”。正由于CNC雕刻的特有的專業(yè)優(yōu)勢，CNC雕刻方式在模具雕刻業(yè)和廣告雕刻業(yè)應用得較為得心應手。</p><p>　　（1）模具雕刻——小刀具獨領風騷</p><p>　　CNC雕刻在工業(yè)領域中應用最廣的是模具業(yè)，在模具生產過程中CNC雕刻不是主要

23、加工方式和生產手段，但其作用卻非同一般，可謂是“畫龍點睛”，這是由雕刻對象的“圖案、文字和復雜的曲面”特點所決定！當前CNC雕刻在模具雕刻領域主要的業(yè)務為：</p><p>　　紫銅和石墨電極加工：電火花成形機是當前模具業(yè)中主要的生產設備，電極的需求量較大，但電極生產缺乏專業(yè)設備，CNC雕刻可為電火花機作專業(yè)配套，可高效精細加工棱角分明、形態(tài)別致的電火花成形電極。</p><p>　　五金

24、沖模和精密沖頭加工：五金行業(yè)中冷沖壓是一種主要的生產手段，沖壓模具的加工是一個十分關鍵的環(huán)節(jié)！五金沖模主要以Cr12為加工材料，CNC雕刻可加工的典型沖模有：眼鏡角絲、眼鏡中梁、眼鏡托葉芯、鈕扣、飾物、紀念幣、餐具柄、拉鏈等。CNC雕刻在加工精密沖頭更有獨到之處。</p><p>　　鞋材模具和鞋底模型加工：制鞋是世界性的大行業(yè)，鞋材和鞋底加工是制鞋業(yè)的主要生產環(huán)節(jié)！CNC雕刻可構造和加工以藝術曲面為主要形態(tài)的鞋

25、底模型（代木）、鞋材高周波（高頻）模具以及斬皮模具。 </p><p>　　滴塑（微量射出）模具和公仔模具加工：滴塑模具是滴塑禮品的主要生產工具，這是典型的薄壁件產品，單件小批量，一致性和加工精度要求較高！CNC雕刻尤其擅長于59號銅材等脆性材料的曲面形態(tài)薄壁件加工。</p><p>　　鐘表零件加工和輕型CNC加工：這是輕型CNC設備的典型應用，專業(yè)設備的專業(yè)使用、生產效率高、投資成本低

26、！CNC雕刻可高效精細進行表殼異型曲面銑、鉆和雕花，CNC雕刻還可精確快速進行表殼、表鏈、表盤等鑲鉆位鉆孔加工。而這種類似的輕型CNC加工應用還有許多，如：裝飾品雕刻、印章雕刻、產品刻字、模具刻字、燙金模板、印刷膠版等。</p><p>　　壓花（皮紋、花紋）輥輪和圓柱體工件雕刻：輥花是皮革、裝飾紙張等產品的主要生產手段，CNC雕刻在皮革壓花輥輪（皮紋）、紙張（餐巾紙、包裝紙、壁紙）壓花輥輪、圓柱體工件雕刻的應用

27、十分有特色！</p><p>　　首板（手板、樣板）模型加工：首板（模型樣板）是手工機械雕刻的基本工具，CNC雕刻可按照實物建模，實現二維到三維的構造，高效精細加工模型樣板。</p><p>　　（2）廣告雕刻——精雕細刻、求新創(chuàng)異</p><p>　　CNC雕刻在廣告行業(yè)中主要應用于沙盤模型、廣告標牌和文字標志的制作，這些業(yè)務在雕刻工藝上相對簡單，關鍵是在效果表現

28、上，而且主要突出的效果是“精雕細刻和求新創(chuàng)異”。</p><p>　　精雕細刻：“精雕細刻”是一個優(yōu)質產品形態(tài)和內涵的表征！這一特征體現在沙盤模型部件、廣告標志和文字圖案雕刻加工方式上為：“文字圖案清晰精細、鏤空字和圖形邊緣光滑、鏤空圖案內角R小、加工效率高”。CNC雕刻以其特有的小刀具加工方式，在生產效率和加工精度上可滿足廣告制作業(yè)的精雕細刻的要求！</p><p>　　求新創(chuàng)異：廣告人

29、多以“新”和“異”來表達自己所訴求的主題并吸引公眾的注意！平面圖形是一種使用很久的表達方式，人們已逐漸“熟視無睹”了！浮雕文字和藝術標志是廣告人常用的表達方式，但目前只停留“感觀”上。隨著CNC雕刻機的使用，CNC雕刻加工已將過去人們感觀上“看”到的浮雕效果變成真正的“浮雕”文字和標志！這將有助于廣告人在表達方式上有所突破?！扒笮聞?chuàng)異”這要求設計軟件有足夠的藝術創(chuàng)造能力，CNC雕刻設計軟件的藝術繪圖機制和藝術浮雕曲面造型功能為廣告人提供

30、了一個新的“創(chuàng)異”手段！[2]</p><p>　　雕刻機應用行業(yè)大全：</p><p>　　1）廣告及禮品制作業(yè)：用于雕刻各類雙色板標牌，有機玻璃、梵特石門牌、三維告示牌、裝飾禮品、燈箱片雙色人雕像、浮雕獎章、 嵌墻式燈屋、光導板雕燈屋、有機板浮雕立體門頭等。</p><p>　　2）模具行業(yè)：雕刻鈕扣浮雕模，印刷燙金模、注塑模、吹塑模、沖壓模、眼睛模。</

31、p><p>　　3）煙草行業(yè)：用于包裝煙盒防偽標志，模板制作及卷煙字輪制作。</p><p>　　4）印刷電路板（PCB）品開發(fā)中的電路制作，鉆孔銑槽等。</p><p>　　5）汽車工業(yè)：輪胎模具車燈模具及裝飾品模具加工。</p><p>　　6）造幣業(yè)：印鈔水印防偽模具及硬幣模具制作。</p><p>　　7）包裝業(yè)：

32、箱包燙金，紙箱包裝膠字模制作。</p><p>　　8）模型制作業(yè)：制作沙盤模型，房屋模型等。</p><p>　　9）制作各種員工胸牌、各類門牌、招示牌。</p><p>　　10）印章業(yè)：各類字體各類材質的印章雕刻</p><p>　　11）造船業(yè)：船艙板平面布置及標牌雕刻。</p><p>　　12）機械加工業(yè)：

33、刻度盤字輪及標尺刻制。</p><p>　　13）木器業(yè)：用于浮雕圖案設計及制作。</p><p>　　14）照相機光圈變焦零件及刻度加工。</p><p>　　15）水箱壓縮機閥板等復雜零件加工。</p><p>　　16）液壓泵軸子定子封油槽具加工。</p><p>　　17）電火花加工機床電板雕刻加工。</

34、p><p>　　18）印刷行業(yè)：用于凹凸板制作。</p><p>　　19）手表表布告表殼模具制造。</p><p>　　20）糕點模制作等，有勝枚舉。</p><p>　　21）高爾夫球頭字及線加工。</p><p>　　22）硯頭藝術雕刻加工。</p><p>　　23）摩托車變速桿加工。<

35、;/p><p>　　24）保齡球球面刻字。</p><p>　　25）裝飾制品雕刻。</p><p>　　26）首飾精細雕刻。</p><p><b>　　1.3 雕刻機分類</b></p><p>　　電腦雕刻機有激光雕刻和機械雕刻兩類，這兩類都有大功率和小功率之分。因為雕刻機的應用范圍非常廣泛，因

36、此有必要了解各種雕刻機的最合適的應用范圍：</p><p>　　1）胸牌：小功率激光雕刻機（刻章機）、大功率或小功率電腦雕刻機；</p><p>　　2）建筑模型：大、小功率電腦雕刻機；</p><p>　　3）金屬（模具、章等）加工：大、小功率電腦雕刻機（大功率因每次切削量較</p><p><b>　　多而省時）；</b&

37、gt;</p><p>　　4）水晶字制作：大功率激光雕刻機（50W以上），大功率機械雕刻機；</p><p>　　5）木材、有機玻璃、人造石等標牌制作：大功率機械雕刻機；</p><p>　　6）展示、展覽模型制作：大功率、大幅面機械雕刻機。</p><p>　　電腦雕刻機分為大功率和小功率兩類。小功率的只適合做雙色板、建筑模型、小型標牌、

38、三維工藝品等。由于功率太小而大大影響了其應用的范圍。大功率雕刻機可以做小功率雕刻機的東西。最適合做大型切割、浮雕、雕刻。</p><p>　　雕刻主要應用于：廣告業(yè)、工藝業(yè)、模具業(yè)、建筑業(yè)、印刷包裝也、木工業(yè)、裝飾業(yè)等。</p><p>　　雕刻耗材有：亞克力有機板、PVC板、芙蓉板、雙色板、木工板、密度板、大理石、防火板、橡膠板、玻璃等。</p><p>　　業(yè)務

39、對象：廣告公司、裝潢公司、酒店、賓館、商場、學校、醫(yī)院、辦公樓、娛樂場所、洗浴中心、集團、企業(yè)、行政機關等。 </p><p>　　1.4雕刻機問題描述</p><p>　　雕刻機在各行各業(yè)中的應用已日益廣泛，然而國內市場上出現的雕刻機，雖然性能較好，但價格也非常昂貴。普通的雕刻機都是萬元以上，令一些小單位及個人用戶望而卻步。爭對不同的應用領域，所要求的雕刻機的性能亦不相同。本項目的目的就

40、是利用PC機的并口等現有資源，提供一種低價，高效，簡便的數控雕刻系統的解決方案。通過本項目的研究，可以為中小用戶，尤其是個人用戶提供低價的雕刻機，從而拓寬現有雕刻機的用戶群，普及國內雕刻機。</p><p>　　1.5雕刻機工作原理 </p><p>　　電腦雕刻機 由計算機，雕刻機控制器，雕刻機主機三部分組成。工作原理：是通過計算機內配置的專用雕刻軟件進行設計和排版，并由計算機把設計與排

41、版的信息自動傳送至雕刻機控制器中，再由控制器把這些信息轉化成能驅動步進電機或伺服電機的帶有功率的信號(脈沖串)，控制雕刻機主機生成X,Y,Z三軸的雕刻走刀路基徑。同時，雕刻機上的高速旋轉雕刻頭，通過按加工材質配置的刀具，對固定于主機工作臺上的加工材料進行切削，即可雕刻出在計算機中設計的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實現雕刻自動化作業(yè)。</p><p><b>　　2 總體設計方案</b>&

42、lt;/p><p>　　2.1 三維雕刻機的設計參數</p><p>　　表2-1雕刻機參數表</p><p>　　2.2雕刻機總體方案選擇</p><p>　　2.2.1雕刻機工作方式的選擇</p><p>　　目前市場上雕刻機主要有如圖2.1所示兩種布局形式：</p><p>　　圖2-1 雕刻

43、機布局形式</p><p>　　布局（1）中，工作臺固定，雕刻頭隨絲杠轉動作X和Z向運動，龍門架作Y向運動，該方案雕刻范圍大，承載能力強，比較適合加工較重的物件，但雕刻時穩(wěn)定性較差，結構較布局（2）復雜。</p><p>　　布局（2）中，工作臺作Y向運動，雕刻頭隨著絲杠轉動作X和Z向的運動。該方案設計的雕刻機結構簡單，移動輕便，因雕刻機龍門架不移動，Y向加工時，只要重量輕的工作臺移動即可

44、，所以其穩(wěn)定性比布局（1）好，加工時容易保證加工精度，但是這種雕刻機加工范圍比較小，因為工作臺移動，所以承載能力較差。</p><p>　　本次設計側重于設計輕便小巧實用的小型雕刻機加工物件較小，承載較輕，所以選用布局（2）作為本次設計的方案。該結。構中，機械本體部分包括雕刻機的骨架，有底座、立柱、工作臺、機頭和主軸組件等部分。使用鋁合金作為主體框架，用標準的緊固件和定位銷連接，保證在足夠的機械剛度前提下設計一臺

45、簡單輕型的雕刻機。</p><p>　　2.2.2 主要直線傳動元件的選擇</p><p>　　一般雕刻機直線傳動元件有兩種：同步帶和絲杠。同步帶傳動平穩(wěn)，傳動精度較高，目前的針式打印機和部分機械雕刻系統均采用同步帶作為直線運動元件。對數控機床，直線傳動機構都采用絲杠，絲杠傳動精度高，本次設計選用滾珠絲杠，按標準型號和尺寸選擇。</p><p>　　滾珠絲杠有螺桿、

46、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化為直線運動，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器，是工業(yè)機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉化為線性運動，或將扭矩轉換為軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。滾珠絲杠副是用世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠壞境方面，對溫度、濕度進

47、行了嚴格的的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現滑動運動那樣的爬行現象，能保證實現精確的微進給。滾珠絲杠副可以加于壓力，使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性。滾珠絲杠的運動效率高、發(fā)熱小，可實現高速進給。</p><p>　　2.3雕刻機運動系統方案設計 </p><p>　　雕刻機運動系統設計包括有效雕刻區(qū)域、滾珠絲杠

48、結構形式和參數、直線導軌的結構形式和參數、主電機的結構形式和參數、步進電機的結構形式和參數、主運動和進給運動的傳遞方式和轉速范圍等。具體方案查看第三章內容。</p><p>　　2.3.1 坐標系統的確定</p><p>　　雕刻機的坐標系統采用右手法則，直角笛卡爾坐標系統?；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2.2 所示。Z 軸為平行于雕刻機主軸的坐

49、標軸，垂直于工件裝卡面。</p><p>　　圖2-2 右手坐標系統</p><p>　　2.3.2主運動方案</p><p>　　雕刻機主運動方案通常有兩種方案:直接采用專用的雕刻頭或采用直流電機帶動主軸機構。真流電機加上帶輪雖然也可以滿足主軸速度的要求，而且也比較便宜，但會增加機械結構的復雜程度。專用的雕刻頭的優(yōu)點在這里不在復述，配以與之配套的變頻調速裝置，既簡

50、單又實用，故采用專用的雕刻機主電機。</p><p>　　2.3.3 進給運動方案</p><p>　　由前所述，采用橫梁固定、工作臺移動實現相對運動的方式，機頭在橫梁上移動(X 向)，實現雕刻寬度;工作臺在底座上移動(Y 向)，實現雕刻長度;主軸組件上下移動(Z 向)，實現雕刻深度。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,

51、各運動鏈中支承件均采用滾動直線導軌副。</p><p>　　3 主運動系統的設計及校核 </p><p>　　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。</p><p>　　本雕刻機采用硬質合金直柄立銑刀(d0=6mm，z=4)和高速鋼標準麻花鉆在鋁板(180MPa)上進行銑削和鉆削，

52、分別進行切削力、切削扭矩和切削功率的計算。切削方式分強力切削、一般切削、精細切削和快速進給四種，使用時間比例分別為10%，30%，50%，10%。</p><p>　　3.1 銑削力、扭矩和功率的計算</p><p>　　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驗公式。 </p><p><b>　?。?） 銑削力 ：</b&

53、gt;</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p><b>　　:圓周銑削力；</b></p><p><b>　　:銑削深度；</b></p><p><b>　　:每齒進給量，=；</b></p><p>&

54、lt;b>　　:進給速度；</b></p><p>　　：銑削寬度，==6mm;</p><p><b>　　n: 主軸轉速；</b></p><p>　　：銑削條件改變時銑削力修正系數。</p><p>　　查《機械加工工藝手冊》表9.4-10得硬質合金立銑刀的對應參數：</p><

55、;p>　　表3-1 銑刀參數表</p><p>　　各項參數帶入公式(3.1)簡化得到：</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p><b>　?。?）銑削扭矩:</b></p><p>　　=

56、 (3.3)</p><p><b>　　（3）銑削功率：</b></p><p>　　(KW) (3.4) </p><p>　　v:銑削速

57、度 (3.5)</p><p><b>　　簡化得：</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　另絲杠轉速 n絲= （3.7

58、）</p><p>　　初選絲杠導程Ph= 3mm</p><p>　　將四種切削方式下的切削深度ap、進給速度vf和銑刀轉速n的變量代入分別計算。</p><p><b>　　1）強力切削</b></p><p>　　將參數 ap =2mm， vf =60mm/min，n =3000rpm代入式（3.2）（3.3）（3

59、.6）（3.7）得:</p><p>　　n絲=20(rpm);</p><p>　　Fc=61.26(N);</p><p><b>　　M=</b></p><p><b>　　2）一般切削</b></p><p>　　將參數 a =1mm， vf =30mm/min，n

60、 =5000rpm代入式（3.2）（3.3）（3.6）（3.7）得:</p><p>　　n 絲=10(rpm);</p><p><b>　　M=</b></p><p><b>　　3）精細切削</b></p><p>　　將參數 a p=0.5mm， vf =12mm/min，n =8000r

61、pm代入式（3.2）（3.3）（3.6）（3.7）得:</p><p>　　n 絲=4(rpm);</p><p><b>　　M=</b></p><p><b>　　4）快速進給</b></p><p>　　將參數 a =0mm， vf =240mm/min，n =0代入式（3.2）（3.3）（

62、3.6）（3.7）得:</p><p>　　n 絲=80(rpm);</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　M=0;</b></p><p><b>　　.</b></p><p>　　3.2 鉆削力、扭矩和功率的計算<

63、;/p><p>　　查參考文獻[5], 可得知有關于鉆削力、鉆削扭矩和鉆削功率的經驗公式：</p><p>　　鉆削力： （3.8）</p><p>　　鉆削扭矩： （3.9）</p><p>　　鉆

64、削功率： （3.10）</p><p>　　公式中各項參數如下：</p><p><b>　　f: 進給量</b></p><p><b>　　:進給速度；</b></p><p><b>　??；銑刀外徑&l

65、t;/b></p><p><b>　　n: 主軸轉速；</b></p><p>　　KF：銑削條件改變時銑削力修正系數</p><p>　　查《機械加工工藝手冊二卷》表10.4-11得以下與硬質合金鋼立銑刀想對應的參數： =600,=1,=0.7,=0.305 ,=2.0,=0.8, = 1（加工45號鋼）將查得參數代入(3.8)、

66、(3.9) 、(3.10),可得到僅與進給速度和鉆頭轉速n有關的計算公式。</p><p><b>　　簡化各公式得：</b></p><p><b>　　(3.11)</b></p><p><b>　　(3.12)</b></p><p><b>　　(3.13)

67、</b></p><p><b>　　1）強力鉆削</b></p><p>　　將參數 =60mm/min，n=3000rpm代入式（3.11）（3.12）（3.13）得</p><p><b>　　(N);</b></p><p>　　=0.48(Nm)；</p><

68、;p><b>　　(KW)</b></p><p><b>　　2）一般鉆削</b></p><p>　　將參數=30mm/min，n=5000rpm代入式（3.11）（3.12）（3.13）得</p><p><b>　　(N);</b></p><p>　　=0.18

69、(Nm);</p><p><b>　　(KW)</b></p><p><b>　　3）精細鉆削</b></p><p>　　將參數=120，n=8000代入式（3.11）（3.12）（3.13）得</p><p><b>　　(N)</b></p><p

70、><b>　　=0.06(Nm)</b></p><p><b>　　(KW)</b></p><p><b>　　4）快速進給</b></p><p>　　將參數=120，n=8000代入式（3.11）（3.12）（3.13）得</p><p>　　n 絲=40 (rp

71、m);</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　.</b></p><p>　　3.3 主運動系統的設計</p><p>　　3.3.1 主運動系統的方案</p><

72、p>　　本節(jié)著重設計計算主運動系統中主軸電機的結構形式，以確定其型號及參數。為了減少主運動系統的所占的空間，采用了由主軸電機直接接上刀夾，中間不采用傳動機構。</p><p>　　3.3.2 主軸電機的設計計算</p><p>　　(1)轉矩 M0 計算</p><p>　　查參考文獻[6]《機電一體化系統設計手冊》可知所采用的電機的扭矩 </p>

73、;<p>　　M0 Max{Mi},由章節(jié)3.1和3.2計算結果可知,最大扭矩值為0.48(Nm),故使</p><p>　　M00.48便可滿足要求確定額定轉矩為 Me =3.8(Nm)</p><p>　　(2) 功率P0 計算</p><p>　　查參考文獻[6]《機電一體化系統設計手冊》,所采用的電機的功率</p><p&

74、gt;　　P0Max{ Pi},由章節(jié)3.1和3.2計算結果可知,最大功率為0.14 (kW),故使P0 0.14(kW),確定額定功率Pe =1(kW).</p><p>　　所以選用安陽斯普機械有限公司生產的雕刻機用電主軸，外形圖與參數表如下:</p><p>　　圖3-1 雕刻機主軸電機的外形圖</p><p>　　表3-2 雕刻機電主軸參數表</p&g

75、t;<p>　　4 進給運動系統設計計算</p><p>　　雕刻機的進給運動分為主軸的上下移動、小車左右移動、工作臺前后移動， 各部分設計類似，著重對Z軸部件進行設計，設計滾珠絲杠、聯軸器、滾動軸承、直線運動導軌、伺服電機。</p><p>　　4.1 Z方向進給運動系統設計</p><p>　　4.1.1 Z 方向進給運動系統組成</p>

76、;<p>　　由前章所述，步進電機通過聯軸器與滾珠絲杠連接，將電機的旋轉運動轉化為部件的移動。結構簡圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4-1 Z方向進給運動系統簡圖</p><p>　　4.1.2 滾珠絲杠副的設計計算</p><p>　　以鉆孔時對Z軸絲杠的軸向力最大,以其為例進行設計計算,過程如下:</p><p>

77、　　4.1.2.1 當量轉速與當量載荷確定</p><p>　?。?）各種切削方式下絲杠的轉速nl</p><p>　　查3.2節(jié)計算結果得四種加工方向下絲杠轉速：</p><p>　　n1 = 20(rpm),n2 =10(rpm),n3 =4(rpm), n4 = 80(rpm）</p><p>　?。?）求各種切削方式下軸向載荷Fl&l

78、t;/p><p>　　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 Fz ,即</p><p>　　Fl = (4.1)</p><p>　　導軌的中心距離a=40mm，重心與絲杠的水平距離l1= 60mm,軸向切削力與絲杠的水平距離l2= 80mm，主軸部件重

79、量為5kg.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</p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　作用在導軌上的摩擦力</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p><b>　　工作載荷：</b></p>&l

80、t;p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　取動摩擦系數為0.1，靜摩擦系數為0.2.</p><p>　　將，，，帶入公式(4.4)得絲杠軸向力</p><p>　　F1 = 105.38, F2= 76.58, F3 = 6.3, F4 = 0.</p><p>　　(3) 當量轉速nm&

81、lt;/p><p><b>　　當量轉速計算公式為</b></p><p><b>　　（4）當量載荷Fm</b></p><p>　　當量載荷的計算公式為</p><p><b>　　(N )</b></p><p>　　4.1.2.2 預定額定動載荷Ca

82、m </p><p>　?。?）按預期工作時間估算：</p><p>　　動載荷設計公式 (4.5)</p><p>　　查《機床設計手冊》第四冊表9，輕微沖擊取負載性質系數 fw =1.3，查表7，按7級精度 fa=0.8 ,查表8，按可靠性97%取可靠性系數fc =0.44 ,當量載荷Fm =69.5,

83、當量轉速nm=8.25,根據設計要求,本雕刻機預期工作時間Lh = 15000.</p><p><b>　　=539(N)</b></p><p>　　（2) 按滾珠絲杠副預期運行距離Ls(千米）計算,查《機械設計手冊》第四冊表10，輕預載荷fe=6.7</p><p><b>　　(4.6)</b></p>

84、<p>　　LS；預期運行距離，一般取LS=250(km)</p><p>　　(3) 有預加負荷的滾珠絲杠副最大軸向負荷Fmax計算</p><p><b>　　(4.7)</b></p><p><b>　　(N)</b></p><p>　　取三種結果最大值=706(N).<

85、;/p><p>　　4.1.2.3 螺紋最大軸向變形量及螺紋最小底徑確定</p><p>　　(1)估算允許的最大軸向變形量δm(um)</p><p>　　δm的重復定位精度，故δm；</p><p>　　又的定位精度，故δm</p><p>　　取兩種結果的最小值δm=2.</p><p>　　

86、(2)估算最小螺紋底徑</p><p>　　滾珠絲杠安裝方式為兩端固定，兩端分別用一對角接觸球軸承反向安裝。按精度要求確定允許的滾珠絲杠最小螺紋底徑</p><p><b>　　(4.8)</b></p><p>　　L—兩個固定支撐之間的距離，L=120(mm);</p><p>　　L行程+安全行程+兩個余程+螺母長

87、度+支撐長度（1.1~1.2）行程+（10~14）ph</p><p>　　L（1.1~1.2）+（10~14）=186(mm)</p><p>　　導軌靜摩擦力 (4.9)</p><p><b>　　(mm)</b></p><p>　　4

88、.1.2.4 初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號</p><p>　　(1) 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Ph=3 (mm)</p><p>　　(2)由計算出的 Cam ，d2m 在樣本中選取滾珠絲杠副FF1203-3</p><p><b>　　.</b></p><p>　　選用深圳市華怡傳

89、動科技有限公司制造的滾珠絲杠，外形與參數表如下圖4.3,表4.1</p><p>　　圖4-2 滾珠絲杠外形圖</p><p>　　表4-1 滾珠絲杠技術參數與外形尺寸表</p><p>　　表4-2 螺母安裝連接尺寸</p><p>　　（3）確定滾珠絲杠副的預緊力Fp</p><p>　　Fp = F ，而且 Fm

90、ax = F1 =105.38(N),</p><p>　　故F>35.1 (N )</p><p><b>　?。?）預拉伸力：</b></p><p><b>　?。簼L珠絲杠溫升；</b></p><p>　　: 滾珠絲杠螺紋底徑（mm);</p><p>　　4.

91、1.2.5 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號、規(guī)格</p><p>　　(1) 軸承類型選擇依據</p><p>　　成對配置的角接觸球軸承：成對配置的角接觸球軸承用于同時承受徑向載荷和軸向載荷的場合，也可以承受純徑向載荷和任一方向的軸向載荷。此種軸承由生產廠家按一定的預載荷要求，選配組合成對，提供和用戶使用，當軸承安裝在機器上緊固后，完全消除了軸承中的游隙，并使套圈和鋼球處于預緊狀態(tài)，因而提

92、高了組合軸承的剛性。</p><p>　　背對背配置，后置代號DB，這種配置剛性較好，承受傾覆力矩的性能好，軸承可承受雙向軸向載荷。</p><p>　　徑向載荷：=196(N)</p><p><b>　　軸向載荷：</b></p><p><b>　　P=</b></p><

93、p>　　軸承基本額定動載荷C：</p><p><b>　　(4.10)</b></p><p><b>　　對于球軸承，.</b></p><p>　　選用青島瑞精軸承機電設備有限公司生產的INA雙列角接觸球軸承，型號為3000.Cr=5500>C=4190.</p><p>　　表4

94、-3 軸承參數表</p><p>　　4.1.2.6 滾珠絲桿長度確定</p><p>　　(1) 行程補償值C</p><p>　　C=a (4.11)</p><p>　　a: 絲杠線膨脹系數11.8；</p><p&

95、gt;<b>　?。簻囟茸兓?</b></p><p>　　：滾珠絲杠副有效行程 （mm);</p><p>　　工作臺行程+螺母長度+兩個安全行程</p><p>　　行程+（8—14）Ph154(mm);</p><p><b>　　(mm)</b></p><p>　

96、　(2)滾珠絲杠副工作圖設計</p><p>　　1）絲杠螺紋長度Ls</p><p>　　Ls =Lu + 2Le 查參考文獻[14]得余程 Le =16(mm)；</p><p>　　Lu =行程+螺母長度=154(mm)；</p><p>　　Ls =Lu + 2Le=186(mm)；</p><p><

97、;b>　　2） 繪制工作圖</b></p><p>　　查樣本中螺母安裝連接尺寸</p><p>　　支承距離L1 =210(mm) 絲杠全長L =226(mm)，行程起點距固定點支承距離</p><p>　　L0 =29(mm).</p><p>　　4.1.3滾珠絲桿的校核</p><p>　　4

98、.1.3.1 傳動系統剛度計算</p><p>　　K= (4.12)</p><p>　　Ks: 滾珠絲杠副的拉壓剛度；</p><p>　　Kb: 滾珠絲杠支承軸承的軸向剛度；</p><p>　　Kc: 滾珠絲杠副滾珠與滾道的接觸剛度。<

99、;/p><p>　　(1) 絲杠抗壓剛度</p><p>　　查參考文獻[9]得抗壓剛度計算公式：</p><p><b>　　(4.13)</b></p><p><b>　　(4.14)</b></p><p>　　(2) 絲杠支承副剛度Kb</p><p

100、><b>　　(4.15)</b></p><p>　　(3) 軸向接觸剛度KC=128</p><p>　　4.1.3.2 剛度驗算及精度選擇</p><p>　　(1) 最小實際剛度 </p><p><b>　　最大實際剛度</b></p><p>　　(2) 驗

101、算傳動系統剛度Kmin </p><p>　　根據設計要求，初定系統反向差值或重復定位精度為10 um,設計要求系統剛度,故實際系統剛度滿足要求.</p><p>　　4.1.3.3 驗算臨界壓縮載荷Fc</p><p><b>　　(4.16)</b></p><p>　　查參考文獻【8】得：</p>&

102、lt;p>　　K1: 安全系數，絲杠垂直安裝為，水平安裝為.</p><p>　　K2：支承系數，K2=4；</p><p>　?。航z杠最大受壓長度；(mm)</p><p><b>　　(N)</b></p><p><b>　　符合要求。</b></p><p>　

103、　4.1.3.4 驗算臨界轉速nc</p><p><b>　　(4.17)</b></p><p>　　f: 支承系數，f=21.9;</p><p>　　:臨界轉速計算長度，；</p><p><b>　　符合要求。</b></p><p>　　4.1.3.5 Dn值的

104、驗算</p><p><b>　　(4.18)</b></p><p>　　d0:滾珠絲杠副公稱直徑；</p><p>　　nmax:最高轉速;</p><p><b>　　符合要求。</b></p><p>　　4.1.3.6 基本軸向額定載荷驗算</p>&

105、lt;p><b>　　(4.19) </b></p><p>　　fs: 靜態(tài)安全系數，有沖擊振動取2—3；</p><p>　　4.1.4 Z 方向進給電機的設計計算</p><p>　　4.1.4.1 作用在絲杠副上的各種轉矩</p><p>　　(1) 外加載荷產生的摩擦力矩</p><

106、p>　　外加載荷產生的摩擦力矩 (4.20)</p><p>　　由4.1.2.1節(jié)查得絲杠最大軸向力F1 =105.38(mm) ,導程Ph =3 ,三級精度的絲杠副效率=0.9.</p><p>　　(2) 預加載荷產生的預緊力矩</p><p><b>　　(4.21)</b>&

107、lt;/p><p>　　4.1.4.2 計算轉動慣量J(g/cm2 )</p><p>　　(1) 負載轉動慣量</p><p>　　絲杠的轉動慣量 (4.22)</p><p>　　由4.1.2.6節(jié)查得絲杠全長L =26.9(cm) ,外徑d =1.13(cm),密度r

108、 = 7.85(g/cm3),</p><p>　　(2) 回轉件總轉動慣量</p><p><b>　　(4.23)</b></p><p>　　(3) 直線運動件的轉動慣量</p><p><b>　　(4.24)</b></p><p>　　總的負載轉動慣量=+=204

109、.8 </p><p>　　(4)電機轉動慣量Jm </p><p>　　選擇步進電機57BYG250A,查樣本,Jm=230, Jm>Jl </p><p>　　(5)總的轉動慣量負載轉動慣量與電機轉動慣量之和</p><p>　　即轉動慣量J =Jm+Jl=434.8(g/cm2 ) </p><p>　

110、　4.1.4.3 Z軸步進電機啟動轉矩計算</p><p><b>　?。?）最大加速轉矩</b></p><p><b>　　(4.25)</b></p><p>　　查3.2節(jié)得最大給進速度nmax=40rpm,從靜止加速到最大速度所要時間0.002s</p><p>　　（2）連續(xù)工作最大轉矩

111、</p><p><b>　　(4.26)</b></p><p><b>　　系數i取1.5</b></p><p><b>　　(Nm)</b></p><p>　　查樣本:額定轉矩0.35Nm,因TM =0.09 <0.35 ，滿足要求。</p>&l

112、t;p>　?。?）最大啟動轉矩T=Tam+TM =0.091(Nm)</p><p>　　查樣本得額定啟動轉矩為0.8Nm>0.199Nm，所選用的步進電機滿足要求。</p><p>　　4.1.5 聯軸器的選擇</p><p>　　由于最大啟動轉矩Tr =0.199 <聯軸器額定轉矩=0.3，選用深圳市翔英盛電子有限公司生產的CPL25-6.35

113、-8聯軸器。參數如下表：</p><p>　　表4-4 聯軸器參數表</p><p>　　4.1. 6 Z 方向直線導軌副的設計計算</p><p>　　(1)初選直線導軌副的型號為GTB GTBt 型封閉式滾動直線導套副</p><p>　　圖4-3 導軌副外形圖</p><p>　　表4-5 導軌副參數表<

114、/p><p>　　（2）擬定滑塊總數M=4單根導軌兩滑聲塊</p><p>　?。?）負載計算動載荷 (4.27)</p><p><b>　　<550(N)，</b></p><p><b>　　所以滿足要求</b></p&g

115、t;<p><b>　　(4.28)</b></p><p>　　<920(N) ，所以滿足要求。</p><p>　　4.2 X方向進給運動系統設計</p><p>　　本雕刻機共分成三部分的運動,X軸的進給運動系統設計與Z軸的進給系統設計并無本質區(qū)別,這一節(jié)簡單的對X軸設計計算。</p><p>

116、　　4.2.1 X方向進給運動系統組成</p><p>　　同前一節(jié)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4.8所示</p><p>　　圖4-4 X軸進給運動系統傳動鏈圖</p><p>　　4.2.2 滾珠絲杠副的設計計算</p><p>　　以銑削時對X軸絲杠的軸向力最大,以其為例進行設計計算,

117、過程如下:</p><p>　　4.2.2.1 當量轉速與當量載荷確定</p><p>　　（1）各種切削方式下絲杠的轉速nl </p><p>　　查章節(jié)3.1計算結果得四種加工方向下絲杠轉速：</p><p>　　n1=20(rpm),n2=10(rpm),n3= 4(rpm),n4=80(rpm)</p><p>

118、;　　（2）求各種切削方式下軸向載荷Fl </p><p>　　絲杠受到的軸向力包括導軌摩擦力以及銑削力Fz ,即</p><p>　　Fl = Fzi + f導。</p><p>　　重心和導軌的水平距離l＝60mm,兩導軌套中心距離a =110(mm),導軌套與部件中心線的距離c =30(mm)，上下兩導軌套距離b=110(mm),重力G=mg .查《機械設計手

119、冊》中導軌章節(jié)得此類裝法對導軌的作用力：</p><p><b>　　(4.29)</b></p><p><b>　　(4.30)</b></p><p><b>　　(4.31)</b></p><p><b>　　(4.32)</b></p&g

120、t;<p><b>　　(4.33)</b></p><p>　　查3.1節(jié)得四種加工方式下的切削力：</p><p><b>　　.</b></p><p>　　初步估計設計出來的小車部件重量W車 = 10(kg)</p><p>　　分別代入式(4.33)得四種加工方式下絲杠所受軸

121、向力：</p><p><b>　　.</b></p><p>　　(3) 當量轉速nm</p><p><b>　　當量轉速計算公式為</b></p><p><b>　　(4)當量載荷Fm</b></p><p>　　當量載荷的計算公式為</p

122、><p><b>　　(N)</b></p><p>　　4.2.2.2 預定額定動載荷Cam </p><p>　　(1)按預期工作時間估算：</p><p>　　動載荷設計公式 (4.34)</p><p>　　查《機床設計手冊》第四冊表

123、9，輕微沖擊取負載性質系數 fw =1.3 ，查表7，按7級精度 fa=0.8 ,查表8，按可靠性97%取可靠性系數 fc =0.44 ,當量載荷Fm =69.5,當量轉速nm =8.25,根據設計要求,本雕刻機預期工作時間 Lh = 15000.</p><p>　　(2)按滾珠絲杠副預期運行距離Ls(千米）計算</p><p><b>　　(4.35)</b>

124、</p><p>　　LS；預期運行距離，一般取LS=250(km)</p><p>　　(3)有預加負荷的滾珠絲杠副最大軸向負荷Fmax計算</p><p><b>　　(4.36)</b></p><p>　　取三種結果最大值=560.12(N).</p><p>　　4.2.2.3 螺紋最大

125、軸向變形量及螺紋最小底徑確定</p><p>　　(1)估算允許的最大軸向變形量δm(um)</p><p>　　δm的重復定位精度，故δm；</p><p>　　又的定位精度，故δm.</p><p>　　取兩種結果的最小值δm=2.</p><p>　　(2)估算最小螺紋底徑</p><p>