數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計(jì)

1、1 緒論 31.1 數(shù)控雕銑機(jī)的概述 31.2 數(shù)控雕銑機(jī)和數(shù)控銑床的比較 31.3 雕銑機(jī)與雕刻機(jī)的比較 41.4 國(guó)內(nèi)數(shù)控雕銑機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀 51.4.1 典型數(shù)控雕銑機(jī)的介紹 52 . 4040S數(shù)控雕銑機(jī)的簡(jiǎn)介： 72.1 4040S數(shù)控模具雕銑機(jī)的工藝范圍： 72.2 4040s數(shù)控模具雕銑機(jī)的特點(diǎn)： 72.3 4040S數(shù)控模具雕銑機(jī)主要技術(shù)參數(shù)： 83 . 臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)總體布局設(shè)計(jì)方案 93.1 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)： 93.2 設(shè)計(jì)方案分析： 104 .臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)X 軸設(shè)計(jì) 154.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 154.1.1 電主軸的冷卻與潤(rùn)滑 154.2 Z 向進(jìn)給系

2、統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 164.2.1 滾珠絲杠副的選擇 164.2.2 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu) 174.2.3 支承軸承的選擇 174.2.4 滾珠絲杠的制動(dòng)裝置 174.2.5 X向電機(jī)與進(jìn)給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 185 X 軸系統(tǒng)零部件的計(jì)算與校核 195.1 X 軸系統(tǒng)的重力計(jì)算 195.2 主軸銑削力計(jì)算 205.3 滾珠絲杠副的選擇計(jì)算 215.4 X向進(jìn)給電機(jī)功率的計(jì)算及選擇 30數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計(jì)摘要 ： 調(diào)查研究了雕刻/銑機(jī)的發(fā)展介紹臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)X 的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)、主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和X 向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。X 向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中主要分析了絲杠的安裝，以及相關(guān)固定和支承。計(jì)

3、算主要有兩個(gè)方面：對(duì)滾珠絲杠和X 軸電機(jī)的選擇計(jì)算和校核。最后，通過(guò)模擬編程軟件Mastercam, 對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行加工。關(guān)鍵詞 : 數(shù)控雕銑機(jī)床；滾珠絲杠；X 軸The design of the X axle in Desk-work CNC engraving andmilling machineAbstract: The development of the CNC engraving and milling and the meaning of the electric spindle to the NC machine was investigated. The process o

4、f design for the X axle in Desk-work CNC engraving and milling machine was introduced, including the design project of the machine, the design of the mechanical structures of the feeding mechanism of X axis. In the section of the feeding machine of X axis , the assembly of the straight guide-way and

5、 the bearing of the ball screw and so forth was presented .The calculation mainly includes two aspects: choosing and verifying the servo-motor of X axis. At last, via the simulation programming software Mastercam, the related part was generated.Keywords: CNC engraving and milling machine; X axis1.1

6、數(shù)控雕銃機(jī)的概述近年來(lái)，在模具加工行業(yè)中，人們一直在探索用一種比較完美的加工方式來(lái) 替代電火花成型加工，以避免工件表面質(zhì)量因電加工后產(chǎn)生型面微觀裂紋。L深型腔加工（優(yōu)勢(shì)彳I深槽窄縫加工傳統(tǒng)的電火花成型加工 （微細(xì)復(fù)雜型腔加工花紋加工I缺點(diǎn)圖案型腔加工大型面良好的表面粗糙度 I加工工藝較多、時(shí)間較長(zhǎng)高速銃削方式在這些模具加工中具有很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，伴隨著加工高硬度材料刀具技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)控銃床在模具加工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但隨著模具加工業(yè)對(duì)加工表面質(zhì)量要求的提高， 所需刀具半徑越來(lái)越小，于是高速銃削加 工出現(xiàn)了另一種分支工具一高速數(shù)控雕銃機(jī)。通過(guò)高速雕銃機(jī)的加工方式來(lái)彌補(bǔ) 電火花成型加工的缺點(diǎn)

7、。數(shù)控模具雕銃機(jī)的誕生為模具加工工業(yè)解決了這一問(wèn)題。高速數(shù)控模具雕銃 機(jī)不僅具有高效率強(qiáng)力粗銃半精銃加工能力，同時(shí)具有高表面加工質(zhì)量的精細(xì)雕 刻功能，使高效率和良好表面質(zhì)量得以有機(jī)統(tǒng)一。1.2 數(shù)控雕銃機(jī)和數(shù)控銃床的比較1. 機(jī)型上的區(qū)別：i）數(shù)控銃床主要用于完成較大銃削量的產(chǎn)品的加工；11) 雕銑機(jī)主要用于較小銑削量或者輕金屬的加工；或?qū)浗饘俚募庸?。II . 從機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速分析i) 數(shù)控銃床對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求速度一般，主軸轉(zhuǎn)速08000RPMfc右；ii)雕銃機(jī)要求高速的數(shù)控系統(tǒng)，主軸轉(zhuǎn)速 150030000RPMfc右。III . 從機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)的角度來(lái)看i )數(shù)控銑床對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要

8、求：穩(wěn)定可靠，操作方面，維修方便等，現(xiàn)在市場(chǎng)上的數(shù)控系統(tǒng)主要集中在 FANUC：西門(mén)子及MITISUBISH控制 器；ii) 雕刻機(jī)大部分采用企業(yè)自主研發(fā)或者外購(gòu)的工業(yè)控制器。綜上所述：雕銑機(jī)大部分用于模具行業(yè)，也進(jìn)行一些小切削量的銑削。而數(shù)控銑床大部分在機(jī)械加工行業(yè)中使用，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品種的加工。1.3 雕銑機(jī)與雕刻機(jī)的比較對(duì)雕銑機(jī) (Router) 與雕刻機(jī)(Engraver) 的區(qū)別， 很多人都不清楚。人們直觀上的感覺(jué)是小幅面的是雕刻機(jī)，大幅面的是雕銑機(jī)，或叫雕鑿機(jī)、鏤銑機(jī)，或干脆統(tǒng)稱(chēng)大雕刻機(jī)。其實(shí)它們是兩類(lèi)不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器，但工作原理大致相同，都是由 X、 Y、

9、Z 三軸驅(qū)動(dòng)，由電子控制器控制移動(dòng)。I. 從用途上分：雕刻機(jī)主要是用于對(duì)板材的雕刻，大量應(yīng)用于雙色板或亞克力雕刻，雕刻一次進(jìn)刀深度約在 Imrrr3mn右，在標(biāo)志、標(biāo)牌方面應(yīng)用較 為普遍。II.從機(jī)械構(gòu)造方面：雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)輕巧，X、Y軸移動(dòng)速度快，Z軸行程 較短，適合雕刻5m計(jì)8mm勺材料。雕刻主軸頭裝有彈簧壓鼻，作用是在雕刻過(guò) 程中壓平3mmz下的薄板材。雕刻主軸通過(guò)皮帶連接到直徑較大的馬達(dá)上，以此使轉(zhuǎn)速增大，這樣雕刻出來(lái)的工件質(zhì)量就較為光滑。其使用的雕刻刀具較長(zhǎng)，長(zhǎng)度約在15.9cm,直彳全為4.35mm左右。由于設(shè)計(jì)方面的限制，它適合做切削量很 小的高轉(zhuǎn)速的雕刻工藝制作。雕銃機(jī)可以理解為

10、既可做精細(xì)雕刻，又能做切割、鏤銃。例如做三維雕刻， 盡管落差很大，但200mms材料可一次完成，一次進(jìn)刀量相當(dāng)大。雕銃機(jī)可供選 用的刀具直徑規(guī)格從1mm 16mm其刀具長(zhǎng)度為5080mm我們可以靈活使用，裝細(xì)刀干細(xì)活，裝粗刀干大活。由于機(jī)器設(shè)計(jì)注重重型負(fù)載，機(jī)架鋼性大， Z軸 行程大，因此不僅可以做小型雕刻機(jī)的工藝， 更可高速切割厚的板材，一次進(jìn)刀 量可達(dá)20mmb 30mm這是雕刻機(jī)根本做不到的工藝制造。1.4 國(guó)內(nèi)數(shù)控雕銃機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀隨著家具制造業(yè)、廣告招牌業(yè)、模具業(yè)的發(fā)展，尤其是模具業(yè)對(duì)表面加工要 求的提高，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足，最近的一兩年綜合銃削與高速雕刻優(yōu)點(diǎn) 的CNCB銃機(jī)在

11、國(guó)內(nèi)有了較大的發(fā)展。國(guó)內(nèi)幾家著名的數(shù)控機(jī)床廠在這個(gè)領(lǐng)域里面都有較好的成績(jī)。比如北京精 雕、廣東佳鐵、南京四開(kāi)、上海洛克等都是國(guó)內(nèi)著名的數(shù)控雕銃機(jī)廠家。在雕刻 CAD/CA眼術(shù)、CN徵控技術(shù)、精密雕刻機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)工藝等領(lǐng)域取得了重大的突 破，并真正實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化。1.4.1 典型數(shù)控雕銃機(jī)的介紹北京精雕-睿雕系列Carver600G_UCarver600G U機(jī)械性能參數(shù)指標(biāo)主要性能指標(biāo)項(xiàng)工作臺(tái)尺寸X、Y、Z軸工作行程快速移動(dòng)速度主軸轉(zhuǎn)速最高切削進(jìn)給速度X/Y/Z軸運(yùn)動(dòng)定位精度X/Y/Z軸重復(fù)定位精度機(jī)床外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)值700 x 650mm600 X 500 x 300mm10m/m

12、in2100-24000rpm6m/min0.008/300mm0.005mm2042 X 1890X2144mm圖1-1 Carver600G_U模具雕刻機(jī)本特點(diǎn)及應(yīng)用:Carver600G_U在合理的工藝方法下，最大可以使用16的刀具進(jìn)行加工。Carver600G_U用精雕最新的JD45數(shù)控系統(tǒng)，各軸快速移動(dòng)速度達(dá)10m/min, 進(jìn)給速度達(dá)6m/min；配備手輪，操作方便、控制平穩(wěn)。Carver600G_U適合中小型注塑模具、紫銅電極、鋁合金產(chǎn)品以及非金屬材 料等產(chǎn)品的加工。上海洛克 MEII-4540模具雕刻機(jī)圖1-2 MEII-4540模具雕刻機(jī)主要性能指標(biāo)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值工作臺(tái)尺寸510x

13、500mm最大雕刻尺寸（X、Y、Z）450x400x145mm高雕刻速度4.0 m/min主軸電機(jī)2200 W主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速24000 r/min刀柄直徑 4、 6、 3.175 mm外型尺寸1310x1330x1700 mmMEII-4540模具雕刻機(jī)技術(shù)參數(shù)表土特點(diǎn)及應(yīng)用：2003年最新推出的新型模具雕刻機(jī)，機(jī)身采用雙立柱龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，裝夾進(jìn)料 都十分方便.采用德國(guó)原裝滾珠絲桿，進(jìn)口矩形直線(xiàn)導(dǎo)軌副，精密細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 滿(mǎn)足模具加工所需要的剛性和精度要求，2.2kw意大利變頻電主軸使此款模具雕 刻機(jī)擁有更大的切削率。特別適用于注塑模，冷沖模等各種鋼模以及滴塑模、燙金模、紫銅電極等銅 模的制作

14、加工。通過(guò)上述兩臺(tái)同類(lèi)型數(shù)控雕銃機(jī)性能的綜合比較。 目前，國(guó)內(nèi)雕銃機(jī)的最大 主軸轉(zhuǎn)速一般都在 24000r/min、主軸電機(jī)功率在 2.2KW 最高切肖U速度在 4 6m/min 之間。2. 4040s數(shù)控雕銃機(jī)的簡(jiǎn)介:數(shù)控模具雕銃機(jī)是一款集雕刻機(jī)和銃床功能于一身的數(shù)控機(jī)床。 它充分集合 了兩種機(jī)床的優(yōu)勢(shì)，即能完成銃削任務(wù)，又能完成雕刻功能，使被加工工件達(dá)到 高精度和高質(zhì)量表面。圖2-1 4040S數(shù)控雕銃機(jī)2.1 4040S數(shù)控模具雕銃機(jī)的工藝范圍：4040s是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高精密數(shù)控雕銃設(shè)備，該款設(shè)備外觀大方、結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定、易操作、通用性強(qiáng)，主要用于各種鋼模、注塑模、紫銅電極、精密滴塑模、

15、燙金模，以及冷沖模等的加工，在合理的工藝條件下，可加工出表面極佳的效果 2.2 4040s數(shù)控模具雕銃機(jī)的特點(diǎn)： 床身整體鑄造，剛性好，減震好 采用高精密級(jí)直線(xiàn)導(dǎo)軌 采用日本三菱(Mitsubishi )公司伺服系統(tǒng)，精度高，性能好 主軸配置2.2千瓦恒功率電機(jī)，大功率，可滿(mǎn)足加工要求 有一定模具剛的粗加工能力 定位精度士 0.01mm 重復(fù)定位精度 0.005mm 使用英國(guó)Renishaw公司激光干涉儀進(jìn)行精度保證 采用臺(tái)灣新代控制器，性能穩(wěn)定，操作方便，支持 G代碼，常用的CAM 軟件后處理，都可以運(yùn)行加工，獨(dú)有的手輪模擬功能和自動(dòng)對(duì)刀功能使在加工中 保證了效率2.3 4040S數(shù)控模具雕

16、銃機(jī)主要技術(shù)參數(shù):表2-1名稱(chēng)工作臺(tái)尺寸（X/Y）最大彳T程（X/Y/Z）最大工件尺寸（X/Y/Z ）最大刀具直徑（Er20）最大進(jìn)給速度500 x 480mm400 X 400 x 150mm460 x 600 x 200mm 13mm5m/min主軸電機(jī)功率主軸轉(zhuǎn)速范圍3KW1500 24000r/min分辨率 0.001mm/脈沖定位精度 0.01mm重復(fù)定位精度 0.005mm外型尺寸（長(zhǎng)/寬/高）1500X1200X18005 KW機(jī)器總功率機(jī)器軸聯(lián)動(dòng)數(shù)3. 臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)總體布局設(shè)計(jì)方案數(shù)控模具雕銃機(jī)是一種高效率、多功能的中小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控加工設(shè)備。它集 雕刻與銃削功能為一體，既

17、保證了銃削小型工件所需要的低轉(zhuǎn)速、大功率輸出、 又具備了雕刻所需要高轉(zhuǎn)速的雙重要求。3.1 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)：數(shù)控雕銃機(jī)主要用于較小銃削量或軟金屬材料的工件的加工。不但要求加工 精度較高，而且要求實(shí)現(xiàn)高速切削，其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)10 000r/min左右。其移動(dòng)部件不但要?jiǎng)傂院?，而且要盡可能輕巧，以保證其靈活性。對(duì)數(shù)控系統(tǒng)，要求 其具有高的速度和極好的伺服電機(jī)特性。對(duì)于數(shù)控雕銃機(jī)，從機(jī)械的角度分析，其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足：非移動(dòng)部件剛性 要好，移動(dòng)部件在保證其具有良好剛性的前提下，盡可能輕巧，靈活性要好。要 從機(jī)械上滿(mǎn)足既輕巧又剛性好的要求，關(guān)鍵在于機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)上。理論設(shè)計(jì)上，臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)總體結(jié)

18、構(gòu)布局如圖所示。圖1F圖3-1臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)布局示意圖圖23圖3-1臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)3軸示意圖機(jī)床主要組成：一維數(shù)控傳動(dòng)部件（X向）立柱機(jī)床主要組成部件一維數(shù)控工作臺(tái)1（Y向）主軸組件（Z向）橫梁3.2 設(shè)計(jì)方案分析：設(shè)計(jì)方案比較在訂立設(shè)計(jì)方案的時(shí)候我們考慮的各方面因素，并且考察了多種龍門(mén)雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)樣式，訂立了 3個(gè)待選方案如下：方案一：雙絲杠工作臺(tái)移動(dòng)式特點(diǎn)：雙絲杠Z向傳動(dòng)工作范圍大。缺點(diǎn)：雙絲杠傳動(dòng)精度難保證草案二：雙立柱移動(dòng)式特點(diǎn)：立柱移動(dòng)及雙絲杠Z向移動(dòng)結(jié)合工作范圍。缺點(diǎn)：雙絲杠傳動(dòng)同步度控制困難，立柱移動(dòng)精度控制困難草案三：雙絲杠立柱移動(dòng)式特點(diǎn)：工作臺(tái)大加工范圍大。缺點(diǎn)：雙絲

19、杠傳動(dòng)同步度低，特殊件加工成本高草案四：傳統(tǒng)工作臺(tái)移動(dòng)式龍門(mén)雕刻機(jī)特點(diǎn)：傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：Z向工作范圍較小結(jié)論：綜合比較4 個(gè)方案，得出方案四，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，裝配質(zhì)量容易保證。所以選用方案四。本設(shè)計(jì)中，數(shù)控雕銑機(jī)選用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)。龍門(mén)式結(jié)構(gòu)具有良好的剛性和對(duì)稱(chēng)性，一直是高速切削設(shè)備的首選結(jié)構(gòu)。本機(jī)床總體布局采用龍門(mén)架式銑床結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了較寬的立柱和橫梁。為克服不良力矩的問(wèn)題，盡量加寬了X、Y、Z三向的兩根直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌之間的跨距，從整體布置上有效保證了機(jī)床的剛性。因孕育鑄鐵（ 米漢那鑄鐵） 具有良好的穩(wěn)定性、吸振性和耐沖擊性，可使床身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性有顯著提高，故本機(jī)底座采用

20、孕育鑄鐵鑄造而成。它為板形，確保了對(duì)Y 軸工作臺(tái)和兩立柱的剛性支承，使機(jī)床動(dòng)態(tài)加工的穩(wěn)定性可達(dá)最好。因機(jī)床的剛性主要用于克服移動(dòng)部分在高速移動(dòng)時(shí)對(duì)非移動(dòng)部分的強(qiáng)大沖擊，所以導(dǎo)軌和絲桿在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量要求粗一些，以加強(qiáng)剛性。由于采取了這些措施，所設(shè)計(jì)的數(shù)控雕銑機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行比較細(xì)小的加工，加工精度比較高，對(duì)軟金屬可進(jìn)行高速切削。3進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案我們?cè)O(shè)計(jì)采用的雕刻方式是: 雕刻刀具只做高速旋轉(zhuǎn)和Z 方向的進(jìn)刀、退刀運(yùn)動(dòng)，而X-Y工作臺(tái)帶動(dòng)工件作X,Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)方向的基本運(yùn)動(dòng)方式如下 : 由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)了工作臺(tái)的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)方向（Y方向）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在Y方向上

21、的導(dǎo)向件采用直線(xiàn)導(dǎo)軌，其導(dǎo)向精度可滿(mǎn)足對(duì)工作臺(tái)定位精度的要求。4. 臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)X 軸設(shè)計(jì)4.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)雕刻機(jī)主運(yùn)動(dòng)方案通常有兩種方案: 直接采用專(zhuān)用的雕刻頭或采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)。專(zhuān)用的雕刻頭的優(yōu)點(diǎn)在這里不在復(fù)述，但必須配以與之配套的變頻調(diào)速裝置，價(jià)格相對(duì)昂貴。因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，經(jīng)濟(jì)型的雕刻機(jī)則不宜采用。由于交流電機(jī)具有以下特點(diǎn):(1) 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。(2) 特性呈線(xiàn)性不論機(jī)械特性還是調(diào)節(jié)特性都呈現(xiàn)良好的線(xiàn)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(xiàn)性的。(3) 快速反應(yīng)在輸入控制信號(hào)

22、的作用下，轉(zhuǎn)子能迅速地反應(yīng)動(dòng)作，時(shí)間常數(shù)小。(4) 價(jià)格低廉，采購(gòu)方便市面上的交流電動(dòng)機(jī)較多，采購(gòu)也比較方便(5) 適應(yīng)性強(qiáng)相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，交流電動(dòng)機(jī)電源更方便使用。故優(yōu)先選用交流電機(jī)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)的方案。交流電機(jī)通過(guò)彈性?shī)A頭直接與刀具連接。4.1.1 電主軸的冷卻與潤(rùn)滑電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑。本機(jī)床電主軸采用水冷卻，其冷卻裝置配置在機(jī)床的后部。電主軸的潤(rùn)滑方式有脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑三種方式，可以根據(jù)不同情況下的需要任選其一。當(dāng)采用脂潤(rùn)滑時(shí)，一般其相應(yīng)的速度相對(duì)油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑要低。因本機(jī)床主軸要求的最高轉(zhuǎn)速相對(duì)較低(

23、 最高轉(zhuǎn)速為10000r min )，故采用脂潤(rùn)滑。4.2 Z 向進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在數(shù)控機(jī)床中，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常需滿(mǎn)足低摩擦、低慣量、高精度、無(wú)間隙，高諧振以及有適宜阻尼比的要求。機(jī)床的精度很大程度取決于進(jìn)給絲杠的精度和機(jī)床導(dǎo)軌的精度，因此，本次設(shè)計(jì)臺(tái)式數(shù)控龍門(mén)雕刻機(jī)X向進(jìn)給系統(tǒng)采用內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，Z軸方向上采用高精度直線(xiàn)導(dǎo)軌。4.2.1 滾珠絲杠副的選擇本設(shè)計(jì)中X向工作臺(tái)的絲桿選用的是滾珠絲桿副。 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、 滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)

24、一步延伸發(fā)展。選定進(jìn)給傳動(dòng)用滾珠絲杠副時(shí)，主要考慮的內(nèi)容是：與機(jī)床定位精度要求相適應(yīng)的絲杠精度、絲杠的剛性與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在開(kāi)環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床中，滾珠絲杠的精度將直接影響機(jī)床的定位精度和隨動(dòng)精度。為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，應(yīng)選用精度高的滾珠絲杠傳動(dòng)副。但是，隨著絲杠精度的提高，其價(jià)格也將大大上升。本機(jī)床Z向進(jìn)給方向的滾珠絲杠副的精度等級(jí)為4級(jí)。4級(jí)精度的絲杠經(jīng)采用一些如消隙、螺距誤差補(bǔ)償?shù)却胧?，完全能滿(mǎn)足機(jī)床的定位精度要求。絲杠的剛度與直徑的大小直接相關(guān)，直徑大、 剛度就好。要想使進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)有足夠的剛性，就要選用直徑粗大的絲杠。但是，隨著直徑的增大，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大大增大。本機(jī)床經(jīng)設(shè)計(jì)

25、計(jì)算后選定 X軸滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑為12mm導(dǎo)程 為 2.5mm。4.2.2 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)因?yàn)闄C(jī)床在加工工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，引起絲杠 發(fā)熱產(chǎn)生熱變形。如果絲杠兩端都進(jìn)行固定預(yù)緊， 雖然提高了絲杠的軸向剛度，但絲杠就沒(méi)有了熱變形 的伸縮余量，會(huì)導(dǎo)致絲杠的扭曲變形，失去原本的直 線(xiàn)度，影響機(jī)床的精度。4040繳控雕銃機(jī)的Z向滾珠 絲杠副的支承結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。1 .伺服電機(jī)2 .聯(lián)軸器3 .角接觸球軸承4 .滾珠絲杠圖4-1 X向滾珠絲杠支承和聯(lián)結(jié)結(jié) 構(gòu)4.2.3 支承軸承的選擇為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用高精度高剛度的滾珠絲杠 副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計(jì)。因滾珠

26、絲杠的主要載荷是軸向載荷， 徑向載荷來(lái)自于臥式絲杠的自重，因此，滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求很高。 因數(shù)控雕銃機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)要求運(yùn)動(dòng)靈活，對(duì)微小位移（絲杠微小轉(zhuǎn)角）響應(yīng)要靈 敏，因此應(yīng)選用運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動(dòng)軸承。目前，各類(lèi) 軸承中用得最多的是推力角接觸球軸承。數(shù)控機(jī)床選用這種角接觸球軸承，通常需要把2個(gè)以上的軸承組合起來(lái)，且施加預(yù)緊力來(lái)使用。具組合形式有背靠背組 配（DB方式）、面對(duì)面組配（D切式）、串聯(lián)組配（DT方式）。在數(shù)控機(jī)床上選用此種 軸承時(shí)，為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，一般采用DFffl配方式。4.2.4 滾珠絲杠的制動(dòng)裝置由于滾珠絲杠副的逆?zhèn)鲃?dòng)效率

27、很高， 逆向傳動(dòng)不能自鎖，因此當(dāng)它處于垂直 安置時(shí)必須另外設(shè)有制動(dòng)裝置，以防止伺服電機(jī)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件由于自 重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?dòng)，也可以防止因偶然因素造成的事故。而X軸由于是橫向放置， 所以基本不存在此問(wèn)題，故 X軸絲杠不考慮制動(dòng)問(wèn)題。4.2.5 X向電機(jī)與進(jìn)給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，電機(jī)與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)要保證傳動(dòng)無(wú)間隙，這樣才能準(zhǔn)確執(zhí)行脈沖指令，而不會(huì)丟掉脈沖造成“失步”，影響機(jī)床的加工精度和傳動(dòng)精度。在本次設(shè)計(jì)數(shù)控雕刻機(jī)床中，X軸采用直聯(lián)式，即通過(guò)金屬?gòu)椥栽?lián)軸器 （屬于帶彈性元件擾性聯(lián)軸器）把伺服電機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)結(jié)起來(lái)。帶彈性元件擾性聯(lián)軸器除有補(bǔ)償性能外，還具有緩沖和減震

28、作用，此外非金屬?gòu)椥栽?lián)軸器能保證伺服電機(jī)與絲杠的同軸度，即使伺服電機(jī)與絲杠安裝時(shí)的同軸度不是很精確， 也可通過(guò)彈性元件連軸器來(lái)調(diào)節(jié)。金屬?gòu)椥栽?lián)軸器制造方便，易獲得各種結(jié)構(gòu)形狀，更重要的是，它具有較高的吸震性能，而高的吸震性能，又可以提高機(jī)床的抗震性。彈性聯(lián)軸器的裝卸也非常方便。絲杠和伺服電機(jī)的聯(lián)結(jié)可參看圖 4-1 。5 X軸系統(tǒng)零部件的計(jì)算與校核5.1 X軸系統(tǒng)的重力計(jì)算V 軸系統(tǒng)主要由三部分組成：3KW主軸安裝座、滑塊及拖板。根據(jù)附錄中的圖紙分別計(jì)算3KW主軸安裝座、滑塊的體積 V及其重量Go查12表1-8 P5,可知工業(yè)用鋁合金的密度p鋁合金=2.7 x 103(kg/m 3);灰

29、鑄鐵的密度 P ht250 =7.0 X 103(kg/m3)。主軸安裝座的體積V1及重力G1計(jì)算：V 1= (268 X155 X200- tt 502X200-2 X 125 X 54 X 200-2 X1X402X40X200) X 10-93.72 X10-3m3G1=m1g= p 鋁合金 V1g=2.7 X 103X 3.72 X 10-3 X 9.8 =98N滑塊體積V2及重力G2計(jì)算：V 2= (270 X96 X730-160 X 81 X 246-2 X 40 X 48 X 570-129 X 81X 570-2 X97 X31 X57) X 10-9 =7.25 X 10-

30、3 m3G2=m2g= P HT250 V2g=7.0 乂 103X7.25 X 10-3 X 9.8=493.75N拖板體積V3及重力G3計(jì)算V 3= (242 X27X505+4 X90X 72X 12-180 X 200 X6-120 X86 X4X2-70 X255 X4) X 10-9=3.24 X10-3m3G3=m 3g= p HT250 V3g=7.0 X 103X3.24 X 10-3 X9.8=222.26N主軸系統(tǒng)的重力計(jì)算值表6-13KW主軸安裝座98.43N滑塊493.75N拖板222.26N5.2 主軸銃削力計(jì)算臺(tái)式數(shù)控雕刻機(jī)加工方式與數(shù)控銃床相似，因此按計(jì)算銃床的

31、銃削公式計(jì)算 其銃削力。主銃削力Fc計(jì)算：臺(tái)式數(shù)控?cái)?shù)控雕銃機(jī)屬于立銃加工，刀具選用材料為硬質(zhì)合金鋼，加工材料 為鋼材，查8表，選用公式：Fc=C FKFae0.86af0.72d0-0.86 Zap（1）式（1）中，Cf：切削系數(shù)。查8表3020 P1020取Cf=167Kf:修正系數(shù)。查8表3021取Cf=1.08ae：銃削寬度。查8表30 22取ae=0.15mmaf：每齒進(jìn)給量。查8表3022取af =0.1mmd0:銃刀直徑。 查8表21 10取d0 =3mmZ: 銃刀齒數(shù)。查8表21 10取Z =4ap：銃削深度。查8表30 39取ap=0.05mm代入式（1）得：Fc=167 X1

32、.08 X0.15O.86 X0.1 0.72 X3-0-86 X4 X0.05=7.84N垂直分力Fz、橫向分力Fx ,縱向分力Fy計(jì)算：根據(jù)7表8-6 P202,各銃削分力的比值可得：Fz 0.38 ; Fx 0.85 ; Fy 0.77FcFcFcFy =6.04N計(jì)算可得：Fz=2.98N ; Fx=6.66N ;主軸銃削力相關(guān)計(jì)算值表6-2主銃削力Fc7.84N垂直分力Fz2.98N橫向分力Fx6.66N縱向分力Fy6.04N5.3 滾珠絲杠副的選擇計(jì)算1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 PhPh =-Vm（2：i nmaxPh：滾珠絲杠副的導(dǎo)程mmVmax：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度m/minnma

33、x：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速r/mini:傳動(dòng)比因機(jī)床電機(jī)與滾珠絲杠副通過(guò)聯(lián)軸器直接傳遞力矩，因此傳動(dòng)比i=1初定：Vmax =3.5m/min ;根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率為 250W,查得nmax =1500r/min代入式（2）得Ph =51 3000=2.33mm根據(jù)16表1 P1選擇導(dǎo)程為2.5mm的滾珠絲杠副2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷當(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時(shí)，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會(huì)均等時(shí)，可采用下列公式 計(jì)算。當(dāng)量轉(zhuǎn)速n maxnm =Hmin(3)nm：當(dāng)量轉(zhuǎn)速r/minnmax :滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速。因機(jī)床電機(jī)與滾珠絲杠副通過(guò)聯(lián)軸器直接傳 遞力矩，因此傳動(dòng)比i=1。電動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速即為滾珠絲杠副

34、的最高轉(zhuǎn) 速，所以 nmax =1500r/minnmin：滾珠絲杠副的最低轉(zhuǎn)速。nmin =0代入式(3)得nm =(1500+0)/2=750r/min當(dāng)量載荷Fm = (2F max + F min )/3(4)Fm：當(dāng)量載荷N； Fmax：機(jī)器承受最大負(fù)荷時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力。Fmax = G i+G 2+G 電主軸+ (1 *y=60+0.1 X6.04=60.60N 。Fmin：機(jī)器空載時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力。因所計(jì)算的絲杠帶動(dòng)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)。所以Fmin =G 1+G 2+G電主軸=60N代入式(4)得Fm =(2X60.6+60)/3=60.4N3)確定預(yù)期額定動(dòng)載荷按滾珠絲杠副

35、的預(yù)期工作時(shí)間 Lh (小時(shí))計(jì)算：Cam =360nmLh x Fmfw(N)(5)100 fa fcCam：確定預(yù)期額定動(dòng)載荷NLh：預(yù)期工作時(shí)間(小時(shí))。查14表-6 P19 取Lh=3000hfa：精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級(jí)P4,查14表-7 P19取fa=0.9。fc：可靠性系數(shù)。一般情況下為 fc=1。在重要場(chǎng)合，要求一組同樣的滾珠絲杠副在同樣條件下使用壽命超過(guò)希望壽命的90%Z上時(shí)fc根據(jù)14表-8 P19選。fw：負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)選擇，查14表-9取fw=1。代入式(5)得Cam =1 X 60 X (60 X 50 X 3000) 1/3/100 X 0.9 X 1

36、=138.67N擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大載荷Fmax計(jì)算Cam =f e X Fmax(6)fe：預(yù)加負(fù)荷系數(shù)。查14表-10 P19取fe=6.7代入式(6)得Cam =6.7 X60.6=406.02N取以上2種結(jié)果的最大值Cam =406.02N4)按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量 N_116mw (-)x重止包精度34_11加 (-)X定位精度 45宓：最大軸向變形量叩預(yù)定，重復(fù)定位精度為 0.005 mm定位精度為0.01 mm 6m=1.5(1m 6m=2 pm取兩種結(jié)果的小值6m=1.5 pm估算滾珠絲杠副的底徑d2m絲杠無(wú)預(yù)拉

37、伸要求，取一端固定，一端游動(dòng)的支承形式d2m2X10 但FL =0.078 IFHLmE md2m :最小螺紋底徑mmE:楊氏彈性模量。E=2.1 xl05N/mm2宓：估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（pm）已求得為6m=1.5 mF0：導(dǎo)軌靜摩擦力（N）Fo = poXW （為靜摩擦系數(shù)）。根據(jù)14表查得闿=0.2 ;W =G i+G 2+G 電主軸 =60NFo = wXW =0.2 X60=12NL為滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支撐的最大距離（mm）L =行程+安全行程+兩個(gè)余程+螺母長(zhǎng)度+ 一個(gè)支承長(zhǎng)度= （1.1 1.2）行程 + （ 10 14） Ph由表2-1 : X向最大行程為2

38、70mmL = 1.2 X270 + 10 X2.5 =349 mm代入式（7）得d2m 0.078X（349X12/1.5） 1/2=4.12mm5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)根據(jù)傳動(dòng)方式以及使用情況，選擇外循環(huán)埋入式法蘭無(wú)預(yù)緊微型滾珠絲 杠；由計(jì)算出的Ph、Cam、d2m,可選擇相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副：VFC1202-2.5Ph =2.5Ca =1132N Cam =406.02N d2 =11.5mm d2m =4.12mm6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力由于所選絲杠為無(wú)預(yù)緊型，故預(yù)緊力為0Fp=07)行程補(bǔ)償值與預(yù)拉伸力行程補(bǔ)償值C =11.8 AtLuXlO-6(9)其中，C:行程補(bǔ)償值叩A(chǔ)t:

39、溫度變化值2 c -3 C ,取At=2.5 CLu：滾珠絲杠副的有效行程(mm)Lu=工作臺(tái)行程+螺母長(zhǎng)度+兩個(gè)安全行程=行程+ ( 814) Ph=230 + 8X2.5=250mm代入式(9)得C =11.8 X2.5 X270 X103X10-6= 7.41 (jm預(yù)拉伸力Ft = -IAE=1.95 Atd22(10)=1.95 X2.5 X11.52-644.72N8)確定滾珠絲杠副支撐用的軸承型號(hào)規(guī)格軸承所承受的最大軸向載荷FBmax = Ft + Fmax=203.07 + 60.6 =263.67N軸承類(lèi)型一端固定，一端游動(dòng)的支承形式，選面對(duì)面（DF）角接觸球軸承 軸承內(nèi)徑d 略小于 d2=11.5 , FBP = - FBmax3取 d =11mm代入得Fbp = - X263.67 =87.89N3軸承預(yù)緊力預(yù)加負(fù)荷Fbp =87.89N選擇軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)d =11mm ,預(yù)加負(fù)荷Fbp =88N所以選擇7001C/DF型60 0角接觸向心推力球軸承9）滾珠絲杠副工作圖絲杠螺紋長(zhǎng)度Ls= Lu + 2L e由14表-2 P11 查得余程Le=