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文档简介

1、宠物标牌自助刻写机机械结构设计摘要目前小尺寸商业标牌的图案一般是平面图案,采用数控加工的方法制作具有立体效果的小尺寸商标牌,看起来会更加美观而高档,并且有利于长期保存。数控雕刻机克服了手工雕刻机不足,满足了社会发展的要求。本文的主要研究内容为在满足经济性和实用性的要求下设计一款小巧实用的宠物标牌自助刻写机,以供在商场等公共场所使用。本文主要涉及该雕刻机的机械结构设计,包括工作方式、丝杠和导轨等的设计、选择、参数计算,对于主要的零部件还要进行严格的校核。最后用 CAD 做零件图和装配图,完成整个设计。关键词:标牌,刻写机,结构设计IIAbstractAt present, most light-

2、sized business product label have been surface desiged. Light-sized lable made by numerical control processing will be more beautiful and Stereoscopic effect,and can be saved conveniencly. The numerical control engraving machine overcame insufficience of the manual engraving machine, has satisfied t

3、he social development request.The paper introduces a practical and economical engraving machine ,which will be used in the public places like market and so on. This article mainly involves this engraving machines mechanism design, including the working style, the guide screw and the guide rail and s

4、o on ,futhermore including the choice, the parameter computation, and the strict examination regarding the main spare part. Finally uses CAD to make the detail drawing and the assembly drawing, completes the entire design .Key words: product label,carve machine,structural design目录第一章前言1 1.1 本研究课题的学术

5、背景11.2 国内外雕刻机的发展现状及分类.21.2.1 雕刻机的发展.21.2.2 雕刻机的分类31.2.3 宠物标牌刻写机的现状41.3 课题研究的主要内容5第二章 宠物标牌雕刻机的整体结构设计6 2.1 宠物标牌刻写机的整体结构62.1.1 宠物标牌刻写机的结构特点62.1.2 宠物标牌刻写机的整体结构62.2 宠物标牌雕刻机的主运动72.3 宠物标牌雕刻机的进给运动 82.4 本章小结.9第三章 宠物标牌雕刻机机械结构设计10 3.1 滚珠丝杠副的选择 103.1.1 滚珠丝杠副结构原理 103.1.2 滚珠丝杠副特性103.1.3.滚珠丝杠副设计流程113.1.4 滚珠丝杠副支承方式

6、123.1.5 选取滚珠丝杠传动系统143.1.6 滚珠丝杠副的选择163.1.7 滚珠丝杠的结构213.2 步进电机的选择223.2.1 步进电机选择原则223.2.2 步进电机的选择计算 233.3 圆柱直线导轨的选择243.3.1 圆柱导轨主要性能指标24IV3.3.1 圆柱导轨副的选用 253.3.3 圆柱导轨的作用和设计要求 263. 3.4 圆柱导轨的结构设计273.3. 5 圆柱导轨刚度校核343.4 联轴器的选择343.4.1 联轴器选择原则343.4.2 联轴器选择过程383.5 雕刻刀具的选择403.5.1 雕刻刀具选择原则403.5.2 雕刻刀具选择423.6 本章小结.

7、43第四章 宠物标牌自助刻写机设计装配44 4.1雕刻机丝杠装配444.2 雕刻机底座装配454.3 总结.45第五章结论与展望 .47 5.1 结论 475.2 技术经济行分析 475.2.1 市场现状475.2.2 市场前景475.3 对进一步研究展望 .48参考文献 .49致 谢65声 明66第一章 前言1.1 本研究课题的学术背景及基本理论雕刻技术在我过国古已有之,而且经过千百年的发展早已达到很高的水平,其中的艺术水平和雕刻技术早已成为中华民族的瑰宝,广泛应用与社会的各个领域, 尤其是标牌制作1。在现代社会,商业日益发达,商业活动中的一些商业标牌显得日趋重要,如大型活动会徽,宾馆酒店等

8、活动场所的标牌,工作人员佩戴的胸牌,商品上配有的商标牌等。图l一1 是几种比较典型的商业标牌。图 1-1 几种典型的标牌像这些美观的商业标牌,有的镶嵌在商品上,有的摆放在桌子上,有的挂在门旁,有的佩戴在胸前,能够起到实用性作用、装饰性作用或很好的广告效果。但随着社会的飞速发展,科技水平的不断提高和材料种类的增加,手工雕刻早47已不能满足社会的需要,主要表现在一下三个方面2: 1、大量生产:由于社会需求的增加,手工雕刻已经不能满足批量生产的要求。2、高精度及产品的一致性:手工生产毕竟京都有限不能满足一致性的要求,所以不能满足人们日益提高的使用要求。3、材料的适应性:随着各种生产资料的不断出现手工

9、雕刻也不能适应各种材料的要求,材料的特性不同,所需要的加工加工强度各异。目前小尺寸商业标牌的图案一般是平面图案,多采用印刷方法制作或激光加工刻画。若采用数控加工的方法制作具有立体效果的小尺寸商标牌,看起来会更加美观而高档,并且有利于长期保存。数控雕刻机克服了手工雕刻机不足,满足了社会发展的要求,并且有着广阔的应用前景。随着计算机技术,电机技术,机械技术等各个学科技术的发展,数控雕刻的发展趋势有3:1、高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。采用了高速 CPU 芯片、直线电机伺服系统,同时采取了改善雕刻机动态、静态特性等有效措施,雕刻机的高速高精高效化将大大提高。2、多样化数

10、控雕刻的多样化是指雕刻机的专业化和集成化。数控雕刻加工应用范围广, 对每种应用,加工工序不同,以及进料方式的不同,要求有专业的雕刻机,来提供用户的加工效率,产生专业雕刻机:同时数控雕刻机将集成加工中心的功能,形成小型高速加工中心。1.2 国内外雕刻机的发展现状及分类1.2.1 雕刻机的发展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:“其用胶泥刻字, 薄为钱唇,每字为一印,火烧令坚”。这里的刻字应属于刻的范畴。随着时代的发展,我国的雕刻艺术日益精深,玉雕、象牙雕、红雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝5。上世纪

11、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,可谓雕刻使用范围无处不在。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 ZD 一 2.5D 一 3D 加工的变革,功能完

12、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。国外的雕刻机,如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者,但价格非常昂贵。不管大小都在 10 万圆人民币以上;近几年国内的雕刻机, 北京“精雕”、上海“啄木鸟”在国内也有一定的市场,但价格也不菲。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。1.2

13、.2 雕刻机的分类目前,雕刻机主要有仿形雕刻机和计算机数控(CNC)雕刻机两大类,以完成有互换性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。计算机数控(CNC)雕刻机按驱动电机分类, 可分为步进电机驱动的计算机数控雕刻机和伺服电机驱动的计算机数控雕刻机。后者精度较高,但控制复杂成本也较高。按运动坐标类型进行分类,分为三坐标CNC雕刻机和五坐标雕刻机。按雕刻机结构进行分类,分为立式CNC雕刻机、卧式CNC雕刻机和龙门CNC雕刻机等6。目前市场上使用的雕刻机的种类主要有以下四类: 1、数控三维雕刻机这种雕刻机在市场上较为少见,只有在我国南方的一些大型加工中心才有使用,因其价格昂贵,所以只被用来加工高精度的模具。

14、2、大功率激光雕刻机这种雕刻机的特点是功率大,精度高,加工面积大,基于上述特点,此类雕刻机在广告制作领域有一定用武之地。3、普通激光雕刻机普通激光雕刻机是指功率在 10-100W 的雕刻机此种雕刻机的特点是既可以雕刻又可以切割,并且可以根据不同的材料和制作要求,雕刻出复杂的图案。4、电脑雕刻机电脑雕刻机是在原来手工雕刻机的基础上发展出来的。其主要特点是可以换具,还能根据自己的制造需求制作刀具,所以大大提高加工的实用性。1.2.3 宠物标牌刻写机的现状根据对行业进行采访所了解到的信息,标牌制作行业的前景应该是乐观的。伴随着经济的发展,广告业正保持着相当高的增长率,与之息息相关的广告标牌业, 其市

15、场空间也是空前巨大。并且随着科技的进步,毫无疑问,在不久的将来,更多的新技术和新工艺将会应用到其中,这又将产生更多的商机。标牌制作行业的发展,不能不回顾我国标牌制作行业所经过的历程。自 20 世纪 20年代末,我国上海首先制作铜质标牌以来,已经经历了 80 多年的历史。在 20 世纪50 年代前后,标牌的生产一直停滞在作坊式的模式,50 年代的末期在一些国营大厂为了给自己的产品配套,才逐步建立起专业性的生产车间,在相当长的一段时期内,标牌的工艺一直停留在胶膜染色和蚀刻喷漆的工艺过程中。标牌的应用领域大多局限在机器产品的标牌、仪表表盘和单调的仪器面板7。20 世纪 60 年代时期,得益于主席纪念

16、章的制作,全民敬献忠心,使像章的制作水平不断提高,一些铝表面的氧化着色技术、透明涂料技术及升华转印技术、瓷像烧制技术等都给标牌日后的制作奠定了基础。20 世纪 70 年代初,随着电子工业的发展,我国的部分电子整机产品也竞相出口。在这一段时期内,标牌的装饰技术在电子行业的推动下,日益受到重视,开始运用了以阳极氧化、二次氧化为代表的多种金属表面的处理技术。同时网印技术、胶版印刷技术等一些较好的图文制作技术也逐步得到应用与提高,在这一段时期内新的光源取代了碳精灯;照相干版代替了湿片;重氮感光片可用于拷片翻版;植字机代替了手工绘稿;连晒机改变了分步重拍;刻图红撕膜、预涂 PS 版、预涂感光抗蚀膜、重氮

17、感光胶等一大批标牌工艺中的基础材料得到发展,使标牌的制作上了一个新的台阶。20 世纪 70 年代后期,我国电子行业已引进了国外的标牌装饰工艺生产线,不仅促进了标牌工艺的发展,而且推动了标牌专用设备的制造。电子工业部所属的建新、建昌两大工厂相继生产了多种标牌装饰工艺所用的专用设备,使标牌工艺步入机械化作业的时代。在石材、铜、铝、有机玻璃、木材等上面进行文字、图案的雕刻加工, 传统的主要方法是手工雕刻。这种加工方法不仅劳动强度大、效率低、精度低, 而且成本高、生产周期长, 无法满足批量生产的要求。金属标牌的加工, 现在常用的一种加工方法是腐蚀加工, 该加工方法不仅造成环境污染。而且损害操作人员的健

18、康。因此在标牌加工和广告行业非常需要一种加工效率高、质量高、功能强、对环境无污染的全自动雕刻机。为此我们研制了一种三坐标数控雕刻机, 以适应各种标牌的文字(包括反字、常规字、轮廓字、凹字、凸字、名人或书法家的题字等) 和图案(线条明晰的图画) 的雕刻加工。1.3 课题研究的主要内容在满足经济性、精度、速度的要求下完成宠物标牌自助刻写机的机械结构设计。主要包括主要零部件的选型、设计、计算,以及刻写机的运动方式的选择。对于主要零部件还要进行强度和刚度的校核。第二章 宠物标牌刻写机的整体结构设计2.1 雕刻机的整体结构设计2.1.1 宠物标牌刻写机的结构特点经济型刻写机是指既具有普通的功能和特点,又

19、能够通过简化机械结构等方式降低产成本的雕刻机。经济型雕刻机总体布局的基本要求有以下几点:1、必须满足加工范围、工作精度、生产率和经济性等各种要求;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、热变形和噪声水平;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;能够确保安全;5、结构简单,合理可靠,便于加工和装配;6、体积小,质量轻,节约原材料,降低制造成本,缩小占地面积,外型美观大方。2.1.2 宠物标牌刻写机的整体结

20、构8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。现在市面上流行的小型雕刻机工作台主要有两种。第一种工作方式如图2-1 所示工作台只作Y 方向的移动,而刀具作X 方向和Z 方向的移动。第二种工作方式则如图2-2 所示工作台作X,Y 方向的移动,而刀具只作Z 方向的移动9。结构1 的优点是制作容易,结构稳定。但由于工件随工作台移动,所以不能加工太重的工件,而且雕刻机尺寸不能

21、太大。结构2 虽然制作也较容易,然而稳定性要比结构1 差很多。由于本次设计对机械部件结构的要求就是要小而轻便,加工工件的质量也是比较轻,因此选用结构1。在该结构中,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制造,防护件用塑料件制造,用标准的紧固件和定位销连接。图 2-1 工作方式 1图 2-2 工作方式 22.2 宠物标牌刻写机的主运动10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

22、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。由于步进电机具有以下特点:1、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。2.3 雕刻机的进给运动1114本设计采用的刻写方式是:雕刻刀具只做高速旋转和 Z 方向的进刀、退刀运动, 而 X-Y 工作台带

23、动工件作 X,Y 方向的进给运动,这两个方向的基本运动方式如下: 由步进电机的转动带动丝杠的转动,带动了刀具的移动,从而实现某个方向(X 或 Y 方向)的进给运动。在 X,Y 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。由前所述,采用横梁固定、工作台移动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;工作台在底座上移动(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以下特点: 1、传动效率高;2、运动平稳;3、传动可逆性;4、可预紧;5、定位精度和重复定位精度高;6、同步性好;7、使用寿命长;8、使用可靠,润滑简单,维

24、修方便。因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。步进电机通过同步带和滚珠丝杠副连接,可选择合适的传动比和隔断电机振动,使保证运动的传递平稳,结构较为紧凑。由于滚动直线导轨副具有以下特点: 1、摩擦系数小,运动灵活。2、动、静摩擦系数基本相同,因而启动阻力小,且不易发生爬行。3、可以预紧,刚度高。4、寿命长。5、定位精度和重复定位精度高。6、使用可靠,润滑方便。因此各运动链中支承件均采用滚动直线导轨副。2.4 本章小结目前雕刻机的设计和制造技术已相当成熟,各种零部件质量也相当稳定。基本上都是结合速度、力量、准确性、灵活性和可靠性为一体,可进行雕刻、凿割、切割和刻绘等操作。接口先进,兼容目前世界流行

25、的美工、标牌设计软件,可直接驱动或将设计好的文件输出。可在钢、铜、铝、木材、有机玻璃、塑料、人造大理石、及时贴等不同材料上雕刻。雕刻机的设计总体上有以下几个要求: 1、采用造型艺术化,简洁明快,方便实用。2、采用机电互补方式,简化产品结构。3、主体采用框架式结构,简化设计过程。4、关键部件采用专业厂家生产的部件,保证产品质量。5、采用机电一体化关键技术,实现产品的智能化。6、符合系统设计评价的各个项目,适应市场需要。第三章 雕刻机机械结构设计15193.1 滚珠丝杠副的选择3.1.1 滚珠丝杠结构原理滚珠丝杠是一种高效进给丝杠,其滚珠在丝杠丝杆轴与螺母之间滚动。与传统滑动丝杠相比,本产品驱动扭

26、矩最大仅为其三分之一,极为适合用于节省驱动电机功率。滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠,使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时,带动滚珠沿螺纹滚道滚动9。3.1.1 滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠传动的机构如图3-1 所示。螺母上装有返向器,与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为要滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合,可设置预紧装置。为延长工作寿命,可设置润滑件和密封件。图 3-1 滚珠丝杠传动机构滚珠丝杠副的滚珠循环方式分为内循环、外循环两种,内循环,珠在循环过程中始终与丝杠表面接触;外循环,滚珠在循环过程中,有一段离开丝杠表面。3.1.2 滚珠丝杠副特性滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒

27、介的滚动螺旋传动的体系。具有以传动效率高、运动平稳、高精度、高耐用性、同步性好、高可靠性、无背隙与预紧、不自锁、经济性差成本高。3.1.3 滚珠丝杠副计算流程丝杠许用轴向负载的选定螺母类型的选定刚度的选定螺母刚度的选定丝杠刚度的选定磨削丝杠滚珠丝杠图 3-2 所示为其对数控激光雕刻机的传动系统选择滚珠丝杠的过程。精度等级选定实用条件导程的选定公称直径的选定临界转速的选定支承方式的选定刚度的验证支承刚度的选定轴向总刚度的选定精度等级的验证寿命的选定电机的选定防尘、润滑驱动转矩的选定驱动转矩的验证图 3-2 滚珠丝杠副的选择流程3.1.4 滚珠丝杠副的支承方式滚珠丝杠的支承主要有以下四种,由于支承

28、方式不同,使容许轴向载荷及容许回转转速也有所不同,客户应根据自身情况适当选择。图 3-3 为 固定-固定方式,此种支承方式的特点:图 3-3 固定-固定、丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高,适用于高转速、高精度。、结构复杂,两端轴承均调整预紧,丝杠的温度变形可转化为推理轴承的预紧力。、轴向刚度最大。、适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装。、适用于较长的丝杠安装。、进行预拉伸后可减少丝杠自重变形和补偿热膨胀,使刚度更高。用于高精度高刚度的工作环境。图 3-4 固定-支承图3-4为固定-支承方式,其支承方式的特点: 、丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高,适用于中等回转速度。、结构稍复杂。、轴向

29、刚度大。、适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠的安装。、丝杠有热膨胀的余地。推力球轴承应安置在离热源较远的一端。图 3-5 为支承-支承方式,其结构特点:图 3-5 支承-支承(1)结构简单。(2) 轴向刚度小。(3) 适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠的安装。(4)对丝杠的热伸长较敏感。(6)可以根据预计温升产生的热膨胀量进行预拉伸。适用于中等转速,中精度。图 3-6 为固定-自由方式,其结构特点:图 3-6固定-自由、结构简单。、丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。、轴向刚度较小。、适用于较短的滚珠丝杠的安装和垂直的滚珠丝杠的安装。刚度,临界转速压杆稳定性都较低。 适用于低转速,

30、中精度,短轴向丝杠。3.1.5 选取滚珠丝杠传动系统如图3-7 所示,其结构为数控雕刻机所选用的传动系统滚珠丝杠。其传动比设为1,我们把雕刻过程中分为快速移动,精细雕刻,一般雕刻和强力雕刻等四种工作情况,其各自的雕刻时所用的参数,如下面的表3-1 和表3-2 所示。图 3-7 滚珠丝杠传动系统说明图 W 工作台重量+工件重量磨制丝杠(右旋)轴承到螺母间距离(临界长度): ln = 800mm固定端轴承到螺母间距离 : Lk = 800mm设计后丝杠总长 L:L = 1000mm最大行程 S:S = 1000mm工作台最高移动速度:Vmax = 14(m / min)寿命定为 :Lh = 240

31、00工作小时m = 0.(1 摩擦系数)电机最高转速 :nmax = 1800(r / min)定位精度:最大行程内行程误差 = 0.035mm 300mm 行程内行程误差 = 0.02mm根据我们对以上丝杠的支承方式的概述,在本次设计中我们选择了支承方式为(固定支承)其结构如图3-6 所示。W = 1241kg+0kg (工作台重量+工件重量)g=9.8m/sec2(重力加速度) I=1 (电机至丝杠的传动比)F w =W g = 0.120419.8 2000 N(摩擦阻力)从已知条件得丝杠编号:此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求,所以螺母选形为:FDG(法兰式双螺磨制丝杠)从定位精度得出

32、精度不得小于P4 级丝杠: 导程pvnI 3.9(mm)(3-1)h0max max在此为了安全性考虑:Pho =(mm) 平均载荷3 F3n1q11n100+ F 3n2q22+ F 3n3q3+ F 3n4q4mn1003mn1004mn100mFm = 3902N (3-2)额定动载荷以一般雕刻时确定 f w取 1.4L310 6Ca = Fm f w 5836 N(3-3)3.1.7 滚珠丝杠副的选择本设计采用深圳市赛瑞德精工机械技术有限公司提供的G 系列滚珠丝杠副(滚珠内循环 固定反向器 单螺母),见图 3-8。其具体性能指标如下表 3-1 滚珠丝杠技术参数 1 和表 3-2 滚珠丝

33、杠技术参数 2:图 3-8 滚珠丝杠表 3-1 滚珠丝杠的技术参数 1丝杠代号公称直径基本导程丝杠外径丝杠底径循环圈数G2004-3d020Ph4d119.3d317.3n3表 3-2滚珠丝杠技术参数额定载荷 N刚度 N/um 螺母安装尺寸油杯口动载荷C0静载荷C0a KcDLBD1D412hM58361612732760401136485.8106M6X,Y,Z 轴的丝杠精度等级为 4。滚珠丝杠副轴头尺寸如图 3-9 滚珠丝杠轴头:图 3-9 滚珠丝杠轴头滚珠丝杠的整体机构如图 3-10 丝杠设计:图 3-10 丝杠设计表 3-3丝杠支承端技术参数丝杠公称 固定端轴径尺寸支持端轴径尺寸直径

34、d0d1Md2l1l2l3d3d4l4l5l62015M15X1 12204112151.31412.11.154表 3-4轴承端型号固定端轴承型号支持端轴承型号72026201从丝杠轴向总刚度的问题上来讲,丝杠的刚度有时比螺母的刚度重要,最佳提升刚性的方法是提高丝杠的刚度,而不是在螺母上施加太重的预紧载荷(预紧载高为额定动载荷的10%),如果将丝杠的安装方式改为(固定-固定)式,轴向总度最小刚度R tot 305N/m 、总弹性变形量(单边)s=6.7m 。丝杠公称直径公称直径由允许工作转速与工作容许轴向载荷来推算得出。临界转速及允许工作转速:nkper 0.8nk(3-4)得出:以安装形式

35、确定f nk 取18.9。nk nkper / 0.8n = f d 2 10 7 d= k n L N(3-5)Lknk2n2= 13 .7 mmf nk 10 7可知丝杠螺母底径大于13.7当Pho=10(mm)、最高转速达到1400(r/min) 时,系列表中适合的公称直径d 0 32mm 。上述由额定动载荷Ca 求得的公称直径d 0 = 40 32mm直径还应加大。,满足条件,否则公称滚珠丝杠系统之间各元部件(丝杠、螺母、支承轴承),在此设为:0.04mm。此时滚珠丝杠系统各元部件单边弹性变形量为:0.02mm。 此时为快速移动时的轴向载荷2000N。丝杠刚度当Lsl =Lk ,Rs

36、为最小,一般情况下计算最小刚度值。(d - 0.707 D )2(3-6)R = 165 0W= 154N/mmLSs1d = Fa / Rs= 11.4mm(3-7)螺母刚度在此预紧载荷为额定动载荷的10%,螺母刚度从表中查出 R=2128N/m 从表中查出额定动载荷Ca=4824N,在此取0.1。d nu= Fa/R nu= 1.3mm(3-8)支承刚度支承轴承刚度R al 可从轴承生产厂产品样本中的查出。R al= 1020N / m m(3-9)d al= F a/ R al= 2000/1020 2 m m轴向总刚度1Rtot= 1 +Rs1Rnu+ 1Ral(3-10)R tot

37、138 N/m性总弹变形量(单边)合格。14.7m 20m从丝杠轴向总刚度的问题上来讲,丝杠的刚度有时比螺母的刚度重要,最佳提升刚性的方法是提高丝杠的刚度,而不是在螺母上施加太重的预紧载荷(预紧载荷最高为额定动载荷的10%),如果将丝杠的安装方式改为(固定-固定)式轴向总刚度的最小刚度 Rtot 305N / mm 、总弹性变形量(单边) 电机的选定驱动转矩F a 为快速移动时轴向载荷2000N。d s = 6.7mm 。M ta=Fa ph0 3.5M.m 2000 P h(3-11)F a 为一般雕刻时轴向载荷 7000N。M ta=Fa ph0= 12.4Nm 2000 P h(3-12

38、)由预加载荷而产生的转矩在此 K p 取 0.18M te= Fa 0 ph 0 k p2000 P= 1.4Nm(3-13)在精确设计中要考虑各方面的转矩(如:加速度时之负载转矩及马达所负荷的总惯性矩等)。检校丝杠理论容许轴向载荷,以安装形式确定f FK 取20.4Fk =f FK d / Lk 2 104 1870N(3-14)丝杠工作容许轴向载荷FKZU 1 = FK / 2 = 1870/2 = 935N(3-15)最大轴向载荷小于丝杠工作容许轴向载荷,合格。临界转速以安装形式确定取18.9允许工作转速nk =f nk d 2 / Ln 2 10 = 4449r/min(3-16)nk

39、per 0.8 nk = 3559r / min(3-17)最大运动转速小于允许工作转速,合格。3.1.7 滚珠丝杠的结构轴向反向结构 如图 3-11 所示。图 3-11 丝杠的轴向反向结构图内循环返向结构 如图 3-12 丝杠螺母结构图所示。图 3-12 丝杠螺母结构图对轴进行了结构设计,并按弯扭合成应力法和疲劳强度计算法进行了强度校验计算。在此基础上按相对当量弯矩法进行校核计算,从而判断轴系结构设计是否合理,以便是否进行修改。3.2 步进电机的选择3.2.1 步进电机选择原则步进电机是机电一体化产品中关键部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简

40、单等特点。广泛应用于机电一体化产品中,如:数控雕刻机、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。选择步进电机时,首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时,首先要计算机械系统的负载转矩,电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中,各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩 Mjmax 大的电机,负载力矩大。选择步进电机时,应使步距角和机械系统匹配,这样可以得到雕刻机所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量,一是可以改变丝杆的导程, 二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率,

41、不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时,应当估算机械负载的负载惯量和雕刻机要求的启动频率,使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量,使之最高速连续工作频率能满足雕刻机快速移动的需要。3.2.2 步进电机的选择计算选择步进电机需要进行以下计算: 1、铣削力的计算p f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 = 42.76a V 0.75 n -0.62 = 22.45N2、启动转矩的计算对于 4 级精度的

42、丝杠, h = 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 + mG)Ph /(2Dh ) 10= 0.0918N.M-33、步进电机的选择根据所需转矩,结合所查资料决定采用杭州日升电气设备有限公司的57BYG250C 步进电机作为本次设计所需的驱动电机。该电机的外观如图 3-13 57BYG250C 步进电机该电机的技术参数见表 3-5 步进电机的技术参数:图 3-13 电机的外观表 3-5 步进电机的技术参数:型号相数相电流 步距角 保持转矩 空载起动空载运行频 转动惯量重频率率量57BYG250C

43、 21.5A1.81.0N.M2KPPS2020KPPS0.23KGCM1KG其中 L=76mm。3.3 圆柱直线导轨的选择3.3.1 圆柱导轨主要性能指标通常,直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力和预期寿命选用。但由于直线导轨的寿命分散性较大,为了便于选用直线导轨副,必须先清楚以下 3 个重要概念。1、额定寿命所谓额定寿命是指一批相同的产品,在相同的条件及额定负荷下,有 90%未曾发生表面剥离现象而达到的运行距离。直线导轨副使用钢珠作为滚动体的额定寿命。2、基本动额定负荷所谓基本动额定负荷是指一批相同规格的直线导轨副,在负荷方向和大小均等的状态下,经过运行 50km 后,90%的直线导

44、轨其滚道表面不产生疲劳损坏(剥离或点蚀)时的最高负荷。3、基本静额定负荷所谓基本静额定负荷是指在负荷方向和大小均等的状态下,在受到最大应力的接触面处,钢珠与滚道表面的总永久变形量恰为钢珠直径 1210000 时的静负荷。4、精度等级由于在机械加工方面的精度要求愈来愈高,使得对加工机械上的重要零部件 直线导轨的精度等级划分也越来越细。一般直线导轨副的精度分为普通级、高级、精密级、超精密级和超高精密级 5 种。主要检测指标一般有 3 个,一是滑块 C 面对滑轨 A 面的平行度,二是滑块 D 面对滑轨 B 面的平行度,三是行平行度。所谓行走平行度是指将直线导轨固定在基准座平面上,使滑块沿行程行走时,

45、导轨与滑块基准面之间的平行度误差。不同的精度等级对应滑轨的行走平行度误差。5、预压力所谓预压力是预先给予钢珠负荷力,利用钢珠与珠道之间负向间隙给予预压。这样能够提高直线导轨的刚性和消除间隙。按照预压力的大小可以分为不同的预压等级。3.3.2 导轨副的选用通常,直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力和预期寿命选用。所谓使用条件主要是指应用何种设备、精度要求、刚性要求、负荷方式、行程、运行速度、使用频率、使用环境等因素。根据条件选择对应的合适产品系列。各个直线导轨的生产厂家都对其产品进行了合适的系列划分。具体的选用过程可以参考图3-14 导轨副选择流程图所示的顺序。开始使用条件设定选用合适的系

46、列产品选用精度等级计算滑块最大载荷选择预压力确认刚性计算使用寿命选择完成润滑选用图 3-14 导轨副选择流程在选用的过程中,可以根据计算结果随时返回到前面的步骤进行重新选择和设定。计算滑块最大负荷时要确认选用的直线导轨静安全系数应该超过推荐表中所列值(见表 3-6)。如果所选用的直线导轨副刚性不足,可以通过提高预压力,加大选用尺寸或增加滑块数来提高刚性。表 3-6 静安全系数使用表负载条件静安全系数下线一般负荷状况1.03.0受冲击、振动3.05.0注:静安全系数定义为静额定负荷与工作负荷的比值3.3.3 圆柱导轨的作用和设计要求当运动件沿着承导件作直线运动时,承导件上的导轨起支承和导向的作用,即支承运动件和保证运动件在外力(载荷及运动件本身的重量)的作用下,沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下:1、一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性,以及它与有关基面间的相互位置的准确性。2、运动轻便平稳。工作时,应轻便省力,速度均匀,低速时应无爬行现象。3、良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后,能保持一定的使用精度。导轨

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