雕刻机总体及电气控制部分设计.doc

1.引言1.1雕刻机概述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(Engraving Plotter)，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2D-2.5D-3D加工的变革，功能完善、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。1.2数控雕刻机及其发展现状1.2.1数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。 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 CAD/CAM软件系统，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。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，Z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。1.2.2研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。1.2.3数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。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。1.2.4数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(PCB)新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。1.2.5我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PC的数控系统，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。1.2.6主要任务设计一台微型雕刻机，用于工程应用，雕刻机具有三个自由度方向的运动。其主要内容有：1. 设计微型雕刻机的总体方案。根据雕刻机的设计要求设计主轴结构，主要包括雕刻机主轴的传动和执行机构；2. 雕刻机零件的工艺分析；3. 绘制雕刻机的零件图；4. 数控系统选用及控制设计。本设计的设计依据有一下几方面：1. 课题来源：工程实践；2. 产品名称：微型雕刻机；3. 批量：一台；4. 雕刻机的设计定位精度0.01mm；5工作环境-10 oC50 oC；6. 电气控制部分的设计按相关国家标准进行设计；7. 数控系统推荐选用市场上比较成熟的产品，能与设计的雕刻机巧妙结合。2. 雕刻机的机械结构2.1雕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图2.1 数控雕刻机工作原理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USB接口或其他数据传输接口将刀具路径数据传输给单片机，数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，Z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。2.2整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。2.2.1雕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。2.2.2 影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2.2 雕刻机的布局简图图2.2 雕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。2.2.3 坐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2.3图2.3 右手坐标系统 2.2.4三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，y方向的丝杠和导轨，以及支架组成。工作台作为雕刻工作时承载雕刻物体的部件，表面有T形沟槽，由丝杠驱动，导轨导向:3、横梁部分横梁由x方向的丝杠和导轨，以及支架组成。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，Z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:2.3进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y方向的进给运动，机头沿x方向横梁做进给运动，雕刻头在直流电机的带动下做高速旋转，并在Z方向做上下运动。刀具和工件的运动的合成就可以得到文字和图案的轮廓。1.机头沿x方向的丝杠左右运动，实现雕刻宽度;如下图所示 图2.4 雕刻机X方向进给图2.工作台沿y方向的丝杠前后运动，实现雕刻长度,如下图所示：图2.5 雕刻机Y方向的进给图3.机头沿Z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紧凑。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。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2.6所示图2.6 丝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，如图2.6所示。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x向和y向丝杠两侧各采用一对圆柱形导轨作为导向件，另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。Z丝杠不承受径向载荷，为保证精度，采用两根导轨导向。Z的固定依靠步进电机的自锁来实现。 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。如图2.7所示图2.7 丝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y向丝杠运动向丝杠运动向支架固定连接，相对于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。2.4典型零件工艺分析2.4.1滚珠丝杠工艺分析：（1）零件材料：GCR15。合金含量较少，具有良好的性能，它为应用最广泛的高碳铬轴承钢。经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，对形成白点敏感性能大，有回火脆性。实际就是Cr15。（2）零件组成表面：两端面，外圆附有滚珠，外身为单线螺纹，无键槽，无倒角。（3）主要表面分析：16 外圆表面主要用于传动件，将电机的旋转运动转换为所需的直线运动，具有相当的精度。 （4）主要技术条件：16 外圆精度要求：IT7 粗糙度要求 Ra1.6m。它是零件上主要的基准， 两端螺纹应与之保持基本的同轴关系，键槽亦与之对称。 （5）零件总体特点：长径比达 18，为较典型的细长轴。2.4.2 T型台工艺分析：（1）零件材料：45 钢。切削加工性良好，无特殊加工问题，故加工中不需采取特殊工艺措施。 刀具材料选择范围较大，高速钢或 YT 类硬质合金均能胜任。刀具几何参数可根据不同刀具类型 通过相关表格查取。（2）零件组成表面：长方形表面（长300mm，宽340mm），厚20mm，有T形凹槽。（3）主要表面分析： 外表面主要用于支承以及夹持工件，具有相当的定位精度。 （4）主要技术条件： 外表面精度要求：IT7 粗糙度要求 Ra1.6m。它是零件上主要的基准， 两端平面应与之保持基本的平面关系，键槽亦与之对称。 （5）零件总体特点：简单，结构紧凑，定位能力非常强。2.4.3 三轴滑块工艺分析：（1）零件材料：铝合金。在工业生产中应用最广泛的一类有色结构金属材料。纯铝的密度小（=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（:3240%，:7090%），易于加工，可制成各种型材、板材。（2）零件组成表面：轴套类零件，表面是光滑的空孔，用于支持导轨。（3）主要表面分析： 内表面主要用于支承以及夹持工件，具有相当的定位精度。 （4）主要技术条件： 外表面精度要求：IT7 粗糙度要求 Ra1.6m。它是零件上主要的基准， 两端平面应与之保持基本的平面关系，空孔亦与之对称。 （5）零件总体特点：机构中与机架用移动副相连又与其他运动构件用转动副相连的构件。3. 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计本章详细介绍了微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。3.1 设计参数的确定由课题所给的设计参数，结合微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3.1所示。表3.1 机械设计参数表 项目参数单位主轴最高转速n=20000r/min最大进给速度mm/min工作台总行程(Y)235mm主轴总行程(X)220mm主轴总行程(Z)102mm定位精度0.01mm脉冲当量0.01mm使用寿命hrs3.2 切削力、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（）和高速钢标准直柄麻花钻（）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。3.2.1铣削力、扭矩和功率的计算通过查阅王先逵主编的机械加工工艺手册，得到表3.2 左侧的经验公式，代入已知参数进行简化，可得到仅与切削深度、进给速度和铣刀转速n有关的计算公式填入表3.2右侧。表3.2 铣削力、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：铣削扭矩：铣削功率：其中：铣削宽度，铣削深度,进给速度，铣削速度， 铣刀外径(mm), 每齿进给量(mm/z)， z 铣刀齿数，n铣刀转速(r /min) 。将切削深度、进给速度和铣刀转速n的变量代入分别计算，得到计算结果，如下表3.3所示。表3.3 铣削力、扭矩和功率的计算切削方式工作时间百分比t %参 数计算结果强力切削10%2.512090003013.700.0410.039一般切削30%112001500030022.450.0430.106精细切削50%0.524002000060015.800.04750.0992快速进给10%3600900000其中：丝杠转速，预选丝杠导程铣削深度（mm），进给速度（mm/min），n铣刀转速（r/min），铣削力（N），M铣削扭矩（Nm），铣削功率（kW）。3.2.2钻削力、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和钻头转速n有关的计算公式，如下表3.4所示。表3.4 钻削力、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：钻削扭矩：钻削功率：其中：（加工铝合金）。进给速度,钻削速度，钻头外径（mm），f进给量（mm/r），n钻头转速（r/min）。将进给速度和钻头转速n的变量代入分别计算，将得到的计算结果填入表3.5，由于钻削功率的计算结果较小，忽略不计。表3.5 钻削力、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M强力切 削10%30090007541.610.045一般切削30%4801500012040.440.044精细切削50%6002000015038.650.042快速进给10%900225000其中：丝杠转速，预选丝杠导程，进给速度(mm/min),钻削转速(r/min),钻削力(N), M钻削扭矩(Nm),钻削功率(kW)。3.3 主运动系统的设计计算3.3.1主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Z向丝杠的支架上，采用电主轴高速旋转，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20000rmin,所以应用电主轴。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：1.具有更大的调速范围，并实现无级变速。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。2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，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。3.良好的抗振性和热稳定性 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。 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。3.3.2主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3000rmin的主轴，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8000rmin的主轴，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，3.3.3 主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3.6所示。表3.6 主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转矩计算查表3.3和表3.5，取i=2取较大值得到：M00.095取整额定转矩2功率计算查表3.3和表3.5,取大值得到取整额定功率根据上述所算功率可选择安阳华安通用主轴科技有限公司生产的型号为DD58Z24/0.8的电主轴。如下表所示：主轴型号转速电机外型尺寸润滑轴承型号SpeedMotorDimensdions(mm)BearingSD typeSDpingdle type(r/min)KWVAH2DD1轴端连接LL1L2LubDD58Z24/0.8240000.82202.34005844ER11672318油脂前B7002C/P4后6001C/P53.4进给运动系统的设计计算雕刻机的进给运动分为三个部分：主轴的上下移动，主轴的左右移动和工作台的前后移动。它们的设计没有什么很大的区别，因此可以通过对其中一个方向上的设计来勾勒出我们在移动部分的设计方案，现在以工作台部件为例，着重设计计算进给运动传动链中进给电动机，同步带和带轮，滚珠丝杠和直线导轨，以确定它们的规格型号及参数，来满足在机械加工过程中的各种切削加工要求。3.4.1 进给系统传动链的组成从前面所述，我们知道步进电动机通过联轴器和滚珠丝杠连接，将电动机的旋转运动转化为部件的移动.3.4.2滚珠丝杠副的设计计算参阅徐灏主编的机械设计手册第四册和李鹤轩主编的机电一体化技术手册以雕刻机进行铣槽加工时为例进行设计计算，过程如表3.8所示。表3.8工作台滚珠丝杠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确定滚珠丝杠导程mm电动机与丝杠 1:1传动 2确定当量转速r/minnm =（nmax+nmin）/24503预期额定动载荷N(1)按预期工作时间估算查表9,轻微冲击查表7,按7级查表8,可靠性97% 查表3.1得， (2)拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算： 查表10，轻预载其中经过计算（当量转速），我选择了450 r/min，（当量载荷），经计算选择92 N。(1) (2) 取两种结果的大值4(1) (2)确定允许的最小螺纹底径估算允许得最大轴向变形量估算最小螺纹底径 mm其中导轨静摩擦力=0.2取=1.25确定滚珠丝杠副的规格代号(1)选取内循环浮动式法兰，直筒型垫片预紧螺母(2)由计算出的在样本中选取滚珠丝杠副FFZDFFZD1604-36确定滚珠丝杠副的预紧力N7(1)(2)(3)确定滚珠丝杠副支承用轴承型号、规格轴承所承受的最大轴向载荷轴承类型轴承型号规格 N固定端背对背角接触球轴承，游动端深沟球轴承预加载荷轴承内径d=10轴承预紧力固定端7000C游动端61008行程补偿值C9 (1) (2)(3)（4）滚珠丝杠工作图设计丝杠螺纹长度绘制工作图支承距离丝杠全长行程起点距固定支承距离 Lmmmmmmmm如工作图所示10(1)(2)传动系统刚度丝杠抗压刚度最小抗压刚度最大抗压刚度组合刚度一对预紧轴承的组合刚度支承轴承组合刚度丝杠滚珠和滚道的接触刚度一端固定，一端游动查表得： 11(1)(2)(3)(4)(5)（6）（7）刚度验算及精度选择计算计算静摩擦力验算传动刚度传动系统刚度变化引起的定位误差确定精度全行程变动量确定规格代号NFFZD1603-3-P4/32027812验算临界压缩载荷N13验算临界转速rpm14验算144007000015形位公差标注略16基本轴向额定载荷验算3.4.3工作台进给电动机的设计计算以满载一般切削时为例进行计算，计算过程见表3.9.表3.9 工作台进给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(1)作用在丝杠副上的各种转矩外加载荷产生的摩擦力矩 查表得： 2(1)(2)计算转动惯量负载转动惯量各种回转件的转动惯量各种直线运动件转动惯量电动机转动惯量J 丝杠：L=48.5，d=1.53查表得：查表3.1得： 查表3.2得：混合式步进电动机57BYG250 E-SAFRMC-0152查样本，J=460.33最大加速转矩4连续工作最大转矩查样本：额定转矩13.55最大启动转矩查样本：最大转矩803.4.4 工作台直线导轨副的设计计算表3.10 滚动直线导轨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初选直线导轨副的型号HTSD-15NAA2拟定滑块数M单根导轨两滑块M=43负载计算RN满足要求4摩擦力FN5寿命计算h满足要求4. 数控系统的选用4.1 NC选型目前市场上主流的数控系统有国外的西门子，FANUC，三菱;国内比较著名的有广州数控，华中数控等等，以及为雕刻机量身定做的FUDNC（富佳力）雕刻机控制系统。4.1.1上述各数控系统的简介4.1.1.1 FANUC系统FANUC系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC 0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在这些型号中，使用最为广泛的是FANUC0系列。系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC系统设计了比较健全的自我保护电路。 PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。系统提供串行RS232C接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。 FANUC系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。 鉴于前述的特点，FANUC系统拥有广泛的客户。使用该系统的操作员队伍十分庞大，因此有必要了解该系统的一些软、硬件上的特点。我们可以通过常见的FANUC 0系列了解整个FANUC系统的特点。（1） 刚性攻丝：主轴控制回路为位置闭环控制，主轴电机的旋转与攻丝轴（Z轴）进给完全同步，从而实现高速高精度攻丝。（2）复合加工循环：复合加工循环可用简单指令生成一系列的切削路径。比如定义了工件的最终轮廓，可以自动生成多次粗车的刀具路径，简化了车床编程。（3）圆柱插补：适用于切削圆柱上的槽,能够按照圆柱表面的展开图进行编程。（4）直接尺寸编程：可直接指定诸如直线的倾角、倒角值、转角半径值等尺寸，这些尺寸在零件图上指定，这样能简化部件加工程序的编程。（5）记忆型螺距误差补偿：可对丝杠螺距误差等机械系统中的误差进行补偿，补偿数据以参数的形式存储在CNC的存储器中。（6）CNC内装PMC编程功能：PMC对机床和外部设备进行程序控制（7）随机存储模块：MTB(机床厂)可在CNC上直接改变PMC程序和宏执行器程序。由于使用的是闪存芯片，故无需专用的RAM写入器或PMC的调试RAM。4.1.1.2西门子数控系统简介西门子是德国西门子公司的产品。西门子凭借在数控系统及驱动产品方面的专业思考与深厚积累，不断制造出机床产品的典范之作，为自动化应用提供了日趋完美的技术支持。SINUMERIK 不仅意味着一系列数控产品，其力度在于生产一种适于各种控制领域不同控制需求的数控系统，其构成只需很少的部件。它具有高度的模块化、开放性以及规范化的结构，适于操作、编程和监控。 主要包括：控制及显示单元、PLC 输入/输出单元（PP）、PROFIBUS 总线单元、伺服驱动单元、伺服电机等部分。主要数控系统类型有： （1）SINUMERIK 802S/C系统:SINUMERIK 802S/C系统专门为低端数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。802S/C两个系统具有同样的显示器，操作面板，数控功能，PLC编程方法等，所不同的只是SINUMERIK 802S带有步进驱动系统，控制步进电机，可带3个步进驱动轴及一个10V模拟伺服主轴；SINUMERIK 802C带有伺服驱动系统,它采用传统的模拟伺服10V接口,最多可带3个伺服驱动轴及一个伺服主轴。（2）SINUMERIK 802D系统：该系统属于中低档系统，其特点是：全数字驱动，中文系统，结构简单(通过PROFIBUS连接系统面板、I/O模块和伺服驱动系统)，调试方便。具有免维护性能的SINUMERIK 802D核心部件-控制面板单元（PCU）具有CNC、PLC、人机界面和通讯等功能，集成的PC硬件可使用户非常容易地将控制系统安装在机床上。 （3)SINUMERIK 840D/810D/840Di系统：840D/810D是几乎同时推出的，具有非常高的系统一致性，显示/操作面板、机床操作面板、S7-300PLC、输入/输出模块、PLC编程语言、数控系统操作、工件程序编程、参数设定、诊断、伺服驱动等许多部件均相同。SINUMERIK 810D是840D的CNC和驱动控制集成型，SINUMERIK 810D系统没有驱动接口，SINUMERIK 810D NC软件选件的基本包含了840D的全部功能。采用PROFIBUS-DP现场总线结构西门子840Di系统，全PC集成的SINUMERIK 840Di数控系统提供了一个基于PC的控制概念。 (4)SINUMERIK 840C系统：SINUMERIK 840C系统一直雄居世界数控系统水平之首，内装功能强大的PLC 135WB2，可以控制SIMODRIVE 611A/D模拟式或数字式交流驱动系统，适合于高复杂度的数控机床。交流驱动系统（1）SIMODRIVE611A：模拟式伺服，配合1FT5系列进给驱动电机(600V)和1PH7主轴电机, 可控制主轴，进给轴，及普通异步电机。（2） SIMODRIVE 611D：数字式伺服，配合1FT6/1FK6系列进给驱动电机和1PH7主轴电机，可控制主轴，进给轴等，只能配合810D、840D、840C数控系统。（3）SIMODRIVE 611U：通用型伺服，可接收模拟信号或数字信号（PROFIBUS）,可以进行位置控制、速度控制及转矩控制。配合1FT6/1FK6和1PH7电机，是理想的驱动系统解决方案之一。（4）SIMODRIVE 611UE：通用E型伺服，通过PROFIBUS接连，其余同611U。4.1.1.3三菱（MITSUBISHI）数控系统1873年，三菱造船厂更名为三菱商会。三菱开始涉足采矿、造船、银行、保险、仓储和贸易。随后，又经营纸、钢铁、玻璃、电气设备、飞机、石油和房地产。现在，三菱建立了一系列的企业，在日本工业现代化的过程中扮演着举足轻重的角色。三菱电机自动化一直致力于为客户在工业自动化、电力控制及其他相关业务上提供专业产品设备和解决方案，产品被广泛应用于机械、冶金、电力等多个领域。三菱数控系统的技术特点：(1)M64A / M64SM CNC 控制器 标准配备了RISC 64位CPU（与M64相比，整体性能提高了1.5倍）；高速高精度机能对应，尤为适合模具加工；内藏对应全世界主要通用的12种多国语言操作界面；可对应内含以太网络和IC卡界面；内藏波形显示功能，工件位置坐标及中心点测量功能； 缓冲区修正机能扩展：可对应IC卡/计算机链接B/DNC/记忆/MDI等模式；简易式对话程序软件（使用APLC所开发之Magicpro-NAVI MILL对话程序）；可对应Windows95/98/2000/NT4.0/Me的PLC开发软件；特殊G代码和固定循环程序，如G12/13 、G34/35/36、 G37.1等。（2) EZMotion-NC E60 内含64位CPU的高性能数控系统，采用控制器与显示器一体化设计，实现了超小型化；伺服系统采用薄型伺服电机和高分辨率编码器（131,072脉冲/转），增量/绝对式对应；由参数选择车床或铣床的控制软件，简化维修与库存； 全部软件功能为标准配置；标准具备1点模拟输出接口，用以控制变频器主轴； 可使用三菱电机MELSEC开发软件GX-Developer，简化PLC梯形图的开发；可采用新型2轴一体的伺服驱动器MDS-R系列，减少安装空间；开发伺服自动调整软件，节省调试时间及技术支援之人力。（3）MELDAS C6 满足生产线部件加工要求，提高了可靠性，缩短了故障时间；对应多种三菱FA网络：MELSECNET/10、以太网和CC-LINK，实现了以10M/100Mbps的速度进行高速