桌面式CNC雕刻機

第1章緒論1.1桌面式CNC雕刻機綜述1.2研制雕刻機的目的和意義(2)加工過程穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量好。(3)結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便。(4)加工范圍非常廣。(6)價格便宜。其價格比其它機床要便宜很多。浮雕印章裝飾品工藝品圖1-2幾種雕刻機加工的產(chǎn)品建筑模型模具面式CNC雕刻機，這些桌面式CNC雕刻機也被廣泛應用各個行業(yè)和領(lǐng)域，但是總體來說我國的桌面式CNC雕刻機的制造水平還不夠強，許多桌面式CNC雕刻機的加工精度還達不到標準，因此我國需要大力提高桌面式CNC雕刻機的制造水平，同時我們還應該投入更多的資金用于桌面式CNC雕刻機的設計研發(fā)，把更多的精神用到桌面式CNC雕第2章機械系統(tǒng)總體設計2.1整體結(jié)構(gòu)設計(1)確保加工的精準度。(2)確保雕刻機各部分協(xié)調(diào)工作，不會相互干擾(3)確保能夠完成預定的進給長度(4)確保能夠完成各種相關(guān)工藝。(5)便于同時操作和觀察數(shù)控機床的操作(6)機床結(jié)構(gòu)布局便于排屑(7)機床結(jié)構(gòu)簡單，各部分便于拆卸組裝+Y(1)底座部分(2)工作臺部分(3)橫梁部分(4)機頭部分2.2進給系統(tǒng)選用步進電機作為各向的驅(qū)動電機，其具有以下優(yōu)(1)在外界因素影響下，其步距角變化不大。(2)不會長期累加之前的誤差，其運轉(zhuǎn)一圈不會有誤差留下。(3)控制性能好，啟動、停止、翻轉(zhuǎn)都比較容易控制。選擇滾珠絲螺母副作為各軸進給系統(tǒng)的傳動機構(gòu)，它較齒輪傳動具有更好的傳動平穩(wěn)采用聯(lián)軸器來聯(lián)接電機和絲杠，這種設計可以減少誤差，提高加工精度，所以選擇利用聯(lián)軸器使步進電機與滾珠絲杠直接相連。此時傳動比為1,誤差最小。因此各軸進給系統(tǒng)的傳動過程為：首先利用聯(lián)軸器把步進電機的轉(zhuǎn)矩傳遞給絲杠，然后絲杠再把轉(zhuǎn)矩傳遞給螺母及與其固定的各部件，螺母及與其固定的各部件在絲杠的作用2.3主傳動系統(tǒng)主傳動系統(tǒng)由主軸電機、主軸組件和刀具給成，桌面式CNC雕刻機常采用的主傳動的方式有兩種，第一種是利用專用雕刻頭來直接進行雕刻加工，第二種是采用直流電機把轉(zhuǎn)矩傳遞給主軸及其連接的刀具進行加工。專用雕刻頭價格比較貴，不太適合小型的簡易如果采用第二種方法，那就需要選擇直流電機來帶動主軸，直流電機具有以下特點：(1)速度可調(diào)節(jié)的范圍比較大：直流電機的轉(zhuǎn)子可以在一個較大的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，比較(2)轉(zhuǎn)速的機械特性的線性度良好，直流電機的轉(zhuǎn)速與控制電壓和轉(zhuǎn)矩都是線性關(guān)系。(3)反應速度比較快：轉(zhuǎn)子一接收到控制信號就能立即反應。經(jīng)綜合考慮決定選用第二種方式作為主傳動系統(tǒng)的傳動方式，本設計選擇電主軸作為主傳動系統(tǒng)的傳動過程是：電主軸直接通過聯(lián)接裝置與刀具相連，從而傳遞轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)刀具的回轉(zhuǎn)。第3章機械系統(tǒng)主要零部件設計該桌面式CNC雕刻機的主要技術(shù)參數(shù)如表3-1所示：工作臺面積(mm×mm)龍門跨度(mm)工具頭端到臺面距離(mm)主軸電機功率(kw)1刀具軸轉(zhuǎn)速(r/min)進給軸步進電機額定扭矩X5Y5Z進給軸的行程(mm)XYZ快速進給速度(X、Y、Z)工作進給速度范圍(X、Y、Z)3.2主要零件的設計由表3-1可知，所選的電主軸應滿足：轉(zhuǎn)速n>4500r/min,功率P>1KW。查閱相關(guān)資料初選主軸電機的型號為SDK62-60Z/1.5,參數(shù)如表3-2所示，外形如圖3-1所示：表3-2電主軸的參數(shù)主軸電機型號轉(zhuǎn)速電機外型尺寸重量額定功率VA頻率D軸端連接L54873.2.2步進電機的選擇步進電機滿足以下公式：由任務書上的設計參數(shù)可知，脈沖當量δ=0.01mm,步進電機與絲杠通過聯(lián)軸器直接相連，則有傳動比i=1,查閱雕刻機的相關(guān)資料可知：一般雕刻機的導程可以選擇為Ph=5mm,把已知相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-1中可得步進電機的步距角α=0.72°。根據(jù)表3-1中所給的參數(shù)可知，這三個方向上的步進電機的最大額定扭矩是5N·m,因此這里要選用的步進電機的保持轉(zhuǎn)矩應該大于5Nm。根據(jù)步距角及保持轉(zhuǎn)矩的值可以初步確定步進電機的型號為90BYG550C—0301。具體參數(shù)如表3-3,外形如圖3-2。規(guī)格型號相數(shù)步距角相電流保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量重量外形尺寸563.2.3X軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇首先需要分析一下雕刻機的X軸方向的絲杠的受力情況，得到X軸絲杠的當量軸向載荷，再分別計算得到絲杠的預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的型號及尺寸，最后根據(jù)所選的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式以及支承所用的滾動軸承。(1)確定絲杠的當量載荷當?shù)窨虣C空載時，X軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導軌的摩擦力。當?shù)窨虣C以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時，X軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導軌的摩擦力和刀具沿X軸方向的切削抗力。1)計算X軸導軌的摩擦力查《機械設計手冊》知：X軸方向的導軌的受力情況如圖3-3,其所受摩擦力的計算對X軸導軌有：雕刻機空載時有以下公式：雕刻機以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時有以下公式：設a=115mm,b=200mm,c=c?=0,lo=185mm,l=140mm2)計算X軸絲杠所受的切削抗力查《數(shù)控機床設計實踐指南》知：銑削的主切削力計算公式如下：另外有FL=0.3～0.4Fz,Fv=0.5～0.55Fz,取FL=0.4Fz,Fv=0.55Fz。其中v為主軸傳遞全部功率時的切削速度其計算公式如下：設刀具直徑D為6mm,由任務書參數(shù)知n=4500r/min,將D和n的值代入式3-5中得Fz=566N,FL=226.4N,Fv=311.3N。X軸絲杠所受的切削抗力與所對應的切削分力大小3)計算絲杠的軸向載荷對X軸絲杠有：雕刻機空載時有以下公式：雕刻機以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時有以下公式：4)計算X軸滾珠絲杠螺母副的當量載何當絲杠所受載荷的大小與其轉(zhuǎn)速的變化接近正比時，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同，這時可以利用以下公式進行計算：將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-8中計算得：(2)確定滾珠絲杠螺母副的預期額定動載荷Cam按照其預期需要達到的運行距離Ls來求Cm,其計算公式如下：如果該絲杠加載了預加負荷，這時其Cam的計算公式如下：fa--精度等級，按7級精度來取值，其應取0.8;f.--可靠系數(shù)，按95%,取0.62;(3)確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑2)計算滾珠絲杠的最小螺紋底徑絲杠采用兩端固定的安裝方式，因此其計算公式如下：F?-導軌的靜摩力L-兩個固定支承之間的距離(mm)L≈(1.1～1.2)行程+(10～14)Ph(4)確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號及尺寸根據(jù)以上條件，初選X軸的滾珠絲杠螺母副的型號為G2505—3,參數(shù)如表3-4所示，外形簡圖如圖3-4所示：規(guī)格代號公稱導程P絲杠外鋼球直徑D絲杠底循環(huán)圈數(shù)基本額定負荷剛度靜載荷53螺母安裝尺寸DLBh6LL絲杠螺紋長度滿足以下公式：該式中Lu是絲杠的行程，Le是余程，查閱相關(guān)資料得：當Ph=5mm時其余程Le=20mm。所以對X軸絲杠有：Ls=400+2×20=440mm。(5)選擇X軸滾珠絲杠螺母副支撐所用的軸承規(guī)格代號1)計算軸承所承受的最大軸向載荷X軸滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式，因此要計算預拉伸力，其計算公式如下：其中溫差△t=2.5℃,代入式3-13中得：Ft=2191N。軸承所承受的最大軸向載荷的計算公式如下：將Fmax及Ft值代入到式3-14中得：FBmax=2462N。2)確定軸承類型選擇兩對25°角的角接觸球軸承分別放在絲杠的兩側(cè)，每側(cè)以背對背的方式布置兩個該滾動軸承，這種滾動軸承不僅可以對絲杠進行軸向和徑向的雙向固定，而且還可以對絲杠兩端進行軸向的雙向固定。3)確定軸承直徑軸承直徑應滿足：d≤d?,預加負載荷≥FBP,FBP=1/3FBmax。所以選擇d=20mm的角接觸球軸承，其滿足直徑d=20mm≤21.2mm且預加負載荷為970N>821N。4)確定軸承型號查《機械設計教程》選取角接觸球軸承型號為7204AC,它的參數(shù)如表3-5所示，其外形如圖3-5所示：號基本尺寸dDB3.2.4Y軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇首先需要分析一下雕刻機的Y軸方向的絲杠的受力情況，得到Y(jié)軸絲杠的當量軸向載荷，再分別計算得到絲杠的預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的型號及尺寸，最后根據(jù)所選的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式以及支承所用的滾動軸承。(1)確定絲杠的當量載荷當?shù)窨虣C空載時，Y軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導軌的摩擦力。當?shù)窨虣C以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時，Y軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導軌的摩擦力和刀具沿Y軸方向的切削力。1)計算Y軸導軌的摩擦力查《機械設計手冊》知：Y軸方向的導軌的受力情況如圖3-6,其所受摩擦力的計算對Y軸導軌有：雕刻機空載時有以下公式：雕刻機以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時有以下公式：設W?=600N,取動摩擦因素μ=0.1。2)計算Y軸絲杠所受的切削力查《數(shù)控機床設計實踐指南》知：銑削的主切削力計算公式如下：遞全部功率時的切削速度其計算公式如下：設刀具直徑D為6mm,由任務書參數(shù)知n=4500r/min,將D和n的值代入式3-5中得F?=F,=μW(3-19)4)計算絲杠的當量載何當絲杠所受載荷的大小與其轉(zhuǎn)速的變化接近正比時，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同，這時可以利用以下公式進行計算：(3)確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑2)計算滾珠絲杠的最小螺紋底徑絲杠采用兩端固定的安裝方式，因此其計算公式如下：F?-導軌的靜摩力δm-最大允許的軸向變形量L-兩個固定支承之間的距離(mm)L≈(1.1～1.2)行程+(10～14)Ph對Y軸絲杠有：L≈490mm,F?=120N,δm=2μm,將這些數(shù)據(jù)代入到式3-24中，經(jīng)計(4)確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號及尺寸對Y軸絲杠有：d?≥d?m=6.69mm,C?≥Cam=2065.1N根據(jù)以上條件，初選Y軸的滾珠絲杠螺母副的型號與X軸的滾珠絲杠相同，均為G2505—3,其參數(shù)如表3-4。滾珠絲杠的螺紋長度滿足以下公式：其中Lu為絲杠的行程，Le為余程，查閱相關(guān)資料得：當絲杠導程Ph=5mm時其余程所以對Y軸絲杠有：Ls=350+2×20=390mm。(5)選擇X軸滾珠絲杠螺母副支撐所用的軸承規(guī)格代號1)計算軸承所承受的最大軸向載荷X軸滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式，因此要計算預拉伸力，其計算公式如下：其中溫差△t=2.5℃,代入式3-26中得：Ft=2191N。軸承所承受的最大軸向載荷的計算公式如下：2)確定軸承類型選擇兩對25°角的角接觸球軸承分別放在絲杠的兩側(cè)，每側(cè)以背對背的方式布置兩個該滾動軸承，這種滾動軸承不僅可以對絲杠進行軸向和徑向的雙向固定，而且還可以對絲杠兩端進行軸向的雙向固定。3)確定軸承直徑軸承直徑應滿足：d≤d?,預加負載荷≥FBP,FBP=1/3FBmax。所以選擇d=20mm的角接觸球軸承，其滿足直徑d=20mm≤21.2mm且預加負載荷為970N>836.2N。4)確定軸承型號查《機械設計教程》選取角接觸球軸承型號為7204AC,與X軸所選的滾動軸承相同，其參數(shù)如表3-5。3.2.5Z軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇(1)確定絲杠的當量載荷當?shù)窨虣C空載時，Z軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導軌的摩擦力。當?shù)窨虣C以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時，Z軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導軌的摩擦力和刀具沿Z軸方向的切削抗力。1)計算Z軸導軌的摩擦力查《機械設計手冊》知：Z軸方向的導軌的受力情況如圖3-6,其所受摩擦力的計算公對Z軸導軌有：雕刻機空載時有以下公式：雕刻機以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時有以下公式：設d=64mm,l?=80mm,l?=85mm,W?=50N,取動摩擦因素μ=0.1。2)計算Z軸絲杠所受的沿Z軸方向的切削抗力查《切削用量簡明手冊》知鉆頭的軸向力的計算公式如下：設刀具為直徑d=6mm的高速鋼鉆頭，根據(jù)鉆頭查表得f=0.18mm/r,Cr=600,Zp=1,yr=0.7,Kp=1,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-30中計算得：F,'=600×6×0.18*7×1=1084N。Z軸絲杠所受的沿Z軸方向的切削抗力與軸向力F,大小相等，方向相反，因此Z軸所受到的沿3)計算絲杠的軸向載荷對Z軸絲杠有：雕刻機以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時其計算公式如下：將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-31、3-32中經(jīng)計算得：F?=37.5N,F?=1309.4N。4)計算絲杠的當量載何當絲杠所受載荷的大小與其轉(zhuǎn)速的變化接近正比時，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同，這將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-33中計算得：對Z軸絲杠有：按照其預期需要達到的運行距離Ls來求Cam,其計算公式如下：fa--精度等級，按7級精度來取值，其應取0.8;f--負荷系數(shù)，輕微沖擊，取1.2;(3)確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑1)估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量δm2)計算滾珠絲杠的最小螺紋底徑絲杠采用兩端固定的安裝方式，因此其計算公式如下：式中：L-兩個固定支承之間的距離(mm)L≈(1.1～1.2)行程+(10～14)Ph(4)確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號及尺寸根據(jù)以上條件，初選Z軸的滾珠絲杠螺母副的型號均為G2505—3,與X軸與Y軸的絲杠相同，其參數(shù)如表3-4。滾珠絲杠的螺紋長度滿足以下公式：其中Lu為絲杠的行程，Le為余程，查閱相關(guān)資料得：當絲杠導程Ph=5mm時其余程(5)選擇Z軸滾珠絲杠螺母副支撐所用的軸承規(guī)格代號1)計算軸承所承受的最大軸向載荷Z軸滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式，因此要計算預拉伸力，其計算公式如下：其中溫差△t=2.5℃,代入式3-38中得：Ft=2191N。軸承所承受的最大軸向載荷的計算公式如下：2)確定軸承類型選擇兩對25°角的角接觸球軸承分別放在絲杠的兩側(cè)，每側(cè)以背對背的方式布置兩個該滾動軸承，這種滾動軸承不僅可以對絲杠進行軸向和徑向的雙向固定，而且還可以對絲杠兩端進行軸向的雙向固定。3)確定軸承直徑軸承直徑應滿足：d≤d?,預加負載荷≥FBP,FBP=1/3FBmax。采用d=20mm的角接觸球軸承，其滿足直徑d=20mm≤21.2mm且預加負載荷為970N>900N。4)確定軸承型號查《機械設計教程》選取角接觸球軸承型號為7204AC,與X軸和Y軸所用滾動軸承相同，其參數(shù)如表3-5。3.2.6導軌副——直線滾動導軌的設計與選擇初選直線滾動導軌副的型號為TRS20VN,導軌數(shù)為2,滑塊總數(shù)為4,其參數(shù)如表3-6所示，外形如圖3-8所示：滑塊尺寸mmHhFL油孔NS20VN28856607751滑軌mmhFC6(1)校核額定動載荷C各軸導軌應滿足：額定動載荷C>Ca滿足要求。對于Z軸導軌有：各軸導軌應滿足：額定動載荷C?>Co對于X軸導軌有：滿足要求。對于Z軸導軌有：導軌的額定行程長度壽命的計算公式如下：對于X軸導軌有：C=12010N,F=111.75N,代入Ts的計算公式中得：導軌的額定工作時間壽命的公式如下：代入Ts的計算公式中得：Ts=1153770Km對于X軸導軌有：Th=2036087500h>15000h,滿足壽命要求。對于Y軸導軌有：Th=240368750h>15000h,滿足壽命要求。對于Z軸導軌有：Th=4942500h>15000h,滿足壽命要求。表3-7硬度系數(shù)滾道表面表3-8溫度系數(shù)工作溫度/C每根導軌上的滑塊數(shù)12345工作條件無外部沖擊或震動的低速運動場合，速度小于15m/min無明顯沖擊或震動的中速運動場合，速度小于60m/min有外部沖擊或震動的高速運動場合，速度小于60m/min(1)一體成型的金屬彈性體(2)零回轉(zhuǎn)間隙、可同步運轉(zhuǎn)(3)能夠補償軸在各個方向的偏差(5)順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)沒有什么區(qū)別(6)不需要保養(yǎng)，抗油能力強，耐腐蝕性能良好(7)它由鋁合金或不銹鋼制成(8)采用頂絲或夾緊來固定型號ALWEFM最大孔徑額定扭矩重量g53.2.8滾珠絲杠的校核各軸滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式，如圖3-10所示：(1)傳動系統(tǒng)的剛度計算傳動系統(tǒng)剛度校核可采用下列公式：絲杠的滾珠與滾道的接觸剛度對于絲杠支撐形式為兩端固定，抗壓剛度Ks計算公式如下：絲杠滾珠和滾道的接觸剛度的計算公式如下：,把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-472)驗算傳動系統(tǒng)剛度3)精度選擇查閱相關(guān)資料知，有定位精度的數(shù)控機械和精密機械可選用3～4級精度。(3)驗算臨界壓縮載荷臨界壓縮載荷的計算公式如下：(4)驗算許用轉(zhuǎn)速絲杠的許用轉(zhuǎn)速的計算公式如下：其中f為安裝系數(shù)，查閱相關(guān)資料知：當絲杠兩端固定時，取f=21.9,Lc為固定端到(5)軸向額定載荷的驗算3.2.9步進電機的校核1)外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩的計算公式如下：其中各軸滾珠絲杠的預緊力把各軸絲杠的預緊力代入式3-52中，經(jīng)計算得：3)校核步進電機的轉(zhuǎn)矩所選步進電機應滿足：絲杠總轉(zhuǎn)矩T<步進電機額定轉(zhuǎn)矩To,To=6N.m。(2)計算轉(zhuǎn)動慣量J絲杠的轉(zhuǎn)動慣量的計算公式如下：各軸絲杠的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-53中，經(jīng)計算得：回轉(zhuǎn)件總轉(zhuǎn)動慣量的計算公式如下：對于X軸絲杠有：對于Y軸絲杠有：對于Z軸絲杠有：第4章數(shù)控系統(tǒng)設計4.1確定機床控制系統(tǒng)方案單片機w鍵盤顯示器驅(qū)動器機4.2主要芯片配置選取一片8031單片機作為主芯片，它是一種較為經(jīng)典的MCS-51子系列單片機，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能與同系列的單片機相同，與MCS-52子系列芯片類似。該單片機與同系列的芯片相比價格更加低廉，非常適合用于本設計，因此本設計優(yōu)先考慮選用8031單片機作為型號存儲器定時器串行口中斷制造工藝無258031單片機的主要特性如下：(1)128位內(nèi)部RAM(2)32可編程I/O線(3)5個中斷源(4)內(nèi)部無ROM(5)采用HMOS制造工藝制造8031單片機的引腳如圖4-2所示：P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5T0P3.4WRP3.6XTAL2P2.6P2.5P2.4P2.2P2.1P2.03456789214.2.3RAM的選用選取MOS型的數(shù)據(jù)存儲器RAM,MOS型RAM包括動態(tài)和靜態(tài)兩種類型。動態(tài)RAM具有集成度高、功耗小、成本低等優(yōu)點，但是與靜態(tài)RAM相比，動態(tài)RAM控制邏輯比較復雜，外界因素對它的影響較大，不夠穩(wěn)定。綜合考慮此處選用靜態(tài)RAM,它較動態(tài)RAM更加可靠，更適用于實時控制系統(tǒng)。本設計中選擇大容量靜態(tài)RAM6264(8K*8位)一片。6264主要工作方式：①讀方式——當數(shù)據(jù)輸出允許信號的引腳和片選信號的引腳處于低電平，而寫選通信號的引腳處于高電平時，該芯片把數(shù)據(jù)輸出到指定地址。②寫方式——當片選信號的引腳和寫選通信號的引腳都處于低電平時，該芯片允許接收輸入的數(shù)據(jù)。③封鎖方式——當片選信號的引腳處于高電平時，芯片不工作。4.2.4EPROM的選用該控制電路選擇使用2764EPROM,其作用是儲存常用