小型雕刻機(jī)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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學(xué)士學(xué)位論文 小型雕刻機(jī)設(shè)計(jì) 摘 要 機(jī)電一體化技術(shù)綜合了機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、信息、傳感器、電力電子、信號(hào)變換接口和軟件編程等技術(shù)，并且把這些通用型技術(shù)整合到一起，結(jié)合成一個(gè)整體，也是現(xiàn)如今機(jī)械工業(yè)技術(shù)必須發(fā)展的也將成為國(guó)內(nèi)外的發(fā)展主流。小型雕刻機(jī)就是在這種大環(huán)境下產(chǎn)生的一種代表性的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在工藝品的制作與生產(chǎn)行業(yè)中擁有有較大的市場(chǎng)。 本課題通過(guò)分析國(guó)內(nèi)雕刻機(jī)與國(guó)外雕刻機(jī)的差距以及各自的特點(diǎn)，定義了雕刻機(jī)的功能和使用范圍，規(guī)劃了雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)布局，詳細(xì)設(shè)計(jì)了主軸運(yùn)動(dòng)和X、Y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以及工作臺(tái)、支撐柱等輔助結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了其功能。 本文設(shè)計(jì)的小型雕刻機(jī)，其具有精度高，一致性好，一機(jī)多用的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可用于工藝品雕刻加工的同時(shí)，又具有銑削鉆孔等功能。 關(guān)鍵詞 雕刻機(jī)；伺服電機(jī)；機(jī)電一體化 - I - Small Engraving Machine Design Abstract Mechatronics combines mechanics, electronics, automatic control, information, sensors, power electronics, signal conversion interface and software programming techniques, and these versatile technologies integrated together, combined into a whole, is now Machinery Industrial Technology must develop will become the mainstream of development at home and abroad. Small engraving machine is a kind of typical in this environment produces mechatronic products, handicraft production and production industry has a larger market. The issue by analyzing the gap between domestic engraving machine and foreign engraving machine as well as their characteristics, defines the function and use of engraving machine, planning the structure and layout engraving machine, detailed design of the spindle movement and X, Y direction feed motion structure , and an auxiliary table structure, support columns, etc., and on this basis, it elaborated engraving machine movement to achieve its function. This design of small engraving machine, which has a high accuracy, consistency, and a multi-purpose machine, which is widely applied in the field, can be used to carving crafts processing, but also has milling and drilling functions. Keywords Engraving machine, servo motor, mechatronics - 30 - 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 小型雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1 小型雕刻機(jī)的概念 2 1.2.2 小型雕刻機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展 3 1.2.3 小型雕刻機(jī)的特點(diǎn) 3 1.2.4 研究雕刻機(jī)的目的和意義 4 1.3 本章小結(jié) 4 第2章 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.1 雕刻機(jī)的系統(tǒng)組成 5 2.2 雕刻機(jī)的整體布局 5 2.3 進(jìn)給結(jié)構(gòu) 8 2.4 主軸結(jié)構(gòu) 12 2.5 支撐結(jié)構(gòu) 13 2.5.1 支架設(shè)計(jì) 13 2.5.2 工作臺(tái)設(shè)計(jì) 14 2.5.3 底座設(shè)計(jì) 15 2.6 本章小結(jié) 15 第3章 小型雕刻機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算 16 3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo) 16 3.2 切削力、扭矩和功率的計(jì)算 17 3.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的計(jì)算 20 3.3.1 滾珠絲杠副的計(jì)算 20 3.3.2 滾珠絲杠的計(jì)算 22 3.3.3 工作臺(tái)電機(jī)的選擇 24 3.4 本章小結(jié) 26 結(jié)論 27 致謝 28 參考文獻(xiàn) 29 第1章 緒論 1.1 課題背景 以大機(jī)器生產(chǎn)為主流的社會(huì)生產(chǎn)形式形成以來(lái)，機(jī)器生產(chǎn)代替手工勞動(dòng)不僅使產(chǎn)品數(shù)量與日俱增，而且，更使產(chǎn)品質(zhì)量大為提高。與人口增長(zhǎng)及其生產(chǎn)和生活訴求相一致，大機(jī)器生產(chǎn)在各個(gè)領(lǐng)域中普及逐漸成為全球的共識(shí)。作為傳統(tǒng)手工藝制作的各種雕刻業(yè)，采用機(jī)器制作也需與時(shí)俱進(jìn)。 盡管機(jī)器雕刻使手工藝品失去了自然特性及其人文特征，但是，它在降低勞動(dòng)強(qiáng)度與提高勞動(dòng)效率方面占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，尤其產(chǎn)品的精確度明顯提高。故此，研發(fā)、生產(chǎn)及采用發(fā)展小型機(jī)器替代手工勞動(dòng)，成為時(shí)代的主流。 隨著中國(guó)改革開(kāi)放不斷向著縱深發(fā)展與傳統(tǒng)手工藝的產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)，在各種手工業(yè)制作行業(yè)有效地采用小型機(jī)械，成為社會(huì)發(fā)展的客觀要求。這樣，在我國(guó)傳統(tǒng)雕刻手工藝行業(yè)中積極推廣與使用小型雕刻機(jī)，就成為一種時(shí)代需要。 然而，由于各種因素，主要是技術(shù)因素的影響，小型雕刻機(jī)的生產(chǎn)和利用一直被捆綁著手腳。其主要原因，一是為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)的小型雕刻機(jī)一直在中外合作的框架下發(fā)展。如上海洛克公司生產(chǎn)的威客雕刻機(jī)、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的雕刻機(jī)等，均是這樣的混血兒。二是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的各類(lèi)小型雕刻機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又采用了基于微控制或PC的控制系統(tǒng)，伺服部分主要是伺服電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，屬于中等控制精度，故此，不能達(dá)到高精度的要求。三是國(guó)外小型雕刻機(jī)普遍采用現(xiàn)代的技術(shù)及其制作材料，精度高、操作安全等，與之相比，國(guó)產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品捉襟見(jiàn)肘。因此，對(duì)于高精度的雕刻加工，我國(guó)都沒(méi)有擺脫受制于人枷鎖束縛。 為了徹底扭轉(zhuǎn)這種受制于人的局面，雕刻機(jī)研發(fā)與設(shè)計(jì)成為勢(shì)在必行的大事：本設(shè)計(jì)企圖完成的雕刻機(jī)，其機(jī)床結(jié)構(gòu)剛高度好、精度高，并采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而且加工精度高，控制系統(tǒng)功能安全可靠，只有這樣，中國(guó)小型雕刻機(jī)才能跟上國(guó)際工業(yè)化的步伐[1-3]。 1.2 小型雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 小型雕刻機(jī)的概念 雕刻加工不僅源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，而且內(nèi)容豐富，因而成為傳統(tǒng)手工藝中重要的文化長(zhǎng)夜之一。從傳統(tǒng)意義上看，雕刻加工是一項(xiàng)技術(shù)性要求比較高的手工藝制作業(yè)，制品的質(zhì)量集中反映著手工藝人技藝水平；另外，由于個(gè)人手工制作，故此，一件產(chǎn)品的生產(chǎn)周期十分長(zhǎng)，換言之，傳統(tǒng)手工雕刻產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低，成本及其價(jià)格十分昂貴；還有，傳統(tǒng)手工雕刻工藝品完全反映工藝師技術(shù)及其意愿，這樣，它在具有個(gè)性化的同時(shí)隱藏著極大隨意性，這也是產(chǎn)品不能得到同一的關(guān)鍵所在。總之，它與現(xiàn)代生產(chǎn)和生活需要具有相當(dāng)大的差距。 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)、形式，乃至大小等，受到其使用范圍的影響，這便構(gòu)成雕刻機(jī)的功能。也就是說(shuō)，雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)、形式受到它功能的制約。這樣，根據(jù)功能，雕刻機(jī)可分為二維平面雕刻、三維立體雕刻和全自由度空間雕刻等主要類(lèi)型。當(dāng)然，相較說(shuō)來(lái)，全自由度空間雕刻機(jī)適用范圍較廣，它既可以用于簡(jiǎn)單雕刻，更主要的是對(duì)于一些形狀復(fù)雜的工藝品或大型藝術(shù)作品的雕刻工作，如冰雕、沙雕、玉雕以及木雕工藝品等作品的制作，也能勝任，但是，由于技術(shù)制約，直到目前為止，此類(lèi)制品還遠(yuǎn)不能被制作完成。與之相比，前兩種雕刻機(jī)已經(jīng)在實(shí)踐中得到推廣與利用，并且，有看好的發(fā)展前景。 在現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境中，不論從生產(chǎn)角度看，還是從消費(fèi)角度看，小型雕刻機(jī)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。小型雕刻機(jī)是現(xiàn)代機(jī)械化需求的必然產(chǎn)物，它替代手工生產(chǎn)與制作，不僅在生產(chǎn)技術(shù)上是一個(gè)巨大的進(jìn)步，同時(shí)在滿(mǎn)足歷史與現(xiàn)實(shí)緊密結(jié)合中有著重要的意義。在現(xiàn)代自動(dòng)化為主趨勢(shì)的社會(huì)環(huán)境中，小型雕刻機(jī)通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)以自動(dòng)化為模式的雕刻加工，這是現(xiàn)代雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)核心。毫無(wú)疑問(wèn)，這種小型雕刻機(jī)不僅徹底改變了傳統(tǒng)上以手工雕刻為主的雕刻制作，而且具有生產(chǎn)效率高、成品率高、加工精度高、可以復(fù)制，以及對(duì)零件的適應(yīng)性強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，這類(lèi)雕刻機(jī)設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)之 CAD/CAM軟件構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 為了很好的利用及發(fā)展這種雕刻機(jī)的社會(huì)作用，這種小型雕刻機(jī)可以在不同行業(yè)中進(jìn)行具有針對(duì)性的應(yīng)用及研發(fā)，就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，這種小型雕刻機(jī)可被劃分為模具雕刻機(jī)、木工雕刻機(jī)、等多種類(lèi)型。 在性能上，因制作和加工對(duì)象的不同，對(duì)雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)及要求也不同，特別是對(duì)其機(jī)床和控制系統(tǒng)的要求，成為整個(gè)要求的焦點(diǎn)。例如，對(duì)模具雕刻機(jī)而言，由于它以加工金屬材料為主，故此，需要?jiǎng)傂暂^強(qiáng)的機(jī)床本體，不僅如此，因?yàn)榇祟?lèi)雕刻機(jī)主要用于制作模具，要求精度高，所以這類(lèi)雕刻機(jī)更需要精度較高的又加工系統(tǒng)；相比之下，用于廣告制作的雕刻機(jī)，可以適當(dāng)降低這些技術(shù)指標(biāo)。然而，并非沒(méi)有立足點(diǎn)，這個(gè)共同點(diǎn)就是雕刻刀，研究發(fā)現(xiàn)：每次切削的有效面積比較小，所以雕刻零件的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡就會(huì)很長(zhǎng)，加工時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng)。故此，提高雕刻機(jī)的刀具運(yùn)行速度對(duì)縮短工件的雕刻時(shí)間、提高加工的效率具有很重要的意義。 總而言之，雕刻機(jī)的劃分及其設(shè)計(jì)必須結(jié)合實(shí)際需要而進(jìn)行，才能使其更加符合實(shí)際需要，才能贏得很好的社會(huì)效應(yīng)[4-8]。 1.2.2 小型雕刻機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展 小型雕刻機(jī)根據(jù)需要進(jìn)行必要的分類(lèi)，但是，由于生產(chǎn)技術(shù)難以突破，至今仍然不能形成巨細(xì)和合理的產(chǎn)品系列。也就是說(shuō)，在現(xiàn)代雕刻領(lǐng)域中，雕刻機(jī)的種類(lèi)仍然不能滿(mǎn)足各種生產(chǎn)需要。這為技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)留有廣闊的天地?，F(xiàn)存雕刻機(jī)僅僅能適應(yīng)簡(jiǎn)單的雕刻，諸如刻字、簡(jiǎn)單的幾何形體雕刻等，至于復(fù)雜的造型，就很難采用這種雕刻機(jī)了。從傳統(tǒng)工藝品與現(xiàn)代產(chǎn)品的造型形象及其特征看，采用雕刻機(jī)完成生產(chǎn)制作具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。不僅省工省力、降低成本與提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且，產(chǎn)品做工精細(xì)，產(chǎn)品質(zhì)量高，便于人們使用等。 隨著中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)與市場(chǎng)供應(yīng)不足矛盾的彰顯，迫切需要從理論到實(shí)踐，尤其生產(chǎn)上解決技術(shù)難關(guān)，積極研發(fā)各種類(lèi)型的小型雕刻機(jī)[9-10]。 1.2.3 小型雕刻機(jī)的特點(diǎn) 本課題設(shè)計(jì)的小型雕刻機(jī)有一下特點(diǎn)： 1. 自動(dòng)化程度高，便于操作。由于采用數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，對(duì)于工件的雕刻，其全部過(guò)程都是小型雕刻機(jī)自動(dòng)完成的。 2. 產(chǎn)品的結(jié)體合理，精度高，并且能夠取得整齊劃一。小型雕刻機(jī)的雕刻過(guò)程是由計(jì)算機(jī)控制完成，可以達(dá)到相對(duì)較高的精度和表面質(zhì)量，而且能夠達(dá)到批量加工的目的，換言之，就是產(chǎn)品整齊劃一。 3. 適用性強(qiáng)的特點(diǎn)。只需要改變雕刻機(jī)控制程序，小型雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕等各種復(fù)雜的曲面，甚至，可以采用不同刀具，以適應(yīng)不同部位造型的需要，直至雕刻出富有創(chuàng)意產(chǎn)品。 4. 雕刻機(jī)功能的衍生性，即小型雕刻機(jī)同時(shí)有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊以及加工小模具，性?xún)r(jià)比高[11]。 1.2.4 研究雕刻機(jī)的目的和意義 近現(xiàn)代以來(lái)，隨著中國(guó)工業(yè)化的進(jìn)程，盡管機(jī)械工業(yè)已經(jīng)有了較大的發(fā)展，但是，由于各種主客觀因素的影響，特別是受到科學(xué)技術(shù)的制約，致使我國(guó)的機(jī)械工業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與西方發(fā)達(dá)國(guó)家依然相差甚遠(yuǎn)。因此，在我國(guó)，在機(jī)械領(lǐng)域迎頭趕上世界先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，成為時(shí)代主流與機(jī)械工業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨。 所謂機(jī)電一體化，是指將機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合的新型技術(shù)是機(jī)械技術(shù)，它的核心內(nèi)容包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等技術(shù)。 機(jī)電一體化是一個(gè)系統(tǒng)工程，以計(jì)算機(jī)及其數(shù)控技術(shù)為核心，將傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)到自動(dòng)化的程度，不僅提高勞動(dòng)效率，而且降低勞動(dòng)強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)更加精確的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)計(jì)劃。20世紀(jì)末期，世界上各個(gè)國(guó)家都努力發(fā)展這一技術(shù)，以提高各自的綜合實(shí)力水平以及機(jī)械技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)整體水平的新高度發(fā)展與突破向智能化的方向發(fā)展。這不僅是世界工業(yè)化的新特征，更是時(shí)代賦予人類(lèi)的生產(chǎn)與生活的新模式：世界各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)使人們生活逐漸步入自動(dòng)化時(shí)代使經(jīng)濟(jì)效益得到飛速發(fā)展。因此，在中國(guó)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，既是中華民族從傳統(tǒng)工業(yè)走向現(xiàn)代化的必經(jīng)之路，也是我國(guó)機(jī)械工業(yè)趕超世界強(qiáng)國(guó)的必由之路[12-13]。 1.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了本設(shè)計(jì)的課題背景，我國(guó)雕刻行業(yè)主要以手工雕刻為主并且國(guó)產(chǎn)雕刻機(jī)的雕刻精度較低，高端雕刻機(jī)多數(shù)是從國(guó)外進(jìn)口。在此基礎(chǔ)上又介紹了本課題設(shè)計(jì)的小型雕刻機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及研究小型雕刻機(jī)的目的和意義。 第2章 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 雕刻機(jī)的系統(tǒng)組成 小型雕刻機(jī)工作原理是一個(gè)三維控制系統(tǒng)，工作原理如圖2-1所示： 圖2-1小型雕刻機(jī)工作原理 在計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝專(zhuān)用的圖形和文字設(shè)計(jì)排版軟件，將這些需要加工的文字或圖案信息分析處理自動(dòng)整合出加工路徑，然后再通過(guò)計(jì)算機(jī)USB將生成的工件加工路線(xiàn)信息傳遞給控制系統(tǒng)，然后控制系統(tǒng)接收工件加工路徑數(shù)據(jù)，再把所要加工的形狀整合出來(lái)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，若用戶(hù)滿(mǎn)意完，就用特定的算法將這些信息轉(zhuǎn)化為控制信息，由于電機(jī)是靠脈沖信號(hào)控制的所以還要控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)，通過(guò)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制雕刻機(jī)X軸、Y軸和Z軸的走刀。同時(shí)，雕刻機(jī)的電主軸進(jìn)行銑削，即可雕刻出預(yù)想的圖案或文字[14]。 2.2 雕刻機(jī)的整體布局 機(jī)械結(jié)構(gòu)作為小型雕刻機(jī)的硬件部分，直接決定了雕刻機(jī)的工作生產(chǎn)能力以及加工效果。正因?yàn)槿绱?，?duì)小型雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)下面要求進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)計(jì)。 1. 首先必須滿(mǎn)足雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；其次滿(mǎn)足電機(jī)一體化的工作范圍與加工精度，以提高生產(chǎn)效率，乃至確保經(jīng)濟(jì)性等多種要求。 2. 確保小型雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足其加工精度，確保雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度、抗震性和抗熱變形等穩(wěn)定。 3. 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)必須適應(yīng)加工過(guò)程的直觀可視，操作方便，調(diào)整和維修方便，運(yùn)送和裝卸工件方便。 4. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，布局合理，方便裝配，便于操作與具有較強(qiáng)的安全性等[15]。 雕刻機(jī)不僅要滿(mǎn)足總體布局的基本要，還要滿(mǎn)足其他外界影響雕刻機(jī)布局的因素： 1.注意表面的形成運(yùn)動(dòng)影響。 通常情況下，需要采用不同的刀具與不同的加工方式對(duì)雕刻對(duì)象進(jìn)行不同的處理，這樣，在工件表面形成的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)就不同，而出現(xiàn)不同的工作布局方式。如果出現(xiàn)類(lèi)似外形的工作表面，那么也一定會(huì)有對(duì)技術(shù)和生產(chǎn)效率等不同的要求，為此，對(duì)應(yīng)不同的加工工件表面和不同的加工加工方式選用不同種類(lèi)的刀具。由此可見(jiàn)，雕刻機(jī)的布局形式也受到工件表面形狀的影響，而且小型雕刻機(jī)的布局形式也是為加工工件表面二設(shè)計(jì)的。 2.注意雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)布局分配的影響。 雕刻機(jī)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)頭加工工件的雕刻路線(xiàn)相同及加工相同的工件，但是在這種情況下有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)雕刻機(jī)頭分配不同的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)的情況，這種情況也會(huì)影響雕刻機(jī)的布局，使雕刻機(jī)出現(xiàn)不同的布局。故此，在設(shè)計(jì)雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配的時(shí)候，必須做到以下幾點(diǎn)：移動(dòng)部件的重量要相對(duì)較輕，因?yàn)橐话闱闆r下，減輕了移動(dòng)部件的重量，就降低了電機(jī)提供的功率以及傳動(dòng)件的尺寸也越?。粦?yīng)有利于提高加工精度；應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)剛度，縮小占地面積 [16-17]。 另外雕刻機(jī)本身性質(zhì)要求對(duì)工件影響也很大，如工作時(shí)自身產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)、刻刀與工件摩擦產(chǎn)生的噪聲、集體發(fā)熱還會(huì)導(dǎo)致熱變形以及自身剛度和抗震性的影響。經(jīng)過(guò)查看相關(guān)書(shū)籍以及上網(wǎng)查詢(xún)資料得知雕刻機(jī)布局形式通常采用如圖2-2所示的兩種方案： （a）工作臺(tái)固定式 （b）立柱固定式 圖2-2雕刻機(jī)的布局形式 上述這兩種情況的布局方式都是仿照龍門(mén)結(jié)構(gòu)形狀的框架結(jié)構(gòu)，兩種形式的共同特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的剛度都比較高。而其不同點(diǎn)在于在方案(a)布局中，是把工作臺(tái)與機(jī)架固定在一起，雕刻機(jī)頭在電機(jī)的作用下根據(jù)要求作左右和上下移動(dòng)，支架在Z向電機(jī)的作用下作前后移動(dòng)。這種工作臺(tái)固定形式的的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)雕刻機(jī)縱向長(zhǎng)度不同的工件加工都能適應(yīng)，而且由于工作臺(tái)直接與機(jī)架固定，所以承重能力較好。另外，在批量加工較長(zhǎng)工件時(shí)，若要支撐點(diǎn)高度相同，可以調(diào)整支架便于達(dá)到目的。但，雕刻頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)幅度較大所以難以保證加工精度。 方案(b)中布局，與方案（a）最大的不同就是把立柱固定，雕刻頭在電機(jī)的作用下根據(jù)工作需要作左右和上下移動(dòng)，工作臺(tái)在Z向電機(jī)的作用下作前后移動(dòng)。由于這種設(shè)計(jì)是把立柱固定工作臺(tái)承載著加工工件移動(dòng)，所以承載能力與布局(a)方案相比較差。如果是用于加工較輕的工件，采用方案（b）這種設(shè)計(jì)所需軸向力和傳動(dòng)件的尺寸較小，且移動(dòng)方便。如果是進(jìn)行批量加工外伸支架支撐縱向長(zhǎng)工件，支點(diǎn)高度相同，所以支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)與 布局(a)方案相比會(huì)稍微復(fù)雜。而這種設(shè)計(jì)方案的最大優(yōu)點(diǎn)就在于雕刻頭前后運(yùn)動(dòng)時(shí)震動(dòng)較小，能保證加工精度[18-20]。 通過(guò)比較兩種方案，顯而易見(jiàn)，根據(jù)雕刻機(jī)加工的工件須偏小又充分考慮到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原則、結(jié)構(gòu)的基本要求、影響結(jié)構(gòu)布局的基本因素，可采用布局(b)的方案。 小型雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)，由以下幾部分組成: 1.底座部分，支撐和固定小型雕刻機(jī)，承擔(dān)整個(gè)雕刻機(jī)的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)固。底座的四角又與地面連接進(jìn)一步提高雕刻機(jī)的穩(wěn)定性。 2.工作臺(tái)部分，由T型槽臺(tái)、Y軸方向的絲杠和導(dǎo)軌組成，由絲杠驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌導(dǎo)向，是用來(lái)放置并固定工件的， T形槽工作臺(tái)作為工作臺(tái)，其特點(diǎn)是精度穩(wěn)定不易變形、耐磨性好。 3.橫梁部分，由X向的絲杠和導(dǎo)軌組成。光軸導(dǎo)軌除了導(dǎo)向作用之外還起到承載機(jī)頭重量的作用，絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)頭運(yùn)動(dòng)。 4.機(jī)頭部分，由主軸結(jié)構(gòu)和Z方向的絲杠和導(dǎo)軌組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，主軸結(jié)構(gòu)在工作時(shí)電主軸作高速銑削運(yùn)動(dòng)。 2.3 進(jìn)給結(jié)構(gòu) 進(jìn)給結(jié)構(gòu)是由伺服電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成。其作用是接收控制系統(tǒng)發(fā)出的指令按照這些指令運(yùn)行驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)走刀，可以根據(jù)按照合成信號(hào)精確地控制指令的執(zhí)行單元的速度和位置，以及執(zhí)行軌跡的幾個(gè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。 下面是進(jìn)給結(jié)構(gòu)的機(jī)械部分和電機(jī)部分。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式如下： 把工件固定在工作臺(tái)上，由于雕刻機(jī)的布局工作臺(tái)移動(dòng)立柱固定的形式所以工件隨著工作臺(tái)做Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭在X方向電機(jī)和絲杠的驅(qū)動(dòng)下做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)電主軸做高速銑削運(yùn)動(dòng)，并且在Z方向做上下運(yùn)動(dòng)。雕刻機(jī)就是這樣雕刻出預(yù)想的文字和圖案。 在絲杠的驅(qū)動(dòng)下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下機(jī)頭沿X方向的左右運(yùn)動(dòng)，如圖2-3所示： 圖2-3 雕刻機(jī)X方向進(jìn)給圖 在絲杠的驅(qū)動(dòng)下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下工作臺(tái)沿Y方向前后運(yùn)動(dòng)，如圖 2-4所示： 圖2-4雕刻機(jī)Y方向的進(jìn)給圖 在絲杠的驅(qū)動(dòng)下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下機(jī)頭沿Z向上下運(yùn)動(dòng)，如圖2-5所示： 圖2-5 雕刻機(jī)Z方向進(jìn)給圖 為保證雕刻運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定工作加工和雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)嚴(yán)瑾，雕刻機(jī)的各傳動(dòng)鏈全部使用滾珠絲杠副。用聯(lián)軸器把絲杠的一端與電機(jī)軸連在一起，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與其連接的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。用軸承把絲杠的另一端固定在機(jī)架上。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)是由指令脈沖數(shù)控制的，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是由高低電平控制的，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)快慢是由脈沖信號(hào)的頻率控制。而且伺服電機(jī)具有以下特點(diǎn)： 1.控制位置功能，電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)多少角度，就發(fā)送出多少具體的脈沖數(shù)量。 2.無(wú)極調(diào)速功能，如果要改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的快慢，可通過(guò)改變發(fā)送脈沖的速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3.正/反、急停及自鎖功能，如果要伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，可以通過(guò)控制電平的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)，在伺服電機(jī)鎖定的情況下仍然輸出靜止力矩。 4.低轉(zhuǎn)速和高精度位置功能，可通過(guò)控制脈沖速度把電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到極低，而且中間不需要再通過(guò)連接減速器，這樣就使功率的損耗和角度位置的偏差減少了很多，提高了控制精度。 5.壽命長(zhǎng)，電機(jī)軸與絲杠連接不需要通過(guò)電刷和換相器換相，直接用套筒聯(lián)軸器連接，從而減少了摩擦，增長(zhǎng)了使用壽命，如圖2-6所示： 圖2-6 絲杠與電機(jī)軸的連接 套筒聯(lián)軸器用于聯(lián)接絲桿與電機(jī)，采用套筒聯(lián)軸器連接的固定精度相對(duì)較高，其特點(diǎn)在于：可連接小型軸、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小以及適用于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的連接； 提高絲杠與電機(jī)軸連接的強(qiáng)度；采用銷(xiāo)連接的方式連接，在較高轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)仍可保持穩(wěn)定運(yùn)行。如圖2-7所示： （a）套筒聯(lián)軸器平面圖 （b）套筒聯(lián)軸器實(shí)體圖 圖2-7套筒聯(lián)軸器 導(dǎo)軌的作用是使運(yùn)動(dòng)部件按照規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而保證了各部件的相對(duì)位置精度，在很大程度上決定雕刻機(jī)的精度與精度保持性，如圖2-8所示： 2-8光軸導(dǎo)軌 X和Y向，安裝一對(duì)圓柱形導(dǎo)軌在絲杠的兩側(cè)，其作用是可以幫助絲杠分擔(dān)所機(jī)頭、工作臺(tái)和工件所給的壓力。圓柱形導(dǎo)軌加工容易，剛度好。 雖然Z向絲杠不承受向下的壓力，但是為保證Z向精度，在Z向絲杠的兩側(cè)也安裝兩個(gè)光軸導(dǎo)軌。Z向電主軸的定位是依靠伺服電機(jī)的自鎖功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 把光軸導(dǎo)軌的兩端用螺母固定在雕刻機(jī)支架上，并且與導(dǎo)軌套形成移動(dòng)副，如圖2-9所示： 圖2-9 絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式 通過(guò)絲杠副把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的特性形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)；與工作臺(tái)固定連接，然后相對(duì)于Y向絲杠做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；與機(jī)頭支架固定連接，同理與Z向絲杠形成移動(dòng)副帶動(dòng)機(jī)頭做上下移動(dòng)[13]。 2.4 主軸結(jié)構(gòu) 雕刻機(jī)主軸部分用螺釘固定在Z向的連接板上，利用電主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)刀具做切削雕刻運(yùn)動(dòng)。 近些年來(lái)我國(guó)科技不斷發(fā)展進(jìn)步，使雕刻機(jī)以及加工中心的核心部分主軸也得到迅速發(fā)展。使得主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到非常大的提高，并且逐漸把帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的形式向電主軸的形式轉(zhuǎn)化，機(jī)床主軸由機(jī)床電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而使較長(zhǎng)的傳動(dòng)鏈形式逐漸被淘汰，使機(jī)床主運(yùn)動(dòng)部分不在需要傳動(dòng)鏈形式傳動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)就是電主軸。本雕刻機(jī)應(yīng)用電主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到18000r／min，如圖2-10所示： 圖2-10電主軸實(shí)體圖 2.5 支撐結(jié)構(gòu) 2.5.1 支架設(shè)計(jì) 支架用來(lái)支撐進(jìn)給結(jié)構(gòu)并且保證進(jìn)給結(jié)構(gòu)與工作臺(tái)的相對(duì)位置精度，并且承載這各種動(dòng)態(tài)力和靜態(tài)力以保證小型雕刻機(jī)整體穩(wěn)定性，如圖2-11所示： 圖2-11雕刻機(jī)支架 2.5.2 工作臺(tái)設(shè)計(jì) 工作臺(tái)的作用是用來(lái)放置并固定工件的，在設(shè)計(jì)工作臺(tái)的時(shí)候，從整體的剛度和經(jīng)濟(jì)性來(lái)考慮，并且按照機(jī)床的工作臺(tái)、絲桿、光軸導(dǎo)軌的長(zhǎng)度來(lái)決定小型雕刻機(jī)整體的大小，選用T形槽工作臺(tái)作為工作臺(tái)，其特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定不易變形、耐磨性好、價(jià)格便宜。本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)長(zhǎng)800mm寬800mm如圖3-1所示： (a)工作臺(tái)實(shí)體圖 （b）工作臺(tái)平面圖 圖2-11工作臺(tái) 2.5.3 底座設(shè)計(jì) 底座的作用是起支撐和固定小型雕刻機(jī)的作用。底座的四角又與地面連接進(jìn)一步提高小型雕刻機(jī)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的底座稍微大一點(diǎn)，目的是使機(jī)床穩(wěn)定性更強(qiáng)。底座材質(zhì)為45號(hào)剛，底座尺寸1700x1300x12。如圖3-2所示： 圖3-2 雕刻機(jī)底座 2.6 本章小結(jié) 本章主要分析了小型雕刻機(jī)的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用了龍門(mén)式框架結(jié)構(gòu)雕刻機(jī)頭做橫向和上下移動(dòng)工作臺(tái)做縱向移動(dòng)。在此基礎(chǔ)之上有介紹了進(jìn)給結(jié)構(gòu)：X軸方向、Y軸方向Z軸方向進(jìn)給結(jié)構(gòu)；主軸結(jié)構(gòu)：采用電主軸；支撐結(jié)構(gòu)：支架、工作臺(tái)和底座。 第3章 小型雕刻機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算 3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo) 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的電主軸，是小型雕刻機(jī)的核心部件之一，確定電主軸的型號(hào)和參數(shù)，以及給出結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算與校核。除應(yīng)滿(mǎn)足的要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足一下要求： 1. 設(shè)法滿(mǎn)足最大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。 小型雕刻機(jī)工作的時(shí)候一定要保證切削用量在合理范圍內(nèi)，這樣才能保證刀具充分發(fā)揮其性能，使生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量得到保證，還有就是必須保證電主軸的轉(zhuǎn)速足夠快以便于提高雕刻速度提高生產(chǎn)率。電主軸好要有更大的調(diào)速范圍且必須保證加工的步驟相對(duì)集中即只建立一次安裝固定工件就能完成許多步加工步驟。 2. 具有較高的精度和剛度。 只有設(shè)法提高主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的剛度，才能使雕刻機(jī)工作相對(duì)穩(wěn)定，才能提高雕刻機(jī)的加工精度，保證工件質(zhì)量。為此，首先要保證傳動(dòng)件的精度與剛度，只有保證了傳動(dòng)件的性能才能使傳動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，可以采用高頻加熱淬火的方式增強(qiáng)傳動(dòng)件的剛度；最后軸承要選用高精度的，并且合理支配軸承之間的跨度。 3. 良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。 小型雕刻機(jī)雕刻順序一般是先進(jìn)性粗雕刻再進(jìn)行精雕刻雕刻時(shí)可能會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)部件不協(xié)調(diào)以及雕刻過(guò)程中零部件的影響，導(dǎo)致主軸結(jié)構(gòu)也跟著發(fā)生震動(dòng)現(xiàn)象，這樣就會(huì)使加工無(wú)法正常進(jìn)行，因此各零部件一定要擁有一定的抗震性。 還有，雕刻機(jī)在雕刻加工的時(shí)候主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)工作時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致其他零部件也發(fā)熱，進(jìn)而產(chǎn)生熱變形，由于出現(xiàn)熱變形各零部件之間的位置精度和運(yùn)動(dòng)精度就會(huì)降低，從而使加工誤差增大，機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低了傳動(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此要求主軸不僅具有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)保持合適的配合間隙，并且，需要進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)以及小型械雕刻機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，初步制定該雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要參數(shù)，如表3-1所示： 表3-1 機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)表 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)參數(shù) 單位 主軸最高轉(zhuǎn)速 r/min 主軸最大進(jìn)給速度 mm/min Y向總行程 mm X向總行程 mm Z向總行程 mm 定位精度 m 脈沖當(dāng)量 mm 使用壽命 hrs 3.2 切削力、扭矩和功率的計(jì)算 小型雕刻機(jī)雕刻加工的材料主要是非金屬材料和鋁合金材料等一些不太硬的材料。也正是由于這些材料的材質(zhì)較軟所以具有良好的塑性。小型雕刻機(jī)所雕刻的工件性質(zhì)不一樣，這樣就使雕刻機(jī)雕刻工件所用時(shí)間會(huì)不一樣，而且對(duì)于不同的材料小型雕刻機(jī)所采用的雕刻方式也不一樣通過(guò)查閱資料，查的雕刻的方式分為：一般雕刻、強(qiáng)力雕刻、精細(xì)雕刻和快速進(jìn)給這幾步。 通過(guò)查閱陳宏君主編的《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》查得表3-2 左半部分的切削經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，然后將這些查得的公式代入已知的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到表格右半部分與切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速有關(guān)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如表3-2所示： 表3-2 銑削力、扭矩和功率計(jì)算 切削經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式 簡(jiǎn)化的計(jì)算公式 銑削力： 銑削扭矩： 銑削功率： 銑削速度，— ((mm),— 每齒進(jìn)給量(mm/z)， z —，n—銑刀轉(zhuǎn)速(r /min) 。 將切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果，如下表3-3所示： 表3-3 銑削力、扭矩和功率的計(jì)算 其中：—， —，—，n—銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）。 按照以上簡(jiǎn)化過(guò)程，可得到與和n有關(guān)的計(jì)算公式，如表3-4所示： 表3-4 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì) 算 結(jié) 果 鉆削力： 鉆削扭矩： 鉆削功率： 將進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計(jì)算，將得到的計(jì)算結(jié)果填入表3-5： 表3-5 鉆削力、切削扭矩和切削功率的計(jì)算 切削方式 工作時(shí)間 百分比 參 數(shù) 計(jì) 算 結(jié) 果 M 強(qiáng)力切削 41.61 0.045 — 一般切削 40.44 0.044 — 精細(xì)切削 38.65 0.042 — 快速進(jìn)給 — 0 0 0 3.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的計(jì)算 雕刻機(jī)工作時(shí)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分為主軸的上下移動(dòng)，主軸的左右移動(dòng)以及工作臺(tái)的前后移動(dòng)三個(gè)步驟。本課題對(duì)于這三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)基本相同，故此可以通過(guò)設(shè)計(jì)推算對(duì)其中一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，就可以得出另外兩處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在以設(shè)計(jì)推算工作臺(tái)結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)計(jì)算這部分所采用的伺服電動(dòng)機(jī)，滾珠絲杠和直線(xiàn)導(dǎo)軌，來(lái)滿(mǎn)足在小型雕刻機(jī)雕刻加工制作過(guò)程中的種種基本要求。 3.3.1 滾珠絲杠副的計(jì)算 1. 計(jì)算滾珠絲杠導(dǎo)程： 由于電動(dòng)機(jī)與絲杠選用 1:1的傳動(dòng)方式， 所以， 額定動(dòng)載荷 （3-1） 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第四卷 表35.5-5,輕微沖擊 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第四卷 表35.5-7,按7級(jí) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第四卷 表35.5-8,可靠性97% 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第四卷 表35.5-1得， 采用預(yù)緊絲杠副，按最大負(fù)載計(jì)算： 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第四卷 表35.5-10，輕預(yù)載 由式（3-1）得 。 2. 計(jì)算允許的最小螺紋底徑： 允許得最大軸向變形量 取以上兩個(gè)數(shù)據(jù)的最小值 計(jì)算最小螺紋底徑： 絲杠的一端用軸承固定，另一端游動(dòng) 3. 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)： 由計(jì)算出的，查滾珠絲杠副樣本，選擇型號(hào)FFZD1604-3的滾珠絲杠副 4. 計(jì)算滾珠絲杠副的預(yù)緊力： (3-2) (3-3) 由式（3-2）、（3-3）得 5. 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號(hào)、規(guī)格： 軸承所承受的最大軸向載荷 （3-4） 由式（3-4）得 軸承類(lèi)型選用固定端角接觸球軸承，游動(dòng)端深溝球軸承， （3-5） 由式（3-5）得 預(yù)加載荷=滿(mǎn)足要求，由此選用內(nèi)徑d為10型號(hào)的軸承。 6. 計(jì)算行程補(bǔ)償值C： （3-6） 由式（3-6）得 3.3.2 滾珠絲杠的計(jì)算 1. 計(jì)算滾珠絲杠基本參數(shù)： 絲杠螺紋長(zhǎng)度 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，絲杠螺紋長(zhǎng)度為 絲杠全長(zhǎng)=1700 從進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)到絲桿支承位置的距離=10。 2. 計(jì)算雕刻機(jī)傳動(dòng)絲結(jié)構(gòu)杠抗壓剛度： 最小抗壓剛度和最大抗壓剛度 （3-7） =280 （3-8） =3413 3. 計(jì)算軸承預(yù)緊組合剛度： （3-9） 由式（3-9）得 。 4. 計(jì)算支承軸承組合剛度： 絲杠采用一端軸承固定，一端游動(dòng)的方式查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第二卷 表23.5-2得：；。 5. 計(jì)算絲杠副接觸剛度： （3-10） 由式（3-10）得。 6. 剛度驗(yàn)算及精度選擇： 計(jì)算 （3-11） 計(jì)算 （3-12） 靜摩擦力 驗(yàn)算傳動(dòng)剛度 （3-13） （3-14） 由式（3-13）、式（3-14）得 滿(mǎn)足要求。 7. 計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 （3-15） 由式（3-15）得=0.4。 8. 計(jì)算精度全行程變動(dòng)量 9. 驗(yàn)算臨界壓縮載荷 10. 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 （3-16） 由式（3-16)，又得 11. 基本軸向額定載荷驗(yàn)算 （3-17） 式中,查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第四卷55.8-5 滿(mǎn)足要求。 確定滾珠絲杠規(guī)格代號(hào)FFZD1603-3-P4/485×410。 3.3.3 工作臺(tái)電機(jī)的選擇 選擇電機(jī)的時(shí)候應(yīng)該著重考慮這三個(gè)基本要求：電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于雕刻機(jī)工作時(shí)的最大切削轉(zhuǎn)矩；應(yīng)與相匹配；刻刀快速移動(dòng)時(shí)，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 1. 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3-18） 其中，《查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第二卷表21.4-6可知最大進(jìn)給力，絲杠導(dǎo)程，預(yù)緊力，查《查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第一卷表15.3-7可知滾珠絲杠螺母副的機(jī)械效率。 （3-19） 查郭科主編《角接觸推力球軸承技術(shù)》，得可知單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.32，可以得出力矩。伺服電機(jī)軸與絲杠采用套筒聯(lián)軸器按照1:1的傳動(dòng)連接，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 2. 負(fù)載慣量計(jì)算 工件夾具質(zhì)量與工作臺(tái)質(zhì)量相加不超過(guò)20kg，把這兩個(gè)質(zhì)量和與電動(dòng)機(jī)軸上的慣量算作一個(gè)量，計(jì)算得： (3-20) 式中： —工作臺(tái)移動(dòng)速度()； —伺服電機(jī)的角速度()； —直線(xiàn)移動(dòng)工作臺(tái)的質(zhì)量(kg)。 絲杠直徑，長(zhǎng)度，密度。則絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 (3-21) 聯(lián)軸器、鎖緊螺母等的慣量，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得 故負(fù)載總慣量 (3-22) 根據(jù)上述計(jì)算可初步選定電動(dòng)機(jī)，可選混合式伺服電動(dòng)機(jī)57BYD250 E-SAFRNC-0153查樣本，其額定轉(zhuǎn)矩為，大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)子慣量，滿(mǎn)足匹配要求。 3. 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 最大加速轉(zhuǎn)矩 （3-23） 由式(3-23），又，得 連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩 （3-24） 查樣本：額定轉(zhuǎn)矩13.5 最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 （3-25） 查樣本：最大轉(zhuǎn)矩80 滿(mǎn)足要求。 3.4 本章小結(jié) 本章重要介紹了雕刻機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算與校核，滾珠絲杠與滾珠絲杠副導(dǎo)程、螺紋底徑、剛度和精度計(jì)算以及臨界負(fù)壓載荷和臨界轉(zhuǎn)速的校核；進(jìn)給結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，切削負(fù)載、負(fù)載慣量和空載加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算以及電主軸和工作臺(tái)電機(jī)的選擇。 結(jié)論 本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)小型雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了其構(gòu)成及其工作原理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于小型雕刻機(jī)目前存在的問(wèn)題和市場(chǎng)需要進(jìn)行了研究，在充分考慮雕刻機(jī)發(fā)展應(yīng)該適應(yīng)自動(dòng)化、機(jī)械化等現(xiàn)代特征，采用自動(dòng)控制技術(shù)，進(jìn)一步提高其自動(dòng)化的程度。 1. 小型雕刻機(jī)不僅可用于刻字、印章等簡(jiǎn)單的幾何形體雕刻，而且可用于一些形狀復(fù)雜的工藝品。不僅省工省力、降低成本與提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且，產(chǎn)品做工精細(xì)，質(zhì)量高。 2. 通過(guò)對(duì)小型雕刻機(jī)工作流程及工作原理的特性，小型雕刻機(jī)能夠自動(dòng)控制，只需要改變雕刻機(jī)控制程序，小型雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕等種種復(fù)雜的曲面。 3. 控制部分和機(jī)械部分的高精度極大地提高了雕刻系統(tǒng)的精度，機(jī)械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 致謝 本文是在張中然老師的精心指導(dǎo)與熱心關(guān)懷下完成的。在設(shè)計(jì)與論文撰寫(xiě)過(guò)程中無(wú)不滲透著張老師的大量心血。幾個(gè)月以來(lái)，從設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的斟酌與論文的撰寫(xiě)及其邏輯的推敲，張老師認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的求真精神，尤其對(duì)我的嚴(yán)格要求，使我既受感動(dòng)，又受鼓舞——在受到鞭策的同時(shí)，對(duì)張老師的情感由言聽(tīng)計(jì)從到十分欽佩，這些都是我人生的極大快事，乃至使我終身受益。在此，對(duì)張老師的辛勤付出表示衷心的感謝，并致以崇高的敬意。 同時(shí)也要感謝在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助過(guò)我和支持過(guò)我的的同學(xué)，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我對(duì)所學(xué)的只是有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和鞏固，同時(shí)也暴露了自己的很多不足之處，在畢業(yè)設(shè)計(jì)和撰寫(xiě)論文的過(guò)程中王洪旭同學(xué)雖然自己任務(wù)繁忙但是仍然抽出大量時(shí)間幫助我查閱資料和修改格式，同時(shí)也給予我精神上的支持。 再次感謝張中然老師的精心指導(dǎo)和那些和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)的鼓勵(lì)與支持。 參考文獻(xiàn) [1] 劉道華. 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