资源描述
购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图 纸 小型雕刻机 设计 摘 要 机电一体化 技术 综合了机械、电子、自动控制、信息、传感器、电力电子、信号变换接口和软件编程等技术，并且 把 这些 通用型 技术 整合到一起 ， 结合成一个整体，也 是 现如今机械工业技术必须发展的也将成为国内外的发展主流 。 小型 雕刻机 就 是 在这种大环境下产生的一种代表性的 机电一体化产品，在 工艺品 的 制作 与 生产 行业 中 拥有 有较大的市场。 本课题通过 分析国内雕刻机 与国外雕刻机的差距以及各自 的特点 ，定义了 雕刻机的功能和使用范围 ，规划 了雕刻机的 结构 布局， 详细设计了 主 轴 运动和 X、 Y 向 进给运动 结构 ， 以及工作台、支撑柱等 辅助结构，并在此基础上详细阐述 了雕刻机的 运动 过程，实现 了其功能 。 本 文 设计 的 小型雕刻机， 其 具有 精度高，一致性好 ，一机多用的特点 ， 应用领域广泛 ， 可用于 工艺品雕刻加工 的同时 ， 又具有 铣削 钻孔等功能 。 关键词 雕刻机； 伺服 电机 ； 机电一体化 购买设计文档后加 费领取图纸 - a is of at is a of in a by as as of of , Y an on it to of a a is in be to 购买设计文档后加 费领取图纸 - 目 录 摘要 . I . 1章 绪论 . 1 题背景 . 1 型雕刻机及其发展现状 . 2 型雕刻机的概念 . 2 型雕刻机的应用和发展 . 3 型雕刻机的特点 . 3 究雕刻机的目的和意义 . 4 章小结 . 4 第 2章 雕刻机的结构设计 . 5 刻机的系统组成 . 5 刻机的整体布局 . 5 给结构 . 8 轴结构 . 12 撑结构 . 13 架设计 . 13 作台设计 . 14 座设计 . 15 章小结 . 15 第 3章 小型雕刻机的关键参数计算 . 16 计指标 . 16 削力、扭矩和功率的计算 . 17 给运动的计算 . 20 珠丝杠副的计算 . 20 珠丝杠的 计算 . 22 作台电机的选择 . 25 章小结 . 26 结论 . 28 致谢 . 29 参考文献 . 30 附录 . 32 购买设计文档后加 费领取图纸 - 购买设计文档后加 费领取图纸 - 1 - 第 1章 绪论 题背景 以大机器生产为主流的社会生产形式形成以来，机器生产代替手工劳动不仅使产品数量与日俱增，而且，更使产品质量大为提高。与人口增长及其生产和生活诉求相一致，大机器生产在各个领域中普及逐渐成为全球的共识。作为传统手工艺制作的各种雕刻业，采用机器制作也需与时俱进。 尽管 机器雕刻 使手工艺品失去了自然特性及其人文特征，但是，它在降低劳动强度与提高劳动效率方面占有绝对优势，尤其产品的精确度明显提高。故此 ， 研发、生产及采用 发展小型机器 替代手工劳动，成为时代的主流 。 随着中 国改革开放不断向着纵深发展与传统手工艺的产业化趋势，在各种手工业制作行业有效地采用小型机械，成为社会发展的客观要求。这样，在 我国 传统雕刻手工艺行业中积极推广与使用 小型雕刻机， 就成为一种时代需要。 然而，由于各种因素，主要是技术因素的影响， 小型雕刻机 的生产和利用一直被捆绑着手脚。其主要原因，一是为了经济发展， 我国的小型雕刻机 一直在中外合作的框架下发展。 如上海洛克公司生产的威客雕刻机、北京糟雕公司生产精雕雕刻机和南京科能公司生产的雕刻机等 ，均是这样的混血儿。二是国内生产的各类小型雕刻机机体结构简单 ， 又采用了 基于微控制或 控制系统，伺服部分主要是 伺服 电机细分驱动，属于中等控制精度， 故此，不能达到高精度的要求。三是国外小型雕刻机普遍采用现代的技术及其制作材料，精度高、操作安全等，与之相比，国产同类产品捉襟见肘。因此， 对于高精度的雕刻加工，我国 都没有摆脱受制于人枷锁束缚。 为了彻底扭转这种受制于人的局面，雕刻机研发与设计成为势在必行的大事：本设计企图完成的 雕刻机 ，其 机床结构刚高度好、精度高， 并 采用伺服电机驱动，而且加工精度高，控制系统功能安全可靠， 只有这样，中国小型雕刻机才能跟上国际工业化的步伐 1 购买设计文档后加 费领取图纸 - 2 - 型雕 刻机及其发展现状 型雕刻机的 概念 雕刻加工不仅源远流长，而且内容丰富，因而成为传统手工艺中重要的文化长夜之一。从传统意义上看， 雕刻加工是一项技术性要求比较高的手工艺 制作业 ， 制品 的质量 集中反映着手工艺人 技艺水平 ；另外，由于个人手工制作，故此，一件产品的生产周期十分长，换言之，传统手工雕刻产品的 生产效率低 ， 成本 及其价格十分昂贵；还有，传统手工雕刻 工艺品完全反映工艺师技术及其意愿，这样，它在具有个性化的同时隐藏着极大随意性 ，这也是产品不能得到同一的关键所在。总之，它与现代生产和生活需要具有相当大的差距 。 雕刻机 的结构、形式，乃至大小等，受到其使用范围的影响，这便构成雕刻机的功能。也就是说，雕刻机的结构、形式受到它功能的制约。这样 ， 根据功能， 雕刻 机 可分为二维平面雕刻、三维立体雕刻和全自由度空间雕刻 等主要类型 。 当然，相较说来， 全自由度空间雕刻 机适用范围较广，它既可以用于简单雕刻，更 主要 的是对于 一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作，如冰雕、沙雕、玉雕以及木雕工艺品等作品 的制作，也能胜任，但是，由于技术制约，直到目前为止， 此类制品 还远不能被制作完成。与之相比 ， 前两种雕刻机已经在实践中得到推广与利用，并且，有看好的 发展前景 。 在现代社会环境中，不论从生产角度看，还是从消费角度看，小型雕刻机具有很强的适应性。 小型雕刻机 是现代机械化需求的必然产物，它替代手工生产与制作，不仅在生产技术上是一个巨大的进步，同时在满足历史与现实紧密结合中有着重要的意义。在现代自动化为主趋势的社会环境中， 小型雕刻机通过 自动 控制系统根据程序代码控制雕刻机运行，实现 以自动化 为模式的 雕刻加工 ，这是现代雕刻机的设计核心 。 毫无疑问，这种小型雕刻机不仅彻底改变了 传统 上以 手工雕刻 为主的雕刻制作，而且 具有生产效率高、成品率高、加工精度高、 可以复制，以及 对零件的 适应性强等明显优势；同时， 这类雕刻机设计 借助 计算机之 件 构成了一个相对完整的自动控制 系统 。 为了很好的利用及发展这种雕刻机的社会作用，这种小型雕刻机可以在不同行业中进行具有针对性的应用及研发 ， 就目前发展现状而言，这种小型雕刻机可 被划 分为模具雕刻机、木工雕刻机、等多种类型。 在性能上，因制作和加工对象的不同，对雕刻机的设计及要求也不 购买设计文档后加 费领取图纸 - 3 - 同，特别是 对 其 机床和控制系统的要求 ，成为整个要求的焦点 。 例如，对模具雕刻机 而言，由于它以 加工金属材料为主， 故此，需要刚性较强的机床 本体， 不仅如此，因为此类雕刻机主要 用于制作模具，要求精度高， 所以 这类雕刻机更需要精度较高的 又加工系统； 相比之下，用于 广告 制作的雕刻机 ，可以适当降低这些技术指标 。 然而，并非没有立足点，这个共同点就是 雕刻刀， 研究发现： 每次切削的有效面积比较小，所以雕刻零件的刀具运动轨迹就会很长，加工时间也会很长。 故此 ，提高雕刻机的刀具运行速度对缩短工件的雕刻时间、提高加工的效率具有很重要的意义。 总而言之，雕刻机的划分及其设计必须结合实际需要而进行，才能使其更加符合实际需要，才能赢得很好的社会效应 4 型雕刻机的应用和发展 小型雕刻机根据需要进行必要 的分类，但是，由于生产技术难以突破，至今仍然不能形成巨细和合理的产品系列。也就是说，在现代雕刻领域中，雕刻机的种类仍然不能满足各种生产需要。这为技术研发与生产留有广阔的天地。现存雕刻机仅仅能适应简单的雕刻，诸如刻字、简单的几何形体雕刻等，至于复杂的造型，就很难采用这种雕刻机了。从传统工艺品与现代产品的造型形象及其特征看，采用雕刻机完成生产制作具有极大的现实意义。不仅省工省力、降低成本与提高经济价值，而且，产品做工精细，产品质量高，便于人们使用等。 随着中国国内市场需求的不断增长与市场供应不足矛盾的彰显，迫切需要从理论到实践，尤其生产上解决技术难关，积极研发各种类型的小型雕刻机 9 型雕刻机的特点 本课题设计的 小型雕刻机 有一下特点 ： 1. 自动化程度高 ，便于操作 。 由于采用数控技术和计算机辅助设计软件，对于 工件的雕刻 ，其全部 过程都是小型雕刻机自动完成的。 2. 产品的 结体合理， 精度高， 并且能够取得整齐划一 。小型雕刻机的雕刻过程是由计算机控制完成，可以达到相对较高的精度和表面质量，而且 能够达到 批量加工 的目的，换言之，就是产品整齐划一 。 3. 适用性强的特点 。只需要改变雕刻机控制程序，小型雕刻机便可以雕刻 浮雕等各种复杂的曲面， 甚至，可以采用不同 刀具， 以适应不同部位造型的需要 ， 直至雕刻出富有创意产品 。 4. 雕刻机功能的衍生性，即 小型雕刻机同时有钻铣功能，可用于钻 购买设计文档后加 费领取图纸 - 4 - 孔、切边以及加工小模具，性价比高 11。 究雕刻机的目的和意义 近现代以来，随着中国工业化的进程，尽管 机械工业已经有了较大的发展， 但是，由于各种主客观因素的影响，特别是受到科学技术的制约，致使 我国的机械工业技术水平和生产能力与西方发达国家 依然相差甚远 。因此，在我国 ，在机械领域迎头赶上世界先进水平，实现机电一体化，成为时代主流与机械工业发展的大势所 趋。 所谓 机电一体化 ，是指将 机械技术和电子技术的有机结合 的新型 技术是机械技术，它 的核心内容 包括机械、电子、计算机和自动控制 等 技术。 机电一体化是一个系统工程，以计算机及其数控技术为核心，将传统机械推进到自动化的程度，不仅提高劳动效率，而且降低劳动强度，并实现更加精确的设计与生产计划 。 20 世纪末期 ，世界 上各个 国家都努力发展这一技术 ，以提高 各自的综合实力水平以及 机械技术水平，实现整体 水平的新高度发展与突破 向智能化的方向发展。 这不仅是世界工业化的新特征，更是时代赋予人类的生产与生活的新模式： 世界各国争相发展机电一体化技术使人们生活逐渐步入自动化时代使经济效益得到飞速发展。 因此，在中国实现 机电一体化 ，既 是 中华民族从传统工业走向现代化的必经之路， 也是我国机械工业赶超世界强国的必由之路 12 章小结 本章主要介绍了本设计的课题背景， 我国雕刻行业主要以手工雕刻为主并且国产雕刻机的雕刻精度较低 ，高端雕刻机多数是从国外进口。在此基础上又介绍了本课题设计的 小型雕刻机的 特点、应用领域以及研究小型雕刻机的目的和意义 。 购买设计文档后加 费领取图纸 - 5 - 第 2章 雕刻机的 结构 设计 刻机的 系统组成 小型雕刻机工作原理是一个三维控制系统， 工作原理如图 2示 ： 图 2型雕刻机工作原理 在计算机内安装专用的图形和文字设计 排版 软件 ， 将这些 需要加工的文字或图案 信息分析处理 自动 整合出 加工路径 ， 然后再 通过 计算机 成的 工件加工 路 线 信息传递 给 控制系统 ， 然后 控制系统接收 工件加工路径数据， 再把所要加工的形状整合出来显示在计算机屏幕上，若用户满意 完 ，就 用特定的算法将 这些 信息转化为 控制 信息， 由于电机是靠脉冲信号控制的所以还要 控制器把这些信息转化为驱动电机的信号， 通过控制电机的旋转角度和旋转速度来 控制雕刻机 X 轴、 Y 轴和 Z 轴的走刀。同时，雕刻机的电主轴 进行铣削，即可雕刻 出 预想的图案或文字 14。 刻机的整体布局 机械结构作为小型雕刻机的硬件部分， 直接决定了雕刻机的工作生产能力以及加工效果 。 正因为如此，对小型雕刻机的机械结构，必须根据下面要求进行恰当设计。 购买设计文档后加 费领取图纸 - 6 - 1. 首先必须满足 雕刻机 结构的稳定性 ； 其次满足 电机一体化的 工作范围 与 加工精度 ，以提高 生产效率 ，乃至确保 经济性等 多 种要求。 2. 确保小型雕刻机 结构必须满足其 加工精度 ，确保雕刻机 结构的刚度、抗震性和抗热变形 等 稳定。 3. 雕刻机的结构必须适应 加工过程 的 直观可视，操作方便，调整和维修方便，运送和装卸工件方便。 4. 结构 简约 ，布局合理，方便装配， 便于操作与具有较强的 安全性 等15。 雕刻机 不仅要满足 总体布局的基本要，还 要满足 其他外界影响雕刻机布局的因素： 面的形成运动影响。 通常 情况下，需要采 用不同的 刀 具 与 不同的加工方式 对雕刻对象进行不同的处理 ， 这样， 在工件表面形成的运动方式和运动路线就不同， 而出现不同的工作布局方式 。如果 出现类似外形的工作表面 ， 那么也一定会有对技术和生产效率等不同的要求 ， 为此， 对应不同的加工工件表面 和不同的加工加工方式选用不同种类的刀具 。由此 可见 ， 雕刻机的布局形式也受到工件表面形状的影响，而且 小型雕刻机的布局形式也是为加工工件表面二设计的 。 刻机运动布局分配的影响。 雕刻机 伺服 电机驱动控制机头加工工件的雕刻 路线相同及 加工相同的工件 ， 但是 在这种情况下有时也 会出现 雕刻机 头分配不同 的 运动路线 的情况 ， 这种情况也会影响雕刻机的布局，使 雕刻机 出现不同 的布局。 故此，在设计雕刻机运动分配的时候 ， 必须做到 以下几点 ：移动部件的重量 要相对较轻，因为一般 情况下， 减轻了移动部件的重量 ， 就降低了 电机 提供的功率 以及 传动件的尺寸也越小；应有利于提高加工精度；应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积 16 另外 雕刻机本身性质要求对工件影响也很大，如工作时自身产生的运动、刻刀与工件摩擦产生的噪声、集体发热还会导致热变形以及自身刚度和抗震性的影响。经过查看相关书籍以及上网查询资料得知雕刻机布局形式通常采用如图 2示的两种方案： 购买设计文档后加 费领取图纸 - 7 - （ a）工作台固定式 （ b）立柱固定式 图 2刻机的布局形式 上述 这 两种 情况 的 布局 方式都是 仿照 龙门 结构 形状的 框架结构， 两种形式的共同特点在于 结构 的刚度都比较高。 而其不同点在于 在 方案 (a)布局中， 是把 工作台 与机架 固定 在一起 ，雕刻机头 在电机的 作用下根据要求 作 左右 和上下 移动 ，支架 在 Z 向电机的作用下 作前后移动。 这种工作台固定形式的 的优点在于 对雕刻机纵向长度不同的工件加工都能适应，而 且由于工作台 直接与机架固定 ， 所以 承重能力较好。 另外， 在批量加工较长工件时， 若要 支撑点高度相同， 可以调整 支架 便于达到目的 。但 ， 雕刻头运动过程中振动幅度较大所以难以保证加工精度。 方案 (b)中布局， 与方案 （ a） 最大的不同就 是 把 立柱固定，雕刻头在电机的作用下根据工作需要 作左右和上下移动，工作台 在 Z 向电机的作用下 作前后移动。由于 这种设计是把 立柱固定工作台 承载着加工工件移动， 所以 承 载能力与布局 (a)方案相比较差。如果 是用于 加工 较轻的 工件， 采用方案（ b）这种设计 所需轴向力和传动件的尺寸较小，且移动方便。如果是进行批量加工外伸支架支撑纵向长工件，支点高度相同，所以支架支撑调整方便，但支架结构与 布局 (a)方案相比会稍微复杂。而这种设计方案的最大优点就在于雕刻头前后运动时震动较小，能保证加工精度 18 通过比较 两种方案， 显而易见，根据 雕刻机加工的工件 须 偏小又充分考虑到结构的稳定性原则、结构的基本要求、影响结构布局的基本因素，可采用布局 (b)的方案。 小型雕刻机的机械几何结构，由以 下几部分组成 : 撑和固定小型雕刻机，承担整个雕刻机的重量，要求稳定坚固。底座的四角又与地面连接进一步提高雕刻机的稳定性。 购买设计文档后加 费领取图纸 - 8 - T 型槽台、 Y 轴方向的丝杠和导轨组成，由丝杠驱动，导轨导向，是用来放置并固定工件的， T 形槽工作台作为工作台，其特点是精度稳定不易变形、耐磨性好。 X 向的丝杠和导轨 组成 。 光轴导轨除了导向作用之外还起到承载 机头重量 的作用 ， 丝杠的旋转运动带动 机头 运 动。 主轴 结构和 Z 方向的丝杠和导轨组成。 电机驱动 丝杠 转动，丝杠的旋转运动带动 主轴 结 构 运动，主轴 结构 在 工作时电主轴作高速铣削运动 。 给 结构 进给结构 是 由 伺服 电机 、 执行 机构 和 机械传动 结构 组成。 其 作用是接收 控制系统发出的指令按照这些指令运行驱动雕刻机走刀 ，可以根据按照合成信号精确地控制指令的执行单元的速度和位置，以及执行轨迹的几个执行结构 的运动 轨迹 。 下面 是 小 型 雕 刻 机 进给 结构 的机械 部分 和电机 部分 。 小 型 雕 刻 机 进给运动方式如下 ： 把 工件固定在工作台 上， 由于雕刻机的布局 工作台移动立柱固定的形式所以工件随着 工作台 做 Y 方向的进给运动 ，机头 在 X 方向 电机和丝杠的驱动下 做 进给运动， 与此同时 电主轴 做高速 铣削 运动 ，并 且 在 Z 方向做上下运动。 雕刻机就是这样雕刻出 预想的 文字和图案。 在 丝杠 的驱动下和在光轴导轨的导向作用下 机头沿 X 方向的 左右运动 ，如图 2示： 图 2刻机 X 方向进给图 在 丝杠 的驱动下和在光轴导轨的导向作用下 工作台沿 Y 方向前后运动，如图 2示： 购买设计文档后加 费领取图纸 - 9 - 图 2刻机 Y 方向的进给图 在 丝杠 的驱动下和在光轴导轨的导向作用下 机头沿 Z 向上下运动 ， 如图 2示： 图 2刻机 Z 方向进给图 为 保证 雕 刻 运动 稳定工作加工和雕刻机的结构严瑾，雕刻机的各传动链全部使用滚珠丝杠副 。 用联轴器把 丝杠 的 一端与电机轴 连 在一起 ， 伺服电机 的转动 带动 与其 连接 的 丝杠 转动 ， 这样就 把 旋转运动转化 成 直线运动。 用轴承把 丝杠的 另一端 固定在机架上 。电动机的转动步数 是由 指令脉冲数 控制的 ， 伺服 电机的旋转方向 是由高低电平控制的 ，电机的转动快慢是由 脉冲 信号 的频率控制 。 而且 伺服 电机 具有以下特点 ： 购买设计文档后加 费领取图纸 - 10 - 置 功能， 电机 需要 转动多少 角度 ，就 发 送 出 多少 具体的脉冲数量 。 如果要改变 电机 转 动 速 度 的快慢 ，可 通过 改变 发送脉冲的速 率 来实现 。 反、 急停及 自锁 功能 ， 如果要 伺服 电机的正反转 ，可以 通过 控制电平的高低 来实现 ，在 伺服 电机锁定 的 情况下仍 然 输出 静止力矩。 高精度位置功能 ， 可通过控制脉冲速度把电机转速调到极低， 而 且中间 不需要 再 通过 连接 减速器 ， 这样就使功率的损耗 和角度位置的偏差 减少了很多 ， 提高了控制精度 。 电机轴与丝杠连接 不需要通过电刷和换相器换相 ，直接用套筒联轴器连接 ，从而减少了摩擦，增长了 使用 寿命，如图 2示： 图 2杠与电机轴的连接 套筒 联轴器用于 联接 丝杆与电机 ， 采用套筒联轴器 连接的固定精度 相对 较 高 ， 其 特点 在于 ： 可 连接 小型 轴 、 转动 惯量小 以及 适用于 高速 旋转运动 的 连接 ； 安 装 后 没 有 反 作 用 力 ；提高丝杠 与电机轴连接的 强度 ； 采用 销连接 的方式 连接 ， 在 较高 转动 速度 时 仍 可保持 稳定运行 。 如图 2示： 购买设计文档后加 费领取图纸 - 11 - （ a） 套筒联轴器平面图 （ b）套筒联轴器 实体 图 图 2筒 联轴器 光 轴 导 轨 主 要 功 能 是 横 向 导 向 和 纵 向 承 载 。导轨 的作用是 使运动部件按照规定 的轨迹运动，从而保证 了 各部件的相对位置精度，在很大程度上决 定 雕刻机 的精度与精度保持性， 如图 2示： 2轴 导轨 雕 刻 机 X 和 Y 向， 安装 一对圆柱形导 轨在 丝杠的两侧， 其作用是 可以 帮助 丝杠 分担 所 机头、工作台和工件所给的压力 。圆柱形导轨加工容易， 刚度好 精 度 高 可 满 足 定 位 精 度 的 要 求。 虽然 Z 向 丝杠不承受 向下的压力 ， 但是 为保证 Z 向 精度， 在 Z 向丝杠的两侧也安装两个光轴导轨 。 Z 向 电主轴 的 定位 是依靠 伺服 电机的自锁 功能 来实现的 。 把光轴 导轨 的 两端 用 螺母 固定在 雕刻机 支架上，并 且 与导轨 套 形成移动副， 如图 2示 ： 购买设计文档后加 费领取图纸 - 12 - 图 2杠和圆导轨的支承方式 各 个 传 动 链 上 的 丝 杠 螺 母 与 不 同 零 件 以 螺 钉 固 定 连 接 ，通过丝杠 副把旋转运动转化成直线运动的特性形成 相对运动实现传动 ； 与工作台固定连接， 然后 相对于 Y 向丝杠 做直线运动 ；与机头 支架固定连接， 同理与 Z 向丝杠 形成移动副带动机头做上下移动 13。 轴 结构 主 轴 结 构 是 雕 刻 机 的 执 行 件 。 其 功 用 是 支 承 并 带 动 工 件 或 刀 具 旋 转进 行 切 削 ， 承 受 切 削 力 和 驱 动 力 等 载 荷 ， 完 成 表 面 成 形 运 动 。 主 轴 组 件 由主 轴 及 其 支 承 件 和 安 装 在 主 轴 上 的 传 动 件 、 密 封 件 等 组 成 ， 要 求 良 好 的 回转 精 度 、 结 构 抗 振 性 、 热 稳 定 性 及 回 转 精 度 的 保 持 性 。雕刻机主轴部分 用螺钉固定在 Z 向的 连接板 上， 利 用电主轴高速转 动 ， 带动 刀具 做 切削 雕刻运动。 近些年来我国科技不断发展进步 ， 使 雕刻机 以及 加工中心 的核心部分主轴 也得到 迅速 发展 。 使得 高 速 雕 刻 机 主传动机构得到 非常大 的 提高 ， 并且 逐渐 把 带传动和齿轮传动 的形式 向电主轴的形式转化 ，机床主轴由 机床内 装 的 电动机直接驱动， 从而 使较长的传动链形式逐渐被淘汰 ， 使 机床主运动 部分不在 需 要 传动链 形式传动 ，这种结构 就是 电主轴。本雕刻机 应用电 主轴转速达到 18000r 如图 2示： 购买设计文档后加 费领取图纸 - 13 - 图 2主轴 实体图 撑结构 架 设计 支架用来支撑进给结构 并且保证进给结构与工作台的相对位置精度 ，并且 承载 这 各种 动 态力和 静 态力 以 保证 小型 雕刻机整体稳定性 ， 如图 2 图 2刻机 支架 购买设计文档后加 费领取图纸 - 14 - 作台 设计 工作台的作用是用来放置并固定工件的， 在设计工作台 的 时 候 ， 从 整体的刚度和经济性来考虑， 并且 按照机床的工作台、丝杆、 光轴 导轨的长度来决定 小型雕刻机整体 的大小 ，选用 T 形槽工作台 作为工作台 ，其特点是 精度 高、 稳定不易变形、耐磨性好、价格便宜。 本次设计的工作台长800 800图 3示 ： (a)工作台实体图 （ b）工作台平面图 图 2作台 购买设计文档后加 费领取图纸 - 15 - 座 设计 底座的作用是起支撑和固定小型雕刻机的作用。 底座的四角又与地面连接进一步提高小型雕刻机的稳定性。 设计的底座 稍微 大一点， 目的是 使机床稳定性更强。底座材质为 45 号刚，底座尺寸 1700图 3 图 3刻机 底座 章小结 本章主要 分析 了 小型雕刻机的整体机构设计 ：采用了龙门式框架结构雕刻机头做横向和上下移动工作台做纵向移动。在此基础之上有介绍了进给结构 ： X 轴方向 、 Y 轴方向 Z 轴方向 进给 结构； 主轴结构 ：采用电主轴； 支撑结构 ：支架、工作台和底座 。 购买设计文档后加 费领取图纸 - 16 - 第 3章 小型雕刻机的 关键参数计算 计指标 主运动系统中的电主轴， 是小型雕刻机的核心部件之一， 确定电主轴的型号和参数 ， 以及给 出 结构的关键参数计算与校核。 除应满足的要求外，还应满足一下要求 ： 1. 设法满足最大 的调速范围，并实现无级变速。 小型雕刻机工作的时候一定要保证切削用量在合理范围内，这样才能保证刀具充分发挥其性能， 使 生产率和生产质量得到保证 ，还有就是必须保证电主轴的转速足够快以便于提高雕刻速度提高生 产率。电主轴好要有更大的调速范围且必须保证加工的步骤相对集中即只建立一次 安装固定工件就能完成许多步加工步骤。 2. 具有较高的精度和刚度 。 只有设法提高主运动结构的刚度，才能使雕刻机工作相对稳定，才能提高雕刻机的加工精度，保证工件质量。为此，首先要保证传动件的精度与刚度，只有保证了传动件的性能才能使传动相对稳定，可以采用高频加热淬火的方式增强传动件的刚度；最后轴承要选用高精度的，并且合理支配轴承之间的跨度。 3. 良好的抗振性和热稳定性 。 小型雕刻机雕刻顺序一般是先进性粗雕刻再进行精雕刻雕刻时可能会因为运动 部件不协调以及雕刻过程中零部件的影响，导致主轴结构也跟着发生震动现象，这样就会使加工无法正常进行，因此各零部件一定要拥有一定的抗震性。 还有， 雕刻机在雕刻加工的时候主运动结构工作时间长了就会发热，导致其他零部件也发热，进而产生热变形，由于出现热变形各零部件之间的位置精度和运动精度就会降低，从而使加工误差增大 ， 机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低了传动效率，影响到生产率。为此要求主轴 不仅 具有较高的 热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并 且，需要 进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。 结合 设计参数 以及 小型 械雕刻机的总体设计方案，初步 制 定 购买设计文档后加 费领取图纸 - 17 - 该雕刻机机械部分的主要参数，如表 3示： 表 3械设计参数表 设计 项目 设计 参数 单位 主轴最高转速 20000n r/轴 最大进给速度 3600 mm/ 向 总行程 800 向 总行程 800 向 总行程 100 位精度 25 m 脉冲当量 用寿命 20000 削力、扭矩和 功率的 计算 小型 雕刻机 雕刻加工的材料 主要 是非金属材料和铝合金材料 等 一些不太硬 的材料 。 也正是 由于 这些材料 的材质 较软所以 具有良好的塑性 。小型雕刻机所雕刻的工件性质不一样，这样就使雕刻机雕刻工件所用时间会不一样，而且对于不同的材料小型雕刻机所采用的雕刻方式也不一样通过查阅资料，查的雕刻的方式分为：一般雕刻、强力雕刻、精细雕刻和快速进给这几步。 通过查阅 陈宏君 主编的机械加工工艺手册 查 得 表 3 半部分 的切削 经验 计算 公式， 然后将这些查得的公式代入已知的参数进行简化 ， 得到 表格右半部分 与切削深度 进给 速度 铣刀转速 n 有关的 简化 计算公式 如 表 3示 ： 购买设计文档后加 费领取图纸 - 18 - 表 3削力、扭矩和功率计算 切削经验 计算公式 简化的计算公式 铣削力： 0( N )F F F y uF p f w z 0 . 7 5 0 . 6 24 2 . 7 6 ( N )z p fF a v n 铣削扭矩： z0 0 N （ ）铣削功率： 0 7 1 4 1 0 n k （ ） 1 1 6 , 1 , 0 . 7 5 , 0 . 8 5 , 0 . 7 3 , 0 . 1 3 , 0 . 2 5 F F F F F F Y U q W K 。 铣 削 宽 度 w(mm)a 铣 削 深 度 p(mm)a 进 给 速 度 ( m m / m i n )a z n 铣削速度 0 / 1 0 0 0 ( m / m i n )v d n ， 0d 铣 刀 外 径 ( 每齿进给量 (mm/z)， z 铣 刀 齿 数 ， n 铣刀转速 (r /。 将切削深度 进给速度 铣刀转速 n 的变量代入分别计算，得到计算结果，如下表 3示 ： 表 3削力、扭矩和功率的计算 购买设计文档后加 费领取图纸 - 19 - 其中： 丝 杠 转 速 ， ( / m i n ) r丝 ， 丝 杠 导 程4(mm) 深 度 （ ）， m m / m i 速 度 （ ）， n 铣刀转速 （ r/。 按 照 以上 简化过程，可得到与 进 给 速 度 钻 头 转 速 n 有关的计算公式，如 表 3示： 表 3削力、扭矩和功率的计算 计算公式和参数选定 计 算 结 果 钻削力： N ) d f k 0 . 7 0 / ( N )zF v n （ ） 钻削扭矩： d f k m 0 . 80 . 6 8 6 ( / ) N v n （ ）钻削功率： m 0 d m 0 . 0 1 2 k v n （ ）6 0 0 , 1 . 0 , 0 . 7 , 0 . 3 0 5 , 2 . 0 , 0 . 8 , 0 . 2 5F F M M F z y C z y k k 将进 给速度 钻头转速 n 的变量 代入分别计算，将得到的计算结果 购买设计文档后加 费领取图纸 - 20 - 填入表 3 表 3削力、 切削 扭矩和 切削 功率的计算 切削方式 工作时间 百分比 %t 参 数 计 算 结 果 n M 强力切削 10% 300 9000 75 一般切削 30% 480 15000 120 精细切 削 50% 600 20000 150 快速进给 10% 900 225 0 0 0 给运动 的 计算 雕刻机 工作时 的进给运动分 为 主轴的上下移动 ，主轴的左右移动 以及工作台的前后移动 三个 步骤 。 本课题 对于这三 项 运动方式 的设计 基本相同 ， 故此 可以通过 设计推算 对其中一个方向上 运动 的设计 ，就可以得出 另外两处 结构 设计方案，现在以 设计推算 工作台 结构 为例，设计计算 这部分所采用 的 伺服 电动机，滚珠丝杠和直线导轨， 以 确 定 规 格 型 号 及 参 数来满足在 小型雕刻机 雕刻加工制作 过程中的 种种基本 要求。 珠丝杠副的 计算 1. 计算 滚珠 丝杠导程 由于 电动机与丝杠 选用 1:1 的 传动 方式 ， 所以 h 4 ， 额定动载荷 3 00n L 3 查 机械设计手册第二版，第四卷 表 微冲击 w 查 机械设计手册第二版，第四卷 表 7 级 a 查 机械设计手册第二版，第四卷 表 靠 性 97% c 购买设计文档后加 费领取图纸 - 21 - 查 机械设计手册第二版，第四卷 表 ， 20000 采用预紧丝杠副，按最大负载 算： m eC f M 查 机械设计手册第二版，第四卷 表 预载 由式（ 3 2760 。 2. 计算 允许的最小螺纹底径： 允许得最大轴向变形量 m 11341145重 复 定 位 精 度定 位 精 度6 取 以上两个数据 的最小值 2 计 算最小螺纹底径2 02 0 8 丝杠的 一端 用 轴承 固定， 另 一端游动 00 ()g w w w 件( 1 . 0 5 1 . 1 ) 行 程 + ( 1 0 ) 02380 m 3. 确定滚珠丝杠副的规格代号 ： 由计算出的 d， ， ， 查 滚珠丝杠副 样本 ， 选择 型号 滚珠丝杠副 2248001 3 a 4. 计算 滚珠丝杠副的预紧力 3 购买设计文档后加 费领取图纸 - 22 - m a x 2 8 2 . 4 5 (3由式 （ 3、 （ 3得 33 5. 确定滚珠丝杠副支承用轴承型号、规格 ： 轴承所承受的最大轴向载荷a x 1 m a F （ 3 由式（ 3 m a x 9 7 轴承类型 选用 固定端 角接触球轴承，游动端深沟球轴承 ， P （ 3式 （ 3 预加载荷 =300 满足要求， 由此选用内径 d 为 10 型号的轴承 。 6. 计算 行程补偿值 C： 31
展开阅读全文