微型雕刻機的設(shè)計

微型雕刻機的設(shè)計

小型雕刻機由機械和控制部分組成。該機的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接決定了雕刻機整體制造的精度。由于個人制作雕刻機的條件所限,機械部分的設(shè)計應(yīng)該本著易加工、易組裝的原則。根據(jù)所需要設(shè)計的雕刻機的用途,首先要決定的是雕刻機的加工行程、機械結(jié)構(gòu)類型以及材質(zhì)。在這些都確定后,即可進行機械圖紙設(shè)計、加工及最后的組裝。筆者主要用雕刻機進行PCB加工及塑料切割鉆孔,因此對行程及剛度要求可以低一些。綜合考慮后,決定將行程設(shè)定為30cm×30cm×15cm,采用1cm厚的鋁板作為材料,結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的固定龍門。鋁板質(zhì)量輕,加工容易,是個人制作的首先材料,當然不足之處在于強度較差。固定龍門對于安裝要求低,設(shè)計容易,不足之處在于減少了X軸加工行程。本文將根據(jù)這款微型雕刻機,詳細描述其機械設(shè)計及組裝過程,為初學者提供一個個人制作雕刻機的參考。由于本人能力有限,最終制作的雕刻機精度不高,所以請讀者在自己制作時,要根據(jù)自身情況進行重新設(shè)計,切不可盲目照抄。u3000范圍和尺寸本人是機械科班出身,因此采用的是機械專業(yè)軟件AUTOCAD進行設(shè)計。由于自身加工條件極其有限,所以只能是請外協(xié)加工。為了節(jié)省加工費用,整個機械設(shè)計的原則是方便加工,因此忽略了很多精度及強度上的設(shè)計需求。在確定了行程后,基本上可以確定絲桿長度,這里為了簡化設(shè)計,將行程與絲桿有效螺紋等同。由于X軸與Y軸是相同行程,因此兩個絲桿設(shè)計也完全一樣。絲桿采用的是直徑16mm的T型絲桿,兩端需要出軸加工,這里采用的是直徑10mm的階梯軸。最終設(shè)計圖如圖1所示,其中長的為X與Y軸的絲桿,短的為Z軸絲桿。絲桿主要用于傳動,無法承重,因此需要采用光桿進行承重。本文設(shè)計的雕刻機采用直徑16mm的光桿,兩端需要做直徑6mm的螺紋孔加工,以方便安裝到機架。每軸需要兩根光桿,X軸與Y軸采用相同的設(shè)計,最終設(shè)計圖如圖2所示。其中長的即為X與Y軸的光桿,需要加工4根,短的為Z軸光桿,需要加工2根。X軸的前后面板主要用于X軸的光桿、絲桿以及步進電機的固定,因此需要加工這些部件的安裝螺紋孔,設(shè)計如圖3所示。前后面板采用的是10mm鋁板,前面板用于固定光桿及臥式軸承座,后面板則用于固定光桿及步進電機,其中后面板的直徑25mm的大光孔用于聯(lián)軸器的放置。前后面板兩邊的光孔用于與兩塊擋板固定,構(gòu)成正方形的底座。X軸的左右擋板主要負責固定的作用,由于是對稱結(jié)構(gòu),因此兩塊擋板設(shè)計是完全一致的,設(shè)計圖如圖4所示。擋板左面四個螺紋孔用于與左右立板的固定,側(cè)面四個螺紋孔用于與前后面板的固定。X軸的工件臺用于固定加工工件,因此對大小及平整度都有一定的要求。工件臺的設(shè)計圖如圖5所示,臺面排列有16個直徑12mm的螺紋孔,用于安裝夾具,中間的六個螺紋孔用于與固定塊的聯(lián)接。前后面板及左右擋板構(gòu)成了X軸的機架,Y軸與Z軸的機架設(shè)計也大同小異。下面先描述Y軸的機架設(shè)計。Y軸左右立板相當與X軸的前后面板,用于固定步進電機、光桿以及軸承座,其設(shè)計如圖6所示。在立板下方的四個光孔用于與左右擋板的固定聯(lián)結(jié),側(cè)面的光孔用于背板的固定聯(lián)結(jié)。背板主要用于固定左右立板,其設(shè)計如圖7所示。左右六個螺紋孔用于與左右立板的固定聯(lián)接。Y軸工作臺用于固定Z軸機架,同時通過固定塊與Y軸的滑塊及螺母座聯(lián)接,其設(shè)計如圖8所示。中間6個螺紋孔用于與固定塊的聯(lián)接,兩側(cè)的6個螺孔用于固定上下立板。Z軸上下立板相當與X軸的前后面板,用于固定步進電機、光桿以及軸承座,其設(shè)計如圖9所示。在立板下方的三個光孔用于與Y軸工作臺的固定聯(lián)結(jié)。Z軸工作臺用于固定主軸電機座,同時通過固定塊與Z軸的滑塊及螺母座聯(lián)接,其設(shè)計如圖10所示。中間6個螺紋孔用于與固定塊的聯(lián)接,兩側(cè)的5個12mm螺孔用于固定主軸電機座。為了便于加工,各軸的工作臺與滑塊及螺母座聯(lián)接,采用相同設(shè)計的固定塊,其設(shè)計如圖11所示。其六個光孔用于與工作臺的聯(lián)接,其他的階梯孔則用于固定滑塊及螺母座。絲桿的安裝和連接除了上文設(shè)計的機架及傳動部件需要加工外,還需要采購一些成品配件。這些配件由于采用批量生產(chǎn),因此成本大大降低,比自己加工要有很大的優(yōu)勢。下面介紹一下本文設(shè)計的雕刻機所使用到的一些配件。滑塊是安裝在光桿上的移動部件,其內(nèi)部安裝有滾珠可以在光桿上自由滑動,實物如圖12所示。作為批量化的配件,滑塊已經(jīng)形成固定的系列及尺寸標準,這樣方便用戶設(shè)計。在本文的雕刻機中,用到的是內(nèi)徑16mm的滑塊,每軸需要兩個,總計使用了六個。軸承座是用于固定絲桿的配件,比普通的軸承多了一個座子,方便安裝在雕刻機上,其實物如圖13所示。絲桿的一端出軸插入軸承,然后將鎖緊螺絲旋緊,即可將絲桿固定。這里需要說明的是,基于成本及加工的考慮,每個絲桿只用了一個軸承座固定一端,另一端則通過聯(lián)軸器直接與步進電機聯(lián)接。這樣做有一個明顯的缺點就是絲桿比較難以筆直安裝,有條件的話還是需要在絲桿兩端都安裝軸承座。在本文的雕刻機中,用到的是內(nèi)徑10mm的軸承座,每軸需要一個,總計使用了三個。聯(lián)軸器是機械傳動裝置中常用的配件之一,主要用于不同尺寸的軸之間的聯(lián)接,其實物如圖14所示。在雕刻機中,用聯(lián)軸器來聯(lián)接步進電機與T型絲桿。聯(lián)軸器的種類繁多,不同種類的價格差異很大,比如梅花聯(lián)軸器的是普通聯(lián)軸器的3到4倍。在這里需要根據(jù)性能跟價格做綜合考慮。在本文的雕刻機中,用到的是內(nèi)徑6.35～10mm的聯(lián)軸器,每軸需要一個,總計使用了三個。絲桿螺母需要與絲桿配套,一般滾珠絲桿都有標準的螺母配件出售,T型絲桿則可以根據(jù)需要通過廠家進行定做螺母。本文雕刻機所使用的螺母及螺母座是仿照滾珠絲桿設(shè)計,然后由廠家定做而來,其實物如圖15所示,每軸配一個,總計使用了三個。雕刻機各部件的固定,大都是用如圖16所示的內(nèi)六角螺絲,尺寸包括M4,M5,M6以及M12。螺絲的使用量較大,不過價格也相對便宜。作為聯(lián)接件,在使用中會受到各類力的作用,因此盡量使用強度高的螺絲。雙軸主體機械裝復(fù)在收到外協(xié)加工的機械部件后,就可以進行整機的組裝。首先是將螺母及螺母座固定后,安裝到T型絲桿上,實物如圖17所示。這里需要將X、Y及Z軸的三個絲桿都安裝完成。之后,需要先將X軸平臺組裝完成。先將光桿跟后面板固定,再將步進電機也固定在后面板上,然后將左右擋板固定在后面板,最后需要將滑塊安裝在光桿上,實物如圖18所示。緊接著將絲桿一端用聯(lián)軸器與步進電機聯(lián)接,一端則用軸承座固定在前面板上,再將前面板與左右擋板固定,實物如圖19所示。X軸平臺還需要安裝上一個工件臺,先用連接板將滑塊及絲桿螺母座固定在一起,再將工件臺與連接板固定,實物如圖20與21所示。Y軸的安裝步驟基本上與X軸一致,先安裝左立板、光軸、電機,再安裝絲桿、背板以及右立板等,圖22是安裝過程中的實物圖。安裝Z軸時,可以先將Z軸按照X軸的組裝步驟進行組裝后,將其已一個完整的部件安裝到主體機架上,圖23為單獨組裝后的Z軸實物圖。將Z軸及主軸電機安裝到主體機架后,一個完整的雕刻機機械部分即完成,最終實物如圖24所示。雕刻刻機的局限性雕刻機是機電一體化的產(chǎn)品,而機械是其最重要的組成部分。機械的成本占雕刻機總成本的絕大部分,對于鋁制雕刻機,一般只需一兩千就可以完成。一些高檔的鋼機,則光機械部分都可以達到上萬的成本。本人根據(jù)自身加工情況及雕刻機用途,采用了鋁制雕刻機,大大節(jié)約了成本。在制