雕刻机设计

.摘要.数字控制雕刻机（CNC雕刻机）是一种典型的机电一体化产品，可用于三维图形和文字的加工，在旅游纪念品、标牌、徽章、模具制作等行业中得到了广泛的应用，能加工的材料范围亦很广，涉及金属材料和非金属材料，具有比较广阔的市场前景。本课题对国内外雕刻机的发展现状作了一个简明扼要的分析，得出了雕刻机技术国际上已经成熟但国内有待发展的结论。本课题在广泛调研的基础上完成了三轴联动数字控制雕刻机机械系统和控制系统的设计。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。其中严格按照各个参数(加工精度、配合精度、误差等)指标进行计算与校核,在保持机床高效率、高精度、外观优美、体积小巧、操作简单等优点的前提下。将加工的精度提高至0.01mm，最高工作速度可达80m100m/min。.【关键词】数字控制雕刻机机电一体化系统三轴联动.AbstractDigitalcontrolengravingmachine(CNCengravers)isakindoftypicalelectromechanicalproducts,andcanbeusedin3dgraphicsandtextprocessing,souvenirs,plates,badges,mouldmanufacturingindustrieshasbeenwidelyusedintheprocessingofmaterial,canrangeisverywidealso,metalmaterialandnonmetalmaterial,havewideprospectofmarket.Thissubjecttodomesticdevelopmentsituationofengravingmachinemakesabriefanalysisoftheinternationalengravingmachinehasmaturedonthedevelopmentofdomesticneedsbutconclusion.Thistopicinwidelybasedontheresearchofthefinishedthirdwithdigitalcontrolengravingmachinemechanicalsystemsandcontrolsystemdesign.Mechanicalsystemdesignincludingoveralllayout,processingprinciple,mainshaftandmaintransmissionsystem,feedingsystemandthecarvingmachinestructuredesign.Inkeepingwithhighprecision,highefficiency,machinetool,theoutwardappearanceisexquisitecompact,simpleoperationetc.Toincreasetheaccuracywillbeprocessed,highestspeed0.01mmcanreach100m/min80m.【key】digitalcontrol，engravers，mechatronics，system，triaxiallinkage.目录.1绪论数控机床的发展1.1.1数控机床的发展简史1.1.2数控机床简述1.1.3数控机床的组成与功能1.1.3.1主机1.1.3.2数控装置2.1.3.3驱动装置2.1.3.4辅助装置2.1.4数控机床的特点2.1.5分类2.1.5.1按工艺用途分类2.1.5.2按运动方式分类3.1.5.3按控制方式分类3.2.雕刻机的概述4.2.1雕刻机4.3.雕刻机的设计5.3.1工作原理5.雕刻机的工作原理5.3.2总体设计5.3.3主轴和主传动系方案3.3.1主轴7.3.3.2主传动系方案7.3.4进给系方案9.3.4.1进给系9.3.4.2机械系统的设计9.3.5辅助系方案9.3.5.1辅助系9.4.机械系统的设计10.4.1雕刻机进给机构的选型10.4.1.1切削力的计算10.4.1.2滚珠丝杆机构的选型10.4.1.3齿条齿轮的选择11.4.1.4同步齿形带轮的选择12.4.1.5电动机的选型12.4.2雕刻机导向机构的选型13.直线导轨特点13.4.3可调节支撑架与运动架14.4.4机床夹具夹紧机构14.5电器控制部分的设计15.5.1数控机床电气系统介绍15.5.2本次设计的主要内容16.5.2.1数控系统的选取16.5.2.2外围电路设计16.5.3外围电路设计16.5.4变频器控制电路的设计17.5.5步进电机的控制电机设计20.5.6控制回路电源控制21.6总结22.致谢23.参考文献24.1.1绪论数控机床的发展.1.1数控机床的发展简史.1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。1.1、数控（NC）阶段（19521970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-电子管；1959年的第二代-晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。.1.2数控机床简述.数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。.1.3数控机床的组成与功能.1.3.1主机.他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。.1.3.2数控装置.是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、.2.纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。.1.3.3驱动装置.他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。.1.3.4辅助装置.指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。.编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。.1.4数控机床的特点.数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点：.加工精度高，具有稳定的加工质量；.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；.加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；.机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）；.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；.对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。.1.5分类.1.5.1按工艺用途分类.金属切削类数控机床,包括数控车床,数控钻床,数控铣床,数控磨床,数控镗床发及加工中心，这些机床都有适用于单件、小批量和多品种和零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度，以及很高的设备柔性。.金属成型类数控机床；这类机床包括数控折弯机，数控组合冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。.数控特种加工机床，这类机床包括数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机、数控激光切割机床、专用组合机床等。.其他类型的数控设备；非加工设备采用数控技术，如自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。.1.5.2按运动方式分类.点位控制；点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从.3.一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。如数控钻床、数按坐标镗床、数控焊机和数控弯管机等。.直线控制；点位直线控制的特点是机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线进给运动。.轮廓控制；轮廓控制数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制，运动轨迹，将零件加工成在平面内的直线、曲线或在空间的曲面。.1.5.3按控制方式分类.开环控制；即不带位置反馈装置的控制方式。.半闭环控制；指在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接地。检测出运动部件的位移反馈给数控装置的比较器，与输入的指令进行比较，用差值控制运动部件。.闭环控制；是在机床的最终的运动部件的相应位置直接直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。.4.2.雕刻机的概述.2.1雕刻机.数控雕刻机发展现状.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13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、口常消费以及建筑装潢等众多领域。.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展机遇，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于经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的发展，已形成了多个国产品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京精雕公司生产的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。上述各类型雕刻机的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器或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，如意大利的左拉、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、可靠性高，但价格昂贵，往往数倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合。.5.3.雕刻机的设计.3.1工作原理.雕刻机的工作原理.电脑雕刻机由计算机，雕刻机控制器，机三部分组成。工作原理：是通过计算机内配置的专用雕刻软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的信息自动传送至雕刻机控制器中，再由控制器把这些信息转化成能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号(脉冲串)，控制雕刻机主机生成X,Y,Z三轴的雕刻走刀路基径。同时，雕刻机上的高速旋转雕刻头，通过按加工材质配置的刀具，对固定于主机工作台上的加工材料进行切削，即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字，实现雕刻自动化作业。.3.2总体设计.（1）雕刻机工作方式的选择.运动方式一般有两种形式:一种是刀具既转动又进行三个方向的运动，另外一种方式是刀具只进行转动和垂直方向的上下运动，而工作台进行水平两个方向上的移动。第一种方式适合工作面积较大形成较广的结构，所以选择了第一种方式来进行雕刻。.（2）主要直线传动元件的选择.直线传动元件一般有两种:同步带和丝杠。因为同步带传动平稳，传动精度较高，目前的针式打印机和部分机械雕刻系统均采用同步带作为直线运动原件。对于龙门式数控机床而言，其较小行程z轴最好采用丝杠，因为丝杠传动精度高，而X和Y轴由于工作行程较大使用皮带传动较为合适。.（3）PC机与机械传动机构的信号通讯方式的选择.要开发通讯部分，就要进行硬件的开发，就是要在计算机与外设之间架设一座桥，进行物理连接。要开发硬件，总的来说有两种途径:一条是自己动手开发标准的计算机接口卡，另一条途径是在现有的计算机硬件设备的基础上，稍加改进而利用已有的标准接口卡进行通讯。在第一种方法中，需要自己设计接口电路，劳动量大，且在使用时要占用PC机的一个扩展槽;但是可以增加扩展功能。为机器的改进与发展提供便利故而本设计采用开发计算机接口卡。.6.（4）总体方案的说明.综合上面对各种方案的讨论，雕刻机的总体方案可简述如:.用户导入在CAD软件中产生的G代码后，该软件将对G代码进行译码、刀补处理、速度预处理、插补运算，获得包含X-Y-Z三个方向配合运动需控制字节的数据文件，即为雕刻数据，然后将控制字节逐个向打印口输出，这样与打印口相连的X-Y-Z三个方向的步进电机就分别可以得到动作信号，从而带动各自的执行机构产生动作。.雕刻方式是雕刻刀具作高速旋转和XYZ三个方向的进刀、退刀运动，刀具的运动合成就可以得到所需图案的轮廓本机的主要组成部分是:专用软件，龙门及其驱动放大电路、雕刻刀升降机构(Z向)及其驱动放大电路，以及雕刻刀。专用软件各轴控制信号步进电机驱动电路X向步进电机Y向步进电机Z向步进电机X向执行机构Y向执行机构Z向执行机构.（5）设计参数的确定.根据各类个人用户对雕刻机的需求，以及参考一些现有商品，初步确定了以下一些设计参数。.性能特点：.广告牌业：大字切割，标牌制作，LED霓虹灯槽形、孔形字面切割、吸塑灯箱模具制作。软件控制主轴运转，自动化强。速度快，效率高，空程速度可达8米/分以上。主轴功率大，钢性好。双电机驱动，独一无二的双齿轴传动，力量度大，传动平稳，保证长时间高速运行中不变形，不抖动。.性能参数：.性能指标.HD-1325-I广告雕刻机.X、Y轴行程.12502440mm.Z轴行程.110mm.平台尺寸.14403000mm.最高运行速度.8m/min.最大雕刻速度.6m/min.分辨率.0.01mm.重复定位精度.0.05mm.最大进料高度.120mm.雕刻指令.G代码*.u00*.mmg*.plt.软件运行环境.windows98/2000/xp.功率(不含主轴).1500w.工作电压.AC220V/50Hz.主轴功率.2.2KW.7.主轴转速.24000rpm/min.工作方式.步进Steper.传动机构滚珠丝杆机构传动和皮带机构传动，传动精度为0.01mm，传动平稳，无振荡；导向机构导向机构选择直线导轨导向工作台与运动架相对运动运动架运动，工作台静止最终选择运动架运动，工作台静止动力源选择步进电机，最高转速10000r/min，着优秀对象选取支撑架支撑架设计为焊接结构，分体床身可以调节工作台面的水平度。机械本体部分是雕刻机的骨架，有支架、立柱、床身（工作台）、机头和主轴组件等部分。在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计的结构，减轻整机重量，缩短产品的设计和制造的周期，其主体框架采用铸铝制造，防护件用板硬件折弯打造防护层保护机器的步进电机驱动减速装置等重要部件，用标准的紧固件和定位销连接。.3.3主轴和主传动系方案3.3.1主轴.主轴指从发动机或电动机接受动力并将它传给其它机件的轴。.3.3.2主传动系方案.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直流电机带动主轴机构。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。由于直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。故优先选用直流电机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。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。.8.主轴采用江苏华雕机械有限公司的恒转矩的电主轴.电机.Motor.外型尺寸.Demensions(mm).主轴型号.spindletype.转速.speed.(r/min).额定功率KW.电压.V.电流A.频率.Hz.D.D1.轴端连接.Jointofnose.L.L1.L2.润滑.Lub.轴承型号.Bearingstype.重量.kg.HDK62-24Z/0.4D.24000.0.8.220.3.0.400.62.54.ER11-3.175-7.0.180.9.5.23.油脂.NSK：17002CP4/17001CP4.3.5.HDK80-24Z/1.5.240.1.5.20.5.6.40.80.68.ER6-3.175-1.220.171.油脂.NSK：2704CP5/2702CP5.6.HDK80-42Z/1.5.200.1.5.20.5.6.70.80.58.ER11-3.175-7.0.167.16.21.油脂.NSK：1702CP5/1701CP5.5.20.7.6.HDK100-24Z/2.2.400.2.2.380.4.4.40.100.79.ER20-3.175-13.243.17.35.油脂.NSK：2705CP5/2704CP5.9.HDK100-24Z/3.2.24000.3.2.380.6.3.400.100.79.ER20-3.175-13.265.17.35.油脂.NSK：700CP5/27004CP5.9.HDK105-21Z/3.5.210.3.5.380.6.8.350.15.81.ER20-3.5-13.235.54.36.油脂.NSK：2706CP5/7204CP5.12.HDK105-24Z/4.0.2400.4.0.380.7.8.40.105.79.ER20-3.175-13.245.17.36.油脂.NSK：70CP5/2703CP5.12.HDK110-21Z/3.5.2100.3.5.380.6.8.350.110.81.ER20-3.75-13.236.54.36.油脂.NSK：2706CP5/27204CP5.15.HDK110-18Z/4.0.800.4.0.380.8.5.60.10.82.ER25-3.175-16.22.60.40.油脂.NSK：2707CP5/27204CP5.16.HDK120-18Z/4.0.1800.4.0.380.7.9.30.20.92.ER25-3.175-16.272.60.38.油脂.NSK：2707CP5/27205CP5.20.HDK125-18Z/4.0.1800.4.0.380.7.9.30.125.92.ER25-3.175-16.272.60.38.油脂.NSK：2707CP5/27205CP5.24.HDK125-18Z/5.5.1800.5.5.380.10.8.30.125.92.ER25-3.175-16.280.59.40.5.油脂.NSK：2707CP5/27205CP5.25.HDK125-18Z/7.5.1800.7.5.380.14.4.30.125.92.ER25-3.175-16.315.59.40.5.油脂.NSK：2707CP5/27205CP5.24.HDK140-15Z/12.60-15000.12.380.15.9.50.140.109.ER32-3.175-20.30.71.44.油脂.NSK：2709CP5/2707CP5.38.HDK150-18Z/15.900-180.15.380.21.4.60.150.92.ER32-3.175-20.342.63.3.油脂.NSK：2707CP5/27205CP5.46.9.通过查厂商提供的表格我们通常选择HDK10521Z/3.5的电主轴.3.4进给系方案3.4.1进给系.进给传动系用来实现机床的紧急运动和辅助运动本结构采用步进电机驱动在Z轴中采用滚珠丝杠螺母副传动X和Y轴采用齿轮齿条福传动。.3.4.2机械系统的设计.本结构采用龙门式移动结构，其中X-Y轴采用步进电机的转动带动同步齿形带轮的转动，从而代工齿轴转动，通过齿轮齿条副把旋转运动转化成部件的直线运动。从而实现在X或Y方向的进给运动。Z轴采用步进电机的转动带动丝杠的转动，带动主轴的移动，从而实现在Z轴方向的上下移动。在X，Y，Z方向上的导向件采用直线导轨，其导向精度可满足对工作台定位精度的要求。.3.5辅助系方案3.5.1辅助系.本结构中辅助结构包括润滑系统，防尘系统.润滑是摩擦学研究的重要内容。改善摩擦副的摩擦状态以降低摩擦阻力减缓磨损的技术措施。一般通过润滑剂来达到润滑的目的。另外，润滑剂还有防锈、减振、密封、传递动力等作用。充分利用现代的润滑技术能显著提高机器的使用性能和寿命并减少能源消耗。，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，以及齿轮齿条副，本系统中需要润滑的部件一般采用普通机油防尘系统由于数控机床的工作环境较为恶劣，对容易发生故障的部件需要加装防尘装置，以便提高机床的使用寿命，节省用户的开支。本系统主要对步进电机，驱动减速装置给予必要的防尘保护。4.机械系统的设计.10.4.1雕刻机进给机构的选型4.1.1切削力的计算.（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ap=1mm,进给速度Vf=1200mm/min,n=15000r/min。根据经验公式计算铣削力：.F=42.76apVf0.75n-0.62=22.45N.（2）启动转矩的计算.对于4级精度的丝杠，=0.85。已知Ph=4mm,设丝杠上最大负载G为500N,静摩擦为0.2,根据经验公式计算启动力矩：.T=(F+G)Ph/(2)1030.0918N?M4.1.2滚珠丝杆机构的选型.传动效率高滚珠丝杠副的传动效率高达90%98%，为滑动丝杠副的24倍，能高效地将扭力转化为推力，或将推力转化为扭力。.传动灵敏平稳滚珠丝杠副为点接触滚动摩擦，摩擦阻力小、灵敏度好、启动时无颤动、低速时无爬行，可级控制微量进给。.定位精度高滚珠丝杠副传动过程中温升小、可预紧消除轴向游隙和初级弹性形变、可对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，故可获得较高的定位精度和重复定位精度。.精度保持性好滚珠及滚道硬度达HRC5863，滚道形状准确，滚动摩擦磨损极小，具有良好的精度保持性、可靠性和使用寿命。.传动刚度高滚珠丝杠副内外滚道均为偏心转角双圆弧面、在滚道间隙极小的时也能灵活传动。需要时加一定的预紧载荷则可消除轴向游隙和初级弹性形变以获得良好的刚性（此时使用寿命有所减少）。.同步性能好滚珠丝杠副因具有导程精度高、灵敏度好的特点，在需要同步传动的场合，用几套相同导程的滚珠丝杠副可获得良好的同步性.11.滚珠丝杠机构的选型.在本系统中我们选择浙江新亿特自动化公司的滚珠丝杠系列.根据厂商提供的参数，及客户的要求我们选择该公司的SFU1605-4滚珠丝杠结构.丝杠代号公称直径基本导程丝杠外径丝杠底径循环圈数d0Phd1d3nG2004-320419.317.33额.X，Y,Z轴的丝杠精度等级为4，螺纹长度分别为为300mm。丝杠总长为：375mm。.滚珠丝杠副轴头尺寸如下：.丝杠公称直径d0：16固定端轴径尺寸28支持端轴径尺寸12固定端轴承型号支持端轴承型号：6201、6001、51101.4.1.3齿条齿轮的选择.齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。.齿条也分直齿齿条和斜齿齿条，分别与直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮配对使用；.齿条的齿廓为直线而非渐开线（对齿面而言则为平面），相当于分度圆半径为无穷大圆柱齿轮.齿条的主要特点.（1）由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为20。.（2）与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。.（3）与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。.计齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算.齿条的选择.在满足使用要求的前提下齿条选择台湾YYC齿条.具体参数如下.模数：1.25，压力角20齿宽25长度670齿厚.4.1.4同步齿形带轮的选择.同步轮传动是由一条内周表面设有等间距齿的环形皮带和具有相应齿的带轮所组成，运行时，带齿与带轮的齿槽相啮合传递运动和动力，它是综合.12.了皮带传动、链传动齿轮传动各自优点的新型带传动。.设计步骤.1)简化设计：根据齿轮传动的传动功率、输入转速、传动比等条件，确定中心距、模数等主要参数。如果中心距、模数已知，可跳过这一步。.2)几何设计计算：设计和计算齿轮的基本参数，并进行几何尺寸计算。.3)强度校核：在基本参数确定后，进行精确的齿面接触强度和齿根弯曲强度校核。.同步带轮的选择.本系统中同步带选用圆弧齿形带.在Z轴传动中选用齿数为20中心距为90传动比i=1的皮带传动皮带规格为5MHTD280.在X和Y轴中选用中心距为125传动比为1：5的皮带传动，皮带规格为5MHTD550.同步轮规格为18齿、90齿.4.1.5电动机的选型.（3）步进电机的选择：步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角.增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。.根据所需转矩,结合所查资料决定采用杭州日升电气设备有限公司的两相混合式步进电机85BYGH450B步进电机作为本次设计所需的驱动电机。.技术参数如下：.技术指标：1步距角：1.82电流：4.0A3力矩：4.5Nm4外型尺寸：85*85*94mm5引线：4根6轴径：12mm双扁丝.4.2雕刻机导向机构的选型.直线导轨概述.直线导轨可分为：滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度较高。.新的导轨系统使机床可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；.13.一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对机床制造厂来说唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和校调导轨的平行度。当然，为了保证机床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多数情况下，安装是比较简单的。.直线导轨特点.(1)自动调心能力.来自圆弧沟槽的DF(45-45)组合，在安装的时候，藉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。.(2)具有互换性.由于对生产制造精度严格管控，直线导轨尺寸能维持在一定的水准内，且滑块有保持器的设计以防止钢珠脱落，因此部份系列精度具可互换性，客户可依需要订购导轨或滑块，亦可分开储存导轨及滑块，以减少储存空间。.(3)所有方向皆具有高刚性.运用四列式圆弧沟槽，配合四列钢珠等45度之接触角度，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。.圆柱直线导轨的选择.选用浙江新亿特轴承有限公司的圆柱直线导轨（光轴）系列，.X,Y,Z三轴所需导轨长度分别为1510mm,3000mm,500mm。.4.3可调节支撑架与运动架.本系统机床的支架与运动架均采用焊接结构。支撑架与运动架分体连接，通过标准紧固件连接。在两者之间用六个平衡螺丝调节运动架水平，保证工作台大体平稳。.支撑架结构由钢管焊接而成并加灌水泥，使机床总体平稳，结构稳定。.4.4机床夹具夹紧机构.本系统采用真空吸附原理装夹待加工工件。.真空吸附机构的原理.在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入.14.深度）。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0为起点，那么叶轮在旋转前180时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。.本系统正是根据真空吸附原理，利用待加工工件的上下气压不等，从而把工件紧紧地吸附在工作台面上。.真空泵的选择.循环真空泵，真空泵参数如下.极限真空0.097MPa配用电机型号Y2-1325-4T绝缘等级F.功率5.5KW最大气量3.8m2/minIP54转速1440r/min.电流11.5A接法380V/频率50HZ.15.5电器控制部分的设计.5.1数控机床电气系统介绍.数控机床电气系统包括交流主电路、机床辅助功能控制电路和电子控制电路，一般将前者称为强电，后两者称为弱电。强电是24V以上供电，以电气元件、电力电子功率器件为主组成的电路;弱电是24V以下供电，以半导体器件、集成电路为主组成的控制系统电路。数控机床的主要故障是电气系统的故障，电气系统故障又以机床本体上的低压电器故障为主。.数控机床对电气系统的基本要求.1.高可靠性.数控机床是长时间连续运转的设备，本身要具有高可靠性。因此，在电气系统的设计和部件的选用上普遍应用了可靠性技术、容错技术及冗余技术。.2.紧跟新技术的发展.在保证可靠性的基础上，电气系统还要具有先进性，如新型组合功能电气元件的使用、新型电子电器及电力电子功率器件的使用等。.3.稳定性.要在电气系统中采取一系列技术措施，使其造应较广泛的环境条件，如要能适应交流供电系统电压的波动，对电网系统内的噪声干扰有一定的抑制作用，同时还应符合电磁兼容的国家标准要求，系统内部既不相互干扰，还能抵抗外部干扰，也不向外部辐射破坏性干扰等。.4.安全性.电气系统的连锁要有效;电气装置的绝缘要保证完好，防护要齐全，接地要牢靠，以使操作人员的安全有保证;电气部件的防护外壳要具有防尘、防水、防油污的功能;电柜的封闭性要好，能防止外部的液体溅人电柜内部，防止切屑、导电尘埃的进入;电柜内的所有元件在正常供电电压下工作时不应出现被击穿的现象，并且应有预防雷电袭击的功能;经常移动的电缆要有护套或拖链防护，防止缆线磨断或短路而造成系统故障;要有抑制内部部件异常温升的措施，特别是.在夏季，要有强迫风冷或制冷器冷却;要有防触电、防碰伤设施。.5.方便的可维护性易损部件要便于更换或替换。保护元器件的保护动作要灵敏，但也不能有误动作。一旦故障排除后，功能要能恢复。.6.良好的控制特性.所有被控制的电动机起动要平稳、响应快速、特性硬、无冲击、元震动、无振荡、无异常数控机床电气检修噪声、无异常温升。.7.运行状态明显的信息显示电气系统要用指示灯做操作显示，电气元件要有状态指示、故障指示，有明显的安全操作标识。.8.操作的宜人性.电气系统要体现人性化设计，如操作部位应与人体平均高度、距离相适应，.16.体现操作方便、舒适、便于观察的特点，尤其是要能随时摸得到急停按钮，保证紧急情况下的快速操作动作;机床电器颜色不仅要符合标准，还要美观、明显。.5.2本次设计的主要内容.5.2.1数控系统的选取.计算机数控系统（Computerizednumerialcontrol，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数字控制的系统。CNC控制系统根据计算机控制加工功能，实现数字控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或者全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。.数控系统种类繁多，国内外许多公司都生产数控系统，目前雕刻机行业用的较多的控制系统是上海维宏科技有限公司的维宏控制系统。.电脑雕刻机控制系统功能特点：1.全中文windows界面，图形三维显示，操作简捷；2.PCI总线插卡结构，PCI2.1标准，WINDOWS2000/NT/98兼容；3.切割速度0.3米16米/分，主轴转速7000转60000转/分；4.可接收多种三维G代码格式（G00G01G02G03）、Type3或CAXA等CAD数据格式；5.具有手动对刀、自动对刀、回零、自动取零、暂停、硬限位，软限.5.2.2外围电路设计.在机床中，外围电路主要包括主轴旋转电路、坐标轴进给电路。.5.3外围电路设计.在机床中，外围电路主要包括主轴旋转电路、坐标轴进给电路。.5.4变频器控制电路的设计.设备的选型方法.1、根据负载特性选择变频器。如负载为恒转矩负载可选择西门子MMV/MDV,MM420/MM440变频器，ABB公司ACS400系列变频器等；如负载为风机、泵类负载可选择西门子ECO、MM430变频器，ABB公司ACS800.17.系列变频器等。.2、选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。.3、选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。.4、单相电动机不适用变频器驱动。.变频器控制原理图设计：.I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。.II.控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。.变频器工作注意事项.工作温度。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。.腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。.振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。.电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。.变频器的接地。变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。.变频器和电机的距离确定电缆和布线方法.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。.控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电.18.机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。.与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。.根据以上知识介绍本次设计选用四方变频器E300型变频器其各部分参数为：.1功率范围：2.5-4KW.2自动转矩提升，实现6Hz时150%转矩输出。.3数字式拨盘，设定简单快捷。.4柔性PWM，实现更低噪音运行。.515段速，PID，4-20mA输入和漏源型转换等多功能。.启动回路的设计.原理图原理、设备的选型.低压电器选型的一般原则：.1、低压电器的额定电压应不小于回路的工作电压，即UeUg。.2、低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流，即IeIg。.3、设备的遮断电流应不小于短路电流，即IzhIch.4、热稳定保证值应不小于计算值。.5、按回路起动情况选择低压电器。如，熔断器和自动空气开关就需按起动情况进行选择。.1、断路器的选型.保护：过载，短路，欠电压.一般选型：.1、断路器额定电压线路额定电压；.2、断路器额定电流线路计算负荷电流；.3、断路器脱扣器额定电流线路计算负荷电流；.4、断路器极限通断能力线路中最大短路电流；.5、线路末端单相对地短路电流不小于1.25倍的自动开关瞬时（或短延时）脱扣整定电流；.6、断路器欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。.2、电动机保护用自动开关的选型：.1、长延时电流整定值电动机额定电流；.2、6倍长延时电流整定值的可返回时间电动机起动时间；.3、鼠笼形瞬时整定电流为815倍脱扣器额定电流；绕线形瞬时整定电流为36倍脱扣器额定电流。.3、熔断器选型.保护：短路，若作过载保护，可靠性不高。.1、熔断器熔体的选择.（1）按正常工作电流选择.熔体额定电流线路计算电流.（2）按短路电流校验动作灵敏性：IdminIerKr.I：被保护线路最小短路电流.19.Kr：熔断器动作系数，一般为42、各类设备熔断器选择（1）单台电机回路熔体选择：.IerIqd.Ier：熔体额定电流Iqd：电机起动电流：计算系数，取决于起动状况的熔断器特性.（2）配电线路熔体的选择：Iqd1：线路中起动电流最大的电机的起动电流Ig(n-1)：除起动电流最大的电机以外的线路工作电流：计算系数。.4、交流接触器的选用方法.接触器的选用应按满足被控制设备的要求进行，除额定工作电压应与