机械毕业设计（论文）-定梁式数控雕刻机机械结构设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 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 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 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： II 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机械工程及自动化机械工程及自动化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：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：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； II 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所学科组组长研究所所 长长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 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：关键词：数控雕刻机；电主轴；导轨；滚珠丝杠； IV Abstract In 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 V 目目 录录 摘 要 .III ABSTRACT IV 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 VI 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 定梁式数控雕刻机机械结构设计 1 1 绪论绪论 1.1 数控雕刻技术的产生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 无锡太湖学院学士学位论文 2 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。 定梁式数控雕刻机机械结构设计 3 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 无锡太湖学院学士学位论文 4 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 雕雕刻刻机机械系统设计的主要技术指标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+0.1mm X/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 5 2 雕雕刻刻机总体布局方案设计机总体布局方案设计 2.1 数控雕数控雕刻刻机布局要求及影响因素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 无锡太湖学院学士学位论文 6 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 数控雕数控雕刻刻机总体结构布局机总体结构布局 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。 定梁式数控雕刻机机械结构设计 7 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 数控雕数控雕刻刻机结构的改良对比机结构的改良对比 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。 无锡太湖学院学士学位论文 8 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 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 无锡太湖学院学士学位论文 10 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 11 3 主传动系统的方案设计主传动系统的方案设计 3.1 主运动传动系统设计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)60 (1)/nfsp 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 无锡太湖学院学士学位论文 12 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 电主轴电主轴 3.2.1 电主轴的介绍电主轴的介绍 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。 定梁式数控雕刻机机械结构设计 13 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 无锡太湖学院学士学位论文 14 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。 定梁式数控雕刻机机械结构设计 15 4 机床进给系统方案设计机床进给系统方案设计 4.1 进给传动系统选择进给传动系统选择 4.1.1 进给传动系统的要求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。 无锡太湖学院学士学位论文 16 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，