石材雕刻机设计

第一章前言1.1石雕、石刻与石制工艺品分类按制作方法分类分为：圆雕、浮雕、沉雕、壁雕、镂空雕（透雕）、线雕、影雕、微雕和阴刻、阳刻等几大类。我国有着悠久的石刻石雕历史，精湛的工艺名扬中外，随着改革开放，也得到了蓬勃发展。相对集中的地区有：(1)福建的石龙、石狮、精致的石墓碑、石灯笼、石塔、石庙宇及园林石刻等，工艺精湛，声名远扬。(2)河北曲阳雕刻学校和一所雕刻技艺研究所。（3）北京房山石雕发展很快，所产汉白玉石狮、石佛像和园林艺术石雕深受国内外欢迎。(4）山东省的大理石。花岗石雕刻都很发达，青岛、平度、莱州、泰安、嘉祥等市县是其是雕刻制品的主要集中产地。花岗石雕刻以日本式石灯笼、方式雕塑为主，大理石雕刻以古今人物、侍女造像和动物、园林饰品为主。嘉祥县是我国又一“石雕之乡”，已有2000多年历史，如汉代武氏墓群石刻和汉画像石刻，武氏祠内一对大型石狮是我国现存石狮中唯一有确切年代记载的艺术珍品。嘉祥县已成为山东全省重点石刻品出口地区之一，并将进一步扩大发展。莱州札村镇的石雕也有上千年历史，近年来制作了许多巨型石雕，有50米长的“中华医药宝库史”石雕就取材于札村港华石材公司芝麻白(G3765）的矿山，且被录入《吉尼斯世界大全》。(5)浙江石雕、石刻也较发达，如温岭的石狮、石牌坊、石亭、杭州大理石家具，乐清大型彩石镶嵌《红楼梦故事园》雕屏均闻名于中外。此外，如广东云浮、江苏赣榆、四川宝兴、云南大理石雕石刻也较发达。1.2石雕石刻加工石雕、石刻在我国已有几千年历史，从事这些雕刻的能工巧匠为我们留下了空前宝贵的文化遗产，他们承师教徒，代代相传，代代发展，掌握了鬼斧神工的技艺，某些技艺即使用现代的高科技也无法替代的，这里介绍下普遍的石雕加工类型。雕刻加工是凿切加工的一种，系指手工打边，雕线角、雕花饰、刻字等项工作。立体人像的种类很多，简单的说，立体人像与平面雕像不同之处是，立体人像空间的X、Y、Z三个方向上都需要雕刻出人物的造型细节，使观众从不同角度、位置所欣赏到的雕像是一个真实的立体造型。壁炉制品轮廓成型加工的设备通常是铣床类数控加工中心或液压仿型铣床，加工内容包括轮廓成型、雕刻花纹等。因数控加工中心上的圆柱铣刀动力头应具备进行0°—+/-90°左右摆动的功能，为了使复杂图案壁炉的加工程序编制更加简便、容易，数控加工中心还应该配备激光扫描器。可以使用手提式石材曲线边成型、磨抛设备加工面板的曲线边。壁炉的磨抛加工与磨抛其他雕刻制品时相同，平面部分可以使用设备上配有的磨抛磨料，雕刻的花纹和平面磨抛不能达到的部位，使用装有软磨片的手提式磨抛机完成磨抛加工。平面雕刻制品主要包括石质的人像浮雕、刻画、画框、透雕窗格等产品。使用雕刻设备加工平面雕刻制品的工艺为：石料选择→模型制作→坯料加工→平面雕刻制品的轮廓成型加工→抛光加工→制品组装→清洗、验收。有些数控加工中心（如OMAG公司的MILL98多功能数控加工中心）配有根据二维照片加工浮雕制品的图像处理软件，这是一个可以将照片上的图案加工成浮雕制品的软件。这时制品的模型就是照片，制品的凹凸程度、逼真度取决于照片的清晰度和层次感。一质量好的照片作为模型，有时甚至可以得到10mm以上的凹凸的浮雕制品。完成平面雕刻制品轮廓成型加工的理想设备是铣床类数控加工中心，首先将制品模型固定在扫描平台上，使用激光扫描器对其扫描，利用扫描器配套的软件完成加工程序的编制，或者直接使用CAD或CAM软件编制制品加工软件；使用真空吸盘或其他固定方法，将制品坯料固定在工作台上，将需要的加工刀具按加工顺序要求放在刀库支架上，接通冷却水后便可以进行加工了。1.3我国石材工业的发展与现状[8]民营及外资企业在中国石材工业发展中占有一定地位。如新疆广汇石材股份有限公司是一家民营企业，现拥有矿山18座，开发新疆红、天山蓝宝等20多个名特品种，板材综合生产能力达58万平方米/年，打造出了“广汇石材”的品牌。环球石材集团有限公司是香港独资企业，营业额每年超过3亿元，并开创了中国异型石材的先河。

在石材业取得骄人业绩的同时，也要清醒地认识到存在的一系列问题，及国内企业面临入世的冲击。

当前的关键问题是如何从石材大国过渡到石材强国？这是需要我们认真研究、采取相应对策，并不断为之而努力奋斗。应如何顺应历史潮流，促使中国石材工业进一步腾飞？根据社会发展及市场经济规律，石材企业应达成下列共识：首先是认真学习贯彻行业标准，用规范引导行业健康发展。规范市场管理，以市场为纽带，定期组织开展技术、信息、新产品推广应用等方面的交流，鼓励企业以产品质量、技术水平和诚信为竞争手段，制止恶性竞争。其次是打破固步自封的门户，走联合兴旺发展的道路（避免单个企业在互相竞争中自相残杀）；进一步在全国范围内强强联合，短时间内迅猛扩充实力；然后共同组建一支能够抵御外国石材产品风浪冲击的航母战舰。1.4石材加工机械的发展趋势石材机械与石材加工工艺密切相关。近30年来，国家石材开采与加工业的持续发展带动了石材机械制造业的兴旺。无论是研制我国的石材机械，还是引进国外的石材机械，都必须了解国际石材机械的发展趋势，以期增强我国石材工业与国际竞争的能力。⑴异型石材加工机械走向电脑化石材的异型加工若人工或单工序机械加工，则劳动量大、生产效率低、抛光成本高，难于满足质量要求，而且运用金刚石工具损耗快。所以一些工业发达国家采用了装有金刚石铣刀的仿形铣床加工异型石材制品。其优点是一次夹装可完成多工序作业，加工质量高，很适宜加工复杂的轮廓；缺点是只能单件生产，而且对金刚石铣刀的技术要求很高。

目前异型石材加工机械有向电脑化发展的趋势，从产品设计、工序操作到生产管理都使用了电脑，可以得心应手地加工各种异型石材制品。⑵石材面砖加工机械实现多片式锯片加工加工石材面砖最常用的方法是用钢砂锯将石材荒料锯切成所要求厚度的大板，经过磨机磨光后用桥式切机锯切成方块。但是现代先进的生产方法已改为采用多片式圆锯片锯机将一定规格的石材荒料锯切成一定宽度的薄板，用水平锯切机锯切成板条后再用横切机锯切成方块。用这种方法生产效率可大为提高，而生产成本大幅度降低。据估计目前全世界约有500～600台多片式圆锯片锯机在使用[13]。现代建筑的设计和施工方法都迫切需要重量轻的建筑材料，特别是外墙面砖的重量应尽量轻。90年代初，为了生产超薄石材面砖，意大利研制成功M570型切片机。这是一种串列式多片圆锯片锯，装有14片金刚石圆锯片，直径由小到大顺序排列在一空间平面上，可以说这是当前生产薄型石材面砖最先进的设备。⑶荒料石板加工机械趋向大型、自动化将石材荒料锯切成板材，常用的机械有：框架锯、圆锯片锯和金刚石串珠绳锯等。

①框架锯

当今明显的发展趋势是自动化和大型化，锯切工艺参数可在一定范围内自动调节，连杆行程实现不停机自动补偿。框架锯的锯切过程是非连续性的，因而锯切速度不可能快，一般不超过2米／秒，所以提高生产效率的途径之一就是向大型化发展，增加每批次的锯切数量。目前世界上最大的框架锯一次可生产120块板材。

②圆锯片锯

广泛用于锯切各种石材，它的锯切速度很快，但锯切深度受到锯片直径的限制，一般不超过直径的1/3。1997年德国研制成功直径达5米的圆锯片芯片，据称是世界上最大的。据预测，在未来5年内，国际上多片式圆锯片将以每年200台的速度增长。

③单道金刚石串珠绳锯

有多种结构，锯切速度可根据不同的石材在30～40米／秒之间调节，可锯切特大块的荒料，高度达2米，宽度5米，长度不限。由于金刚石串珠绳比钢丝绳加磨料锯切法用的钢丝绳短得多，厂房占地面积小，工作噪音也较小，因此这种锯切方法在国外已推广。第二章雕刻机工作原理2.1雕刻机总体构成2.1.1设备构成此次设计的雕刻机是参照国内外同类产品，在现有的基础上，扬长避短，而设计出来的。该机在整体上采用全自动雕刻头位移定位，微电脑控制，有操作简便、雕刻精度高、性能稳定等特点。可完成高精度大小规格的花岗岩、大理石板材的雕刻,雕刻头运动控制采用步进电机控制，主要参数如表2-1所示.表2-1主要参数工作台尺寸主轴转速主电动机功率横向电动机功率纵向电动机功率垂直电动机功率耗水量重量相关参数3040x1900mm20000r/min1.5KW1KW1KW1KW2M3/h约2000Kg该机在整体结构的主要零部件有底座基础体、纵向导轨支撑体、横梁支撑件、横向及垂直运动导向块、工作台、控制箱、电源柜等组成。其中底座上安装有螺栓，纵向导轨支撑体通过螺栓与基础体固定在一起，并保持一定的平行度和水平度。与纵向导轨同长的丝杠通过丝杠两端的轴承及轴承座和提供动力的步进电机固定在纵向导轨支撑体上。横梁支撑件为铸铁整体铸出，在铸件的俩侧与纵向导轨相连接，电机轴伸出端在支撑件外部，通过联轴器与滚珠丝杠连接，并通过丝杠两端的轴承放置在支撑架上，电机通过防护罩固定在支撑架外部。垂直及横向运动由一个整体的连接块提供导向及支撑，连接块连接于横向运动丝杠上并通过两根光杠固定，在连接块的上面安装另一组步进电机及丝杠、光杠等提供雕刻电机的垂直运动。（如图2-6所示）该机分为主运动系统、横向进给系统（X向）、纵向进给系统（Y向）、上下进给系统（Z向）、工作台和控制系统六大部分。该机工作简图如图2-1所示：1.底座2.螺栓M123.导轨4.螺栓M85.上臂支架6.螺栓防护罩8.密封圈9.导轨端盖10.轴承端盖11.螺栓M812.导轨端盖13.轴承14.滑动导轨15.滚珠丝杠16螺栓M617.综合导块18.步进电机19.螺栓M820.连接板21.螺栓M822.联轴器23.步进电机24.沉头螺钉25.螺栓M526.挡水板27.螺栓M528.工作台29工作台支撑板30.螺栓M8图2-1工作简图2.1.2工作原理机器工作时，电主轴转动雕刻头随之转动，主轴带动雕刻头高速雕刻工作台上的工件。纵向的进给运动是由电机连接滚珠丝杠通过螺母与横梁支架连接带动雕刻头纵向运动,导轨则提供支撑使其平稳运动。横向的进给运动是由电机连接滚珠丝杠通过丝杠螺母与导块连接,电机转动时导块横向运动,最终实现雕刻头的横向运动。垂直方向的运动也同样以步进电机带动丝杠的方式实现雕刻头的垂直运动。整机的运动是在PLC的控制下进行的，进而实现了对工件加工的连续性和自动化。2.2运动系统2.2.1主运动系统简图图2-2主运动系统简图2.2.2工作原理工作原理：主电机转动带动雕刻头旋转，从而实现雕刻加工。2.3传动系统2.3.1升降系统简图1螺栓M82.轴承端盖3.轴承4步进电机5键6螺栓M57滚珠丝杠8升降块图2-3主传动升降系统简图2.3.2横向传动系统简图1.横梁支架2.轴承端盖3.滚珠丝杠4.滑动导轨5.导块6.联轴器7.步进电机2-4横向传动系统简图2.3.3纵向传动系统简图1.导轨挡块2.螺栓M123.导轨4.丝杠螺母5.导轨滑块6.轴承7.联轴器8.螺栓M89.步进电机图2-5纵向传动系统图图2-6装配图2.4控制系统由于机床要实现X、Y、Z三个方向的进给运动的控制，因而采用工业上通用的PLC控制系统对机床进行控制。可编程控制器PLC是针对继电器逻辑控制器系统复杂、故障率高等致命缺点而发展起来的可编程智能型控制器，目前已经成为工业设备的重要控制手段。可编程序控制器是以微处理器为核心，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术，用面向控制对象、面向控制过程的“自然语言编程，简单易懂、操作方便、适应工业环境、可靠性高的新一代通用工业控制装置,是现代工业控制的三大支柱。虽然因PLC本质上是一台微型计算机，具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有较大不同，具有一定的特殊性。PLC的CPU是不能并行的进行多个操作的，它只能按分时操作的原理，每一时刻只执行一个操作，随着时间的延续，一个操作接着一个操作地顺序执行，这种分时操作过程称CPU对程序的扫描[18]。2.4.1PLC的特点(1)可靠性高、抗干扰能力强PLC往往工作在环境非常恶劣的工业现场，要求其具有很长的平均无故障间隔时间。。所有的特殊设计使PLC的平均无故障间隔达5万10万小时[17]。(2)模块功能强、品种多如常用的开关量输入输出模块，其负载电源有110VAC、220VAC、5VAC、24VAC。信号形式有无源输入和有源输入，继电器输出和晶体管输出。而模拟量输入输出模块，其信号规格有0-5V、1-5V、0-20mA、1-20mA等，各路间有隔离的和非隔离的。还有RTD模块（可直接利用pt100或热电偶进行测量），通讯模块和其他智能模块。这就可以很方便的将PLC与各种不同的继电器、接触器、电磁阀，各种传感器及一次仪表顺利连接，组成应用控制系统[21]。(3)适应性强、使用面广由于PLC产品已系列化、模块化，不仅具有逻辑运算、定时计数、顺序控制等功能，还具有A/D与D/A转换、数学运算和数据处理等功能。(4)编程方法简单直观易于编写、易于调试,可进行在线编辑、修改。(5)体积小、重量轻、功耗低由于PLC内部电路主要采用半导体集成电路,具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点。2.4.2PLC的功能(1)开关量控制——替代传统的继电器；(2)模拟量控制——可利用各种A/D和D/A转换模块实现；(3)定时控制与计数控制；(4)高级控制——可满足各种步进控制的要求，可实现可变速定位运动、强制定位运动和各种调整运动，可实现单轴转动、多轴联动的运动控制；2.4.3PLC的应用⑴开关量的逻辑控制⑵过程的闭环控制这方面的应用是指包含了模拟量输入输出的控制。P也可用专用的智能PID模块的硬件方法来实现。⑶运动控制PLC可用于对直线或轴运动的控制。2.4.4常用的PLC技术参数⑴存储器：1～64KB。⑵中央处理器位数：8～32位。⑶扫描速度：0.75～22ms/KB。⑷使用环境温度：0～60度。⑸使用环境湿度：0%～95%无凝露。⑹编程语言、梯形图、命令语句表达式等。⑺通信，局部地区网络（LAN），远程I/O，RS-232接口。本系统采用日本松下电工FP2系列PLC作为控制器，为了满足实际需要，分别配以位控单元、A/D模块、D/A模块、16位继电器输出模块和64位普通I/O口输入模块。第三章石材雕刻机的总体设计3.1电动机的选择计算3.1.1主电动机的选择计算由于雕刻头高速旋转切削大理石板材，但雕刻力并不大，故需电动机功率不是很大，依据设计要求，并参考同类雕刻机的主电动机的功率的选择，此机床选用的主电动机的型号是RH80D-1.5/16，如图3-1所示。图3-1电主轴3.1.2步进电机的选择计算（1）纵向进给机构步进电机选择由于横向进给机构受雕刻力的等因素的影响,进给速度变化由PLC控制步进电机的脉冲数来控制。需要参考同类产品并结合实际选择感应式步进电机90BYG001型[14]。其相关参数如表3-2所示。表3-2相关参数电压相数相电流最大静转距空载启动频率空载运行频率每相电感外形尺寸步距角相关参数24V43A353×10^(-2)Nm1000步/s1000步/s16mHΦ90×94，Φ80.9°（2）横向进给机构步进电机选择由于横向运动所须驱动的零部件较少，所需的的驱动力小于纵向进给机构。纵向进给机构选用70BYG001型步进电机。其相关参数如表3-3所示。表3-3相关参数电压相数相电流最大静转距空载启动频率空载运行频率每相电感外形尺寸步距角相关参数28V43A12.7×10^(-2)Nm1200步/s1500步/s8.25mHΦ90×94，Φ81.8°⑶升降机构步进电机选择升降机构由于由于没有雕刻力的影响，考虑到与横向相差不是很大，升降进给机构也选用70BYG001型步进电机。3.2运动机构的设计数控雕刻机的运动机构均采用步进电机提供动力，运动机构采用丝杠螺母副的形式，在设计过程中包括丝杠螺母副的选择设计、导轨的选择与设计、丝杠两端支撑轴承的选择[20]。3.2.1丝杠的选择设计（1）丝杠类型的选择[15]螺旋传动是用螺杆和螺母传递运动和动力的机械传动，主要用于把螺旋运动转化为直线运动，将转矩转换成推力。螺旋传动按螺旋副摩擦的性质不同，可分滑动螺旋传动、滚动螺旋传动以及静压传动，螺旋按其用途，还可分为传动螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型，我们主要采用螺旋就是为了推动横梁做纵向运动，为此我们主要应用传动螺旋，它以传递运动为主，常要求具有高的运动精度。一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高[16]。三种螺旋相比，滚动螺旋摩擦阻力小，传动效率高，一般在90%以上，运转平稳，起动时无颤动，底速时不爬行，螺母与螺杆经调整预紧后，可得到很高的定位精度（6um/0.3m）和重复定位精度（可达1至2um）并可以提高轴向高度，工作寿命长，不易发生故障等等，所以我们首选滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的核心是滚珠丝杠副，滚珠丝杠副是由丝杠、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转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。纵向运动机构中估取螺母、移动框架等所有作用于丝杠的结构总重100kg，换算成力为F=980N。①按载荷和转速均匀计算[11]计算载荷按公式3-1进行计算Fc=Kf·Kh·Kl·F（3-1）其中Kf为载荷系数，查得Kf=1.2；Kh为硬度影响系数，查得Kh=1.0；Kl为短行程系数，因行程螺母高度未定，初设计暂取Kl=1.3；∴Fc=Kf·Kh·Kl·F=1.2×1.0×1.3×980=1529N额定动载荷按公式3-2进行计算Ca’=Ca（3-2）其中Lh为使用寿命，查表17-36[11]，查得Lh=10000；n为转速，单位为r/min,取n=20r/min；∴Ca’===3.46N②按静载荷校核计算静载荷按公式3-3进行计算Cca=Kf·KH,·Fc≤Cca（3-3）其中KH,为硬度影响系数，查表17-34[11]，查得KH,=1.0；Kf为载荷系数，查得Kf=1.2；Fc为计算载荷，单位为N；∴Cca’=Kf·KH,·Fc=1.2×1.0×1529=1834.8N按表17-37[11]选择适当的滚动螺旋副的尺寸，同时考虑与联轴器配合轴段的尺寸，选择CDM6320―3，其基本尺寸如下：公称直径do=50mm；导程Ph=10mm；钢球直径Dw=5.953mm；丝杠外径d=54.8mm；螺纹小径d1=44.6mm；循环圈数2.5×2；额定动载荷Ca=41450N；额定静载荷Cca=132300N；图3-2滚珠丝杆副的结构图横向丝杠选择与纵向丝杠相同的参数,垂直方向丝杠参数如下:公称直径do=32mm；导程Ph=10mm；钢球直径Dw=5.953mm；丝杠外径d=32.8mm；螺纹小径d1=28.4mm；循环圈数2.5×2；额定动载荷Ca=24100N；额定静载荷Cca=52850N；（3）滚珠丝杠副的相关说明①润滑

为使滚珠丝杠副充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要为润滑脂润滑，润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3。②防尘

滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等），将丝杠轴完全保护起来。③滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项：

a)滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时在行程两端配置限位，以避免螺母约程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。

b)滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。

c)滚珠丝杠副正常工作环境温度范围±60℃。④安装

滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：

a)滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。b)滚珠丝杠安装到机床时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。3.2.2导轨的选择设计由于导轨位置和载荷的不同在设计中选用两种不同形式的导轨：滚动导轨和滑动导轨。⑴纵向导轨采用滚动导轨的形式，避免了使用滑动导轨带来的在重载荷下导轨磨损较快的缺点。滚动导轨有以下特点：①承载能力大，耐磨性好。②整体淬火硬化层深，接触强度高。③尺寸稳定性好。纵向运动导轨由两根平行的滚动导轨组成，导轨由螺栓固定在底座上，滑块与上臂支架连接，与丝杠一起起到导向与支撑的作用。纵向导轨由两根平行的滚动导轨组成，每个导轨上有两个划块，静止时只承受上臂重量，估算为100kg,。工作时由于雕刻头对工件有一个向下的力，导轨所承受的力变小，在进行选择设计时，以最大的力进行计算即可满足要求。导轨总受力为G=mg=100×9.8=980N每个滑块座的载荷值为F=F1+F2+F3+F4=1/4(G+F)=245N考虑机构的结构，选用GBB35AA型滚珠丝杠,其参数为导轨副尺寸H=33mm,W=48mm;导轨尺寸d×D×H=9×14×12额定动载荷C=35.1KN额定静载荷Co=47.2KN⑵滑动导轨的选择设计在设计中用到了两组滑动导轨，横向运动中用两跟直径为30mm，长度为1340mm的导轨，材料为HT200。在垂直运动中导轨只起导向的作用，因此不受其他外力作用。所以选用材料HT200，直径为25mm，长度为290mm。导轨表面进行抛光处理，保证导向的精度。导轨两端要与支架相连，为了适应支架的结构所以在一端车出M30的螺纹，另一端用端盖固定。因为导轨要求一定的运动精度和耐磨性，所以采用HT200材料。铸出后导轨接触面要进行热处理。接触面进行磨削，使其粗糙度达到0.32μm。两导轨的平行度达到0.95mm。导轨支承件是起支承和固定导轨的作用，只受竖直方向上的力。其底部与底座基础相接，使支承件不可能断裂。选用HT200材料，结构如上图所示。两个导轨支承件的相对平行度要达到0.95mm。⑶润滑系统设计润滑方式和润滑装置从下面几个方面来考虑。①运动副相对运动速度：低速运动副采用黏度较大的润滑油。②载荷大小：运动副的载荷或压强大，应选用黏度大或油性好的润滑油。载荷小应选用黏度小的润滑油。低速重载荷运动副上，首先考虑润滑油的承载能力。③潮湿条件：在潮湿的工作环境里，或与水接触较多的工作条件下，选用抗乳化能力较强和防锈蚀性能较好的润滑油或有较强抗水性的润滑脂。④尘屑较多：应用润滑脂。根据以上原则，选择润滑方式和装置如下：滑动导轨：选用L-HG68号润滑油，在动导轨上安装润滑电磁泵。滚动导轨：采用脂润滑，选用锂基润滑脂。3.2.3轴承的选择选用滚动轴承，选择轴承的类型，应考虑轴承的工作条件、各类轴承的特点、价格等因素。纵向和横向丝杠支撑轴承所受轴向力较小，选用深沟球轴承，查表[16]初选型号为6210深沟球轴承：标准号码：GB/T276-1994类型代号：60000轴承基本代号：6210尺寸：d=50mm,D=90mm,B=20mm,r(min)=1.1mm,基本额定载荷：Cr=27.0KN,Cor=19.8KN；极限转速脂润滑时6700r/min,油润滑时8500r/min。垂直丝杠所受轴向力较大，用选圆锥滚子轴承，初选型号为30206型圆锥滚子轴承：尺寸：d=30mm,D=62mm,T=17.25mm,B=16mm；基本额定载荷：Cr=41.2KN,Cor=29.5KN；极限转速脂润滑时6000r/min,油润滑时7500r/min。第四章雕刻机的总体校核4.1滚动轴承的校核计算实际计算时，常用小时数表示轴承寿命,轴承寿命按公式4-1进行校核

（4-1）

式中ε为寿命指数，对于滚子轴承ε＝10/3，对于球轴承ε＝3；n为轴承的转速单位r/min；C为基本额定动载荷，单位N；P为轴承所受的载荷，单位为N；4.1.1深沟球轴承的寿命校核纵向丝杠上的拉力为F=1000×tan2.5=44N，分别由两个同类轴承传递，每个轴承的受力均为44/2=22N，载荷P和转速n已知，则所需轴承应具有的基本额定动载荷按公式4-2进行计算。（4-2）式中为预期计算寿命，单位为h，取=10000h；n为转速，单位为r/min；∵∴深沟球轴承满足设计要求。4.1.2圆锥滚子轴承的寿命校核估算连接块的重量，按公式4-3进行计算G=mg=ρvg（4-3）V=115×170×160-120×85×160-3.14×202×50=1433200mm3=0.0014m3G=mg=ρvg=7800×0.0014×9.8=107N电机和连接块总计重量为150N，载荷P和转速n已知，则所需轴承应具有的基本额定动载荷按公式4-2进行计算。式中为预期计算寿命，单位为h，取=10000h；n为转速，单位为r/min；∵∴圆锥滚子轴承满足设计要求。4.2螺栓的强度校核4.2.1校核丝杠螺母连接螺栓的安全性丝杠螺母连接螺栓选用M6螺栓，8.8级精度，数量为4个。丝杠螺母连接螺栓按公式4-4进行校核ds≥（4-4）[σ]=σs/n（4-5）其中ds为螺栓的直径，单位为mm；K为螺纹的拧紧系数，k=1.12～1.5,取K=1.3；Z为固定螺栓个数,Z=4；[σ]为螺栓材料的许用应力，单位为MPa；σs为螺栓材料的屈服极限,取σs=640MPa；n为安全系数,n=1.2～2.5,取n=1.5;∵ds≥=3.758mm＜6mm∴螺栓直径选用6mm满足要求，螺栓安全。4.2.2校核电机连接螺栓的安全性电机连接螺栓选用M8螺栓，8.8级精度，数量为4个。丝杠螺母连接螺栓按公式4-4和4-5进行校核ds≥[σ]=σs/n其中ds为螺栓的直径，单位为mm；K为螺纹的拧紧系数，k=1.12～1.5,取K=1.3；Z为固定螺栓个数,Z=4；[σ]为螺栓材料的许用应力，单位为MPa；σs为螺栓材料的屈服极限,取σs=640MPa；n为安全系数,n=1.2～2.5,取n=1.5;∵ds≥=3.37mm＜8mm∴螺栓直径选用8mm满足要求，螺栓安全。4.3滑动导轨的强度校核进行滑动导轨的强度校核计算时，应根据滑动导轨的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。通过滑动导轨的结构设计，滑动导轨的主要结构尺寸，滑动导轨上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定。当雕刻电机行至中央时，滑动导轨所受弯矩最大。4.3.1导轨受力简图图4-1导轨受力简图(1)估算导轨自重：截面积A=3.14×152=706.5mm2=0.0007065m2导轨重量G=A·L·ρ=0.0007065×1.2×7800=6.61㎏其中q为导轨自重，单位为N；P为雕刻头自重，单位为N；q=G·g/L=50N(2)估算雕刻头重量：G1=20㎏P=G1·g=200N因为有两根导轨,所以每根受力为F=P/2=100N4.3.2导轨弯距图图4-2导轨弯距图M1==30N/mM2=9N/mM合=M1+M2=39N/m4.3.3导轨的强度校核由于导轨在工作时只承受弯矩而不承受扭矩，应取T=0，所以弯矩在导轨截面上所引起的应力是对称循环变应力，导轨的强度按下式进行校核（4-6）（4-7）其中为导轨的计算应力，单位为MPa；M为导轨所受的弯矩，单位为N·mm；T为导轨所受的扭矩，单位为N·mm；W为抗弯截面系数，单位为mm3；为脉动循环变应力时的许用弯曲应力，，单位为MPa；为对称循环变应力时轴许用弯曲应力，单位为Mpa；∴=0.00147MPa≤∵滑动速度低的直线进给运动铸铁导轨许用压强如下平均压强:0.025～0.04MPa最大压强:0.05～0.08MPa∴导轨满足强度要求。4.4丝杠的校核丝杠滚道半径R=0.52dw=0.52×5.953=3.095mm偏心矩e=0.707(R-dq/2)=0.707×（3.095-5.935/2）=0.21mm螺杆内径d1=D0+2e-2R=50+2×0.21-2×3.095=44.6mm≈45mm丝杠长度l=1.2m4.4.1稳定性校核因为丝杠较长，所以稳定性的校核应该按求临界载荷Fcr=（4-8）la=（4-9）式中E为丝杠材料的弹性模量，单位为Gpa，对于钢E=206Gpa；μ为长度系数，取μ=1；la为丝杠危险截面的轴惯性矩；la===5.55∵Fcr===7.82×N≥2.5～4∴丝杠满足稳定性要求。4.4.2刚度校核按照最不利的情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形的方向是一致的。（4-10）T1=Fm（4-11）=3800=4.2Nmf为摩擦系数，取f=0.0025；p=10mm；G=83.3GPaD1=45mmE=2.1×PaT1=Fm=3800=4.2Nm∴==+==每米螺纹长度上的螺纹距离的弹性变形==11.12um/m≤=15um/m滚动螺旋可按照滑动螺旋（同等精度）选定，查表18—13[11]得出=15um/m，根据表18—25[11]，参照数控铣床螺旋的精度，选B（7）级。4.5键的选择和键联接的强度校核4.5.1键的选择键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则应按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸与长度L，键的截面尺寸B×L按轴的直径d由标准中选定，键的长度L一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或略短于轮毂的长度，所选定的键长应符合标准规定的长度系列。表4-1普通平键的主要尺寸单位：mm轴的直径d键宽b×键高h轴的直径d键宽b×键高h键的长度系列L主要尺寸＞10～12＞12～17＞17～22＞22～30＞30～38＞38～444×45×56×68×710×812×8＞44～50＞50～58＞58～65＞65～75＞75～85＞85～9514×916×1018×1120×1222×1425×1410，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70……根据d=40mm从表4-1中查得键的截面尺寸为：宽度b=12mm,高度h=8mm,由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L=40mm。4.5.2键联接的强度校核键的材料是钢，其许用挤压应力[σp]=100～120MPa,取[σp]=110MPa。键的工作长度l=L-b=40-14=26mm,键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.5×8=4mm。键联接的强度按下式进行校核σp=≤[σp]（4-11）其中T为传递的转矩，T=F×d/2,单位为N·m；k为键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h,单位为mm；l为键的工作长度，单位为mm；d为丝杠轴端的直径，单位为mm；[σp]为材料的许用挤压应力，单位为MPa；∴σp==97.8MPa≤[σp]∴键满足强度要求，键联接安全。第五章结论时光荏苒，现在我的毕业设计总算接近尾声了，通过这次对于雕刻机的设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，本文所设计的是雕刻机的设计，通过初期的方案的制定，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，