小型雕刻機設(shè)計【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計論文】

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購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖 紙 小型雕刻機 設(shè)計 摘 要 機電一體化 技術(shù) 綜合了機械、電子、自動控制、信息、傳感器、電力電子、信號變換接口和軟件編程等技術(shù)，并且 把 這些 通用型 技術(shù) 整合到一起 ， 結(jié)合成一個整體，也 是 現(xiàn)如今機械工業(yè)技術(shù)必須發(fā)展的也將成為國內(nèi)外的發(fā)展主流 。 小型 雕刻機 就 是 在這種大環(huán)境下產(chǎn)生的一種代表性的 機電一體化產(chǎn)品，在 工藝品 的 制作 與 生產(chǎn) 行業(yè) 中 擁有 有較大的市場。 本課題通過 分析國內(nèi)雕刻機 與國外雕刻機的差距以及各自 的特點 ，定義了 雕刻機的功能和使用范圍 ，規(guī)劃 了雕刻機的 結(jié)構(gòu) 布局， 詳細(xì)設(shè)計了 主 軸 運動和 X、 Y 向 進給運動 結(jié)構(gòu) ， 以及工作臺、支撐柱等 輔助結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述 了雕刻機的 運動 過程，實現(xiàn) 了其功能 。 本 文 設(shè)計 的 小型雕刻機， 其 具有 精度高，一致性好 ，一機多用的特點 ， 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 ， 可用于 工藝品雕刻加工 的同時 ， 又具有 銑削 鉆孔等功能 。 關(guān)鍵詞 雕刻機； 伺服 電機 ； 機電一體化 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 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 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 目 錄 摘要 ...................................................................................................................... I .............................................................................................................. 1章 緒論 ........................................................................................................ 1 題背景 ................................................................................................... 1 型雕刻機及其發(fā)展現(xiàn)狀 ....................................................................... 2 型雕刻機的概念 ............................................................................ 2 型雕刻機的應(yīng)用和發(fā)展 ................................................................ 3 型雕刻機的特點 ............................................................................ 3 究雕刻機的目的和意義 ................................................................ 4 章小結(jié) ................................................................................................... 4 第 2章 雕刻機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................ 5 刻機的系統(tǒng)組成 ................................................................................... 5 刻機的整體布局 ................................................................................... 5 給結(jié)構(gòu) ................................................................................................... 8 軸結(jié)構(gòu) ................................................................................................. 12 撐結(jié)構(gòu) ................................................................................................. 13 架設(shè)計 .......................................................................................... 13 作臺設(shè)計 ...................................................................................... 14 座設(shè)計 .......................................................................................... 15 章小結(jié) ................................................................................................. 15 第 3章 小型雕刻機的關(guān)鍵參數(shù)計算 .............................................................. 16 計指標(biāo) ................................................................................................. 16 削力、扭矩和功率的計算 ................................................................. 17 給運動的計算 ..................................................................................... 20 珠絲杠副的計算 .......................................................................... 20 珠絲杠的 計算 .............................................................................. 22 作臺電機的選擇 .......................................................................... 25 章小結(jié) ................................................................................................. 26 結(jié)論 .................................................................................................................... 28 致謝 .................................................................................................................... 29 參考文獻 ............................................................................................................ 30 附錄 .................................................................................................................... 32 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 1 - 第 1章 緒論 題背景 以大機器生產(chǎn)為主流的社會生產(chǎn)形式形成以來，機器生產(chǎn)代替手工勞動不僅使產(chǎn)品數(shù)量與日俱增，而且，更使產(chǎn)品質(zhì)量大為提高。與人口增長及其生產(chǎn)和生活訴求相一致，大機器生產(chǎn)在各個領(lǐng)域中普及逐漸成為全球的共識。作為傳統(tǒng)手工藝制作的各種雕刻業(yè)，采用機器制作也需與時俱進。 盡管 機器雕刻 使手工藝品失去了自然特性及其人文特征，但是，它在降低勞動強度與提高勞動效率方面占有絕對優(yōu)勢，尤其產(chǎn)品的精確度明顯提高。故此 ， 研發(fā)、生產(chǎn)及采用 發(fā)展小型機器 替代手工勞動，成為時代的主流 。 隨著中 國改革開放不斷向著縱深發(fā)展與傳統(tǒng)手工藝的產(chǎn)業(yè)化趨勢，在各種手工業(yè)制作行業(yè)有效地采用小型機械，成為社會發(fā)展的客觀要求。這樣，在 我國 傳統(tǒng)雕刻手工藝行業(yè)中積極推廣與使用 小型雕刻機， 就成為一種時代需要。 然而，由于各種因素，主要是技術(shù)因素的影響， 小型雕刻機 的生產(chǎn)和利用一直被捆綁著手腳。其主要原因，一是為了經(jīng)濟發(fā)展， 我國的小型雕刻機 一直在中外合作的框架下發(fā)展。 如上海洛克公司生產(chǎn)的威客雕刻機、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕雕刻機和南京科能公司生產(chǎn)的雕刻機等 ，均是這樣的混血兒。二是國內(nèi)生產(chǎn)的各類小型雕刻機機體結(jié)構(gòu)簡單 ， 又采用了 基于微控制或 控制系統(tǒng)，伺服部分主要是 伺服 電機細(xì)分驅(qū)動，屬于中等控制精度， 故此，不能達到高精度的要求。三是國外小型雕刻機普遍采用現(xiàn)代的技術(shù)及其制作材料，精度高、操作安全等，與之相比，國產(chǎn)同類產(chǎn)品捉襟見肘。因此， 對于高精度的雕刻加工，我國 都沒有擺脫受制于人枷鎖束縛。 為了徹底扭轉(zhuǎn)這種受制于人的局面，雕刻機研發(fā)與設(shè)計成為勢在必行的大事：本設(shè)計企圖完成的 雕刻機 ，其 機床結(jié)構(gòu)剛高度好、精度高， 并 采用伺服電機驅(qū)動，而且加工精度高，控制系統(tǒng)功能安全可靠， 只有這樣，中國小型雕刻機才能跟上國際工業(yè)化的步伐 [1 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 2 - 型雕 刻機及其發(fā)展現(xiàn)狀 型雕刻機的 概念 雕刻加工不僅源遠流長，而且內(nèi)容豐富，因而成為傳統(tǒng)手工藝中重要的文化長夜之一。從傳統(tǒng)意義上看， 雕刻加工是一項技術(shù)性要求比較高的手工藝 制作業(yè) ， 制品 的質(zhì)量 集中反映著手工藝人 技藝水平 ；另外，由于個人手工制作，故此，一件產(chǎn)品的生產(chǎn)周期十分長，換言之，傳統(tǒng)手工雕刻產(chǎn)品的 生產(chǎn)效率低 ， 成本 及其價格十分昂貴；還有，傳統(tǒng)手工雕刻 工藝品完全反映工藝師技術(shù)及其意愿，這樣，它在具有個性化的同時隱藏著極大隨意性 ，這也是產(chǎn)品不能得到同一的關(guān)鍵所在?？傊c現(xiàn)代生產(chǎn)和生活需要具有相當(dāng)大的差距 。 雕刻機 的結(jié)構(gòu)、形式，乃至大小等，受到其使用范圍的影響，這便構(gòu)成雕刻機的功能。也就是說，雕刻機的結(jié)構(gòu)、形式受到它功能的制約。這樣 ， 根據(jù)功能， 雕刻 機 可分為二維平面雕刻、三維立體雕刻和全自由度空間雕刻 等主要類型 。 當(dāng)然，相較說來， 全自由度空間雕刻 機適用范圍較廣，它既可以用于簡單雕刻，更 主要 的是對于 一些形狀復(fù)雜的工藝品或大型藝術(shù)作品的雕刻工作，如冰雕、沙雕、玉雕以及木雕工藝品等作品 的制作，也能勝任，但是，由于技術(shù)制約，直到目前為止， 此類制品 還遠不能被制作完成。與之相比 ， 前兩種雕刻機已經(jīng)在實踐中得到推廣與利用，并且，有看好的 發(fā)展前景 。 在現(xiàn)代社會環(huán)境中，不論從生產(chǎn)角度看，還是從消費角度看，小型雕刻機具有很強的適應(yīng)性。 小型雕刻機 是現(xiàn)代機械化需求的必然產(chǎn)物，它替代手工生產(chǎn)與制作，不僅在生產(chǎn)技術(shù)上是一個巨大的進步，同時在滿足歷史與現(xiàn)實緊密結(jié)合中有著重要的意義。在現(xiàn)代自動化為主趨勢的社會環(huán)境中， 小型雕刻機通過 自動 控制系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機運行，實現(xiàn) 以自動化 為模式的 雕刻加工 ，這是現(xiàn)代雕刻機的設(shè)計核心 。 毫無疑問，這種小型雕刻機不僅徹底改變了 傳統(tǒng) 上以 手工雕刻 為主的雕刻制作，而且 具有生產(chǎn)效率高、成品率高、加工精度高、 可以復(fù)制，以及 對零件的 適應(yīng)性強等明顯優(yōu)勢；同時， 這類雕刻機設(shè)計 借助 計算機之 件 構(gòu)成了一個相對完整的自動控制 系統(tǒng) 。 為了很好的利用及發(fā)展這種雕刻機的社會作用，這種小型雕刻機可以在不同行業(yè)中進行具有針對性的應(yīng)用及研發(fā) ， 就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，這種小型雕刻機可 被劃 分為模具雕刻機、木工雕刻機、等多種類型。 在性能上，因制作和加工對象的不同，對雕刻機的設(shè)計及要求也不 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 3 - 同，特別是 對 其 機床和控制系統(tǒng)的要求 ，成為整個要求的焦點 。 例如，對模具雕刻機 而言，由于它以 加工金屬材料為主， 故此，需要剛性較強的機床 本體， 不僅如此，因為此類雕刻機主要 用于制作模具，要求精度高， 所以 這類雕刻機更需要精度較高的 又加工系統(tǒng)； 相比之下，用于 廣告 制作的雕刻機 ，可以適當(dāng)降低這些技術(shù)指標(biāo) 。 然而，并非沒有立足點，這個共同點就是 雕刻刀， 研究發(fā)現(xiàn)： 每次切削的有效面積比較小，所以雕刻零件的刀具運動軌跡就會很長，加工時間也會很長。 故此 ，提高雕刻機的刀具運行速度對縮短工件的雕刻時間、提高加工的效率具有很重要的意義。 總而言之，雕刻機的劃分及其設(shè)計必須結(jié)合實際需要而進行，才能使其更加符合實際需要，才能贏得很好的社會效應(yīng) [4 型雕刻機的應(yīng)用和發(fā)展 小型雕刻機根據(jù)需要進行必要 的分類，但是，由于生產(chǎn)技術(shù)難以突破，至今仍然不能形成巨細(xì)和合理的產(chǎn)品系列。也就是說，在現(xiàn)代雕刻領(lǐng)域中，雕刻機的種類仍然不能滿足各種生產(chǎn)需要。這為技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)留有廣闊的天地?，F(xiàn)存雕刻機僅僅能適應(yīng)簡單的雕刻，諸如刻字、簡單的幾何形體雕刻等，至于復(fù)雜的造型，就很難采用這種雕刻機了。從傳統(tǒng)工藝品與現(xiàn)代產(chǎn)品的造型形象及其特征看，采用雕刻機完成生產(chǎn)制作具有極大的現(xiàn)實意義。不僅省工省力、降低成本與提高經(jīng)濟價值，而且，產(chǎn)品做工精細(xì)，產(chǎn)品質(zhì)量高，便于人們使用等。 隨著中國國內(nèi)市場需求的不斷增長與市場供應(yīng)不足矛盾的彰顯，迫切需要從理論到實踐，尤其生產(chǎn)上解決技術(shù)難關(guān)，積極研發(fā)各種類型的小型雕刻機 [9 型雕刻機的特點 本課題設(shè)計的 小型雕刻機 有一下特點 ： 1. 自動化程度高 ，便于操作 。 由于采用數(shù)控技術(shù)和計算機輔助設(shè)計軟件，對于 工件的雕刻 ，其全部 過程都是小型雕刻機自動完成的。 2. 產(chǎn)品的 結(jié)體合理， 精度高， 并且能夠取得整齊劃一 。小型雕刻機的雕刻過程是由計算機控制完成，可以達到相對較高的精度和表面質(zhì)量，而且 能夠達到 批量加工 的目的，換言之，就是產(chǎn)品整齊劃一 。 3. 適用性強的特點 。只需要改變雕刻機控制程序，小型雕刻機便可以雕刻 浮雕等各種復(fù)雜的曲面， 甚至，可以采用不同 刀具， 以適應(yīng)不同部位造型的需要 ， 直至雕刻出富有創(chuàng)意產(chǎn)品 。 4. 雕刻機功能的衍生性，即 小型雕刻機同時有鉆銑功能，可用于鉆 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 4 - 孔、切邊以及加工小模具，性價比高 [11]。 究雕刻機的目的和意義 近現(xiàn)代以來，隨著中國工業(yè)化的進程，盡管 機械工業(yè)已經(jīng)有了較大的發(fā)展， 但是，由于各種主客觀因素的影響，特別是受到科學(xué)技術(shù)的制約，致使 我國的機械工業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與西方發(fā)達國家 依然相差甚遠 。因此，在我國 ，在機械領(lǐng)域迎頭趕上世界先進水平，實現(xiàn)機電一體化，成為時代主流與機械工業(yè)發(fā)展的大勢所 趨。 所謂 機電一體化 ，是指將 機械技術(shù)和電子技術(shù)的有機結(jié)合 的新型 技術(shù)是機械技術(shù)，它 的核心內(nèi)容 包括機械、電子、計算機和自動控制 等 技術(shù)。 機電一體化是一個系統(tǒng)工程，以計算機及其數(shù)控技術(shù)為核心，將傳統(tǒng)機械推進到自動化的程度，不僅提高勞動效率，而且降低勞動強度，并實現(xiàn)更加精確的設(shè)計與生產(chǎn)計劃 。 20 世紀(jì)末期 ，世界 上各個 國家都努力發(fā)展這一技術(shù) ，以提高 各自的綜合實力水平以及 機械技術(shù)水平，實現(xiàn)整體 水平的新高度發(fā)展與突破 向智能化的方向發(fā)展。 這不僅是世界工業(yè)化的新特征，更是時代賦予人類的生產(chǎn)與生活的新模式： 世界各國爭相發(fā)展機電一體化技術(shù)使人們生活逐漸步入自動化時代使經(jīng)濟效益得到飛速發(fā)展。 因此，在中國實現(xiàn) 機電一體化 ，既 是 中華民族從傳統(tǒng)工業(yè)走向現(xiàn)代化的必經(jīng)之路， 也是我國機械工業(yè)趕超世界強國的必由之路 [12 章小結(jié) 本章主要介紹了本設(shè)計的課題背景， 我國雕刻行業(yè)主要以手工雕刻為主并且國產(chǎn)雕刻機的雕刻精度較低 ，高端雕刻機多數(shù)是從國外進口。在此基礎(chǔ)上又介紹了本課題設(shè)計的 小型雕刻機的 特點、應(yīng)用領(lǐng)域以及研究小型雕刻機的目的和意義 。 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 5 - 第 2章 雕刻機的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 刻機的 系統(tǒng)組成 小型雕刻機工作原理是一個三維控制系統(tǒng)， 工作原理如圖 2示 ： 圖 2型雕刻機工作原理 在計算機內(nèi)安裝專用的圖形和文字設(shè)計 排版 軟件 ， 將這些 需要加工的文字或圖案 信息分析處理 自動 整合出 加工路徑 ， 然后再 通過 計算機 成的 工件加工 路 線 信息傳遞 給 控制系統(tǒng) ， 然后 控制系統(tǒng)接收 工件加工路徑數(shù)據(jù)， 再把所要加工的形狀整合出來顯示在計算機屏幕上，若用戶滿意 完 ，就 用特定的算法將 這些 信息轉(zhuǎn)化為 控制 信息， 由于電機是靠脈沖信號控制的所以還要 控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機的信號， 通過控制電機的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度來 控制雕刻機 X 軸、 Y 軸和 Z 軸的走刀。同時，雕刻機的電主軸 進行銑削，即可雕刻 出 預(yù)想的圖案或文字 [14]。 刻機的整體布局 機械結(jié)構(gòu)作為小型雕刻機的硬件部分， 直接決定了雕刻機的工作生產(chǎn)能力以及加工效果 。 正因為如此，對小型雕刻機的機械結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)下面要求進行恰當(dāng)設(shè)計。 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 6 - 1. 首先必須滿足 雕刻機 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 ； 其次滿足 電機一體化的 工作范圍 與 加工精度 ，以提高 生產(chǎn)效率 ，乃至確保 經(jīng)濟性等 多 種要求。 2. 確保小型雕刻機 結(jié)構(gòu)必須滿足其 加工精度 ，確保雕刻機 結(jié)構(gòu)的剛度、抗震性和抗熱變形 等 穩(wěn)定。 3. 雕刻機的結(jié)構(gòu)必須適應(yīng) 加工過程 的 直觀可視，操作方便，調(diào)整和維修方便，運送和裝卸工件方便。 4. 結(jié)構(gòu) 簡約 ，布局合理，方便裝配， 便于操作與具有較強的 安全性 等[15]。 雕刻機 不僅要滿足 總體布局的基本要，還 要滿足 其他外界影響雕刻機布局的因素： 面的形成運動影響。 通常 情況下，需要采 用不同的 刀 具 與 不同的加工方式 對雕刻對象進行不同的處理 ， 這樣， 在工件表面形成的運動方式和運動路線就不同， 而出現(xiàn)不同的工作布局方式 。如果 出現(xiàn)類似外形的工作表面 ， 那么也一定會有對技術(shù)和生產(chǎn)效率等不同的要求 ， 為此， 對應(yīng)不同的加工工件表面 和不同的加工加工方式選用不同種類的刀具 。由此 可見 ， 雕刻機的布局形式也受到工件表面形狀的影響，而且 小型雕刻機的布局形式也是為加工工件表面二設(shè)計的 。 刻機運動布局分配的影響。 雕刻機 伺服 電機驅(qū)動控制機頭加工工件的雕刻 路線相同及 加工相同的工件 ， 但是 在這種情況下有時也 會出現(xiàn) 雕刻機 頭分配不同 的 運動路線 的情況 ， 這種情況也會影響雕刻機的布局，使 雕刻機 出現(xiàn)不同 的布局。 故此，在設(shè)計雕刻機運動分配的時候 ， 必須做到 以下幾點 ：移動部件的重量 要相對較輕，因為一般 情況下， 減輕了移動部件的重量 ， 就降低了 電機 提供的功率 以及 傳動件的尺寸也越??；應(yīng)有利于提高加工精度；應(yīng)有利于提高雕刻機剛度，縮小占地面積 [16 另外 雕刻機本身性質(zhì)要求對工件影響也很大，如工作時自身產(chǎn)生的運動、刻刀與工件摩擦產(chǎn)生的噪聲、集體發(fā)熱還會導(dǎo)致熱變形以及自身剛度和抗震性的影響。經(jīng)過查看相關(guān)書籍以及上網(wǎng)查詢資料得知雕刻機布局形式通常采用如圖 2示的兩種方案： 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 7 - （ a）工作臺固定式 （ b）立柱固定式 圖 2刻機的布局形式 上述 這 兩種 情況 的 布局 方式都是 仿照 龍門 結(jié)構(gòu) 形狀的 框架結(jié)構(gòu)， 兩種形式的共同特點在于 結(jié)構(gòu) 的剛度都比較高。 而其不同點在于 在 方案 (a)布局中， 是把 工作臺 與機架 固定 在一起 ，雕刻機頭 在電機的 作用下根據(jù)要求 作 左右 和上下 移動 ，支架 在 Z 向電機的作用下 作前后移動。 這種工作臺固定形式的 的優(yōu)點在于 對雕刻機縱向長度不同的工件加工都能適應(yīng)，而 且由于工作臺 直接與機架固定 ， 所以 承重能力較好。 另外， 在批量加工較長工件時， 若要 支撐點高度相同， 可以調(diào)整 支架 便于達到目的 。但 ， 雕刻頭運動過程中振動幅度較大所以難以保證加工精度。 方案 (b)中布局， 與方案 （ a） 最大的不同就 是 把 立柱固定，雕刻頭在電機的作用下根據(jù)工作需要 作左右和上下移動，工作臺 在 Z 向電機的作用下 作前后移動。由于 這種設(shè)計是把 立柱固定工作臺 承載著加工工件移動， 所以 承 載能力與布局 (a)方案相比較差。如果 是用于 加工 較輕的 工件， 采用方案（ b）這種設(shè)計 所需軸向力和傳動件的尺寸較小，且移動方便。如果是進行批量加工外伸支架支撐縱向長工件，支點高度相同，所以支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)與 布局 (a)方案相比會稍微復(fù)雜。而這種設(shè)計方案的最大優(yōu)點就在于雕刻頭前后運動時震動較小，能保證加工精度 [18 通過比較 兩種方案， 顯而易見，根據(jù) 雕刻機加工的工件 須 偏小又充分考慮到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原則、結(jié)構(gòu)的基本要求、影響結(jié)構(gòu)布局的基本因素，可采用布局 (b)的方案。 小型雕刻機的機械幾何結(jié)構(gòu)，由以 下幾部分組成 : 撐和固定小型雕刻機，承擔(dān)整個雕刻機的重量，要求穩(wěn)定堅固。底座的四角又與地面連接進一步提高雕刻機的穩(wěn)定性。 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 8 - T 型槽臺、 Y 軸方向的絲杠和導(dǎo)軌組成，由絲杠驅(qū)動，導(dǎo)軌導(dǎo)向，是用來放置并固定工件的， T 形槽工作臺作為工作臺，其特點是精度穩(wěn)定不易變形、耐磨性好。 X 向的絲杠和導(dǎo)軌 組成 。 光軸導(dǎo)軌除了導(dǎo)向作用之外還起到承載 機頭重量 的作用 ， 絲杠的旋轉(zhuǎn)運動帶動 機頭 運 動。 主軸 結(jié)構(gòu)和 Z 方向的絲杠和導(dǎo)軌組成。 電機驅(qū)動 絲杠 轉(zhuǎn)動，絲杠的旋轉(zhuǎn)運動帶動 主軸 結(jié) 構(gòu) 運動，主軸 結(jié)構(gòu) 在 工作時電主軸作高速銑削運動 。 給 結(jié)構(gòu) 進給結(jié)構(gòu) 是 由 伺服 電機 、 執(zhí)行 機構(gòu) 和 機械傳動 結(jié)構(gòu) 組成。 其 作用是接收 控制系統(tǒng)發(fā)出的指令按照這些指令運行驅(qū)動雕刻機走刀 ，可以根據(jù)按照合成信號精確地控制指令的執(zhí)行單元的速度和位置，以及執(zhí)行軌跡的幾個執(zhí)行結(jié)構(gòu) 的運動 軌跡 。 下面 是 小 型 雕 刻 機 進給 結(jié)構(gòu) 的機械 部分 和電機 部分 。 小 型 雕 刻 機 進給運動方式如下 ： 把 工件固定在工作臺 上， 由于雕刻機的布局 工作臺移動立柱固定的形式所以工件隨著 工作臺 做 Y 方向的進給運動 ，機頭 在 X 方向 電機和絲杠的驅(qū)動下 做 進給運動， 與此同時 電主軸 做高速 銑削 運動 ，并 且 在 Z 方向做上下運動。 雕刻機就是這樣雕刻出 預(yù)想的 文字和圖案。 在 絲杠 的驅(qū)動下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下 機頭沿 X 方向的 左右運動 ，如圖 2示： 圖 2刻機 X 方向進給圖 在 絲杠 的驅(qū)動下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下 工作臺沿 Y 方向前后運動，如圖 2示： 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 9 - 圖 2刻機 Y 方向的進給圖 在 絲杠 的驅(qū)動下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下 機頭沿 Z 向上下運動 ， 如圖 2示： 圖 2刻機 Z 方向進給圖 為 保證 雕 刻 運動 穩(wěn)定工作加工和雕刻機的結(jié)構(gòu)嚴(yán)瑾，雕刻機的各傳動鏈全部使用滾珠絲杠副 。 用聯(lián)軸器把 絲杠 的 一端與電機軸 連 在一起 ， 伺服電機 的轉(zhuǎn)動 帶動 與其 連接 的 絲杠 轉(zhuǎn)動 ， 這樣就 把 旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化 成 直線運動。 用軸承把 絲杠的 另一端 固定在機架上 。電動機的轉(zhuǎn)動步數(shù) 是由 指令脈沖數(shù) 控制的 ， 伺服 電機的旋轉(zhuǎn)方向 是由高低電平控制的 ，電機的轉(zhuǎn)動快慢是由 脈沖 信號 的頻率控制 。 而且 伺服 電機 具有以下特點 ： 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 10 - 置 功能， 電機 需要 轉(zhuǎn)動多少 角度 ，就 發(fā) 送 出 多少 具體的脈沖數(shù)量 。 如果要改變 電機 轉(zhuǎn) 動 速 度 的快慢 ，可 通過 改變 發(fā)送脈沖的速 率 來實現(xiàn) 。 反、 急停及 自鎖 功能 ， 如果要 伺服 電機的正反轉(zhuǎn) ，可以 通過 控制電平的高低 來實現(xiàn) ，在 伺服 電機鎖定 的 情況下仍 然 輸出 靜止力矩。 高精度位置功能 ， 可通過控制脈沖速度把電機轉(zhuǎn)速調(diào)到極低， 而 且中間 不需要 再 通過 連接 減速器 ， 這樣就使功率的損耗 和角度位置的偏差 減少了很多 ， 提高了控制精度 。 電機軸與絲杠連接 不需要通過電刷和換相器換相 ，直接用套筒聯(lián)軸器連接 ，從而減少了摩擦，增長了 使用 壽命，如圖 2示： 圖 2杠與電機軸的連接 套筒 聯(lián)軸器用于 聯(lián)接 絲桿與電機 ， 采用套筒聯(lián)軸器 連接的固定精度 相對 較 高 ， 其 特點 在于 ： 可 連接 小型 軸 、 轉(zhuǎn)動 慣量小 以及 適用于 高速 旋轉(zhuǎn)運動 的 連接 ； 安 裝 后 沒 有 反 作 用 力 ；提高絲杠 與電機軸連接的 強度 ； 采用 銷連接 的方式 連接 ， 在 較高 轉(zhuǎn)動 速度 時 仍 可保持 穩(wěn)定運行 。 如圖 2示： 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 11 - （ a） 套筒聯(lián)軸器平面圖 （ b）套筒聯(lián)軸器 實體 圖 圖 2筒 聯(lián)軸器 光 軸 導(dǎo) 軌 主 要 功 能 是 橫 向 導(dǎo) 向 和 縱 向 承 載 。導(dǎo)軌 的作用是 使運動部件按照規(guī)定 的軌跡運動，從而保證 了 各部件的相對位置精度，在很大程度上決 定 雕刻機 的精度與精度保持性， 如圖 2示： 2軸 導(dǎo)軌 雕 刻 機 X 和 Y 向， 安裝 一對圓柱形導(dǎo) 軌在 絲杠的兩側(cè)， 其作用是 可以 幫助 絲杠 分擔(dān) 所 機頭、工作臺和工件所給的壓力 。圓柱形導(dǎo)軌加工容易， 剛度好 精 度 高 可 滿 足 定 位 精 度 的 要 求。 雖然 Z 向 絲杠不承受 向下的壓力 ， 但是 為保證 Z 向 精度， 在 Z 向絲杠的兩側(cè)也安裝兩個光軸導(dǎo)軌 。 Z 向 電主軸 的 定位 是依靠 伺服 電機的自鎖 功能 來實現(xiàn)的 。 把光軸 導(dǎo)軌 的 兩端 用 螺母 固定在 雕刻機 支架上，并 且 與導(dǎo)軌 套 形成移動副， 如圖 2示 ： 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 12 - 圖 2杠和圓導(dǎo)軌的支承方式 各 個 傳 動 鏈 上 的 絲 杠 螺 母 與 不 同 零 件 以 螺 釘 固 定 連 接 ，通過絲杠 副把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動的特性形成 相對運動實現(xiàn)傳動 ； 與工作臺固定連接， 然后 相對于 Y 向絲杠 做直線運動 ；與機頭 支架固定連接， 同理與 Z 向絲杠 形成移動副帶動機頭做上下移動 [13]。 軸 結(jié)構(gòu) 主 軸 結(jié) 構(gòu) 是 雕 刻 機 的 執(zhí) 行 件 。 其 功 用 是 支 承 并 帶 動 工 件 或 刀 具 旋 轉(zhuǎn)進 行 切 削 ， 承 受 切 削 力 和 驅(qū) 動 力 等 載 荷 ， 完 成 表 面 成 形 運 動 。 主 軸 組 件 由主 軸 及 其 支 承 件 和 安 裝 在 主 軸 上 的 傳 動 件 、 密 封 件 等 組 成 ， 要 求 良 好 的 回轉(zhuǎn) 精 度 、 結(jié) 構(gòu) 抗 振 性 、 熱 穩(wěn) 定 性 及 回 轉(zhuǎn) 精 度 的 保 持 性 。雕刻機主軸部分 用螺釘固定在 Z 向的 連接板 上， 利 用電主軸高速轉(zhuǎn) 動 ， 帶動 刀具 做 切削 雕刻運動。 近些年來我國科技不斷發(fā)展進步 ， 使 雕刻機 以及 加工中心 的核心部分主軸 也得到 迅速 發(fā)展 。 使得 高 速 雕 刻 機 主傳動機構(gòu)得到 非常大 的 提高 ， 并且 逐漸 把 帶傳動和齒輪傳動 的形式 向電主軸的形式轉(zhuǎn)化 ，機床主軸由 機床內(nèi) 裝 的 電動機直接驅(qū)動， 從而 使較長的傳動鏈形式逐漸被淘汰 ， 使 機床主運動 部分不在 需 要 傳動鏈 形式傳動 ，這種結(jié)構(gòu) 就是 電主軸。本雕刻機 應(yīng)用電 主軸轉(zhuǎn)速達到 18000r／ 如圖 2示： 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 13 - 圖 2主軸 實體圖 撐結(jié)構(gòu) 架 設(shè)計 支架用來支撐進給結(jié)構(gòu) 并且保證進給結(jié)構(gòu)與工作臺的相對位置精度 ，并且 承載 這 各種 動 態(tài)力和 靜 態(tài)力 以 保證 小型 雕刻機整體穩(wěn)定性 ， 如圖 2 圖 2刻機 支架 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 14 - 作臺 設(shè)計 工作臺的作用是用來放置并固定工件的， 在設(shè)計工作臺 的 時 候 ， 從 整體的剛度和經(jīng)濟性來考慮， 并且 按照機床的工作臺、絲桿、 光軸 導(dǎo)軌的長度來決定 小型雕刻機整體 的大小 ，選用 T 形槽工作臺 作為工作臺 ，其特點是 精度 高、 穩(wěn)定不易變形、耐磨性好、價格便宜。 本次設(shè)計的工作臺長800 800圖 3示 ： (a)工作臺實體圖 （ b）工作臺平面圖 圖 2作臺 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 15 - 座 設(shè)計 底座的作用是起支撐和固定小型雕刻機的作用。 底座的四角又與地面連接進一步提高小型雕刻機的穩(wěn)定性。 設(shè)計的底座 稍微 大一點， 目的是 使機床穩(wěn)定性更強。底座材質(zhì)為 45 號剛，底座尺寸 1700圖 3 圖 3刻機 底座 章小結(jié) 本章主要 分析 了 小型雕刻機的整體機構(gòu)設(shè)計 ：采用了龍門式框架結(jié)構(gòu)雕刻機頭做橫向和上下移動工作臺做縱向移動。在此基礎(chǔ)之上有介紹了進給結(jié)構(gòu) ： X 軸方向 、 Y 軸方向 Z 軸方向 進給 結(jié)構(gòu)； 主軸結(jié)構(gòu) ：采用電主軸； 支撐結(jié)構(gòu) ：支架、工作臺和底座 。 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 16 - 第 3章 小型雕刻機的 關(guān)鍵參數(shù)計算 計指標(biāo) 主運動系統(tǒng)中的電主軸， 是小型雕刻機的核心部件之一， 確定電主軸的型號和參數(shù) ， 以及給 出 結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)計算與校核。 除應(yīng)滿足的要求外，還應(yīng)滿足一下要求 ： 1. 設(shè)法滿足最大 的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級變速。 小型雕刻機工作的時候一定要保證切削用量在合理范圍內(nèi)，這樣才能保證刀具充分發(fā)揮其性能， 使 生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量得到保證 ，還有就是必須保證電主軸的轉(zhuǎn)速足夠快以便于提高雕刻速度提高生 產(chǎn)率。電主軸好要有更大的調(diào)速范圍且必須保證加工的步驟相對集中即只建立一次 安裝固定工件就能完成許多步加工步驟。 2. 具有較高的精度和剛度 。 只有設(shè)法提高主運動結(jié)構(gòu)的剛度，才能使雕刻機工作相對穩(wěn)定，才能提高雕刻機的加工精度，保證工件質(zhì)量。為此，首先要保證傳動件的精度與剛度，只有保證了傳動件的性能才能使傳動相對穩(wěn)定，可以采用高頻加熱淬火的方式增強傳動件的剛度；最后軸承要選用高精度的，并且合理支配軸承之間的跨度。 3. 良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 。 小型雕刻機雕刻順序一般是先進性粗雕刻再進行精雕刻雕刻時可能會因為運動 部件不協(xié)調(diào)以及雕刻過程中零部件的影響，導(dǎo)致主軸結(jié)構(gòu)也跟著發(fā)生震動現(xiàn)象，這樣就會使加工無法正常進行，因此各零部件一定要擁有一定的抗震性。 還有， 雕刻機在雕刻加工的時候主運動結(jié)構(gòu)工作時間長了就會發(fā)熱，導(dǎo)致其他零部件也發(fā)熱，進而產(chǎn)生熱變形，由于出現(xiàn)熱變形各零部件之間的位置精度和運動精度就會降低，從而使加工誤差增大 ， 機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低了傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此要求主軸 不僅 具有較高的 熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并 且，需要 進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。 結(jié)合 設(shè)計參數(shù) 以及 小型 械雕刻機的總體設(shè)計方案，初步 制 定 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 17 - 該雕刻機機械部分的主要參數(shù)，如表 3示： 表 3械設(shè)計參數(shù)表 設(shè)計 項目 設(shè)計 參數(shù) 單位 主軸最高轉(zhuǎn)速 20000n ? r/軸 最大進給速度 3600 mm/ 向 總行程 800 向 總行程 800 向 總行程 100 位精度 25 ? m 脈沖當(dāng)量 用壽命 20000 削力、扭矩和 功率的 計算 小型 雕刻機 雕刻加工的材料 主要 是非金屬材料和鋁合金材料 等 一些不太硬 的材料 。 也正是 由于 這些材料 的材質(zhì) 較軟所以 具有良好的塑性 。小型雕刻機所雕刻的工件性質(zhì)不一樣，這樣就使雕刻機雕刻工件所用時間會不一樣，而且對于不同的材料小型雕刻機所采用的雕刻方式也不一樣通過查閱資料，查的雕刻的方式分為：一般雕刻、強力雕刻、精細(xì)雕刻和快速進給這幾步。 通過查閱 陳宏君 主編的《機械加工工藝手冊》 查 得 表 3 半部分 的切削 經(jīng)驗 計算 公式， 然后將這些查得的公式代入已知的參數(shù)進行簡化 ， 得到 表格右半部分 與切削深度 進給 速度 銑刀轉(zhuǎn)速 n 有關(guān)的 簡化 計算公式 如 表 3示 ： 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 18 - 表 3削力、扭矩和功率計算 切削經(jīng)驗 計算公式 簡化的計算公式 銑削力： 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 ??? 銑削扭矩： z0 ? ??????????? ?? ? ? 0 N ?????????? ? ? ? （ ）銑削功率： 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? ? ? ? ? ? ? ? 。 銑 削 寬 度 w(mm)a 銑 削 深 度 p(mm)a 進 給 速 度 ( m m / m i n )a z n? 銑削速度 0 / 1 0 0 0 ( m / m i n )v d n?? ， 0d — 銑 刀 外 徑 (( 每齒進給量 (mm/z)， z — 銑 刀 齒 數(shù) ， n— 銑刀轉(zhuǎn)速 (r /。 將切削深度 進給速度 銑刀轉(zhuǎn)速 n 的變量代入分別計算，得到計算結(jié)果，如下表 3示 ： 表 3削力、扭矩和功率的計算 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 19 - 其中： 絲 杠 轉(zhuǎn) 速 ， ( / m i n ) r?絲 ， 絲 杠 導(dǎo) 程4(mm) 深 度 （ ）， m m / m i 速 度 （ ）， n— 銑刀轉(zhuǎn)速 （ r/。 按 照 以上 簡化過程，可得到與 進 給 速 度 鉆 頭 轉(zhuǎn) 速 n 有關(guān)的計算公式，如 表 3示： 表 3削力、扭矩和功率的計算 計算公式和參數(shù)選定 計 算 結(jié) 果 鉆削力： N ) d f k? ?????? 0 . 7 0 / ( N )zF v n? ????????（ ） 鉆削扭矩： d f k?? ? ? ? ????m??? ? 0 . 80 . 6 8 6 ( / ) N v n? ???（ ）鉆削功率： 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? ? ? ? ? ? ? ? 將進 給速度 鉆頭轉(zhuǎn)速 n 的變量 代入分別計算，將得到的計算結(jié)果 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 20 - 填入表 3 表 3削力、 切削 扭矩和 切削 功率的計算 切削方式 工作時間 百分比 %t 參 數(shù) 計 算 結(jié) 果 n M 強力切削 10% 300 9000 75 一般切削 30% 480 15000 120 精細(xì)切 削 50% 600 20000 150 快速進給 10% 900 — 225 0 0 0 給運動 的 計算 雕刻機 工作時 的進給運動分 為 主軸的上下移動 ，主軸的左右移動 以及工作臺的前后移動 三個 步驟 。 本課題 對于這三 項 運動方式 的設(shè)計 基本相同 ， 故此 可以通過 設(shè)計推算 對其中一個方向上 運動 的設(shè)計 ，就可以得出 另外兩處 結(jié)構(gòu) 設(shè)計方案，現(xiàn)在以 設(shè)計推算 工作臺 結(jié)構(gòu) 為例，設(shè)計計算 這部分所采用 的 伺服 電動機，滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌， 以 確 定 規(guī) 格 型 號 及 參 數(shù)來滿足在 小型雕刻機 雕刻加工制作 過程中的 種種基本 要求。 珠絲杠副的 計算 1. 計算 滾珠 絲杠導(dǎo)程 由于 電動機與絲杠 選用 1:1 的 傳動 方式 ， 所以 h 4 ， 額定動載荷 3 00n L 3 查 《機械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表 微沖擊 w 查 《機械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表 7 級 a 查 《機械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表 靠 性 97% c 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 21 - 查 《機械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表 ， 20000 采用預(yù)緊絲杠副，按最大負(fù)載 算： m eC f M? 查 《機械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表 預(yù)載 由式（ 3 2760 。 2. 計算 允許的最小螺紋底徑： 允許得最大軸向變形量 m? 11~3411~45??????????????重 復(fù) 定 位 精 度定 位 精 度6? ?? ? ?取 以上兩個數(shù)據(jù) 的最小值 2? ? 計 算最小螺紋底徑2 02 0 8? 絲杠的 一端 用 軸承 固定， 另 一端游動 00 ()g w w w? ? ? ? ?? ? ? ? 件( 1 . 0 5 1 . 1 ) 行 程 + ( 1 0 ) 02380 m ? 3. 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 ： 由計算出的 d， ， ， 查 滾珠絲杠副 樣本 ， 選擇 型號 滾珠絲杠副 2248001 3 a 4. 計算 滾珠絲杠副的預(yù)緊力 3 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 - 22 - m a x 2 8 2 . 4 5 (3由式 （ 3、 （ 3得 33 5. 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號、規(guī)格 ： 軸承所承受的最大軸向載荷a x 1 m a F?? （ 3 由式（ 3 m a x 9 7 軸承類型 選用 固定端 角接觸球軸承，游動端深溝球軸承 ， P （ 3式 （ 3 預(yù)加載荷 =300 滿足要求， 由此選用內(nèi)徑 d 為 10 型號的軸承 。 6. 計算 行程補償值 C： 31