三軸數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計(jì)含開(kāi)題及7張CAD圖
三軸數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計(jì)含開(kāi)題及7張CAD圖,數(shù)控,雕刻,設(shè)計(jì),開(kāi)題,CAD
三軸數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計(jì)
Design of tail heavy hammer car type tension belt
雕刻機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化的產(chǎn)品，在各行各業(yè)都有其應(yīng)用，具有較大的市場(chǎng)前景。使其簡(jiǎn)單實(shí)用是本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。本文針對(duì)多功能三軸雕刻機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先概述了國(guó)內(nèi)外對(duì)雕刻機(jī)現(xiàn)狀的研究。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析和制定了三軸雕刻機(jī)的總體方案、其次針對(duì)三軸雕刻機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核以及對(duì)三軸雕刻機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并對(duì)三軸雕刻機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定了控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和二維圖紙繪制。本次研究的雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度較強(qiáng)。對(duì)三軸雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)和發(fā)展具有一定的參考作用。
關(guān)鍵詞：雕刻機(jī)；主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；進(jìn)給系統(tǒng)；控制
II
ABSTRACT
Engraving machine is a typical mechatronics product, which has its application in all walks of life and has a great market prospect. However, making it simple and practical is the feature of this design. In this paper, the multi-functional three-axis engraving machine is designed. Firstly, the engraving machine is summarized and the current situation at home and abroad is studied. On this basis, the overall scheme of the three-axis engraving machine is systematically analyzed and formulated. Then the main drive system of the three-axis engraving machine is designed and checked, and the feed system of the three-axis engraving machine is designed. The control system of the three-axis engraving machine is designed, and the overall design of the control system is formulated. Finally, three-dimensional structure design and two-dimensional drawing are carried out. The engraving machine described in this paper is simple and reasonable in structure, economical and practical, convenient in operation, precise in movement, stable, flexible, light and durable. It will not affect the work due to cutting and dust fouling, and has enough rigidity to meet the needs of the working range. It has a certain reference for the design and development of three-axis engraving machine.
Key words ： Engraving machine;Main movement system;Feed movement system; control
目錄
1 緒論 1
1.1 雕刻機(jī)的概述與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1
1.2 雕刻機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 研制雕刻機(jī)的目的和意義 3
2 系統(tǒng)分析與方案的訂制 4
2.1 三維雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) 4
2.2 雕刻機(jī)總體方案選擇 4
2.3 雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 7
2.3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)的確定 7
2.3.2 主運(yùn)動(dòng)方案 8
2.3.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 8
3 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核 10
3.1 雕刻機(jī)切削力、扭矩和功率計(jì)算 10
3.1.1 銑削力、扭矩和功率的計(jì)算 10
3.1.2 三維多功能雕刻機(jī)的鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 10
3.2 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13
3.2.1 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的方案 13
3.2.2 主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
4 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16
4.1 Z 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16
4.1.1 Z 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成 16
4.1.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.1.3 預(yù)定額定動(dòng)載荷Cam 20
4.1.4 Z 方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
4.1.5 聯(lián)軸器的選擇 27
4.2 X 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28
4.2.1 X 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成 28
4.2.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 28
4.2.3 X 方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 34
4.2.4 聯(lián)軸器的選擇 36
4.2.5 X 方向直線進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算 36
4.3 Y 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 38
4.3.1 Y 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成 38
4.3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 39
4.3.3 Y 方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 43
4.3.4 聯(lián)軸器的選擇 45
4.3.5 Y 方向直線進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算 45
5 三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 48
5.1 三維雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)工作原理 48
5.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 49
5.2.1 為系統(tǒng)提供動(dòng)力源的步進(jìn)電機(jī)的控制電路 49
5.2.2 變頻器的控制電路 49
5.2.3 PLC 的 I/O 分配表 50
結(jié)論 52
參考文獻(xiàn) 53
致 謝 55
IV
1 緒論
1.1 雕刻機(jī)的概述與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
雕刻機(jī)（Engraving Plotter），是一種用于在木材、玉石、象牙以及金屬等材料上雕刻字和圖案的機(jī)器設(shè)備。
雕刻技術(shù)已經(jīng)有幾千年的歷史了，我國(guó)在考古時(shí)發(fā)現(xiàn)的“人面網(wǎng)紋盆”的制作就使用到了雕刻工藝，因而該技術(shù)在遠(yuǎn)古的母系氏族的時(shí)候就已經(jīng)出現(xiàn)了，我國(guó)古代四大發(fā)明之一的活字印刷術(shù)就是對(duì)雕刻工藝的最典型使用，該技術(shù)將字體雕刻在印模上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)書(shū)籍等的大量快速印刷。除了活字印刷術(shù)外，我國(guó)古代及當(dāng)今還有很多精美絕倫的手工雕刻藝術(shù)品。
雕刻機(jī)是工業(yè)革命后產(chǎn)生的，起初的雕刻機(jī)是手動(dòng)進(jìn)行控制，全球第一個(gè)手動(dòng)控制的雕刻機(jī)是 1938 年在法國(guó)誕生的，后面隨著電氣化的不斷發(fā)展，電動(dòng)機(jī)
驅(qū)動(dòng)可以很好的代替手動(dòng)控制，在這種背景下電動(dòng)雕刻機(jī)在 1950 年問(wèn)世，后面
在 20 世紀(jì) 90 年代后，雕刻計(jì)的控制技術(shù)越來(lái)越成熟，這也使得雕刻機(jī)對(duì)形狀復(fù)雜的雕刻工藝通過(guò)二維以及三維控制的方式實(shí)現(xiàn)，其對(duì)復(fù)雜工藝品加工的工藝性已經(jīng)可以媲美人工甚至超過(guò)手工雕刻的工藝性，從 20 世紀(jì) 90 年代到目前，通過(guò)雕刻機(jī)可加工的產(chǎn)品的范圍日益增大，其加工的產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛， 在最初的時(shí)候雕刻機(jī)主要被使用在雕刻印章，主要是雕刻名字，后面在房屋外表及門(mén)窗裝飾品的雕刻的上應(yīng)用變得日益增多，現(xiàn)在隨處可見(jiàn)的復(fù)雜工藝品大多是雕刻機(jī)加工而成的。如圖 1.1 所示是雕刻機(jī)加工的一些工藝品。
9
圖 1.1 部分雕刻工藝品
我國(guó)在改革開(kāi)發(fā)后一方面經(jīng)濟(jì)得到了前所未有得快速發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)也得到了迅速發(fā)展，同時(shí)使得我國(guó)對(duì)雕刻機(jī)技術(shù)得到了很好的發(fā)展，以及我國(guó)雕刻機(jī)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，我國(guó)的雕刻機(jī)在經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放后的幾十年的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)可以造出質(zhì)量相當(dāng)不錯(cuò)的雕刻機(jī)，但是由于我國(guó)工業(yè)化起步較晚，制造出來(lái)的雕刻機(jī)性能方面是遜色于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的，我國(guó)很多雕刻機(jī)知名公司生產(chǎn)出來(lái)的雕刻機(jī)整體組成比較簡(jiǎn)單，通常都使用 PC 作為雕刻機(jī)的的控制系統(tǒng)，動(dòng)力提供部分主要是為系統(tǒng)提供動(dòng)力源的步進(jìn)電機(jī)為，因而這些雕刻機(jī)定位于中等精度，此類(lèi)雕刻機(jī)產(chǎn)品有，名字為精雕數(shù)控雕刻機(jī)，它是由我國(guó)北京精雕公司制造出來(lái)的，以及名字為啄木鳥(niǎo)的數(shù)控雕刻機(jī)，它是由上海洛克公司制造出來(lái)，還有名字為威克數(shù)控雕刻機(jī)，它是由我國(guó)南京科能公司生產(chǎn)出來(lái)的，當(dāng)然上述雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)制造成本也相對(duì)較低。
工業(yè)革命最先發(fā)起的發(fā)達(dá)的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家像美國(guó)和英國(guó)以及意大利和日本， 他們?cè)诘窨虣C(jī)領(lǐng)域的技術(shù)是比較先進(jìn)，這些國(guó)家的雕刻機(jī)制造廠，生產(chǎn)的雕刻機(jī)機(jī)械零件部分加工精度高，控制部分采用閉環(huán)控制，控制精度高，動(dòng)力提供件一般采用可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的伺服電機(jī)，故而雕刻機(jī)整體精度高此類(lèi)雕刻機(jī)產(chǎn)品有， 全量數(shù)控雕刻機(jī)，它是由日本的廠家制造出來(lái)的，以及左拉數(shù)控雕刻機(jī)，它是有意大利的廠家制造出來(lái)的，當(dāng)然上述雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)制造成本也相對(duì)較高。
1.2 雕刻機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
雕刻機(jī)發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下：
（1）更加精密化
雕刻機(jī)的精度是由控制和機(jī)械兩部分共同決定的，在控制精度方面，目前閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)，因其包含負(fù)反饋來(lái)對(duì)誤差進(jìn)行彌補(bǔ)控制，故而可極大的提高了伺服電機(jī)的控制精度，在機(jī)械部分的精度，是和機(jī)械傳動(dòng)部件的加工精度有關(guān)， 隨著機(jī)床技術(shù)的不但發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度滾珠絲杠的加工生產(chǎn)。
（2）更加高效化
雕刻機(jī)的高效化的益于以下技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)的不斷發(fā)展必將使得雕刻機(jī)朝著高速和高效的方向發(fā)展：
①高性能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)；
②32 位單片機(jī)；
③刀具性能的提高；
④驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的提高；
⑤規(guī)范的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。
（3）更加智能化
隨著科技的發(fā)展，大多數(shù)多行業(yè)都在朝著智能化的方向發(fā)展，因而今后雕刻機(jī)也必將朝著智能化的方向不斷發(fā)展。
1.3 研制雕刻機(jī)的目的和意義
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，以及機(jī)電一體化技術(shù)不斷推動(dòng)著制造業(yè)的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)對(duì)對(duì)雕刻機(jī)的精度要求和數(shù)量需求不斷增大，通過(guò)對(duì)雕刻機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，可以知道我國(guó)在高精度雕刻機(jī)研制方面仍有不足，高精度雕刻機(jī)還有很大的發(fā)展空間，我國(guó)通過(guò)進(jìn)口的歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家制造的高精度雕刻機(jī)，成本很高， 因而在機(jī)電一體化發(fā)展的大背景下，通過(guò)不斷鉆研使得我國(guó)能夠生產(chǎn)處包含高控制精度閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)和高精度傳動(dòng)系統(tǒng)的以及成本相對(duì)較低的雕刻機(jī)，是我國(guó)機(jī)械制造業(yè)必須完成的任務(wù)，本文以此為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多功能三維雕刻機(jī)。
2 系統(tǒng)分析與方案的訂制
2.1 三維雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)
雕刻機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下：
X,Y 軸行程：400x600mm Z 軸行程：150mm
最大運(yùn)行速度：4m-5.5m/min 最大雕刻速度：2m-3m/min 雕刻精度：0.03mm/300mm 重復(fù)定位精度：0.05mm
最大進(jìn)料高度：10mm
功率（不含主軸）：1.5KW 工作電壓：AC220V/50Hz 主軸功率：1.5KW
主軸轉(zhuǎn)速：0-24000rpm 工作方式：步進(jìn)
整機(jī)重量：100kg
脈沖當(dāng)量：0.01mm/脈沖
2.2 雕刻機(jī)總體方案選擇
雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件，它是有下面 4 個(gè)部分構(gòu)成的：
（1）底座部分：底座雕刻機(jī)用于與大地等固定的部件，其底下一般有螺紋孔用于對(duì)整個(gè)雕刻機(jī)的固定，同時(shí)它也是其它部件的支撐件，其它零部件通過(guò)螺栓固定在底座上。
（2）工作臺(tái)部分：工作臺(tái)部分主要是放置并固定所加工物件的零件，其上配有滾珠絲桿螺母副機(jī)構(gòu)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，將會(huì)沿著進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件
導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)朝 y 向移動(dòng)，其主要由以下零件組成：
①工作臺(tái)；
②y 方向絲杠和進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌；
③支架。
（3）橫梁部分：雕刻機(jī)的橫梁和機(jī)頭配合連接，用于承載機(jī)頭的重量，以及驅(qū)動(dòng)其朝 x 方向移動(dòng)，其主要由以下零件組成：
①y 方向絲杠和進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌；
②支架。
（4）機(jī)頭部分：該部分是雕刻機(jī)與工件直接作用的部分，其上面的刀具在主軸的帶動(dòng)下完成對(duì)工件的雕刻作用，其主要由以下零件組成：
①主軸組件；
②Z 方向絲杠和進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌；
③支架。
通過(guò)相關(guān)調(diào)查分析，可發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的雕刻機(jī)，按照工作臺(tái)是否能夠移動(dòng)分為兩大類(lèi)：
一 工作臺(tái)固定式； 二作臺(tái)移動(dòng)式；
這兩種雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)形式如圖 2.1 所示，由圖可知這兩種雕刻機(jī)都采用了龍門(mén)式，因?yàn)辇堥T(mén)式布局具有較好的整體剛度。
圖 2.1 雕刻機(jī) 2 種基本布局
兩種結(jié)構(gòu)各有以下特點(diǎn)：
（1）工作臺(tái)固定方案：這種方案由于工作臺(tái)是固定的，因而它承受載荷的
能力較好，在對(duì)質(zhì)量較大的工件加工時(shí)，大批量加工的同類(lèi)型零件，易于采用此結(jié)構(gòu)形式，但這種結(jié)構(gòu)形式也有不足之處，具體優(yōu)缺點(diǎn)如下：
工作臺(tái)固定方案優(yōu)點(diǎn)：
①支點(diǎn)高度相同；
②固定支架支撐調(diào)整方便；
③易于同類(lèi)型零件大批量加工。工作臺(tái)固定方案缺點(diǎn)：
①整個(gè)機(jī)構(gòu)的重心較高，這是由于下 x,y 以及 z 方向的運(yùn)動(dòng)部件都安裝在了在該形式雕刻機(jī)的垂直升降機(jī)構(gòu)上；
②整個(gè)機(jī)構(gòu)體積過(guò)于龐大；
③安裝、搬運(yùn)和維護(hù)不便。
（2）工作臺(tái)移動(dòng)方案：這種方案的工作臺(tái)是可以移動(dòng)的，但立柱是被固定住了，主要實(shí)現(xiàn)了雕刻刀頭的上下及橫向的運(yùn)動(dòng)和工作臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng)，這些方向的運(yùn)動(dòng)共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的加工，這種結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
工作臺(tái)移動(dòng)方案優(yōu)點(diǎn)：
①雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較易保證；
②支架支撐調(diào)整方便；
③易于質(zhì)量輕的零件；
④易于零件批量化加工。工作臺(tái)移動(dòng)方案缺點(diǎn)：
①承載能力差，這是由工作臺(tái)可移動(dòng)導(dǎo)致的；
②支架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；
③安裝、搬運(yùn)和維護(hù)方便。
本文通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)床情況以及結(jié)合本文的設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合考慮了相關(guān)因素后，最終確定本文采用工作臺(tái)固定式方案。
2.3 雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)的確定
雕刻機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)通常采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，這種坐標(biāo)系的 X、Y、Z 三軸方向可通過(guò)右手法則確定，雕刻機(jī)在這種坐標(biāo)系中包含沿著 X、Y、Z 三軸方向的移動(dòng)和繞這三軸的旋轉(zhuǎn)，其中繞 X 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的符號(hào)為 A，繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的符號(hào)為 B，繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的符號(hào)為 C，雕刻機(jī)的 Z 軸通常是垂直于工件的加工表面，是雕刻機(jī)主軸的方向，圖 2.2 和圖 2.3 所示是雕刻機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖。
圖 2.2 右手坐標(biāo)系統(tǒng)
圖 2.3 雕刻機(jī)的總體布局和坐標(biāo)系統(tǒng)的確定
2.3.2 主運(yùn)動(dòng)方案
常用的雕刻機(jī)主運(yùn)動(dòng)方案有以下兩種，它們都有著自己的優(yōu)點(diǎn)和存在不足之處：
（1）直接采用專(zhuān)用鉆頭，這種方案優(yōu)缺點(diǎn)： 直接采用專(zhuān)用鉆頭的優(yōu)點(diǎn)：
①實(shí)用又方便；
②加工質(zhì)量好。
直接采用專(zhuān)用鉆頭的缺點(diǎn)：
①含有一一對(duì)應(yīng)的變頻調(diào)速裝置；
②價(jià)格比較昂貴；
（2）直流電機(jī)加上帶輪，這種方案具有以下優(yōu)缺點(diǎn)： 直接采用專(zhuān)用鉆頭的優(yōu)點(diǎn)：
①價(jià)格比較便宜；
②可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加工。 直接采用專(zhuān)用鉆頭的缺點(diǎn)：
①機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度加大；
②占用空間比較多；
本文通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)床情況以及結(jié)合本文的設(shè)計(jì)參數(shù)，從實(shí)用性出發(fā)，最終確定本文采用專(zhuān)用的雕刻機(jī)頭。
2.3.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案
本設(shè)計(jì)采用雕刻方式是是由以下三個(gè)部件的四種運(yùn)動(dòng)配合完成的：
（1）主軸帶著雕刻需要實(shí)現(xiàn) Z 向的直線移動(dòng)和繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中直線運(yùn)動(dòng)是由 Z 方向絲杠和進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌配合 Z 向的進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成，繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是由主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸完成的；
（2）刀架實(shí)現(xiàn) X 向的直線移動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)是由 X 方向絲杠和進(jìn)給系統(tǒng)中的組
成的部件導(dǎo)軌配合 X 向的進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成；
（3）刀架實(shí)現(xiàn) Y 向的直線移動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)是由 Y 方向絲杠和進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌配合 Y 向的進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成。
如下圖 2.4 所示為 雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)。
圖 2.4 雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)的確定
3 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核
3.1 雕刻機(jī)切削力、扭矩和功率計(jì)算
雕刻機(jī)的切削力、扭矩和功率的確定和所加工材料的類(lèi)型密切相關(guān)，本文設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)主要加工以下材料：
①有機(jī)材料：塑料、橡膠材料；
②有色金屬材料：這種材料中主要包含鋁和銅以及合金材料等。
通過(guò)上文中對(duì)雕刻機(jī)加工材料鋁板(180MPa)分析以及考慮到加工零件的結(jié)構(gòu)，本分實(shí)用的刀具主要有以下兩種，本文設(shè)計(jì)時(shí)分別計(jì)算了它們的切削力、切削扭矩和切削功率。
①硬質(zhì)合金直柄立銑刀：其主要的參數(shù)為：d0=8mm，z=2；
②高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆。
本文在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)雕刻機(jī)的加工范圍分析，確定了雕刻機(jī)的加工方式， 如下表 3-1 所示為雕刻機(jī)切削方式和其對(duì)應(yīng)的時(shí)間占比。
表 3.1 切削方式和其對(duì)應(yīng)的時(shí)間占比
切削方式
時(shí)間占比
強(qiáng)力切削(切)
10%
一般切削(雕)
30%
精細(xì)切削(刻)
50%
快速進(jìn)給
10%
3.1.1 三維多功能雕刻機(jī)的鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算
由參考文獻(xiàn)[5]可知，鉆削力、鉆削扭矩和鉆削功率的參數(shù)值，可由下面的
19
計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算：
F = C d zF f yF k
（3-8）
F 0 F
M = C d ZM f yM k （3-9）
M 0 M
P = M ′ v
m 30d
（3-10）
0
式中： F 指的是三維多功能雕刻機(jī)鉆削軸向力； KF 指的是三維多功能雕刻機(jī)在加工條件改變時(shí)的切削力修正參數(shù)；M 指的是三維多功能雕刻機(jī)的鉆削扭矩； pm 指的是三維多功能雕刻機(jī)的鉆削功率； v f 指的是三維多功能雕刻機(jī)的進(jìn)
給速度， 可由下式計(jì)算： v f = fn ； v 的是三維多功能雕刻機(jī)的鉆削速度，
v ? pd0 n/1000 ； d0 指的是三維多功能雕刻機(jī)的鉆頭外徑,本文取其值為 3mm； f
指的是三維多功能雕刻機(jī)的進(jìn)給量；n 指的是三維多功能雕刻機(jī)的鉆頭轉(zhuǎn)速。由相關(guān)文獻(xiàn)中的有關(guān)表格可以查得，在雕刻機(jī)加工的材料為鋁合金時(shí)，三維
多功能雕刻機(jī)的高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的對(duì)應(yīng)參數(shù)為：
CF = 600 , zF = 1, yF = 0.7 , CM
= 0.305, zM
= 2.0 , yM
= 0.8, kF = kM
= 0.25。
把上文中計(jì)算得到的相關(guān)參數(shù)將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(3-8) (3-9) (3-10)，可對(duì)以上三個(gè)式子進(jìn)一步簡(jiǎn)化，進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)
速的參數(shù)值，可由下面的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算： 鉆削力：
f f
F = 600′ 31 ′1′ (v / n)0.7 = 1800 (v / n )0.7
鉆削扭矩：
f f
M = 0.305′ 32 ′1′ (v / n )0.8 = 2.745 (v / n )0.8
鉆削功率：
（3-11）
（3-12）
P = M ′ 3.14′ 3′ n = 0.0001Mn
M 30 ′ 3′1000
（3-13）
另絲杠轉(zhuǎn)速
n絲 = v f / Ph
（3-14）
初選絲杠導(dǎo)程 Ph = 4(mm)
把本文所使用的四種切削方式下的相關(guān)參數(shù)代入以上四個(gè)式子中，可分別求得每種方式下的進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速的參數(shù)值分別為：
（1）強(qiáng)力切削
將參數(shù)v f =300， n =9000 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）得
n絲 = 300 / 4 =75（r/min)
z
F = 1800 (300 / 9000 )0.7 =166(N)
M = 2.745 (300 / 9000 )0.8 =0.18(N·m)
Pm = 0.0001′ 0.18′ 9000 =0.162(kW)
（2）一般切削
將參數(shù)v f =480， n =15000 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）得
n絲 = 480 / 4 =120（r/min）
z
F = 1800 (480 /15000 )0.7 =161(N)
M = 2.745 (480 /15000 )0.8 =0.20(N·m)
Pm = 0.0001′ 0.20′15000 =0.30（kW）
（3）精細(xì)切削
將參數(shù)v f =600， n =20000 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）得
n絲 = 600 / 4 =150（r/min）
z
F = 1800 (600 / 20000 )0.7 =154(N)
M = 2.745 (600 / 20000 )0.8 =0.166(N·m)
Pm = 0.0001′ 0.166′ 9000 =0.149（kW）
（4）快速進(jìn)給
將參數(shù)v f =900， n =0 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）得
n絲=900/4=225（r/min）， Fz =0， M =0， Pm =0
表 3.2 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算
切削方式
強(qiáng)力切削
一般切削
精細(xì)切削
快速切削
工作時(shí)間 t%
10%
30%
50%
10%
參數(shù)
v f
300
480
600
900
n
9000
15000
20000
----
計(jì)算結(jié)果
n 絲
75
120
150
225
FZ
166
161
154
0
M
0.18
0.2
0.166
0
Pm
0.162
0.3
0.149
0
3.2 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.2.1 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的方案
在這一節(jié)中，將主要對(duì) Z 軸方向主運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行確定，主要確定了繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的提供電動(dòng)機(jī)的安裝形式為將該電機(jī)和三維多功能雕刻機(jī)的刀架之間相連，這種布局形式將有利于減少主運(yùn)動(dòng)的空間，以及沒(méi)有中間的傳動(dòng)鏈將使得功率率傳遞和加工精度顯著提高，在下文中計(jì)算了主軸電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。
3.2.2 主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
綜合上文中的計(jì)算結(jié)果，以及由于采用直接連接的形式，故而忽略傳動(dòng)效率，
有相關(guān)文獻(xiàn)取得對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)可知，主軸電機(jī)所需扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的參數(shù)值可由下面的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。
（1）轉(zhuǎn)矩M 0 計(jì)算
由相關(guān)文獻(xiàn)可知，轉(zhuǎn)矩的參數(shù)值，可由下面的方法進(jìn)行表示：
M 0 3 iMAX {M i }
式中：i 指的是安全系數(shù)，由相關(guān)文獻(xiàn)中的有關(guān)表格可查得，這里安全系數(shù)取 2，最大扭矩值為 0.44，因而所取轉(zhuǎn)矩的值大于 0.88 就能符合要求，本文設(shè)計(jì)
時(shí)，通過(guò)對(duì)上文中求得的相關(guān)參數(shù)值和設(shè)計(jì)參數(shù)值綜合進(jìn)行了分析，最終確定轉(zhuǎn)
矩的值為 2.5（Nm）。
（2）功率 P0 計(jì)算
由相關(guān)文獻(xiàn)可知，電機(jī)的功率的參數(shù)值，可由下面的方法進(jìn)行表示：
P0 3 MAX {pi }
由相關(guān)文獻(xiàn)中的有關(guān)表格可查得，這里最大功率得參數(shù)值取 0.702 (kW ) ， 因而所取功率的值大于 0.72（kW）就能符合要求，本問(wèn)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)上文中求得的相關(guān)參數(shù)值和設(shè)計(jì)參數(shù)值綜合進(jìn)行了分析，最終確定功率得值為 0.8
（kW）。
根據(jù)上文中計(jì)算所得所需電機(jī)扭矩和功率的參數(shù)，查閱了國(guó)內(nèi)相關(guān)電機(jī)生產(chǎn)廠家的選型手冊(cè)，最終確定本文設(shè)計(jì)的三維多功能雕刻機(jī)的主軸電動(dòng)機(jī)使用有安陽(yáng)萊必泰
機(jī)械有限公司的生產(chǎn)的雕刻機(jī)，該電機(jī)的外形尺寸圖如圖 3.1 所示，具體參
數(shù)如表 3.5 所示：
圖 3.1 雕刻機(jī)主軸電機(jī)的外形圖
表 3.3 雕刻機(jī)主軸電機(jī)的技術(shù)參數(shù)表
主軸型號(hào)
轉(zhuǎn)速
電機(jī)
外形尺寸
KW
V
M
A Hz
D
D1
D2
Join t of
nose
L
L1
L2
ADX60-24
Z/0.8
24000
0.8
220
2.
5
2.
2
400
62
55
ER11
20
6
6
20
4 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
三維多功能雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由三部分組成，分別是 Z 方向的主軸帶動(dòng)雕刻刀的上下移動(dòng)，X 方向的工作臺(tái)帶動(dòng)工件的左右移動(dòng)，Y 方向的橫梁帶動(dòng)機(jī)頭的前后移動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)部件組成時(shí)一致，都是由對(duì)應(yīng)部件的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力， 經(jīng)過(guò)滾珠絲杠螺母副的傳遞，使得每個(gè)部件沿著自身的進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌進(jìn)行移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
4.1 Z 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1.1 Z 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成
從前面的章節(jié)可以得出，為系統(tǒng)提供動(dòng)力源的步進(jìn)電機(jī)與滾珠的絲杠是直接相連的，它將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，變換至平面的移動(dòng)。從下面的圖
4.1 可以看出：
圖 4.1 Z 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
4.1.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算
在進(jìn)行本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將鉆孔的所受的作用力達(dá)到峰值的時(shí)候是對(duì)于 Z
軸絲杠進(jìn)行作用，本次設(shè)計(jì)對(duì)于滾珠絲杠進(jìn)行了較為詳盡的設(shè)計(jì)計(jì)算，所采用的計(jì)算方式及方法具體的表述為以下幾個(gè)方面：
（1）將滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的當(dāng)量載荷確定多功能雕刻機(jī)在不同的切削方式下所對(duì)應(yīng)的絲杠的轉(zhuǎn)速nl
通過(guò)查閱上述表所述的表格 3.2 可以得出對(duì)于不同工況下的絲杠的不同的轉(zhuǎn)
速可以表示為：
n1 = 75(rpm), n2 = 120(rpm), n3 = 150(rpm), n4 = 225(rpm)
（2）求多功能雕刻機(jī)在不同的切削方式下所對(duì)應(yīng)的軸向載荷 Fl
從下述的模型圖 4.2 可以看出，多功能雕刻機(jī)在不同的切削方式下所對(duì)應(yīng)的主軸部件設(shè)計(jì)。
圖 4.2 主軸部件模型圖
圖 4.3 Z 方向進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌簡(jiǎn)圖
由下面的計(jì)算方法可知，絲杠受到的軸向力包括以下三部分：
①多功能雕刻機(jī)的零部件的主軸部件的重力；
②方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌摩擦力以；
③多功能雕刻機(jī)的零部件的鉆削力 Fz ；
Fl = Fzi - gW 軸 + f 磨
(4-1)
本次進(jìn)行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵的零部件是在整個(gè)系統(tǒng)的中間位置，在該種情況下，整體的中心和方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌是不在一個(gè)直線上的。
故而在此情況下進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌上將會(huì)有相應(yīng)的扭矩出現(xiàn)，圖
4.3 為進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌的受力簡(jiǎn)，由該圖我們可得到下面得相關(guān)參數(shù)
①進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌兩進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌的中心距離 a=40（mm）；
②進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌的重心與進(jìn)行連接的絲杠的水平距離l1 = 60 （mm）；
③絲杠受到的軸向切削力與它本身的水平距離l2 = 80 （mm）。
通過(guò)查閱相關(guān)得設(shè)計(jì)手冊(cè)及參考相關(guān)文獻(xiàn)可以知道，方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌，可以通過(guò)下面的具體公式進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入和參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算：
Fp =
(4-2)
由相關(guān)文獻(xiàn)可知，進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌上的摩擦力的參數(shù)值，可由下面的方法進(jìn)行計(jì)算：
f = 4′ m (l1 gW軸 - l2 Fzi )
磨 2a
(4-3)
將上面所得公式(4.3)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4.1)
F = F - gW + 4
(4-4)
l zi 軸
滾珠絲杠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的過(guò)程所受的摩擦力都是參照實(shí)際工作時(shí)一般情況下進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行取值，一般情況下所取得數(shù)值為 0.01。
會(huì)存在滾珠絲杠螺母副的回珠器曲線會(huì)發(fā)生失真現(xiàn)象，以及起導(dǎo)向作用的進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌在安裝的時(shí)候平行度不足，沒(méi)有安裝到合理的位置， 故而在實(shí)際計(jì)算時(shí)，其值應(yīng)該乘以一個(gè)安全系數(shù)，通?？扇?10，因此，在實(shí)際的校核計(jì)算中，動(dòng)摩擦系數(shù)的實(shí)際值通常情況下取 0.1。
查章節(jié) 3.1 得不同工況下得加工方式方式下的鉆削力：
Fz1 = 166（N)， Fz 2 =161(N)， Fz 3 = 154(N)， Fz 4 = 0
通過(guò)和國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)床進(jìn)行對(duì)比，可大致估算出本文設(shè)計(jì)的多功能雕刻機(jī)的主軸部件重量為：W軸 = 5(kg)，
把上文中得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4.4)中可得，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)不同得加工的方式對(duì)應(yīng)的絲杠所受軸向力的具體數(shù)值分別為：
F1 = 167(N), F2 = 160(N), F3 = 150(N), F4 = 65 (N)
（3）當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm
多功能雕刻機(jī)的主軸當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：
n
nm = ?(nl tl )
l =1
(4-5)
在上文中所述的多功能雕刻機(jī)的的不同工況下得加工方式方式和時(shí)間占比與之對(duì)應(yīng)的絲杠轉(zhuǎn)速分別為：
t1 = 10%,t2 = 30%,t3 = 50%,t4 = 10%
n1 = 75(rpm), n2 = 120(rpm), n3 = 150(rpm), n4 = 225(rpm)
n
得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4.5)
nm = ?(nl tl ) = 75′10% + 120′ 30% + 150′ 50% + 225′10% =141 (rpm)
l =1
（4）多功能雕刻機(jī)的主軸當(dāng)量載荷 Fm
多功能雕刻機(jī)的主軸當(dāng)量載荷具體的計(jì)算公式可以表示為：
29
Fm =
(4-6)
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4.6)，可得具體的數(shù)值為
3 75′10% 3 120 ′ 30% 3 150 ′ 50% 3 225′10%
141
141
141
141
Fm = 3 167
′ +160
′ +150
′ + 65
′ = 146N
4.1.3 預(yù)定額定動(dòng)載荷Cam
（1）按預(yù)期工作時(shí)間估算
多功能雕刻機(jī)的主軸的動(dòng)載荷具體計(jì)算的設(shè)計(jì)公式可以表示為：
Cam
= (4-7)
由相關(guān)文獻(xiàn)中的相關(guān)表格，可查的相關(guān)系數(shù)的參數(shù)值為：
①多功能雕刻機(jī)的主軸的所受的輕微沖擊相應(yīng)的負(fù)載系數(shù)取值為：
fw = 1.3
②多功能雕刻機(jī)的主軸精度選擇 7 級(jí)：
fa = 0.8
③整個(gè)系統(tǒng)保證較高的可靠性，可靠性系數(shù)取值為 97%：
fc = 0.44
④多功能雕刻機(jī)的主軸的所受的當(dāng)量載荷和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速可以表示為：
Fm =146(N)， nm =141(rpm)
⑤整個(gè)系統(tǒng)預(yù)期進(jìn)行工作的總時(shí)間：
Lh = 20000(h)
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-7)
Cam
= 3 60′141′ 20000
146 ′1.3
100 ′ 0.44 ′ 0.8c
=2982 (N )
（2） 按最大負(fù)載 Fmax 計(jì)算
動(dòng)載荷具體計(jì)算的設(shè)計(jì)公式可以表示為:
Cam = fe Fmax = fe F1
(4-8)
查上述所述手冊(cè)中的有關(guān)表，可取以下參數(shù)的參數(shù)值為； fe = 6.7
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式
(4.8) Cam = 6.7 ′167 =1118
Cam = 2982（N）
多功能雕刻機(jī)進(jìn)行連接的螺紋軸向位置發(fā)生的最大的尺寸偏移數(shù)值及多功
能雕刻機(jī)進(jìn)行連接的螺紋最小底徑確定
①計(jì)算允許的軸向位置發(fā)生的最大的尺寸偏移數(shù)值dm
(mm)
d ￡ ? 1 ~ 1 ? ，故d ￡ 2
m ? ÷ m
3 4
è ?
又d ￡ ? 1 ~ 1 ? ，故d ￡ 6
m ? ÷ m
4 5
è ?
取兩種結(jié)果的小值dm ￡ 2 。
②計(jì)算d2m
d2m
= 0.039
(4-9)
采用的連接方式為從一側(cè)進(jìn)行相應(yīng)的的固定，另外一側(cè)進(jìn)行活動(dòng)的布置安裝方式，所以下述所示的公式可以表示為：
L ? (1.1 ~ 1.2)行程+ (10 ~ 14 )導(dǎo)程
初定 Z 方向的行程為 60mm 導(dǎo)程=4mm
L ? 128 (mm)
采用的從一側(cè)進(jìn)行相應(yīng)的的固定，另外一側(cè)進(jìn)行活動(dòng)的布置安裝方式進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌靜摩擦力
F = 4′ m l1 gW軸 = 4′ 0.2 60 ′10 ′ 5 =30 (N)
0 0 2a
2 ′40
d2m
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-9)
= 0.039′ =1.7 (mm)
（3）初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
根據(jù)三維多功能雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)要求，本文選取的滾珠絲桿螺母副，具體參數(shù)如下：
①初選滾珠絲桿螺母副的法蘭的的形式為內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式；
②滾珠絲桿螺母副的直筒型墊片預(yù)緊螺母；
③滾珠絲桿螺母副所定的型號(hào)代碼為 FF；
④滾珠絲桿螺母副的導(dǎo)程 Ph = 4(mm) 。
根據(jù)上文中計(jì)算出來(lái)的Cam , d2m 的參數(shù)值，本文設(shè)計(jì)時(shí)選取滾珠絲杠副的型
號(hào)為：FF1204-3。
Ca = 4000 > Cam =2982， d2 = 9.5 > d2 m =1.7
確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力 Fp
F = 1 F
，而且 F = F = 167 (N)
p 3 max
max 1
故 Fp ? 55 (N )
表 4.1 滾珠絲杠技術(shù)參數(shù)與外形尺寸表
規(guī)格代號(hào)
公稱(chēng)直徑d0
公稱(chēng)導(dǎo)程Ph0
絲杠外徑d1
鋼球直徑Dw
絲杠底徑d2
循環(huán)圈數(shù)
基本額定負(fù)荷
剛度Kc N/μm
動(dòng)載荷Ca(KN)
靜載荷Coa(KN)
FF1204-3
12
4
11.3
2.381
9.5
3
4
6.7
208
表 4.2 絲杠螺母安裝尺寸
螺母安裝連接尺寸
D1(g6)
D2(
)
L2
D3
B
D4
D5
D6
h
D7
M
D8
L1
22
22
10
44
8
32
4.8
8.5
5
32
M2.5
16
35
圖 4.3 滾珠絲杠外形圖
（4） 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號(hào)、規(guī)格外形參數(shù)如下:
圖 4.4 圓法蘭型 :LMF-UU 外形圖
表 4.3 參數(shù)與安裝尺寸表
軸承型號(hào)
球 列數(shù)
外形尺寸（mm）
法蘭盤(pán)
徑擺( μ
m)
額定負(fù)荷(n)
質(zhì)量
(g)
FW
D
L
DF
ｔ
P
M
動(dòng)負(fù)荷
靜負(fù)荷
LMF-10
４
10
19
29
40
6
29
M4
12
370
540
61
（5）滾珠絲桿長(zhǎng)度確定行程補(bǔ)償值C
C = 11.8DtLu
′10-3
(4-10)
Lu = Lk + Ln + 2La
Lk = 60 (mm)， Ln = 37(查樣本) ， La = (2 ~ 4)導(dǎo)程 = 8 ,
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-11)得
Lu = 60 + 37 + 2′ 8 =113(mm)
(4-11)
u
將溫差Dt = 2.5o C ， L =113 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)
算公式(4-10)得
C = 11.8′ 2.5′113′10-3 ? 3.4 。(mm)
滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
(6)滾珠絲杠副的絲杠螺紋長(zhǎng)度 Ls
Ls = Lu + 2Le
Le = 16
Ls ? 145 (mm)
（7）滾珠絲杠副的繪制工作圖
本文設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)查閱滾珠絲杠選型手冊(cè)，得到了本文使用的滾珠絲杠螺母副的以下參數(shù)：
①絲杠長(zhǎng) L = 200 (mm)；
②行程起點(diǎn)到固定點(diǎn)支承距離 L0 = 30
(mm)。
（8）確定滾珠絲杠副的滾珠絲杠的規(guī)格代號(hào)
①滾珠絲杠選擇的具體型號(hào)為 FF1204-3；
②滾珠絲杠選擇的具體公稱(chēng)直徑：12(mm)；
③滾珠絲杠選擇的具體導(dǎo)程：4 (mm)；
④滾珠絲杠選擇的具體螺紋長(zhǎng)度：165( mm)；
⑤滾珠絲杠選擇的具體絲杠全長(zhǎng)：200( mm)；
⑥P 類(lèi) 3 級(jí)精度 FF1204-3 /165X200
4.1.4 Z 方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）作用在滾珠絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩外加載荷作用于滾珠絲杠副的摩擦力矩
TF =
FPh ′10-3
2ph
(4-12)
在上文中我們已經(jīng)確定了滾珠絲杠的以下參數(shù)：
①作用于滾珠絲杠副的絲杠所能承受的最大軸向力 F = F1 = 167 (N)；
②作用于滾珠絲杠副的絲杠的導(dǎo)程 Ph = 4(mm)；
③作用于滾珠絲杠副的絲杠副效率h= 0.9 ；
把以上參數(shù)值將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-12) 中可得：
TF =0.118(Nm)
預(yù)加載荷作用于滾珠絲杠副的絲杠產(chǎn)生的預(yù)緊力矩
F P (1-h2 )
Tp =
p h
2ph2
′10-3
(4-13)
由上節(jié)查得: Fp = 55 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式
(4-21)得
Tp =
55′ 4(1- 0.92 )
2 ′ 3.14 ′ 0.92
= 0.008 (Nm)
（2）計(jì)算作用于滾珠絲杠副的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J ，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jl
作用于滾珠絲杠副的絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J絲 =
1 pLrd 4
32
(4-14)
由上節(jié)查得作用于滾珠絲杠副的絲杠全長(zhǎng) L = 20 (cm) ,外徑d = 1.13 (cm) ,密
度r= 7.85( g / cm3 ) 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-14) 得作用于滾珠絲杠副的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J絲 =
1 ′ 3.14′ 20′ 7.85′1.134 = 25.1 (g / cm2 )
32
（3）總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式
Jl1
= ? J絲
? nl ?
2
? n ÷
(4-15)
n
l =1
è m ?
從上節(jié)查得n2 = 120, nm = 141將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-15)得
l1
回轉(zhuǎn)件總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J = 20 (g / cm2 )
（4）作用于滾珠絲杠副的絲杠直線運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
? V ?2
? ÷
J = m l
l 2 2pn
è m ?
W軸 = 5(kg ) 查 3.2 節(jié)得:V1 = 30(cm / min)
l 2
J = 11.5 (g / cm2 )
(4-16)
l l1 l 2
總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J = J + J = 31.5( g / cm2 )
（5）電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm
為系統(tǒng)提供動(dòng)力源的步進(jìn)電機(jī)57BYG250A
, Jm = 60. Jm > Jl .
（6）總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
由相關(guān)文獻(xiàn)可知，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包含負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)刹糠?，因而其參?shù)值可由下面的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算：
m l
J = J + J = 91.5 (g / cm2 )
（7）Z 軸為系統(tǒng)提供動(dòng)力源的步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算最大加速轉(zhuǎn)矩
Tam
= J 2pnmax ′10-6
60t
(4-17)
a
由上文中可知該部分的最大進(jìn)給速度nmax = 225 ，因而可以通過(guò)相關(guān)計(jì)算方法得到， ta = 0.002 。
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-17)得
Tam
= 91.5′ 2 ′ 3.14 ′ 225 ′10 -6 =1.07 (Ncm)
60 ′ 0.002
（8）連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩
TM ? i (TF + Tp )
(4-18)
把上文中已經(jīng)計(jì)算得到了以下的相關(guān)參數(shù)值，將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-18)中可得：
①摩擦力矩TF = =0.118(Nm)；
②緊力矩TF = =0.118(Nm)；
③系數(shù) i 取 1.5。
TM
? 1.5′ (0.118 + 0.008 ) = 0.189(Nm)
由相關(guān)選型手冊(cè)可查得，三維多功能雕刻機(jī)選用為系統(tǒng)提供動(dòng)力源的步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為 0.35(Nm)，即有：
TM = 0.189 < 0.35
（9）最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T = T + T = 1.07′10-2 + 0.189 ? 0.199 (Nm)
r am M
由滾珠絲杠的選型手冊(cè)可知，本文所使用的滾珠絲杠的額定啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：
0.8(Nm)>0.199(Nm)
通過(guò)上面的計(jì)算公式及理論的分析及相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本次設(shè)計(jì)的電機(jī)的參數(shù)是符合相應(yīng)得具體得設(shè)計(jì)要求得。
4.1.5 聯(lián)軸器的選擇
Tr = 0.199 < 聯(lián)軸器額定轉(zhuǎn)矩=0.3
圖 4.4 聯(lián)軸器外形
表 4.3 參數(shù)表
規(guī)格
?d1,?d2
軸徑
?D
L
L1 L2
M
性能參數(shù)
扭矩
偏心角度
最高轉(zhuǎn)速
螺絲
材料
SDWA
31
6.35
10
31.8
23.8
7
M4*2
30
N·CM
3o
15000
r/min
M4
進(jìn)口
材料
4.2 X 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
三個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)的形式相似，故而在 X 向進(jìn)給部分設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，本文進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化，其他區(qū)部分設(shè)計(jì)計(jì)算和 Z 向的進(jìn)給設(shè)計(jì)是類(lèi)似的。
4.2.1 X 方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成
和上文中 Z 向布置類(lèi)似，為系統(tǒng)提供動(dòng)力源的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和滾珠絲杠相連接，螺母和移動(dòng)部件相連，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，如下圖所示
圖 4.6 X 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈圖
4.2.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算
取銑削時(shí)對(duì) X 軸相關(guān)計(jì)算方法如下：
（1）滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠副的當(dāng)量載荷確定
（2）滾珠絲杠副在各種切削工作方式下絲杠的轉(zhuǎn)速nl 計(jì)算結(jié)果得不同工況下得加工方式方向下絲杠轉(zhuǎn)速：
n1 = 30(rpm), n2 = 300(rpm), n3 = 600(rpm), n4 = 900(rpm)
（3）求各種切削方式下軸向載荷 Fl
圖 4.7 工作臺(tái)部件模型圖
圖 4.8X 方向進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌受力簡(jiǎn)圖
由下面的計(jì)算方法可知，絲杠受到的軸向力包括以下兩部分：
①進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌摩擦力；
②銑削力；
Fl = Fzi + f導(dǎo) (4-19)
本文設(shè)計(jì)分析了進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌的受力簡(jiǎn)圖以及相關(guān)文獻(xiàn)中的表格，我們可得到下面得相關(guān)參數(shù)
由相關(guān)文獻(xiàn)可知，進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌作用力的參數(shù)值，可由下
面的方法進(jìn)行計(jì)算：
F = lG + Fzi
(4-20)
1 2b 4
F1T
= G + cG
4 2a
(4-21)
39
而作用在進(jìn)給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌上的力
F 導(dǎo) =
f導(dǎo) = 4′ F導(dǎo)m
(4-22)
摩擦力
(4-23)
F = F
+ 4′ f
= F + 4′ m ( lG + Fzi ) 2 + ( G + cG) 2
(4-24)
l zi
導(dǎo) zi
2b 4 4 2a
查 3.1 節(jié)得不同工況下得加工方式下的鉆削力：
Fz1 = 68（N）， Fz 2 = 112（N）,
W車(chē) = 10(kg)
Fz 3 = 79（N）， Fz 4 = 0
分別將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-27)得不同工況下得加工方式下絲杠所受軸向力：
F1 =90（N）, F2 = 136（N）, F3 = 100（N）, F4 = 19（N）
（4）當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm
在上文中所述的多功能雕刻機(jī)的的不同工況下得加工方式方式和時(shí)間占比與之對(duì)應(yīng)的絲杠轉(zhuǎn)速分別為：
t1 = 10%,t2 = 30%,t3 = 50%,t4 = 10%
n1 = 30(rpm), n2 = 300(rpm), n3 = 600(rpm), n4 = 900(rpm)
n
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-5)得當(dāng)量轉(zhuǎn)速
nm = ?(nl tl ) = 30′10% + 300′ 30% + 600′ 50% + 900′10% =483 (rpm)
l =1
（5）當(dāng)量載荷 Fm
以上計(jì)算結(jié)果將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-6)
903 ′
30 ′10%
+1363 ′
300 ′ 30%
+1003 ′
600 ′ 50%
+193 ′
900 ′10%
483
483
483
480
Fm = =1
03(N)
（6） 預(yù)定額定動(dòng)載荷Cam 按預(yù)期工作時(shí)間估算：
由相關(guān)文獻(xiàn)中的相關(guān)表格，按 7 級(jí)精度可查得相關(guān)系數(shù)的參數(shù)值為：
①多功能雕刻機(jī)的主軸的所受的輕微沖擊相應(yīng)的負(fù)載系數(shù)取值為：
fw = 1.3
②多功能雕刻機(jī)的主軸精度選擇 7 級(jí)：
fa = 0.8
③整個(gè)系統(tǒng)保證較高的可靠性，可靠性系數(shù)取值為 97%：
fc = 0.44
④多功能雕刻機(jī)的主軸的所受的當(dāng)量載荷和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速可以表示為：
Fm =103(N)， nm =483(N)
⑤整個(gè)系統(tǒng)預(yù)期進(jìn)行工作的總時(shí)間：
Lh = 20000(t)
把以上參數(shù)將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計(jì)算公式(4-7) 中可得：
Cam
= 3 60′ 483′ 20000
103′1.3
收藏