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大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 雕刻機(jī)制作工藝日漸成熟，應(yīng)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(biāo)識(shí)銘牌，可謂雕刻的使用范圍無(wú)處不在。但雕刻機(jī)的價(jià)格均比較高,為了提高其普及率,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)練的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是很具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值的。 本文簡(jiǎn)要地介紹了雕刻機(jī)的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)外同類雕刻機(jī)的特點(diǎn)，說(shuō)明了雕刻機(jī)的功能和使用范圍。綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)制造和加工工藝等知識(shí)，提出了簡(jiǎn)化雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。其次，討論和確定了本雕刻機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布局。本雕刻的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括了主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。其主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)直接接刀具，省去中間傳動(dòng)，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠使部件在導(dǎo)軌上平移來(lái)實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)。再次，對(duì)主電機(jī)的選用、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)以及導(dǎo)軌等主要零部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。本雕刻機(jī)有著安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新穎，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用于中小型雕刻機(jī)，對(duì)雕刻機(jī)價(jià)格具有一點(diǎn)的影響。 關(guān)鍵詞：雕刻機(jī)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，三維 ABSTRACT Production technology of engraving machine has become mature and widely been used in many fields. The sculpture technology is used in the construction of the building decoration, small signs in front of the store, many products and logo nameplate. But the price of engraving machine is high; to be able to increase its penetration rate, design a mechanical system which is cheaper and brevity has a very important theoretical and practical value. This article briefly introduced the origin and the state-of-the –art of the engraving machine, analysed the similar characteristics of sculpture both at home and abroad, explained the functions and scope of use of the engraving machine. Firstly,a motion system design ideas was got by comprehensive using the knowledge such as mechanical design and manufacturing and processing technology. Secondly, the carving of the layout of the engraving machine are discussed and identified. The movement system of the sculpture, including the main movement system and feed movement.The main campaign directly to the electrical system used knives, eliminating the middle transmission, and the Progressive Movement system is used to the stepper motor driven ball screws so that components in the rails On the pan to achieve three-axis linkage. Finally, Selection of the main motor, ball screw, the stepper motor and rails, and other major components of a detailed are designed and calculationed. The engraving machine is easy to install, simple structure, new, and low cost manufacturing, can be used for small and medium-sized carving machine, the engraving machine with little impact on prices. Key words: engraving machines, motor system, 3D 目 錄 摘 要 - 0 - 目 錄 - 2 - 第一章 緒論 - 4 - 1.1 雕刻機(jī)的概述 - 4 - 1.2設(shè)計(jì)研制的雕刻機(jī)的特點(diǎn) - 4 - 1.3研制的雕刻機(jī)功能及使用范圍： - 5 - 第二章 系統(tǒng)分析與方案的訂制 - 6 - 2.1三維雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) - 6 - 2.2雕刻機(jī)總體方案選擇 - 7 - 2.2.1總體布局要求[2] - 7 - 2.2.2總體方案確定 - 8 - 2.3雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) - 8 - 2.3.1坐標(biāo)系統(tǒng)的確定[2] - 9 - 2.3.2總體結(jié)構(gòu) - 10 - 2.3.3主運(yùn)動(dòng)方案 - 10 - 2.3.4進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 - 10 - 第三章 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核 - 11 - 3.1銑削力、扭矩和功率的計(jì)算[3][4] - 11 - 3.2鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算[5] - 12 - 3.3主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 14 - 3.3.1主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的方案[6] - 14 - 3.3.2主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[6][7] - 14 - 第四章 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 - 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[8][9][10] - 16 - 4.1.3滾珠絲桿的校核 - 21 - 4.1.4 Z方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[11] - 24 - 4.1. 5聯(lián)軸器的選擇 - 25 - 4.1. 6 Z方向直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算[12] - 26 - 4.2 X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 27 - 4.2.1 X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成 - 27 - 4.2.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算[8][9][10] - 28 - 4.2.3滾珠絲桿的校核 - 31 - 4.2.4 X方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[11] - 33 - 4.2.5聯(lián)軸器的選擇 - 35 - 4.2.6X方向直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算[12] - 35 - 4.3 Y方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 36 - 4.3.1 Y方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成 - 36 - 4.3.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算[8][9][10] - 36 - 4.3.3滾珠絲桿的校核 - 39 - 4.3.4 Y方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[11] - 42 - 4.3.5聯(lián)軸器的選擇 - 43 - 4.3.6Y方向直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算[12] - 43 - 4.4 雕刻機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 - 44 - 結(jié) 論 - 45 - 參考文獻(xiàn) - 46 - 致 謝 - 47 - 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 - 48 - 第一章 緒論 1.1 雕刻機(jī)的概述 雕刻可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期，母系氏族時(shí)期的半坡氏族的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國(guó)北宋時(shí)期便發(fā)明了活字印刷，《夢(mèng)溪筆談》有記:“其法用膠泥刻字，薄為錢唇，每字為一印，火燒令堅(jiān)……”。這里的刻字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)的雕刻藝術(shù)日益精深，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可堪稱一絕。 上世紀(jì)90年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)，刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)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(biāo)識(shí)銘牌，可謂雕刻的使用范圍無(wú)處不在。 雕刻機(jī)(Engraving Plotter)，顧名思義就是用機(jī)器代替人工進(jìn)行雕刻的設(shè)備。 1938年世界第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國(guó)“嘉寶”問(wèn)世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺(tái)真正意義的電動(dòng)、可縮放比例的手動(dòng)雕刻機(jī)。隨后美國(guó)、日本和法國(guó)等國(guó)也開(kāi)始研制。20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)， 直接推動(dòng)微型計(jì)算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動(dòng)整個(gè)高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)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(jià)格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。 國(guó)外的雕刻機(jī)，如美國(guó)“雕霸”、法國(guó)“嘉寶”和日本“御牧”是此行業(yè)的佼佼者，但價(jià)格非常昂貴。不管大小都在10萬(wàn)圓人民幣以上;近幾年國(guó)內(nèi)的雕刻機(jī)，北京“精雕”、上?！白哪绝B(niǎo)”在國(guó)內(nèi)也有一定的市場(chǎng)，但價(jià)格也不菲。為了使雕刻機(jī)能夠更廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)型的雕刻機(jī)，所以決定對(duì)三維雕刻機(jī)進(jìn)行研制[1]。 1.2設(shè)計(jì)研制的雕刻機(jī)的特點(diǎn) 本雕刻機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備，由于本人學(xué)的是機(jī)械設(shè)計(jì)，只對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高精度。主要措施是采用電機(jī)直接接刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)直接與滾珠絲杠連接，從而省去了機(jī)械運(yùn)動(dòng)鏈，這不但簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且減少了由于機(jī)械摩擦、磨損、間隙等引起的傳動(dòng)誤差。 1.3研制的雕刻機(jī)功能及使用范圍： 雕刻機(jī)可以完成切（Cutting）、刻（Engraving）、雕（Carving & Molding）,現(xiàn)主要在以下方面得到了廣泛的運(yùn)用： 1) 標(biāo)志標(biāo)牌行業(yè) 如胸牌、桌牌、指示牌、導(dǎo)向牌和大型標(biāo)示牌。 2) 禮品行業(yè)個(gè)性化禮品——打火機(jī)、手表、鋼筆、餐具……，可雕刻在偶然性能想象到的所有個(gè)人用品上；廣告禮品——啟瓶器、金屬名片、鑰匙鏈等，所有用于贈(zèng)送的小禮品和企業(yè)特殊禮品作為廣告宣傳之用；獎(jiǎng)品、紀(jì)念品——各種獎(jiǎng)杯、獎(jiǎng)牌、獎(jiǎng)盤及各種紀(jì)念牌；圖像雕刻——用于紀(jì)念性的人像/圖像雕刻。 3) 模具行業(yè) 進(jìn)行小型模具加工。 4) 工業(yè)應(yīng)用 各種儀器儀表的刻度盤、部件打標(biāo)、機(jī)器銘牌、操作面板等。 5) 建筑模型業(yè) 用于房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、城市規(guī)劃、軍事等用途的模型制作。 6) 其他商業(yè)應(yīng)用 印章等物品的雕刻。 以下是幾種產(chǎn)品的樣品圖： 圖1.1 幾種雕刻產(chǎn)品的樣品圖 第二章 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) 下表為本設(shè)計(jì)雕刻機(jī)的參數(shù)表 表2.1 雕刻機(jī)參數(shù)表 規(guī)格型號(hào) X,Y軸 雕刻范圍 600×800 進(jìn)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(jī)械精度(mm) 0.01 Z軸 最大行程 90 進(jìn)給速度 (mm/s) 工作 0.5,1,2,3,5,8,10 快速 5,10,15,20,25,30 機(jī)械精度(mm) 0.01 指令精度(mm) 0.0025 主軸轉(zhuǎn)速(rpm) 6000~20000 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(diǎn)精度(mm) ±0.2 定位精度(mm) 0.025 重復(fù)定位精度(mm) 0.01 工作臺(tái)面的平面度(mm) 0.03/500 橫梁移動(dòng)的垂直度(mm) 0.02/300 主軸錐孔中心線的徑向跳動(dòng)(mm) 0.02 主軸的軸向竄動(dòng)(mm) 0.01 主軸回轉(zhuǎn)中心線對(duì)工作臺(tái)面的垂直度(mm) 0.03 刀具上下移動(dòng)對(duì)工作臺(tái)面垂直度(mm) 0.02 2.2雕刻機(jī)總體方案選擇 2.2.1總體布局要求[2] 雕刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn): (1)首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等等各種要求。 (2)確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率。 (3)確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平。 (4). 應(yīng)便于觀察加工過(guò)程；便于操作、調(diào)整和維修；便于輸送、裝卸工件和清理；注意防護(hù)，確保安全。 (5). 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，合理可靠，便于加工和裝配。 (6). 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(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)考慮影響雕刻機(jī)布局的基本因素: 1）. 表面形成運(yùn)動(dòng)的影響 不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來(lái)加工，從而表面形成運(yùn)動(dòng)的形式和數(shù)目就不同，并導(dǎo)致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術(shù)要求和生產(chǎn)率要求等不同，也可以采用不同的刀具，不同的表面形成運(yùn)動(dòng)來(lái)加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運(yùn)動(dòng)直接決定了雕刻機(jī)布局的形式是影響雕刻機(jī)布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機(jī)時(shí)，必須根據(jù)加工要求，全面、綜合地考慮工件的表面形成方法及運(yùn)動(dòng)，以期作出具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的布局設(shè)計(jì)。 2） 雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配的影響 工件表面形成方法及運(yùn)動(dòng)相同，而雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配不同，雕刻機(jī)的布局亦不同。對(duì)于同一種運(yùn)動(dòng)分配的布局，由于導(dǎo)軌的布置及其它結(jié)構(gòu)型式的不同，也將使雕刻機(jī)的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)注意以下三點(diǎn): (1)移動(dòng)部件的重量應(yīng)盡量輕。在其他條件相同的情況下，越小，所需電機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸也越小。 (2)應(yīng)有利于提高加工精度。 (3)應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)剛度，縮小占地面積。 3）. 工件的尺寸、重量和形狀的影響 工件的表面形成運(yùn)動(dòng)及雕刻機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)分配基本相同，而工件的尺寸、重量和形狀的不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)有很大差異。 另外，還應(yīng)考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動(dòng)、噪聲、熱變形、剛度和抗振性;操縱方便性的影響;模塊化設(shè)計(jì)法的影響等等。 2.2.2總體方案確定 通過(guò)查閱相關(guān)資料，目前雕刻機(jī)基本布局形式通常有如圖2.1所示的兩種方案: 圖2.1 雕刻機(jī)布局簡(jiǎn)圖 這兩種布局都采用龍門框架結(jié)構(gòu)，雕刻機(jī)的剛度均較高。 布局(l)方案中，工作臺(tái)固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，立柱作縱向移動(dòng)。該方案便于變形為不同縱向長(zhǎng)度的雕刻機(jī)。由于工作臺(tái)不動(dòng)，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(zhǎng)工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便。但雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較難保證且立柱移動(dòng)較笨重。 布局(2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，工作臺(tái)作縱向移動(dòng)。由于工作臺(tái)移動(dòng)，承載能力較布局(1)方案差。若設(shè)計(jì)所承載工件的較輕，這種布局方式所需電機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸較小，移動(dòng)較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長(zhǎng)工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)較布局(1)方案略顯復(fù)雜。該方案的最大優(yōu)勢(shì)在于雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較易保證。 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(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用布局(1)方案。 2.3雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本部分著重研究在確定了總體布局型式后對(duì)雕刻機(jī)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(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、主電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳遞方式和轉(zhuǎn)速范圍等; 2.3.1坐標(biāo)系統(tǒng)的確定[2] 雕刻機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手法則，直角卡笛兒坐標(biāo)系統(tǒng)。基本坐標(biāo)軸為X、Y、Z直角坐標(biāo)，對(duì)相應(yīng)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符號(hào)為A、B、C，如圖2.2所示。Z軸為平行于雕刻機(jī)主軸的坐標(biāo)軸，垂直于工件裝卡面。 圖2.2 右手坐標(biāo)系統(tǒng) 圖2.3 本雕刻機(jī)的總體布局和坐標(biāo)系統(tǒng)的確定 2.3.2總體結(jié)構(gòu) 機(jī)械本體部分是雕刻機(jī)的骨架，有底座、立柱、工作臺(tái)、機(jī)頭和主軸組件等部分。在保證整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械剛性的前提下，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，減輕整機(jī)重量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(hù)件用塑料件和飯金件制造，用標(biāo)準(zhǔn)的緊固件和定位銷連接。 2.3.3主運(yùn)動(dòng)方案 雕刻機(jī)主運(yùn)動(dòng)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(jī)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)。真流電機(jī)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(huì)增加機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。專用的雕刻頭的優(yōu)點(diǎn)在這里不在復(fù)述，配以與之配套的變頻調(diào)速裝置，既簡(jiǎn)單又實(shí)用，故采用專用的雕刻機(jī)電機(jī)。 2.3.4進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 由前所述，采用橫梁固定、工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式，機(jī)頭在橫梁上移動(dòng)(X向)，實(shí)現(xiàn)雕刻寬度;工作臺(tái)在底座上移動(dòng)(Y向)，實(shí)現(xiàn)雕刻長(zhǎng)度;主軸組件上下移動(dòng)(Z向)，實(shí)現(xiàn)雕刻深度。由于滾珠絲杠副具有很多優(yōu)點(diǎn),因此各運(yùn)動(dòng)鏈中傳動(dòng)件均采用滾珠絲杠副。步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠副直接連接。至于導(dǎo)軌,各運(yùn)動(dòng)鏈中支承件均采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。 第三章 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核 三維機(jī)械雕刻機(jī)的加工對(duì)象主要是塑料、橡膠等有機(jī)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(qiáng)度和良好的塑性。 以下采用了硬質(zhì)合金直柄立銑刀(d0=8mm，z=2)和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆(d0=3mm)在鋁板(180MPa)上進(jìn)行銑削和鉆削，分別進(jìn)行切削力、切削扭矩和切削功率的計(jì)算。 根據(jù)三維機(jī)械雕刻機(jī)的加工范圍和使用功能及用戶在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不同的切削方式的所使用時(shí)間的分配，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，大致可將切削方式分為強(qiáng)力切削(切)、一般切削(雕)、精細(xì)切削(刻)和快速進(jìn)給四種切削方式，使用時(shí)間的分配分別是10%，30%，50%，10%。 3.1銑削力、扭矩和功率的計(jì)算[3][4] 查參考文獻(xiàn)[3]，可得知下有關(guān)于銑削力、銑削扭矩和銑削功率的經(jīng)驗(yàn)公式。 (3.1) (3.2) (3.3) 式中圓周銑削力(N)，銑削條件改變時(shí)銑削力修正參數(shù)，扭矩M ()，銑削功率 ()，查參考文獻(xiàn)取銑削寬度，銑削深度，進(jìn)給速度，銑削速度，銑刀外徑,每齒進(jìn)給量，銑刀齒數(shù),銑刀轉(zhuǎn)速。 查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)一卷》表9.4-10得以下與硬質(zhì)合金鋼立銑刀的對(duì)應(yīng)參數(shù): ,,,,,,1(加工45號(hào)鋼) 將已知參數(shù)代入式(3.1) (3.2) (3.3)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到僅與切削深度ap、進(jìn)給速度vf和銑刀轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計(jì)算公式。 （3.4） （3.5） （3.6） 另絲杠轉(zhuǎn)速 （3.7） 初選絲杠導(dǎo)程 將四種切削方式下的切削深度ap、進(jìn)給速度vf和銑刀轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計(jì)算。 1)．強(qiáng)力切削 將參數(shù)=2.5，=120，=9000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得 =30 =68 =0.272 =0.255 2)．一般切削 將參數(shù)=1，=1200，=15000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得 =300 =112 =0.448 =0.702 3)精細(xì)切削 將參數(shù)=0.5，=2400，=20000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得 =600 =79 =0.316 =0.660 4)快速進(jìn)給 將參數(shù)=0，=3600，=0代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得 =900，=0， =0，=0 3.2鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算[5] 查參考文獻(xiàn)[5], 可得知下有關(guān)于銑削力、銑削扭矩和銑削功率的經(jīng)驗(yàn)公式 (3.8) (3.9) (3.10) 式中鉆削軸向力F (N)，加工條件改變時(shí)的切削力修正參數(shù)，鉆削扭矩M ()，加工條件改變時(shí)的切削力修正參數(shù)，鉆削功率 (),進(jìn)給速度，銑削速度,鉆頭外徑，進(jìn)給量，鉆頭轉(zhuǎn)速 查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)二卷》表10.4-11得以下與高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆想對(duì)應(yīng)的參數(shù)：,,,,,,（加工45號(hào)鋼）將查得參數(shù)代入(3.8) (3.9) (3.10),可得到僅與進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速有關(guān)的計(jì)算公式。 （3.11） （3.12） （3.13） 另絲杠轉(zhuǎn)速 （3.14） 初選絲杠導(dǎo)程 將四種切削方式中進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速的變量代入分別計(jì)算 1)強(qiáng)力切削 將參數(shù)=300，=9000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得 =75 =166 =0.18 =0.162 2)一般切削 將參數(shù)=480，=15000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得 =120 =161 =0.20 =0.30 3)精細(xì)切削 將參數(shù)=600，=20000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得 =150 =154 =0.166 =0.149 4)快速進(jìn)給 將參數(shù)=900，=0代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得 =900/4=225，=0， =0，=0 3.3主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本節(jié)著重設(shè)計(jì)計(jì)算主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中主軸電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，以確定其型號(hào)及參數(shù)。為了減少主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的所占的空間，采用了由主軸電機(jī)直接接上刀夾，中間不采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 3.3.1主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的方案[6] 為了簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用主軸電機(jī)直接接上刀夾，省去了傳動(dòng)鏈，大大了減少了所占空間，減少了損耗。 3.3.2主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[6][7] 根據(jù)前兩節(jié)的計(jì)算結(jié)果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動(dòng)效率，主軸電機(jī)所需扭矩、功率和轉(zhuǎn)速計(jì)算過(guò)程如下： 1）轉(zhuǎn)矩計(jì)算 查參考文獻(xiàn)[6] 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知所采用的電機(jī)的扭矩 由章節(jié)3.1和3.2計(jì)算結(jié)果可知,最大扭矩值為0.44 故使便可滿足要求 確定額定轉(zhuǎn)矩為 2）功率計(jì)算 查參考文獻(xiàn)[6] 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,所采用的電機(jī)的功率 由章節(jié)3.1和3.2計(jì)算結(jié)果可知,最大功率為0.72 故使 確定額定功率 因此,電機(jī)選用安陽(yáng)萊必泰機(jī)械有限公司的生產(chǎn)的雕刻機(jī)用電主軸,外形圖與參數(shù)表如下: 圖3-1 雕刻機(jī)主軸電機(jī)的外形圖 表3-1 雕刻機(jī)主軸電機(jī)的技術(shù)參數(shù)表 主軸型號(hào)Spindle type 轉(zhuǎn)速Speed (r/min) 電機(jī)　Motor 外形尺寸　Dimensions(mm) 變頻器Conv Kw 潤(rùn)滑Lub 冷卻Cool KW V M A Hz D D1 D2 Joint of nose L L1 L2 ADX60-24Z/0.8 24000 0.8 220 2.5 2.2 400 62 55 - ER11 206 6 20 0.5　 grease water 第四章 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分為三部分：主軸的上下移動(dòng)、小車的左右移動(dòng)和橫梁的前后移動(dòng)。它們的設(shè)計(jì)沒(méi)有本質(zhì)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(duì)Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈中進(jìn)給電機(jī)、滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，以確定規(guī)格型號(hào)及參數(shù) 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 由前章所述，步進(jìn)電機(jī)直接與滾珠絲杠連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為部件的移動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4.1所示 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[8][9][10] 以鉆孔時(shí)對(duì)Z軸絲杠的軸向力最大,以其為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,過(guò)程如下: 4.1.2.1 當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷確定 1）各種切削方式下絲杠的轉(zhuǎn)速 查3.2節(jié)計(jì)算結(jié)果得四種加工方向下絲杠轉(zhuǎn)速： 2）求各種切削方式下軸向載荷 主軸部件設(shè)計(jì)模擬模型如圖4.2 圖4.2 主軸部件模型圖 絲杠受到的軸向力包括主軸部件的重力和導(dǎo)軌摩擦力以及鉆削力,即 (4.1) 設(shè)重心在部件的中心,由于重心與導(dǎo)軌不在一線上,所以對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生扭矩,導(dǎo)軌的受力如簡(jiǎn)圖4.3,兩導(dǎo)軌的中心距離a=40mm，重心與絲杠的水平距離mm,軸向切削力與絲杠的水平距離mm.查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中導(dǎo)軌章節(jié)得此類裝法對(duì)導(dǎo)軌的作用力 (4.2) 作用在導(dǎo)軌上的磨擦力 (4.3) 圖4.3 Z方向?qū)к壥芰?jiǎn)圖 將式(4.3)代入式(4.1)得 (4.4) 動(dòng)摩擦系數(shù)理論上為0.01,但實(shí)際應(yīng)用中由于安裝平行度，為消除間隙采取的 預(yù)緊，回珠器曲線失真（在高速時(shí)體現(xiàn)），內(nèi)外滾道一致性等因素不可控性太強(qiáng)。常 常大于理論值很多。所以動(dòng)摩擦系數(shù)按照0.1核算，靜摩擦系數(shù)按0.2核算。 查章節(jié)3.2得四種加工方式下的鉆削力： 166，161，154， 初步估計(jì)設(shè)計(jì)出來(lái)的主軸部件重量5(kg) 分別代入式(4.4)得四種加工方式下絲杠所受軸向力： 167,160,150,. 3)當(dāng)量轉(zhuǎn)速 當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為 (4.5) 四種切削方式的使用時(shí)間占總使用時(shí)間的百分比與絲杠轉(zhuǎn)速分別為： 代入式(4.5) =141 4）當(dāng)量載荷 當(dāng)量載荷計(jì)算公式為 (4.6) 以上計(jì)算結(jié)果代入式(4.6) =146 4.1.2.2 預(yù)定額定動(dòng)載荷 1）按預(yù)期工作時(shí)間估算： 動(dòng)載荷設(shè)計(jì)公式為 (4.7) 查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四冊(cè)表9，輕微沖擊取負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，查表7，按7級(jí)精度,查表8，按可靠性97%取可靠性系數(shù),當(dāng)量載荷=146,當(dāng)量轉(zhuǎn)速=141,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本雕刻機(jī)預(yù)期工作時(shí)間15000 代入式(4.7) =2084 2)擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載計(jì)算： (4.8) 查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四冊(cè)表10，輕預(yù)載取 代入式(4.8)=1118 取兩種結(jié)果的大值. 2084 4.1.2.3 螺紋最大軸向變形量及螺紋最小底徑確定 1）估算允許的最大軸向變形量 的重復(fù)定位精度，故 又的定位精度，故 取兩種結(jié)果的小值。 2）估算最小螺紋底徑 (4.9) 因采用的是一端固定，一端游動(dòng)的安裝方式，故式中 初定Z方向的行程為90mm 導(dǎo)程=4mm 代入 導(dǎo)軌靜摩擦力=30 (N) 代入式(4.9) =1.4 4.1.2.4 初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào) 1)初選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒型墊片預(yù)緊螺母，型號(hào)代碼為FF，導(dǎo)程 2)由計(jì)算出的在樣本中選取滾珠絲杠副FF1204-3 =2084，=1.4。 選用南京工藝裝備制造有限公司的滾珠絲杠，外形與參數(shù)表如下圖4.3,表4.1 3)．確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力 ，而且 故55 圖4.3 滾珠絲杠外形圖 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 直徑 d0 公稱 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 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 4.1.2.5 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號(hào)、規(guī)格 1)軸承類型選擇依據(jù) 因?yàn)榻z杠所受軸向力很小,而已絲杠采用一端固定于電機(jī)上另一端游動(dòng),沒(méi)有預(yù)拉伸力，另外,使用直線運(yùn)動(dòng)球軸承有以下的優(yōu)點(diǎn)： (1)．由于流動(dòng)接觸可使起動(dòng)磨擦阻力及動(dòng)磨擦阻力為極小，因此可以節(jié)省能源，容易得到較高運(yùn)動(dòng)速度。 (2)．對(duì)負(fù)荷增大，但磨擦系數(shù)無(wú)敏感變化，因此重負(fù)荷下，磨擦系數(shù)極小，并且長(zhǎng)期保持精度不變，可得機(jī)械使用壽命長(zhǎng)期保持。 (3)．直線運(yùn)動(dòng)軸承互換性好，安裝使用方便省時(shí)，并使機(jī)械結(jié)構(gòu)新穎，小型，量輕之特點(diǎn)。 (4)．節(jié)省給油手續(xù)，達(dá)到簡(jiǎn)化潤(rùn)滑保養(yǎng)的目的。 (5). 兩側(cè)附加油封的軸承還適用與灰塵較多或 異物容易侵入的場(chǎng)所。 因此，選用LMF-10型的直線軸承為Z軸的軸承。 2)軸承型號(hào) 深圳市萬(wàn)臣科技有限公司有直線軸承,外形參數(shù)如下: 圖4.4 圓法蘭型 :LMF-UU外形圖 表4.2 參數(shù)與安裝尺寸表 軸承型號(hào) 球列數(shù) 外型尺寸(mm) 法蘭盤 徑擺 (μm) 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 4.1.2.6 滾珠絲桿長(zhǎng)度確定 1)行程補(bǔ)償值 行程補(bǔ)償值計(jì)算公式為 (4.10) 其中 (4.11) 式中行程，螺母長(zhǎng)度，安全行程, 代入式(4.11)得=143 將溫差，=143代入式(4.10)得 。 2)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) (1)絲杠螺紋長(zhǎng)度 查參考文獻(xiàn)[14]得余程16 (2)繪制工作圖 查樣本中螺母安裝連接尺寸 支承距離 絲杠全長(zhǎng)，行程起點(diǎn)距固定點(diǎn)支承距離 4.1.3滾珠絲桿的校核 4.1.3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 1)絲杠抗壓剛度 由于本絲杠采用一端固定另一端游動(dòng),如下圖4.5 圖4.5 安裝示意圖 查參考文獻(xiàn)[9]得抗壓剛度計(jì)算公式： (4.12) 由4.1.2.6節(jié)查得絲杠底徑9.5，兩支承距離，行程起點(diǎn)距固定點(diǎn)支承距離，代入式(4.12)分別得 最小抗壓剛度455 （） 最大抗壓剛度2106 （） 2)絲杠支承副的剛度 以一端固定一端游動(dòng)的安裝法，由于選用的是直線軸承，沒(méi)有接觸角，而一端固定提供了軸向力。故按參考文獻(xiàn)內(nèi)的推力軸承剛度公式計(jì)算。 支承副的剛度 (4.13) 式中滾動(dòng)體直徑，滾子數(shù)，最大軸向載荷167，代入式(4.13)得116 1) 絲杠滾珠和滾道的接觸剛度 接觸剛度 (4.14) 查參考文獻(xiàn)[9]得: 額定剛度208,動(dòng)載荷4000(N), 滾珠絲杠副的預(yù)緊力45(N)代入式(4.14)得 4.1.3.2 剛度驗(yàn)算及精度選擇 1) 最小實(shí)際統(tǒng)剛度 (4.15) 最大實(shí)際系統(tǒng)剛度 (4.16) 查4.1.3.1節(jié)得最小抗壓剛度455()，最大抗壓剛度2106 () 絲杠支承副的剛度=116()，接觸剛度分別代入式(4.15)和式(4.16)得 得() () 2) 驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 靜摩擦力 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初定系統(tǒng)反向差值或重復(fù)定位精度為10 設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)剛度<=47.6 故實(shí)際系統(tǒng)剛度滿足要求 3) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中表17-44,有定位精度的數(shù)控機(jī)械和精密機(jī)械可參考選用三~四級(jí)精度 4.1.3.3 驗(yàn)算臨界壓縮載荷 臨界壓縮載荷 (4.17) 查參考文獻(xiàn)[8]垂直安裝的安全系數(shù),一端固定一端游動(dòng)的支承系數(shù) 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)得遠(yuǎn)大于最大負(fù)載，故滿足要求。 4.1.3.4 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式: (4.18) 式中是與以一端固定一端游動(dòng)的安裝方式有關(guān)的系數(shù)，查表參考文獻(xiàn)[14]得f=15.1 螺母與游動(dòng)端的距離=185mm, 絲杠底徑=9.5 mm,代入式(4.18)得 49855 工作最大轉(zhuǎn)速 故滾珠絲杠滿足要求 4.1.3.5 值的驗(yàn)算 (4.19) 式中滾珠絲杠的節(jié)圓直徑＝15.88，最高轉(zhuǎn)速代入得 符合要求 4.1.3.6 基本軸向額定載荷驗(yàn)算 式中=167N，查參考文獻(xiàn)[8]得絲杠載荷的靜態(tài)安全系數(shù)， 查絲杠樣本最大靜載荷,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(hào) 根據(jù)Z方向進(jìn)給滾珠絲杠校核計(jì)算，確定其為以下型號(hào): 型號(hào)FF1204-3,公稱直徑：12mm,導(dǎo)程：4 mm, 螺紋長(zhǎng)度：180 mm,絲杠全長(zhǎng)：220 mm, P類3級(jí)精度FF1204-3 /220×180 4.1.4 Z方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[11] 4.1.4.1 作用在絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩 1)外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 (4.20) 由4.1.2.1節(jié)查得絲杠最大軸向力導(dǎo)程,三級(jí)精度的絲杠副效率 代入式(4.20)得=0.118(Nm) 2)預(yù)加載荷產(chǎn)生的預(yù)緊力矩 預(yù)緊力矩 (4.21) 由4.1.2.4節(jié)查得滾珠絲杠預(yù)緊力:代入式(4.21)得 (Nm) 4.1.4.2 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (1)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (4.22) 由4.1.2.6節(jié)查得絲杠全長(zhǎng)22,外徑1.13,密度 代入式(4.22)得絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量27.6 (2)回轉(zhuǎn)件總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為 (4.23) 從4.1.2.1節(jié)查得代入式(4.23)得 回轉(zhuǎn)件總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量20 (3)直線運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (4.24) 初步估計(jì)主軸部件重量查3.2節(jié)得: 代入得11.5 總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量31.5 2)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 步進(jìn)電機(jī)57BYG250A 查樣本,60. . 3)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和 即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量91.5 4.1.4.3 Z軸步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 1)最大加速轉(zhuǎn)矩 最大加速轉(zhuǎn)矩 (4.25) 查3.2節(jié)得最大給進(jìn)速度，從靜止加速到最大速度所要時(shí)間 代入式(4.25)得=1.07 2).連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩 (4.26) 查4.1.4.1節(jié)得摩擦力矩=0.118(Nm)，預(yù)緊力矩(Nm)，系數(shù)i取1.5 代入式(4.26)得0.189(Nm) 查樣本:額定轉(zhuǎn)矩0.35(Nm) 因，滿足要求。 3).最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Nm) 查樣本得額定啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0.8(Nm)>0.199(Nm)，所選用的步進(jìn)電機(jī)滿足要求。 4.1. 5聯(lián)軸器的選擇 由于最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,故選用以下聯(lián)軸器 圖4.6 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（M） 材料 SDWA 31 6.35 10 31.8 23.8 7 M4 *2 30 N·CM 3o 15000 r/min M4 進(jìn)口專用 材料 4.1. 6 Z方向直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算[12] 1) 初選直線導(dǎo)軌副的型號(hào)為GTB? GTBt型封閉式滾動(dòng)直線導(dǎo)套副 圖4.7 導(dǎo)軌副外形圖 表4.4 所選導(dǎo)軌副參數(shù)表 2) 擬定滑塊總數(shù)M=4單根導(dǎo)軌兩滑聲塊 3) 負(fù)載計(jì)算動(dòng)載荷 (4.27) 查4.1.2節(jié)得主軸部件重量為5(kg)，=120N 代入式(4.27)得＝120<額定動(dòng)載荷=550N 而靜載荷=37.5<額定靜載荷=920 N 故所選導(dǎo)軌滿足載荷要求 4) 壽命計(jì)算 (1)導(dǎo)軌在有效時(shí)間內(nèi)的總行程 (4.28) 式中為溫度系數(shù)，在小于100度的溫度下＝1；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌的支承為二，；＝162，為硬度系數(shù)，通常取1； 為載荷系數(shù)，輕微沖擊?。?.5。代入式(4.28)得＝758Km (2)壽命 (4.29) 式中導(dǎo)軌套單行程長(zhǎng)=0.09m,按每分種往復(fù)次數(shù)4算,代入式(4.29)得 =17547>15000 所選的導(dǎo)軌滿足壽命要求。 4.2 X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本雕刻機(jī)共分成三部分的運(yùn)動(dòng),X軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別,這一節(jié)簡(jiǎn)單的對(duì)X軸設(shè)計(jì)計(jì)算。 4.2.1 X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成 同前一節(jié)所述，步進(jìn)電機(jī)直接與滾珠絲杠連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為部件的移動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4.8所示 圖4.8 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[8][9][10] 以銑削時(shí)對(duì)X軸絲杠的軸向力最大,以其為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,過(guò)程如下: 4.2.2.1 當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷確定 1）各種切削方式下絲杠的轉(zhuǎn)速 查章節(jié)3.1計(jì)算結(jié)果得四種加工方向下絲杠轉(zhuǎn)速： 2）求各種切削方式下軸向載荷 在X軸上整體移動(dòng)的小車部件設(shè)計(jì)模擬模型如圖4.9 圖4.9 小車部件模型圖 絲杠受到的軸向力包括導(dǎo)軌摩擦力以及銑削力,即 (4.30) 導(dǎo)軌的受力如右簡(jiǎn)圖,重心和導(dǎo)軌的水平距離＝60mm,兩導(dǎo)軌套中心距離mm,導(dǎo)軌套與部件中心線的距離，上下兩導(dǎo)軌套距離b=110,重力G=.查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中導(dǎo)軌章節(jié)得此類裝法對(duì)導(dǎo)軌的作用力 (4.31) 圖4.10 X方向?qū)к壥芰?jiǎn)圖 (4.32) 而作用在導(dǎo)軌上的力 (4.33) 摩擦力 (4.34) 將式(4.31)、式(4.32)、式(4.33)、式(4.34)與式(4.30)合并得作用在絲杠上的總軸向力 (4.35) 查3.1節(jié)得四種加工方式下的鉆削力： 68，112,79， 初步估計(jì)設(shè)計(jì)出來(lái)的小車部件重量10(kg) 分別代入式(4.35)得四種加工方式下絲杠所受軸向力： 90,136,100,19 3)當(dāng)量轉(zhuǎn)速 四種切削方式的使用時(shí)間占總使用時(shí)間的百分比與絲杠轉(zhuǎn)速分別為： 代入式(4.5)得當(dāng)量轉(zhuǎn)速 =483 4）當(dāng)量載荷 以上計(jì)算結(jié)果代入式(4.6) =103 4.2.2.2 預(yù)定額定動(dòng)載荷 1)按預(yù)期工作時(shí)間估算： 查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四冊(cè)表9，輕微沖擊取負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，查表7，按7級(jí)精度,查表8，按可靠性97%取可靠性系數(shù),當(dāng)量載荷=103,當(dāng)量轉(zhuǎn)速=483,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本雕刻機(jī)預(yù)期工作時(shí)間15000代入式(4.7) 得 =2881 2)擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載計(jì)算 查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四冊(cè)表10，輕預(yù)載取 代入式(4.8)=911 取兩種結(jié)果的大值. 2881 4.2.2.3 螺紋最大軸向變形量及螺紋最小底徑確定 1）估算允許的最大軸向變形量 的重復(fù)定位精度，故 又的定位精度，故 取兩種結(jié)果的小值。 2）估算最小螺紋底徑 (4.36) 因采用的是一端固定，一端游動(dòng)的安裝方式，故式中 初定Z方向的行程為600mm 導(dǎo)程=4mm 代入768 導(dǎo)軌靜摩擦力靜摩擦力 =38(N) 代入式(4.36) =4.71 4.2.2.4 初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào) 1)初選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒型墊片預(yù)緊螺母，型號(hào)代碼為FF，導(dǎo)程 2)由計(jì)算出的在樣本中選取滾珠絲杠副FF1204-3 =2881(N)，=4.71 。 與Z軸選用一樣系列的滾珠絲杠. 3)．確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力 ，而且 故34 4.2.2.5 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號(hào)、規(guī)格 1)軸承類型選擇依據(jù) 因?yàn)榻z杠所受軸向力很小,而已絲杠采用一端固定于電機(jī)上另一端游動(dòng),沒(méi)有預(yù)拉伸力另外由于軸向力較小，因此同樣選用LMF-10型的直線軸承為Z軸的軸承2)軸承型號(hào) 同Z軸 4.2.2.6 滾珠絲桿長(zhǎng)度確定 1)行程補(bǔ)償值 初定X方向行程，螺母長(zhǎng)度，安全行程,代入式(4.11)得=650 將溫差，=650代入式(4.10)得 2)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) (1)絲杠螺紋長(zhǎng)度 查參考文獻(xiàn)[14]得余程16 考慮到Z軸部件的外形尺寸故將螺紋長(zhǎng)度加長(zhǎng)至750mm (2)繪制工作圖 查樣本中螺母安裝連接尺寸 支承距離 絲杠全長(zhǎng)，行程起點(diǎn)距固定點(diǎn)支承距離 4.2.3滾珠絲桿的校核 4.2.3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 1)絲杠抗壓剛度 由于本絲杠采用一端固定另一端游動(dòng),如下圖4.11 圖4.11 安裝示意圖 由4.2.2.4節(jié)查得絲杠底徑9.5，兩支承距離，行程起點(diǎn)距固定點(diǎn)支承距離，代入式(4.12)分別得 最小抗壓剛度 （） 最大抗壓剛度 （） 2)絲杠支承副的剛度 以一端固定一端游動(dòng)的安裝法，由于選用的是直線軸承，沒(méi)有接觸角，而一端固定提供了軸向力。故按參考文獻(xiàn)內(nèi)的推力軸承剛度公式計(jì)算。 支承副的剛度 (4.37) 式中滾動(dòng)體直徑，滾子數(shù)，最大軸向載荷136，代入式(4.37)得108 2) 絲杠滾珠和滾道的接觸剛度 查參考文獻(xiàn)[9]得: 額定剛度208,動(dòng)載荷4000(N), 滾珠絲杠副的預(yù)緊力34(N)代入式(4.14)得 91 4.2.3.2 剛度驗(yàn)算及精度選擇 4) 查4.2.3.1節(jié)得最小抗壓剛度120()；最大抗壓剛2809()；絲杠支承副的剛度=108()，接觸剛度91分別代入式(4.15)和式(4.16)得 得() () 5) 驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 靜摩擦力=38(N) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初定系統(tǒng)反向差值或重復(fù)定位精度為10 設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)剛度<=35 故實(shí)際系統(tǒng)剛度滿足要求 6) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中表17-44,有定位精度的數(shù)控機(jī)械和精密機(jī)械可參考選用三~四級(jí)精度 4.2.3.3 驗(yàn)算臨界壓縮載荷 查參考文獻(xiàn)[9]垂直安裝的安全系數(shù),一端固定一端游動(dòng)的支承系數(shù)；查4.2.2.4節(jié)與4.1.2.6節(jié)得絲杠底徑=9.5mm,兩支承距離=700 mm 代入式(4.17)得(N)遠(yuǎn)大于最大負(fù)載，滿足要求。 4.2.3.4 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式: (4.38) 式中是與以一端固定一端游動(dòng)的安裝方式有關(guān)的系數(shù)，查表參考文獻(xiàn)[11]得f=15.1；螺母與游動(dòng)端的距離=690mm, 絲杠底徑=9.5 mm,代入式(4.38) 得臨界轉(zhuǎn)速3558 工作最大轉(zhuǎn)速 故滾珠絲杠滿足轉(zhuǎn)速要求 4.2.3.5 值的驗(yàn)算 (4.39) 式中滾珠絲杠的節(jié)圓直徑＝14.11，最高轉(zhuǎn)速代入式中得 符合要求 4.2.3.6 基本軸向額定載荷驗(yàn)算 式中=136N，查參考文獻(xiàn)[14]得絲杠載荷的靜態(tài)安全系數(shù)， 查絲杠樣本最大靜載荷,代入式中 故軸向額定載荷滿足要求 4.2.3.7 確定滾珠絲杠的規(guī)格代號(hào) 根據(jù)Z方向進(jìn)給滾珠絲杠校核計(jì)算，確定其為以下型號(hào): 型號(hào)FF1204-3,公稱直徑：12mm,導(dǎo)程：4 mm, 螺紋長(zhǎng)度：750 mm,絲杠全長(zhǎng)：780 mm, P類3級(jí)精度FF1204-3 /750×780 4.2.4X方向進(jìn)給電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[11] 4.2.4.1 作用在絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩 1)外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 由4.2.2.1節(jié)查得絲杠最大軸向力導(dǎo)程,三級(jí)精度的絲杠副效率，代入式(4.20)得外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩=0.096(Nm) 2)預(yù)加載荷產(chǎn)生的預(yù)緊力矩 由4.2.2.4節(jié)查得滾珠絲杠預(yù)緊力:代入式(4.21)得預(yù)緊力矩 (Nm) 4.2.4.2 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (1)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由4.2.2.6節(jié)查得絲杠全長(zhǎng)78,外徑1.13,密度 代入式(4.22)得絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量123 (2)回轉(zhuǎn)件總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為 從4.2.2.1節(jié)查得代入式(4.23)得 回轉(zhuǎn)件總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量47.45 (3)直線運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 初步估計(jì)小車部件重量查3.2節(jié)得: 代入式(4.24)得15.6 總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量63.2 2)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 步進(jìn)電機(jī)57BYG250A 查樣本,60. . 3)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和 即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量123.2 4.2.4.3 Z軸步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 1)最大加速轉(zhuǎn)矩 查3.1節(jié)得最大給進(jìn)速度，從靜止加速到最大速度所要時(shí)間 代入式(4.25)得=1.9 2).連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩 查4.2.4.1節(jié)得摩擦力矩0.096(Nm)，預(yù)緊力矩(Nm)，系數(shù)i取1.5 代入式(4.26)得0.101(Nm) 查樣本:額定轉(zhuǎn)矩0.35(Nm) 因，滿足要求。 3).最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Nm) 查樣本得額定啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0.8(Nm)>0.12(Nm)，所選用的步進(jìn)電機(jī)滿足要求。 4.2.5聯(lián)軸器的選擇 由于最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,故選用與Z方向相同規(guī)格的SDWA31聯(lián)軸器 4.2.6X方向直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算[12] 1) 初選直線導(dǎo)軌副的型號(hào)為GTA? GTAt型開(kāi)放滾動(dòng)直線導(dǎo)套副 圖4.12 導(dǎo)軌副外形圖 表4.5 所選導(dǎo)軌副參數(shù)表 2) 擬定滑塊總數(shù)M=4單根導(dǎo)軌兩滑聲塊 3) 負(fù)載計(jì)算動(dòng)載荷 查4.1.2節(jié)得主軸部件重量為5(kg)，=90 代入式(4.27)得＝67<額定動(dòng)載荷=550N 而靜載荷47<額定靜載荷=920 N 故所選導(dǎo)軌滿足載荷要求 4) 壽命計(jì)算 (1)導(dǎo)軌在有效時(shí)間內(nèi)的總行程 (4.40) 式中為溫度系數(shù)，在小于100度的溫度下＝1；為接觸系數(shù)，每