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定梁式数控雕刻机机械结构设计定梁式数控雕刻机机械结构设计 -- 20 元

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摘要当今世界,现代化工业技术飞速发展,日新月异。在机械制造领域,人们对于机械零件加工的质量、精度和效率等的要求也越来越高。因此,对于加工零件所需要的机床的跟新换代也与日俱增。在此趋势的推动下,数控机床的结构优化改造设计变得非常重大。大批的数控机床正如雨后春笋般进军机械制造业。比如数控雕刻机在模具加工、PCB电路板以及广告招牌等领域发挥着重要作用。本文主要调查和研究了定梁式数控雕刻机在国内外发展状况以及其在未来制造业的前景,并对数控雕刻机的结构做了研究和优化设计,主要包含了数控机床的总体布局方案设计、机床主传动系统设计、(电主轴或电机直联传动结构)、机床进给运动系统(导轨及滚珠丝杠)的结构设计、相关滚珠丝杠的计算选型及校核、轴承和电机的计算及选型,最后利用CAD绘图软件绘制了机床的总装配图、部分零件图及相关结构示意图。关键词数控雕刻机电主轴导轨滚珠丝杠AbstractIntodaysworld,modernindustrialtechnologyarerapidlydevelopingwitheachpassingday.Inthefieldofmachinerymanufacturing,peopleareincreasinglyhighrequirementsforthequality,accuracyandefficiencyofthemachineparts.Therefore,foramachinewithanewgenerationofmachinedpartsisalsoincreasing.Inthistrend,drivenbyCNCmachinetoolstransformthestructureoptimizationdesignbecomesverysignificant.AlargenumberofCNCmachinetoolsjustmushroomedintothemachinerymanufacturingindustry.SuchasCNCengravingmachineplaysanimportantroleinthefieldofmold,PCBcircuitboard,andadvertisingsigns.Inthispaper,surveysandstudieshavebeendoneofthefixedbeamCNCengravingmachineCNCmachinetoolsdevelopmentathomeandabroadaswellasitsoutlookformanufacturinginthefuture,andthestructureoftheCNCmachinetodotheresearchanddesignoptimization,theoveralllayoutdesignmachinemaindrivesystemdesigntheelectricspindleormotordirectlyconnectedtothetransmissionstructure,machinetoolfeedmotionsystemsrailandballscrewstructuraldesign,theballscrewcalculationofselectionandcheckthebearingandmotorthecalculationandselection,andfinallytheuseofCADdrawingsoftwaretodrawthegeneralassemblydrawingofthemachine,somepartsdiagramandstructurediagram.KeywordsCNCengravingandmillingmachinespindlerailballscrewV目录摘要..............................................................................................................................................IABSTRACT...................................................................................................................................II目录............................................................................................................................................V1绪论.............................................................................................................................................11.1数控雕刻技术的产生..........................................................................................................11.2本课题研究的内容及意义..................................................................................................11.3国内外研究状况及其发展趋势..........................................................................................11.4雕刻机机械系统设计的主要技术指标..............................................................................42雕刻机总体布局方案设计.........................................................................................................52.1数控雕刻机布局要求及影响因素......................................................................................52.2数控雕刻机总体结构布局..................................................................................................62.3数控雕刻机结构的改良对比..............................................................................................72.4工作台的结构设计..............................................................................................................92.5本章小结............................................................................................................................103主传动系统的方案设计...........................................................................................................113.1主运动传动系统设计........................................................................................................113.2电主轴................................................................................................................................123.2.1电主轴的介绍...........................................................................................................123.2.2电主轴的结构及其优点...........................................................................................123.2.3电主轴的安装...........................................................................................................143.3本章小结............................................................................................................................144机床进给系统方案设计...........................................................................................................154.1进给传动系统选择............................................................................................................154.1.1进给传动系统的要求...............................................................................................154.1.2进给传动系统的基本形式.......................................................................................154.1.3以上几种传动方案的简介和比较...........................................................................154.2滚珠丝杠系统....................................................................................................................174.2.1滚珠丝杠副的选择...................................................................................................174.2.2滚珠丝杠支承结构...................................................................................................174.2.3支承轴承的选择.......................................................................................................194.2.4滚珠丝杠副的制动装置...........................................................................................194.2.5步进电机与进给丝杠的联结结构...........................................................................194.3滚动导轨的安装定位........................................................................................................204.4本章小结............................................................................................................................205主传动及X向进给系统部分零件计算和校核......................................................................215.1主传动零部件计算及校核................................................................................................215.1.1主轴参数设计...........................................................................................................215.1.2主轴系统铣削力的计算...........................................................................................215.1.3滚珠丝杠副参数的计算选择...................................................................................225.1.4滚珠丝杠副的强度校核...........................................................................................255.1.5伺服电机参数计算和型号选择...............................................................................265.2X向进给系统零部件计算及校核.....................................................................................285.2.1X向丝杠的选型及校核...........................................................................................285.2.2丝杠轴承的选择及计算...........................................................................................295.3本章小结............................................................................................................................306展望和结论...............................................................................................................................31致谢...........................................................................................................................................32参考文献.......................................................................................................................................33附录...........................................................................................................................................34定梁式数控雕刻机机械结构设计11绪论1.1数控雕刻技术的产生早在二十世纪中叶以前,人们对于零件打孔和铣削的加工手段主要是靠人工作坊式的手动和半自动的金属冲、钻、压等机床设备。不但厚重、笨、大,而且性能差、速度慢、功能少、效率低。自从60年代初以来,就工业发达国家的许多PCB(印刷电路板)加工设备设计而言,为了使产品具有强劲的市场竞争力以满足人们的要求,生产厂家纷纷投入了较大的人力、物力和财力,就PCB加工设备的设计过程中存在的问题做了深入研究,最后在60年代初获得了较大的成果。随后雕刻机、雕铣机、加工中心等一系列数控机床便如雨后春笋般应运而生。跟据相关资料载述,世上首台CNC机床的问世,是1952年在芝加哥机床展览会上出现的,而针对于PCB工业加工的CNC机床大概晚于纯金属切削加工机床10年左右,它是60年代初期出现的,从此便开创了数控雕刻技术的新纪元1。1.2本课题研究的内容及意义目前,数控雕刻机主要是用于各类材料的文字雕刻、印刷电路板的制作、各类印章铭牌的制作、艺术浮雕及小型模具加工如冲压模、五金模、塑料模、玻璃模以及零件的精密雕刻。由于模具产业和美术品制造业的日益发展,纵观全球,市场上对于数控雕刻机的需求逐步扩大,首先是相对高端的数控雕刻中心,其需求量最为庞大。数控雕刻机已成为模具制造行业必不可少的加工机床装备。数控雕刻机的机械加工精度高、刚性强,它的数控系统还拥有抗干扰特性,是含有高新科学技术的一种加工设备,其机电一体化水平先进。同时,它价格适宜,被认为是低投入高回报的一类加工机床。就当今制造类行业来讲,尤其在复杂型腔模的精细加工中,CNC雕刻机的加工精度高、速度快、表面质量好,能够代替价格相对昂贵的加工中心的机加工。CNC雕刻机一般采用滚珠丝杠副和直线导轨来作为各向运动的实现元件,它的数控系统功能全面,采用半闭环伺服电机驱动,其加工精度可达0.001毫米,定位精度和重复定位精度都优于普通的数控机床的加工精度。另外,它的加工范围大,性价比较高,能够普遍用于轻型金属构件的精密加工和模具型腔的曲面加工,也可以用来加工各类工艺品和非金属制品。目前,虽然数控雕刻机的技术已经相对比较成熟,生产的产品性能也日渐趋于稳定。但是一般都体积庞大,结构复杂,价格昂贵2。本课题研究的数控雕刻机是一种小型三轴联动定梁式数控雕刻机床。它可以完成一般的轻型零件及电子电路板的加工,也可以进行透刻轮廓等加工。该机床具有占地面积小,加工幅面较大等特点。根据数控雕刻机的自身特点,可以将其分为机械系统、数控系统和软件系统,本文着重研究机械系统设计过程。完成数控雕刻机机械结构总体方案设计及零部件的选型计算、结构强度校核,并绘制装配图和零件图纸。1.3国内外研究状况及其发展趋势伴随着模具业、广告招牌业、家具制造业的发展日趋扩大,尤其在模具行业中对零件无锡太湖学院学士学位论文表面的加工,要求不断提高。再加上电火花加工存在不足,近年来数控雕刻机在国内有了突破性的发展。CNC雕刻机相对于一般加工机床有着技术上的优势,而且它的价格合理,现已成为了市场上电子零配件的制造、五金产品、家具制造、小型精密模具制造等行业加工机床工具。另外,数控雕刻机也逐步被投入如大功率LED铝基板、金属电极、美术工艺礼品、眼镜框架加工等领域。由于数控雕刻机的应用领域日益拓展,它的市场规模也不断扩大。根据罗百辉的调查显示,2002~2006年,数控雕刻机被用于模具加工、家具制造行业还是小批量,是它导入市场的阶段。随着数控雕刻机技术的不断成熟和价格趋于合理,其性价比逐渐得到业界的认可,市场快速扩大。进入2007年我国数控雕刻机产销量突破10000台,产值超过15亿元,标志着国内数控雕刻机产业进入高速成长期从2007~2010年,在模具加工、家具与五金制造等行业需求继续快速增长的同时,由智能手机、平板电脑、电子书、GPS等带动的消费类电子零配件制造业的需求异常突起,推动数控雕刻机行业迅速发展,2010年国内数控雕刻机产量已突破4.5万台。随着下游各应用领域对产品加工过程中的高精密、高效率、低耗能、低耗材的要求不断提升,数控雕刻机自身技术不断成熟,下游新兴应用领域不断涌现,国内人工成本的不断增长,原有老旧设备的更新换代等等,都将对数控雕刻机市场起到积极的推动作用。未来数控雕刻机行业将持续高速增长。结合各下游行业十二五规划制定的发展目标,罗百辉预计到2015年全国数控雕刻机产销量将达到12万台。在市场结构方面,消费类电子产品零配件制造、模具制造、五金制品及家具制造等四大行业仍将是数控雕刻机的主要应用领域。其中,随着触摸屏手机、平板电脑的渗透率不断提高,未来消费类电子产品零配件制造行业对数控雕刻机需求将持续快速增长,到2015年,仅消费类电子产品零配件制造行业,对数控雕刻机需求量就将达到38000台3。下面以PCB的加工为例,介绍数控雕刻机在印刷电路板领域的应用。现在印刷电路板和它的制造技术的发展已达到了一个较高水平。从印刷电路板的机加工环节上来分析,为了制造出高质量的印刷电路板,目前有激光钻孔技术、光致法成孔、等离子体蚀孔等技术含量高的加工工艺。由于这些加工技术本身有着一定的局限性,所以一般PCB加工作业大多数得依靠数控雕刻机床来进行。就我国而言,通过几十年的发展,PCB制造行业的技术含量和设备支持都达到了一个较高的水平。那些纯手工加工方法以及电路板的冲孔加工工艺方法在机械加工方法中已经很少出现了,数控雕刻机床和数控铣床用在PCB制造行业早已很常见了,数控雕刻机床和数控铣床也已列入了当前国内印制板机械加工的主导设备行列里。数控钻铣床技术就用于PCB制造业而言拥有其独特的特性和优点1)大多数采用了先进的控制技术现在PCB工业中人们使用的数控钻铣床大多数采用了先进的主从结构的多微计算机C数控技术,也可称为一主多从的多CPU控制技术。由主CPU控制,从CPU再分别控制不同功能与特性的结构部件,确保它们于主CPU的控制步调一致。2)数控钻铣的效率高,精度好,速度快,质量高定梁式数控雕刻机机械结构设计3一般来说数控钻铣床的各个电主轴都配置了Z轴进给深度控制感应系统。可以随时探测PCB的叠层与电主轴的压力角的距离,从而把它们控制在一个合适的范围里,确保了电主轴的最佳移动距离,使其钻孔的速度达到最高。Z轴采用独立驱动方式,电主轴系统使用气浮轴承,很大程度上减少了摩擦力,从而确保了加减速的时间较短,也就提高了加工精度,提高了效率。再加上采用了高动态伺服马达,仅仅只需几毫秒的时间电主轴的速度就能达到最高。目前,当电主轴达最高运转速度时,其值为120000r/min。对于加工钻孔直径为0.1mm小孔时。一般铣床因工艺的需要,其速度会确保在55000r/min以下,速度快反而不利于加工。就位置的反馈系统而言,配置了直线光栅或线性磁尺,将它们组成闭环式反馈回路,让钻孔的定位精度达0.003mm以下,重复定位精度在0.002mm以下。而且,加工出来的PCB板无毛刺,不会有斜度,表面光滑整齐。3)具有自检自控功能数控钻铣床,大多数都具备自我检测,自我反馈,自我调整的功能。它的设计理念是,在主CPU的控制下,有一个从CPU在全闭环控制系统下,负责对钻铣床的各个部位进行动态检查,发现问题随时在显示器上反馈出来。甚至有的同时显示和报警。工作人员排除故障疏忽的情况下,为使机器不会损坏,有的还可以自动控制,让机器停止工作,制定它保持待机,从而有效防止了机器发生故障而损坏。同时,每个主轴都安装激光测试径向跳动装置,保证每个主轴都保持在最佳工作状态。钻头的折断在实际生产中经常发生,但若不能及时发现并采取更换措施,应该要钻的孔就有可能为钻。而且,PCB电路板还可能被断的钻头划坏损伤,严重影响到电路板制作的质量问题。然而,针对这个问题,现在数控钻铣床的主轴系统都安装了断钻检测装置,当钻头断了,数控机床将自动停止运转,并显示提醒断钻的位置,相应的换上好的钻头,还要自动检测所装钻头的直径,并重新进行孔加工。另一方面,机床具有了自检功能后,它还能自动控制钻孔的深度,确保钻头尖端和工作台面的距离。从而确保机床的工作台面不会被钻坏损伤。4)机床工作台面的移动方式采用了气垫加磁浮,确保了机床工作台面不会因为擦碰而被划伤PCB电路板机械加工时所需的负载较小。要求高速、高精度的进给,所以PCB钻铣机的进给系统要求阻尼小、摩擦小、灵敏度高,这样才能满足PCB的孔加工时频繁高速的起停运动。因此快速PCB钻铣机床的进给系统采用了伺服电机-滚珠丝杠-导轨的方式,导轨还选择了气浮导轨,它的摩擦系数更小,加工动作更轻便。当空气轴承出现问题时,数控钻铣机床将处在一种不平衡的状态,这样工作台面很容易被划伤。数控钻铣床多数采用了气垫加磁浮的方式,X、Y轴用气浮导向,工作台面用气浮支撑,采用伺服马达作为工作台面的定位驱动,还配有精密的滚珠丝杠以及预加载荷的双螺母进行校正调整。这样机床工作台面移动起来轻盈,快捷,精准。也使得运动加减速过程的时间远远缩短。如若机器有不平衡现象出现,磁浮会吸住机床工作台面,让机器停下来,使得整个工作台面完好无损。而且X轴和Y轴采用分离式布局,避免了传统的重叠现象。布置X轴、Y轴在大理石结构的中央位置,工作台面始终保持在最佳平衡状态,无锡太湖学院学士学位论文相应得也就提高了孔加工的精度。数控钻铣床还可以进行软件的编程限位,不但可以自动测量刀具大小长短,还能对刀具进行管理等。5)机床的电主轴头数种类多、加工幅面大现在的数控钻床大多都是46个主轴钻头。这大大提高了生产效率,同时也满足了大规模的自动化生产需要。增加主轴以后,机床台面尺寸也要对应增加。X、Y轴的编程也将相应扩大,一般在600mm600mm以上,轴的行程增加了,相应的钻孔面积也将增加。6)编程的功能多种化当前市场上的数控钻铣床一般都有两种以上的编程功能。一种是直接人工编程的照像底片或光绘底片,一种是采用几何工艺语言GTL进行编程,最后一种是用参数化进行编程。目前,最后一种普遍得到运用,它是一种特有的有效的编程工具,能够把任何加工顺序作为用户加工环境来运用和设计编程。只要给出一定的变数值,就可以编制形状相似的工件加工程序46。1.4雕刻机机械系统设计的主要技术指标通过分析比较以往数控雕铣机及雕刻机的性能参数,发现国内目前数控雕刻机的最高主轴转速通常在24000r/min左右,刀具最高切削速度介于4到6m/min之间,机床主轴电机功率为2.2千瓦上下。本文所设计的小型数控雕刻机机床的性能指标参数如下表11表11数控雕刻机系统主要性能指标参数性能名称数值加工幅面120160200mm工作台尺寸X/Y270278mm行程X/Y/Z50150200mm最大进给速度5.0m/min加工刀具最大直径Φ6.0mm主轴电机最高转速3000r/min主轴电机功率400kw换刀方式手动换刀X/Y/Z定位精度0.1~0.1mmX/Y/Z重复定位精度0.05~0.05mm总功率P1000W轴联动数4脉冲当量0.001~0.001mm/脉冲外观尺寸400500600定梁式数控雕刻机机械结构设计52雕刻机总体布局方案设计2.1数控雕刻机布局要求及影响因素数控雕刻机床主要是用于较小雕刻量或软金属材料的工件的加工。要求加工精度较高。它主轴的转速甚至高达30000r/min左右。各向移动部件要求运动轻巧、刚性好、灵活性强。对于机床的数控系统而言,它的控制反应速度要迅速、灵敏,其所配置的伺服电机的特性要极佳。从机械的角度出发去分析,对于数控雕刻机床而言,它的结构应满足加工范围广、工作精度高、生产率高和经济性能好等各项要求另外,它的非移动部件的刚性要好,移动部件而言,首先它要具有良好刚性,还要整体结构轻巧,要具有较好的灵活性确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平应便于观察和检测。在机床的加工过程中还要利于操作、位置的调整和进行维修。方便换刀和装卸所要加工零部件注意防护,确保安全机床的机械结构要简单、可靠,机床的各个零部件要便于加工、装配最好要确保重量轻盈,体积较小,制造成本较低,占地面积要小,总体外型要大方美观7。在满足了机床总体布局基本要求的基础上,还应考虑到影响雕刻机布局的其它基本因素,如下1.加工零件表面成形运动的影响要在加工零件的表面铣雕出不同形状的线路纹路,就要结合不同的刀具来进行加工,所以机床表面成形运动的数目及形式也就不同,将直接导致机床布局的差异。因此,在布局雕刻机时,必须根据加工的要求,首先对所要加工零件表面成形的方法及运动进行综合、全面合理地考虑。加工零件的表面,要成形的加工运动主要可分为铣削、钻孔、切割三类。因此所设计的数控雕刻机必须满足下面几种运动才可以实现各种加工过程1X、Y两个方向上相互垂直的直线移动。从而实现了钻头在X、Y平面内的定位自由,从而使得刀具在平面X、Y内按照不同的轨迹路径对零件进行铣雕加工。2与X、Y平面相垂直的Z方向上直线移动。使刀具的钻孔加工有个切入的过程。3机床切削的主运动是刀具的高速转动。2.数控雕刻机动静分配所产生是影响由于数控雕刻机的动静分配存在差异,所以机床对应的布局也会不同。而且,就同一种动静分配的布局而言,因为机床导轨的布局加上导轨结构安装结构不一样,雕刻机的布局也会不一样。因此,对于雕刻机动静分配的规划,可依照下面的原则来考虑1所选的动静分配将增强机床加工的精度。2机床移动部分的零件的重量最好轻巧。因为就其它条件相同下,机床的移动部分的零件的重量越小,那么它的惯性将越小,其传动件的尺寸以及驱动电机的功率也将越小。这样,雕刻机的运动力学性能将大大提高。3要有助于加强雕刻机结构的刚度,机床的占地面积要尽可能的小。无锡太湖学院学士学位论文3.所要加工的零件的形状、硬度、尺寸和其重量所产生的影响一般来说,雕刻机机构的布局一定程度上也和待加工的零件的尺寸、形状、重量和硬度有关。所需加工零件的大小面积,将直接和导轨的布局以及机床工作台的尺寸相关。比如,所需加工零件的面积尺寸很大,机床工作台在于加工同一方向尺寸将会变大,其它一系列部件如与工作台相连接的滑块、滑板及两导轨布局的跨距将越大。所需加工零件的重量越大,所要求机床工作台、导轨等部件的刚度就要提高。由此可见,待加工零件的形状、尺寸、重量等也将是对雕刻机布局产生影响的直接性、决定性因素。相比而言,一般零件的硬度不会有较大的差别,因此机床工作台的切削力的大小和承载能力也不会产生很大差异,其对于机床的整体布局的影响比较若8。2.2数控雕刻机总体结构布局数控雕刻机总体结构布局如图2.1所示。图2.1数控雕刻机机床总体布置图本次设计的数控雕刻机机床主要由1.立柱2.机床床身3.工作台4.横梁5.X轴6.工控机7.电器柜8.Z轴9.主轴立钻头和10.Y轴等零部件所构成。机床龙门式结构具有刚性和对称性优良的特点,所以一向是设计高速切削机床结构的首选。本次设计的机床总体布局将采用龙门架式布置结构。机床龙门框架式的基本布局形式一般有如图2.2所示A,B两种结构定梁式数控雕刻机机械结构设计7图A工作台移动式图B龙门架移动式图2.2龙门式数控雕刻机结构示意图如图A的布局方案,龙门架是固定的,数控雕刻机Y/Z轴系统作横向的左右和竖直的上下移动,机床X工作台将作纵向移动。由于机床工作台的移动,机床的承载能力将不如布局B的承载能力优良。如果所需承载加工零件比较轻,那么此类机床布局方式要求的电机功率及传动部件的尺寸就比较小,移动比较快捷、轻便。对于纵向较长工件的批量加工时,需要使用外伸支架支撑的结构,它们的支点高度相同,所以支架支撑的调整较方便,但是支架的结构和布局B方案相比显得繁杂。由于机床移动部件的质量比较小,因此该种方案中的数控雕刻机Z轴系统刀具的运动、精度易于得到保障。在图B的布局方案中,机床工作台是固定的,数控雕刻机Y/Z轴系统作横向的左右和竖直的上下移动,龙门架作纵向的移动。由于机床工作台是不动的,所以它的承载能力比较好,适合于对重型零件的工件。对于纵向较长工件的批量加工时,需要使用外伸支架支撑的结构,它们的支点高度相同。但机床Z轴系统刀具的运动精度难以得到保证,而且龙门架的移动相对笨重。且加工过程能耗较高,效率较底。综合上述比较,充分结合参考机床布局的基本要求、影响机床布局的基本因素以及本次设计的雕刻机的设计参数,最终选用图A的布局方案。该机床的横梁和立柱还特意设计得较宽。而且考虑到不良力矩产生的影响,机床还对X、Y、Z三个方向上的两根直线滚动导轨之间的跨距进行了加宽,从机床的整体布局上进行考虑,有效、可靠地确保了机床的刚性。2.3数控雕刻机结构的改良对比至于其它结构方面,综合比较以往雕刻机、雕铣机的有关资料,发现以往的一些结构存在某些普遍问题,比如1)对于机床各方向上的加工精度不容易保障,零部件的组合装配比较烦杂。2)加工的切削力较大的情况下,机床Z轴滑座与Y向横梁的垂直程度有偏移误差的现无锡太湖学院学士学位论文象。3)机床主轴在高速运转时,对于加工进给的速度快时,主轴刀具较容易断掉。通过查阅资料、分析研究,对数控雕刻机机械结构作如下改进a.对机床的横梁系统结构更新设计,原来滑块下的直线导轨布局在同一平面内,如图2.3中的图(a)所示,现把它们布置在互相垂直的空间平面内,如图2.3中的图(b)的结构所示,此时完全锁定了机床Z轴滑座的各相偏移误差。b.在机床工作台和直线导轨滑块的相连处布置台阶,其侧面采用螺钉锁定,这样X向就被锁定了。c.由于孕育铸铁的稳定性、耐冲击性和吸振性都很优越,这将大大提高机床床身的结构强度和刚性。因此本次设计机床的整体式床身底座由孕育铸铁铸造加工而成。采用箱形结构的方式,其底部内部筋板采用井字型筋板配合的网状结构方式。保证了对X向工作台及两边立柱所需的刚性支撑作用,总体上使得机床的动态加工稳定性得到了提高。d.对于加工精度难以保证的部位添加调整垫片,采用调节的方式确保满足各向精度的要求,使得各个方向的运动轻快、便捷9。图(a)改进前横梁导轨布局图(b)改进后横梁导轨布局图2.3横梁导轨布局图定梁式数控雕刻机机械结构设计9初步设计数控雕刻机的机械结构布局如图2.4。图2.4数控雕刻机机械结构示意图由于此次设计的数控雕刻机机床的刚性大部分是为了克服机床移动系统在高速移动的情况下对非移动系统产生强大的冲击力,因此该机床的滚珠丝杠副和导轨系统在设计选型时要尽量考虑加粗,这样,机床的刚性将有利于加强。正因为采用了以上一系列措施,本次设计的数控雕刻机机床的最大优点是可以对比较细小、轻便的零件进行加工,而且加工精度较高,对软金属可进行高速切削加工。2.4工作台的结构设计综合考虑到机床的总体美观及安全性能等各个方面的因素,机床的滚珠丝杠和导轨系统不可以裸露在外面,因此需要在机床工作台的下方布置一个防护罩。所以机床的工作台将不能与滚珠丝杠的滑块和导轨底座直接连接,之间需有一块X向的滑板作为引导,来固定机床工作台。机床工作台与X向滑板之间加防护罩,固定在机床底座上。其装配关系如下图2.5所示无锡太湖学院学士学位论文图2.5工作台布局图为了减轻数控雕刻机机床移动部件的质量,机床工作台的材质选用铝合金,轻便牢固,易于加工,而且铝的材料特性较好,不易生锈,提高了机床使用的可靠性。2.5本章小结本章主要讲述了本次设计的雕刻机总体机械结构的布局,包括介绍了影响机床机械结构布局的一些因素,并分析了它们的区别,优缺点。对机床横梁导轨的布局进行了改进,由一般的平面式布局改为空间式布局,提高了机床的稳定性和加工精度。根据实际情况,还对机床工作台移动的实现方式进行改进优化,确立了工作台的结构布局方式。定梁式数控雕刻机机械结构设计113主传动系统的方案设计3.1主运动传动系统设计数控雕刻机的主传动系统是实现主雕刻运动的系统,其特点是主轴的转速较高,传递的功率较大,因此是数控机床中的一种重要部分。由于数控雕刻机床主轴的转速较高,对于传统的主轴电机皮带传动齿轮变速传动的方式已经不再适合,因此,目前采用电主轴来完成主传动的方式已经广泛运用于大多机床的主轴系统。电主轴是一种新型技术,是为高速数控机床主轴系统的高速转动而专门研发出来的一种新型产物。将代替传统的主轴传动方式,。当前其在高速雕削机床领域得到了广泛的应用。它的结构紧凑,惯量小,重量轻、精度高、能耗小,提高了机床启动、停止的系统响应特性,还有控制振动及噪音等优点。因为本次所设计的数控雕刻机机床的整体结构比较小,加上高速电主轴价格昂贵,所以主传动方式采直流电机直联带动主轴机构,这种方式结构简单,价格低廉,运动可靠。这种方式所采用的直流电机所具有的特点如下(1)特性保持线性关系无论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。即在整个调节范围内,转速随转矩的变化关系或是转速随控制电压的变化关系都是线性的。(2)调速范围宽其转子转速可在宽广的范围内连续调节并稳定运行。(3)反应速度迅捷由于输入控制信号的作用,电机转子可以快速地反应并相应地动作,其时间常数比较小。因此本次设计采用直流电机直联带动主轴机构的方案。直流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。主轴转速是通过用变频器来改变电动机的电源频率,从而控制主轴的转速来实现的,确保主轴的转速范围控制在1500到24000r/min之内,从而实现了无级转速。变频器是通过电脑所给的信息,发出一种脉冲,再通过脉冲来控制转速,实现了1500至24000r/min之内的不同转速。变频器是一种电气设备,主要用来改变交流电的电频率。另外,其还具备改变交流电压的辅助功能。一般,变频器主要由逆变器、整流器还有直流部分等3个部分所组成。其中,输入的交流电转换为直流电是通过整流器来实现,直流电再转换成所需频率的交流电是由逆变器来实现。其中,变压器的作用是改变电压而且可以隔离输入/输出的电路,补偿变频器内部线路上的能量损失由电池来实现。不同种类的变频器可以处理的电源功率是不同的,大概范围在几瓦到几兆瓦。此类变频器的工作原理如式(3.1)所示601/nfsp3.1式(3.1)中异步电动机的转速为n,异步电动机的频率为f,电动机转差率为s,电动机极对数为p。通过公式(3.1)可知,转速n与频率f是正比关系。因此,改变电动机转速可以通过改变频率f来实现,当频率f在0~50Hz的范围内变动时,电动机转速的调无锡太湖学院学士学位论文节范围比较大。变频器的速度调节就是通过改变电动机电源频率来实现的,它是一种理想的、高效率、高性能的调速手段。虽然在本次设计的数控雕刻机机床中,机床的主轴传动系统采用的是电机直联主轴传动方式,但就电主轴来讲,无论从其功能还是其在未来的发展趋势都有着很大的优势和潜力。因此保留电主轴作为预备方案。由于对高速电主轴这类新型事物还未深入研究,在此对其作一些简单的介绍。3.2电主轴3.2.1电主轴的介绍目前,高速电主轴是高速切削机床的关键核心部件之一,其结构是将机床的主轴与变频电机轴做为一体,合二为一,也就是把变频主轴电机的转子和定子直接装在主轴部件结构的内部,因此也把它称做内装式电主轴,它们之间将不需使用齿轮或皮带作为传动副,其结构也就实现了机床主轴部件系统的零传动。这种结构的优点是重量轻、结构紧凑、动态特性好、惯性小、稳定性好。它还有利于机床动平衡的改善,避免了加工过程中的振动及噪音。所以,它被广泛应用于超高速机床领域。对于在不同机床中的适用程度,电主轴又可分为好多类,如钻铣主轴、雕刻机主轴、加工中心主轴、磨床加工电主轴等等。目前,伴随着高速加工制造技术的迅猛发展和普遍运用,多种工业制造部门,尤其在航空航天、汽车摩托配、电子电路板加工、广告招牌及模具加工等行业,对于高精度、高速度的数控机床的需求量正日益增加。因此,对于研发出性能更加优越的高速电主轴迫在眉睫10。3.2.2电主轴的结构及其优点电主轴的结构是采用变频电机和机床的主轴合为一体,即具备有冷却套的定子装配在主轴结构的腔体内部再与机床直接连接,成为一体,是一种集成式的电机主轴。通俗来讲,电动机的转子也就是机床的主轴部件,机床的主轴部件的腔体就是电机的机座。这种结构使得变频电机和机床的主轴的连接形成零传动方式,就是直接相连,没有任何传导媒介,大大提高了传动效率。这对于数控机床传动系统来讲是一项的重大突破的改革。相对于传统机床采用的皮带式或齿轮传动式的主轴系统相比,它克服了它们在主轴高速转动下发生打滑、噪音大和振动、传动惯量大、稳定性差等缺点。这种结构的出现实现了主轴高速化的转速,能够强有力地改善提高了主轴的高速综合性能。其结构如图3.1所示。
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