三軸數(shù)控雕刻機設計含開題及7張CAD圖

三軸數(shù)控雕刻機設計含開題及7張CAD圖,數(shù)控,雕刻,設計,開題,CAD 三軸數(shù)控雕刻機設計 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)都有其應用，具有較大的市場前景。使其簡單實用是本設計的特點。本文針對多功能三軸雕刻機進行設計，首先概述了國內(nèi)外對雕刻機現(xiàn)狀的研究。在此基礎上系統(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)進行設計和校核以及對三軸雕刻機進給系統(tǒng)進行設計。并對三軸雕刻機控制系統(tǒng)進行設計，制定了控制系統(tǒng)總體方案設計。最后進行了三維結(jié)構設計和二維圖紙繪制。本次研究的雕刻機結(jié)構的主要優(yōu)點是結(jié)構簡單，剛度較強。對三軸雕刻機的設計和發(fā)展具有一定的參考作用。 關鍵詞：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)的設計 13 3.2.1 主運動系統(tǒng)的方案 13 3.2.2 主軸電機的設計計算 13 4 進給運動系統(tǒng)的設計 16 4.1 Z 方向進給運動系統(tǒng)設計 16 4.1.1 Z 方向進給運動系統(tǒng)組成 16 4.1.2 滾珠絲杠副的設計計算 16 4.1.3 預定額定動載荷Cam 20 4.1.4 Z 方向進給電機的設計計算 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 滾珠絲杠副的設計計算 28 4.2.3 X 方向進給電機的設計計算 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)中的組成的部件導軌副的設計計算 36 4.3 Y 方向進給運動系統(tǒng)設計 38 4.3.1 Y 方向進給運動系統(tǒng)組成 38 4.3.2 滾珠絲杠副的設計計算 39 4.3.3 Y 方向進給電機的設計計算 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)中的組成的部件導軌副的設計計算 45 5 三維雕刻機控制系統(tǒng)的總體方案設計 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備。 雕刻技術已經(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就是對雕刻工藝的最典型使用，該技術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。除了活字印刷術外，我國古代及當今還有很多精美絕倫的手工雕刻藝術品。 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，雕刻計的控制技術越來越成熟，這也使得雕刻機對形狀復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)品的應用領域也越來越廣泛， 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用變得日益增多，現(xiàn)在隨處可見的復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得到了很好的發(fā)展，以及我國雕刻機應用范圍不斷擴大，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， 他們在雕刻機領域的技術是比較先進，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， 隨著機床技術的不但發(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的發(fā)展，這些技術的不斷發(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； 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。 （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，本文以此為出發(fā)點，設計了多功能三維雕刻機。 2 系統(tǒng)分析與方案的訂制 2.1 三維雕刻機的設計參數(shù) 雕刻機設計的技術參數(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)構零件，它是有下面 4 個部分構成的： （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，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)中的組成的部件導軌； ③支架。 通過相關調(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)構形式，但這種結(jié)構形式也有不足之處，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上； ②整個機構體積過于龐大； 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致的； ②支架結(jié)構較復雜； 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)合本文的設計參數(shù)，綜合考慮了相關因素后，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)相應的加工。 直接采用專用鉆頭的缺點： ①機械結(jié)構的復雜程度加大； 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)中的組成的部件導軌配合 Z 向的進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌在電動機的驅(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 成的部件導軌配合 X 向的進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌在電動機的驅(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)中的組成的部件導軌配合 Y 向的進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌在電動機的驅(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，本文設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，本分實用的刀具主要有以下兩種，本文設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的時間占比。 表 3.1 切削方式和其對應的時間占比 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。由相關文獻中的有關表格可以查得，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參數(shù)將上述所述得到的相關參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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） 初選絲杠導程 Ph = 4(mm) 把本文所使用的四種切削方式下的相關參數(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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式（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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式（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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式（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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式（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參數(shù)。 3.2.2 主軸電機的設計計算 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， 有相關文獻取得對應的安全系數(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)，由相關文獻中的有關表格可查得，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，本文設計 時，通過對上文中求得的相關參數(shù)值和設計參數(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 } 由相關文獻中的有關表格可查得，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，本問設計時，通過對上文中求得的相關參數(shù)值和設計參數(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)相關電機生產(chǎn)廠家的選型手冊，最終確定本文設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 滾珠絲杠副的設計計算 在進行本次設計的過程中，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，本次設計對于滾珠絲杠進行了較為詳盡的設計計算，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的主軸部件設計。 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) 本次進行設計的關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)中的組成的部件導軌上將會有相應的扭矩出現(xiàn)，圖 4.3 為進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌的受力簡，由該圖我們可得到下面得相關參數(shù) ①進給運動系統(tǒng)的組成部分進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌兩進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌的中心距離 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）。 通過查閱相關得設計手冊及參考相關文獻可以知道，方向進給運動系統(tǒng)的組成部分進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌，可以通過下面的具體公式進行相應的數(shù)據(jù)代入和參數(shù)值進行計算： Fp = (4-2) 由相關文獻可知，進給系統(tǒng)中的組成的部件導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，以及起導向作用的進給系統(tǒng)中的組成的部件導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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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 得到的相關參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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 預定額定動載荷Cam （1）按預期工作時間估算 多功能雕刻機的主軸的動載荷具體計算的設計公式可以表示為： Cam = (4-7) 由相關文獻中的相關表格，可查的相關系數(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的轉(zhuǎn)速可以表示為： Fm =146(N)， nm =141(rpm) ⑤整個系統(tǒng)預期進行工作的總時間： Lh = 20000(h) 將上述所述得到的相關參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式 (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 )導程 初定 Z 方向的行程為 60mm 導程=4mm L ? 128 (mm) 采用的從一側(cè)進行相應的的固定，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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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 滾珠絲杠技術參數(shù)與外形尺寸表 規(guī)格代號 公稱直徑d0 公稱導程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)導程 = 8 , 將上述所述得到的相關參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計 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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(4-12) 中可得： TF =0.118(Nm) 預加載荷作用于滾珠絲杠副的絲杠產(chǎn)生的預緊力矩 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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式 (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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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 ，因而可以通過相關計算方法得到， ta = 0.002 。 將上述所述得到的相關參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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參數(shù)值，將上述所述得到的相關參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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的結(jié)果進行驗證，本次設計的電機的參數(shù)是符合相應得具體得設計要求得。 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)設計 三個部分的運動的形式相似，故而在 X 向進給部分設計計算時，本文進行了對應的簡化，其他區(qū)部分設計計算和 Z 向的進給設計是類似的。 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 滾珠絲杠副的設計計算 取銑削時對 X 軸相關計算方法如下： （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)中的組成的部件導軌摩擦力； ②銑削力； Fl = Fzi + f導 (4-19) 本文設計分析了進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌的受力簡圖以及相關文獻中的表格，我們可得到下面得相關參數(shù) 由相關文獻可知，進給系統(tǒng)中的組成的部件導軌作用力的參數(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)中的組成的部件導軌上的力 F 導 = f導 = 4′ F導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 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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(4-6) 903 ′ 30 ′10% +1363 ′ 300 ′ 30% +1003 ′ 600 ′ 50% +193 ′ 900 ′10% 483 483 483 480 Fm = =1 03(N) （6） 預定額定動載荷Cam 按預期工作時間估算： 由相關文獻中的相關表格，按 7 級精度可查得相關系數(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的轉(zhuǎn)速可以表示為： Fm =103(N)， nm =483(N) ⑤整個系統(tǒng)預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參數(shù)的數(shù)值代入相應的計算公式(4-7) 中可得： Cam = 3 60′ 483′ 20000 103′1.3