定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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。在機械制造領(lǐng)域，人們對于機械零件加工的質(zhì)量、精度和效率等的要求也越來越高。因此，對于加工零件所需要的機床的跟新?lián)Q代也與日俱增。在此趨勢的推動下，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造設(shè)計變得非常重大。大批的數(shù)控機床正如雨后春筍般進軍機械制造業(yè)。比如數(shù)控雕刻機在模具加工、 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，并對數(shù)控雕刻機的結(jié)構(gòu)做了研究和優(yōu)化設(shè)計，主要包含了數(shù)控機床的總體布局方案設(shè)計、 機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計、（電主軸或電機直聯(lián)傳動結(jié)構(gòu)）、機床進給運動系統(tǒng)（導(dǎo)軌及滾珠絲杠）的結(jié)構(gòu)設(shè)計、相關(guān)滾珠絲杠的計算選型及校核、軸承和電機的計算及選型，最后利用 CAD 繪圖軟件繪制了機床的總裝配圖、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；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 . 1 1.4 雕 刻 機機械系統(tǒng)設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo) . 4 2 雕 刻 機總體布局方案設(shè)計 . 5 2.1 數(shù)控雕 刻 機布局要求及影響因素 . 5 2.2 數(shù)控雕 刻 機總體結(jié)構(gòu)布局 . 6 2.3 數(shù)控雕 刻 機結(jié)構(gòu)的改良對比 . 7 2.4 工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 9 2.5 本章小結(jié) . 10 3 主傳動系統(tǒng)的 方案設(shè)計 . 11 3.1 主運動傳動系統(tǒng)設(shè)計 . 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 . 12 3.2.3 電主軸的安裝 . 14 3.3 本章小結(jié) . 14 4 機床進給系統(tǒng)方案設(shè)計 . 15 4.1 進給傳動系統(tǒng)選擇 . 15 4.1.1 進給傳動系統(tǒng)的要求 . 15 4.1.2 進給傳動系統(tǒng)的基本形式 . 15 4.1.3 以上幾種傳動方案的簡介和比較 . 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 滾珠絲杠副的制動裝置 . 19 4.2.5 步進電機與進給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) . 19 4.3 滾動導(dǎo)軌的安裝定位 . 20 4.4 本章小結(jié) . 20 5 主傳動及 X 向進給系統(tǒng)部分零件計算和校核 . 21 5.1 主傳動零部件計算及校核 . 21 5.1.1 主軸參數(shù)設(shè)計 . 21 5.1.2 主軸系統(tǒng)銑削力的計算 . 21 5.1.3 滾珠絲杠副參數(shù)的計算選擇 . 22 5.1.4 滾珠絲杠副的強度校核 . 25 5.1.5 伺服電機參數(shù)計算和型號選擇 . 26 5.2 X 向 進給系統(tǒng)零部件計算及校核 . 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 . 33 附 錄 . 34 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 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和半自動的金屬沖、鉆、壓等機床設(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)達國家的許多 PCB（印刷電路板）加工設(shè)備設(shè)計 而言 ，為 了 使產(chǎn)品具有強勁的市場競爭力 以 滿足人們的要求，生產(chǎn)廠家紛紛投入了 較大的人力、物力和財力， 就 PCB 加工設(shè)備 的設(shè)計過程中 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、雕銑機、加工中心等一系列數(shù)控機床便如雨后春筍般應(yīng)運而生。跟據(jù)相關(guān)資料載述，世上首臺 CNC 機床的問世，是 1952 年在芝加哥機床展覽會上出現(xiàn)的 ，而針對于 PCB 工業(yè)加工的 CNC 機床大概晚于純金屬切削加工機床 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，市場上對于數(shù)控雕刻機的需求逐步擴大，首先是相對高端的數(shù)控雕刻中心，其需求量最為龐大。數(shù)控雕刻機已成為模具制造行業(yè)必不可少的加工機床裝備。 數(shù)控雕刻機的機械加工精度高、剛性強，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，其機電一體化水平先進。同時，它價格適宜，被認為是低投入高回報的一類加工機床。就當(dāng)今制造類行業(yè)來講，尤其在復(fù)雜型腔模的精細加工中， CNC雕刻機的加工精度高、速度快、表面質(zhì)量好，能夠代替價格相對昂貴的加工中心的機加工。 CNC 雕刻機一般采用滾珠 絲杠副和直線導(dǎo)軌來作為各向運動的實現(xiàn)元件，它的數(shù)控系統(tǒng)功能全面，采用半閉環(huán)伺服電機驅(qū)動，其加工精度可達 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)控機床的加工精度。另外，它的加工范圍大，性價比較高，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)控雕刻機的技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，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，價格昂貴 2。 本課題研究的數(shù)控雕刻機是一種小型三軸聯(lián)動定梁式數(shù)控雕刻機 床。它可以完成一般的輕型零件及 電子電路板的加工，也可以進行透刻輪廓等加工。該機床具有占地面積小，加工幅面較大等特點。根據(jù)數(shù)控雕刻機的自身特點，可以將其分為機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，本文著重研究機械系統(tǒng)設(shè)計過程。完成數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計及零部件的選型計算、結(jié)構(gòu)強度校核，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 伴隨著模具業(yè)、廣告招牌業(yè)、家具制造業(yè)的發(fā)展日趨擴大，尤其在模具行業(yè)中對零件無錫太湖學(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)控雕刻機在國內(nèi)有了突破性的發(fā)展。 CNC 雕刻機相對于一般加工機床 有著技術(shù)上的優(yōu)勢，而且它的價格合理，現(xiàn)已成為了市場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)加工機床工具。另外，數(shù)控雕刻機也逐步被投入如：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)控雕刻機的應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，它的市場規(guī)模也不斷擴大。根據(jù)羅百輝的調(diào)查顯示， 2002 2006 年，數(shù)控雕刻機被用于模具加工、家具制造行業(yè)還是小批量，是它導(dǎo)入市場的階段。 隨著數(shù)控雕刻機技術(shù)的不斷成熟和價格趨于合理，其性價比逐漸得到業(yè)界的認可，市場快速擴大。進入 2007 年我國數(shù)控雕刻機產(chǎn) 銷量突破 10000 臺，產(chǎn)值超過 15 億元，標(biāo)志著國內(nèi)數(shù)控雕刻機產(chǎn)業(yè)進入高速成長期；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，由智能手機、平板電腦、電子書、 GPS 等帶動的消費類電子零配件制造業(yè)的需求異常突起，推動數(shù)控雕刻機行業(yè)迅速發(fā)展， 2010 年國內(nèi)數(shù)控雕刻機產(chǎn)量已突破 4.5 萬臺。 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 數(shù)控雕刻機市場起到積極的推動作用。未來數(shù)控雕刻機行業(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)計到 2015 年全國數(shù)控雕刻機產(chǎn)銷量將達到 12 萬臺。 在市場結(jié)構(gòu)方面，消費類電子產(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)控雕刻機的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中，隨著觸摸屏手機、平板電腦的滲透率不斷提高，未來消費類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)對數(shù)控雕刻機需求將持續(xù)快速增長，到 2015年，僅消費類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)，對數(shù)控雕刻機需求量就將達到 38000 臺 3。 下面以 PCB 的加工為例，介 紹數(shù)控雕刻機在印刷電路板領(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)展已達到了一個較高水平。從印刷電路板的機加工環(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)控雕刻機床來進行。 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)備支持都達到了一個較高的水平。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械加工方法中已經(jīng)很少出現(xiàn)了，數(shù)控雕刻機床和數(shù)控銑床用在 PCB 制造行業(yè)早已很常見了，數(shù)控雕刻機床和數(shù)控銑床也已列入了當(dāng)前國內(nèi)印制板機械加工的主導(dǎo)設(shè)備行列里。 數(shù)控鉆銑床技術(shù)就用于 PCB 制造業(yè)而言擁有其獨特的特性和優(yōu)點： 1）大多數(shù)采用了先進的控制技術(shù) 現(xiàn)在 PCB工業(yè)中人們使用的數(shù)控鉆銑床大多數(shù)采用了先進的主從結(jié)構(gòu)的多微計算機 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)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 一般來說數(shù)控鉆銑床的各個電主軸都配置 了 Z 軸進給深度控制感應(yīng)系統(tǒng)。可以隨時探測 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合適的范圍里，確保了電主軸的最佳移動距離，使其鉆孔的速度達到最高。 Z 軸采用獨立驅(qū)動方式，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。再加上采用了高動態(tài)伺服馬達，僅僅只需幾毫秒的時間電主軸的速度就能達到最高。 目前，當(dāng)電主軸達最高運轉(zhuǎn)速度時，其值為 120000r/min。對于加工鉆孔直徑為 0.1mm小孔時。一般銑床因工藝的需要，其速度會確保在 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 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，自我反饋，自我調(diào)整的功能 。它的設(shè)計理念是 ,在主 CPU 的控制下，有一個從 CPU 在全閉環(huán)控制系統(tǒng)下 ,負責(zé)對鉆銑床的各個部位進行動態(tài)檢查 ,發(fā)現(xiàn)問題隨時在顯示器上反饋出來。甚至有的同時顯示和報警。工作人員排除故障 疏忽的情況下，為使機器不會損壞，有的還可以自動控制，讓機器停止工作，制定它保持待機，從而有效防止了機器發(fā)生故障而損壞。同時，每個主軸都安裝激光測試徑向跳動裝置，保證每個主軸都保持在最佳工作狀態(tài)。鉆頭的折斷在實際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生，但若不能及時發(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，嚴重影響到電路板制作的質(zhì)量問題。 然而，針對這個問題，現(xiàn)在數(shù)控鉆銑床的主軸系統(tǒng)都安裝了斷鉆檢測裝置，當(dāng)鉆頭斷了，數(shù)控機床將自動停止運轉(zhuǎn)，并顯示提醒斷鉆的位置，相應(yīng)的換上好的鉆頭，還要自 動檢測所裝鉆頭的直徑，并重新進行孔加工。另一方面，機床具有了自檢功能后，它還能自動控制鉆孔的深度，確保鉆頭尖端和工作臺面的距離。從而確保機床的工作臺面不會被鉆壞損傷。 4）機床工作臺面的移動方式采用了氣墊加磁浮，確保了機床工作臺面不會因為擦碰而被劃傷 PCB 電路板機械加工時所需的負載較小。要求高速、高精度的進給，所以 PCB 鉆銑機的進給系統(tǒng)要求阻尼小、摩擦小、靈敏度高，這樣才能滿足 PCB 的孔加工時頻繁高速的起停運動。因此快速 PCB 鉆銑機床的進給系統(tǒng)采用了伺服電機滾珠絲杠導(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，加工動作更輕便。 當(dāng)空氣軸承出現(xiàn)問題時，數(shù)控鉆銑機床將處在一種不平衡的狀態(tài)，這樣工作臺面很容易被劃傷。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，工作臺面用氣浮支撐，采用伺服馬達作為工作臺面的定位驅(qū)動，還配有精密的滾珠絲杠以及預(yù)加載荷的雙螺母進行校正調(diào)整。這樣機床工作臺面移動起來輕盈，快捷，精準(zhǔn)。也使得運動加減速過程的時間遠遠縮短。如若機器有不平衡現(xiàn)象出現(xiàn)，磁浮會吸住機床工作臺面，讓機器停下來，使得整個工作臺面完好無損。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)控鉆銑床還可以進行軟件的編程限位，不但可以自動測量刀具大小長短，還能對刀具進行管理等。 5）機床的電主軸頭數(shù)種類多、加工幅面大 現(xiàn)在的數(shù)控鉆床大多都是 4-6 個主軸鉆頭。這大大提高了生產(chǎn)效率，同時也滿足了大規(guī)模的自動化生產(chǎn)需要。增加主軸以后，機床臺面尺寸也要對應(yīng)增加。 X、 Y 軸的編程也將相應(yīng)擴大， (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 進行編程，最后一種是用參數(shù)化進行編程。目前，最后一種普遍得到運用，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)境來運用和設(shè)計編程。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 機機械系統(tǒng)設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo) 通過分析比較以往數(shù)控雕銑機及雕刻機的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前數(shù)控雕刻機的最高主軸轉(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，機床主軸電機功率為 2.2 千瓦上下。本文所設(shè)計的小型數(shù)控雕刻機機床的性能指標(biāo)參數(shù)如下表 1-1： 表 1-1 數(shù)控雕刻機系統(tǒng)主要性能指標(biāo)參數(shù) 性能名稱 數(shù)值 加工幅面 120160200mm 工作臺尺寸 X/Y 270278mm 行程 X/Y/Z 50150200mm 最大進給速度 5.0m/min 加工刀具最大直徑 6.0mm 主軸電機最高轉(zhuǎn)速 3000r/min 主軸電機功率 400kw 換刀方式 手動換刀 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)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 2 雕 刻 機總體布局方案設(shè)計 2.1 數(shù)控雕 刻 機布局要求及影響因素 數(shù)控雕刻機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 30000r/min 左右。各向移動部件要求運動輕巧、剛性好、靈活性強。對于機床的數(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的特性 要極佳。 從機械的角度出發(fā)去分析，對于數(shù)控雕刻機床而言，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)濟性能好等各項要求；另外，它的非移動部件的剛性要好，移動部件而言，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。在機床的加工過程中還要利于操作、位置的調(diào)整和進行維修。方便換刀和裝卸所要加工零部件；注意防護，確保安全；機床的機械結(jié)構(gòu)要簡單、可靠，機床的各個零部件要便于加工、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)考慮到影響雕刻機布局的其它基本因素，如下： 1.加工零件表面成形運動的影響 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)合不同的刀具來進行加工，所以機床表面成形運動的數(shù)目及形式也就不同，將直接導(dǎo)致機床布局的差異。因此，在布局雕刻機時，必須根據(jù)加工的要求，首先對所要加工零件表面成形的方法及運動進行綜合、全面合理地考慮。 加工零件的表面，要成形的加工運動主要可分為銑削、鉆孔、切割三類。因此所設(shè)計的數(shù)控 雕刻機必須滿足下面幾種運動才可以實現(xiàn)各種加工過程： (1)X、 Y 兩個方向上相互垂直的直線移動。從而實現(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零件進行銑雕加工。 (2)與 X、 Y 平面相垂直的 Z 方向上直線移動。使刀具的鉆孔加工有個切入的過程。 (3)機床切削的主運動是刀具的高速轉(zhuǎn)動。 2.數(shù)控雕刻機動靜分配所產(chǎn)生是影響 由于數(shù)控雕刻機的動靜分配存在差異，所以機床對應(yīng)的布局也會不同。而且，就同一種動靜分配的布局而言，因為機床導(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 的布局也會不一樣。 因此，對于雕刻機動靜分配的規(guī)劃，可依照下面的原則來考慮： (1)所選的動靜分配將增強機床加工的精度。 (2)機床移動部分的零件的重量最好輕巧。因為就其它條件相同下，機床的移動部分的零件的重量越小，那么它的慣性將越小，其傳動件的尺寸以及驅(qū)動電機的功率也將越小。這樣，雕刻機的運動力學(xué)性能將大大提高。 (3)要有助于加強雕刻機結(jié)構(gòu)的剛度，機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，雕刻機機構(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)軌的布局以及機床工作臺的尺寸相關(guān)。 比如，所需加工零件的面積尺寸很大，機床工作臺在于加工同一方向尺寸將會變大，其它一系列部件如與工作臺相連接的滑塊、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，所要求機床工作臺、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、重量等也將是對雕刻機布局產(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有較大的差別，因此機床工作臺的切削力的大小和承載能力也不會產(chǎn)生很大差異，其對于機床的整體布局的影響比較 若 8。 2.2 數(shù)控雕 刻 機總體結(jié)構(gòu)布局 數(shù)控雕刻機總體結(jié)構(gòu)布局如圖 2.1所示 。 圖 2.1 數(shù)控雕刻機機床總體布置圖 本次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床主要由： 1.立柱 2.機床床身 3.工作臺 4.橫梁 5.X軸 6.工控機 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。 機床龍門式結(jié)構(gòu)具有剛性和對稱性優(yōu)良的特點，所以一向是設(shè)計高速切削機床結(jié)構(gòu)的首選 。 本次設(shè)計的機床總體布局將采用龍門架式布置結(jié)構(gòu)。 機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)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 圖 A 工作臺移動式 圖 B 龍門架移動式 圖 2.2 龍門式數(shù)控雕刻機結(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 Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動，機床 X工作臺將作縱向移動。由于機床工作臺的移動，機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，那么此類機床布局方式要求的電機功率及傳動部件的尺寸就比較小，移動比較快捷、輕便。對于縱向較長工件的批量加工時，需要使用外伸支架支撐的結(jié)構(gòu)，它們的支點高度相同，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。由于機床移動部件的質(zhì)量比較小，因此該種方案中的數(shù)控雕刻機 Z軸系統(tǒng)刀具的運動、精度易于得到保障。 在圖 B的 布局方案中，機床工作臺是固定的，數(shù)控雕刻機 Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動，龍門架作縱向的移動。由于機床工作臺是不動的，所以它的承載能力比較好，適合于對重型零件的工件。對于縱向較長工件的批量加工時，需要使用外伸支架支撐的結(jié)構(gòu)，它們的支點高度相同。但機床 Z軸系統(tǒng)刀具的運動精度難以得到保證，而且龍門架的移動相對笨重。且加工過程能耗較高，效率較 底。 綜合上述比較，充分結(jié)合參考機床布局的基本要求、影響機床布局的基本因素以及本次設(shè)計的雕刻機的設(shè)計參數(shù)，最終選用圖 A的 布局方案。該機床的橫梁和立柱還特意設(shè)計得較寬 。而且考慮到 不良力矩產(chǎn)生的影響，機床還對 X、 Y、 Z三個方向上的兩根直線滾動導(dǎo)軌之間的跨距進行了加寬，從機床的整體布局上進行考慮，有效、可靠地確保了機床的剛性。 2.3 數(shù)控雕 刻 機結(jié)構(gòu)的改良對比 至于其它結(jié)構(gòu)方面，綜合比較以往雕刻機、雕銑機的有關(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）對于機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）機床主軸在高 速運轉(zhuǎn)時 , 對于加工 進給的速度快時 , 主軸刀具較容易斷掉 。 通過查閱資料、分析研究 ， 對數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)作如下改進 : a.對機床的橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更新設(shè)計 ， 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 ，此時完全 鎖定了 機床 Z軸滑座的各相偏移誤差。 b.在 機床工作臺和直線導(dǎo) 軌滑塊的相連處布置臺階 ，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，這將大大提高機床床身的結(jié) 構(gòu)強度和剛性。因此本次設(shè)計機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 X向工作 臺及兩邊立柱所需的剛性支撐作用，總體上使得機床的動態(tài)加工穩(wěn)定性得到了提高。 d.對于 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 ， 使得各個方向的運動輕快、便捷 9。 圖（ a） 改進前橫梁導(dǎo)軌布局 圖（ b） 改進后橫梁導(dǎo)軌布局 圖 2.3 橫梁導(dǎo)軌布局圖 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 初步設(shè)計數(shù)控雕刻機的機械結(jié)構(gòu)布局如圖 2.4。 圖 2.4 數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)示意圖 由于此次設(shè)計的數(shù)控雕刻 機 機 床的剛性 大部分是為了 克服 機床 移動系統(tǒng)在高速移動的情況下對非移動系統(tǒng)產(chǎn)生強大的沖擊力，因此該機床的滾珠絲杠副和導(dǎo)軌系統(tǒng)在設(shè)計選型時要盡量考慮加粗，這樣，機床的剛性將有利于加強 。 正因為采用了以上一系列措施，本次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床的最大優(yōu)點是可以對比較細小、輕 便的零件進行加工，而且加工精度較高，對軟金屬可進行高速切削加工 。 2.4 工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 綜合考慮到機床的總體美觀及安全性能等各個方面的因素，機床的滾珠絲杠和導(dǎo)軌系統(tǒng)不可以裸露在外面，因此需要在機床工作臺的下方布置一個防護罩。所以機床的工作臺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)，來固定機床工作臺。機床工作臺與 X向滑板之間加防護罩，固定在機床底座上。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 工作臺布局圖 為了減輕數(shù)控雕刻機機床移動部件的質(zhì)量，機床工作臺的材質(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)計的雕刻機總體機械結(jié)構(gòu)的布局，包括介紹了影響機床機械結(jié)構(gòu)布局的一些因素，并分析了它們的區(qū)別，優(yōu)缺點。對機床橫梁導(dǎo)軌的布局進行了改進，由一般的平面式布局改為空間式布局，提高了機床的穩(wěn)定性和加工精度。根據(jù)實際情況，還對機床工作臺移動的實現(xiàn)方式進行改進優(yōu)化，確立了工作臺的結(jié)構(gòu)布局方式。 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 113 主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計 3.1 主運動傳動系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)控雕刻機的主傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)主雕刻運動的系統(tǒng) ，其 特點是：主軸 的 轉(zhuǎn)速 較 高 ， 傳遞的功率較大 ，因此是 數(shù)控機床 中的一種重要 部分。由于數(shù)控雕刻機床主軸的轉(zhuǎn)速較高 ，對于 傳統(tǒng)的“主軸電機 +皮帶傳動 + 齒輪變速”傳動的方式已經(jīng)不再 適合 ，因此，目前采用 電主軸來完成主傳動的方式已經(jīng) 廣泛運用于大多機床的主軸系統(tǒng) 。 電主軸是一種新型技術(shù)，是為高速數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)動而專門研發(fā)出來的一種新型產(chǎn)物。將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主軸傳動方式 ,。當(dāng)前其 在高速雕削機床領(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 , 提高了機床啟動、停止的系統(tǒng)響應(yīng)特性 , 還有 控制振動及噪音等優(yōu)點。因為本次所設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床的整體結(jié)構(gòu)比較小，加上高速電主軸價格昂貴，所以主傳動方式采直流電機直聯(lián)帶動主軸機構(gòu)，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運動可靠。 這種方式所采用的直流電機所具有的特點如下： （ 1）特性保持線性關(guān)系 無論機械特性還是調(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)定運行。 （ 3）反應(yīng)速度迅捷 由于輸入控制信號的作用，電機 轉(zhuǎn)子可以快速地反應(yīng)并相應(yīng)地動作，其時間常數(shù)比較小。 因此本次設(shè)計采用直流電機直聯(lián)帶動主軸機構(gòu)的方案。直流電機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機的電源頻率，從而控制主軸的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，確保主軸的轉(zhuǎn)速范圍控制在 1500 到 24000r/min 之內(nèi)，從而實現(xiàn)了無級轉(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