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定梁式数控雕刻机机械结构设计【14张图纸】【优秀】

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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；

摘要III

ABSTRACTIV

目录V

1 绪论1

1.1 数控雕刻技术的产生1

1.2 本课题研究的内容及意义1

1.3 国内外研究状况及其发展趋势1

1.4 雕刻机机械系统设计的主要技术指标4

2 雕刻机总体布局方案设计5

2.1 数控雕刻机布局要求及影响因素5

2.2 数控雕刻机总体结构布局6

2.3 数控雕刻机结构的改良对比7

2.4 工作台的结构设计9

2.5 本章小结10

3 主传动系统的方案设计11

3.1 主运动传动系统设计11

3.2 电主轴12

3.2.1 电主轴的介绍12

3.2.2 电主轴的结构及其优点12

3.2.3 电主轴的安装14

3.3 本章小结14

4 机床进给系统方案设计15

4.1 进给传动系统选择15

4.1.1 进给传动系统的要求15

4.1.2 进给传动系统的基本形式15

4.1.3 以上几种传动方案的简介和比较15

4.2 滚珠丝杠系统17

4.2.1 滚珠丝杠副的选择17

4.2.2 滚珠丝杠支承结构17

4.2.3 支承轴承的选择19

4.2.4 滚珠丝杠副的制动装置19

4.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构19

4.3 滚动导轨的安装定位20

4.4 本章小结20

5 主传动及X向进给系统部分零件计算和校核21

5.1 主传动零部件计算及校核21

5.1.1 主轴参数设计21

5.1.2 主轴系统铣削力的计算21

5.1.3 滚珠丝杠副参数的计算选择22

5.1.4 滚珠丝杠副的强度校核25

5.1.5 伺服电机参数计算和型号选择26

5.2 X向进给系统零部件计算及校核28

5.2.1 X向丝杠的选型及校核28

5.2.2 丝杠轴承的选择及计算29

5.3 本章小结30

6 展望和结论31

致谢32

参考文献33

附录34

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。

QQ截图20131116180253.gif

定梁式数控雕刻机机械结构设计.gif

内容简介：: 无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题： 1、题目定梁式数控雕刻机机械结构设计 2、专题二、课题来源及选题依据数控雕刻机是一种具备雕刻功能的数控机床，被广泛地应用于模具工业、零件精密加工等行业。随着模具工业和工艺美术品制造业的快速发展，国内外市场对数控雕刻机的需求不断扩大，特别是高端的数控铣雕中心，需求更为旺盛。本课题拟通过对数控机机械结构的设计，帮助学生加深对本专业的相关知识理解和提高综合运用专业知识能力。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：了解数控雕刻机的工作原理，国内外的研究发展现状；完成数控雕刻机机械结构的总体方案设计；完成零部件的选型计算、结构强度校核；熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸折合A0不少于3张；完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料1篇；四、接受任务学生：机械94 班姓名范俊五、开始及完成日期：自2012年11月12日至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教研室主任学科组组长研究所所长签名系主任签名2012年11月12日无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：定梁式数控雕刻机机械结构设计信机系机械工程及自动化专业学号： 0923164 学生姓名：范俊指导教师：黄敏（职称：副教授）（职称：）2012年11月25日课题来源自拟。科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）（1）课题科学意义数控雕刻机是一种具备雕刻加工功能的数控机床。大都认为雕刻机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机的数控铣床。雕刻机的优势在雕刻，对零件表面的精细加工，是一种高效、高精度的数控机床。随着模具工业和工艺美术品制造业的快速发展，国内外市场对数控雕刻机的需求不断扩大，特别是高端的数控雕铣中心，需求更为旺盛。在制鞋工业、运动器材工业、汽车轮胎制造业等工业领域有广泛的应用，特别是模具制造业必不可少的机床装备。（2）数控雕刻机的研究状况及其发展前景数控雕刻机以自身所具有的技术优势，加上合理的价格，已成为我国消费类电子零配件制造、小型精密模具制造、PCB电路板、五金制品、家具制造等行业重要的机床工具。另外，在LED铝基板、工艺礼品、金属电极、金属眼镜框加工等领域，也开始使用数控雕刻机。随着数控雕刻机应用领域的不断拓展，其市场规模也不断扩大。据罗百辉调查，20022006年，数控雕刻机小批量应用于模具加工、家具制造行业，处于市场导入期。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20072010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军突起，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。研究内容了解数控雕刻机的工作原理，国内外的研究发展现状；完成数控雕刻机机械总体方案设计；完成零部件的选型计算、结构强度校核；熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸，折合A0不少于3张；完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料1篇。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析到数控雕刻机加工工厂参观，增强对雕刻机系统和结构的认识，构思机床外部结构。去学校图书馆或上网查找有关数控雕刻机改造的书籍，再对其系统内部零件进行设计：机床主传动系统的设计，机床进给系统的设计，机床主要零部件的设计计算。查阅有关雕刻机的资料，对其主要零件进行校核。撰写设计书名书，完成雕刻机下体机装配图及各主要零件图的绘制。研究计划及预期成果研究计划：2012年11月17日-2013年1月13日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书，学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。2013年1月15日-2013年3月5日：拟好论文框架，写好第一章绪论，并构思所需要的图纸。2013年3月8日-2013年3月12日：按照要求修改毕业设计开题报告。2013年3月14日-2013年4月11日：完成雕刻机机械结构设计，完成机床主传动系统、进给系统的设计选择及机床主要零部件的设计计算，完成所需图纸。2013年4月12日-2013年4月25日：完成有关零部件的选型及校核计算，并校验图纸。2013年4月26日-2013年5月20日：毕业论文撰写和修改工作。预期成果：数控雕刻机机械结构总体装配图及主要零部件图，完成设计说明书的撰写。特色或创新之处机床底座采用铸造结构，确保了整体的稳定性。机床的三轴运动形式采用刀具Y/Z轴进给运动，工作台作X轴进给运动的定梁式结构，增强了加工的稳定性，保证了加工精度。机床横梁导轨的布局采用垂直向的空间式结构，确保了加工的平稳和精度。已具备的条件和尚需解决的问题现已查阅到数控雕刻机改造的相关资料。需要查阅课本和相关资料，相互比较，以选取最佳方案。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室（学科组、研究所）意见教研室主任签名：年月日系意见主管领导签名：年月日编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：定梁式数控雕刻机机械结构设计信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：副教授）（职称：）2013年5月25日I无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）定梁式数控雕刻机机械结构设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班级：机械94 学号： 0923164 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日摘要当今世界，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；AbstractIn todays world, modern industrial technology are rapidly developing with each passing day. In the field of machinery manufacturing, people are increasingly high requirements for the quality, accuracy and efficiency of the machine parts. Therefore, for a machine with a new generation of machined parts is also increasing. In this trend, driven by CNC machine tools transform the structure optimization design becomes very significant. A large number of CNC machine tools just mushroomed into the machinery manufacturing industry. Such as CNC engraving machine plays an important role in the field of mold, PCB circuit board, and advertising signs.In this paper, surveys and studies have been done of the fixed beam CNC engraving machine CNC machine tools development at home and abroad as well as its outlook for manufacturing in the future, and the structure of the CNC machine to do the research and design optimization, the overall layout design machine main drive system design (the electric spindle or motor directly connected to the transmission structure), machine tool feed motion systems (rail and ball screw) structural design, the ball screw calculation of selection and check the bearing and motor the calculation and selection, and finally the use of CAD drawing software to draw the general assembly drawing of the machine, some parts diagram and structure diagram.Key words: CNC engraving and milling machine；spindle；rail；ball screw目录摘要IIIABSTRACTIV目录V1 绪论1 1.1 数控雕刻技术的产生1 1.2 本课题研究的内容及意义1 1.3 国内外研究状况及其发展趋势1 1.4 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5 2.1 数控雕刻机布局要求及影响因素5 2.2 数控雕刻机总体结构布局6 2.3 数控雕刻机结构的改良对比7 2.4 工作台的结构设计9 2.5 本章小结103 主传动系统的方案设计11 3.1 主运动传动系统设计11 3.2 电主轴12 3.2.1 电主轴的介绍12 3.2.2 电主轴的结构及其优点12 3.2.3 电主轴的安装14 3.3 本章小结144 机床进给系统方案设计15 4.1 进给传动系统选择15 4.1.1 进给传动系统的要求15 4.1.2 进给传动系统的基本形式15 4.1.3 以上几种传动方案的简介和比较15 4.2 滚珠丝杠系统17 4.2.1 滚珠丝杠副的选择17 4.2.2 滚珠丝杠支承结构17 4.2.3 支承轴承的选择19 4.2.4 滚珠丝杠副的制动装置19 4.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构19 4.3 滚动导轨的安装定位20 4.4 本章小结205 主传动及X向进给系统部分零件计算和校核21 5.1 主传动零部件计算及校核21 5.1.1 主轴参数设计21 5.1.2 主轴系统铣削力的计算21 5.1.3 滚珠丝杠副参数的计算选择22 5.1.4 滚珠丝杠副的强度校核25 5.1.5 伺服电机参数计算和型号选择26 5.2 X向进给系统零部件计算及校核28 5.2.1 X向丝杠的选型及校核28 5.2.2 丝杠轴承的选择及计算29 5.3 本章小结306 展望和结论31致谢32参考文献33附录3433 定梁式数控雕刻机机械结构设计1 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，20022006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20072010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，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4-6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4-6。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1-1：表1-1 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6.0mm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4005006002 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：(1)X、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。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：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：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。3 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： (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050Hz的范围内变动时，电动机转速的调节范围比较大。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。图3.1 电主轴结构装配示意图传统机床的主轴系统是由电机在中间媒介产生变速和传动装置，比如齿轮、皮带、联轴器等的驱动下使得主轴旋转进行工作。这样的主轴联结形式被称作直联式和分离式主轴，也可都称其为机械主轴。与机械主轴相比较，电主轴具备以下优点。（1）主轴是通过内装式电机联结直接驱动的，除去了齿轮、皮带、联轴器等中间媒介的变速及传动装置，这种结构的特点是：结构紧凑简单、噪声低、效率高、产生振动低和加工精度高等等。（2）通过采用交流变频的技术，电主轴能够在额定的转速范围之间发生无级变速，从而适应了机床在工作时的各种不同工作情况以及负载发生变化的需求。（3）通过利用内装式电机的伺服控制系统、闭环矢量控制系统技术，既保证了机床在进行低速粗切削加工时产生大的转矩、在高速精加工时对大功率的需求，又能够实现机器停车时各向的准确定位(也就是所谓的准停)以及C轴传动的功能，同时还适应了需要具备C轴功能以及准停的数控机床、加工中心以及其它一些数控机床的需求。（4）电主轴与其它结构形式的主轴系统相比，其更有利于实现响应快、转动高速化的需求，而且电主轴的动态精度以及稳定性更加优秀。在数控机床加工中进行高速度的切削以及对零件的精密加工，电主轴能够满足此类要求，而传统的机械主轴则存在欠缺。（5）由于电机主轴采用直联一体式，不存在中间传动的环节，因此电主轴工作时将运行地更为平稳，几乎没有外来的冲击现象，由于主轴轴承所能够承受的动、负载荷比较小，所以这种结构也延长了它的精度寿命。（6）由于采用了电机和主轴一体化布局结构，从而制造商们可以对电主轴进行规模化、系列化以及专业化的生产，由此电主轴就以商品的形式投人到市场中，作为一类专业化的数控机床零部件，方便于主机挑选使用，最终带动促进了机床的模块化生产和其它相关技术的发展与运用。电主轴在工作中转速极高，为了能够让高速运行的电主轴快速地散去热量，一般在电主轴的外壁加以不断循环冷却液。通常机床的电主轴都采用水冷却，其冷却装置布置在机床床身的后部。就而言，电主轴的润滑方式通常有脂润滑与油气润滑两类，用户可以按其需求任选其一。一般来讲，如果采用脂润滑的方式，那么其相应运转的速度就油气润滑相比要低11。3.2.3 电主轴的安装电主轴在机床上的安装如图3.2所示。电主轴的外圆部分与外部的支座结构采用内孔式配合定位，电主轴的主轴支座8被固定在机床Z轴数控工作台滑块上，电主轴在支座上的锁紧是通过手动式弹簧胀套夹紧机构来实现的。安装时旋紧螺母从而使得螺栓1朝上移动，此过程中压盖7被带动着和1一起向上移动，夹紧力之所以能被均匀地传递到压环6上是通过两个过渡压块5与螺栓1垂直布局的结构来实现的，再通过压环6上的4个压块2（与过渡压块成45度布局），这样夹紧力就能够均匀地传递到弹簧涨套4上面，此时弹簧涨套外壁向外部弯曲变形，从而将外围与支座基体顶紧，同时弹簧涨套内壁向里收缩变形，从而把主轴紧紧抱住。此种装配的夹紧机构的对中性好，夹紧刚度强，便于操纵，夹紧有效可靠。图3.2 电主轴安装示意图 3.3 本章小结本章主要叙述了机床主轴传动系统的结构，采用了电机与主轴直联的方式实现传动切削，包括其传动优点和直流电机的特性。而且简单介绍了高新技术电主轴，包括其优点、结构布局、安装形式等。4 机床进给系统方案设计4.1 进给传动系统选择4.1.1 进给传动系统的要求一般来讲，机床的进给传动系统的灵敏度、精度、稳定性是数控机床的轮廓加工精度以及定位精度的直接影响因素。如果就控制系统的角度来进行分析，其中能够起到决定性作用的主要因素有：（1）机床传动系统的传动惯量和刚度，它们将直接影响到机床进给系统的灵敏度以及稳定性。（2）机床传动系统的非线性以及传动部件精度，它们将直接影响机床进给系统的加工轮廓精度和位置定位精度。通常机床传动系统的惯性以及刚度主要由机械结构设计来决定。然而，造成传动系统非线性的主要原因是传动系统的摩擦死区、传动间隙。所以，就数控机床而言，其对机械传动系统的基本要求可以总结如下： 1）尽量降低传动部件的惯量； 2）尽量提高传动部件的刚度； 3）尽量将传动部件的间隙减小； 4) 尽量减少传动系统的摩擦阻力。4.1.2 进给传动系统的基本形式数控机床的进给运动一般可以分为直线运动以及圆周运动这两大类。直线进给运动又包括了机床的基本坐标X/Y/Z轴以及与基本坐标轴相互平行的坐标轴U/V/W轴的直线运动；而圆周进给运动指的是环绕基本坐标轴X、Y、Z回转的坐标轴的运动。本次设计的进给机构系统采取的是直线进给运动。在数控机床上，能够实现直线进给运动的主要有以下三种形式：（1）通过丝杠（一般为静压丝杠或滚珠丝杠）螺母副，把电动机的旋转运动转变成直线运动。（2）通过齿轮、齿条副的过渡，将电动机的旋转运动转变成直线进给运动。（3）采用直线电动机直接进行进给驱动。4.1.3 以上几种传动方案的简介和比较（1）滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副拥有如下的特点：1）系统传动过程中的效率高，摩擦损失较小；2）在丝杠螺母之间加以预紧后，能够有效地消除间隙，大大提高了进给系统的传动刚度；3）系统传动过程中的摩擦阻力较小，而且几乎和进给系统的运动速度无关，动和静摩擦力的变化也较小，较难出现低速爬行情况；4）系统长期工作不会产生较大的磨损，其使用寿命较长，保持精度特性良好。因此，这种结构在数控机床上运用相当广泛，是当前中、小型数控机床中最为普遍的传动形式。但是因为它存在运动的可逆性，即一方面它能将旋转运动转变成直线运动，相应的反过来它也可以把直线运动转变成旋转运动，它不能够实现自锁。因此当它用于水平放置或者垂直传动的高速度、大惯量的传动中一定要配有制动装置。其中，采用具有制动装置的伺服电动机来进行驱动是最简单有效的解决方法。另外，在安装和使用中为了防止螺母会脱离丝杠滚道，一般在机床上还要安装超程保护装置。就高速加工数控机床而言，这点至关重要。（2）静压丝杠螺母副静压丝杠螺母副的工作原理：在丝杠和螺母接触面之间，通过油压产生一层保持一定厚度，以及拥有一定刚度的压力油膜，从而使得丝杠和螺母之间的摩擦由原来的边界摩擦转变为液体摩擦，大大降低了摩擦阻力。丝杠转动时，通过油膜的推动螺母将作直线运动，反之，螺母转动时，可使丝杠作直线移动。静压丝杠螺母的特点是：1）摩擦系数很小，仅为0.0005，比滚珠丝杠的摩擦损失更小，因此，其起动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。2）油膜可以吸振，提高了运动的平稳性。3）由于油液的不断流动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的加工精度和光洁度。4）油膜层具有一定刚度，减少了反向间隙。5）油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化”作用，即可以使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差。6）承载能力与供油压力成正比，与转速无关。但静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对油的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。（3）齿轮齿条副大型数控机床不宜采用丝杠传动，因长丝杠制造困难，且容易弯曲下垂，影响传动精度；同时轴向刚度与扭转刚度也难提高。如果加大丝杠直径，则转动惯量增大，伺服系统的动态特性不易保证，故常用齿轮齿条副。齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床上，可以得到较大的传动比，进行高速直线运动，刚度及机械效率也高。但其传动不够平稳，传动精度不高，而且还不能自锁。采用齿轮齿条副传动时，必须采取措施消除齿侧间隙，当传动负载小时，也可采用双片薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙。当传动负载大时，可采用双厚齿轮传动结构。（4）直线电动机驱动采用直线电动机驱动与旋转电动机驱动相比，它具有以下优点：1）采用直线电动机驱动，不需要丝杠、齿轮齿条等转换装置即能直接实现直线运动，因此，它大大简化了进给系统结构，提高了传动效率。2）旋转电动机本身机械结构由于受到离心力的作用，其旋转速度受到限制；滚珠丝杠又受转速特征值的约束，转速不能太高。对于高速加工机床来说，虽然可以通过加大螺距提高进给速度，但是难以提高加速度。采用直线电动机驱动时，则可以不受此限制。3）旋转电动机必须通过丝杠、齿条等转换机构转换成直线运动，传动环节对精度、刚度、快速性和稳定性的影响无法避免；并且，这些转换机构在运动中必然会带来噪声。直线电动机从根本上消除传动环节，故进给系统的精度高、刚度、快速性和稳定性好，噪声很小或无噪声。直线电动机的不足之处，主要表现在以下几个方面：（1）与同容量旋转电动机相比，直线电动机的效率和功率因数要低，特别在低速时更明显。（2）直线电动机，特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故对驱动器的要求较高，应采用措施保证或改变电动机的有关特性来减少或消除这种影响。（3）在金属加工机床上，由于电动机直接和导轨、工作台做成一体，必须采取措施以防止磁力和热变形对加工的影响。综上所述，本次数控雕刻机进给系统X/Y/Z三向均采用滚珠丝杠副作为传动系统，机床X/Y轴均采用高精度直线导轨。Z轴采用圆柱导轨12。4.2 滚珠丝杠系统4.2.1 滚珠丝杠副的选择选定进给传动用滚珠丝杠副时，主要考虑的内容是：与机床定位精度要求相适应的丝杠精度、丝杠的刚性与转动惯量。在开环和半闭环数控机床中，滚珠丝杠的精度将直接影响机床的定位精度和随动精度。为了获得高精度、高刚度的进给系统，应选用精度高的滚珠丝杠传动副。但是，随着丝杠精度的提高，其价格也将大大上升。因此，在满足机床精度要求的前提下，选择相应精度的丝杠是设计者的一项重要工作。本机床所选3个方向滚珠丝杠副的精度等级均为3级。3级精度的丝杠经采用一些如消隙、螺距误差补偿等措施，完全能满足机床的定位精度要求。本设计中工作台的丝杆选用的是滚珠丝杆副。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大、刚度就好。要想使进给驱动系统有足够的刚性，就要选用直径粗大的丝杠。但是，随着直径的增大，其转动惯量也大大增大。因此一般是在兼顾二者的情况下，选取最佳直径。本机床经设计计算后选定X、Z轴的公称直径为20mm。Y轴滚珠丝杠的公称直径为32mm。4.2.2 滚珠丝杠支承结构一般来说，加强滚珠丝杠螺母本身的刚度可以提高数控机床的进给系统的传动刚度。此外，要想提高进给系统的传动刚度，滚珠丝杠的支承的结构刚度和它正确的安装方式也是重要的因素。丝杠螺母座和丝杠支承座都应该有可靠的刚度和精度。提高丝杠螺母座的局部刚度和接触强度一般可以通过适当加大其与机床结合部件的有关接触面积来实现。目前，一般在工艺条件允许时，新设计的机床通常都把丝杠螺母座或者丝杠支承座和机床本体做为一体式结构，从而增大了刚度。为了提高支承的轴向刚度，应选择适当的滚动轴承。目前，就轴承的安装方式而言，国内主要采用两种组合方式：其一是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，它的结构虽然简单，但它的轴向刚度不够。其二是把推力轴承或者向心推力轴承和向心轴承组合使用，它的轴向刚度有所提高，但是轴承的摩擦阻力和发热增大了而且还增加了轴承支架的结构尺寸。由此，近年来国内外的轴承生产厂家已生产出一种滚珠丝杠专用的轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊向心推力球轴承，和一般的向心推力球轴承相比而言，它的接触角增大到了60，从而增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。与一般轴承相比，这种新型结构的轴承的轴向刚度提高了两倍以上。而且它的产品成对出售，使用极为方便，而且在它出厂时，内外环的厚度都已经选配好，装配时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就可以得到出厂时已经调整好的预紧力。滚珠丝杠副支承方式通常有以下几种：（1）双推一自由方式即丝杠一端固定，另一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式用于行程小的短丝杠。（2）双推一支承方式即丝杠一端固定，另一端支承。固定端轴承同时承受轴向力和径向力；支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少丝杠因自重而出现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。（3）双推一双推方式即丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。（4）采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式即螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动。由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。此种方式可以对丝杠施加较大的预拉力，提高丝杠支承刚度，补偿丝杠的热变形本次数控雕刻机床X、Y向丝杠均采用一端固定，另一端简支承的方式。Z向采用一端固定，另一端自由的方式。数控雕刻机X、Y向的滚珠丝杠副的支承结构见图4.1所示。1.左简支承2.滚珠丝杠3.角接触球轴承4.单项膜片弹性联轴器5.右支承6.步进电机图4.1 X、Y向的滚珠丝杠副的支承结构4.2.3 支承轴承的选择一般来说，在机床运动系统的设计过程中，要想得到高刚度、高精度的进给传动系统，选用高刚度、高精度的滚珠丝杠副以及十分重视滚珠丝杠副的支承的设计至关重要。由于轴向载荷是滚珠丝杠的主要载荷，径向载荷通常是卧式丝杠自身重量。所以，对于滚珠丝杠的轴向刚度以及精度的要求比较高。由于要求数控雕刻机拥有运动灵活的进给系统，对于微小位移(丝杠微小转角)的响应要灵敏，所以要选用摩擦力矩小、轴向刚度强、运转精度高的滚动轴承。当前，推力角接触球轴承是各大类轴承中间用得最多最广的一种。数控机床在选用此类角接触球轴承时，一般都要把2个以上的轴承配对组合起来，再加以预紧力才能使用。其组合的形式有三类：面对面组配(即DF方式)、背靠背组配(即DB方式)、串联组配(即DT方式)。当在数控机床上选取这类轴承时，为了便于对轴承和滚珠螺母之间不同轴度的吸收，一般都选取DF组配的方式。4.2.4 滚珠丝杠副的制动装置因为滚珠丝杠副的逆传动效率比较高,而它的逆向传动又不可以自锁, 所以当滚珠丝杠处于垂直安置状态时必须另外配有制动装置，这样就可以防止伺服电机停止了转动, 运动部件由于自身重量而产生了逆向传动, 也能够防止由于偶然因素而造成的事故。步进电机经弹性联轴器带动丝杠, 实现工作台的移动。防止工作台及其主轴组件由于自重而产生逆传动的关键部件是单向逆止轴承和摩擦阻尼装置(由联结套、摩擦环、碟簧、调整螺母等组成)。单向逆止轴承仅允许一方向旋转, 而另一方向止动。单向逆止轴承的内环与丝杠上端固定联结, 其外环通过键与联结套装配在一起。当机床工作台上升时, 单向逆止轴承像普通轴承一样, 没有逆止的作用, 伺服电机带动滚珠丝杠转动并用螺母带动工作台向上运动。当伺服电机停止转动时(电机带制动)，机床工作台由于自重将要向下滑懂动, 螺母有推动丝杠转动的逆向传动, 这时,单向逆止轴承的内环和滚珠将带动轴承的外环反向转动。因为单向逆止轴承的外环是通过键与摩擦阻尼装置相互连结在一起的，轴承的外环被摩擦阻尼装置所产生的摩擦扭矩刹住, 从而防止了逆向传动。通过调整螺母可以调整阻止逆向传动的摩擦扭矩的大小。这种结构的优点是结构简单，作用可靠，运动稳定。这种结构的缺点是在工作台垂直向下传动时, 传动力必须先克服这个额外加上去的摩擦扭矩，增加了一定的能耗13。4.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构在数控机床的进给系统中，要保证步进电机和滚珠丝杠的联结传动结构没有间隙，这样才可以准确地执行脉冲的指令，使得脉冲不会丢掉，从而避免造成的“失步”，最终使得机床的传动精度与加工精度不会被影响。在雕刻机床中，X、Y轴采用直联式，即通过非金属弹性元件联轴器（属于带弹性元件扰性联轴器）把步进电机和滚珠丝杠联结起来。带弹性元件扰性联轴器除了拥有补偿的功能外，还具备减震和缓冲的作用。而且，非金属弹性元件联轴器能够保证步进电机与丝杠的同轴度，即如果步进电机和丝杠在安装过程中的同轴度并不很精确时，通过非金属弹性元件连轴器也可以得到来调节。非金属弹性元件联轴器制造方便，方便得到各种结构形状。更重要的是，它具有较高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可以提高机床的抗震性。弹性联轴器的装卸也非常方便。4.3 滚动导轨的安装定位通常导轨的安装应满足如下要求：刚度好、承载能力大、精度高、摩擦阻力小、精度保持性好、运动平稳、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低等。由于数控雕刻机床要求具有良好的灵活性来满足机床的高速雕刻的要求，本机床X、Y、轴方向上均采用GGB型（四方向等载荷型）高精度直线导轨。直线滚动导轨通常是两条组合配套成对使用，它可以水平式安装，也可以垂直或倾斜式安装。为了确保两条导轨能够平行，通常把其中一条导轨作为基准导轨。它的安装形式又分为单导轨定位以及双导轨定位两种，数控雕铣机床X、Y轴方向上均采用双导轨定位。Z轴方向采用圆柱式导轨定位。例如，其中X向导轨布局方式如下图4.2所示：图4.2 滚动导轨的安装示意图如上图4.2所示的双导轨定位方式, 可以有效抵消在高速加工工件时的所产生的强烈振动和冲击, 而且这种安装方式简单，调整快捷简便。4.4 本章小结本章主要阐述了机床的进给系统的布局方式。包括进给系统的各种结构及其比较和所采取的布局方式，滚珠丝杠副的选择、安装布局的比较及所采用的安装方式，导轨的安装布局。5 主传动及X向进给系统部分零件计算和校核5.1 主传动零部件计算及校核5.1.1 主轴参数设计（1）主轴上、下轴颈的设计查金属切削机床手册下册表4-28可得：取上轴颈则下轴颈（2）主轴内孔直径d因为式（5.1）所以有（3）主轴系统前端悬伸量a 取值1.1 （5.2）所以有（4）主轴跨距由公式取 ,所以综合变量值为：（5.3）（5）最佳跨距选定查金属切削机床手册表4-31，找得的横坐标向上的垂线与直线交点可得。所以有 5.1.2 主轴系统铣削力的计算数控雕铣机的加工方式属于立铣加工，其刀具材料的选用为硬质合金钢材料，它所加工的材料一般为钢材。数控雕铣机的加工方式和数控铣床加工方式相似，所以用计算铣床的铣削力公式来计算雕铣机的铣削力。数控雕铣机的主铣削力的计算如下：（5.4）上式（5.4）中：为切削系数，其值取；为修正系数，其值取；为铣削宽度，其值取；为每齿的进给量，其值取；为主轴铣刀的直径，其值取；为主轴铣刀齿数，其值取；为主轴铣削深度，其值取将上面的数据代入式（5.4）可以得到：已知为横向分力、为纵向分力、为垂直分力，它们与之间的比值关系分别如下：；；；通过计算可以得到、；主传动系统的铣削力计算参数值如下表5-1.表5-1 主传动系统的铣削力计算参数值名称数值（N）（主铣削力）125.4N（横向分力）106.6N（纵向分力）96.56N（垂直分力）47.65N5.1.3 滚珠丝杠副参数的计算选择（1）滚珠丝杠螺母副简介数控机床进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行可以通过降低摩擦和减少静、动摩擦系数之差来得到提高。因此，一般行程不是较长的直线运动机构系统通常采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副是目前中小型数控机床使用中最为广泛的传动形式之一。它的传动效率是普通滑动丝杠副的2-4倍，可高达85%-98%。由于滚珠丝杠副的摩擦角小于1，所以如果滚珠丝杠副将要驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），那么就必须要有制动装置。滚珠丝杠的动静摩擦系数实际上没有什么多大的差别。滚珠丝杠可以消除反向间隙并施加预紧，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造，可以外购。（2）滚珠丝杠螺母副的工作原理在丝杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当它们套装在一起时便成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回珠滚道，将数圈螺旋滚道的两端连接成封闭的循环滚道，滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭滚道内循环，使丝杠和螺母产生相对轴向运动。当丝杠（或螺母）固定时，螺母（或丝杠）即可以产生相对直线运动，从而带动工作台作直线运动。（3）滚珠丝杠副导程的选定下式（5.5）为滚珠丝杠副导程的计算公式：（5.5）上式（5.5）中：代表滚珠丝杠副的导程，单位mm；代表工作平台移动速度的最大值，单位m/min；代表工作中的传动比；代表电动机转速的最大值，单位r/min；由于本次设计的数控雕铣机的滚珠丝杠副和伺服电机是通过联轴器直接相联结在一起的，其电机的力矩是直接传递的，所以它们的传动比的值为1。由表1的计技术参数值可以得到，。又因为伺服电机的功率P为200W,可查出将它们代入上式（5.5）可得：选择滚珠丝杆副的导程为4mm。（4）计算滚珠丝杆副的当量转矩及当量载荷若在工作中，各种转速的使用频率相同，且负载和转速的变化形成正比时，采用公式如下：计算当量转速的公式（5.6）（5.6）上式中: 代表当量转速，单位r/min; 代表滚珠丝杠副转速最大值；代表滚珠丝杠副转速的最小值，其值为0；由于数控雕铣机的滚珠丝杠副和伺服电机是通过联轴器直接相联结在一起的，其传动比值为1，滚珠丝杠副转速的最大值就是电机能够达到的最大转速。即：其当量载荷计算如下式（5.7）：（5.7）其中: 代表当机床承受最大负荷，其滚动丝杠副的转动力；代表当机床空载时，其滚珠丝杠副的传动力；又因为：将其代入式（5.7）得到：（5）预期额定动载荷的确定预期额定动载荷如下式（5.8）（5.8）上式中：代表预期额定动载荷；代表预期工作时间（h），其值取；代表精度系数，由初定精度等级P4,取0.9；代表可靠性系数，一般情况其值为；代表负荷系数，由负荷性质选取；将它们代入式（5.8）得到：拟采用的预紧滚珠丝杠副，按最大载荷计算：（5.9）上式代表预紧负荷系数，其值取。将其代入（5.9）得：选这两种值的最大值：取（6）滚珠丝杠副的预紧力的确定滚珠丝杠副预紧力的计算如式（5.10）：（5.10）因为所以（7）行程补偿值及与预拉伸力行程补偿值计算式如下式（5.11）：（5.11）上式中：代表行程补偿值，单位为um；代表温度变化值，一般为2到3，取值为2.5；代表滚珠丝杠副的有效行程，单位为mm；将其代入式（5.11）得到：预拉伸力计算如式（5.12）：（5.12）（8）滚珠丝杠副规格型号的选定由传动方式和使用情况，滚珠丝杠副选用法兰式双螺母内循环式。根据计算参数、等，选用为滚珠丝杠副型号。5.1.4 滚珠丝杠副的强度校核（1）滚珠丝杠系统刚度的计算丝杠螺纹长度计算如下式（5.13）（5.13）余程值取则滚珠丝杠抗压刚度最小值如下式（5.14）：（5.14）上式中：代表滚珠丝杠最小抗压刚度；代表滚珠丝杠的底径；代表固定支承跨；将其代入式（5.14）可得：设为固定支承和行程起始点之间的距离，取其值为。滚珠丝杠的抗压刚度最大值如式（5.15）：（5.15）（2）滚珠丝杠强度验算丝杠强度验算的公式如下式（5.16）: （5.16）查得将其代入上式（5.16）有：而所以有，强度满足。5.1.5 伺服电机参数计算和型号选择（1）电机轴负载惯量计算滚珠丝杠惯量计算如下式（5.17）（5.17）上式中代表滚珠丝杠的重量，其计算式如下式（5.18）（5.18）其中：代表滚珠丝杠长度，其值取140mm；代表滚珠丝杠直径，其值取将其代入式（5.18）得到：代入式（5.17）得到：负载惯量计算如式（5.19）：（5.19）上式中： M代表负载的质量，其值取14kg； P代表滚珠丝杠的导程，其值取。将其代入式（5.19）得到：换算为电机轴的负载惯量如式（5.20）：（5.20）上式中：代表减速比，由于没有减速机构，即其值为；代表中间惯量，由于未使用减速器，所以。将其代入式（5.20）得到：（2）电机负载转矩的计算外力转矩计算如下式（5.21）：（5.21）其中： M 为外作用力，取其值为；将其代入式（5.21）得到：将其换算为电动机的负载转矩如下式（5.22）：（5.22）其中：代表传动效率，电动机和滚珠丝杠的联结采用弹性联轴器过渡，取其值。即：（3）电动机旋转速度的计算所需电动机旋转速度的计算如下式（5.23）：（5.23）其中：代表电动机所需要的转速，单位为；代表主轴系统的进给速度；单位为，取；代表滚珠丝杠的导程，单位为，取；代表减速比，由于没有减速器，可取。将其代入式（5.23）得到：（4）电机的选定规定选用的电动机转子惯量要大于负载的1/30。即：选定电机为台达部分参数如下：规格：低惯量型功率；额定转速：；瞬时转矩：；额定转矩：；电动机惯量：5.2 X向进给系统零部件计算及校核5.2.1 X向丝杠的选型及校核（1）计算丝杠最大动载荷电机的选定滚珠丝杠的直径、滚珠的列数和圈数应按当量动载荷选择。丝杠的最大载为切削时的最大进给摩擦力。最大进给力设定F=480N.作为粗略的估计，最大切削力取为：最大背向力为：所以丝杠最大载荷计算如式（5.24）：（5.24）丝杠的最小载荷为摩擦力如式（5.25）：（5.25）丝杠平均载荷如式（5.26）：（5.26）设定最大进给时，滚珠丝杠的转速为380r/min；最小进给时，其值为1r/min，则丝杠平均转速

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