毕业论文范文——标牌三轴雕刻机设计

标牌三轴雕刻机设计 齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文） 摘要标牌三轴雕刻机是典型的机电一体化设备，可用于三维图形和文字处理，并已被广泛应用在旅游纪念品，标志，徽章，模具制作等行业，可加工的材料的范围也是很广，涉及金属材料和非金属材料，具有较广阔的市场前景。通过对国内外雕刻机的发展现状问题做了简要分析，得出国际上已经成熟但国内有待发展雕刻机技术的结论。 本课题在广泛调研的基础上完成了标牌三轴雕刻机机械系统的设计。机械系统设计包括总体布局、加工原理、主轴与主传动系统、进给系统以及整个雕刻机的结构设计。它严格按照参数（精度，精度，误差等），指标计算和检查，致力使设备精度高、外形美观、体积小、操作方便。在本次设计过程中对齿轮的计算和各零部件的设计与选材最为重要；并且重点运用了机械设计方面的知识，另外还运用了辅助绘图工具AutoCAD、solidworks等。本设计既是产品开发周期中的关键环节，有贯穿于产品开发过程的始终。设计决定了实现产品功能和目标的方案，结构和选材。制造方法以及产品运行，使用和维修方法。现代机械产品的要求比对传统机械产品高的多，因而只有将现代设计理论深入用到产品开发和改进过程中，方法和技术才能满足社会对现代机械产品越来越紧迫的要求，提高其市场竞争能力。关键词：雕刻机；机电一体化；高精度；体积小 Abstract The three axis engraving machine is a kind of typical electromechanical products, and can be used in 3d graphics and text processing, souvenirs, plates, badges, mould manufacturing industries has been widely used in the processing of material, can range is very wide also, metal material and nonmetal material, have wide prospect of market. This subject to domestic development situation of engraving machine makes a brief analysis of the international engraving machine has matured on the development of domestic needs but conclusion. This topic in widely based on the research of the finished the three axis engraving machine design. Mechanical system design including overall layout, processing principle, main shaft and main transmission system, feeding system and the carving machine structure design. Keep with high precision, high efficiency, machine tool, small size, simple operation etc. In this design process of the gear calculations and the design and selection of components is most important; and focus on the use of the mechanical design knowledge, in addition to the use of the auxiliary drawing tools AutoCAD, solidworks etc. The design of both the product development cycle the key, there are throughout the product development process has always been. Design decision to implement product features and objectives of programs, structure and material selection. Manufacturing method and product operation, use and maintenance methods. Modern mechanical product requirements not traditional mechanical products is much higher, and thus in the process of product development and improvement only comprehensive in-depth use of modern design theory, methods and techniques to meet the modern society increasingly demanding mechanical products, improve its market competitiveness.Keywords: engravers；mechatronics；high precision ；small size第1章 标牌三轴雕刻机的概述1.1雕刻机的起源 世界上第一台手动雕刻机于1938年在法国嘉宝问世，紧接着嘉宝生产出世界上第一台真正的可缩放比例手动雕刻机。之后美国日本和法国等国家也开始研发。20世纪90年代随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机快速发展，微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机加工完成了从2D到3D的变革，雕刻机的基本要求一般都为功能完善、性能稳定、价格合理，此外就是造型美观了。 1.2雕刻机及其发展现状 雕刻从加工原理上是钻铣组合加工，雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床。机电一体化产品当中，雕刻机是典型的一例，其技术是随着数控技术的发展而逐渐得到发展的。类似于通用的数控机床，雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作，实现雕刻加工的自动化。使用时在计算机上用相应软件进行设计，计算机将图像信息转化为代码发送至雕刻机控制器，再由控制器把这些代码转化成为驱动伺服电机或步进电机的信号(脉冲)，控制雕刻机完成三轴方向的走刀。加工时对应不同的材质在雕刻机高速旋转的雕刻头上安装不同的刀具，然后将加工材料固定在工作台上的进行切削，计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字即可被雕刻出，实现自动化雕刻作业。 雕刻机由主运动系统，进给系统，控制系统，辅助系统等组成。其中主运动系统主要由主轴系统组成，是加工的直接执行部分；进给系统包含电机，丝杠等零件，实现加工过程中刀具的进给；控制系统直接与计算机连接，读入所编程序即可按照预设轨迹加工；辅助系统实现照明等辅助功能的实现。与传统的仿形雕刻、手工雕刻，它具有生产效率高、成品率高、加工精度高、对零件的适应性强等显著优势；通过使用雕刻CAD/CAM专用软件系统，加工程序代码能够快速生成及修改。 目前，雕刻机的主要有激光雕刻机、机械雕刻机两种，机械雕刻机又分螺旋传动、齿条传动两种传动方式。机械雕刻机根据所加工物件如金属（模具、章等）、水晶、木材、有机玻璃、人造石等标牌或胸牌，建筑模型，展示、展览模型，陶瓷、模坯、玉石、工艺品、摆件、挂件工艺品等的不同又有不同的分类。 标牌三轴雕刻机便是其中一种专门加工铭牌的雕刻机。按照预定程序自动加工，不需要人工干预，消除了操作者人为产生的失误和误差。能精确计算出生产加工费用和加工的时间，有利于现代化生产与管理能够放便，有利于生产过程的科学管理和信息化管理。生产效率高、劳动强度低、劳动条件好，不需要进行繁杂的重复性手工操作，且一般在安全防护、自动冷却、自动润滑装置，操作者的劳动条件可得到很大改善。因此，雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效率手段，也是当今雕刻机的发展主流，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装演等众多领域。雕刻机作为一种典型的数控产品,它的适应性、灵活性好，能适应当前市场竞争中对产品更新换代的要求，解决多品种、单件小批量生产的自动化问题，在传媒制造、模具设计、建材雕刻等行业中有着广阔的市场前景。但雕刻机的价格均比较高为了提高其普及率，设计开发一个经济简练的机械运动系统是具有很重要的理论意义和实用价值的。 第二章 方案设计2.1总体设计雕刻机的坐标系统采用右手法则，直角笛卡儿坐标系统。基本坐标轴为X,Y,Z直角坐标。雕刻机工作台主要有两种：第一种是移动龙门式。工作台不动，龙门架及刀具移动，优点：结构较稳定，适合加工较重的工件，承载能力好。第二种是固定龙门式。龙门架不动，工作台及刀具移动。这种方式将龙门架与底座固定在一起，Y轴移动为固定工件的台面移动。由于工件随工作台移动，所以不能加工太重工件、而且雕刻机有一定尺寸，虽然制作容易然而稳定性较差。标牌的加工对机械部分结构要求小而轻便、加工物件质量是较轻。保证整个系统的机械钢性前提下，为简化设计结构、缩短产品的设计和制造时间，节约成本，本雕刻机主体采用固定龙门式设计。固定龙门、封闭式移动台面，可有效提高加工精度，并减少飞屑传动装置的影响。在结构中，机械主要部分是雕刻机骨架、底座、立柱、工作台、机头和主轴组件。采用的雕刻方式：雕刻刀具只做高速旋转和Z轴方向进刀、退刀运动，而Y轴带动工作台带动工件作Y轴方向进给运动，而X轴带动工作台作X轴方向进给运动，这两个方向的基本运动方式如下：由步进电机转动丝杠，带动刀具和工件的相对移动，从而实现X,Y,Z轴方向进给运动。在X,Y,Z方向上导向件为直线导轨。2.2主轴和主传动方案2.2.1主轴为简化传动链，雕刻主轴采用专用雕刻电机直接与刀具相连。2.2.2主传动方案 考虑到标牌类雕刻机加工材质较软但精度要求较高，主传动系统采用螺旋传动。螺旋传动是靠螺旋与螺纹牙面旋合实现回转运动与直线运动转换的机械传动。它可以将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。它的优点是准确、平稳、结构紧凑、转动均匀等。（1）按螺母与螺杆的运动方式，通常将螺旋传动分为四种运动方式： 螺杆转动并作往复移动，螺母固定不动，如图(a)，此结构的主要支承为固定螺母，它的特点是结构简单，但占据较大的空间。常用于螺旋千斤顶、螺旋压力机等。螺杆做直线移动螺母转动，如图(b)，螺母转动要设置轴承，螺杆设置防转机构均使结构复杂，且螺杆行程占据尺寸故应用较少。螺杆固定不动，螺母作旋转运动并沿直线移动，如图(c)，两端支承结构较简单，但精度不高。一些钻床工作台采用了这种方式。螺杆转动，如图(d)螺母做直线运动，这种运动方式占据空间尺寸小，适合于长行程的螺杆传动。螺杆两端的轴承和螺母防转机构使其结构较复杂。车床刀架移动机构、丝杠多采用这种运动方式。 (a) (b) (c) (d)(c)(d)图3.1 运动方式本次设计的标牌三轴雕刻机是运用了上图（a）的运动方式，即螺母固定不动螺杆转动。（2）螺旋传动按照用途不同可分为三种类型。传力螺旋以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇性工作，工作速度较低，通常要求具有自锁能力，下图3.2螺旋压力机均为传力螺旋。传导螺旋以传递运动为主，这类螺旋常在较长的时间内连续工作且工作速度较高，传动精度要求较高. 调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置，一般不经常转动，要求能自锁，有时也要求很高精度，如带传动张紧装置、机床卡盘和精密仪表微调机构的螺旋等。本次设计的标牌三轴雕刻机就是运用了传导螺旋这种传动类型。按照螺旋副摩擦性质的不同，螺旋传动又可分为滑动摩擦螺旋传动（简称滑动螺旋）、滚动摩擦螺旋传动（简称滚动螺旋）和静压滑动螺旋传动（简称静压螺旋）。静压螺旋传动是螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑的螺旋传动。静压螺旋传动摩擦系数小，传动效率可达99%,无磨损和爬行现象,无反向空程,轴向刚度很高,不自锁,具有传动的可逆性,但螺母结构复杂,而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。这种螺旋采用牙较高的梯形螺纹。在螺母每圈螺纹中径处开有36个间隔均匀的油腔。同一母线上同一侧的油腔连通，用一个节流阀控制。油泵将精滤后的高压油注入油腔，油经过摩擦面间缝隙后再由牙根处回油孔流回油箱。当螺杆未受载荷时，牙两侧的间隙和油压相同。当螺杆受向左的轴向力作用时，螺杆略向左移，当螺杆受径向力作用时，螺杆略向下移。当螺杆受弯矩作用时，螺杆略偏转。由于节流阀的作用，在微量移动后各油腔中油压发生变化，螺杆平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力F相当大，而转矩T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低，一般为3040%，能够自锁。而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。传动螺纹，按牙型的不同可分为矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿型螺纹。图 矩形螺纹矩形螺纹牙型为正方形，牙型角其传动效率较其他螺纹高，但牙跟强度弱，螺旋副磨损后，间隙难易修复和补偿，传动精度降低。图 梯形螺纹梯形螺纹的牙型为等腰梯形。牙型角。内外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高对中性好。如用剖分螺母，还可以调整间隙。图 锯齿型螺纹锯齿型螺纹为不等腰梯形螺纹，工作面的牙侧角为，非工作面的牙侧角为。外螺纹旋合后，大径处无间隙，便于对中。这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高、梯形螺纹牙型根强度高的特点，但只能用于单向德螺纹连接或螺旋传动中，如螺旋压力机。图 滚动螺旋 滚动螺旋也称滚珠丝杠，用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动。滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90%以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有24个反向器，将螺母中滚珠分别联成24个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧滚动螺旋传动特点：传动效率高，传动精度高，起动阻力矩小，传动灵活平稳，工作寿命长。滚动螺旋传动应用于机床、汽车、拖拉机、航空军工等制造业。滚动螺旋传动按滚珠循环方式分为：内循环：滚珠始终和螺杆接触，两个封闭循环回路有两个反向器，三个封闭循环回路有三个反向器。特点：流动性好，效率高，经向尺寸小。外循环：分离，工艺性好，分为螺旋式，插管式，挡珠式。此次标牌三轴雕刻机的设计采用滚动螺旋即滚珠丝杠传动。滚珠丝杠的轴端支承有以下四种:(1)“固定固定”型： 适用于高转速、高精度的场合。该形式两端分别分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承担。也可以使两端的轴承副承受反 向预拉伸力，从而提高传动刚度。在定位要求很高的场合，甚至可以根据受力情况和丝杠热变形趋势精确设定目标行程补偿量，进一步提高定位精度。“固定固定”型有时也被 片面地叫做“双推双推”，实际上由于径向力的存在几乎很少能用两个推力轴承作为固定端。由于此形式结构较复杂，调整较难，因此一般仅在定位要求很高时采用。(2)“固定游动”型： 该布置适用高精度、中转速的场合。该形式一端由单个轴承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担，游动的轴承能减小悬臂挠度，抵消由热变形产生的应力，另一端由一对轴承约束径向和轴向自由度。“固定游动”型有时也被叫做“双推支承”。此形式结构较简单，效果良好，应用广泛。(3)“支承支承”型： 适用于中转速，中精度的场合。该形式两端分别设一个轴承，分别承受径向力和单方向的轴向力，随负荷方向的变化，分别由两个轴承单独承担某一 方向的力。由于支承点随受力方向变化，定位可控性较低。此形式结构简单，受力情况较差，应用较少。(4)“固定自由”型： 此布置适用于低转速、中精度、轴向长度短的场合。该形式一端悬空呈自由状态，负荷由同一对轴承副承担，需要克服丝杠回转离心力造成的弯矩，另一端由一对轴承约束轴向和径向自由度。“固定自由”型有时也被错误地叫做“双推自由”。此形式结构简单，受力情况差，但也经常用于转速低、行程短的场合。此次标牌三轴雕刻机的设计采用“固定游动”型支承。2.3导向机构支承和引导运动构件沿着一定轨迹运动的零件称为导轨副，也常简称为导轨。机床中常见的导轨为滚珠直线导轨。通过滑块内的钢珠与导轨相对滚动，从而使负载平台容易的实现高精度的线性运动，与普通传统滑动导向相比摩擦系数仅为后者的五十分之一，定位精度较高。直线导轨的特点：（1）具有互换性，由于对生产制造精度严格管控，直线导轨加工精度较高，且滑块为防止钢珠的脱落设计了保持器，因此部份系列精度具可互换性。（2）在各个方向上有高刚性，运用沟槽采用四列式圆弧，配合钢珠接触角度均为45度，让钢珠达到理想的两点接触构造，能承受来自上下和左右方向的负荷；在必要时更可施加预压以提高刚性。（3）自动调心能力，来自圆弧沟槽的DF(45-45)组合，在安装的时候，即由钢珠的弹性变形及接触点的转移，即使安装面多少有些偏差，也能被线轨滑块内部吸收，产生自动调心能力之效果而而得到高精度稳定的平滑运动。滚珠直线导轨包含方轨和圆轨两种。二者是有区别的。从摩擦、可承受载负荷考虑，方规就是方型直线导轨是面接触式摩擦，摩擦力较大，负载均匀，需要经常上油润滑但圆形导轨就是圆柱形的线型导轨，摩擦小，由于是一系列滚珠的点接触，需要支撑的地方有限，刚性差，负载性能有限，仅载径向有较好承载力，轴向承载比较小。而且方形轨道耐磨，高速，阻力小，所以更有优势。从设备的经济性及性能要求出发，此次标牌三轴雕刻机的设计采用圆柱直线导轨即光轴作为导向机构。2.4辅助系统辅助结构的功能主要为润滑和防尘。在本结构中需要润滑的部件主要是直线导轨滚珠丝杠螺母副，本系统中需要润滑的部件一般采用普通机油,由于设备对精度有较高要求，对容易发生故障的部件需要加装防尘装置，以便提高设备的使用寿命，节省用户的开支。本系统主要对驱动装置给予必要的防尘保护。第3章 机构的设计与计算3.1 参数的计算3.1.1 切削力、切削扭矩、切削功率的计算查机械加工工艺手册得到下列关于铣削力和铣削力矩及铣削功率的计算公式： 式中， 圆周铣削力，N铣削条件改变时洗洗力修正参数， M扭矩，Nm铣削功率，Kw查参考文献取铣削宽度， 铣削深度，mm进给速度，V铣削速度，铣刀的外径，进给量，mm/zZ铣刀的齿数，n铣刀的转速，查几次额加工工艺手册一卷知以下与硬质合金钢立铣刀的对应参数：， 将已知参数代入式中进行简化，可得到仅与切削深度、进给速度和铣刀转速有关的公式， 由给定要求知切削力查机械加工工艺手册 取 得 -3.1.2 钻削力、扭矩和功率的计算查机械加工工艺手册得下列有关于钻削力、钻削扭矩和钻削功率的经验公式： 式中F钻削轴向力，N切削力修正参数M钻削扭矩，Nm钻削功率，Kw进给速度，V钻削速度，钻头直径，进给量，N钻头转速查机械加工工艺手册二卷得以下与高速钢标准麻花钻相对应的参数：， ，将查得的参数代入算式得到仅与进给速度和钻头直径和钻头转速有关的计算公式： 选取， 求得 ，选取，由求得， 将计算结果代入上述钻削力、钻削功率的算式中得到：3.2电机的选取3.2.1步进电机的选取 所需转矩，结合所查资料决定采用宁波金崃有限公司的两相混合式步进电机JK57HS56-2804-01步进电机作为本次设计所需的驱动电机。电机外观如下： 基本参数如下：型号步距角相数保持转矩空载启动频率转动惯量JK57HS56-2804-011.823.5Nm2KPPS0.23KG3.2.2主轴电机的选取根据前两节的计算结果，取一定的安全系数，忽略传动效率。主轴电机选雕刻机用电机ADX60-24Z/0.8。 M=外形及基本参数如下：D(mm)L(mm)L1(mm)L2(mm)D1(mm)60162623553.3 进给系统设计3.3.1 Z方向进给运动系统设计步进电机通过联轴器与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的直线移动，结构简图如图2所示。以钻孔对Z轴丝杠的轴向力最大，图2 Z方向进给运动系统简图以其为例进行设计计算，过程如下。3.3.1.1当量转速与当量载荷确定1.转速n由3.1.2节知丝杠转速为45.33r/min，当量转速n2=45.33r/min。2.载荷主轴部件设计模型如下图所示。主轴部件三维建模图3 主轴部件设计模型图丝杠受到的轴向力包括主轴部件的重力和导轨摩擦力及钻削力，即导轨的受力简图如图3所示，设重心在部件的中心，由于重心与导轨不在一条直线上，所以对导轨产生扭矩，两导轨的重心距离,重心与丝杠的水平距离，轴向切削力与丝杠的水平距离，查机械设计手册中导轨章节得出此类装配法对导轨的作用力：作用在导轨上的摩擦力为c 联立上式得到：取摩擦系数，得到初步估计设计出来的主轴部件的重量，mm，代入上式中，得：N3.3.1.2预定额定动载荷按预期工作时间估算，动载荷设计公式为查机械设计手册第四册表9得轻微冲击取负载性质系数；查表7，按7级精度；查表8，按可靠性97%取可靠性系数；由前计算知，载荷,转速n=45.33 (r/min)；根据设计要求，本雕刻机预期工作时间 (h)，将数据代入得到： 3.3.1.3最大轴向变形量及螺纹最小底径确定1.估算允许最大轴向变形量2确定最小螺纹底径mma 支承方式系数，采用两端固定，查表得a=0.039F0导轨静摩擦力L滚珠丝杠两轴承支点间距离，取L=292mm.L=（1.11.2）行程+（1014）Ph=(1.11.2)*50+(1014)*4=292mm3.3.1.4选滚珠丝杠副1按机械设计手册表12-1-12及表12-1-13选定滚珠螺母形式，内循环浮动式，故编号FF，双螺母定位导程预紧，编号B.2由计算出的Ca ,d2在样本中选取滚珠丝杠副，查表12-1-34，选定滚珠丝杠副内循环轧制Z型。3. 确定滚珠丝杠副的预紧力FP 4. 丝杠螺母的确定丝杠螺母安装尺寸规格型号螺母安装尺寸D1DD4LBEH1605284838401110405.53.3.1.5 确定滚珠丝杠副支撑用轴承型号、规格1.轴承类型选择依据因为丝杠所受轴向力很小，而且丝杠采用一端固定于电机上，另一端游动，没有预紧拉伸力，另外由于轴向力较小，因此选用深沟球轴承6000。2轴承型号7000C，GB/T 292，角接触球轴承。3.3.1.6 滚珠丝杠长度1.行程补偿值C 其中；行程，螺母长度，螺母间距， 综上，C= um2.丝杠螺纹长度其中，考虑外形尺寸的要求，确定Ls=272mm3.丝杠全长采用两端固定的安装方式，查手册知：3.3.1.7 Z方向进给电机的设计计算1作用在丝杠副上的各种转矩（1）外加载荷参生的摩擦力矩 其中由3.3.1.1节得到F=207.33N ，三级精度的丝杠副效率，故 ()（2）预加载荷产生的预紧力矩由3.3.1.4节知，故2.负载转动惯量（g/cm2）(1)丝杠的转动惯量由3.3.1.6节查得丝杠全长L=27.2，外径d=1.6，密度，代入上式得：（2）回转件总转动惯量从3.3.1.1节查得代入上式得到 (3)直线运动件的转动惯量初估主轴部件重量m=5 kg ，查2.2.2节知cm/min，r/min代入得 总负载转动惯量（4）步进电机转动惯量电机型号：JK57HS56-2804-01，查样本知总的转动惯量为是负载转动惯量和电机转动惯量之和，2.2.4.1.8 Z轴步进电机启动转矩计算1.最大加速转矩由上节计算知J=655.7 ，查3.1.2节知r/min，从静止加速到最大速度所要时间为s，代入上式得2.连续工作最大转矩 查3.3.1.7节知摩擦力矩，预紧力矩为，系数i取i=1.5代入得额定转矩，故满足要求3.最大启动转矩所选用步进电机满足要求。3.3.2 X方向进给运动系统设计X方向结构简图同前一节所述，步进电机通过波纹管联轴器直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转速度转化为部件的移动。结构简图如下图所示： 铣削时对X轴丝杠的轴向力最大，以其为例进行设计计算，过程如下：3.3.2.1 当量转速和当量载荷确定1）由前述计算知丝杠转速为32.4rpm，当量转速也为32.4r/min2）轴向载荷Fl的确定小车部件三维建模 在X轴上整体移动的小车部件设计三维建模如下图：丝杠受到的轴向力包括导轨摩擦力以及铣削力FZ，即 Fl=FZ+F导轨受力如右图所示，重心和导轨的水平距离l=126mm，两导轨套中心距a=98mm，导轨套与部件中心线的距离c=39mm，上下两导轨套距离b=166mm，重力，初步估计小车部件重量为10kg。查机械设计手册中导轨章节得此类装法对导轨的作用力：而作用在导轨上的力摩擦力由以上式子合并得到作用在丝杠上的总轴向力3.3.2.2 额定动载确定查机械设计手册表12-1-41得到f a精度系数，按精度等级7，f a=0.8；查表12-1-42，可靠性为97%，可靠性系数；查表12-1-43，轻微冲击，载荷性质系数；查表12-1-45，预期工作寿命为15000h；代入上式，得到：因由预加载荷，故计算查表12-1- 44，f e=6.7,3.3.2.3 螺纹最大轴向变形计螺纹最小底径确定估算丝杠允许最大轴向变形 估算滚珠丝杠底径式中 a支承方式系数，采用两端固定，查表得a=0.039F0导轨静摩擦力，L滚珠丝杠两轴承支点间距离，取L=580mm.L=（1.11.2）行程+（1014）Ph，3.3.2.4 初选滚珠丝杠副的规格型号1)按机械设计手册表12-1-12及表12-1-13选定滚珠螺母形式，内循环浮动式，故编号FF，单螺母定位导程预紧，编号B.2)由计算出的Ca ,d2在样本中选取滚珠丝杠副，查表12-1-34，选定滚珠丝杠副2005,Ca=5961767N,d2=13.33.02mm.3）确定滚珠丝杠副的预紧力FP3.3.2.5 确定滚珠丝杠副支撑用轴承型号、规格轴承类型选择依据因为丝杠所受轴向力很小，而且丝杠采用一端固定于电机上，另一端游动，没有预紧拉伸力，另外由于轴向力较小，因此选用7002型深沟球轴承。2）轴承型号同Z轴3.3.2.6 滚珠丝杠长度确定1.行程补偿值C其中：行程螺母长度安全行程综上，C= 2. 丝杠螺纹长度LS=Lu+2Le=540+2*10=560其中，Le=10。3. 丝杠全长计算3.3.2.7 X方向进给电机的设计计算1作用在丝杠副上的各种转矩（1）外加载荷参生的摩擦力矩其中由3.3.2.1节得到F=77.24N ，三级精度的丝杠副效率，故 ()（2）预加载荷产生的预紧力矩由3.3.2.4节知，故2.负载转动惯量（g/cm2）(1)丝杠的转动惯量由3.3.2.6节查得丝杠全长L=63.7cm，外径d=2mm，密度，代入上式得到 （2）回转件总转动惯量从3.3.1.1节查得代入上式得到(3)直线运动件的转动惯量初估主轴部件重量m=10kg ，查2.2.2节知cm/min，r/min代入得 总负载转动惯量（4）步进电机转动惯量电机型号：JK57HS56-2804-01，查样本知总的转动惯量为是负载转动惯量和电机转动惯量之和，即 J= 3.3.2.8 X轴步进电机启动转矩计算1.最大加速转矩由上节计算知 ，查2.2.2节知r/min，从静止加速到最大速度所要时间为s，代入上式得2.连续工作最大转矩 查3.3.2.7节知摩擦力矩，预紧力矩为，系数i取i=1.5代入得额定转矩，故满足要求。3.最大启动转矩所选用步进电机满足要求。3.3.3Y方向进给运动系统设计3.3.3.1 当量转速与当量载荷确定同前一节所属，步进电机通过波纹管联轴器直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的直线移动，如下图所示。Y轴进给运动系统传动简图Y轴进给运动系统三维建模1.由3.3.1节知当量转速2.丝杠受到的轴向力，包括导轨摩擦力以及切削力F= 式中为水平方向受力，为竖直方向受力，由X,Z方向进给系统设计知，初步估计横梁部件的重量，分别代入F计算式中得到：N故，当量载荷3.3.3.2预定额定动载荷查机械设计手册第四册表9轻微冲击取负载性质系数；查表7，按7级精度；查表8，按可靠性97%取可靠性系数；载荷,转速n=207 (r/min)；根据设计要求，本雕刻机预期工作时间 (h)，代入上式得到拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算，查机械设计手册第四册表10轻预载取，故，取两种结果