小型雕刻机结构设计说明书

1、目 录摘 要1关键字11 引言21.1 雕刻机的概述21.1.1 雕刻机的特点21.1.2 研究雕刻机的目的和意义31.1.3 我国雕刻机的发展现状31.1.4 雕刻机的发展趋势31.2 设计研制雕刻机的特点41.3 研制的雕刻机的功能及使用范围42 系统分析与方案的制定42.1 三维雕刻机的设计参数42.2 雕刻机总体方案选择42.2.1 总体布局要求42.2.2 总体方案确定62.3 雕刻机运动系统方案设计72.3.1 坐标系统的确定72.3.2 总体结构72.3.3 主运动方案92.3.4 进给运动方案93 主运动系统的设计及校核93.1 铣削力、扭矩和功率的计算103.2 钻削力、扭矩

2、和功率的计算123.3 主运动系统的设计143.3.1 主运动系统的方案143.3.2 主轴电机的设计计算144 进给运动系统设计计算154.1 Z方向进给运动系统设计154.1.1 Z方向进给运动系统组成154.1.2 滚珠丝杠副的设计计算154.1.3 滚珠丝杠的校核204.1.4 Z方向进给电机的设计计算234.1.5 联轴器的选择244.1.6 Z方向直线导轨副的设计计算254.2 X方向进给运动系统设计264.2.1 X方向进给运动系统组成264.2.2 滚珠丝杠副的设计计算264.2.3 滚珠丝杠的校核294.2.4 X方向进给电机的设计计算314.2.5 联轴器的选择324.2.

3、6 X方向直线导轨副的设计计算324.3 Y方向进给运动系统设计334.3.1 Y方向进给运动系统组成334.3.2 滚珠丝杠副的设计计算344.3.3 滚珠丝杠的校核374.3.4 Y方向进给电机的设计计算394.3.5 联轴器的选择404.3.6 Y方向直线导轨副的设计计算404.4 雕刻机设计参数的确定415 结论42参考文献42致 谢43小型雕刻机结构设计 摘 要：雕刻机制作工艺日渐成熟，应用范围也日渐广泛。但雕刻机的价格均比较高。为了提高其普及率，设计一个经济、简练的机械运动系统是具有重要的理论意义和实用价值的。本雕刻机的运动系统包括了主运动系统和进给运动系统。其主运动系统采用电机直

4、接联接刀具，省去中间传动。而进给运动系统是采用步进电机带动滚珠丝杠使部件在导轨上平移来实现三轴联动。再次，对主电机的选用、滚珠丝杠、步进电机以及导轨等主要零部件进行了详细的设计与计算。本课题是在参考现有雕刻机的基础上，设计的一种小型雕刻机，适合一般的塑料板、铝板等普通材料的机械加工。它有着安装方便，结构简单、新颖，制造成本低等优点。关键字：雕刻机； 运动系统；三维；滚珠丝杠；The Structural Design of Small Carving Machine Abstract: Sculpture mechanism to mature process and has been wid

5、ely used. But relatively, the price of carving machine is high. In order to improve its popularizing rate, a economy, succinct mechanical motion systems design has important theoretical significance and practical value.This sculpture machine movement system includes main movement systems and feed mo

6、vement system. Its connection type of main movement system uses motor connecting cutting tools directly, saving middle transmission. Moreover, feed movement system uses the stepping motor drive screw component in the translation of the guide rail to realize three axis linkage. Again, the selection o

7、f main motor, the ball screw, step motor, guide rail and other major parts were detail designed and calculated. Based on the existing carving machines, this topic is used to design a small carving machine, which suitable for general plastic board, sheet of aluminium and the common material of mechan

8、ical processing. It has advantages such as convenient installation, simple structure, novel, the manufacturing cost, etc. Key words: Engraving machine; Motion system; 3D; The ball screw1 引言1.1 雕刻机的概述雕刻机，顾名思义就是用机械代替人工进行雕刻的设备。雕刻可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏族文化的“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，这里刻的字应属于雕刻的范畴。随着时代的

9、发展，我国的雕刻艺术日益精湛，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可以堪称一绝。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，可谓雕刻的使用无处不在。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科技群体飞速发展，从而使雕刻

10、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、性格稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求1。1.1.1 雕刻机的特点 雕刻机的主要特点如下：产品的精度高，一致性好。雕刻机雕刻过程是由计算机控制完成的，可以达到很高的精度要求和表面质量。雕刻机投资少，见效快。以国产品牌为例，一台小型号的雕刻机价格在两万左右，大型号的也不超过三四万。雕刻机简单易学，操作简单。以一个电脑初级水平的人为例，如果接受公司培训的话用不了一个星期就能全部掌握。现在市场上都有很多相关的雕刻软件，简单易学。3 雕刻机加工范围广，前景广阔。雕刻加工涉及各行各业、分布很广，有礼品业、广告业、印章

11、业、木器加工业、建筑业、艺术模型业、机械加工等等。可加工的材料也是非常广泛，包括金属、石材、PVC板、ABS板、亚克力、仿石材、橡皮、双色板、铝塑板等等各种材料。随着人们对雕刻机的认识和掌握逐步加深，应用范围会得到不断扩大，应用水平也会逐步提高，雕刻加工必定会有更广阔的前景。1.1.2 研究雕刻机的目的和意义建国六十年来，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

12、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。1.1.3 我国雕刻机的发展现状伴随着人类社会的发展，雕刻行业发生着巨大的变化，现如今人们对雕刻机有了全新的认识，数控木工雕刻机、模具雕刻机、激光雕刻机等电脑雕刻加工的兴起与发展是时代发展的需要，电脑雕刻代替机械已是大势所趋。以广告业为例，许多广告行业的客户都经历过从手工刻字到使用电脑刻字机，广告雕刻机的使用实现了机械代替手工的飞跃，电脑代替了人脑，字体标准规范同时又大大提高了生产效率。随着近年来我国制造业的迅速发展，我国的雕刻

13、机产业也获得了良好的发展机遇，有效地促进了我国雕刻机的生产和推广应用。我国的雕刻机起步于经济型机床，随着科学技术的进步，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

14、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。1.1.4 雕刻机的发展趋势 雕刻机作为制造业一个有力的工具，有着非常广阔的发展前景，随着计算机技术、电机技术、机械技术等各个科学技术的发展，雕刻机的功能将日益强大，性能将更趋稳定。雕刻机发展趋势总结如下：1更加精密；2更加高效；3随着移动通讯技术和网络技术飞速的发展，雕刻机将朝着数字化、网络化的方向发展。1.2 设计研制雕刻机的特点本雕刻机是一种典型的机电一体化设备，但是本次机械设计，我只对机械部分进行设计，本设计简化机械结

15、构，提高精度。主要措施是采用电机直接接刀具来实现主运动系统、步进电机直接与滚珠丝杠连接，从而省去了机械运动链，这不但简化了整体结构，而且减少了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。1.3 研制的雕刻机的功能及使用范围雕刻机可以完成切、刻、雕，现主要有以下方面得到了广泛的运用： 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、双面人物雕像、浮雕奖章、有机板浮雕、立体门头字等。 模型行业，房地产的发展，对建筑模型的需求不断增加。售楼处的售楼模型、广场模型、建筑设计方案的展现和展示，车辆模型市场的扩大，一些舰船模型、工业模型也有纪念和收藏的意义。雕刻机已成为制作模型的最佳助手。

16、木器工艺，用于浮雕图案设计及制作。雕刻机可以打孔、镂边等，特别是新型装饰材料、波浪板的广泛应用，也给了雕刻机更大的成长空间，在提高了产品的重复性、标准化的同时，使成品的生产效益得到显著的提高。 标志行业，伴随着我国经济的不断发展，日新月异的城市公共基础建设，街路的翻新改造，现代化住宅小区、星级酒店、写字楼的不断建设，对一些符合潮流和标准的标识和导向系统产生了大量的需求，其中雕刻机制作的牌匾标志、标牌，占据了相当大的部分。 印章业，各类字体各类材料的印章雕刻。 汽车工业、轮胎模具，车灯模具及饰品模具加工。 印刷电路板（PCB）新产品开发中的电路制作，钻孔、铣槽等。 艺品行业，旅游市场的不断扩大，

17、旅客对具有当地风情的礼物情有独钟，雕刻机在这方面也大有用武之地。 机械加工业，刻度盘字轮及标尺刻度。 2 系统分析与方案的制定2.1 三维雕刻机的设计参数2.2 雕刻机总体方案选择2.2.1 总体布局要求雕刻机总体布局的基本要求有以下几点：表1 雕刻机参数表Table 1 Carving machine parameter table规格型号参数X,Y轴雕刻范围(mm)200×120进给速度（mm/s）工作1,2,3，5,8，10,15,20,30,40,50,60快速20,40,60机械精度（mm）0.01Z轴最大行程（mm）80进给速度（mm/s）工作0.5,

18、1,2,3,5,8,10快速5,10,15,20,25,30机械精度（mm）0.01指令精度（mm）0.0025主轴转速（rpm）600020000最大工件重量（kg）20水平精度（mm）0.2直线精度（mm）0.1/300垂直精度（mm）±0.3/300原点精度（mm）±0.2定位精度（mm）0.025重复定位精度（mm）0.01工作台面的平面度0.03/500横梁移动的垂直度（mm）0.02/300主轴锥孔中心线的径向跳动（mm）0.02主轴的轴向窜动（mm）0.01主轴回转中心线对工作台面的垂直度（mm）0.03刀具上下移动对工作台面垂直度0.02首先必须满足如加工范

19、围、工作精度、生产率和经济性等各种要求；确保实现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；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；结构简单，合理可靠，便于加工和装配;体积小，重量轻，节约原材料，降低制造成本，缩小占地面积，外型美观大方。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：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

20、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，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。 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，雕刻机的布局亦不同。对于同一种运动分配的布局，由于导轨的布置及其它结构型式的不同，也将使雕刻机的布局出现变化。在分配雕刻机运动时，一般应注意以下三点: 1移动部件的重量应尽量轻。在其他条

21、件相同的情况下，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。 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，而工件的尺寸、重量和形状的不同，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；操纵方便性的影响；模块化设计法的影响等等。2.2.2 总体方案确定通过查阅相关资料，目前雕刻机基本布局形式通常有如图1所示的两种方案: 这两种布局都采用龙门框架结构，雕刻机的刚度均较高。 布局(l)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

22、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。若设计所承载工件的较轻，这种布局方式所需电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。 图1 雕刻机布局简图Fig 1 Engravin

23、g machine layout diagram 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维雕刻机的设计参数，采用布局(1)方案。 2.3 雕刻机运动系统方案设计本部分着重研究在确定了总体布局型式后对雕刻机各组成部分方案的选择,它包括：有效雕刻区域、滚珠丝杠的结构型式和参数、直线导轨的结构型式和参数、主电机的结构型式和参数、步进电机的结构型式和参数、主运动和进给运动的传递方式和转速范围等。 2.3.1 坐标系统的确定雕刻机的坐标系统采用右手法则，直角卡迪尔坐标系统。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

24、所示。Z 轴为平行于雕刻机主轴的坐标轴，垂直于工件装卡面。 2.3.2 总体结构机械本体部分是雕刻机的骨架，有底座、立柱、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，其主体框架采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用塑料件和饭金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。雕刻机的机械结构部分：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。 雕刻机的机械几何结构由以下几部分组成：底座部分，作为雕刻机整机的基础，承担整个机体的重量，要求稳定坚固。底座由底下的四只脚与地面接触；图2 右手坐标系统

25、Fig 2 Right-handed coordinate system图3 本雕刻机的总体布局和坐标系统的确定2Fig 3 The general layout of the carving machine and coordinate system identied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T型沟槽，工作台固定不动。 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；机头部分，机头部分由

26、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机头的高速旋转运动。2.3.3 主运动方案 主轴组件是雕刻机的执行元件。它的功能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。雕刻机的主轴部分固定在Z方向丝杠的支架上，采用电主轴高速旋转，实现刀具的切削运动。 高速控制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，振动小等特点。本雕刻机由

27、于主轴转速达到20000r/min,所以应用电主轴。2.3.4 进给运动方案由前所述，采用横梁移动、工作台固定实现相对运动的方式，机头在横梁上移动(X 向)，实现雕刻宽度；龙门架在底座上移动(Y 向)，实现雕刻长度；主轴组件上下移动(Z 向)，实现雕刻深度。由于滚珠丝杠副具有很多优点,因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。步进电机和滚珠丝杠副直接连接。至于导轨,各运动链中支承件均采用滚动直线导轨副。机头沿X 方向在丝杠上左右运动，实现雕刻宽度，如下图4所示。整个立柱在底座上沿Y 方向前后运动，实现雕刻长度，如下图5所示。主轴组件沿Z 方向上下运动，实现雕刻深度。各个传动链中均采用丝杠螺母传动副

28、，保证了运动的传递平稳和结构的紧凑。丝杠一端通过联轴器与电机主轴相联，由步进电机驱动丝杠，将旋转运动转化为直线运动。另一端采用轴承位支承。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；2.无极调速功能；3.正、反，急停及锁定功能；4.低转速及高精度位置功能。3 主运动系统的设计及校核三维机械雕刻机的加工对象主要是塑料、橡胶等有机材料和铝、铜及其合金等有色金属材料，这些材料具有较高的强度和良好的塑性。图4 雕刻机X方向进给图Fig 4 The

29、0;engraving machine X direction into to figure图5 雕刻机Y方向进给图Fig 5 The engraving machine Y direction into to figure以下采用了硬质合金直柄立铣刀(d0=8mm，z=2)和高速钢标准麻花钻(d0=3mm)在铝板(180MPa)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用户在实际生产过程中不同的切削方式的所使用时间的分配，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

30、给四种切削方式，使用时间的分配分别是 10%，30%，50%，10%。3.1 铣削力、扭矩和功率的计算查参考文献3，可得知下有关于铣削力、铣削扭矩和铣削功率的经验公式3。 （N） (1) （Nm） (2) (KW) (3)式中圆周铣削力(N)，铣削条件改变时铣削力修正参数 ，扭矩 M(Nm)，铣削功率 ( kW )，查参考文献取铣削宽度 (mm)=1.5×=10mm ，铣削深度 (mm) ,进给速度= (mm / min),铣削速度 v/1000(m/min),铣刀外径=8(mm),每齿进给量(mm/z)，铣刀齿数z=2 ,铣刀转速 n (r/mim) 。查机械加工工艺手册二卷表9.

31、4-10 得以下与硬质合金钢立铣刀的对应参数:=116,=1,=0.75,=0.85,=0.73，=0.13，=0.25(加工铝板)。将已知参数代入式(1) (2) (3)进行简化，可得到仅与切削深度(mm) 、进给速度= (mm/min)和铣刀转速n有关的计算公式4。 （4） （5） （6）另丝杠转速 （7）初选丝杠导程=4（mm）将四种切削方式下的切削深度，进给速度和铣刀转速n的变量带入分别计算。强力切削将参数=2，=120，n=9000带入（4）（5）（6）（7）得：53.5×2×1200.75×9000-0.62=13.613.6=0.054413.6&#

32、215;9000×10-7=0.0512一般切削 将参数=1，=1200，n=15000带入（4）（5）（6）（7）得：53.5×1×12000.75×15000-0.62=28.128.1=0.11228.1×15000=0.176精细切削将参数=0.5，=2400，n=20000带入（4）（5）（6）（7）得：53.5×0.5×24000.75×20000-0.62=19.819.8=0.079219.8×200000=0.166快速进给将参数=0.5，=3600，n=20000带入（4）（5）（6）

33、（7）得：，3.2 钻削力、扭矩和功率的计算 查参考文献4，可得知下有关于钻削力、钻削扭矩和钻削功率的经验公式。 (8) (9) (10)式中钻削轴向力(N)，加工条件改变时的切削力修正参数,钻削扭矩M(Nm)加工条件改变时的切削力修正参数,钻削功率(kW),进给速度(mm/min),钻削速度v=/1000(m/min) ,钻头外径（mm）,进给量f(mm/r),钻头转速n(r/min)。查机械加工工艺手册二卷表 10.4-11 得以下与高速钢标准麻花钻相对应的参数：=600,=1,=0.7,=0.305,=2.0,=0.8 ,=0.25（加工铝板）。将查得参数代入(8) (9) (10),可

34、得到仅与进给速度和钻头转速 n 有关的计算公式。 （11） （12） （13） 另丝杆转速 （14） 初选丝杠导程=4（mm）将四种切削方式中进给速度和钻头转速n的变量带入分别计算。强力切削将参数=300，n=9000 代入式（11）（12）（13）（14）得:=41.60.045一般切削将参数=480,n=15000代入式（11）（12）（13）（14）得:=0.0001×0.437×15000=0.656精细切削将参数=600,n=20000代入式（11）（12）（13）（14）得:=38.650.0415=0.0001×0.0415×20000=0

35、.083快速进给将参数=900,n=0代入式（11）(12)（13）（14）得:，。3.3 主运动系统的设计本节着重设计计算主运动系统中主轴电机的结构形式，以确定其型号及参数。为了减少主运动系统所占的空间，采用了由主轴电机直接接刀夹，中间不采用传动机构。3.3.1 主运动系统的方案为了简化机械结构，本设计采用主轴电机直接接上刀夹。 3.3.2 主轴电机的设计计算根据前两节的计算结果，取一定的安全系数，忽略传动效率，主轴电机所需扭矩、功率和转速计算过程如下：转矩计算查参考文献5机电一体化系统设计手册可知所采用的电机的扭矩，由章节 3.1 和 3.2 计算结果可知,最大扭矩值为0.437（Nm）。

36、故使便可满足要求5。确定额定转矩为（Nm）。功率计算查参考文献5 机电一体化系统设计手册,所采用的电机的功率。由章节 3.1 和 3.2 计算结果可知,最大功率为0.656（KW）,故使 0.656,定额定功率(kW )。因此,电机选用安阳莱必泰机械有限公司的生产的雕刻机用电主轴,外形图与参数表如下：图6 雕刻机主轴电机的外形图Fig 6 Engraving machine spindle motor appearance figure表2 雕刻机主轴电机的技术参数Table 2 Engraving machine spindle motor technology

37、 parameters主轴型号Spindle type转速Speed(r/min)电机Motor外形尺寸Shape Dimension(mm)润滑LubKWVAHzDD1Joint of noseLL1L2ADX60-24Z/0.8240000.82202.24004026-ER11206620grease4 进给运动系统设计计算雕刻机的进给运动分为三部分：主轴的上下移动、小车的左右移动和横梁的前后移动。它们的设计没有本质的区别。三部分分别为Z主轴部件，X 轴部件，Y 轴部件。这一节先着重对Z轴进给运动传动链中进给电机、滚珠丝杠和直线导轨，以确定规格型号及参数。4.1 Z方向进给运动系统设计4

38、.1.1 Z方向进给运动系统组成由前章所述，步进电机直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动，结构简图如图7所示。4.1.2 滚珠丝杠副的设计计算主轴部件设计模拟模型如图8。图7 Z方向进给运动系统简图Fig 7 Z direction feed movement system diagram4.1.2.1 当量转速与当量载荷确定各种切削方式下丝杠的转速。查 3.2 节计算结果得四种加工方向下丝杠转速：=75（rpm），= 120（rpm），=150（rpm），=225（rpm）。求各种切削方式下轴向载荷。丝杠受到的轴向力包括主轴部件的重力和导轨摩擦力以及钻削力，以钻孔时对Z轴丝杠

39、的轴向力最大,以其为例进行设计计算,过程如下:图8 主轴部件模型图Fig 8 Spindle assembly model diagram即 （15） 设重心在部件的中心,由于重心与导轨不在一线上,所以对导轨产生扭矩,导轨的受力如简图9。两导轨的中心距离a=40mm,重心与丝杠的水平距离=60mm,轴向切削 力与丝杠的水平距离=80mm。查机械设计手册中导轨章节得此类装法对导轨的作用力： （16）作用在导轨上的摩擦力： （17）将式（4.3）代入式（4.1）得： （18）图9 导轨的受力图Fig 9 By trying to guide动摩擦系数理论上为 0.01

40、,但实际应用中由于安装平行度，为消除间隙采取的预紧，常常大于理论值很多。所以动摩擦系数按照0.1核算，静摩擦系数按照0.2核算。查章节3.2 得四种加工方式下的钻削力：41.6,40.44 ,38.65，0。初步估计设计出来的主轴部件重量=5（kg）分别代入式（18）的四种加工方式下丝杠所受轴向力：10.04 , 10.73,11.81，65当量转速，当量转速计算公式为 （19）四种切削方式的使用时间占总使用时间的百分比与丝杠转速分别为：=10%，=30%，=50%，=10%。=75（rpm）= 120（rpm）=150（rpm）=225（rpm）=75×10%+120×3

41、0%+150×50%+225×10%=141(rpm)当量载荷，当量载荷计算公式为： （20）以上结果代入式（20）得：=36（N）4.1.2.2 预定额定动载荷按预期工作时间估算：动载荷设计公式为： （21）查机床设计手册第四册表9，轻微冲击取负载性质系数=1.3，查表7，按7级精度=0.8，查表8，按可靠性97%取可靠性系数=0.44,当量载荷=36（N）,当量转速=141,根据设计要求6,本雕刻机预期工作时间=15000，代入式(4.7)得：=310（N）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算： （22）查机床设计手册第四册表10，轻预载取=6.7代入式(22) 65=

42、435.5，取两种结果的大值: 435.5(N)4.1.2.3 螺纹最大轴向变形量及螺纹最小底径确定估算允许的最大轴向变形量（）的重复定位精度，故又的定位精度，故取两种结果的小值估算最小螺纹底径， （23）因采用的是一端固定,一端游动的安装方式，故式中L(1.11.2)L行程+(1014)，初定Z方向的行程为80mm,导程=4mm。得L150mm。导轨静摩擦力 =30(N)，代入式(23) 得：=1.85(mm)4.1.2.4 初选滚珠丝杠副的规格代号初选内循环浮动式法兰，直筒型垫片预紧螺母，型号代码为FF，导程=4。由计算出的,在样本中选取滚珠丝杠副FF1204-3，=4000>=43

43、5.5, =9.5>=1.85。选用南京工艺装备制造有限公司的滚珠丝杠7，外形与参数表如下图10,表3。图10 滚珠丝杠外形图Fig 10 The ball screw shape map表3 滚珠丝杠技术参数与外形尺寸表Table 3 The ball screw technical parameters and dimensions table规格代号公称直径公称导程Ph丝杠外径钢球直径丝杠底径循环圈数基本额定负荷刚度KcN/m动载荷Ca(KN)静载荷Coa(KN)FF1204-312411.32.3819.5346.720

44、8螺母安装连接尺寸如下：D1=22mm D2=22mm L2=10mm D3=44mm B=8mm D4=32mm L1=35mm D5=4.8mm D6=8.5mm h=5mm D7=32mm M=2.5mm D8=16mm 确定滚珠丝杠副的预紧力，,而且65，故22（N）4.1.2.5 确定滚珠丝杠副支承用轴承型号、规格轴承类型选择依据。因为丝杠所受轴向力很小,而已丝杠采用一端固定于电机上另一端游动,没有预拉伸力，另外,使用直线运动球轴承有以下的优点：由于流动接触可使起动磨擦阻力及动磨擦阻力为极小，因此可以节省能源，容易得到较高运动速度。对负荷增大，但磨擦系数无敏感变化，因此重负荷下，磨擦

45、系数极小，并且长期保持精度不变，可得机械使用寿命长期保持。直线运动轴承互换性好，安装使用方便省时，并使机械结构新颖，小型，量轻之特点。节省给油手续，达到简化润滑保养的目的。两侧附加油封的轴承还适用与灰尘较多或 异物容易侵入的场所。因此，选用 FF-12型的直线轴承为Z轴的轴承。轴承型号。深圳市万臣科技有限公司有直线轴承,外形参数如下图11 FF-12轴承外形图Fig 11 FF-12 bearing appearance figure表4 参数与安装尺寸表Table 4  Parameters and installation size table轴承型

46、号外型尺寸（mm）FF-12d1LHFDg6APCDBXYZ101578345242424.5844.1.2.6 滚珠丝杠长度确定行程补偿值C，行程补偿值计算公式为C=11.8 （24）其中 （25）式中=80（mm）,螺母长度=37（mm）,安全行程=（24）=12，代入式(25)得=129(mm)。将温差=2.5，129代入式(24)得：滚珠丝杠副工作图设计。1.丝杠螺纹长度，查参考文献14得余程=16（mm）,得：161(mm)。2.绘制工作图，查样本中螺母安装连接尺寸，支承距离=165（mm）,丝杠全长L=220（mm），行程起点距固定点支承距离=40（mm）.4.1.3 滚珠丝杠的校

47、核4.1.3.1 传动系统刚度丝杠抗压刚度。由于本丝杠采用一端固定另一端游动。查参考文献9得抗压刚度计算公式： （26）由4.1.2.6节查得丝杠底径=9.5（mm），两支承距离=185（mm），行程起点距固定点支承距离=40（mm）,代入式(26)分别得:最小抗压刚度455(N/)最大抗压刚度2106(N/)丝杠支承副的刚度。以一端固定一端游动的安装法，由于选用的是直线轴承，没有接触角，而一端固定提供了轴向力。故按参考文献内的推力轴承刚度公式计算。支承副的刚度: (27)式中滚动体直径=10,滚子数Z=4,最大轴向载荷65,代入式(27)得=85(N/µ m)丝杠滚珠和滚道的接触刚

48、度。接触刚度 (28)查参考文献7得: 额定刚度,动载荷4000（N），滚珠丝杠副的预紧力=45（N）代入式（28）得：4.1.3.2 刚度验算及精度选择最小实际统刚度 (29)最大实际系统刚度 (30)查4.1.3.1节得最小抗压刚度455(N/µm),最大抗压刚度2106(N/µm)，丝杠支承副的刚度=85( N/µm )，接触刚度=100 (N/µm),分别代入式(29)和式(30)得 ：验算传动系统刚度。静摩擦=30根据设计要求，初定系统反向差值或重复定位精度为10µm。设计要求系统刚度9.6<=41.67，故事迹系统刚度满足要求

49、。根据参考文献8中表17-44,有定位精度的数控机械和精密机械可参考选用三四级精度8。4.1.3.3 验算临界压缩载荷临界压缩载荷 （31)查参考文献9垂直安装的安全系数=0.5，一端固定一端游动的支承系数=2，查 4.1.2.5 节与 4.1.2.6 节得丝杠底径9.5mm,两支承距离185 mm，代入式(4.17)得23799远大于最大负载，故满足要求9。4.1.3.4 验算临界转速临界转速计算公式: (32)式中是与以一端固定一端游动的安装方式有关的系数，查表参考文献14得=15.1,螺母与游动端的距离=185mm, 丝杠底径=9.5 mm,代入式(32)得: =41914，0.8=33

50、531>工作最大转速=900，故滚珠丝杠满足要求。4.1.3.5 值的验算 (33)式中滚珠丝杠的节圆直径=15.88，最高转速=900，代入得：70000符合要求。4.1.3.6 基本轴向额定载荷验算。，式中=65N，查参考文献9得丝杠载荷的静态安全系数=2，查丝杠样本最大静载荷=6700，代入式中，故轴向额定载荷满足要求。4.1.3.7 确定滚珠丝杠的规格代号。根据Z方向进给滚珠丝杠校核计算，确定其为以下型号:型号FF1204-3,公称直径：12mm,导程：4mm,螺纹长度：165mm,丝杠全长：220mm,P类3级精度 FF1204-3/220×1654.1.4 Z方向进给电机的设计计算4.1.4.1 作用在丝杠副上的各种转矩外加载荷产生的摩擦力矩， (34)由4.1.2.1 节查得丝杠最大轴向力=65,导程=4 ,三级精度的丝杠副效率=0.9，代入式(4.20)得 ：=0.046(Nm)预加载荷产生的预紧力矩， (35)由4.1.2.4 节查得滚珠丝杠预紧力:=22，代入式(35)得：=0.0033（Nm）4.1.4.2 计算转动惯量J(g/cm)负载转动惯量。丝杠的转动惯量 (36)由4.1.2.节查得丝杠全长L=22(cm),外径d=1.13(cm),密度=7.85代入式(36