三軸數(shù)控雕刻機設(shè)計含開題及7張CAD圖
三軸數(shù)控雕刻機設(shè)計含開題及7張CAD圖,數(shù)控,雕刻,設(shè)計,開題,CAD
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：三軸數(shù)控雕刻機設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：
1、原始數(shù)據(jù)（資料）：
本設(shè)計為三軸數(shù)控雕刻機，由計算機、雕刻機控制器、雕刻機主機三部分組成。工作原理：是通過計算機內(nèi)配置的專用雕刻軟件進行設(shè)計和排版，并由計算機把設(shè)計與排版的信息自動傳送至雕刻機控制器中，再由控制器把這些信息轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動步進電機或伺服電機的帶有功率的信號(脈沖串)，控制雕刻機主機生成 X，Y，Z 三軸的雕刻走刀路基徑。同時，雕刻機上的高速旋轉(zhuǎn)雕刻頭，通過按加工材質(zhì)配置的刀具，對固定于主機工作臺上的加工材料進行切削，即可雕刻出在計算機中設(shè)計的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實現(xiàn)雕刻自動化作業(yè)，完成了從 2D——2.5D 的加工要求。
雕刻從加工原理上講是一種鉆銑組合加工，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所要求的雕刻機的性能亦不相同。本項目的目的就是設(shè)計一種低價，高效，簡便的數(shù)控雕刻系統(tǒng)。
雕刻機設(shè)計的技術(shù)參數(shù)如下：
X,Y 軸行程：400x600mm Z 軸行程：150mm
最大運行速度：4m-5.5m/min 最大雕刻速度：2m-3m/min 雕刻精度：0.03mm/300mm
重復(fù)定位精度：0.05mm 最大進料高度：10mm
功率（不含主軸）：1.5KW 工作電壓：AC220V/50Hz 主軸功率：1.5KW
主軸轉(zhuǎn)速：0-24000rpm
工作方式：步進整機重量：100kg
脈沖當量：0.01mm/脈沖
2、畢業(yè)設(shè)計（論文）要求：
（1）、任務(wù)要求
根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書中三軸數(shù)控雕刻機技術(shù)要求，擬定雕刻機機械傳動方案， 完成機械關(guān)鍵零部件設(shè)計與計算、繪制裝配圖、和部分零件圖；完成以 MCS-51 組成的雕刻機控制器設(shè)計，繪制控制系統(tǒng)原理圖。 同時根據(jù)機械部分設(shè)計計算， 電機及關(guān)鍵零部件選型計算，控制系統(tǒng)芯片選擇等完成畢業(yè)設(shè)計設(shè)計說明書。主要任務(wù)如下：
①畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告；
②文獻綜述和外文翻譯；
③雕刻機裝配圖，部分關(guān)鍵零件圖，雕刻機控制器電氣原理圖；
④畢業(yè)設(shè)計說明書。
（2）、時間進度要求
序號
時間
周次
設(shè)計工作及要求
1
2021.3.22-2021.3.28
第 1 周
選擇畢業(yè)設(shè)計題目,領(lǐng)取任務(wù)書
2
2021.3.29-2021.4.4
第 2 周
查閱文獻資料，完成文獻綜述和外文翻譯。
3
2021.4.5-2021.4.11
第 3 周
撰寫開題報告及答辯
4
2021.4.12-2021.5.9
第 4-7
周
方案設(shè)計、計算及圖紙繪制
5
2021.5.10-2021.5.16
第 8 周
畢業(yè)設(shè)計中期檢查
6
2021.5.17-2021.5.30
第9-10
周
圖紙進一步繪制、論文編寫
7
2021.5.31-2021.6.6
第 11 周
論文查重、修改
8
2021.6.7-2021.6．13
第 12
周
指導(dǎo)老師與評閱老師評閱、答辯
畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：
1、設(shè)計圖樣要求：
設(shè)計原理正確，運用相關(guān)標準、查閱相關(guān)手冊，正確處理好圖、數(shù)字、符號、標準等的關(guān)系，圖樣完整準確?？傮w設(shè)計完整、圖紙表達清晰、標注采用國家最新標準；完成整機裝配圖紙設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)方案確定最優(yōu)化；完成部件圖設(shè)計及傳動系統(tǒng)設(shè)計；完成零件圖設(shè)計，完成雕刻機電氣原理圖設(shè)計。
2、畢業(yè)設(shè)計說明書：
設(shè)計依據(jù)可靠，參數(shù)選用合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計強度及剛度校核、計算準確，內(nèi)容完整，中英文摘要與科技論文必須做到準確無誤。對主要傳動方案進行比較和選擇、并可行性論證。對主要的零部件進行動力的計算，強度、剛度的校核；對電氣原理圖設(shè)計的說明。
畢業(yè)設(shè)計說明書參考文獻 15 篇以上，原則上所涉及的參考文獻論文資料為近
5 年出版發(fā)表。
學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計文件（論文）：
設(shè)計成果要求：提交紙質(zhì)資料（打印和部分手工繪制圖紙）和電子文檔資料。圖紙使用 AutoCAD 軟件繪制，文件為*.dwg 格式。設(shè)計說明書資料為*.doc 格式。
1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告。
2、畢業(yè)設(shè)計說明書 1 份，字數(shù) 2-2.5 萬字。按《山西能源學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計
（論文）撰寫規(guī)范》執(zhí)行。
3、圖紙：
(1) 三軸雕刻機總裝配圖（A0）1 張；
(2) 雕刻機關(guān)鍵部件主軸裝配圖（A1）1 張、零件圖（圖紙大小根據(jù)零件尺寸和復(fù)雜程度定）2-3 張；
(3) 控制器電氣原理圖（A1 號）1 張；
4、文獻綜述與外文翻譯：按《山西能源學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范》執(zhí)行。
(1) 文獻綜述：字數(shù)不少于 3000 字；
(2) 外文翻譯：外文翻譯必須與畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)，字數(shù)不少于 5000 字，并標明文章出處。
主要參考文獻（資料）：
[1] 蔡美琴編．MCS-51 系列單片機及應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，2012
[2] 黃鶴汀主編．機械制造裝陪備[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2017
[3] 杜國臣主編．機床數(shù)控技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2016
[4] 劉偉主編．數(shù)控技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2019
[5] 機械設(shè)計手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010
[6] 葉玉駒、焦永和、張彤．機械制圖手冊（第 5 版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2019；
[7] 屈波．互換性與技術(shù)測量[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014；
[8] 聞邦春主編；機械設(shè)計手冊（第 6 版）（1）(2) (3) (4)（5）（6）（7）.北京：機械工業(yè)出版社，2019；
[9] 車洪麟、張素輝．非標準機械設(shè)計（第一版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011；
[10] 屈波．互換性與技術(shù)測量[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014；
[11] 濮良貴、紀名剛．機械設(shè)計（第 8 版）[M].北京：高等教育出版社，2005；
[12] 于永泗、齊民．機械工程材料（第 7 版）[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2007；
[13] 劉宏新主編；機電一體化技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，2019；；
[14] 成大先，機械設(shè)計手冊，單行本[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004；
[15] 楊昂岳等．機械制造工程學(xué).[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，2004；
指 導(dǎo) 教 師 簽 字
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教研室主任審查簽字
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系 主 任 批 準 簽 字
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三軸數(shù)控雕刻機設(shè)計
Design of tail heavy hammer car type tension belt
雕刻機是一種典型的機電一體化的產(chǎn)品，在各行各業(yè)都有其應(yīng)用，具有較大的市場前景。使其簡單實用是本設(shè)計的特點。本文針對多功能三軸雕刻機進行設(shè)計，首先概述了國內(nèi)外對雕刻機現(xiàn)狀的研究。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析和制定了三軸雕刻機的總體方案、其次針對三軸雕刻機主傳動系統(tǒng)進行設(shè)計和校核以及對三軸雕刻機進給系統(tǒng)進行設(shè)計。并對三軸雕刻機控制系統(tǒng)進行設(shè)計，制定了控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計。最后進行了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計和二維圖紙繪制。本次研究的雕刻機結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，剛度較強。對三軸雕刻機的設(shè)計和發(fā)展具有一定的參考作用。
關(guān)鍵詞：雕刻機；主運動系統(tǒng)；進給系統(tǒng)；控制
II
ABSTRACT
Engraving machine is a typical mechatronics product, which has its application in all walks of life and has a great market prospect. However, making it simple and practical is the feature of this design. In this paper, the multi-functional three-axis engraving machine is designed. Firstly, the engraving machine is summarized and the current situation at home and abroad is studied. On this basis, the overall scheme of the three-axis engraving machine is systematically analyzed and formulated. Then the main drive system of the three-axis engraving machine is designed and checked, and the feed system of the three-axis engraving machine is designed. The control system of the three-axis engraving machine is designed, and the overall design of the control system is formulated. Finally, three-dimensional structure design and two-dimensional drawing are carried out. The engraving machine described in this paper is simple and reasonable in structure, economical and practical, convenient in operation, precise in movement, stable, flexible, light and durable. It will not affect the work due to cutting and dust fouling, and has enough rigidity to meet the needs of the working range. It has a certain reference for the design and development of three-axis engraving machine.
Key words ： Engraving machine;Main movement system;Feed movement system; control
目錄
1 緒論 1
1.1 雕刻機的概述與國內(nèi)外現(xiàn)狀 1
1.2 雕刻機的發(fā)展趨勢 2
1.3 研制雕刻機的目的和意義 3
2 系統(tǒng)分析與方案的訂制 4
2.1 三維雕刻機的設(shè)計參數(shù) 4
2.2 雕刻機總體方案選擇 4
2.3 雕刻機運動系統(tǒng)方案設(shè)計 7
2.3.1 坐標系統(tǒng)的確定 7
2.3.2 主運動方案 8
2.3.3 進給運動方案 8
3 主運動系統(tǒng)的設(shè)計及校核 10
3.1 雕刻機切削力、扭矩和功率計算 10
3.1.1 銑削力、扭矩和功率的計算 10
3.1.2 三維多功能雕刻機的鉆削力、扭矩和功率的計算 10
3.2 主運動系統(tǒng)的設(shè)計 13
3.2.1 主運動系統(tǒng)的方案 13
3.2.2 主軸電機的設(shè)計計算 13
4 進給運動系統(tǒng)的設(shè)計 16
4.1 Z 方向進給運動系統(tǒng)設(shè)計 16
4.1.1 Z 方向進給運動系統(tǒng)組成 16
4.1.2 滾珠絲杠副的設(shè)計計算 16
4.1.3 預(yù)定額定動載荷Cam 20
4.1.4 Z 方向進給電機的設(shè)計計算 24
4.1.5 聯(lián)軸器的選擇 27
4.2 X 方向進給運動系統(tǒng)設(shè)計 28
4.2.1 X 方向進給運動系統(tǒng)組成 28
4.2.2 滾珠絲杠副的設(shè)計計算 28
4.2.3 X 方向進給電機的設(shè)計計算 34
4.2.4 聯(lián)軸器的選擇 36
4.2.5 X 方向直線進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌副的設(shè)計計算 36
4.3 Y 方向進給運動系統(tǒng)設(shè)計 38
4.3.1 Y 方向進給運動系統(tǒng)組成 38
4.3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計計算 39
4.3.3 Y 方向進給電機的設(shè)計計算 43
4.3.4 聯(lián)軸器的選擇 45
4.3.5 Y 方向直線進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌副的設(shè)計計算 45
5 三維雕刻機控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 48
5.1 三維雕刻機的控制系統(tǒng)工作原理 48
5.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計 49
5.2.1 為系統(tǒng)提供動力源的步進電機的控制電路 49
5.2.2 變頻器的控制電路 49
5.2.3 PLC 的 I/O 分配表 50
結(jié)論 52
參考文獻 53
致 謝 55
IV
1 緒論
1.1 雕刻機的概述與國內(nèi)外現(xiàn)狀
雕刻機（Engraving Plotter），是一種用于在木材、玉石、象牙以及金屬等材料上雕刻字和圖案的機器設(shè)備。
雕刻技術(shù)已經(jīng)有幾千年的歷史了，我國在考古時發(fā)現(xiàn)的“人面網(wǎng)紋盆”的制作就使用到了雕刻工藝，因而該技術(shù)在遠古的母系氏族的時候就已經(jīng)出現(xiàn)了，我國古代四大發(fā)明之一的活字印刷術(shù)就是對雕刻工藝的最典型使用，該技術(shù)將字體雕刻在印模上可以實現(xiàn)對書籍等的大量快速印刷。除了活字印刷術(shù)外，我國古代及當今還有很多精美絕倫的手工雕刻藝術(shù)品。
雕刻機是工業(yè)革命后產(chǎn)生的，起初的雕刻機是手動進行控制，全球第一個手動控制的雕刻機是 1938 年在法國誕生的，后面隨著電氣化的不斷發(fā)展，電動機
驅(qū)動可以很好的代替手動控制，在這種背景下電動雕刻機在 1950 年問世，后面
在 20 世紀 90 年代后，雕刻計的控制技術(shù)越來越成熟，這也使得雕刻機對形狀復(fù)雜的雕刻工藝通過二維以及三維控制的方式實現(xiàn)，其對復(fù)雜工藝品加工的工藝性已經(jīng)可以媲美人工甚至超過手工雕刻的工藝性，從 20 世紀 90 年代到目前，通過雕刻機可加工的產(chǎn)品的范圍日益增大，其加工的產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛， 在最初的時候雕刻機主要被使用在雕刻印章，主要是雕刻名字，后面在房屋外表及門窗裝飾品的雕刻的上應(yīng)用變得日益增多，現(xiàn)在隨處可見的復(fù)雜工藝品大多是雕刻機加工而成的。如圖 1.1 所示是雕刻機加工的一些工藝品。
9
圖 1.1 部分雕刻工藝品
我國在改革開發(fā)后一方面經(jīng)濟得到了前所未有得快速發(fā)展，機械制造行業(yè)也得到了迅速發(fā)展，同時使得我國對雕刻機技術(shù)得到了很好的發(fā)展，以及我國雕刻機應(yīng)用范圍不斷擴大，我國的雕刻機在經(jīng)過改革開放后的幾十年的發(fā)展，我國已經(jīng)可以造出質(zhì)量相當不錯的雕刻機，但是由于我國工業(yè)化起步較晚，制造出來的雕刻機性能方面是遜色于歐美等發(fā)達國家的，我國很多雕刻機知名公司生產(chǎn)出來的雕刻機整體組成比較簡單，通常都使用 PC 作為雕刻機的的控制系統(tǒng)，動力提供部分主要是為系統(tǒng)提供動力源的步進電機為，因而這些雕刻機定位于中等精度，此類雕刻機產(chǎn)品有，名字為精雕數(shù)控雕刻機，它是由我國北京精雕公司制造出來的，以及名字為啄木鳥的數(shù)控雕刻機，它是由上海洛克公司制造出來，還有名字為威克數(shù)控雕刻機，它是由我國南京科能公司生產(chǎn)出來的，當然上述雕刻機的設(shè)計制造成本也相對較低。
工業(yè)革命最先發(fā)起的發(fā)達的歐美發(fā)達國家像美國和英國以及意大利和日本， 他們在雕刻機領(lǐng)域的技術(shù)是比較先進，這些國家的雕刻機制造廠，生產(chǎn)的雕刻機機械零件部分加工精度高，控制部分采用閉環(huán)控制，控制精度高，動力提供件一般采用可實現(xiàn)閉環(huán)控制的伺服電機，故而雕刻機整體精度高此類雕刻機產(chǎn)品有， 全量數(shù)控雕刻機，它是由日本的廠家制造出來的，以及左拉數(shù)控雕刻機，它是有意大利的廠家制造出來的，當然上述雕刻機的設(shè)計制造成本也相對較高。
1.2 雕刻機的發(fā)展趨勢
雕刻機發(fā)展趨勢總結(jié)如下：
（1）更加精密化
雕刻機的精度是由控制和機械兩部分共同決定的，在控制精度方面，目前閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)，因其包含負反饋來對誤差進行彌補控制，故而可極大的提高了伺服電機的控制精度，在機械部分的精度，是和機械傳動部件的加工精度有關(guān)， 隨著機床技術(shù)的不但發(fā)展，可以實現(xiàn)對高精度滾珠絲杠的加工生產(chǎn)。
（2）更加高效化
雕刻機的高效化的益于以下技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)的不斷發(fā)展必將使得雕刻機朝著高速和高效的方向發(fā)展：
①高性能運動控制技術(shù)；
②32 位單片機；
③刀具性能的提高；
④驅(qū)動電機性能的提高；
⑤規(guī)范的軟件開發(fā)技術(shù)。
（3）更加智能化
隨著科技的發(fā)展，大多數(shù)多行業(yè)都在朝著智能化的方向發(fā)展，因而今后雕刻機也必將朝著智能化的方向不斷發(fā)展。
1.3 研制雕刻機的目的和意義
隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，以及機電一體化技術(shù)不斷推動著制造業(yè)的發(fā)展，當今社會對對雕刻機的精度要求和數(shù)量需求不斷增大，通過對雕刻機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，可以知道我國在高精度雕刻機研制方面仍有不足，高精度雕刻機還有很大的發(fā)展空間，我國通過進口的歐美等發(fā)達國家制造的高精度雕刻機，成本很高， 因而在機電一體化發(fā)展的大背景下，通過不斷鉆研使得我國能夠生產(chǎn)處包含高控制精度閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)和高精度傳動系統(tǒng)的以及成本相對較低的雕刻機，是我國機械制造業(yè)必須完成的任務(wù)，本文以此為出發(fā)點，設(shè)計了多功能三維雕刻機。
2 系統(tǒng)分析與方案的訂制
2.1 三維雕刻機的設(shè)計參數(shù)
雕刻機設(shè)計的技術(shù)參數(shù)如下：
X,Y 軸行程：400x600mm Z 軸行程：150mm
最大運行速度：4m-5.5m/min 最大雕刻速度：2m-3m/min 雕刻精度：0.03mm/300mm 重復(fù)定位精度：0.05mm
最大進料高度：10mm
功率（不含主軸）：1.5KW 工作電壓：AC220V/50Hz 主軸功率：1.5KW
主軸轉(zhuǎn)速：0-24000rpm 工作方式：步進
整機重量：100kg
脈沖當量：0.01mm/脈沖
2.2 雕刻機總體方案選擇
雕刻機的機械結(jié)構(gòu)零件，它是有下面 4 個部分構(gòu)成的：
（1）底座部分：底座雕刻機用于與大地等固定的部件，其底下一般有螺紋孔用于對整個雕刻機的固定，同時它也是其它部件的支撐件，其它零部件通過螺栓固定在底座上。
（2）工作臺部分：工作臺部分主要是放置并固定所加工物件的零件，其上配有滾珠絲桿螺母副機構(gòu)，在電機的驅(qū)動下，將會沿著進給系統(tǒng)中的組成的部件
導(dǎo)軌運動朝 y 向移動，其主要由以下零件組成：
①工作臺；
②y 方向絲杠和進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌；
③支架。
（3）橫梁部分：雕刻機的橫梁和機頭配合連接，用于承載機頭的重量，以及驅(qū)動其朝 x 方向移動，其主要由以下零件組成：
①y 方向絲杠和進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌；
②支架。
（4）機頭部分：該部分是雕刻機與工件直接作用的部分，其上面的刀具在主軸的帶動下完成對工件的雕刻作用，其主要由以下零件組成：
①主軸組件；
②Z 方向絲杠和進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌；
③支架。
通過相關(guān)調(diào)查分析，可發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的雕刻機，按照工作臺是否能夠移動分為兩大類：
一 工作臺固定式； 二作臺移動式；
這兩種雕刻機的結(jié)構(gòu)形式如圖 2.1 所示，由圖可知這兩種雕刻機都采用了龍門式，因為龍門式布局具有較好的整體剛度。
圖 2.1 雕刻機 2 種基本布局
兩種結(jié)構(gòu)各有以下特點：
（1）工作臺固定方案：這種方案由于工作臺是固定的，因而它承受載荷的
能力較好，在對質(zhì)量較大的工件加工時，大批量加工的同類型零件，易于采用此結(jié)構(gòu)形式，但這種結(jié)構(gòu)形式也有不足之處，具體優(yōu)缺點如下：
工作臺固定方案優(yōu)點：
①支點高度相同；
②固定支架支撐調(diào)整方便；
③易于同類型零件大批量加工。工作臺固定方案缺點：
①整個機構(gòu)的重心較高，這是由于下 x,y 以及 z 方向的運動部件都安裝在了在該形式雕刻機的垂直升降機構(gòu)上；
②整個機構(gòu)體積過于龐大；
③安裝、搬運和維護不便。
（2）工作臺移動方案：這種方案的工作臺是可以移動的，但立柱是被固定住了，主要實現(xiàn)了雕刻刀頭的上下及橫向的運動和工作臺的縱向運動，這些方向的運動共同作用實現(xiàn)對工件表面的加工，這種結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)缺點：
工作臺移動方案優(yōu)點：
①雕刻頭運動精度較易保證；
②支架支撐調(diào)整方便；
③易于質(zhì)量輕的零件；
④易于零件批量化加工。工作臺移動方案缺點：
①承載能力差，這是由工作臺可移動導(dǎo)致的；
②支架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；
③安裝、搬運和維護方便。
本文通過參考國內(nèi)外同類機床情況以及結(jié)合本文的設(shè)計參數(shù)，綜合考慮了相關(guān)因素后，最終確定本文采用工作臺固定式方案。
2.3 雕刻機運動系統(tǒng)方案設(shè)計
2.3.1 坐標系統(tǒng)的確定
雕刻機的坐標系統(tǒng)通常采用笛卡爾直角坐標系，這種坐標系的 X、Y、Z 三軸方向可通過右手法則確定，雕刻機在這種坐標系中包含沿著 X、Y、Z 三軸方向的移動和繞這三軸的旋轉(zhuǎn)，其中繞 X 軸旋轉(zhuǎn)運動的符號為 A，繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)運動的符號為 B，繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)運動的符號為 C，雕刻機的 Z 軸通常是垂直于工件的加工表面，是雕刻機主軸的方向，圖 2.2 和圖 2.3 所示是雕刻機的坐標系統(tǒng)示意圖。
圖 2.2 右手坐標系統(tǒng)
圖 2.3 雕刻機的總體布局和坐標系統(tǒng)的確定
2.3.2 主運動方案
常用的雕刻機主運動方案有以下兩種，它們都有著自己的優(yōu)點和存在不足之處：
（1）直接采用專用鉆頭，這種方案優(yōu)缺點： 直接采用專用鉆頭的優(yōu)點：
①實用又方便；
②加工質(zhì)量好。
直接采用專用鉆頭的缺點：
①含有一一對應(yīng)的變頻調(diào)速裝置；
②價格比較昂貴；
（2）直流電機加上帶輪，這種方案具有以下優(yōu)缺點： 直接采用專用鉆頭的優(yōu)點：
①價格比較便宜；
②可以實現(xiàn)相應(yīng)的加工。 直接采用專用鉆頭的缺點：
①機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度加大；
②占用空間比較多；
本文通過參考國內(nèi)外同類機床情況以及結(jié)合本文的設(shè)計參數(shù)，從實用性出發(fā)，最終確定本文采用專用的雕刻機頭。
2.3.3 進給運動方案
本設(shè)計采用雕刻方式是是由以下三個部件的四種運動配合完成的：
（1）主軸帶著雕刻需要實現(xiàn) Z 向的直線移動和繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動，其中直線運動是由 Z 方向絲杠和進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌配合 Z 向的進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌在電動機的驅(qū)動下完成，繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動是由主軸電動機直接驅(qū)動主軸完成的；
（2）刀架實現(xiàn) X 向的直線移動，該運動是由 X 方向絲杠和進給系統(tǒng)中的組
成的部件導(dǎo)軌配合 X 向的進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌在電動機的驅(qū)動下完成；
（3）刀架實現(xiàn) Y 向的直線移動，該運動是由 Y 方向絲杠和進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌配合 Y 向的進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌在電動機的驅(qū)動下完成。
如下圖 2.4 所示為 雕刻機的進給系統(tǒng)。
圖 2.4 雕刻機的進給系統(tǒng)的確定
3 主運動系統(tǒng)的設(shè)計及校核
3.1 雕刻機切削力、扭矩和功率計算
雕刻機的切削力、扭矩和功率的確定和所加工材料的類型密切相關(guān)，本文設(shè)計的雕刻機主要加工以下材料：
①有機材料：塑料、橡膠材料；
②有色金屬材料：這種材料中主要包含鋁和銅以及合金材料等。
通過上文中對雕刻機加工材料鋁板(180MPa)分析以及考慮到加工零件的結(jié)構(gòu)，本分實用的刀具主要有以下兩種，本文設(shè)計時分別計算了它們的切削力、切削扭矩和切削功率。
①硬質(zhì)合金直柄立銑刀：其主要的參數(shù)為：d0=8mm，z=2；
②高速鋼標準麻花鉆。
本文在設(shè)計時，通過對雕刻機的加工范圍分析，確定了雕刻機的加工方式， 如下表 3-1 所示為雕刻機切削方式和其對應(yīng)的時間占比。
表 3.1 切削方式和其對應(yīng)的時間占比
切削方式
時間占比
強力切削(切)
10%
一般切削(雕)
30%
精細切削(刻)
50%
快速進給
10%
3.1.1 三維多功能雕刻機的鉆削力、扭矩和功率的計算
由參考文獻[5]可知，鉆削力、鉆削扭矩和鉆削功率的參數(shù)值，可由下面的
19
計算方法進行計算：
F = C d zF f yF k
（3-8）
F 0 F
M = C d ZM f yM k （3-9）
M 0 M
P = M ′ v
m 30d
（3-10）
0
式中： F 指的是三維多功能雕刻機鉆削軸向力； KF 指的是三維多功能雕刻機在加工條件改變時的切削力修正參數(shù)；M 指的是三維多功能雕刻機的鉆削扭矩； pm 指的是三維多功能雕刻機的鉆削功率； v f 指的是三維多功能雕刻機的進
給速度， 可由下式計算： v f = fn ； v 的是三維多功能雕刻機的鉆削速度，
v ? pd0 n/1000 ； d0 指的是三維多功能雕刻機的鉆頭外徑,本文取其值為 3mm； f
指的是三維多功能雕刻機的進給量；n 指的是三維多功能雕刻機的鉆頭轉(zhuǎn)速。由相關(guān)文獻中的有關(guān)表格可以查得，在雕刻機加工的材料為鋁合金時，三維
多功能雕刻機的高速鋼標準麻花鉆的對應(yīng)參數(shù)為：
CF = 600 , zF = 1, yF = 0.7 , CM
= 0.305, zM
= 2.0 , yM
= 0.8, kF = kM
= 0.25。
把上文中計算得到的相關(guān)參數(shù)將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(3-8) (3-9) (3-10)，可對以上三個式子進一步簡化，進給速度和鉆頭轉(zhuǎn)
速的參數(shù)值，可由下面的計算方法進行計算： 鉆削力：
f f
F = 600′ 31 ′1′ (v / n)0.7 = 1800 (v / n )0.7
鉆削扭矩：
f f
M = 0.305′ 32 ′1′ (v / n )0.8 = 2.745 (v / n )0.8
鉆削功率：
（3-11）
（3-12）
P = M ′ 3.14′ 3′ n = 0.0001Mn
M 30 ′ 3′1000
（3-13）
另絲杠轉(zhuǎn)速
n絲 = v f / Ph
（3-14）
初選絲杠導(dǎo)程 Ph = 4(mm)
把本文所使用的四種切削方式下的相關(guān)參數(shù)代入以上四個式子中，可分別求得每種方式下的進給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速的參數(shù)值分別為：
（1）強力切削
將參數(shù)v f =300， n =9000 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）得
n絲 = 300 / 4 =75（r/min)
z
F = 1800 (300 / 9000 )0.7 =166(N)
M = 2.745 (300 / 9000 )0.8 =0.18(N·m)
Pm = 0.0001′ 0.18′ 9000 =0.162(kW)
（2）一般切削
將參數(shù)v f =480， n =15000 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）得
n絲 = 480 / 4 =120（r/min）
z
F = 1800 (480 /15000 )0.7 =161(N)
M = 2.745 (480 /15000 )0.8 =0.20(N·m)
Pm = 0.0001′ 0.20′15000 =0.30（kW）
（3）精細切削
將參數(shù)v f =600， n =20000 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）得
n絲 = 600 / 4 =150（r/min）
z
F = 1800 (600 / 20000 )0.7 =154(N)
M = 2.745 (600 / 20000 )0.8 =0.166(N·m)
Pm = 0.0001′ 0.166′ 9000 =0.149（kW）
（4）快速進給
將參數(shù)v f =900， n =0 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）得
n絲=900/4=225（r/min）， Fz =0， M =0， Pm =0
表 3.2 鉆削力、扭矩和功率的計算
切削方式
強力切削
一般切削
精細切削
快速切削
工作時間 t%
10%
30%
50%
10%
參數(shù)
v f
300
480
600
900
n
9000
15000
20000
----
計算結(jié)果
n 絲
75
120
150
225
FZ
166
161
154
0
M
0.18
0.2
0.166
0
Pm
0.162
0.3
0.149
0
3.2 主運動系統(tǒng)的設(shè)計
3.2.1 主運動系統(tǒng)的方案
在這一節(jié)中，將主要對 Z 軸方向主運動方案進行確定，主要確定了繞 Z 軸轉(zhuǎn)動運動動力的提供電動機的安裝形式為將該電機和三維多功能雕刻機的刀架之間相連，這種布局形式將有利于減少主運動的空間，以及沒有中間的傳動鏈將使得功率率傳遞和加工精度顯著提高，在下文中計算了主軸電機的相關(guān)參數(shù)。
3.2.2 主軸電機的設(shè)計計算
綜合上文中的計算結(jié)果，以及由于采用直接連接的形式，故而忽略傳動效率，
有相關(guān)文獻取得對應(yīng)的安全系數(shù)可知，主軸電機所需扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的參數(shù)值可由下面的計算方法進行計算。
（1）轉(zhuǎn)矩M 0 計算
由相關(guān)文獻可知，轉(zhuǎn)矩的參數(shù)值，可由下面的方法進行表示：
M 0 3 iMAX {M i }
式中：i 指的是安全系數(shù)，由相關(guān)文獻中的有關(guān)表格可查得，這里安全系數(shù)取 2，最大扭矩值為 0.44，因而所取轉(zhuǎn)矩的值大于 0.88 就能符合要求，本文設(shè)計
時，通過對上文中求得的相關(guān)參數(shù)值和設(shè)計參數(shù)值綜合進行了分析，最終確定轉(zhuǎn)
矩的值為 2.5（Nm）。
（2）功率 P0 計算
由相關(guān)文獻可知，電機的功率的參數(shù)值，可由下面的方法進行表示：
P0 3 MAX {pi }
由相關(guān)文獻中的有關(guān)表格可查得，這里最大功率得參數(shù)值取 0.702 (kW ) ， 因而所取功率的值大于 0.72（kW）就能符合要求，本問設(shè)計時，通過對上文中求得的相關(guān)參數(shù)值和設(shè)計參數(shù)值綜合進行了分析，最終確定功率得值為 0.8
（kW）。
根據(jù)上文中計算所得所需電機扭矩和功率的參數(shù)，查閱了國內(nèi)相關(guān)電機生產(chǎn)廠家的選型手冊，最終確定本文設(shè)計的三維多功能雕刻機的主軸電動機使用有安陽萊必泰
機械有限公司的生產(chǎn)的雕刻機，該電機的外形尺寸圖如圖 3.1 所示，具體參
數(shù)如表 3.5 所示：
圖 3.1 雕刻機主軸電機的外形圖
表 3.3 雕刻機主軸電機的技術(shù)參數(shù)表
主軸型號
轉(zhuǎn)速
電機
外形尺寸
KW
V
M
A Hz
D
D1
D2
Join t of
nose
L
L1
L2
ADX60-24
Z/0.8
24000
0.8
220
2.
5
2.
2
400
62
55
ER11
20
6
6
20
4 進給運動系統(tǒng)的設(shè)計
三維多功能雕刻機的進給運動由三部分組成，分別是 Z 方向的主軸帶動雕刻刀的上下移動，X 方向的工作臺帶動工件的左右移動，Y 方向的橫梁帶動機頭的前后移動，它們的運動部件組成時一致，都是由對應(yīng)部件的電動機提供動力， 經(jīng)過滾珠絲杠螺母副的傳遞，使得每個部件沿著自身的進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌進行移動，從而實現(xiàn)三個方向的進給運動。
4.1 Z 方向進給運動系統(tǒng)設(shè)計
4.1.1 Z 方向進給運動系統(tǒng)組成
從前面的章節(jié)可以得出，為系統(tǒng)提供動力源的步進電機與滾珠的絲杠是直接相連的，它將電機的圓周運動進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，變換至平面的移動。從下面的圖
4.1 可以看出：
圖 4.1 Z 方向進給運動系統(tǒng)簡圖
4.1.2 滾珠絲杠副的設(shè)計計算
在進行本次設(shè)計的過程中，將鉆孔的所受的作用力達到峰值的時候是對于 Z
軸絲杠進行作用，本次設(shè)計對于滾珠絲杠進行了較為詳盡的設(shè)計計算，所采用的計算方式及方法具體的表述為以下幾個方面：
（1）將滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的當量載荷確定多功能雕刻機在不同的切削方式下所對應(yīng)的絲杠的轉(zhuǎn)速nl
通過查閱上述表所述的表格 3.2 可以得出對于不同工況下的絲杠的不同的轉(zhuǎn)
速可以表示為：
n1 = 75(rpm), n2 = 120(rpm), n3 = 150(rpm), n4 = 225(rpm)
（2）求多功能雕刻機在不同的切削方式下所對應(yīng)的軸向載荷 Fl
從下述的模型圖 4.2 可以看出，多功能雕刻機在不同的切削方式下所對應(yīng)的主軸部件設(shè)計。
圖 4.2 主軸部件模型圖
圖 4.3 Z 方向進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌簡圖
由下面的計算方法可知，絲杠受到的軸向力包括以下三部分：
①多功能雕刻機的零部件的主軸部件的重力；
②方向進給運動系統(tǒng)的組成部分進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌摩擦力以；
③多功能雕刻機的零部件的鉆削力 Fz ；
Fl = Fzi - gW 軸 + f 磨
(4-1)
本次進行設(shè)計的關(guān)鍵的零部件是在整個系統(tǒng)的中間位置，在該種情況下，整體的中心和方向進給運動系統(tǒng)的組成部分進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌是不在一個直線上的。
故而在此情況下進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌上將會有相應(yīng)的扭矩出現(xiàn)，圖
4.3 為進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌的受力簡，由該圖我們可得到下面得相關(guān)參數(shù)
①進給運動系統(tǒng)的組成部分進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌兩進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌的中心距離 a=40（mm）；
②進給運動系統(tǒng)的組成部分進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌的重心與進行連接的絲杠的水平距離l1 = 60 （mm）；
③絲杠受到的軸向切削力與它本身的水平距離l2 = 80 （mm）。
通過查閱相關(guān)得設(shè)計手冊及參考相關(guān)文獻可以知道，方向進給運動系統(tǒng)的組成部分進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌，可以通過下面的具體公式進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入和參數(shù)值進行計算：
Fp =
(4-2)
由相關(guān)文獻可知，進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌上的摩擦力的參數(shù)值，可由下面的方法進行計算：
f = 4′ m (l1 gW軸 - l2 Fzi )
磨 2a
(4-3)
將上面所得公式(4.3)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4.1)
F = F - gW + 4
(4-4)
l zi 軸
滾珠絲杠進行運動的過程所受的摩擦力都是參照實際工作時一般情況下進行相應(yīng)的數(shù)值進行取值，一般情況下所取得數(shù)值為 0.01。
會存在滾珠絲杠螺母副的回珠器曲線會發(fā)生失真現(xiàn)象，以及起導(dǎo)向作用的進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌在安裝的時候平行度不足，沒有安裝到合理的位置， 故而在實際計算時，其值應(yīng)該乘以一個安全系數(shù)，通?？扇?10，因此，在實際的校核計算中，動摩擦系數(shù)的實際值通常情況下取 0.1。
查章節(jié) 3.1 得不同工況下得加工方式方式下的鉆削力：
Fz1 = 166（N)， Fz 2 =161(N)， Fz 3 = 154(N)， Fz 4 = 0
通過和國內(nèi)外同類機床進行對比，可大致估算出本文設(shè)計的多功能雕刻機的主軸部件重量為：W軸 = 5(kg)，
把上文中得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4.4)中可得，對于整個系統(tǒng)不同得加工的方式對應(yīng)的絲杠所受軸向力的具體數(shù)值分別為：
F1 = 167(N), F2 = 160(N), F3 = 150(N), F4 = 65 (N)
（3）當量轉(zhuǎn)速nm
多功能雕刻機的主軸當量轉(zhuǎn)速計算公式為：
n
nm = ?(nl tl )
l =1
(4-5)
在上文中所述的多功能雕刻機的的不同工況下得加工方式方式和時間占比與之對應(yīng)的絲杠轉(zhuǎn)速分別為：
t1 = 10%,t2 = 30%,t3 = 50%,t4 = 10%
n1 = 75(rpm), n2 = 120(rpm), n3 = 150(rpm), n4 = 225(rpm)
n
得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4.5)
nm = ?(nl tl ) = 75′10% + 120′ 30% + 150′ 50% + 225′10% =141 (rpm)
l =1
（4）多功能雕刻機的主軸當量載荷 Fm
多功能雕刻機的主軸當量載荷具體的計算公式可以表示為：
29
Fm =
(4-6)
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4.6)，可得具體的數(shù)值為
3 75′10% 3 120 ′ 30% 3 150 ′ 50% 3 225′10%
141
141
141
141
Fm = 3 167
′ +160
′ +150
′ + 65
′ = 146N
4.1.3 預(yù)定額定動載荷Cam
（1）按預(yù)期工作時間估算
多功能雕刻機的主軸的動載荷具體計算的設(shè)計公式可以表示為：
Cam
= (4-7)
由相關(guān)文獻中的相關(guān)表格，可查的相關(guān)系數(shù)的參數(shù)值為：
①多功能雕刻機的主軸的所受的輕微沖擊相應(yīng)的負載系數(shù)取值為：
fw = 1.3
②多功能雕刻機的主軸精度選擇 7 級：
fa = 0.8
③整個系統(tǒng)保證較高的可靠性，可靠性系數(shù)取值為 97%：
fc = 0.44
④多功能雕刻機的主軸的所受的當量載荷和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速可以表示為：
Fm =146(N)， nm =141(rpm)
⑤整個系統(tǒng)預(yù)期進行工作的總時間：
Lh = 20000(h)
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-7)
Cam
= 3 60′141′ 20000
146 ′1.3
100 ′ 0.44 ′ 0.8c
=2982 (N )
（2） 按最大負載 Fmax 計算
動載荷具體計算的設(shè)計公式可以表示為:
Cam = fe Fmax = fe F1
(4-8)
查上述所述手冊中的有關(guān)表，可取以下參數(shù)的參數(shù)值為； fe = 6.7
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式
(4.8) Cam = 6.7 ′167 =1118
Cam = 2982（N）
多功能雕刻機進行連接的螺紋軸向位置發(fā)生的最大的尺寸偏移數(shù)值及多功
能雕刻機進行連接的螺紋最小底徑確定
①計算允許的軸向位置發(fā)生的最大的尺寸偏移數(shù)值dm
(mm)
d ￡ ? 1 ~ 1 ? ，故d ￡ 2
m ? ÷ m
3 4
è ?
又d ￡ ? 1 ~ 1 ? ，故d ￡ 6
m ? ÷ m
4 5
è ?
取兩種結(jié)果的小值dm ￡ 2 。
②計算d2m
d2m
= 0.039
(4-9)
采用的連接方式為從一側(cè)進行相應(yīng)的的固定，另外一側(cè)進行活動的布置安裝方式，所以下述所示的公式可以表示為：
L ? (1.1 ~ 1.2)行程+ (10 ~ 14 )導(dǎo)程
初定 Z 方向的行程為 60mm 導(dǎo)程=4mm
L ? 128 (mm)
采用的從一側(cè)進行相應(yīng)的的固定，另外一側(cè)進行活動的布置安裝方式進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌靜摩擦力
F = 4′ m l1 gW軸 = 4′ 0.2 60 ′10 ′ 5 =30 (N)
0 0 2a
2 ′40
d2m
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-9)
= 0.039′ =1.7 (mm)
（3）初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號
根據(jù)三維多功能雕刻機的設(shè)計要求，本文選取的滾珠絲桿螺母副，具體參數(shù)如下：
①初選滾珠絲桿螺母副的法蘭的的形式為內(nèi)循環(huán)浮動式；
②滾珠絲桿螺母副的直筒型墊片預(yù)緊螺母；
③滾珠絲桿螺母副所定的型號代碼為 FF；
④滾珠絲桿螺母副的導(dǎo)程 Ph = 4(mm) 。
根據(jù)上文中計算出來的Cam , d2m 的參數(shù)值，本文設(shè)計時選取滾珠絲杠副的型
號為：FF1204-3。
Ca = 4000 > Cam =2982， d2 = 9.5 > d2 m =1.7
確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力 Fp
F = 1 F
，而且 F = F = 167 (N)
p 3 max
max 1
故 Fp ? 55 (N )
表 4.1 滾珠絲杠技術(shù)參數(shù)與外形尺寸表
規(guī)格代號
公稱直徑d0
公稱導(dǎo)程Ph0
絲杠外徑d1
鋼球直徑Dw
絲杠底徑d2
循環(huán)圈數(shù)
基本額定負荷
剛度Kc N/μm
動載荷Ca(KN)
靜載荷Coa(KN)
FF1204-3
12
4
11.3
2.381
9.5
3
4
6.7
208
表 4.2 絲杠螺母安裝尺寸
螺母安裝連接尺寸
D1(g6)
D2(
)
L2
D3
B
D4
D5
D6
h
D7
M
D8
L1
22
22
10
44
8
32
4.8
8.5
5
32
M2.5
16
35
圖 4.3 滾珠絲杠外形圖
（4） 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號、規(guī)格外形參數(shù)如下:
圖 4.4 圓法蘭型 :LMF-UU 外形圖
表 4.3 參數(shù)與安裝尺寸表
軸承型號
球 列數(shù)
外形尺寸（mm）
法蘭盤
徑擺( μ
m)
額定負荷(n)
質(zhì)量
(g)
FW
D
L
DF
ｔ
P
M
動負荷
靜負荷
LMF-10
４
10
19
29
40
6
29
M4
12
370
540
61
（5）滾珠絲桿長度確定行程補償值C
C = 11.8DtLu
′10-3
(4-10)
Lu = Lk + Ln + 2La
Lk = 60 (mm)， Ln = 37(查樣本) ， La = (2 ~ 4)導(dǎo)程 = 8 ,
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-11)得
Lu = 60 + 37 + 2′ 8 =113(mm)
(4-11)
u
將溫差Dt = 2.5o C ， L =113 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計
算公式(4-10)得
C = 11.8′ 2.5′113′10-3 ? 3.4 。(mm)
滾珠絲杠副工作圖設(shè)計
(6)滾珠絲杠副的絲杠螺紋長度 Ls
Ls = Lu + 2Le
Le = 16
Ls ? 145 (mm)
（7）滾珠絲杠副的繪制工作圖
本文設(shè)計時通過查閱滾珠絲杠選型手冊，得到了本文使用的滾珠絲杠螺母副的以下參數(shù)：
①絲杠長 L = 200 (mm)；
②行程起點到固定點支承距離 L0 = 30
(mm)。
（8）確定滾珠絲杠副的滾珠絲杠的規(guī)格代號
①滾珠絲杠選擇的具體型號為 FF1204-3；
②滾珠絲杠選擇的具體公稱直徑：12(mm)；
③滾珠絲杠選擇的具體導(dǎo)程：4 (mm)；
④滾珠絲杠選擇的具體螺紋長度：165( mm)；
⑤滾珠絲杠選擇的具體絲杠全長：200( mm)；
⑥P 類 3 級精度 FF1204-3 /165X200
4.1.4 Z 方向進給電機的設(shè)計計算
（1）作用在滾珠絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩外加載荷作用于滾珠絲杠副的摩擦力矩
TF =
FPh ′10-3
2ph
(4-12)
在上文中我們已經(jīng)確定了滾珠絲杠的以下參數(shù)：
①作用于滾珠絲杠副的絲杠所能承受的最大軸向力 F = F1 = 167 (N)；
②作用于滾珠絲杠副的絲杠的導(dǎo)程 Ph = 4(mm)；
③作用于滾珠絲杠副的絲杠副效率h= 0.9 ；
把以上參數(shù)值將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-12) 中可得：
TF =0.118(Nm)
預(yù)加載荷作用于滾珠絲杠副的絲杠產(chǎn)生的預(yù)緊力矩
F P (1-h2 )
Tp =
p h
2ph2
′10-3
(4-13)
由上節(jié)查得: Fp = 55 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式
(4-21)得
Tp =
55′ 4(1- 0.92 )
2 ′ 3.14 ′ 0.92
= 0.008 (Nm)
（2）計算作用于滾珠絲杠副的絲杠轉(zhuǎn)動慣量 J ，負載轉(zhuǎn)動慣量 Jl
作用于滾珠絲杠副的絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
J絲 =
1 pLrd 4
32
(4-14)
由上節(jié)查得作用于滾珠絲杠副的絲杠全長 L = 20 (cm) ,外徑d = 1.13 (cm) ,密
度r= 7.85( g / cm3 ) 將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-14) 得作用于滾珠絲杠副的絲杠轉(zhuǎn)動慣量
J絲 =
1 ′ 3.14′ 20′ 7.85′1.134 = 25.1 (g / cm2 )
32
（3）總轉(zhuǎn)動慣量公式
Jl1
= ? J絲
? nl ?
2
? n ÷
(4-15)
n
l =1
è m ?
從上節(jié)查得n2 = 120, nm = 141將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-15)得
l1
回轉(zhuǎn)件總轉(zhuǎn)動慣量 J = 20 (g / cm2 )
（4）作用于滾珠絲杠副的絲杠直線運動件的轉(zhuǎn)動慣量
? V ?2
? ÷
J = m l
l 2 2pn
è m ?
W軸 = 5(kg ) 查 3.2 節(jié)得:V1 = 30(cm / min)
l 2
J = 11.5 (g / cm2 )
(4-16)
l l1 l 2
總的負載轉(zhuǎn)動慣量 J = J + J = 31.5( g / cm2 )
（5）電機轉(zhuǎn)動慣量 Jm
為系統(tǒng)提供動力源的步進電機57BYG250A
, Jm = 60. Jm > Jl .
（6）總的轉(zhuǎn)動慣量：
由相關(guān)文獻可知，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量包含負載與電機轉(zhuǎn)動慣量兩部分，因而其參數(shù)值可由下面的計算方法進行計算：
m l
J = J + J = 91.5 (g / cm2 )
（7）Z 軸為系統(tǒng)提供動力源的步進電機啟動轉(zhuǎn)矩計算最大加速轉(zhuǎn)矩
Tam
= J 2pnmax ′10-6
60t
(4-17)
a
由上文中可知該部分的最大進給速度nmax = 225 ，因而可以通過相關(guān)計算方法得到， ta = 0.002 。
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-17)得
Tam
= 91.5′ 2 ′ 3.14 ′ 225 ′10 -6 =1.07 (Ncm)
60 ′ 0.002
（8）連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩
TM ? i (TF + Tp )
(4-18)
把上文中已經(jīng)計算得到了以下的相關(guān)參數(shù)值，將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-18)中可得：
①摩擦力矩TF = =0.118(Nm)；
②緊力矩TF = =0.118(Nm)；
③系數(shù) i 取 1.5。
TM
? 1.5′ (0.118 + 0.008 ) = 0.189(Nm)
由相關(guān)選型手冊可查得，三維多功能雕刻機選用為系統(tǒng)提供動力源的步進電機的額定轉(zhuǎn)矩為 0.35(Nm)，即有：
TM = 0.189 < 0.35
（9）最大啟動轉(zhuǎn)矩T = T + T = 1.07′10-2 + 0.189 ? 0.199 (Nm)
r am M
由滾珠絲杠的選型手冊可知，本文所使用的滾珠絲杠的額定啟動轉(zhuǎn)矩為：
0.8(Nm)>0.199(Nm)
通過上面的計算公式及理論的分析及相應(yīng)的結(jié)果進行驗證，本次設(shè)計的電機的參數(shù)是符合相應(yīng)得具體得設(shè)計要求得。
4.1.5 聯(lián)軸器的選擇
Tr = 0.199 < 聯(lián)軸器額定轉(zhuǎn)矩=0.3
圖 4.4 聯(lián)軸器外形
表 4.3 參數(shù)表
規(guī)格
?d1,?d2
軸徑
?D
L
L1 L2
M
性能參數(shù)
扭矩
偏心角度
最高轉(zhuǎn)速
螺絲
材料
SDWA
31
6.35
10
31.8
23.8
7
M4*2
30
N·CM
3o
15000
r/min
M4
進口
材料
4.2 X 方向進給運動系統(tǒng)設(shè)計
三個部分的運動的形式相似，故而在 X 向進給部分設(shè)計計算時，本文進行了對應(yīng)的簡化，其他區(qū)部分設(shè)計計算和 Z 向的進給設(shè)計是類似的。
4.2.1 X 方向進給運動系統(tǒng)組成
和上文中 Z 向布置類似，為系統(tǒng)提供動力源的步進電機通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠相連接，螺母和移動部件相連，通過電動機的驅(qū)動，如下圖所示
圖 4.6 X 軸進給運動系統(tǒng)傳動鏈圖
4.2.2 滾珠絲杠副的設(shè)計計算
取銑削時對 X 軸相關(guān)計算方法如下：
（1）滾珠絲杠副的當量轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠副的當量載荷確定
（2）滾珠絲杠副在各種切削工作方式下絲杠的轉(zhuǎn)速nl 計算結(jié)果得不同工況下得加工方式方向下絲杠轉(zhuǎn)速：
n1 = 30(rpm), n2 = 300(rpm), n3 = 600(rpm), n4 = 900(rpm)
（3）求各種切削方式下軸向載荷 Fl
圖 4.7 工作臺部件模型圖
圖 4.8X 方向進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌受力簡圖
由下面的計算方法可知，絲杠受到的軸向力包括以下兩部分：
①進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌摩擦力；
②銑削力；
Fl = Fzi + f導(dǎo) (4-19)
本文設(shè)計分析了進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌的受力簡圖以及相關(guān)文獻中的表格，我們可得到下面得相關(guān)參數(shù)
由相關(guān)文獻可知，進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌作用力的參數(shù)值，可由下
面的方法進行計算：
F = lG + Fzi
(4-20)
1 2b 4
F1T
= G + cG
4 2a
(4-21)
39
而作用在進給系統(tǒng)中的組成的部件導(dǎo)軌上的力
F 導(dǎo) =
f導(dǎo) = 4′ F導(dǎo)m
(4-22)
摩擦力
(4-23)
F = F
+ 4′ f
= F + 4′ m ( lG + Fzi ) 2 + ( G + cG) 2
(4-24)
l zi
導(dǎo) zi
2b 4 4 2a
查 3.1 節(jié)得不同工況下得加工方式下的鉆削力：
Fz1 = 68（N）， Fz 2 = 112（N）,
W車 = 10(kg)
Fz 3 = 79（N）， Fz 4 = 0
分別將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-27)得不同工況下得加工方式下絲杠所受軸向力：
F1 =90（N）, F2 = 136（N）, F3 = 100（N）, F4 = 19（N）
（4）當量轉(zhuǎn)速nm
在上文中所述的多功能雕刻機的的不同工況下得加工方式方式和時間占比與之對應(yīng)的絲杠轉(zhuǎn)速分別為：
t1 = 10%,t2 = 30%,t3 = 50%,t4 = 10%
n1 = 30(rpm), n2 = 300(rpm), n3 = 600(rpm), n4 = 900(rpm)
n
將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-5)得當量轉(zhuǎn)速
nm = ?(nl tl ) = 30′10% + 300′ 30% + 600′ 50% + 900′10% =483 (rpm)
l =1
（5）當量載荷 Fm
以上計算結(jié)果將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-6)
903 ′
30 ′10%
+1363 ′
300 ′ 30%
+1003 ′
600 ′ 50%
+193 ′
900 ′10%
483
483
483
480
Fm = =1
03(N)
（6） 預(yù)定額定動載荷Cam 按預(yù)期工作時間估算：
由相關(guān)文獻中的相關(guān)表格，按 7 級精度可查得相關(guān)系數(shù)的參數(shù)值為：
①多功能雕刻機的主軸的所受的輕微沖擊相應(yīng)的負載系數(shù)取值為：
fw = 1.3
②多功能雕刻機的主軸精度選擇 7 級：
fa = 0.8
③整個系統(tǒng)保證較高的可靠性，可靠性系數(shù)取值為 97%：
fc = 0.44
④多功能雕刻機的主軸的所受的當量載荷和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速可以表示為：
Fm =103(N)， nm =483(N)
⑤整個系統(tǒng)預(yù)期進行工作的總時間：
Lh = 20000(t)
把以上參數(shù)將上述所述得到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值代入相應(yīng)的計算公式(4-7) 中可得：
Cam
= 3 60′ 483′ 20000
103′1.3
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