微型雕刻機(jī)總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計(jì),微型雕刻機(jī)總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計(jì),微型,雕刻,總體,整體,數(shù)控系統(tǒng),選用,設(shè)計(jì) 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2011 1.引言 1 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2011 1.1雕刻機(jī)概述 1. 1. 1雕刻機(jī)起源 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。在我國北宋時(shí)期便發(fā)明了活字印刷，《夢溪筆談》有記:“其法用膠泥刻字，薄為錢唇，每字為一印，火燒令堅(jiān)··一”。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)識銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。 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“嘉寶”問世，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、日本和法國等國也開始研制。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。 1.2數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1數(shù)控雕刻機(jī) 數(shù)控雕刻機(jī)是數(shù)控技術(shù)和雕刻工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專用的數(shù)控機(jī)床。與通用數(shù)控機(jī)床類似，數(shù)控雕刻機(jī)通過數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)雕刻加工的自動(dòng)化。較傳統(tǒng)的手工雕刻、仿形雕刻，數(shù)控雕刻具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、成品率高、對零件的適應(yīng)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢;同時(shí)，借助于專用的雕刻 CAD/CAM軟件系統(tǒng)，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，數(shù)控雕刻機(jī)現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)雕刻加工自動(dòng)化、高效率、高精度的有效手段，也是當(dāng)今雕刻機(jī)的發(fā)展主流，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、廣告?zhèn)髅健⑷粘ＯM(fèi)以及建筑裝演等眾多領(lǐng)域。 對象和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，數(shù)控雕刻機(jī)可分為模具雕刻機(jī)、木工雕刻機(jī)、廣告雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等多種類型。它們的加工性能要求出入很大，對機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的要求也各不相同。如模具雕刻機(jī)的加工材料為金屬，所以對機(jī)床本體的剛性要求較高，而且其加工對象是模具，所以對加工系統(tǒng)的精度要求高;而廣告機(jī)加工的是一般是塑膠板或有機(jī)玻璃等非金屬材料，所以對機(jī)床剛性和加工系統(tǒng)的精度都沒有很高要求。但各類雕刻機(jī)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，也是數(shù)控雕刻機(jī)與普通數(shù)控機(jī)床的一個(gè)顯著區(qū)別，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有效成形面積小，所以零件雕刻的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡很長，加工時(shí)間往往也較長。因此，提高雕刻機(jī)的刀具運(yùn)動(dòng)速度對縮短零件雕刻時(shí)間、提高加工效率具有特別重要的意義。 按照伺服驅(qū)動(dòng)控制的類型不同，數(shù)控雕刻機(jī)又可以分為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)屬于開環(huán)控制，控制精度較低，但價(jià)格便宜，適用于對加工要求不高的中低檔雕刻機(jī)，如木工、廣告業(yè)的雕刻加工。伺服驅(qū)動(dòng)控制精度高，但價(jià)格較貴，主要用于模具加工等高精度雕刻機(jī)。 此外，還可根據(jù)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機(jī)分為三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)、五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)等。三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以控制三個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工;五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以聯(lián)動(dòng)控制X，Y，Z三個(gè)移動(dòng)軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，用來完成復(fù)雜形狀零件的雕刻加工。 1.2.2研制雕刻機(jī)的目的和意義 機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，也是我國機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。 1.2.3數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn) 數(shù)控雕刻機(jī)的主要特點(diǎn)如下: 1、自動(dòng)化程度高。具體的雕刻過程都是數(shù)控雕刻機(jī)自動(dòng)完成的。 2、產(chǎn)品的尺寸精度高，一致性好。數(shù)控雕刻過程是由計(jì)算機(jī)控制完成，可以達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量:批量加工時(shí)，產(chǎn)品的一致性好，這對于小模具行業(yè)十分重要。 3、拓展了雕刻領(lǐng)域。只需改變控制程序，數(shù)控雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕、各種復(fù)雜的曲面，支持各種刀具，改善了雕刻表面質(zhì)量，提高了雕刻效率。 4、數(shù)控雕刻機(jī)都有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊、加工小模具，性價(jià)比高。 1.2.4數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，舉例如下: 1、廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類雙色板標(biāo)牌、有機(jī)玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎(jiǎng)?wù)?、有機(jī)板浮雕、立體門頭字等。 2、模型制作業(yè)，制作沙盤模型、房屋模型等。 3、模具制作業(yè)，雕刻紐扣浮雕模、印刷燙金模，注塑模、沖壓模、鞋模等。 4、木器業(yè)，用于浮雕圖案設(shè)計(jì)及制作。 5、印刷電路板(PCB)新產(chǎn)品開發(fā)中的電路制作，鉆孔、銑槽等。 6、印章業(yè)，各類字體各類材料的印章雕刻。 7、電火花加工機(jī)床電極雕刻加工。 8、機(jī)械加工業(yè)，刻度盤字輪及標(biāo)尺刻度。 9、汽車工業(yè)、輪胎模具，車燈模具及裝飾品模具加工。 而且，隨著各種新型裝飾材料的不斷出現(xiàn)，能用于雕刻的材料越來越多，使得計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)有了更大的用武之地。因此，計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。 1.2.5我國數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)機(jī)遇有效地促進(jìn)了我國數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國的數(shù)控雕刻機(jī)起步經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，己形成了多個(gè)國品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機(jī)、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類型雕刻機(jī)機(jī)床本體結(jié)構(gòu)較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)為主，可獲得中等控制精度，但價(jià)格比較便宜，因此整機(jī)的性價(jià)比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場合對高精度的雕刻加工，目前我國尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛高度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性，但價(jià)格昂貴往往倍于國產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場合。 1.2.6主要任務(wù) 設(shè)計(jì)一臺(tái)微型雕刻機(jī)，用于工程應(yīng)用，雕刻機(jī)具有三個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)。其主要內(nèi)容有：1. 設(shè)計(jì)微型雕刻機(jī)的總體方案。根據(jù)雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)，主要包括雕刻機(jī)主軸的傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；2. 雕刻機(jī)零件的工藝分析；3. 繪制雕刻機(jī)的零件圖；4. 數(shù)控系統(tǒng)選用及控制設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)有一下幾方面：1. 課題來源：工程實(shí)踐；2. 產(chǎn)品名稱：微型雕刻機(jī)；3. 批量：一臺(tái)；4. 雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)定位精度±0.01mm；5．工作環(huán)境-10 oC~50 oC；6. 電氣控制部分的設(shè)計(jì)按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；7. 數(shù)控系統(tǒng)推薦選用市場上比較成熟的產(chǎn)品，能與設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)巧妙結(jié)合。 45 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2011 2. 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.1雕刻機(jī)的工作原理 計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)實(shí)際是一個(gè)三維數(shù)控系統(tǒng)，其工作原理如圖所示 圖2.1 數(shù)控雕刻機(jī)工作原理 通用微型計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝專用的設(shè)計(jì)排版軟件進(jìn)行圖形、文字的設(shè)計(jì)、排版，自動(dòng)生成加工路徑信息，通過USB接口或其他數(shù)據(jù)傳輸接口將刀具路徑數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)接收刀具路徑數(shù)據(jù)，完成顯示、和用戶交互等一系列功能后，用特定的算法將輸入的路徑信息轉(zhuǎn)化為數(shù)控信息，控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的信號(脈沖串)，控制雕刻機(jī)X，Y，Z三軸的走刀。同時(shí)，進(jìn)行銑削，即可雕刻出在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的各種平面或立體的圖形文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化加工。 2.2整體結(jié)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對雕刻機(jī)的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。下面對數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。 2.2.1雕刻機(jī)總體布局的基本要求 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位置與相對運(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)簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 2.2.2 影響雕刻機(jī)布局的基本因素 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)的布局也會(huì)不同。對于同一種運(yùn)動(dòng)分配的布局，由于導(dǎo)軌的布置和其它結(jié)構(gòu)形式的不同，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)注意以下幾點(diǎn): 1) 移動(dòng)部件的重量應(yīng)盡量輕。在其它條件相同的情況下，移動(dòng)部件的重量越小，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; 4）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，而工件尺寸、重量和形狀不同，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，操縱方便形的影響，模塊化設(shè)計(jì)法的影響等。通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，雕刻機(jī)基本布局形式通常有下圖所示的兩種方案： 圖2.2 雕刻機(jī)的布局簡圖 圖2.2 雕刻機(jī)的布局形式 這兩種布局都采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，雕刻機(jī)的剛度均較高。 布局(1)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)所承載的工件較輕，這種布局方式所需電動(dòng)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坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可采用布局(2)的方案。 2.2.3 坐標(biāo)系的確定 雕刻機(jī)的坐標(biāo)系采用右手法則，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)，對相應(yīng)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符號為A 、B 、C ，如圖2. 3 所示。Z 軸為平行于雕刻機(jī)主軸的坐標(biāo)軸，垂直于工件裝夾面。 圖2.3 圖2.3 右手坐標(biāo)系統(tǒng) 2.2.4三維雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 該三維雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)，由以下幾部分組成: 1、底座部分 作為整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個(gè)機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)固。底座由底下的四只支腳與地面接觸; 2、工作臺(tái)部分 工作臺(tái)部分由工作臺(tái)，y方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。工作臺(tái)作為雕刻工作時(shí)承載雕刻物體的部件，表面有T形溝槽，由絲杠驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌導(dǎo)向: 3、橫梁部分 橫梁由x方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，驅(qū)動(dòng)機(jī)頭動(dòng)，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動(dòng)仿真中是重要的分析對象: 4、機(jī)頭部分 機(jī)頭部分由主軸組件，Z方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。絲杠驅(qū)動(dòng)主軸組的上下運(yùn)動(dòng)，主軸組件在加工過程中直接帶動(dòng)雕刻頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 下面從雕刻機(jī)的功能角度，介紹一下各部分的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì): 2.3進(jìn)給系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的區(qū)別，它能根據(jù)指令信號精確的控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度和位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 下面介紹一下雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式如下: 工作臺(tái)帶動(dòng)工件做y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭沿x方向橫梁做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，雕刻頭在直流電機(jī)的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，并在Z方向做上下運(yùn)動(dòng)。刀具和工件的運(yùn)動(dòng)的合成就可以得到文字和圖案的輪廓。 1.機(jī)頭沿x方向的絲杠左右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻寬度;如下圖所示 圖2.4 雕刻機(jī)X方向進(jìn)給圖 2.工作臺(tái)沿y方向的絲杠前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻長度,如下圖所示： 圖2.5 雕刻機(jī)Y方向的進(jìn)給圖 3.機(jī)頭沿Z向的絲杠上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻深度。 各個(gè)傳動(dòng)鏈中均采用絲杠螺母傳動(dòng)副，保證了運(yùn)動(dòng)的傳遞平穩(wěn)和結(jié)構(gòu)緊湊。絲杠一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)軸相聯(lián)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。另一端采用軸承為支承。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，即角位移的大小。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在很寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。它具有以下特點(diǎn): 1、位置控制功能 可預(yù)先發(fā)出具體的脈沖數(shù)量，從而得到需要輸出的角度。 2、無極調(diào)速功能 可根據(jù)發(fā)送脈沖的速度，得到需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3、正/反，急停及鎖定功能 通過對系統(tǒng)的高低電平控制，得到正/反旋轉(zhuǎn)的效果，在電機(jī)鎖定情況下 （電機(jī)繞組中存在電流，外部沒有要求旋轉(zhuǎn)的電脈沖)，仍有靜止力矩的輸出。 4、低轉(zhuǎn)速及高精度位置功能 通過對脈沖速度的控制，可直接得到極低的轉(zhuǎn)速而不需要通過齒輪箱的過渡，從而避免了功率的損耗和角度位置的偏差。 5、長壽命 不需要象普通的直流電動(dòng)機(jī)通過電刷和換相器換相，從而減少了摩擦，增長了壽命。如圖2.6所示 圖2.6 絲杠與電機(jī)軸的連接 剛性聯(lián)軸器用于絲桿與電機(jī)的聯(lián)接，可提高兩軸頭連接的固定精度，如圖2.6所示。它的特點(diǎn)有: 1、可用于小型、瞬間慣量小和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的場合; 2、安裝后無反作用力，而且維護(hù)簡單; 3、提高絲杠的強(qiáng)度時(shí)，跳動(dòng)不會(huì)受到影響; 4、依靠鎖緊螺栓施加的摩擦緊固，無需鍵; 6、在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可保持平穩(wěn)。 導(dǎo)軌的主要功能是導(dǎo)向和承載作用。導(dǎo)軌使運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而保證各部件的相對位置和相對位置精度。導(dǎo)軌承受運(yùn)動(dòng)部件及工件的重量及切削力，在很大程度上決定數(shù)控機(jī)床的剛度、精度與精度保持性。 雕刻機(jī)的x向和y向絲杠兩側(cè)各采用一對圓柱形導(dǎo)軌作為導(dǎo)向件，另外可以分擔(dān)絲杠所承受的機(jī)頭和工作臺(tái)的重量。圓柱形導(dǎo)軌加工容易，導(dǎo)向精度高，可滿足定位精度的要求。 Z絲杠不承受徑向載荷，為保證精度，采用兩根導(dǎo)軌導(dǎo)向。Z的固定依靠步進(jìn)電機(jī)的自鎖來實(shí)現(xiàn)。 圓形導(dǎo)軌兩端通過螺釘固定在絲杠支架上，并與導(dǎo)軌套形成移動(dòng)副。如圖2.7所示 圖2.7 絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式 各個(gè)傳動(dòng)鏈上的絲杠螺母與不同零件以螺釘固定連接，通過與絲杠的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng): 1、與工作臺(tái)固定連接，相對于y向絲杠運(yùn)動(dòng)向絲杠運(yùn)動(dòng)向支架固定連接； 2、與機(jī)頭向絲杠運(yùn)動(dòng)； 3、與機(jī)頭 向支架固定連接，相對于Z向絲杠移動(dòng)。 2.4典型零件工藝分析 2.4.1滾珠絲杠工藝分析： （1）零件材料：GCR15。合金含量較少，具有良好的性能，它為應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過淬火加回火后具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。該鋼冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，對形成白點(diǎn)敏感性能大，有回火脆性。實(shí)際就是Cr15。 （2）零件組成表面：兩端面，外圓附有滾珠，外身為單線螺紋，無鍵槽，無倒角。 （3）主要表面分析：Ф16 外圓表面主要用于傳動(dòng)件，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所需的直線運(yùn)動(dòng)，具有相當(dāng)?shù)木取? （4）主要技術(shù)條件：Ф16 外圓精度要求： 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2011 IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端螺紋應(yīng)與之保持基本的同軸關(guān)系，鍵槽亦與之對稱。 （5）零件總體特點(diǎn)：長徑比達(dá) 18，為較典型的細(xì)長軸。 2.4.2 T型臺(tái)工藝分析： （1）零件材料：45 鋼。切削加工性良好，無特殊加工問題，故加工中不需采取特殊工藝措施。 刀具材料選擇范圍較大，高速鋼或 YT 類硬質(zhì)合金均能勝任。刀具幾何參數(shù)可根據(jù)不同刀具類型 通過相關(guān)表格查取。 （2）零件組成表面：長方形表面（長300mm，寬340mm），厚20mm，有T形凹槽。 （3）主要表面分析： 外表面主要用于支承以及夾持工件，具有相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取? （4）主要技術(shù)條件： 外表面精度要求： 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2011 IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端平面應(yīng)與之保持基本的平面關(guān)系，鍵槽亦與之對稱。 （5）零件總體特點(diǎn)：簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，定位能力非常強(qiáng)。 2.4.3 三軸滑塊工藝分析： （1）零件材料：鋁合金。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一類有色結(jié)構(gòu)金屬材料。純鋁的密度小（ρ=2.7g/cm3），大約是鐵的 1/3，熔點(diǎn)低（660℃），鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材。 （2）零件組成表面：軸套類零件，表面是光滑的空孔，用于支持導(dǎo)軌。 （3）主要表面分析： 內(nèi)表面主要用于支承以及夾持工件，具有相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取? （4）主要技術(shù)條件： 外表面精度要求： 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2011 IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端平面應(yīng)與之保持基本的平面關(guān)系，空孔亦與之對稱。 （5）零件總體特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)中與機(jī)架用移動(dòng)副相連又與其他運(yùn)動(dòng)構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的構(gòu)件。 3. 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本章詳細(xì)介紹了微型三維機(jī)械雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要零部件，如主軸電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件和支承部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算及選型過程。 3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 由課題所給的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合微型三維機(jī)械雕刻機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，初步確定該雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要參數(shù)，如表3.1所示。 表3.1 機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)表 項(xiàng)目 參數(shù) 單位 主軸最高轉(zhuǎn)速 n=20000 r/min 最大進(jìn)給速度 mm/min 工作臺(tái)總行程(Y) 235 mm 主軸總行程(X) 220 mm 主軸總行程(Z) 102 mm 定位精度 ±0.01 mm 脈沖當(dāng)量 0.01 mm 使用壽命 hrs 3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計(jì)算 三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)械雕刻機(jī)的加工對象主要是針對非金屬材料和鋁合金材料的雕刻加工。這些材料具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性。用硬質(zhì)合金直柄立銑刀（）和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)直柄麻花鉆（）在鋁板上進(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在實(shí)際生產(chǎn)過程中不同的切削方式所使用時(shí)間的分配，經(jīng)過統(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。 3.2.1銑削力、扭矩和功率的計(jì)算 通過查閱王先逵主編的《機(jī)械加工工藝手冊》，得到表3.2 左側(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式，代入已知參數(shù)進(jìn)行簡化，可得到僅與切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計(jì)算公式填入表3.2右側(cè)。 表3.2 銑削力、扭矩和功率計(jì)算公式的簡化 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì) 算 結(jié) 果 銑削力： 銑削扭矩： 銑削功率： 其中：銑削寬度，銑削深度,進(jìn)給速度，銑削速度，—— 銑刀外徑((mm),—— 每齒進(jìn)給量(mm/z)， z —— 銑刀齒數(shù)，n——銑刀轉(zhuǎn)速(r /min) 。 將切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果，如表3.3所示。表3.3 銑削力、扭矩和功率的計(jì)算 切削方式 工作時(shí)間 百分比t % 參 數(shù) 計(jì)算結(jié)果 強(qiáng)力切削 10% 2.5 120 9000 30 13.70 0.041 0.039 一般切削 30% 1 1200 15000 300 22.45 0.043 0.106 精細(xì)切削 50% 0.5 2400 20000 600 15.80 0.0475 0.0992 快速進(jìn)給 10% — 3600 — 900 0 0 0 其中：—絲杠轉(zhuǎn)速，，預(yù)選絲杠導(dǎo)程 —銑削深度（mm），—進(jìn)給速度（mm/min），n—銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）， —銑削力（N），M—銑削扭矩（Nm），—銑削功率（kW）。 3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 通過查閱參考文獻(xiàn)，按上節(jié)的簡化過程，可得到僅與進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計(jì)算公式，如下表3.4所示。 表3.4 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算公式的簡化 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì) 算 結(jié) 果 鉆削力： 鉆削扭矩： 鉆削功率： 其中：（加工鋁合金）。進(jìn)給速度,鉆削速度，—鉆頭外徑（mm），f—進(jìn)給量（mm/r），n—鉆頭轉(zhuǎn)速（r/min）。將進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計(jì)算，將得到的計(jì)算結(jié)果填入表3.5，由于鉆削功率的計(jì)算結(jié)果較小，忽略不計(jì)。 表3.5 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 切削方式 工作時(shí)間 百分比t% 參 數(shù) 計(jì) 算 結(jié) 果 M 強(qiáng)力切 削 10% 300 9000 75 41.61 0.045 — 一般切削 30% 480 15000 120 40.44 0.044 — 精細(xì)切削 50% 600 20000 150 38.65 0.042 — 快速進(jìn)給 10% 900 — 225 0 0 0 其中：—絲杠轉(zhuǎn)速，，預(yù)選絲杠導(dǎo)程，—進(jìn)給速度(mm/min),—鉆削轉(zhuǎn)速(r/min),—鉆削力(N), M—鉆削扭矩(Nm),—鉆削功率(kW)。 3.3 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1主軸組件 主軸組件是雕刻機(jī)的執(zhí)行件。它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成形運(yùn)動(dòng)。主軸組件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件等組成，要求良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。 雕刻機(jī)的主軸部分固定在Z向絲杠的支架上，采用電主軸高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具的切削運(yùn)動(dòng)。 自20世紀(jì)80年代以來，數(shù)控機(jī)床、加工中心主軸向高速化發(fā)展。高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)得到極大的簡化，取消了帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的“零傳動(dòng)”，這種結(jié)構(gòu)稱為電主軸。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，可獲得極高的回轉(zhuǎn)速度，振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用。本雕刻機(jī)由于主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r／min,所以應(yīng)用電主軸。 本節(jié)主要設(shè)計(jì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的電主軸，以確定它們的型號和參數(shù)。 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動(dòng)的要求外，還提出以下要求： 1.具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無級變速。數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，并充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對于自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床，工序集中，共建一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種國內(nèi)工序和各種加工材質(zhì)的要求，住運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。 2.具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。 3.良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)行粗加工又要進(jìn)行精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平衡以及切削過程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗燥度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，是加工無法順利進(jìn)行。 因此在主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的靜剛度，而且具有足夠的抑制各種干擾力引起的動(dòng)的能力——抗振性?？拐裥杂脛?dòng)剛度或動(dòng)柔性度來 衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度、阻尼比及固有頻率等參數(shù)。 機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此要求主軸不見具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實(shí)現(xiàn)。 3.3.2主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸是精密機(jī)床、高速加工中心和數(shù)控車床常用的一種驅(qū)動(dòng)形式。如平面磨床的砂輪主軸，高速內(nèi)圓磨床的磨頭。轉(zhuǎn)速小于3000r／min 的主軸，采用異步電動(dòng)機(jī)軸通過聯(lián)合器直接驅(qū)動(dòng)主軸，機(jī)床可通過改變電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)來實(shí)現(xiàn)變速；轉(zhuǎn)速小于8000r／min的主軸，可采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；高速主軸，可將電動(dòng)機(jī)與主軸做成一體，即內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸，轉(zhuǎn)子軸就是主軸，所以本雕刻機(jī)應(yīng)選用電主軸， 3.3.3 主軸電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)前面兩節(jié)的計(jì)算結(jié)果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動(dòng)效率，主軸電動(dòng)機(jī)所需的扭矩、功率和轉(zhuǎn)速計(jì)算過程如表3.6所示。 表3.6 主軸電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算 序號 計(jì)算項(xiàng)目 符號 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 1 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 查表3.3和表3.5，取i=2取較大值得到：M0≥0.095取整 額定轉(zhuǎn)矩 2 功率計(jì)算 查表3.3和表3.5,取大值得到取整 額定功率 根據(jù)上述所算功率可選擇安陽華安通用主軸科技有限公司生產(chǎn)的型號為DD58Z24/0.8的電主軸。如下表所示： 表3.7 電主軸選型 主軸型號 轉(zhuǎn)速 電機(jī) 外型尺寸 潤滑 軸承型號 Speed Motor Dimensdions(mm) BearingSD type SDpingdle type (r/min) KW V A H2 D D1 軸端連接 L L1 L2 Lub DD58Z24/0.8 24000 0.8 220 2.3 400 58 44 ER11 67 23 18 油脂 前B7002C/P4 后6001C/P5 3.4進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)部分：主軸的上下移動(dòng)，主軸的左右移動(dòng)和工作臺(tái)的前后移動(dòng)。它們的設(shè)計(jì)沒有什么很大的區(qū)別，因此可以通過對其中一個(gè)方向上的設(shè)計(jì)來勾勒出我們在移動(dòng)部分的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在以工作臺(tái)部件為例，著重設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈中進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，同步帶和帶輪，滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，以確定它們的規(guī)格型號及參數(shù)，來滿足在機(jī)械加工過程中的各種切削加工要求。 3.4.1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 從前面所述，我們知道步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠連接，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為部件的移動(dòng). 3.4.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 參閱徐灝主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第四冊和李鶴軒主編的《機(jī)電一體化技術(shù)手冊》以雕刻機(jī)進(jìn)行銑槽加工時(shí)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，過程如表3.8所示。 表3.8工作臺(tái)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 序號 計(jì)算項(xiàng)目 符號 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 1 確定滾珠 絲杠導(dǎo)程 mm 電動(dòng)機(jī)與絲杠 1:1傳動(dòng) 2 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r/min nm =（nmax+nmin）/2 450 3 預(yù)期額定動(dòng)載荷 N (1)按預(yù)期工作時(shí)間估算 查表9,輕微沖擊 查表7,按7級 查表8,可靠性97% 查表3.1得， (2)擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載計(jì)算： 查表10，輕預(yù)載 其中經(jīng)過計(jì)算（當(dāng)量轉(zhuǎn)速），我選擇了450 r/min，（當(dāng)量載荷），經(jīng)計(jì)算選擇92 N。 (1) (2) 取兩種結(jié)果 的大值 4 (1) (2) 確定允許的最小螺紋底徑 估算允許得最大軸向變形量 估算最小螺紋底徑 mm 其中導(dǎo)軌靜摩擦力=0.2 取=1.2 5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 (1)選取內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒型墊片預(yù)緊螺母 (2)由計(jì)算出的 在樣本中選取滾珠絲杠副 FFZD FFZD1604-3 6 確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力 N 7 (1) (2) (3) 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 軸承類型 軸承型號規(guī)格 N 固定端背對背角接觸球軸承，游動(dòng)端深溝球軸承 預(yù)加載荷 軸承內(nèi)徑d=10 軸承預(yù)緊力 固定端7000C 游動(dòng)端6100 8 行程補(bǔ)償值 C 9 (1) (2) (3) （4） 滾珠絲杠 工作圖設(shè)計(jì) 絲杠螺紋長度 繪制工作圖 支承距離 絲杠全長 行程起點(diǎn)距固定支承距離 L mm mm mm mm 如工作圖所示 10 (1) (2) 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 絲杠抗壓剛度 最小抗壓剛度 最大抗壓剛度 組合剛度 一對預(yù)緊軸承的組合剛度 支承軸承 組合剛度 絲杠滾珠和滾道的接觸剛度 一端固定，一端游動(dòng) 查表得： 11 (1) (2) (3) (4) (5) （6） （7） 剛度驗(yàn)算 及精度選擇 計(jì)算 計(jì)算 靜摩擦力 驗(yàn)算傳動(dòng)剛度 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的 定位誤差 確定精度 全行程變動(dòng)量 確定規(guī)格代號 N FFZD1603-3-P4/320×278 12 驗(yàn)算臨界 壓縮載荷 N 13 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 rpm 14 驗(yàn)算 14400<70000 15 形位公差標(biāo)注 略 16 基本軸向額定載荷驗(yàn)算 3.4.3工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 以滿載一般切削時(shí)為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程見表3.9. 表3.9 工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算 序號 計(jì)算項(xiàng)目 符號 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 1 (1) 作用在絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩 外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 查表得： 2 (1) (2) 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 各種回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 各種直線運(yùn)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 絲杠：L=48.5，d=1.53 查表得： 查表3.1得： 查表3.2得： 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 57BYG250 E-SAFRMC-0152 查樣本， J=460.3 3 最大加速轉(zhuǎn)矩 4 連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩 查樣本：額定轉(zhuǎn)矩13.5 5 最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 查樣本：最大轉(zhuǎn)矩80 3.4.4 工作臺(tái)直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算 表3.10 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 序號 計(jì)算項(xiàng)目 符號 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 1 初選直線導(dǎo) 軌副的型號 HTSD-15NAA 2 擬定滑塊數(shù) M 單根導(dǎo)軌兩滑塊 M=4 3 負(fù)載計(jì)算 R N 滿足要求 4 摩擦力 F N 5 壽命計(jì)算 h 滿足要求 4. 數(shù)控系統(tǒng)的選用 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2011 4.1 NC選型 目前市場上主流的數(shù)控系統(tǒng)有國外的西門子，F(xiàn)ANUC，三菱;國內(nèi)比較著名的有廣州數(shù)控，華中數(shù)控等等，以及為雕刻機(jī)量身定做的FUDNC（富佳力）雕刻機(jī)控制系統(tǒng)。 4.1.1上述各數(shù)控系統(tǒng)的簡介 4.1.1.1 FANUC系統(tǒng) 　　FANUC系統(tǒng)是日本富士通公司的產(chǎn)品，通常其中文譯名為發(fā)那科。FANUC系統(tǒng)進(jìn)入中國市場有非常悠久的歷史，有多種型號的產(chǎn)品在使用，使用較為廣泛的產(chǎn)品有FANUC 0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在這些型號中，使用最為廣泛的是FANUC0系列。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)易于拆裝、各個(gè)控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。FANUC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了比較健全的自我保護(hù)電路。 PMC信號和PMC功能指令極為豐富，便于工具機(jī)廠商編制PMC控制程序，而且增加了編程的靈活性。系統(tǒng)提供串行RS232C接口，以太網(wǎng)接口，能夠完成PC和機(jī)床之間的數(shù)據(jù)傳輸。 　　FANUC系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作界面友好，系統(tǒng)各系列總體結(jié)構(gòu)非常的類似，具有基本統(tǒng)一的操作界面。FANUC系統(tǒng)可以在較為寬泛的環(huán)境中使用，對于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，因此適應(yīng)性很強(qiáng)。 鑒于前述的特點(diǎn)，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)擁有廣泛的客戶。使用該系統(tǒng)的操作員隊(duì)伍十分龐大，因此有必要了解該系統(tǒng)的一些軟、硬件上的特點(diǎn)。我們可以通過常見的FANUC 0系列了解整個(gè)FANUC系統(tǒng)的特點(diǎn)。（1） 剛性攻絲：主軸控制回路為位置閉環(huán)控制，主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與攻絲軸（Z軸）進(jìn)給完全同步，從而實(shí)現(xiàn)高速高精度攻絲。（2）復(fù)合加工循環(huán)：復(fù)合加工循環(huán)可用簡單指令生成一系列的切削路徑。比如定義了工件的最終輪廓，可以自動(dòng)生成多次粗車的刀具路徑，簡化了車床編程。（3）圓柱插補(bǔ)：適用于切削圓柱上的槽,能夠按照圓柱表面的展開圖進(jìn)行編程。（4）直接尺寸編程：可直接指定諸如直線的傾角、倒角值、轉(zhuǎn)角半徑值等尺寸，這些尺寸在零件圖上指定，這樣能簡化部件加工程序的編程。（5）記憶型螺距誤差補(bǔ)償：可對絲杠螺距誤差等機(jī)械系統(tǒng)中的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償數(shù)據(jù)以參數(shù)的形式存儲(chǔ)在CNC的存儲(chǔ)器中。（6）CNC內(nèi)裝PMC編程功能：PMC對機(jī)床和外部設(shè)備進(jìn)行程序控制（7）隨機(jī)存儲(chǔ)模塊：MTB(機(jī)床廠)可在CNC上直接改變PMC程序和宏執(zhí)行器程序。由于使用的是閃存芯片，故無需專用的RAM寫入器或PMC的調(diào)試RAM。 4.1.1.2西門子（SINUMERIK）數(shù)控系統(tǒng)簡介 西門子（SINUMERIK）數(shù)控系統(tǒng)是德國西門子公司的產(chǎn)品。西門子憑借在數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品方面的專業(yè)思考與深厚積累，不斷制造出機(jī)床產(chǎn)品的典范之作，為自動(dòng)化應(yīng)用提供了日趨完美的技術(shù)支持。SINUMERIK 不僅意味著一系列數(shù)控產(chǎn)品，其力度在于生產(chǎn)一種適于各種控制領(lǐng)域不同控制需求的數(shù)控系統(tǒng)，其構(gòu)成只需很少的部件。它具有高度的模塊化、開放性以及規(guī)范化的結(jié)構(gòu)，適于操作、編程和監(jiān)控。 主要包括：控制及顯示單元、PLC 輸入/輸出單元（PP）、PROFIBUS 總線單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)等部分。主要數(shù)控系統(tǒng)類型有： 　?。?）SINUMERIK 802S/C系統(tǒng):SINUMERIK 802S/C系統(tǒng)專門為低端數(shù)控機(jī)床市場而開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型CNC控制系統(tǒng)。802S/C兩個(gè)系統(tǒng)具有同樣的顯示器，操作面板，數(shù)控功能，PLC編程方法等，所不同的只是SINUMERIK 802S帶有步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機(jī)，可帶3個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)軸及一個(gè)±10V模擬伺服主軸；SINUMERIK 802C帶有伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),它采用傳統(tǒng)的模擬伺服±10V接口,最多可帶3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)軸及一個(gè)伺服主軸。（2）SINUMERIK 802D系統(tǒng)：該系統(tǒng)屬于中低檔系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：全數(shù)字驅(qū)動(dòng)，中文系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單(通過PROFIBUS連接系統(tǒng)面板、I/O模塊和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))，調(diào)試方便。具有免維護(hù)性能的SINUMERIK 802D核心部件-控制面板單元（PCU）具有CNC、PLC、人機(jī)界面和通訊等功能，集成的PC硬件可使用戶非常容易地將控制系統(tǒng)安裝在機(jī)床上。 　?。?)SINUMERIK 840D/810D/840Di系統(tǒng)：840D/810D是幾乎同時(shí)推出的，具有非常高的系統(tǒng)一致性，顯示/操作面板、機(jī)床操作面板、S7-300PLC、輸入/輸出模塊、PLC編程語言、數(shù)控系統(tǒng)操作、工件程序編程、參數(shù)設(shè)定、診斷、伺服驅(qū)動(dòng)等許多部件均相同。SINUMERIK 810D是840D的CNC和驅(qū)動(dòng)控制集成型，SINUMERIK 810D系統(tǒng)沒有驅(qū)動(dòng)接口，SINUMERIK 810D NC軟件選件的基本包含了840D的全部功能。采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)西門子840Di系統(tǒng)，全PC集成的SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)提供了一個(gè)基于PC的控制概念。 　　(4)SINUMERIK 840C系統(tǒng)：SINUMERIK 840C系統(tǒng)一直雄居世界數(shù)控系統(tǒng)水平之首，內(nèi)裝功能強(qiáng)大的PLC 135WB2，可以控制SIMODRIVE 611A/D模擬式或數(shù)字式交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，適合于高復(fù)雜度的數(shù)控機(jī)床。交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（1）SIMODRIVE611A：模擬式伺服，配合1FT5系列進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)(600V)和1PH7主軸電機(jī), 可控制主軸，進(jìn)給軸，及普通異步電機(jī)。（2） SIMODRIVE 611D：數(shù)字式伺服，配合1FT6/1FK6系列進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和1PH7主軸電機(jī)，可控制主軸，進(jìn)給軸等，只能配合810D、840D、840C數(shù)控系統(tǒng)。（3）SIMODRIVE 611U：通用型伺服，可接收模擬信號或數(shù)字信號（PROFIBUS）,可以進(jìn)行位置控制、速度控制及轉(zhuǎn)矩控制。配合1FT6/1FK6和1PH7電機(jī)，是理想的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案之一。（4）SIMODRIVE 611UE：通用E型伺服，通過PROFIBUS接連，其余同611U。 4.1.1.3三菱（MITSUBISHI）數(shù)控系統(tǒng) 1873年，三菱造船廠更名為三菱商會(huì)。三菱開始涉足采礦、造船、銀行、保險(xiǎn)、倉儲(chǔ)和貿(mào)易。隨后，又經(jīng)營紙、鋼鐵、玻璃、電氣設(shè)備、飛機(jī)、石油和房地產(chǎn)。現(xiàn)在，三菱建立了一系列的企業(yè)，在日本工業(yè)現(xiàn)代化的過程中扮演著舉足輕重的角色。三菱電機(jī)自動(dòng)化一直致力于為客戶在工業(yè)自動(dòng)化、電力控制及其他相關(guān)業(yè)務(wù)上提供專業(yè)產(chǎn)品設(shè)備和解決方案，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、電力等多個(gè)領(lǐng)域。三菱數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)：(1)M64A / M64SM CNC 控制器 標(biāo)準(zhǔn)配備了RISC 64位CPU（與M64相比，整體性能提高了1.5倍）；高速高精度機(jī)能對應(yīng)，尤為適合模具加工；內(nèi)藏對應(yīng)全世界主要通用的12種多國語言操作界面；可對應(yīng)內(nèi)含以太網(wǎng)絡(luò)和IC卡界面；內(nèi)藏波形顯示功能，工件位置坐標(biāo)及中心點(diǎn)測量功能； 緩沖區(qū)修正機(jī)能擴(kuò)展：可對應(yīng)IC卡/計(jì)算機(jī)鏈接B/DNC/記憶/MDI等模式；簡易式對話程序軟件（使用APLC所開發(fā)之Magicpro-NAVI MILL對話程序）；可對應(yīng)Windows95/98/2000/NT4.0/Me的PLC開發(fā)軟件；特殊G代碼和固定循環(huán)程序，如G12/13 、G34/35/36、 G37.1等。（2) EZMotion-NC E60 內(nèi)含64位CPU的高性能數(shù)控系統(tǒng)，采用控制器與顯示器一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超小型化；伺服系統(tǒng)采用薄型伺服電機(jī)和高分辨率編碼器（131,072脈沖/轉(zhuǎn)），增量/絕對式對應(yīng)；由參數(shù)選擇車床或銑床的控制軟件，簡化維修與庫存； 全部軟件功能為標(biāo)準(zhǔn)配置；標(biāo)準(zhǔn)具備1點(diǎn)模擬輸出接口，用以控制變頻器主軸； 可使用三菱電機(jī)MELSEC開發(fā)軟件GX-Developer，簡化PLC梯形圖的開發(fā)；可采用新型2軸一體的伺服驅(qū)動(dòng)器MDS-R系列，減少安裝空間；開發(fā)伺服自動(dòng)調(diào)整軟件，節(jié)省調(diào)試時(shí)間及技術(shù)支援之人力。（3）MELDAS C6 滿足生產(chǎn)線部件加工要求，提高了可靠性，縮短了故障時(shí)間；對應(yīng)多種三菱FA網(wǎng)絡(luò)：MELSECNET/10、以太網(wǎng)和CC-LINK，實(shí)現(xiàn)了以10M/100Mbps的速度進(jìn)行高速、大容量的數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)一步提高生產(chǎn)線的加工效率； NC內(nèi)藏PLC機(jī)能強(qiáng)化：GX-Developer對應(yīng)；指令種類充實(shí)；多個(gè)PLC程序同時(shí)運(yùn)行；運(yùn)行中PLC程序修改；多系統(tǒng)PLC接口信號配置等；專機(jī)用PLC指令擴(kuò)充：增加了ATC、 ROT、 TSRH、 DDBA、 DDBS指令，簡化了PLC程序設(shè)計(jì)；數(shù)控功能強(qiáng)化、多軸、多系統(tǒng)對應(yīng)。 4.1.1.4廣州數(shù)控(GSK)系統(tǒng) 中國南方數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地，廣東省20家重點(diǎn)裝備制造企業(yè)之一，中國國家863重點(diǎn)項(xiàng)目《中檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化支撐技術(shù)》承擔(dān)企業(yè)，擁有中國最大的數(shù)控機(jī)床連鎖超市。公司秉承科技創(chuàng)新、追求卓越品質(zhì)，以提高用戶生產(chǎn)力為先導(dǎo)，以創(chuàng)新技術(shù)為動(dòng)力，為用戶提供GSK全系列機(jī)床控制系統(tǒng)、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電機(jī)、大功率主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸伺服電機(jī)等數(shù)控系統(tǒng)的集成解決方案，積極推廣機(jī)床數(shù)控化改造服務(wù)，開展數(shù)控機(jī)床貿(mào)易。GSK擁有國內(nèi)最大的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)基地，中國一流的生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程，科學(xué)規(guī)范的質(zhì)量控制體系保證每套產(chǎn)品合格出廠。GSK產(chǎn)品批量配套全國五十多家知名機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)，是中國主要機(jī)床廠家數(shù)控系統(tǒng)首選供應(yīng)商。 （1）GSK980T車床數(shù)控系統(tǒng)（CNC），于1998年推出的普及型數(shù)控系統(tǒng)。作為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的升級換代產(chǎn)品，GSK980T具有以下技術(shù)特點(diǎn)：采用高級處理器（CPU）和可編程門陣列（PLD）進(jìn)行硬件插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)高速μm級控制，采用四層線路板，集成度高，整機(jī)工藝結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，液晶（LCD）中文顯示、界面友好、操作方便，加減速可調(diào)，可配套步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器或伺服驅(qū)動(dòng)器，可變電子齒輪比，應(yīng)用方便 （2）GSK928TC車床數(shù)控系統(tǒng)：GSK928TC為經(jīng)濟(jì)型μm級車床數(shù)控系統(tǒng)，采用大規(guī)模門陣列（CPLD）進(jìn)行硬件插補(bǔ)，真正實(shí)現(xiàn)了高速μm級控制。使用圖形液晶顯示器（LCD），中文菜單及刀具軌跡圖形顯示，界面友好。加減速時(shí)間可調(diào)，可適配反應(yīng)式步進(jìn)系統(tǒng)、混合式步進(jìn) ，系統(tǒng)或交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成不同檔次的車床數(shù)控系統(tǒng)。（3）GSK980i車床數(shù)控系統(tǒng)：GSK980i車床數(shù)控系統(tǒng)（CNC）為新近推出的中高檔數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)率先采用以DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片為核心、以嵌入式結(jié)構(gòu)PC為平臺(tái)（PC-BASED）的新一代數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DSP和主CPU并行處理機(jī)制，具有較高的動(dòng)態(tài)跟蹤精度和良好的加工性能，可作為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的升級換代產(chǎn)品。GSK980i系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：四個(gè)獨(dú)立的伺服電機(jī)連接口可實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)和四軸的全閉環(huán)控制 ，獨(dú)立主軸通道可連接模擬量主軸（0-10V）或伺服主軸，具有一個(gè)可帶512點(diǎn)的串行I/0接口 ，完全的速度環(huán)控制系統(tǒng)，高速、高精度、高效率 ，中、英文界面可選，圖形、坐標(biāo)、代碼實(shí)時(shí)跟蹤，全功能代碼編輯器，編輯大小不受限制，直觀的MDI輸入控制，方便直接的系統(tǒng)參數(shù)配置，PLC梯形圖輸入（選配），在線代碼幫助體系故障診斷。 4.1.1.5華中數(shù)控系統(tǒng)簡介 華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司成立與1995年，由華中理工大學(xué)，中國國家科技部，湖北省，武漢市科委，武漢市東胡高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，香港大同工業(yè)設(shè)備有限公司等政府部門和企業(yè)共同投資組建。近幾年來，公司都以300%的速度迅猛發(fā)展。 　　公司在“八五”期間，承擔(dān)了多項(xiàng)國家數(shù)控攻關(guān)重點(diǎn)課題，取得了一大批重要成果。其中“華中I型數(shù)控系統(tǒng)”在中國率先通過技術(shù)鑒定，在同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，被專家評定為“重大成果”、“多項(xiàng)創(chuàng)新”、“國際先進(jìn)”。該項(xiàng)目同時(shí)還獲得了中國國家863的重點(diǎn)支持。1997年，華中I型數(shù)控系統(tǒng)被國家科技部列入1997年度中國國家新產(chǎn)品計(jì)劃（742176163004）”和“九五國家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃指南項(xiàng)目（98020104A）”。（1）華中I型(HNC-1)高性能數(shù)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)：1）以通用工控機(jī)為核心的開放式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用基于通用32位工業(yè)控制機(jī)和DOS平臺(tái)的開放式體系結(jié)構(gòu)，可充分利用PC的軟硬件資源，二次開發(fā)容易，易于系統(tǒng)維護(hù)和更新?lián)Q代、可靠性好。2）獨(dú)創(chuàng)的曲面直接插補(bǔ)算法和先進(jìn)的數(shù)控軟件技術(shù)，處于國際領(lǐng)先水平的曲面直接插補(bǔ)技術(shù)將目前CNC上的簡單直線, 圓弧差補(bǔ)功能提高到曲面輪廓的直接控制，可實(shí)現(xiàn)高速、高效和高精度的復(fù)雜曲面加工。采用漢字用戶界面，提供完善的在線幫助功能，具有三維仿真校驗(yàn)和加工過程圖形動(dòng)態(tài)跟蹤功能，圖形顯示形象直觀。3）系統(tǒng)配套能力強(qiáng) 　　公司具備了全套數(shù)控系統(tǒng)配套能力。系統(tǒng)可選配本公司生產(chǎn)的HSV-11D交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī)、HC5801/5802系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元與電機(jī)、HG.BQ3-5B三相正弦波混合式驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)和國內(nèi)外各類模擬式、數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)單元。（2）華中-2000型高性能數(shù)控系統(tǒng) ;是面向21世紀(jì)的新一代數(shù)控系統(tǒng) 華中-2000型數(shù)控系統(tǒng) (HNC-2000) 是在國家八· 五科技攻關(guān)重大科技成果----華中I型(HNC-1)高性能數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的高檔數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用通用工業(yè)PC機(jī)、TFT真彩色液晶顯示器，具有多軸多通道控制能力和內(nèi)裝式PLC，可與多種伺服驅(qū)動(dòng)單元配套使用。具有開放性好、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、