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数控雕刻机设计(含源文件),数控,雕刻,设计,源文件
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1 绪论 . 3 数控雕铣机的概述 . 3 数控雕铣机和数控铣床的比较 . 3 雕铣机与雕刻机的比较 . 4 国内数控雕铣机的发展和现状 . 5 典型数控雕铣机的介绍 . 5 2. 4040S 数控雕铣机的简介： . 7 4040S 数控模具雕铣机的工艺范围 ： . 7 4040s 数控模具雕铣机的特点： . 7 4040S 数控模具雕铣机主要技术参数： . 8 体布局设计方案 . 9 机床总体布局设计： . 9 设计方案分析： . 10 轴设计 . 15 主传动系统的方案设计 . 15 电主轴的冷却与润滑 . 15 Z 向进给系统方案设计 . 16 珠丝杠副的选择 . 16 滚珠丝杠的支承结构 . 17 支承轴承的选择 . 17 滚珠丝杠的制动装置 . 17 X 向电机与进给丝杠的联结结构 . 18 5 X 轴系统零部件的计算与校核 . 19 轴系统的重力计算 . 19 主轴铣削力计算 . 20 珠丝杠副的选择计算 . 21 X 向进给电机功率的计算及选择 . 30 数控雕刻机设计 摘要 ： 调查研究 了 雕刻 /铣 机的发展 介绍 台式数控龙门雕刻机 X 的设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计和 X 向进给传动系统的机械结构设计。 X 向进给传动系统 中主要分析了丝杠的安装，以及相关固定和支承。 计算主要 有 两个方面：对滚珠丝杠和 X 轴电机的选择计算和校核。 最后，通过模拟编程软件 相关零件进行加工。 关键词 : 数控雕铣机床；滚珠丝杠； X 轴 of NC of NC of to C of NC of of of In of of of so At X 1 绪论 数控雕铣机的概述 近年来 ，在模具加工行业中，人们一直在探索用一种比较完美的加工方式来替代电火花成型加工，以避免工件表面质量因电加工后产生型面微观裂纹。 深型腔加工 优势 深槽窄缝加工 传统的电火花成型加工 微细复杂型腔加工 花纹 加工 缺点 图案型腔加工 大型面良好的表面粗糙度 加工工艺较多、时间较长 高速铣削方式在这些模具加工中具有很大的优势，同时，伴随着加工高硬度材料刀具技术的发展，高速数控铣床在模具加工中的应用越来越广泛，但随着模具加工业对加工表面质量要求的提高，所需刀具半径越来越小，于是高速铣削加工出现了另一种分支工具 高速数控雕铣机。通过高速雕铣机的加工方式来弥补电火花成型加工的缺点。 数控 模具雕铣机的诞生为模具加工工业解决了这一问题。高速数控模具雕铣机不仅具有高效率强力粗铣半精铣加工能力，同时具有高表面加工质量的精细雕刻功能，使高效率和良好表面质量得以有机统一。 数控雕铣机和数控铣床的比较 I. 机型 上 的区别： i） 数控铣床 主要 用于完成较大铣削量的产品的加工 ； 雕 铣 机 主要 用于较小铣削量或者轻金属的加工 ； 或 对 软金属的加工 。 从机床的主轴转速 分析 i） 数控铣 床 对数控系统要求速度一般，主轴转速 0 8000右 ； 雕铣机要求高速的数控系统，主轴转速 1500 30000右 。 从机床采用的数控系统的角度来看 i） 数控铣床对数控系统的要求：稳定可靠，操作方面，维修方便等，现 在市场上的数控系统主要集中在 西门子及 制器 ； 雕刻机大部分采用企业自主研发或者外购的工业控制器。 综上所述： 雕 铣 机大部分 用于 模具行业，也进行一些小切削量的铣削 。 而数控铣床 大部分在机械加工行业 中 使用， 主要用于一些 精密零件的加工和小批量多品种 的加工。 雕铣机与雕刻机的 比较 对雕铣机 (雕刻机 (区别，很多人都不清楚。人们直观上的感觉是小幅面的是雕刻机，大幅面的是雕铣机，或叫雕凿机、镂铣机，或干脆统称大雕刻机。其实它们是两类不同结构的机 器，但工作原理大致相同，都是由 X、 Y、 电子控制器控制移动。 I. 从用途上分 ：雕刻机主要是用于对板材的雕刻，大量应用于双色板或亚克力雕刻，雕刻一次进刀深度约在 13右，在标志、标牌方面应用较为普遍。 从机械构造方面 ： 雕刻机的设计轻巧， X、 Y 轴移动速度快， Z 轴行程较短，适合雕刻 58材料。雕刻主轴头装有弹簧压鼻，作用是在雕刻过程中压平 3刻主轴通过皮带连接到直径较大的马达上，以 此使转速增大，这样雕刻出来的工件质量就较为光滑。其使用的雕刻刀具较长，长度约在 径为 于设计方面的限制，它适合做切削量很小的高转速的雕刻工艺制作。 雕铣机可以理解为既可做精细雕刻，又能做切割、镂铣。例如做三维雕刻，尽管落差很大，但 200次进刀量相当大。雕铣机可供选用的刀具直径规格从 116刀具长度为 5080们可以灵活使用，装细刀干细活，装粗刀干大活。由于机器设计注重重型负载，机架钢性大， 此不仅可以做小型雕刻机的工艺 ，更可高速切割厚的板材，一次进刀量可达 2030是雕刻机根本做不到的工艺制造。 国内 数控雕铣机的发展和现状 随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的 国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。比如北京精雕、广东佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻术、 控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重 大的突破，并真正实现了先进技术向产业化的转化。 典型数控雕铣机的介绍 北京精雕 主要性能指标项 标准值 工作台尺寸 700 650、 Y、 600 500 300速移动速度 10m/轴转速 2100高切削进给速度 6m/ 1890 2144 1具雕刻机 特点及应用： 合理的工艺方法下，最大可以使用 16的刀具进行加工。 轴快速移动速度达 10m/给速度达 6m/备手轮，操作方便、控制平稳。 合中小型注塑模具、紫铜电极、铝合金产品以及非金属材料等产品的加工。 上海洛克 具雕刻机 具雕刻机技术参数表 主要性能指标项 标准值 工作台尺寸 510大雕刻尺寸 (X、 Y、 Z) 450雕刻速度 4.0 m/轴电机 2200 W 主轴电机最高转速 24000 r/柄直径 4、 6、 型尺寸 1310 1特点及应用： 2003年最新推出的新型模具雕刻机 ,机身采用双立柱龙门式结构 ,装夹进料都十分方便 进口矩形直线导轨副 ,精密细分驱动系统 ,满足模具加工所 需要的刚性和精度要求 ,大利变频电主轴使此款模具雕刻机拥有更大的切削率。 特别适用于注塑模 ,冷冲模等各种钢模以及滴塑模、烫金模、紫铜电极等铜模的制作加工。 通过上述两台同类型数控雕铣机性能的综合比较。目前，国内雕铣机的最大主轴转速一般都在 24000r/轴电机功率在 高切削速度在 46m/ 2. 4040S 数控雕铣机的简介： 数控模具雕铣机是一款集雕刻机和铣床功能于一身的数控机床。它充分集合了两种机床的优势，即能完成铣削任务，又能完成雕刻功能，使被加工工件达到高精度和高质量表面。 图 24040S 数控雕铣机 4040S 数控模具雕铣机的工艺范围 ： 4040款设备外观大方、结构稳定、易操作、通用性强，主要用于各种钢模、注塑模、紫铜电极、精密滴塑模、烫金模，以及冷冲模等的加工，在合理的工艺条件下，可加工出表面极佳的效果。 4040s 数控模具雕铣机的特点： 床身整体铸造，刚性好，减震好 采用高精密级直线导轨 采用日本三菱（ 司伺服系统，精度高，性能好 主轴配置 瓦恒功率电机，大功率，可满足加工要求 有一定模具刚的粗加工能力 定位精度 重复定位精度 使用英国 司激光干涉仪进行精度保证 采用台湾新代控制器，性能稳定，操作方便，支持 G 代码，常用的 可以运行加工，独有的手轮模拟功能和自动对刀功能使在加工中保证了效率 4040S 数控模具雕铣机主要技术参数 ： 表 2称 参数 工作台尺寸（ X/Y） 500 480大行程 (X/Y/Z) 400 400 150大工件尺寸（ X/Y/Z） 460 600 200大刀具直径（ 13大进给速度 5m/轴电机功率 3轴转速范围 1500 24000r/辨率 冲 定位精度 复定位精度 型尺寸（长 /宽 /高） 1500 1200 1800 机器总功率 5 器轴联动数 3 体布局设计方案 数控 模具雕铣机 是一种高效率、多功能的中小型经济型数控加工设备。 它集雕刻与铣削功能为一体，既保证了铣削小型工件所需要的低转速、大功率输出、又具备了雕刻所需要高转速的双重要求。 机床总体布局设计： 数控雕铣机主要 用于较小铣削量或软金属材料的工件的加工。不但要求加工精度较高，而且要求实现高速切削，其主轴转速高达 10 000r 右。其移动部件不但要刚性好，而且要尽可能轻巧，以保证其灵活性。对数控系统，要求其具有高的速度和极好的伺服电机特性。 对于数控雕铣机 ，从机械的角度分析，其结构应满足：非移动部件刚性要好，移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可 能轻巧，灵活性要好。要从机械上满足既轻巧又刚性好的要求，关键在于机械结构的 合理设计上。 理论 设计上， 台式数控龙门雕刻机 总体结构布局如图所示。 图 3式数控龙门雕刻机布局示意 图 图 3式数控龙门雕刻机 3 轴示意图 机床主要组成 ： 一 维数控 传动部件（ 立柱 一维数控工作台 1( 主轴组件 （ 横梁 设计方案分析： 设计方案比较 在订立设计方案的时候我们考虑的各方面因素，并且考察了多种龙门雕刻机的结构样式，订立了 3 个待选方案如下： 方案一：双丝杠工作台移动式 特点：双丝杠 点：双丝杠传动精度难保证 草案二：双立柱移动式 特点：立柱移动及双丝杠 缺点：双丝杠传动同步度控制困难，立柱移动精度控制困难 草案三： 双丝杠立柱移动式 特 点：工作台大加工范围大。缺点：双丝杠传动同步度低，特殊件加工成本高。 草案四：传统工作台移动式龙门雕刻机 特点 :传统结构结构形式，结构简单。缺点： 结论： 综合比较 4个方案，得出方案四，结构简单，成本低廉，装配质量容易保证。所以选用方案四。 本设计中，数控雕铣机选用龙门式结构。 龙门式 结构具有良好的刚性和对称性，一直是高速切削设备的首选结构。本机床总体布局采用龙门架式铣床结构，并设计了较宽的立柱和横梁。为克服不良力矩的问题，尽量加宽了 X、 Y、 整体布置上有效保证了机床的刚性。 因孕育铸铁 （ 米汉那铸铁 ） 具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使床身的结构强度和刚性有显著提高，故本机底座采用孕育铸铁铸造而成。它为 板 形，确保了对 Y 轴工作台和两立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳定性可达最好。因机床的刚性主要用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击，所以导轨和丝杆在设计时应尽量要求粗一些，以加强刚性。 由于采取了这些措施，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比较细小的加工，加工精度比较高，对软金属可进行高速切削。 3进给运动方案 我们设计采用的雕刻 方式是 :雕刻刀具 只做高速旋转和 刀运动，而 ,两个方向的基本运动方式如下 :由 电 动 机的转动带动丝杠的转动，带动了工作台的移动， 从而实现某个方向 (的进给运动。在 用直线导轨，其 导向精度 可满足对工作台 定位精度的要求。 轴设计 主传动系统的方案设计 雕刻机主运动方案通常有两种方案 :直接采用专用的雕刻头或采用 电 动 机带动主轴机构。专用的雕刻头的优点在这里不在复述，但必须配以与之配套的变频调速装置，价格 相对 昂贵。因此，从经济性的角度出发，经济型的雕刻机则不宜采用。由于交 流电机具有以下特点 : (l)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。 (2)特性呈线性 不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。 (3)快速反应 在输入控制信号的作用下，转子能迅速地反应动作，时间常数小。 (4)价格低廉，采购方便 市面上的交流电动机较多，采购也比较方便 (5)适应性强 相对于直流电动机来说，交流电动机电源更方便使用。 故优 先选用交流电机带动主轴机构的方案。交 流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。 电主轴的冷却与润滑 电主轴的工作转速极高，为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂。本机床电主轴采用水冷却，其冷却装置配置在机床的后部。 电主轴的润滑方式有脂润滑 、油雾润滑和 油气润滑 三 种方式，可以根据 不同情况下的 需要任选其一。当采用脂润滑时，一般其相应的速度相对 油雾润滑、 油气润滑要低。因本机床主轴要求的最高转速相对较 低 (最高转速为 10000r故采用脂润滑。 Z 向进给系统方案设 计 在数控机床中，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常需满足低摩擦、低惯量、高精度、无间隙，高谐振以及有适宜阻尼比的要求。机床的精度很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度，因此，本次设计台式数控龙门雕刻机 珠丝杠副的选择 本设计中 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。 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。本机床 级。 4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。 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。本机床经设计计算后选定 2程为 滚珠丝杠的支承结构 因为机床在加工工件时会产生热量，引起丝杠 发热产生热变形。如果丝杠两端都进行固定预紧， 虽然提高了丝杠的轴向刚度，但丝杠就没有了热变形 的伸缩余量，会导致丝杠的扭曲变形，失去原本的直 线度，影响机床的精度。 4040向滚 珠 丝杠副的支承结构如图 5 1. 伺服电机 2. 联轴器 3. 角接触球轴承 4. 滚珠丝杠 图 4向滚珠丝杠支承和联结结构 支 承 轴承的选择 为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠支承的设计。因滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于卧式丝杠的自重，因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求很高。因数控 雕铣机 的进给系统要求运动灵活，对微小位移 (丝杠微 小转角 )响应要灵敏，因此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。目前，各类轴承中用得最多的是推力角接触球轴承。数控机床选用这种角接触球轴承，通常需要把 2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。 其组合形式有背靠背组配 (、面对面组配 (、串联组配 (。在数控机床上选用此种轴承时，为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，一般采用 滚珠丝杠的制动装置 由于滚珠丝杠副的逆传动效率很高，逆向传动不能自锁，因此当它处于垂直安置时必须另外设有制动装置，以 防止伺服电机在停止转动时，运动部件由于自重而产生的逆传动，也可以防止因偶然因素造成的事故。 而 以基本不存在此问题，故 在数控机床进给系统中，电机与滚珠丝杠联结要保证传动无间隙，这样才能准确执行脉冲指令，而不会丢掉脉冲造成“失步”，影响机床的加工精度和传动精度。在 本次设计数控雕刻 机床中， 通过 金属弹性元件联轴器 （ 属于带弹性元件扰性联轴器） 把伺服电机和滚珠丝杠联结起来。 带弹性元件扰性联轴器除有补偿性能外，还具 有缓冲和减震作用 ，此外 非金属弹性元件联轴器 能保证伺服电机与丝杠的同轴度，即使伺服电机与丝杠安装时的同轴度不是很精确，也可通过 弹性元件 连轴器来调节。 金属弹性元件联轴器制造方便，易获得各种结构形状，更重要的是，它具有较高的 吸震性能 ，而高的 吸震性能 ，又可以提高机床的抗震性。 弹性联轴器的装卸也非常方便。丝杠和伺服电机的联结可参看图 4 5 X 轴系统零部件的计算与校核 轴系统的重力计算 主轴系统 主要 由三部分组成： 3轴安装座 、滑块及拖板。根据附录中的图纸分别计算 3轴安装座 、滑块的体积 V 及其重量 G。 查 12表 15，可知工业用铝合金的密度 铝 合金 =103(kg/ 灰铸铁的密度 103(kg/ 主轴安装座的体积 1计算 ： 26815520002200125 54 20012 40 40 200） 10101= 铝合金 103 108N 滑块体积 2计算： 270 96 73081 24640 48 57081 57097 31 57） 10102= 2g= 103 10 拖板体积 3计算 242 27 505+4 90 72 12200 686 4 2255 4） 10103= 3g= 103 10轴系统的重力计算值 表 6轴安装座 块 板 主轴铣 削力计算 台式数控雕刻 机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力 。 主铣削力 算： 台式数控数控雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为 硬质合金钢 ，加工材料为钢材，查 8表，选用公式： （ 1） 式（ 1）中， 削系数。查 8表 30 20 67 正系数。查 8表 30 21 取 削宽度。查 8表 30 22 取 齿进给量。查 8表 30 22 取 刀直径。 查 8表 21 10 取 3： 铣刀齿数。查 8表 21 10 取 Z =4 削深度。查 8表 30 39 取 入式（ 1）得： 676 垂直分力 横向分力 纵向分力 算： 根据 7表 8202，各铣削分力的比值可得： 计算可得： 轴铣削力相关计算值 表 6铣削力 直分力 向分力 向分力 珠丝杠副的选择计算 1)确定滚珠丝杠副的导程 h = 2） 珠丝杠副的导程 工作台最高移动速度 m/电机最高转速 r/i: 传动比 因机床电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比 i=1 初定： 根据电动机功率为 250W, 查得 1500r/入式（ 2）得 51 3000=据 16表 1 择导程为 2）确定当量转速与当量载荷 当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算。 当量转速 m ax m （ 3） 量转速 r/珠丝杠副的最高转速。 因机床电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比 i=1。 电动机所能达到的最高转速即为滚珠丝杠副的最高转速，所以 1500r/珠丝杠副的最低转速。 0 代入式（ 3）得 (1500+0)/2=750r/ 当量载荷 (2 3 （ 4） 量载荷 N； 器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力。 2+G 电主轴 +0+ 器空载时滚珠丝杠副的传动力。因所计算的丝杠带动 Z 轴方向的运动。所以 1+ 电主轴 =60N 代入式（ 4）得 (0)/3 ）确定预期额定动载荷 按滚珠丝杠副的预期工作时间 时）计算： 3 60N） （ 5） 定预期额定动载荷 N 期工作时间（小时）。查 14表 19 取 000h。 度系数。根据初定的精度等级 14表 19 取 靠性系数。一般情况下为 。在重要场合，要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的 90%以上 时 据 14表 19选。 荷系数。根据负荷性质选择，查 14表 。 代入式（ 5）得 60 (60 50 3000)1/3/100 1 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大载荷 （ 6） 加负荷系数。查 14表 19 取 入式（ 6）得 以上 2种结果的最大值 ）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 m m （3141） 重复定位精度 m （4151） 定位精度 m：最 大轴向变形量 m 预定，重复定位精度为 位精度为 m= m=2m 取两种结果的小值 m= 估算滚珠丝杠副的底径 杠无预拉伸要求，取一端固定，一端游动的支承形式 10010 =0 （ 7） 小螺纹底径 ： 杨氏弹性模量。 E=05N/m：估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（ m）已求得为 m=0：导轨静摩擦力（ N） 0W（ 0为静摩擦系数）。根据 14表查得 0= W =2+G 电主轴 =60N 0W =0=12N L 行程 + 安全行程 + 两个余程 + 螺母长度 + 一个支承长度 （ 程 + (10 14) 表 2X 向最大行程为 270 270 + 10 349入式（ 7）得 49）确定滚珠丝杠副的规格代号 根据传动方式以及使用情况，选择外循环埋入式法兰无预紧微型滚珠丝杠； 由计算出的 可选择相应规格的滚珠丝杠副： h =a =1132N ）确定滚珠丝杠副预紧力 由于所选丝杠为无预紧型，故预紧力为 0 7）行程补偿值与预拉伸力 行程补偿值 C =0 （ 9） 其中， C：行程补偿值 m t：温度变化值 2 ,取 t= 珠丝杠副的有效行程 (作台行程 + 螺母长度 + 两个安全行程 行程 + (8 14) 230 + 8 250入式（ 9）得 C =7010310 预拉伸力 （ 10） = ）确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格 轴承所承受的最大轴向载荷 （ 11） = 轴承类型 一端固定，一端游动的支承形式， 选面对面（ 接触球轴承 轴承内径 d 略小于 31 d =11入得 31 轴承预紧力 预加负荷 选择轴承型号规格 当 d =11加负荷 88N 所以选择 7001C/60 角接触向心推力球轴 承 9）滚珠丝杠副工作图 丝杠螺纹长度 2 （ 12） 由 14表 11 查得余程 0 代入 式（ 12） 得 250+220=290 10）传动系统刚度 丝杠最小抗压刚度 丝杠最小抗压刚度 102 （ 13） 小 抗压刚度 N/m 2d： 丝杠底径 1L： 固定支承距离 。1L=2(290+330)/2=310 代入 式（ 13） 得 35102=m 丝杠最大抗压刚度 4 010 122 d 102 （ 14） 大 抗压刚度 N/m 程起点离固定支承距离 ，查 14表，其滚珠螺母的全长为29 取 935/410102 =m 11）滚珠丝杠副临界压缩载荷 算压杆稳定性） 丝杠所受最大轴向载荷 t 滚 珠 丝 杠副 临 界 压缩载 荷 12）滚珠丝杠副的极限转速 107 （ 15） 界转速 n/f： 与支撑形式有关的系数，查 14表 24，取 f=界转速计算长度 （ ， 0=281 代入 式（ 15） 得 812107 =21992 3000 合格 13） 0000 （ 16） 其中， 珠丝杠副的节圆直径 （ W：刚球直径，查 14表 可得 =入式（ 16）得 50=10125 70000 合格 14）基本轴向额定静载荷 （ 17） 式 中： 珠丝杠副的基本轴向额定静载荷 （ N） 。查 14表 得 2943N 态安全系数。一般载荷 2，有冲击或振动的载荷 3 向最大载荷 （ N） 2943 校验合格 15）强度验算 22 m a （ 18） 式中 : :许用应力 （ N/。根据 滚珠丝杠材料 21，可知 =390 入 式（ 18） 得 2214 d = 213 9 0 2 1 =146907N； 然 2214 d 度满足 滚珠丝杠副选择的主要计算值 表 6珠丝杠副的导程 量转速 50r/量载荷 期额定动载荷 小螺纹直径 珠丝杠副预紧力 N 行程补偿值 C=拉伸力 杠长度 L=320杠最小抗压刚度 m 丝杠最大抗压刚度 m 极限转速 1992 n/本轴向额定静载荷 2493N X 向进给电机功率的计算及选择 由于是先确定了丝杠尺寸，所以电机也是随丝杠一并进行挑选完毕的，此部分计算为验算计算。 电动机的选择 （ 1）铣削力的计算 当进行一般切削时产生的铣削力最大，因此只需计算此时的铣削力进行校核即可。取一般切削时：铣削深度 给速度 600mm/n=1500r/据经验公式计算铣削力： F= 2）启动转矩的计算 对于 4级精度的丝杠， =知 丝杠上最大负载 00N,静摩擦 为 据经验公式计算 启动力矩： T=(F+G) 2 ) 10 3 M 摘要 I 摘 要 随着微电子技术和微型计算机的飞速发展，数控雕刻机的应用越来越广泛。 机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体，它是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势。三维机械雕刻机是一种典型的机电一体化产品，在广告制作行业具有较大的市场前景。 本文简要的介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外雕刻机的特点说明雕刻机的功能和使用范围；详细的分析了雕刻机的总体布局和结构方案，以及主运动和进给运动系统的选择，以及“三维 雕刻”插补法的选择，分析和实现过程，实现雕刻系统的初步优化。 本课题是在参考现有雕刻机的基础上，设计一种机构尺寸比较大的数控雕刻机，适应比较大的工艺品的雕刻加工。 关键字：雕刻机，数控系统，机电一体化，三维，插补法 I of NC be On It is of of in 3D- is a It a in in We of of As as we is is on to a a to 3D， 目录 录 摘 要 . I . 录 . 一章 . 1 . 1 1. 1. 1雕刻机起源 . 1 . 1 . 1 . 3 . 3 . 4 . 4 第二章 雕刻机的机械结构 . 5 . 5 . 6 的基本要求 . 6 响雕刻机布局的基本因素 . 6 标系的确定 . 8 . 8 . 9 . 12 第三章 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 . 14 计参数的确定 . 14 削力、切削扭矩和切削功率计算 . 14 矩和功率的计算 . 15 矩和功率的计算 . 16 运动系统的设计计算 . 17 . 18 轴电动机的设计计算 . 18 . 19 给系统传动链的组成 . 19 . 20 . 23 作台直线导轨副的设计计算 . 25 . 25 结论 . 28 总结 . 28 目录 控雕刻机的发展展望 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 第一章 引言 1 第一章 刻机概述 1. 1. 1 雕刻机起源 雕刻可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏 族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏形。在我国北宋时期便发明了活字印刷，梦溪笔谈有记 :“其法用胶泥刻字，薄为钱唇，每字为一印，火烧令坚一”。这里的刻字应属于雕刻的范畴。随着时代的发展，我国的雕刻艺术日益精深，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝。 上世纪 90年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机，刻章机再到三维雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用范围无处不在。 雕刻机 (顾名思义就是用机器代替人工进行雕刻的设备。 1938 年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世， 1950 年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。 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的急剧发展。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。雕刻机完成了从 能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。 控雕刻机及其发展现状 控雕刻机 传统雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量完全取于雕刻师的技艺水平，所以生产的效率低、成本高，制品的随意性强、一致性差，严重制约了雕刻行业的发展。这使得雕刻机的产生成为必然。雕刻机的功能决定了其使用范围。从工艺上，雕刻可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻。其中，全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂的工艺品第一章 引言 2 或大型艺术作品的雕刻工作，如玉雕、木雕工艺品以及冰雕与沙雕等作品。 此类制品往往注重艺术创作性，制品的构成形状复杂、随意性强、工艺 性差。因此这类工艺迄今为止雕刻机尚无能为力，只能采用手工雕刻，制品的质量和艺术性完全依赖于雕刻师的技艺水平。相比之下，在三维立体雕刻和二维平面雕刻机则大有可为。三维立体雕刻类似于三维铣削加工，可以完成精密模具、艺术浮雕曲面等雕刻加工 ;而二维平面雕刻工艺主要用于标牌文字及平面几何图形的雕刻加工。目前，三维立体和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成，克服了传统手工雕刻存在的缺陷。 根据控制原理的不同，雕刻机可分为仿形雕刻机和数控雕刻机 (采用 两大类型。仿形雕刻机的工作原理类似于仿形铣削，在加工前必 须制作仿形模型，这一过程通常需手工完成，周期长、效率低。 数控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。与通用数控机床类似，数控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。较传统的手工雕刻、仿形雕刻，数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势 ;同时，借助于专用的雕刻 件系统，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，数控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。 对象和应用领域的不同，数控雕刻机可分为模具雕刻机、木工雕刻机、广告雕刻机、激光雕刻机等多种类型。它们的加工性能要求出入很大，对机床和数控系统的要求也各不相同。如模具雕刻机的加工材料为金属，所以对机床本体的刚性要求较高，而且其加工对象是模具，所以对加工系统的精度要求高 ;而广告机加工的是一般是塑胶板或有机玻璃等非金属材料，所以对机床刚性和加工系统的精度都没有很高要求。但各类雕刻机都有一个共同的特点，也是数控雕刻机与普通数控机床的一个显著区别，就是由于雕刻刀的特殊 性，每次切削的有效成形面积小，所以零件雕刻的刀具运动轨迹很长，加工时间往往也较长。因此，提高雕刻机的刀具运动速度对缩短零件雕刻时间、提高加工效率具有特别重要的意义。 第一章 引言 3 按照伺服驱动控制的类型不同，数控雕刻机又可以分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机。步进驱动属于开环控制，控制精度较低，但价格便宜，适用于对加工要求不高的中低档雕刻机，如木工、广告业的雕刻加工。伺服驱动控制精度高，但价格较贵，主要用于模具加工等高精度雕刻机。 此外，还可根据运动坐标控制的联动轴数，将数控雕刻机分为三坐标数控雕刻机、五坐标数控雕刻机等 。三坐标数控雕刻机可以控制三个坐标轴联动，完成浮雕等常规雕刻加工 ;五坐标数控雕刻机可以联动控制 X， Y， 2三个移动轴和两个旋转轴，用来完成复杂形状零件的雕刻加工。 制雕刻机的目的和意义 建国五十年来，我国的机械工业虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。但随着世界科学技术的迅速发展，我国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此，在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品，已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的 焦点。 机电一体化技术是机械技术和电子技术的有机结合，它包括机械、电子、计算机和自动控制技术。它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优化。近年来，世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产系统向柔性化、智能化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业发展的必由之路。 控雕刻机的特点 数控雕刻机的主要特点如下 : 1、自动化程度 高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。 2、产品的尺寸精度高，一致性好。数控雕刻过程是由计算机控制完成，可以达到很高的精度和表面质量 :批量加工时，产品的一致性好，这对于小模具行业十分重要。 3、拓展了雕刻领域。只需改变控制程序，数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面，支持各种刀具，改善了雕刻表面质量，提高了雕刻效率。 第一章 引言 4 4、数控雕刻机都有钻铣功能，可用于钻孔、切边、加工小模具，性价比高。 控雕刻机的应用领域 数控雕刻机的应用领域广泛，举例如下 : 1、广告及礼品制作业，用于雕刻各类双色板标牌 、有机玻璃、三维广告牌、双色人物雕像、浮雕奖章、有机板浮雕、立体门头字等。 2、模型制作业，制作沙盘模型、房屋模型等。 3、模具制作业，雕刻纽扣浮雕模、印刷烫金模，注塑模、冲压模、鞋模等。 4、木器业，用于浮雕图案设计及制作。 5、印刷电路板 (产品开发中的电路制作，钻孔、铣槽等。 6、印章业，各类字体各类材料的印章雕刻。 7、电火花加工机床电极雕刻加工。 8、机械加工业，刻度盘字轮及标尺刻度。 9、汽车工业、轮胎模具，车灯模具及装饰品模具加工。 而且，随着各种新型装饰材料的不断出现，能用于雕刻的材 料越来越多，使得计算机数控雕刻机有了更大的用武之地。因此，计算机数控雕刻机的应用范围还将不断扩大。 国数控雕刻机的发展现状 随着近年来我国制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发机遇有效地促进了我国数控雕刻机的生产和推广应用。我国的数控雕刻机起步经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的发展，己形成了多个国品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京糟雕公司生产精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类型雕刻机机床本体结构较为简单，控制器大多借鉴国外新 技术，采用基于高档的微控制或数控系统，伺服部分以步进电机细分驱动为主，可获得中等控制精度，但价格比较便宜，因此整机的性价比较高，适用于精度要求不太高的普及应用场合对高精度的雕刻加工，目前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的左日本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚高 度好、精度高，采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性 ，但价格昂贵往往倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合第二章雕刻机的机械结构 5 第二章 雕刻机的机械结构 刻机的工作原理 计算机数控雕刻机实际是一个三维数控系 统，其工作原理如图所示 通用微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、文字的设计、排版，自动生成加工路径信息，通过 控系统接收刀具路径数据，完成显示、和用户交互等一系列功能后，用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息，控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服电机的信号 (脉冲串 )，控制雕刻机 X， Y， 2三轴的走刀。同时， 进行铣削，即可雕刻出在计算机上设计的各种平面或立体的图形文字，实现雕刻自动化加工。 第二章雕刻机的机械结构 6 体结 构 机械 结构作为雕刻机的硬件部分，对雕刻机的加工过程、刻字效果等有着重要的影响。下面对数控雕刻机的机械结构作详细介绍。 刻机总体布局的基本要求 雕刻机总体布局的基本要求有以下几点 : 1、首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求 ; 2、确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率 ; 3、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 ； 4、应便于观察加工 过程，便于操作、调整和维修，便于输送、装卸工件和清理，注意防护，确保安全 ； 5、结构简单，合理可靠，便于加工和装配 。 响 雕刻机布局的基本因素 在满足总体布局的基本要求的基础上，还应当考虑影响雕刻机布局的基本因素 : 1、表面形成运动的影响 不同形状的加工表面往往采用不同的刀具来加工，从而表面形成运动的形式和数目就不同，并导致布局的差异。相同形状的加工表面，由于工件的技术要求和生产率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成运动来加工，从而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成运动直接决定 了雕刻机布局的形式，是影响雕刻机布局的决定性因素。因而，在布局雕刻机时，必须根据加工要求，全面、综合地考虑工件的表面形成方法及运动，以期作出具有较好技术经济效果的布局设计。 2、雕刻机运动分配的影响 工件表面形成方法及运动相同，而雕刻机的运动分配不同，雕刻机的布局也会不同。对于同一种运动分配的布局，由于导轨的布置和其它结构形式的不第二章雕刻机的机械结构 7 同，也将使雕刻机的布局出现变化。在分配雕刻机运动时，一般应注意以下几点 : 1) 移动部件的重量应尽量轻。在其它条件相同的情况下，移动部件的重量越小，所需电机功率和传动件的尺寸也越小 2) 应有利于提高加工精度 3）应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积 4）工件的尺寸重量和形状的影响 工件的表面形成运动及雕刻机部件的运动分配基本相同，而工件尺寸、重量和形状不同，雕刻机的布局也会有很大差异。 另外，还应考虑雕刻机性能要求的影响，如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性，操纵方便形的影响，模块化设计法的影响等。 通过查阅相关的 文献资料，雕刻机基本布局形式通常有 下图 所示的两种方案： 图 刻机的布局简图 图 刻机的布局形式 这两种布局都采用 龙门式框架结构，雕刻机的刚度均较高。 布局 (1)方案中，工作台固定，雕刻头作横向和上下移动，立柱作纵向移动。该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机。由于工作台不动，承载能力好，适合加工较重的工件。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便。但雕刻头运动精度较难保证且立柱移动较笨重。 布局 (2)方案中，立柱固定，雕刻头作横向和上下移动，工作台作纵向移动。由于工作台移动，承载能力较布局 (1)方案差。若设计所承载的工件较轻，这种布局方式所需电动机功率和传动件的尺寸较小，移动较轻便。 在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便，但支第二章雕刻机的机械结构 8 架结构较布局 (1)方案略显复杂。该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证。 经以上比较，充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三坐标数控 雕刻机的设计参数，可采用布局 (2)的方案。 标系的确定 雕刻机的坐标系采用右手法则，直角卡笛儿坐标系统。基本坐标轴为 X 、Y 、 Z 直角坐标，对相应每一个旋转运动符号为 A 、 B 、 C ，如图 2. 3 所示。Z 轴为平行于雕刻机主轴的坐标轴，垂直于工件装夹面。 图 手坐标系统 维雕刻机的机械结构 该三维雕刻机的机械几何结构，由以下几部分组成 : 1、底座部分 作为整机的基础，承担整个机体的重量，要求稳定坚固。底座由底下的四只支脚与地面接触 ; 2、工作台部分 工作台部分由工作台， 及支架组成。工作台作为雕刻工作时承载雕刻物体的部件，表面有 丝杠驱动，导轨导向 : 3、横梁部分 第二章雕刻机的机械结构 9 横梁由 及支架组成。横梁承载机头的重量，驱动机头动，容易弯曲变形，在结构仿真和 运动仿真中是重要的分析对象 : 4、机头部分 机头部分由主轴组件， 2方向的丝杠和导轨，以及支架组成。丝杠驱动主轴组的上下运动，主轴组件在加工过程中直接带动雕刻头的高速旋转运动。 下面从雕刻机的功能角度，介绍一下各部分的结构及设计 : 给系统 进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控系统的伺服进给系统与一般 机床的进给系统有本质上的区别，它能根据指令信号精确的控制执行部件的运动速度和位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 下面介绍一下雕刻机的进给系统的机械结构和电机驱动 。 雕刻机的进给运动方式如下 : 工作台带动工件做 头沿 刻头在直流电机的带动下做高速旋转，并在 具和工件的运动的合成就可以得到文字和图案的轮廓。 现雕刻宽度 ;如下图所示 图 刻 机 X 方向进给图 第二章雕刻机的机械结构 10 现雕刻长度 ,如下图所示： 图 刻机 Y 方向的进给图 向的丝杠上下运动，实现雕刻深度。 各个传动链中均采用丝杠螺母传动副，保证了运动的传递平稳和结构的紧。丝杠一端通过联轴器与电机轴相联，由步进电机驱动丝杠，将旋转运动转化为直线运动。另一端采用轴承为支承。步进电机的旋转方向和转速，由指令脉冲决定。指令脉冲数就是电动机的转动步数，即角位移的大小。只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电动机的旋转速度在很宽范围内连续调节。它 具有以下特点 : 1、位置控制功能 可预先发出具体的脉冲数量，从而得到需要输出的角度。 2、无极调速功能 可根据发送脉冲的速度，得到需要的电机的转速。 3、正 /反，急停及锁定功能 通过对系统的高低电平控制，得到正 /反旋转的效果，在电机锁定情况下 （ 电机绕组中存在电流，外部没有要求旋转的电脉冲 )，仍有静止力矩的输出。 4、低转速及高精度位置功能 通过对脉冲速度的控制，可直接得到极低的转速而不需要通过齿轮箱的过渡，从而避免了功率的损耗和角度位置的偏差。 第二章雕刻机的机械结构 11 5、长寿命 不需要象普通的直流电动机通过电刷和换相器换相， 从而减少了摩擦，增长了寿命。 如图 示 图 杠与电机轴的连接 刚性联轴器用于丝杆与电机的联接，可提高两轴头连接的固定精度 ，它的特点有 : 1、可用于小型、瞬间惯量小和高速转动的场合 ; 2、安装后无反作用力，而且维护简单 ; 3、提高丝杠的强度时，跳动不会受到影响 ; 4、依靠锁紧螺栓施加的摩擦紧固，无需键 ; 6、在高速转动时可保持平稳。 导轨的主要功能是导向和承载作用。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动，从而保证各部件的相对位置和相对位置精度。导轨承受运动部件及工件 的重量及切削力，在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。 雕刻机的 外可以分担丝杠所承受的机头和工作台的重量。圆柱形导轨加工容易，导向精度高，可满足定位精度的要求。 保证精度，采用 两根导轨导向 。 进电机 的自锁来实现。 第二章雕刻机的机械结构 12 圆形导轨两端通过螺钉固定在丝杠支架上，并与导轨套形成移动副。 图 杠和圆导轨的支承方式 各个传动链上的丝杠螺母与不同零件以螺钉固定连接，通过与丝 杠的相对运动实现传动 : 1、与工作台固定连接，相对于 对于 2、与机头向丝杠运动 3、与机头 向支架固定连接，相对于 Z 向丝杠移动。 轴组件 主轴组件是雕刻机的执行件。它的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。主轴组件由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成，要求良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及精度的保持性。 雕刻机的主轴部分固定在 用 电 主轴高速旋转，实现刀具的切削运动。 自 20 世纪 80 年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发展。高速数控机床主传动机构已经得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床第二章雕刻机的机械结构 13 主运动的“零传动”，这种结构称为电主轴。它具有结构紧凑，机械效率高，可获得极高的回转速度，振动小等优点，因而在现代数控机床中获得了愈来愈广泛的应用。本雕刻机由于主轴转速达到 20000r 以应用电主轴。 第三章 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 14 第三章 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 本章详 细介绍了广告型三维机械雕刻机机械部分的主要零部件，如主轴 电动机 、 步进电动机 、传动部件和支承部件的详细设计计算及选型过程。 计参数的确定 由课题所给的设计参数，结合广告型三维机械雕刻机的总体设计方案，初步确定该雕刻机机械部分的主要参数，如表 表 械设计参数表 项目 参数 单位 主轴最高转速 n=20000 r/大进给速度 3600mm/作台总行程 (Y) 800 轴 总行程 (X) 800 轴总行程 (Z) 100 位精度 25 m 脉冲当量 用寿命 20000削力、切削扭矩和切削功率计算 三坐标数控 机械雕刻机的加工对象主要是针对非金属材料和铝合金材料的雕刻加工。这些材料具有较高的强度和良好的塑性。用硬质合金直柄立铣刀（0 6 , 2d m m z） 和高速钢标准麻花钻 （0 3d 在铝板上进行铣削和钻削 ，分别进行切削力、切削扭矩和切削功率的计算。 根据三维机械雕刻机的加工范围和使用功能及在实际生产过程中不同的切削方式所使用时间的分配，经过统计，大致可将切削方式分为强力切削（切）、一般切削（雕）、精细切削（刻）和快速进给。 第三章 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 15 削力、扭矩和功率的计算 通过查阅孟少农主编的机械加工工艺手册，得到表 侧的经验公式，代入已知参数进行简化，可得到仅与切削深度给速度 表 削力、扭矩和功率计算公式的简化 计算公式和参数选定 计 算 结 果 铣削力： 0F ( )F F F y uF p f w k 0 . 7 5 0 . 6 24 2 . 7 6 ( )z p fF a v n N 铣削扭矩： z0 . 0 F N m （ ）铣削功率： k 0 7 . 1 4 1 0 F n k W （ ） 其中 ： C 1 1 6 , 1 , 0 . 7 5 , 0 . 8 5 , 0 . 7 3 , 0 . 1 3 , 0 . 2 5 F F F F F F U q W K 。铣削宽度 a ( )w 铣削深度 a ( )p 进给速度 ( / m i n )a z n m m， 铣削速度0 / 1 0 0 0 ( / m i n )v d n m，0d 铣刀外径 ( 每 齿进给量 (mm/z)， z 铣刀齿数 ， n 铣刀转速 (r /。 将切削深度进给速度n 的变量代入分别计算， 得到 计算结果 ，如下表 示。 表 削力、扭矩和功率的计算 切削方式 工作时间 百分比 t % 参 数 计算结果 F 强力切削 10% 20 9000 30 般切削 30% 1 1200 15000 300 三章 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 16 精细切削 50% 400 20000 600 速进给 10% 3600 900 0 0 0 其中： 丝杠转速 ，f / ( / m i n )hn v P r丝，预选丝杠导程 4( )hP mm铣削深度（ 进给速度（ mm/ n 铣刀转速（ r/， 铣削力（ N） ， M 铣削扭矩（ ，铣削功率（ 。 削力、扭矩和功率的计算 通过查阅参考文献，按上节的简化过程，可得到仅与进给速度下表 表 削力、扭矩和功率的计算公式的简化 计算公式和参数选定 计 算 结 果 钻削力： d f ( )k N 0 . 7 0 / ( )zF v n N （ ） 钻削扭矩： d f k 0 . 8M 0 . 6 8 6 ( / ) N （ ） 钻削功率： m 0k . 0 1 2 n k （ ）其中： 6 0 0 , 1 . 0 , 0 . 7 , 0 . 3 0 5 , 2 . 0 , 0 . 8 , 0 . 2 5F F F M M M F MC z y C z y k k （加工铝合金）。进给速度 ( / m i n )f m m,钻削速度0 / 1 0 0 0 ( / m i n )v d n m，0d 钻头外径（ f 进给量（ mm/r）， n 钻头转速（ r/将进给速度n 的变量代入分别计算， 将得到的计算结果填入表 于 钻削功率的计算结果较小，忽略不计。 表 削力、扭矩和功率的计算 切削方式 工作时间 百分比参 数 计 算 结 果 fv 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 17 t% 强力切 削 10% 300 9000 75 一般切削 30% 480 15000 120 精细切削 50% 600 20000 150 快速进给 10% 900 225 0 0 0 其中： 丝 杠转速，f / ( / m i n )hn v P r丝， 预选丝杠导程 4( )hP 给速度 (mm/n 钻削转速 (r/钻削力 (N), M 钻削扭矩 (钻削功率 ( 运动系统的设计计算 本节主要设计主运动 系统中的电主轴，以确定它们的型号和参数。 数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动的要求外，还提出以下要求： 实现无级变速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，并充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中，共建一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种国内工序和各种加工材质的要求，住运动的调速范围还应进一步扩大。 动平稳，噪声低。数控机床加工精度的 提高，与主运动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。 数控机床上一般既要进行粗加工又要进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗燥度，严重时甚至破坏刀具或零件，是加工无法顺利进行。 第三章 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 18 因此在主传动系统中的各 主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且具有足够的抑制各种干扰力引起的动的能力 抗振性。抗振性用动刚度或动柔性度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度、阻尼比及固有频率等参数。 机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低了传动效率，影响到生产率。为此要求主轴不见具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。 运动系统传动链的组成 电机直接驱动 主轴是精密机床、高速加工中心和数控车床常用的一种驱动形式。如平面磨床的砂轮主轴，高速内圆磨床的磨头。转速小于 3000r主轴，采用异步电动机轴通过联合器直接驱动主轴，机床可通过改变电动机磁极对数来实现变速；转速小于 8000r 主轴，可采用变频调速电动机直接驱动；高速主轴，可将电动机与主轴做成一体，即内装电动机主轴，转子轴就是主轴，所以本雕刻机应选用电主轴， 轴电动机的设计计算 根据前面两节的计算结果，取一定的安全系数，忽略传动效率，主轴电动机所需的扭矩、功率和转速计算过程如表 示。 表 轴电动机设计计算 序号 计算项目 符号 单位 计算公式和参数选定 计算结果 1 转矩计算 00 iM X M 查表 表 i=2 取较大值得到： 整 额定转矩 第三章 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 19 2 功率计算 00
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