定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要 當(dāng)今世界，現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展，日新月異。在機(jī)械制造領(lǐng)域，人們對(duì)于機(jī)械零件加工的質(zhì)量、精度和效率等的要求也越來越高。因此，對(duì)于加工零件所需要的機(jī)床的跟新?lián)Q代也與日俱增。在此趨勢(shì)的推動(dòng)下，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造設(shè)計(jì)變得非常重大。大批的數(shù)控機(jī)床正如雨后春筍般進(jìn)軍機(jī)械制造業(yè)。比如數(shù)控雕刻機(jī)在模具加工、 PCB 電路板以及廣告招牌等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。 本文主要調(diào)查和研究了定梁式數(shù)控雕刻機(jī)在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r以及其在未來制造業(yè)的前景，并對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)做了研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包含了數(shù)控機(jī)床的總體布局方案設(shè)計(jì)、 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、（電主軸或電機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)）、機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（導(dǎo)軌及滾珠絲杠）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相關(guān)滾珠絲杠的計(jì)算選型及校核、軸承和電機(jī)的計(jì)算及選型，最后利用 CAD 繪圖軟件繪制了機(jī)床的總裝配圖、部分零件圖及相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控雕刻機(jī)；電主軸；導(dǎo)軌；滾珠絲杠； Abstract In todays world, modern industrial technology are rapidly developing with each passing day. In the field of machinery manufacturing, people are increasingly high requirements for the quality, accuracy and efficiency of the machine parts. Therefore, for a machine with a new generation of machined parts is also increasing. In this trend, driven by CNC machine tools transform the structure optimization design becomes very significant. A large number of CNC machine tools just mushroomed into the machinery manufacturing industry. Such as CNC engraving machine plays an important role in the field of mold, PCB circuit board, and advertising signs. In this paper, surveys and studies have been done of the fixed beam CNC engraving machine CNC machine tools development at home and abroad as well as its outlook for manufacturing in the future, and the structure of the CNC machine to do the research and design optimization, the overall layout design machine main drive system design (the electric spindle or motor directly connected to the transmission structure), machine tool feed motion systems (rail and ball screw) structural design, the ball screw calculation of selection and check the bearing and motor the calculation and selection, and finally the use of CAD drawing software to draw the general assembly drawing of the machine, some parts diagram and structure diagram. Key words: CNC engraving and milling machine； spindle； rail； ball screw V 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 錄 . V 1 緒論 . 1 1.1 數(shù)控雕刻技術(shù)的產(chǎn)生 . 1 1.2 本課題研究的內(nèi)容及意義 . 1 1.3 國內(nèi)外研究狀況及其發(fā)展趨勢(shì) . 1 1.4 雕 刻 機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo) . 4 2 雕 刻 機(jī)總體布局方案設(shè)計(jì) . 5 2.1 數(shù)控雕 刻 機(jī)布局要求及影響因素 . 5 2.2 數(shù)控雕 刻 機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局 . 6 2.3 數(shù)控雕 刻 機(jī)結(jié)構(gòu)的改良對(duì)比 . 7 2.4 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 9 2.5 本章小結(jié) . 10 3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的 方案設(shè)計(jì) . 11 3.1 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 11 3.2 電主軸 . 12 3.2.1 電主軸的介紹 . 12 3.2.2 電主軸的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn) . 12 3.2.3 電主軸的安裝 . 14 3.3 本章小結(jié) . 14 4 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) . 15 4.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選擇 . 15 4.1.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 . 15 4.1.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本形式 . 15 4.1.3 以上幾種傳動(dòng)方案的簡介和比較 . 15 4.2 滾珠絲杠系統(tǒng) . 17 4.2.1 滾珠絲杠副的選擇 . 17 4.2.2 滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu) . 17 4.2.3 支承軸承的選擇 . 19 4.2.4 滾珠絲杠副的制動(dòng)裝置 . 19 4.2.5 步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) . 19 4.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌的安裝定位 . 20 4.4 本章小結(jié) . 20 5 主傳動(dòng)及 X 向進(jìn)給系統(tǒng)部分零件計(jì)算和校核 . 21 5.1 主傳動(dòng)零部件計(jì)算及校核 . 21 5.1.1 主軸參數(shù)設(shè)計(jì) . 21 5.1.2 主軸系統(tǒng)銑削力的計(jì)算 . 21 5.1.3 滾珠絲杠副參數(shù)的計(jì)算選擇 . 22 5.1.4 滾珠絲杠副的強(qiáng)度校核 . 25 5.1.5 伺服電機(jī)參數(shù)計(jì)算和型號(hào)選擇 . 26 5.2 X 向 進(jìn)給系統(tǒng)零部件計(jì)算及校核 . 28 5.2.1 X 向絲杠的選型及校核 . 28 5.2.2 絲杠軸承的選擇及計(jì)算 . 29 5.3 本章小結(jié) . 30 6 展望和結(jié)論 . 31 致 謝 . 32 參考文獻(xiàn) . 33 附 錄 . 34 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 數(shù)控雕刻技術(shù)的產(chǎn)生 早在二十世紀(jì)中葉以前，人們對(duì)于零件打孔和銑削的加工手段主要是靠人工作坊式的手動(dòng)和半自動(dòng)的金屬?zèng)_、鉆、壓等機(jī)床設(shè)備。不但厚重、笨、大 ， 而且性能差、速度慢、功能少、效率低。 自從 60 年代初以來， 就 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的許多 PCB（印刷電路板）加工設(shè)備設(shè)計(jì) 而言 ，為 了 使產(chǎn)品具有強(qiáng)勁的市場(chǎng)競(jìng)爭力 以 滿足人們的要求，生產(chǎn)廠家紛紛投入了 較大的人力、物力和財(cái)力， 就 PCB 加工設(shè)備 的設(shè)計(jì)過程中 存在的問題 做了深入研究 ， 最后在 60 年代初 獲 得了 較大 的成果 。 隨后 雕刻機(jī)、雕銑機(jī)、加工中心等一系列數(shù)控機(jī)床便如雨后春筍般應(yīng)運(yùn)而生。跟據(jù)相關(guān)資料載述，世上首臺(tái) CNC 機(jī)床的問世，是 1952 年在芝加哥機(jī)床展覽會(huì)上出現(xiàn)的 ，而針對(duì)于 PCB 工業(yè)加工的 CNC 機(jī)床大概晚于純金屬切削加工機(jī)床 10 年左右 ，它 是 60 年代初期出現(xiàn)的，從此便開創(chuàng)了數(shù)控雕刻技術(shù)的新紀(jì)元 1。 1.2 本課題研究的內(nèi)容及意義 目前，數(shù)控雕刻機(jī)主要是用于各類材料的文字雕刻、印刷電路板的制作、各類印章銘牌的制作、藝術(shù)浮雕及小型模具加工 (如沖壓模、五金模、塑料模、玻璃模 )以及零件的精密雕刻。 由于模具產(chǎn)業(yè)和美術(shù)品制 造業(yè)的日益發(fā)展，縱觀全球，市場(chǎng)上對(duì)于數(shù)控雕刻機(jī)的需求逐步擴(kuò)大，首先是相對(duì)高端的數(shù)控雕刻中心，其需求量最為龐大。數(shù)控雕刻機(jī)已成為模具制造行業(yè)必不可少的加工機(jī)床裝備。 數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械加工精度高、剛性強(qiáng)，它的數(shù)控系統(tǒng)還擁有抗干擾特性，是含有高新科學(xué)技術(shù)的一種加工設(shè)備，其機(jī)電一體化水平先進(jìn)。同時(shí)，它價(jià)格適宜，被認(rèn)為是低投入高回報(bào)的一類加工機(jī)床。就當(dāng)今制造類行業(yè)來講，尤其在復(fù)雜型腔模的精細(xì)加工中， CNC雕刻機(jī)的加工精度高、速度快、表面質(zhì)量好，能夠代替價(jià)格相對(duì)昂貴的加工中心的機(jī)加工。 CNC 雕刻機(jī)一般采用滾珠 絲杠副和直線導(dǎo)軌來作為各向運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)元件，它的數(shù)控系統(tǒng)功能全面，采用半閉環(huán)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其加工精度可達(dá) 0.001 毫米，定位精度和重 復(fù)定位精度都優(yōu)于普通的數(shù)控機(jī)床的加工精度。另外，它的加工范圍大，性價(jià)比較高，能夠普遍用于輕型金屬構(gòu)件的精密加工和模具型腔的曲面加工，也可以用來加工各類工藝品和非金屬制品。 目前，雖然數(shù)控雕刻機(jī)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也日漸趨于穩(wěn)定。但是一般都體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴 2。 本課題研究的數(shù)控雕刻機(jī)是一種小型三軸聯(lián)動(dòng)定梁式數(shù)控雕刻機(jī) 床。它可以完成一般的輕型零件及 電子電路板的加工，也可以進(jìn)行透刻輪廓等加工。該機(jī)床具有占地面積小，加工幅面較大等特點(diǎn)。根據(jù)數(shù)控雕刻機(jī)的自身特點(diǎn)，可以將其分為機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，本文著重研究機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。完成數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)及零部件的選型計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，并繪制裝配圖和零件圖紙。 1.3 國內(nèi)外研究狀況及其發(fā)展趨勢(shì) 伴隨著模具業(yè)、廣告招牌業(yè)、家具制造業(yè)的發(fā)展日趨擴(kuò)大，尤其在模具行業(yè)中對(duì)零件無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 表面的加工，要求不斷提高。再加上電火花加工存在不足，近年來數(shù)控雕刻機(jī)在國內(nèi)有了突破性的發(fā)展。 CNC 雕刻機(jī)相對(duì)于一般加工機(jī)床 有著技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，而且它的價(jià)格合理，現(xiàn)已成為了市場(chǎng)上電子零配件的制造、五金產(chǎn)品、家具制造、小型精密模具制造等行業(yè)加工機(jī)床工具。另外，數(shù)控雕刻機(jī)也逐步被投入如：大功率 LED 鋁基板、金屬電極、美術(shù)工藝禮品、眼鏡框架加工等領(lǐng)域。由于數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，它的市場(chǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。根據(jù)羅百輝的調(diào)查顯示， 2002 2006 年，數(shù)控雕刻機(jī)被用于模具加工、家具制造行業(yè)還是小批量，是它導(dǎo)入市場(chǎng)的階段。 隨著數(shù)控雕刻機(jī)技術(shù)的不斷成熟和價(jià)格趨于合理，其性價(jià)比逐漸得到業(yè)界的認(rèn)可，市場(chǎng)快速擴(kuò)大。進(jìn)入 2007 年我國數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn) 銷量突破 10000 臺(tái)，產(chǎn)值超過 15 億元，標(biāo)志著國內(nèi)數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速成長期；從 2007 2010 年，在模具加工、家具與五金制造等行業(yè)需求繼續(xù)快速增長的同時(shí)，由智能手機(jī)、平板電腦、電子書、 GPS 等帶動(dòng)的消費(fèi)類電子零配件制造業(yè)的需求異常突起，推動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)行業(yè)迅速發(fā)展， 2010 年國內(nèi)數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)量已突破 4.5 萬臺(tái)。 隨著下游各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品加工過程中的高精密、高效率、低耗能、低耗材的要求不斷提升，數(shù)控雕刻機(jī)自身技術(shù)不斷成熟，下游新興應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)人工成本的不斷增長，原有老舊設(shè)備的更新?lián)Q代等等，都將對(duì) 數(shù)控雕刻機(jī)市場(chǎng)起到積極的推動(dòng)作用。未來數(shù)控雕刻機(jī)行業(yè)將持續(xù)高速增長。結(jié)合各下游行業(yè)十二五規(guī)劃制定的發(fā)展目標(biāo)，羅百輝預(yù)計(jì)到 2015 年全國數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)銷量將達(dá)到 12 萬臺(tái)。 在市場(chǎng)結(jié)構(gòu)方面，消費(fèi)類電子產(chǎn)品零配件制造、模具制造、五金制品及家具制造等四大行業(yè)仍將是數(shù)控雕刻機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中，隨著觸摸屏手機(jī)、平板電腦的滲透率不斷提高，未來消費(fèi)類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)需求將持續(xù)快速增長，到 2015年，僅消費(fèi)類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)，對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)需求量就將達(dá)到 38000 臺(tái) 3。 下面以 PCB 的加工為例，介 紹數(shù)控雕刻機(jī)在印刷電路板領(lǐng)域的應(yīng)用。 現(xiàn)在印刷電路板和它的制造技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到了一個(gè)較高水平。從印刷電路板的機(jī)加工環(huán)節(jié)上來分析，為了制造出高質(zhì)量的印刷電路板，目前有激光鉆孔技術(shù)、光致法成孔、等離子體蝕孔等技術(shù)含量高的加工工藝。由于這些加工技術(shù)本身有著一定的局限性，所以一般 PCB 加工作業(yè)大多數(shù)得依靠數(shù)控雕刻機(jī)床來進(jìn)行。 就我國而言，通過幾十年的發(fā)展， PCB 制造行業(yè)的技術(shù)含量和設(shè)備支持都達(dá)到了一個(gè)較高的水平。那些純手工加工方法以及電路板的沖孔加工工藝方法在機(jī)械加工方法中已經(jīng)很少出現(xiàn)了，數(shù)控雕刻機(jī)床和數(shù)控銑床用在 PCB 制造行業(yè)早已很常見了，數(shù)控雕刻機(jī)床和數(shù)控銑床也已列入了當(dāng)前國內(nèi)印制板機(jī)械加工的主導(dǎo)設(shè)備行列里。 數(shù)控鉆銑床技術(shù)就用于 PCB 制造業(yè)而言擁有其獨(dú)特的特性和優(yōu)點(diǎn)： 1）大多數(shù)采用了先進(jìn)的控制技術(shù) 現(xiàn)在 PCB工業(yè)中人們使用的數(shù)控鉆銑床大多數(shù)采用了先進(jìn)的主從結(jié)構(gòu)的多微計(jì)算機(jī) C數(shù)控技術(shù)，也可稱為一主多從的多 CPU 控制技術(shù)。由主 CPU 控制，從 CPU 再分別控制不同功能與特性的結(jié)構(gòu)部件，確保它們于主 CPU 的控制步調(diào)一致。 2）數(shù)控鉆銑的效率高，精度好，速度快，質(zhì)量高 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 一般來說數(shù)控鉆銑床的各個(gè)電主軸都配置 了 Z 軸進(jìn)給深度控制感應(yīng)系統(tǒng)?？梢噪S時(shí)探測(cè) PCB 的疊層與電主軸的壓力角的距離，從而把它們控制在一個(gè)合適的范圍里，確保了電主軸的最佳移動(dòng)距離，使其鉆孔的速度達(dá)到最高。 Z 軸采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，電主軸系統(tǒng)使用氣浮軸承，很大程度上減少了摩擦力，從而確保了加減速的時(shí)間較短，也就提高了加工精度，提高了效率。再加上采用了高動(dòng)態(tài)伺服馬達(dá)，僅僅只需幾毫秒的時(shí)間電主軸的速度就能達(dá)到最高。 目前，當(dāng)電主軸達(dá)最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)，其值為 120000r/min。對(duì)于加工鉆孔直徑為 0.1mm小孔時(shí)。一般銑床因工藝的需要，其速度會(huì)確保在 55000r/min 以下，速度快反而不利于加工。就位置的反饋系統(tǒng)而言，配置了直線光柵或線性磁尺，將它們組成閉環(huán)式反饋回路，讓鉆孔的定位精度達(dá) 0.003mm 以下，重復(fù)定位精度在 0.002mm 以下。而且，加工出來的PCB 板無毛刺，不會(huì)有斜度，表面光滑整齊。 3）具有自檢自控功能 數(shù)控鉆銑床 ,大多數(shù)都具備自我檢測(cè)，自我反饋，自我調(diào)整的功能 。它的設(shè)計(jì)理念是 ,在主 CPU 的控制下，有一個(gè)從 CPU 在全閉環(huán)控制系統(tǒng)下 ,負(fù)責(zé)對(duì)鉆銑床的各個(gè)部位進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查 ,發(fā)現(xiàn)問題隨時(shí)在顯示器上反饋出來。甚至有的同時(shí)顯示和報(bào)警。工作人員排除故障 疏忽的情況下，為使機(jī)器不會(huì)損壞，有的還可以自動(dòng)控制，讓機(jī)器停止工作，制定它保持待機(jī)，從而有效防止了機(jī)器發(fā)生故障而損壞。同時(shí)，每個(gè)主軸都安裝激光測(cè)試徑向跳動(dòng)裝置，保證每個(gè)主軸都保持在最佳工作狀態(tài)。鉆頭的折斷在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生，但若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取更換措施，應(yīng)該要鉆的孔就有可能為鉆。而且， PCB 電路板還可能被斷的鉆頭劃壞損傷，嚴(yán)重影響到電路板制作的質(zhì)量問題。 然而，針對(duì)這個(gè)問題，現(xiàn)在數(shù)控鉆銑床的主軸系統(tǒng)都安裝了斷鉆檢測(cè)裝置，當(dāng)鉆頭斷了，數(shù)控機(jī)床將自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并顯示提醒斷鉆的位置，相應(yīng)的換上好的鉆頭，還要自 動(dòng)檢測(cè)所裝鉆頭的直徑，并重新進(jìn)行孔加工。另一方面，機(jī)床具有了自檢功能后，它還能自動(dòng)控制鉆孔的深度，確保鉆頭尖端和工作臺(tái)面的距離。從而確保機(jī)床的工作臺(tái)面不會(huì)被鉆壞損傷。 4）機(jī)床工作臺(tái)面的移動(dòng)方式采用了氣墊加磁浮，確保了機(jī)床工作臺(tái)面不會(huì)因?yàn)椴僚龆粍潅?PCB 電路板機(jī)械加工時(shí)所需的負(fù)載較小。要求高速、高精度的進(jìn)給，所以 PCB 鉆銑機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)要求阻尼小、摩擦小、靈敏度高，這樣才能滿足 PCB 的孔加工時(shí)頻繁高速的起停運(yùn)動(dòng)。因此快速 PCB 鉆銑機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用了伺服電機(jī)滾珠絲杠導(dǎo)軌的方式，導(dǎo)軌還選擇了氣浮 導(dǎo)軌，它的摩擦系數(shù)更小，加工動(dòng)作更輕便。 當(dāng)空氣軸承出現(xiàn)問題時(shí)，數(shù)控鉆銑機(jī)床將處在一種不平衡的狀態(tài)，這樣工作臺(tái)面很容易被劃傷。數(shù)控鉆銑床多數(shù)采用了氣墊加磁浮的方式， X、 Y 軸用氣浮導(dǎo)向，工作臺(tái)面用氣浮支撐，采用伺服馬達(dá)作為工作臺(tái)面的定位驅(qū)動(dòng)，還配有精密的滾珠絲杠以及預(yù)加載荷的雙螺母進(jìn)行校正調(diào)整。這樣機(jī)床工作臺(tái)面移動(dòng)起來輕盈，快捷，精準(zhǔn)。也使得運(yùn)動(dòng)加減速過程的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)縮短。如若機(jī)器有不平衡現(xiàn)象出現(xiàn)，磁浮會(huì)吸住機(jī)床工作臺(tái)面，讓機(jī)器停下來，使得整個(gè)工作臺(tái)面完好無損。而且 X 軸和 Y 軸采用分離式布局，避免了 傳統(tǒng)的重疊現(xiàn)象。布置 X 軸、 Y 軸在大理石結(jié)構(gòu)的中央位置，工作臺(tái)面始終保持在最佳平衡狀態(tài)，無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 相應(yīng)得也就提高了孔加工的精度。數(shù)控鉆銑床還可以進(jìn)行軟件的編程限位，不但可以自動(dòng)測(cè)量刀具大小長短，還能對(duì)刀具進(jìn)行管理等。 5）機(jī)床的電主軸頭數(shù)種類多、加工幅面大 現(xiàn)在的數(shù)控鉆床大多都是 4-6 個(gè)主軸鉆頭。這大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也滿足了大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)需要。增加主軸以后，機(jī)床臺(tái)面尺寸也要對(duì)應(yīng)增加。 X、 Y 軸的編程也將相應(yīng)擴(kuò)大， (一般在 600mm 600mm 以上 )，軸的行程增加了，相應(yīng)的鉆孔面積也將增加。 6） 編程的功能多種化 當(dāng)前市場(chǎng)上的數(shù)控鉆銑床一般都有兩種以上的編程功能。一種是直接人工編程的照像底片或光繪底片，一種是采用幾何工藝語言 GTL 進(jìn)行編程，最后一種是用參數(shù)化進(jìn)行編程。目前，最后一種普遍得到運(yùn)用，它是一種特有的有效的編程工具，能夠把任何加工順序作為用戶加工環(huán)境來運(yùn)用和設(shè)計(jì)編程。只要給出一定的變數(shù)值，就可以編制形狀相似的工件加工程序 4-6。 1.4 雕 刻 機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo) 通過分析比較以往數(shù)控雕銑機(jī)及雕刻機(jī)的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前數(shù)控雕刻機(jī)的最高主軸轉(zhuǎn)速通常在 24000r/min 左右，刀具 最高切削速度介于 4 到 6m/min 之間，機(jī)床主軸電機(jī)功率為 2.2 千瓦上下。本文所設(shè)計(jì)的小型數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床的性能指標(biāo)參數(shù)如下表 1-1： 表 1-1 數(shù)控雕刻機(jī)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)參數(shù) 性能名稱 數(shù)值 加工幅面 120160200mm 工作臺(tái)尺寸 X/Y 270278mm 行程 X/Y/Z 50150200mm 最大進(jìn)給速度 5.0m/min 加工刀具最大直徑 6.0mm 主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 3000r/min 主軸電機(jī)功率 400kw 換刀方式 手動(dòng)換刀 X/Y/Z 定位精度 -0.1 +0.1mm X/Y/Z 重復(fù)定位精度 -0.05 +0.05mm 總功率 P 1000W 軸聯(lián)動(dòng)數(shù) 4 脈沖當(dāng)量 -0.001 +0.001mm/脈沖 外觀尺寸 400500600 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2 雕 刻 機(jī)總體布局方案設(shè)計(jì) 2.1 數(shù)控雕 刻 機(jī)布局要求及影響因素 數(shù)控雕刻機(jī)床主要是用于較小雕刻量或軟金屬材料的工件的加工。要求加工精度較高。它主軸的轉(zhuǎn)速甚至高達(dá) 30000r/min 左右。各向移動(dòng)部件要求運(yùn)動(dòng)輕巧、剛性好、靈活性強(qiáng)。對(duì)于機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)而言，它的控制反應(yīng)速度要迅速、靈敏，其所配置的伺服電機(jī)的特性 要極佳。 從機(jī)械的角度出發(fā)去分析，對(duì)于數(shù)控雕刻機(jī)床而言，它的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：加工范圍廣、工作精度高、生產(chǎn)率高和經(jīng)濟(jì)性能好等各項(xiàng)要求；另外，它的非移動(dòng)部件的剛性要好，移動(dòng)部件而言，首先它要具有良好剛性，還要整體結(jié)構(gòu)輕巧，要具有較好的靈活性；確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；應(yīng)便于觀察和檢測(cè)。在機(jī)床的加工過程中還要利于操作、位置的調(diào)整和進(jìn)行維修。方便換刀和裝卸所要加工零部件；注意防護(hù)，確保安全；機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要簡單、可靠，機(jī)床的各個(gè)零部件要便于加工、裝配；最好要確保重量輕盈，體 積較小，制造成本較低，占地面積要小，總體外型要大方美觀 7。 在滿足了機(jī)床總體布局基本要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮到影響雕刻機(jī)布局的其它基本因素，如下： 1.加工零件表面成形運(yùn)動(dòng)的影響 要在加工零件的表面銑雕出不同形狀的線路紋路，就要結(jié)合不同的刀具來進(jìn)行加工，所以機(jī)床表面成形運(yùn)動(dòng)的數(shù)目及形式也就不同，將直接導(dǎo)致機(jī)床布局的差異。因此，在布局雕刻機(jī)時(shí)，必須根據(jù)加工的要求，首先對(duì)所要加工零件表面成形的方法及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行綜合、全面合理地考慮。 加工零件的表面，要成形的加工運(yùn)動(dòng)主要可分為銑削、鉆孔、切割三類。因此所設(shè)計(jì)的數(shù)控 雕刻機(jī)必須滿足下面幾種運(yùn)動(dòng)才可以實(shí)現(xiàn)各種加工過程： (1)X、 Y 兩個(gè)方向上相互垂直的直線移動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)了鉆頭在 X、 Y 平面內(nèi)的定位自由，從而使得刀具在 平面 X、 Y 內(nèi)按照不同的軌跡路徑對(duì)零件進(jìn)行銑雕加工。 (2)與 X、 Y 平面相垂直的 Z 方向上直線移動(dòng)。使刀具的鉆孔加工有個(gè)切入的過程。 (3)機(jī)床切削的主運(yùn)動(dòng)是刀具的高速轉(zhuǎn)動(dòng)。 2.數(shù)控雕刻機(jī)動(dòng)靜分配所產(chǎn)生是影響 由于數(shù)控雕刻機(jī)的動(dòng)靜分配存在差異，所以機(jī)床對(duì)應(yīng)的布局也會(huì)不同。而且，就同一種動(dòng)靜分配的布局而言，因?yàn)闄C(jī)床導(dǎo)軌的布局加上導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)不一樣，雕刻機(jī) 的布局也會(huì)不一樣。 因此，對(duì)于雕刻機(jī)動(dòng)靜分配的規(guī)劃，可依照下面的原則來考慮： (1)所選的動(dòng)靜分配將增強(qiáng)機(jī)床加工的精度。 (2)機(jī)床移動(dòng)部分的零件的重量最好輕巧。因?yàn)榫推渌鼦l件相同下，機(jī)床的移動(dòng)部分的零件的重量越小，那么它的慣性將越小，其傳動(dòng)件的尺寸以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率也將越小。這樣，雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)性能將大大提高。 (3)要有助于加強(qiáng)雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度，機(jī)床的占地面積要盡可能的小。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3.所要加工的 零件的形狀、硬度、尺寸和其重量所產(chǎn)生的影響 一般來說，雕刻機(jī)機(jī)構(gòu)的布局一定程度上也和待加工的零件的尺寸、形狀、重量 和硬度有關(guān)。所需加工零件的大小面積，將直接和導(dǎo)軌的布局以及機(jī)床工作臺(tái)的尺寸相關(guān)。 比如，所需加工零件的面積尺寸很大，機(jī)床工作臺(tái)在于加工同一方向尺寸將會(huì)變大，其它一系列部件如與工作臺(tái)相連接的滑塊、滑板及兩導(dǎo)軌布局的跨距將越大。所需加工零件的重量越大，所要求機(jī)床工作臺(tái)、導(dǎo)軌等部件的剛度就要提高。由此可見，待加工零件的形狀、尺寸、重量等也將是對(duì)雕刻機(jī)布局產(chǎn)生影響的直接性、決定性因素。 相比而言，一般零件的硬度不會(huì)有較大的差別，因此機(jī)床工作臺(tái)的切削力的大小和承載能力也不會(huì)產(chǎn)生很大差異，其對(duì)于機(jī)床的整體布局的影響比較 若 8。 2.2 數(shù)控雕 刻 機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局 數(shù)控雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局如圖 2.1所示 。 圖 2.1 數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床總體布置圖 本次設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床主要由： 1.立柱 2.機(jī)床床身 3.工作臺(tái) 4.橫梁 5.X軸 6.工控機(jī) 7.電器柜 8.Z軸 9.主軸立鉆頭和 10.Y軸等零部件所構(gòu)成。 機(jī)床龍門式結(jié)構(gòu)具有剛性和對(duì)稱性優(yōu)良的特點(diǎn)，所以一向是設(shè)計(jì)高速切削機(jī)床結(jié)構(gòu)的首選 。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)床總體布局將采用龍門架式布置結(jié)構(gòu)。 機(jī)床龍門框架式的基本布局形式一般有如圖 2.2所示 A,B兩種結(jié)構(gòu)： 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 圖 A 工作臺(tái)移動(dòng)式 圖 B 龍門架移動(dòng)式 圖 2.2 龍門式數(shù)控雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 A的 布局方案，龍門架是固定的，數(shù)控雕刻機(jī) Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動(dòng)，機(jī)床 X工作臺(tái)將作縱向移動(dòng)。由于機(jī)床工作臺(tái)的移動(dòng)，機(jī)床的承載能力將不如布局 B的承載能力優(yōu)良 。如果所需承載加工零件比較輕，那么此類機(jī)床布局方式要求的電機(jī)功率及傳動(dòng)部件的尺寸就比較小，移動(dòng)比較快捷、輕便。對(duì)于縱向較長工件的批量加工時(shí)，需要使用外伸支架支撐的結(jié)構(gòu)，它們的支點(diǎn)高度相同，所以支 架支撐的調(diào)整較方便，但是支架的結(jié)構(gòu)和布局 B方案相比顯得繁雜。由于機(jī)床移動(dòng)部件的質(zhì)量比較小，因此該種方案中的數(shù)控雕刻機(jī) Z軸系統(tǒng)刀具的運(yùn)動(dòng)、精度易于得到保障。 在圖 B的 布局方案中，機(jī)床工作臺(tái)是固定的，數(shù)控雕刻機(jī) Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動(dòng)，龍門架作縱向的移動(dòng)。由于機(jī)床工作臺(tái)是不動(dòng)的，所以它的承載能力比較好，適合于對(duì)重型零件的工件。對(duì)于縱向較長工件的批量加工時(shí)，需要使用外伸支架支撐的結(jié)構(gòu)，它們的支點(diǎn)高度相同。但機(jī)床 Z軸系統(tǒng)刀具的運(yùn)動(dòng)精度難以得到保證，而且龍門架的移動(dòng)相對(duì)笨重。且加工過程能耗較高，效率較 底。 綜合上述比較，充分結(jié)合參考機(jī)床布局的基本要求、影響機(jī)床布局的基本因素以及本次設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，最終選用圖 A的 布局方案。該機(jī)床的橫梁和立柱還特意設(shè)計(jì)得較寬 。而且考慮到 不良力矩產(chǎn)生的影響，機(jī)床還對(duì) X、 Y、 Z三個(gè)方向上的兩根直線滾動(dòng)導(dǎo)軌之間的跨距進(jìn)行了加寬，從機(jī)床的整體布局上進(jìn)行考慮，有效、可靠地確保了機(jī)床的剛性。 2.3 數(shù)控雕 刻 機(jī)結(jié)構(gòu)的改良對(duì)比 至于其它結(jié)構(gòu)方面，綜合比較以往雕刻機(jī)、雕銑機(jī)的有關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)以往的一些結(jié)構(gòu)存在某些普遍問題，比如： 1）對(duì)于機(jī)床各方向上的加工精度不容易保障，零部 件的組合裝配比較煩雜。 2）加工的切削力較大的情況下 ，機(jī)床 Z軸滑座與 Y向橫梁的垂直程度有偏移誤差的現(xiàn)無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 象。 3）機(jī)床主軸在高 速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) , 對(duì)于加工 進(jìn)給的速度快時(shí) , 主軸刀具較容易斷掉 。 通過查閱資料、分析研究 ， 對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)作如下改進(jìn) : a.對(duì)機(jī)床的橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更新設(shè)計(jì) ， 原來滑塊下的直線導(dǎo)軌布局在同一平面內(nèi) ，如圖2.3中的圖 （ a） 所示， 現(xiàn)把它們布置在互相垂直的空間平面內(nèi) , 如圖 2.3中的圖（ b）的結(jié)構(gòu)所示 ，此時(shí)完全 鎖定了 機(jī)床 Z軸滑座的各相偏移誤差。 b.在 機(jī)床工作臺(tái)和直線導(dǎo) 軌滑塊的相連處布置臺(tái)階 ，其 側(cè)面采用螺釘鎖定 ，這樣 X向就被鎖定了。 c.由于 孕育鑄鐵的穩(wěn)定性、耐沖擊性和吸振性都很優(yōu)越，這將大大提高機(jī)床床身的結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度和剛性。因此本次設(shè)計(jì)機(jī)床的整體式床身底座由孕育鑄鐵鑄造加工而成。采用箱形結(jié)構(gòu)的方式，其底部內(nèi)部筋板采用井字型筋板配合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)方式。保證了對(duì) X向工作 臺(tái)及兩邊立柱所需的剛性支撐作用，總體上使得機(jī)床的動(dòng)態(tài)加工穩(wěn)定性得到了提高。 d.對(duì)于 加工精度難以保證的部位添加調(diào)整墊片 ，采用調(diào)節(jié)的方式確保滿足 各向精度的要求 ， 使得各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)輕快、便捷 9。 圖（ a） 改進(jìn)前橫梁導(dǎo)軌布局 圖（ b） 改進(jìn)后橫梁導(dǎo)軌布局 圖 2.3 橫梁導(dǎo)軌布局圖 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 初步設(shè)計(jì)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)布局如圖 2.4。 圖 2.4 數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 由于此次設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻 機(jī) 機(jī) 床的剛性 大部分是為了 克服 機(jī)床 移動(dòng)系統(tǒng)在高速移動(dòng)的情況下對(duì)非移動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，因此該機(jī)床的滾珠絲杠副和導(dǎo)軌系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型時(shí)要盡量考慮加粗，這樣，機(jī)床的剛性將有利于加強(qiáng) 。 正因?yàn)椴捎昧艘陨弦幌盗写胧敬卧O(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床的最大優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)比較細(xì)小、輕 便的零件進(jìn)行加工，而且加工精度較高，對(duì)軟金屬可進(jìn)行高速切削加工 。 2.4 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 綜合考慮到機(jī)床的總體美觀及安全性能等各個(gè)方面的因素，機(jī)床的滾珠絲杠和導(dǎo)軌系統(tǒng)不可以裸露在外面，因此需要在機(jī)床工作臺(tái)的下方布置一個(gè)防護(hù)罩。所以機(jī)床的工作臺(tái)將不能與滾珠絲杠的滑塊和導(dǎo)軌底座直接連接，之間需有一塊 X向的滑板作為引導(dǎo)，來固定機(jī)床工作臺(tái)。機(jī)床工作臺(tái)與 X向滑板之間加防護(hù)罩，固定在機(jī)床底座上。其裝配關(guān)系如下圖 2.5所示 ： 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 圖 2.5 工作臺(tái)布局圖 為了減輕數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床移動(dòng)部件的質(zhì)量，機(jī)床工作臺(tái)的材質(zhì)選用鋁合金，輕便牢固，易于加工，而且鋁的材料特性較好，不易生銹，提高了機(jī)床使用的可靠性。 2.5 本章小結(jié) 本章主要講述了本次設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局，包括介紹了影響機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)布局的一些因素，并分析了它們的區(qū)別，優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)機(jī)床橫梁導(dǎo)軌的布局進(jìn)行了改進(jìn)，由一般的平面式布局改為空間式布局，提高了機(jī)床的穩(wěn)定性和加工精度。根據(jù)實(shí)際情況，還對(duì)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，確立了工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局方式。 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 113 主傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 3.1 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控雕刻機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)主雕刻運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng) ，其 特點(diǎn)是：主軸 的 轉(zhuǎn)速 較 高 ， 傳遞的功率較大 ，因此是 數(shù)控機(jī)床 中的一種重要 部分。由于數(shù)控雕刻機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速較高 ，對(duì)于 傳統(tǒng)的“主軸電機(jī) +皮帶傳動(dòng) + 齒輪變速”傳動(dòng)的方式已經(jīng)不再 適合 ，因此，目前采用 電主軸來完成主傳動(dòng)的方式已經(jīng) 廣泛運(yùn)用于大多機(jī)床的主軸系統(tǒng) 。 電主軸是一種新型技術(shù)，是為高速數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)而專門研發(fā)出來的一種新型產(chǎn)物。將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主軸傳動(dòng)方式 ,。當(dāng)前其 在高速雕削機(jī)床領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它的結(jié) 構(gòu)緊湊 , 慣量小 , 重量輕、精度高、能耗小 , 提高了機(jī)床啟動(dòng)、停止的系統(tǒng)響應(yīng)特性 , 還有 控制振動(dòng)及噪音等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楸敬嗡O(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)比較小，加上高速電主軸價(jià)格昂貴，所以主傳動(dòng)方式采直流電機(jī)直聯(lián)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，運(yùn)動(dòng)可靠。 這種方式所采用的直流電機(jī)所具有的特點(diǎn)如下： （ 1）特性保持線性關(guān)系 無論機(jī)械特性還是調(diào)節(jié)特性都呈現(xiàn)良好的線性度。即在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系或是轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系都是線性的。 （ 2）調(diào)速范圍寬 其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在寬廣的范圍 內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)并穩(wěn)定運(yùn)行。 （ 3）反應(yīng)速度迅捷 由于輸入控制信號(hào)的作用，電機(jī) 轉(zhuǎn)子可以快速地反應(yīng)并相應(yīng)地動(dòng)作，其時(shí)間常數(shù)比較小。 因此本次設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)直聯(lián)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)的方案。直流電機(jī)通過彈性夾頭直接與刀具連接。 主軸轉(zhuǎn)速是通過用變頻器來改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，從而控制主軸的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，確保主軸的轉(zhuǎn)速范圍控制在 1500 到 24000r/min 之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了無級(jí)轉(zhuǎn)速。變頻器是通過電腦所給的信息，發(fā)出一種脈沖，再通過脈沖來控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了 1500 至 24000r/min之內(nèi) 的不同轉(zhuǎn)速。變頻器是一種電氣設(shè)備，主要 用來改變交流電的電頻率。另外，其還具備改變交流電壓的輔助功能。 一般，變頻器 主要 由逆變器、整流器還