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大學本科生畢業(yè)設計 本科畢業(yè)設計中期報告 填表日期： 年 月 日 學院 班級 學生姓名 課題名稱： 雕刻機的運動系統(tǒng)的設計 課題主要任務： 1. 雕刻機的選型、設計及計算 2. 主要參數(shù)的設計及計算 3. 繪制雕刻機的裝配圖、運動系統(tǒng)部件圖及相關零件圖。 1、簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果 通過對文獻資料的閱讀，已經(jīng)得出總體設計方案、完成編寫了大部分設計說明書，并繪制出雕刻機的總裝配圖及Z軸、X軸和Y軸的運動部件部件裝配圖。 2、下一步的主要研究任務，具體設想與安排 對各軸受力進行設計校核； 修改完善設計說明書； 繪制所有設計圖紙，包括雕刻機的裝配圖、運動系統(tǒng)部件圖及相關零件圖； 3、存在的具體問題 絲杠，導軌及聯(lián)軸器的校核的力學問題。 關于零件材料選擇問題。 零件圖的尺寸的科學表達和裝配圖的配合問題。 4、指導教師對該生前期研究工作的評價 指導教師簽名： 日 期： 畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱表 學院（部）： 機械工程學院 學生姓名 學 號 班 級 專 業(yè) 指導教師 姓 名 課題名稱 雕刻機運動系統(tǒng)的設計 評語：（包括以下方面，①學習態(tài)度、工作量完成情況；②檢索和利用文獻能力、計算機應用能力；③學術水平或設計水平、綜合運用知識能力和創(chuàng)新能力；） 是否同意參加答辯： 是□ 否□ 指導教師評定成績 分值： 指導教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱表 學院（部）： 學生姓名 學 號 班 級 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 課題名稱 雕刻機運動系統(tǒng)的設計 評語：（對論文學術評語，包括選題意義；文獻利用能力；所用資料可靠性；創(chuàng)新成果及寫作規(guī)范化和邏輯性） 針對課題內(nèi)容給設計者（作者）提出3個問題，作為答辯時參考。 1. 2. 3. 評 分： 是否同意參加答辯 是□ 否□ 評閱人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）答辯及最終成績評定表 學院（部）（公章）： 學生姓名 學號 班 級 答辯 日期 課題名稱 雕刻機運動系統(tǒng)的設計 指導 教師 成 績 評 定 分值 評 定 教師 1 教師 2 教師 3 教師 4 教師 5 小計 課題介紹 思路清晰，語言表達準確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學，分析歸納合理，結論嚴謹，設計（論文）有應用價值。 30 答辯 表現(xiàn) 思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準確、深入,知識面寬。 70 合 計 100 答 辯 評 分 分值： 答辯小組長簽名： 答辯成績a： × ％＝ 指導教師評分 分值： 指導教師評定成績b： × ％＝ 評閱教師評分 分值： 評閱教師評定成績c： × ％＝ 最終評定成績： 分數(shù)： 等級： 答辯委員會主任簽名： 年 月 日 說明：最終評定成績＝a+b+c，三個成績的百分比由各學院（部）自己確定。 學院（部）： 專業(yè)： 指導教師 學生姓名 課題名稱 雕刻機運動系統(tǒng)的設計 內(nèi) 容 及 任 務 1、了解雕刻機類型、概況及國內(nèi)外發(fā)展趨勢。 2、雕刻機選項型、設計及設計計算。 3、主要參數(shù)的設計及計算。 4、三軸雕刻機的設計及計算。 5、繪制出雕刻機的裝配圖、運動系統(tǒng)部件圖及相關零件圖。 6、按照有關要求，完成開題報告、和畢業(yè)設計說明書。 擬 達 到 的 要 求 或 技 術 指 標 1、XYZ軸定位精度為25μm 。XYZ軸重復定位精度10μm 。XYZ軸工作行程800×600×90mm。 2、工作臺尺寸1120×750 mm。 3、進料高度100 mm 4、高頻上軸0.8kW，轉速24000r/min 5、主軸適用刀具直徑3~8 mm 主要要求： 1、大膽創(chuàng)新，確定合理的總體方案、工作可靠、易于拆裝、使用維護方便； 2、工作機構、傳動方案合理可行； 3、設計計算正確，標準件用設備選型合理； 4、圖紙繪制要符合國家標準，布圖合理，圖面整潔、美觀； 5、設計說明書符合相關規(guī)定，敘述清楚、表達正確、內(nèi)空完整、技術術語符合標準 進 度 安 排 起止日期 工作內(nèi)容 第七學期16~18周 收集資料，文獻綜述、開題報告 第八學期1~3周 總體結構方案設計 第八學期4~8周 雕刻機設計，主要零部件設計 第八學期9~11周 完成相關零部件圖紙繪制 第八學期12~13周 設計修改完善 第八學期14~15周 撰寫畢業(yè)設計說明書 主 要 參 考 資 料 [1] 編寫組.《機床設計手冊》第三冊.北京:機械工業(yè)出版社.1986 [2] 孟少農(nóng)主編.《機械加工工藝手冊》第一冊.北京:機械工業(yè)出版社.1998： [3] 徐顴主編.《機械設計手冊》第一冊.北京:機械工業(yè)出版社.1995 [4] 孟少農(nóng)主編.《機械加工工藝手冊》第二冊.北京:機械工業(yè)出版社.1998： [5] 徐顴主編.《機械設計手冊》第四冊.北京:機械工業(yè)出版社.1986 [6] 南京工藝裝備制造有限公司.《精密滾珠絲杠副》樣本 [7] 吳宗澤主編.《機械設計師手冊》上下合冊.北京:機械工業(yè)出版社.2002 系（教研室） 意見 簽名： 年 月 日 學院（部）主管領導意見 簽名： 年 月 日 大學本科生畢業(yè)設計 xxxx 大 學 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 （200x屆） 學 院（部）： 專 業(yè)： 學 生 姓 名： 班 級： 學號 指導教師姓名： 職稱 200x年1月18日 大學本科生畢業(yè)設計 題目：雕刻機運動系統(tǒng)的設計 1. 結合課題任務情況，查閱文獻資料，撰寫1500～2000字左右的文獻綜述。 1)．雕刻機的應用發(fā)展現(xiàn)狀 上世紀90年代至今，機械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機，刻章機再到三維雕刻機，制作工藝也日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標識銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在[1][2][3]。 2)．雕刻機的歷史背景 1938年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本和法國等國也開始研制。20世紀90年代，隨著微電子技術的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術和微型計算機技術帶動整個高技術群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產(chǎn)生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D一2.5D一3D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求[1][2][4]。 3)．雕刻機機械結構的分析和設計 這一部分主要是研究確定總體布局、主運動方案、進給運動方案、加工刀具固定方案以及材料固定方案。 (1).總體結構 機械本體部分是雕刻機的骨架，有底座、立柱、工作臺、機頭和主軸組件等部分。主體框架采用鋁合金拉延型材和軋制鋁板制造，防護件用塑料件和飯金件制造，用標準的緊固件和定位銷連接。 (2).主運動方案 雕刻機主運動方案通常有兩種方案:直接采用專用的雕刻頭或采用直流電機帶動主軸機構。專用的雕刻頭雖然必須配以與之配套的變頻調速裝置，價格也相對昂貴。但直流電機的速度不夠，要配以帶輪變速才可以。因此，從結構復雜度來看，用專用的電機直接接刀具要簡單很多[3][5]。 (3).進給運動方案 由上所述，采用橫梁移動、工作臺固定實現(xiàn)相對運動的方式，機頭在橫梁上移動(X向)，實現(xiàn)雕刻寬度; 橫梁在底座上移動(Y向)，實現(xiàn)雕刻長度;主軸組件上下移動(Z向)，實現(xiàn)雕刻深度。其中橫梁移動是靠滾珠絲杠來實現(xiàn)的。 滾珠絲杠副具有以下特點: ①傳動效率高達85%一98%。 ②運動平穩(wěn)，啟動無顫動低速無爬行。 ③正傳動與逆?zhèn)鲃拥膫鲃有蕩缀跸嗤? ④可預緊。 ⑤定位精度和重復定位精度高。 ⑥同步性好。 ⑦使用壽命長。 ⑧使用可靠，潤滑簡單，維修方便。 因此各運動鏈中傳動件均采用滾珠絲杠副。步進電機通過同步帶和滾珠絲杠副連接，可選擇合適的傳動比和隔斷電機振動，使保證運動的傳遞平穩(wěn)，結構較為緊湊。 由于滾動直線導軌副具有以下特點,因此各運動鏈中支承件均采用該導軌。 ①摩擦系數(shù)小，運動靈活。 ②動、靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動阻力小，且不易發(fā)生爬行。 ③可以預緊，剛度高。 ④壽命長。定位精度和重復定位精度高。 ⑥使用可靠，潤滑方便。 (4).加工刀具方案 加工非金屬的刀具與標準刀具在參數(shù)上有較大不同，因此需要自制或外購。一般情況下，雕刻刀按刀尖角可分為15度刀、20度刀、30度刀、45度刀和成型刀及直柄立銑刀和直柄球面銑刀，用戶可根據(jù)實際加工的需要進行選用。刀具按材質可分為高速鋼刀具、硬質合金刀具和金剛石刀具，以滿足加工不同材質工件的需要。刀具的安裝采用主軸前端用彈性夾頭夾持的方法傳遞扭矩，不同夾持直徑的刀具可更換與之配套的彈性夾頭[4]。 (5).加工材料固定方案 雕刻機的工作臺面上兩邊有參考標尺用作參考，當在臺面中放置工件時使之與零點絕對坐標軸相應平行。工作臺面上還設計有多條T型槽，對于較小和較輕的工件可用雙面膠帶將之粘貼在工作臺平面上即可;對于較大和較重的工件，可用專用的夾持器或壓板將之固定。專用的夾持器或壓板的壓緊塊部分用非金屬材料制造，避免誤動作時對刀具和主軸造成危害。 (6).其它 將控制箱內(nèi)置，節(jié)省整機空間，同時采用抽屜式，方便調試和維修;急停開關和操作面板分別置于雕刻機前端的左右兩側，方便用戶的操作使用[3]。 本設計主要是確定總體布局、主運動方案、進給運動方案、加工刀具固定方案以及材料固定方案等方案。 參考文獻： [1] 張 昱. 三維機械雕刻機的研制[C].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2002. [2] 張昱，劉志鋒.經(jīng)濟型三維機械雕刻機的開發(fā)[J]。機械制造與研究.2006. [3] 夏長植, 居榮華, 張一寧. FTDK5416雕刻機機械結構的改進設計[J]. 包裝與食品機械 , 2002,(01) [4] 李元強, 那明君, 楊曉麗, 張惠友. 仿形雕刻機的設計[J]. 農(nóng)機化研究 , 2004,(04) [5] 王波. 龍門式雕刻機Z向機構參數(shù)化設計研究[D]南京理工大學 , 2007 2. 選題依據(jù)、主要研究內(nèi)容、研究思路及方案 選題依據(jù)、主要研究內(nèi)容 ： 隨著雕刻機的應用日益廣泛，市場需求量越來越大，然而日前市場上的雕刻機價格太高，從而影響了雕刻機的普及，因此，本設計主要目的是研究一種小型的經(jīng)濟型雕刻機。主要研究的內(nèi)容是確定總體結構、主運動方案、進給運動方案、加工刀具方案、加工材料固定方案等等。 研究思路及方案： 本設計主要就是確定總體布局的型式、有效雕刻區(qū)域、滾珠絲杠的結構型式和參數(shù)、直線導軌的結構型式和參數(shù)、主電機的結構型式和參數(shù)、步進電機的結構型式和參數(shù)、主運動和進給運動的傳遞方式和轉速范圍等。為了解決這些問題，首先是收集或查閱雕刻機運動系統(tǒng)相關資料，然后對雕刻機運動系統(tǒng)進行設計及計算，接著完成雕刻機的裝配圖、運動系統(tǒng)部件圖和刀夾部件圖及相關零件圖，最后編寫一篇設計說明書。 3.工作進度及具體安排 第七學期 16~19周 收集資料、文獻綜述、開題報告 第八學期 1~3 周 總體結構方案設計、外文翻譯 4~8 周 雕刻機設計，主要零部件設計 9~11 周 完成相關零部件圖紙繪制 12~13周 設計修改完善 14~15周 撰寫畢業(yè)設計說明書 4.指導教師意見 指導教師： 年 月 日  大學本科生畢業(yè)設計 摘 要 雕刻機制作工藝日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標識銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。但雕刻機的價格均比較高,為了提高其普及率,設計開發(fā)一個經(jīng)濟、簡練的機械運動系統(tǒng)是很具有重要的理論意義和實用價值的。 本文簡要地介紹了雕刻機的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外同類雕刻機的特點，說明了雕刻機的功能和使用范圍。綜合運用機械設計制造和加工工藝等知識，提出了簡化雕刻機運動系統(tǒng)的設計思路。其次，討論和確定了本雕刻機的總體結構布局。本雕刻的運動系統(tǒng)包括了主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)。其主運動系統(tǒng)采用電機直接接刀具，省去中間傳動，而進給運動系統(tǒng)是采用步進電機帶動滾珠絲杠使部件在導軌上平移來實現(xiàn)三軸聯(lián)動。再次，對主電機的選用、滾珠絲杠、步進電機以及導軌等主要零部件進行了詳細的設計與計算。本雕刻機有著安裝方便，結構簡單、新穎，制造成本低等優(yōu)點，可用于中小型雕刻機，對雕刻機價格具有一點的影響。 關鍵詞：雕刻機，運動系統(tǒng)，三維 ABSTRACT Production technology of engraving machine has become mature and widely been used in many fields. The sculpture technology is used in the construction of the building decoration, small signs in front of the store, many products and logo nameplate. But the price of engraving machine is high; to be able to increase its penetration rate, design a mechanical system which is cheaper and brevity has a very important theoretical and practical value. This article briefly introduced the origin and the state-of-the –art of the engraving machine, analysed the similar characteristics of sculpture both at home and abroad, explained the functions and scope of use of the engraving machine. Firstly,a motion system design ideas was got by comprehensive using the knowledge such as mechanical design and manufacturing and processing technology. Secondly, the carving of the layout of the engraving machine are discussed and identified. The movement system of the sculpture, including the main movement system and feed movement.The main campaign directly to the electrical system used knives, eliminating the middle transmission, and the Progressive Movement system is used to the stepper motor driven ball screws so that components in the rails On the pan to achieve three-axis linkage. Finally, Selection of the main motor, ball screw, the stepper motor and rails, and other major components of a detailed are designed and calculationed. The engraving machine is easy to install, simple structure, new, and low cost manufacturing, can be used for small and medium-sized carving machine, the engraving machine with little impact on prices. Key words: engraving machines, motor system, 3D 目 錄 摘 要 - 0 - 目 錄 - 2 - 第一章 緒論 - 4 - 1.1 雕刻機的概述 - 4 - 1.2設計研制的雕刻機的特點 - 4 - 1.3研制的雕刻機功能及使用范圍： - 5 - 第二章 系統(tǒng)分析與方案的訂制 - 6 - 2.1三維雕刻機的設計參數(shù) - 6 - 2.2雕刻機總體方案選擇 - 7 - 2.2.1總體布局要求[2] - 7 - 2.2.2總體方案確定 - 8 - 2.3雕刻機運動系統(tǒng)方案設計 - 8 - 2.3.1坐標系統(tǒng)的確定[2] - 9 - 2.3.2總體結構 - 10 - 2.3.3主運動方案 - 10 - 2.3.4進給運動方案 - 10 - 第三章 主運動系統(tǒng)的設計及校核 - 11 - 3.1銑削力、扭矩和功率的計算[3][4] - 11 - 3.2鉆削力、扭矩和功率的計算[5] - 12 - 3.3主運動系統(tǒng)的設計 - 14 - 3.3.1主運動系統(tǒng)的方案[6] - 14 - 3.3.2主軸電機的設計計算[6][7] - 14 - 第四章 進給運動系統(tǒng)設計計算 - 16 - 4.1 Z方向進給運動系統(tǒng)設計 - 16 - 4.1.1 Z方向進給運動系統(tǒng)組成 - 16 - 4.1.2滾珠絲杠副的設計計算[8][9][10] - 16 - 4.1.3滾珠絲桿的校核 - 21 - 4.1.4 Z方向進給電機的設計計算[11] - 24 - 4.1. 5聯(lián)軸器的選擇 - 25 - 4.1. 6 Z方向直線導軌副的設計計算[12] - 26 - 4.2 X方向進給運動系統(tǒng)設計 - 27 - 4.2.1 X方向進給運動系統(tǒng)組成 - 27 - 4.2.2滾珠絲杠副的設計計算[8][9][10] - 28 - 4.2.3滾珠絲桿的校核 - 31 - 4.2.4 X方向進給電機的設計計算[11] - 33 - 4.2.5聯(lián)軸器的選擇 - 35 - 4.2.6X方向直線導軌副的設計計算[12] - 35 - 4.3 Y方向進給運動系統(tǒng)設計 - 36 - 4.3.1 Y方向進給運動系統(tǒng)組成 - 36 - 4.3.2滾珠絲杠副的設計計算[8][9][10] - 36 - 4.3.3滾珠絲桿的校核 - 39 - 4.3.4 Y方向進給電機的設計計算[11] - 42 - 4.3.5聯(lián)軸器的選擇 - 43 - 4.3.6Y方向直線導軌副的設計計算[12] - 43 - 4.4 雕刻機設計參數(shù)的確定 - 44 - 結 論 - 45 - 參考文獻 - 46 - 致 謝 - 47 - 本科畢業(yè)設計（論文）資料 - 48 - 大學本科畢業(yè)設計（論文）過程管理資料 本科畢業(yè)設計中期報告 填表日期： 年 月 日 學院 班級 學生姓名 課題名稱： 雕刻機運動系統(tǒng)的設計 課題主要任務： 1. 雕刻機的選型、設計及計算 2. 主要參數(shù)的設計及計算 3. 繪制雕刻機的裝配圖、運動系統(tǒng)部件圖及相關零件圖。 1、簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果 通過對文獻資料的閱讀，已經(jīng)得出總體設計方案、完成編寫了大部分設計說明書，并繪制出雕刻機的總裝配圖及Z軸、X軸和Y軸的運動部件部件裝配圖。 2、下一步的主要研究任務，具體設想與安排 對各軸受力進行設計校核； 修改完善設計說明書； 繪制所有設計圖紙，包括雕刻機的裝配圖、運動系統(tǒng)部件圖及相關零件圖； 3、存在的具體問題 絲杠，導軌及聯(lián)軸器的校核的力學問題。 關于零件材料選擇問題。 零件圖的尺寸的科學表達和裝配圖的配合問題。 4、指導教師對該生前期研究工作的評價 指導教師簽名： 日 期： 畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱表 學院（部）： 機械工程學院 學生姓名 學 號 班 級 專 業(yè) 指導教師 姓 名 課題名稱 雕刻機運動系統(tǒng)的設計 評語：（包括以下方面，①學習態(tài)度、工作量完成情況；②檢索和利用文獻能力、計算機應用能力；③學術水平或設計水平、綜合運用知識能力和創(chuàng)新能力；） 是否同意參加答辯： 是□ 否□ 指導教師評定成績 分值： 指導教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱表 學院（部）： 學生姓名 學 號 班 級 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 課題名稱 雕刻機運動系統(tǒng)的設計 評語：（對論文學術評語，包括選題意義；文獻利用能力；所用資料可靠性；創(chuàng)新成果及寫作規(guī)范化和邏輯性） 針對課題內(nèi)容給設計者（作者）提出3個問題，作為答辯時參考。 1. 2. 3. 評 分： 是否同意參加答辯 是□ 否□ 評閱人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）答辯及最終成績評定表 學院（部）（公章）： 學生姓名 學號 班 級 答辯 日期 課題名稱 雕刻機運動系統(tǒng)的設計 指導 教師 成 績 評 定 分值 評 定 教師 1 教師 2 教師 3 教師 4 教師 5 小計 課題介紹 思路清晰，語言表達準確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學，分析歸納合理，結論嚴謹，設計（論文）有應用價值。 30 答辯 表現(xiàn) 思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準確、深入,知識面寬。 70 合 計 100 答 辯 評 分 分值： 答辯小組長簽名： 答辯成績a： × ％＝ 指導教師評分 分值： 指導教師評定成績b： × ％＝ 評閱教師評分 分值： 評閱教師評定成績c： × ％＝ 最終評定成績： 分數(shù)： 等級： 答辯委員會主任簽名： 年 月 日 說明：最終評定成績＝a+b+c，三個成績的百分比由各學院（部）自己確定。 5 大學本科生畢業(yè)設計 摘 要 雕刻機制作工藝日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標識銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。但雕刻機的價格均比較高,為了提高其普及率,設計開發(fā)一個經(jīng)濟、簡練的機械運動系統(tǒng)是很具有重要的理論意義和實用價值的。 本文簡要地介紹了雕刻機的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外同類雕刻機的特點，說明了雕刻機的功能和使用范圍。綜合運用機械設計制造和加工工藝等知識，提出了簡化雕刻機運動系統(tǒng)的設計思路。其次，討論和確定了本雕刻機的總體結構布局。本雕刻的運動系統(tǒng)包括了主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)。其主運動系統(tǒng)采用電機直接接刀具，省去中間傳動，而進給運動系統(tǒng)是采用步進電機帶動滾珠絲杠使部件在導軌上平移來實現(xiàn)三軸聯(lián)動。再次，對主電機的選用、滾珠絲杠、步進電機以及導軌等主要零部件進行了詳細的設計與計算。本雕刻機有著安裝方便，結構簡單、新穎，制造成本低等優(yōu)點，可用于中小型雕刻機，對雕刻機價格具有一點的影響。 關鍵詞：雕刻機，運動系統(tǒng)，三維 ABSTRACT Production technology of engraving machine has become mature and widely been used in many fields. The sculpture technology is used in the construction of the building decoration, small signs in front of the store, many products and logo nameplate. But the price of engraving machine is high; to be able to increase its penetration rate, design a mechanical system which is cheaper and brevity has a very important theoretical and practical value. This article briefly introduced the origin and the state-of-the –art of the engraving machine, analysed the similar characteristics of sculpture both at home and abroad, explained the functions and scope of use of the engraving machine. Firstly,a motion system design ideas was got by comprehensive using the knowledge such as mechanical design and manufacturing and processing technology. Secondly, the carving of the layout of the engraving machine are discussed and identified. The movement system of the sculpture, including the main movement system and feed movement.The main campaign directly to the electrical system used knives, eliminating the middle transmission, and the Progressive Movement system is used to the stepper motor driven ball screws so that components in the rails On the pan to achieve three-axis linkage. Finally, Selection of the main motor, ball screw, the stepper motor and rails, and other major components of a detailed are designed and calculationed. The engraving machine is easy to install, simple structure, new, and low cost manufacturing, can be used for small and medium-sized carving machine, the engraving machine with little impact on prices. Key words: engraving machines, motor system, 3D 目 錄 摘 要 - 0 - 目 錄 - 2 - 第一章 緒論 - 4 - 1.1 雕刻機的概述 - 4 - 1.2設計研制的雕刻機的特點 - 4 - 1.3研制的雕刻機功能及使用范圍： - 5 - 第二章 系統(tǒng)分析與方案的訂制 - 6 - 2.1三維雕刻機的設計參數(shù) - 6 - 2.2雕刻機總體方案選擇 - 7 - 2.2.1總體布局要求[2] - 7 - 2.2.2總體方案確定 - 8 - 2.3雕刻機運動系統(tǒng)方案設計 - 8 - 2.3.1坐標系統(tǒng)的確定[2] - 9 - 2.3.2總體結構 - 10 - 2.3.3主運動方案 - 10 - 2.3.4進給運動方案 - 10 - 第三章 主運動系統(tǒng)的設計及校核 - 11 - 3.1銑削力、扭矩和功率的計算[3][4] - 11 - 3.2鉆削力、扭矩和功率的計算[5] - 12 - 3.3主運動系統(tǒng)的設計 - 14 - 3.3.1主運動系統(tǒng)的方案[6] - 14 - 3.3.2主軸電機的設計計算[6][7] - 14 - 第四章 進給運動系統(tǒng)設計計算 - 16 - 4.1 Z方向進給運動系統(tǒng)設計 - 16 - 4.1.1 Z方向進給運動系統(tǒng)組成 - 16 - 4.1.2滾珠絲杠副的設計計算[8][9][10] - 16 - 4.1.3滾珠絲桿的校核 - 21 - 4.1.4 Z方向進給電機的設計計算[11] - 24 - 4.1. 5聯(lián)軸器的選擇 - 25 - 4.1. 6 Z方向直線導軌副的設計計算[12] - 26 - 4.2 X方向進給運動系統(tǒng)設計 - 27 - 4.2.1 X方向進給運動系統(tǒng)組成 - 27 - 4.2.2滾珠絲杠副的設計計算[8][9][10] - 28 - 4.2.3滾珠絲桿的校核 - 31 - 4.2.4 X方向進給電機的設計計算[11] - 33 - 4.2.5聯(lián)軸器的選擇 - 35 - 4.2.6X方向直線導軌副的設計計算[12] - 35 - 4.3 Y方向進給運動系統(tǒng)設計 - 36 - 4.3.1 Y方向進給運動系統(tǒng)組成 - 36 - 4.3.2滾珠絲杠副的設計計算[8][9][10] - 36 - 4.3.3滾珠絲桿的校核 - 39 - 4.3.4 Y方向進給電機的設計計算[11] - 42 - 4.3.5聯(lián)軸器的選擇 - 43 - 4.3.6Y方向直線導軌副的設計計算[12] - 43 - 4.4 雕刻機設計參數(shù)的確定 - 44 - 結 論 - 45 - 參考文獻 - 46 - 致 謝 - 47 - 本科畢業(yè)設計（論文）資料 - 48 - 第一章 緒論 1.1 雕刻機的概述 雕刻可以追溯到遠古時期，母系氏族時期的半坡氏族的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時期便發(fā)明了活字印刷，《夢溪筆談》有記:“其法用膠泥刻字，薄為錢唇，每字為一印，火燒令堅……”。這里的刻字應屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術日益精深，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術都可堪稱一絕。 上世紀90年代至今，機械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機，刻章機再到三維雕刻機，制作工藝也日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標識銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。 雕刻機(Engraving Plotter)，顧名思義就是用機器代替人工進行雕刻的設備。 1938年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本和法國等國也開始研制。20世紀90年代，隨著微電子技術的突飛猛進， 直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術和微型計算機技術帶動整個高技術群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產(chǎn)生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D→2.5D→3D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。 國外的雕刻機，如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”是此行業(yè)的佼佼者，但價格非常昂貴。不管大小都在10萬圓人民幣以上;近幾年國內(nèi)的雕刻機，北京“精雕”、上?！白哪绝B”在國內(nèi)也有一定的市場，但價格也不菲。為了使雕刻機能夠更廣泛的應用，設計出一種經(jīng)濟型的雕刻機，所以決定對三維雕刻機進行研制[1]。 1.2設計研制的雕刻機的特點 本雕刻機是一種典型的機電一體化設備，由于本人學的是機械設計，只對機械部分進行設計，本設計簡化機械結構，提高精度。主要措施是采用電機直接接刀具來實現(xiàn)主運動系統(tǒng)、步進電機直接與滾珠絲杠連接，從而省去了機械運動鏈，這不但簡化了機械結構，而且減少了由于機械摩擦、磨損、間隙等引起的傳動誤差。 1.3研制的雕刻機功能及使用范圍： 雕刻機可以完成切（Cutting）、刻（Engraving）、雕（Carving & Molding）,現(xiàn)主要在以下方面得到了廣泛的運用： 1) 標志標牌行業(yè) 如胸牌、桌牌、指示牌、導向牌和大型標示牌。 2) 禮品行業(yè)個性化禮品——打火機、手表、鋼筆、餐具……，可雕刻在偶然性能想象到的所有個人用品上；廣告禮品——啟瓶器、金屬名片、鑰匙鏈等，所有用于贈送的小禮品和企業(yè)特殊禮品作為廣告宣傳之用；獎品、紀念品——各種獎杯、獎牌、獎盤及各種紀念牌；圖像雕刻——用于紀念性的人像/圖像雕刻。 3) 模具行業(yè) 進行小型模具加工。 4) 工業(yè)應用 各種儀器儀表的刻度盤、部件打標、機器銘牌、操作面板等。 5) 建筑模型業(yè) 用于房地產(chǎn)開發(fā)、城市規(guī)劃、軍事等用途的模型制作。 6) 其他商業(yè)應用 印章等物品的雕刻。 以下是幾種產(chǎn)品的樣品圖： 圖1.1 幾種雕刻產(chǎn)品的樣品圖 第二章 系統(tǒng)分析與方案的訂制 2.1三維雕刻機的設計參數(shù) 下表為本設計雕刻機的參數(shù)表 表2.1 雕刻機參數(shù)表 規(guī)格型號 X,Y軸 雕刻范圍 600×800 進給速度 (mm/s) 工作 1,2,3,5,8,10,15,20,30,40,50,60 快速 20,40,60 機械精度(mm) 0.01 Z軸 最大行程 90 進給速度 (mm/s) 工作 0.5,1,2,3,5,8,10 快速 5,10,15,20,25,30 機械精度(mm) 0.01 指令精度(mm) 0.0025 主軸轉速(rpm) 6000~20000 最大工件重量(kg) 20 水平精度(mm) 0.2 直線精度(mm) 0.1/300 垂直精度(mm) ±0.3/300 原點精度(mm) ±0.2 定位精度(mm) 0.025 重復定位精度(mm) 0.01 工作臺面的平面度(mm) 0.03/500 橫梁移動的垂直度(mm) 0.02/300 主軸錐孔中心線的徑向跳動(mm) 0.02 主軸的軸向竄動(mm) 0.01 主軸回轉中心線對工作臺面的垂直度(mm) 0.03 刀具上下移動對工作臺面垂直度(mm) 0.02 2.2雕刻機總體方案選擇 2.2.1總體布局要求[2] 雕刻機總體布局的基本要求有以下幾點: (1)首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等等各種要求。 (2)確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運動。在經(jīng)濟、合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率。 (3)確保雕刻機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平。 (4). 應便于觀察加工過程；便于操作、調整和維修；便于輸送、裝卸工件和清理；注意防護，確保安全。 (5). 結構簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 (6). 體積小，重量輕，節(jié)約原材料，降低制造成本，縮小占地面積，外型美觀大方。 在滿足總體布局的基本要求的基礎上，還應當考慮影響雕刻機布局的基本因素: 1）. 表面形成運動的影響 不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來加工，從而表面形成運動的形式和數(shù)目就不同，并導致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術要求和生產(chǎn)率要求等不同，也可以采用不同的刀具，不同的表面形成運動來加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運動直接決定了雕刻機布局的形式是影響雕刻機布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機時，必須根據(jù)加工要求，全面、綜合地考慮工件的表面形成方法及運動，以期作出具有較好技術經(jīng)濟效果的布局設計。 2） 雕刻機運動分配的影響 工件表面形成方法及運動相同，而雕刻機的運動分配不同，雕刻機的布局亦不同。對于同一種運動分配的布局，由于導軌的布置及其它結構型式的不同，也將使雕刻機的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機運動時，一般應注意以下三點: (1)移動部件的重量應盡量輕。在其他條件相同的情況下，越小，所需電機功率和傳動件的尺寸也越小。 (2)應有利于提高加工精度。 (3)應有利于提高雕刻機剛度，縮小占地面積。 3）. 工件的尺寸、重量和形狀的影響 工件的表面形成運動及雕刻機部件的運動分配基本相同，而工件的尺寸、重量和形狀的不同，雕刻機的布局也會有很大差異。 另外，還應考慮雕刻機性能要求的影響，如振動、噪聲、熱變形、剛度和抗振性;操縱方便性的影響;模塊化設計法的影響等等。 2.2.2總體方案確定 通過查閱相關資料，目前雕刻機基本布局形式通常有如圖2.1所示的兩種方案: 圖2.1 雕刻機布局簡圖 這兩種布局都采用龍門框架結構，雕刻機的剛度均較高。 布局(l)方案中，工作臺固定，雕刻頭作橫向和上下移動，立柱作縱向移動。該方案便于變形為不同縱向長度的雕刻機。由于工作臺不動，承載能力好，適合加工較重的工件。在使用外伸支架支撐縱向長工件進行批量加工時，支點高度相同，故支架支撐調整方便。但雕刻頭運動精度較難保證且立柱移動較笨重。 布局(2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動，工作臺作縱向移動。由于工作臺移動，承載能力較布局(1)方案差。若設計所承載工件的較輕，這種布局方式所需電機功率和傳動件的尺寸較小，移動較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長工件進行批量加工時，支點高度相同，故支架支撐調整方便，但支架結構較布局(1)方案略顯復雜。該方案的最大優(yōu)勢在于雕刻頭運動精度較易保證。 經(jīng)以上比較，充分考慮到布局的基本要求、影響布局的基本因素及三維雕刻機的設計參數(shù)，采用布局(1)方案。 2.3雕刻機運動系統(tǒng)方案設計 本部分著重研究在確定了總體布局型式后對雕刻機各組成部分方案的選擇,它包括：有效雕刻區(qū)域、滾珠絲杠的結構型式和參數(shù)、直線導軌的結構型式和參數(shù)、主電機的結構型式和參數(shù)、步進電機的結構型式和參數(shù)、主運動和進給運動的傳遞方式和轉速范圍等; 2.3.1坐標系統(tǒng)的確定[2] 雕刻機的坐標系統(tǒng)采用右手法則，直角卡笛兒坐標系統(tǒng)?；咀鴺溯S為X、Y、Z直角坐標，對相應每一個旋轉運動符號為A、B、C，如圖2.2所示。Z軸為平行于雕刻機主軸的坐標軸，垂直于工件裝卡面。 圖2.2 右手坐標系統(tǒng) 圖2.3 本雕刻機的總體布局和坐標系統(tǒng)的確定 2.3.2總體結構 機械本體部分是雕刻機的骨架，有底座、立柱、工作臺、機頭和主軸組件等部分。在保證整個系統(tǒng)的機械剛性的前提下，為了簡化設計的結構，減輕整機重量，縮短產(chǎn)品的設計和制造的周期，其主體框架采用鋁合金拉延型材和軋制鋁板制造，防護件用塑料件和飯金件制造，用標準的緊固件和定位銷連接。 2.3.3主運動方案 雕刻機主運動方案通常有兩種方案:直接采用專用的雕刻頭或采用直流電機帶動主軸機構。真流電機加上帶輪雖然也可以滿足主軸速度的要求，而且也比較便宜，但會增加機械結構的復雜程度。專用的雕刻頭的優(yōu)點在這里不在復述，配以與之配套的變頻調速裝置，既簡單又實用，故采用專用的雕刻機電機。 2.3.4進給運動方案 由前所述，采用橫梁固定、工作臺移動實現(xiàn)相對運動的方式，機頭在橫梁上移動(X向)，實現(xiàn)雕刻寬度;工作臺在底座上移動(Y向)，實現(xiàn)雕刻長度;主軸組件上下移動(Z向)，實現(xiàn)雕刻深度。由于滾珠絲杠副具有很多優(yōu)點,因此各運動鏈中傳動件均采用滾珠絲杠副。步進電機和滾珠絲杠副直接連接。至于導軌,各運動鏈中支承件均采用滾動直線導軌副。 第三章 主運動系統(tǒng)的設計及校核 三維機械雕刻機的加工對象主要是塑料、橡膠等有機材料和鋁、銅及其合金等有色金屬材料，這些材料具有較高的強度和良好的塑性。 以下采用了硬質合金直柄立銑刀(d0=8mm，z=2)和高速鋼標準麻花鉆(d0=3mm)在鋁板(180MPa)上進行銑削和鉆削，分別進行切削力、切削扭矩和切削功率的計算。 根據(jù)三維機械雕刻機的加工范圍和使用功能及用戶在實際生產(chǎn)過程中不同的切削方式的所使用時間的分配，經(jīng)過統(tǒng)計，大致可將切削方式分為強力切削(切)、一般切削(雕)、精細切削(刻)和快速進給四種切削方式，使用時間的分配分別是10%，30%，50%，10%。 3.1銑削力、扭矩和功率的計算[3][4] 查參考文獻[3]，可得知下有關于銑削力、銑削扭矩和銑削功率的經(jīng)驗公式。 (3.1) (3.2) (3.3) 式中圓周銑削力(N)，銑削條件改變時銑削力修正參數(shù)，扭矩M ()，銑削功率 ()，查參考文獻取銑削寬度，銑削深度，進給速度，銑削速度，銑刀外徑,每齒進給量，銑刀齒數(shù),銑刀轉速。 查《機械加工工藝手冊一卷》表9.4-10得以下與硬質合金鋼立銑刀的對應參數(shù): ,,,,,,1(加工45號鋼) 將已知參數(shù)代入式(3.1) (3.2) (3.3)進行簡化，可得到僅與切削深度ap、進給速度vf和銑刀轉速n有關的計算公式。 （3.4） （3.5） （3.6） 另絲杠轉速 （3.7） 初選絲杠導程 將四種切削方式下的切削深度ap、進給速度vf和銑刀轉速n的變量代入分別計算。 1)．強力切削 將參數(shù)=2.5，=120，=9000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得 =30 =68 =0.272 =0.255 2)．一般切削 將參數(shù)=1，=1200，=15000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得 =300 =112 =0.448 =0.702 3)精細切削 將參數(shù)=0.5，=2400，=20000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得 =600 =79 =0.316 =0.660 4)快速進給 將參數(shù)=0，=3600，=0代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得 =900，=0， =0，=0 3.2鉆削力、扭矩和功率的計算[5] 查參考文獻[5], 可得知下有關于銑削力、銑削扭矩和銑削功率的經(jīng)驗公式 (3.8) (3.9) (3.10) 式中鉆削軸向力F (N)，加工條件改變時的切削力修正參數(shù)，鉆削扭矩M ()，加工條件改變時的切削力修正參數(shù)，鉆削功率 (),進給速度，銑削速度,鉆頭外徑，進給量，鉆頭轉速 查《機械加工工藝手冊二卷》表10.4-11得以下與高速鋼標準麻花鉆想對應的參數(shù)：,,,,,,（加工45號鋼）將查得參數(shù)代入(3.8) (3.9) (3.10),可得到僅與進給速度和鉆頭轉速有關的計算公式。 （3.11） （3.12） （3.13） 另絲杠轉速 （3.14） 初選絲杠導程 將四種切削方式中進給速度和鉆頭轉速的變量代入分別計算 1)強力切削 將參數(shù)=300，=9000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得 =75 =166 =0.18 =0.162 2)一般切削 將參數(shù)=480，=15000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得 =120 =161 =0.20 =0.30 3)精細切削 將參數(shù)=600，=20000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得 =150 =154 =0.166 =0.149 4)快速進給 將參數(shù)=900，=0代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得 =900/4=225，=0， =0，=0 3.3主運動系統(tǒng)的設計 本節(jié)著重設計計算主運動系統(tǒng)中主軸電機的結構形式，以確定其型號及參數(shù)。為了減少主運動系統(tǒng)的所占的空間，采用了由主軸電機直接接上刀夾，中間不采用傳動機構。 3.3.1主運動系統(tǒng)的方案[6] 為了簡化機械結構，本設計采用主軸電機直接接上刀夾，省去了傳動鏈，大大了減少了所占空間，減少了損耗。 3.3.2主軸電機的設計計算[6][7] 根據(jù)前兩節(jié)的計算結果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動效率，主軸電機所需扭矩、功率和轉速計算過程如下： 1）轉矩計算 查參考文獻[6] 《機電一體化系統(tǒng)設計手冊》可知所采用的電機的扭矩 由章節(jié)3.1和3.2計算結果可知,最大扭矩值為0.44 故使便可滿足要求 確定額定轉矩為 2）功率計算 查參考文獻[6] 《機電一體化系統(tǒng)設計手冊》,所采用的電機的功率 由章節(jié)3.1和3.2計算結果可知,最大功率為0.72 故使 確定額定功率 因此,電機選用安陽萊必泰機械有限公司的生產(chǎn)的雕刻機用電主軸,外形圖與參數(shù)表如下: 圖3-1 雕刻機主軸電機的外形圖 表3-1 雕刻機主軸電機的技術參數(shù)表 主軸型號Spindle type 轉速Speed (r/min) 電機　Motor 外形尺寸　Dimensions(mm) 變頻器Conv Kw 潤滑Lub 冷卻Cool KW V M A Hz D D1 D2 Joint of nose L L1 L2 ADX60-24Z/0.8 24000 0.8 220 2.5 2.2 400 62 55 - ER11 206 6 20 0.5　 grease water 第四章 進給運動系統(tǒng)設計計算 雕刻機的進給運動分為三部分：主軸的上下移動、小車的左右移動和橫梁的前后移動。它們的設計沒有本質的區(qū)別。三部分分別為Z主軸部件，X軸部件，Y軸部件。這一節(jié)先著重對Z軸進給運動傳動鏈中進給電機、滾珠絲杠和直線導軌，以確定規(guī)格型號及參數(shù) 4.1 Z方向進給運動系統(tǒng)設計 4.1.1 Z方向進給運動系統(tǒng)組成 由前章所述，步進電機直接與滾珠絲杠連接，將電機的旋轉運動轉化為部件的移動。結構簡圖如圖4.1所示 圖4.1 Z方向進給運動系統(tǒng)簡圖 4.1.2滾珠絲杠副的設計計算[8][9][10] 以鉆孔時對Z軸絲杠的軸向力最大,以其為例進行設計計算,過程如下: 4.1.2.1 當量轉速與當量載荷確定 1）各種切削方式下絲杠的轉速 查3.2節(jié)計算結果得四種加工方向下絲杠轉速： 2）求各種切削方式下軸向載荷 主軸部件設計模擬模型如圖4.2 圖4.2 主軸部件模型圖 絲杠受到的軸向力包括主軸部件的重力和導軌摩擦力以及鉆削力,即 (4.1) 設重心在部件的中心,由于重心與導軌不在一線上,所以對導軌產(chǎn)生扭矩,導軌的受力如簡圖4.3,兩導軌的中心距離a=40mm，重心與絲杠的水平距離mm,軸向切削力與絲杠的水平距離mm.查《機械設計手冊》中導軌章節(jié)得此類裝法對導軌的作用力 (4.2) 作用在導軌上的磨擦力 (4.3) 圖4.3 Z方向導軌受力簡圖 將式(4.3)代入式(4.1)得 (4.4) 動摩擦系數(shù)理論上為0.01,但實際應用中由于安裝平行度，為消除間隙采取的 預緊，回珠器曲線失真（在高速時體現(xiàn)），內(nèi)外滾道一致性等因素不可控性太強。常 常大于理論值很多。所以動摩擦系數(shù)按照0.1核算，靜摩擦系數(shù)按0.2核算。 查章節(jié)3.2得四種加工方式下的鉆削力： 166，161，154， 初步估計設計出來的主軸部件重量5(kg) 分別代入式(4.4)得四種加工方式下絲杠所受軸向力： 167,160,150,. 3)當量轉速 當量轉速計算公式為 (4.5) 四種切削方式的使用時間占總使用時間的百分比與絲杠轉速分別為： 代入式(4.5) =141 4）當量載荷 當量載荷計算公式為 (4.6) 以上計算結果代入式(4.6) =146 4.1.2.2 預定額定動載荷 1）按預期工作時間估算： 動載荷設計公式為 (4.7) 查《機床設計手冊》第四冊表9，輕微沖擊取負載性質系數(shù)，查表7，按7級精度,查表8，按可靠性97%取可靠性系數(shù),當量載荷=146,當量轉速=141,根據(jù)設計要求,本雕刻機預期工作時間15000 代入式(4.7) =2084 2)擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大負載計算： (4.8) 查《機床設計手冊》第四冊表10，輕預載取 代入式(4.8)=1118 取兩種結果的大值. 2084 4.1.2.3 螺紋最大軸向變形量及螺紋最小底徑確定 1）估算允許的最大軸向變形量 的重復定位精度，故 又的定位精度，故 取兩種結果的小值。 2）估算最小螺紋底徑 (4.9) 因采用的是一端固定，一端游動的安裝方式，故式中 初定Z方向的行程為90mm 導程=4mm 代入 導軌靜摩擦力=30 (N) 代入式(4.9) =1.4 4.1.2.4 初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號 1)初選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒型墊片預緊螺母，型號代碼為FF，導程 2)由計算出的在樣本中選取滾珠絲杠副FF1204-3 =2084，=1.4。 選用南京工藝裝備制造有限公司的滾珠絲杠，外形與參數(shù)表如下圖4.3,表4.1 3)．確定滾珠絲杠副的預緊力 ，而且 故55 圖4.3 滾珠絲杠外形圖 表4.1 滾珠絲杠技術參數(shù)與外形尺寸表 規(guī)格 代號 公稱 直徑 d0 公稱 導程 Ph0 絲杠 外徑 d1 鋼球 直徑 Dw 絲杠 底徑 d2 循環(huán) 圈數(shù) 基本額定負荷 剛度 Kc N/μm 動載荷 Ca(KN) 靜載荷 Coa(KN) FF1204-3 12 4 11.3 2.381 9.5 3 4 6.7 208 螺母安裝連接尺寸 D1(g6) D2() L2 D3 B D4 D5 D6 h D7 M D8 L1 22 22 10 44 8 32 4.8 8.5 5 32 M2.5 16 35 4.1.2.5 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號、規(guī)格 1)軸承類型選擇依據(jù) 因為絲杠所受軸向力很小,而已絲杠采用一端固定于電機上另一端游動,沒有預拉伸力，另外,使用直線運動球軸承有以下的優(yōu)點： (1)．由于流動接觸可使起動磨擦阻力及動磨擦阻力為極小，因此可以節(jié)省能源，容易得到較高運動速度。 (2)．對負荷增大，但磨擦系數(shù)無敏感變化，因此重負荷下，磨擦系數(shù)極小，并且長期保持精度不變，可得機械使用壽命長期保持。 (3)．直線運動軸承互換性好，安裝使用方便省時，并使機械結構新穎，小型，量輕之特點。 (4)．節(jié)省給油手續(xù)，達到簡化潤滑保養(yǎng)的目的。 (5). 兩側附加油封的軸承還適用與灰塵較多或 異物容易侵入的場所。 因此，選用LMF-10型的直線軸承為Z軸的軸承。 2)軸承型號 深圳市萬臣科技有限公司有直線軸承,外形參數(shù)如下: 圖4.4 圓法蘭型 :LMF-UU外形圖 表4.2 參數(shù)與安裝尺寸表 軸承型號 球列數(shù) 外型尺寸(mm) 法蘭盤 徑擺 (μm) 額定負荷(n) 質量(g) FW D L DF t P M 動負荷 靜負荷 LMF-10 4 10 19 29 40 6 29 M4 12 370 540 61 4.1.2.6 滾珠絲桿長度確定 1)行程補償值 行程補償值計算公式為 (4.10) 其中 (4.11) 式中行程，螺母長度，安全行程, 代入式(4.11)得=143 將溫差，=143代入式(4.10)得 。 2)滾珠絲杠副工作圖設計 (1)絲杠螺紋長度 查參考文獻[14]得余程16 (2)繪制工作圖 查樣本中螺母安裝連接尺寸 支承距離 絲杠全長，行程起點距固定點支承距離 4.1.3滾珠絲桿的校核 4.1.3.1 傳動系統(tǒng)剛度 1)絲杠抗壓剛度 由于本絲杠采用一端固定另一端游動,如下圖4.5 圖4.5 安裝示意圖 查參考文獻[9]得抗壓剛度計算公式： (4.12) 由4.1.2.6節(jié)查得絲杠底徑9.5，兩支承距離，行程起點距固定點支承距離，代入式(4.12)分別得 最小抗壓剛度455 （） 最大抗壓剛度2106 （） 2)絲杠支承副的剛度 以一端固定一端游動的安裝法，由于選用的是直線軸承，沒有接觸角，而一端固定提供了軸向力。故按參考文獻內(nèi)的推力軸承剛度公式計算。 支承副的剛度 (4.13) 式中滾動體直徑，滾子數(shù)，最大軸向載荷167，代入式(4.13)得116 1) 絲杠滾珠和滾道的接觸剛度 接觸剛度 (4.14) 查參考文獻[9]得: 額定剛度208,動載荷4000(N), 滾珠絲杠副的預緊力45(N)代入式(4.14)得 4.1.3.2 剛度驗算及精度選擇 1) 最小實際統(tǒng)剛度 (4.15) 最大實際系統(tǒng)剛度 (4.16) 查4.1.3.1節(jié)得最小抗壓剛度455()，最大抗壓剛度2106 () 絲杠支承副的剛度=116()，接觸剛度分別代入式(4.15)和式(4.16)得 得() () 2) 驗算傳動系統(tǒng)剛度 靜摩擦力 根據(jù)設計要求，初定系統(tǒng)反向差值或重復定位精度為10 設計要求系統(tǒng)剛度<=47.6 故實際系統(tǒng)剛度滿足要求 3) 根據(jù)參考文獻[10]中表17-44,有定位精度的數(shù)控機械和精密機械可參考選用三~四級精度 4.1.3.3 驗算臨界壓縮載荷 臨界壓縮載荷 (4.17) 查參考文獻[8]垂直安裝的安全系數(shù),一端固定一端游動的支承系數(shù) 查4.1.2.5節(jié)與4.1.2.6節(jié)得絲杠底徑=9.5mm,兩支承距離=185 mm 代入式(4.17)得遠大于最大負載，故滿足要求。 4.1.3.4 驗算臨界轉速 臨界轉速計算公式: (4.18) 式中是與以一端固定一端游動的安裝方式有關的系數(shù)，查表參考文獻[14]得f=15.1 螺母與游動端的距離=185mm, 絲杠底徑=9.5 mm,代入式(4.18)得 49855 工作最大轉速 故滾珠絲杠滿足要求 4.1.3.5 值的驗算 (4.19) 式中滾珠絲杠的節(jié)圓直徑＝15.88，最高轉速代入得 符合要求 4.1.3.6 基本軸向額定載荷驗算 式中=167N，查參考文獻[8]得絲杠載荷的靜態(tài)安全系數(shù)， 查絲杠樣本最大靜載荷,代入式中 故軸向額定載荷滿足要求 4.1.3.7 確定滾珠絲杠的規(guī)格代號 根據(jù)Z方向進給滾珠絲杠校核計算，確定其為以下型號: 型號FF1204-3,公稱直徑：12mm,導程：4 mm, 螺紋長度：180 mm,絲杠全長：220 mm, P類3級精度FF1204-3 /220×180 4.1.4 Z方向進給電機的設計計算[11] 4.1.4.1 作用在絲杠副上的各種轉矩 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 (4.20) 由4.1.2.1節(jié)查得絲杠最大軸向力導程,三級精度的絲杠副效率 代入式(4.20)得=0.118(Nm) 2)預加載荷產(chǎn)生的預緊力矩 預緊力矩 (4.21) 由4.1.2.4節(jié)查得滾珠絲杠預緊力:代入式(4.21)得 (Nm) 4.1.4.2 計算轉動慣量 1)負載轉動慣量 (1)絲杠的轉動慣量 (4.22) 由4.1.2.6節(jié)查得絲杠全長22,外徑1.13,密度 代入式(4.22)得絲杠轉動慣量27.6 (2)回轉件總轉動慣量公式為 (4.23) 從4.1.2.1節(jié)查得代入式(4.23)得 回轉件總轉動慣量20 (3)直線運動件的轉動慣量 (4.24) 初步估計主軸部件重量查3.2節(jié)得: 代入得11.5 總的負載轉動慣量31.5 2)電機轉動慣量 步進電機57BYG250A 查樣本,60. . 3)總的轉動慣量負載轉動慣量與電機轉動慣量之和 即轉動慣量91.5 4.1.4.3 Z軸步進電機啟動轉矩計算 1)最大加速轉矩 最大加速轉矩 (4.25) 查3.2節(jié)得最大給進速度，從靜止加速到最大速度所要時間 代入式(4.25)得=1.07 2).連續(xù)工作最大轉矩 (4.26) 查4.1.4.1節(jié)得摩擦力矩=0.118(Nm)，預緊力矩(Nm)，系數(shù)i取1.5 代入式(4.26)得0.189(Nm) 查樣本:額定轉矩0.35(Nm) 因，滿足要求。 3).最大啟動轉矩(Nm) 查樣本得額定啟動轉矩為0.8(Nm)>0.199(Nm)，所選用的步進電機滿足要求。 4.1. 5聯(lián)軸器的選擇 由于最大啟動轉矩,故選用以下聯(lián)軸器 圖4.6 聯(lián)軸器外形 表4.3 參數(shù)表 規(guī)格 ?d1,?d2 軸徑 ?D L L1 L2 M 性能參數(shù) 扭矩 偏心角度 最高轉速 螺絲（M） 材料 SDWA 31 6.35 10 31.8 23.8 7 M4 *2 30 N·CM 3o 15000 r/min M4 進口專用 材料 4.1. 6 Z方向直線導軌副的設計計算[12] 1) 初選直線導軌副的型號為GTB? GTBt型封閉式滾動直線導套副 圖4.7 導軌副外形圖 表4.4 所選導軌副參數(shù)表 2) 擬定滑塊總數(shù)M=4單根導軌兩滑聲塊 3) 負載計算動載荷 (4.27) 查4.1.2節(jié)得主軸部件重量為5(kg)，=120N 代入式(4.27)得＝120<額定動載荷=550N 而靜載荷=37.5<額定靜載荷=920 N 故所選導軌滿足載荷要求 4) 壽命計算 (1)導軌在有效時間內(nèi)的總行程 (4.28) 式中為溫度系數(shù)，在小于100度的溫度下＝1；為接觸系數(shù)，每根導軌的支承為二，；＝162，為硬度系數(shù)，通常取1； 為載荷系數(shù)，輕微沖擊?。?.5。代入式(4.28)得＝758Km (2)壽命 (4.29) 式中導軌套單行程長=0.09m,按每分種往復次數(shù)4算,代入式(4.29)得 =17547>15000 所選的導軌滿足壽命要求。 4.2 X方向進給運動系統(tǒng)設計 本雕刻機共分成三部分的運動,X軸的進給運動系統(tǒng)設計與Z軸的進給系統(tǒng)設計并無本質區(qū)別,這一節(jié)簡單的對X軸設計計算。 4.2.1 X方向進給運動系統(tǒng)組成 同前一節(jié)所述，步進電機直接與滾珠絲杠連接，將電機的旋轉運動轉化為部件的移動。結構簡圖如圖4.8所示 圖4.8 X軸進給運動系統(tǒng)傳動鏈圖 4.2.2滾珠絲杠副的設計計算[8][9][10] 以銑削時對X軸絲杠的軸向力最大,以其為例進行設計計算,過程如下: 4.2.2.1 當量轉速與當量載荷確定 1）各種切削方式下絲杠的轉速 查章節(jié)3.1計算結果得四種加工方向下絲杠轉速： 2）求各種切削方式下軸向載荷 在X軸上整體移動的小車部件設計模擬模型如圖4.9 圖4.9 小車部件模型圖 絲杠受到的軸向力包括導軌摩擦力以及銑削力,即 (4.30) 導軌的受力如右簡圖,重心和導軌的水平距離＝60mm,兩導軌套中心距離mm,導軌套與部件中心線的距離，上下兩導軌套距離b=110,重力G=.查《機械設計手冊》中導軌章節(jié)得此類裝法對導軌的作用力 (4.31) 圖4.10 X方向導軌受力簡圖 (4.32) 而作用在導軌上的力 (4.33) 摩擦力 (4.34) 將式(4.31)、式(4.32)、式(4.33)、式(4.34)與式(4.30)合并得作用在絲杠上的總軸向力 (4.35) 查3.1節(jié)得四種加工方式下的鉆削力： 68，112,79， 初步估計設計出來的小車部件重量10(kg) 分別代入式(4.35)得四種加工方式下絲杠所受軸向力： 90,136,100,19 3)當量轉速 四種切削方式的使用時間占總使用時間的百分比與絲杠轉速分別為： 代入式(4.5)得當量轉速 =483 4）當量載荷 以上計算結果代入式(4.6) =103 4.2.2.2 預定額定動載荷 1)按預期工作時間估算： 查《機床設計手冊》第四冊表9，輕微沖擊取負載性質系數(shù)，查表7，按7級精度,查表8，按可靠性97%取可靠性系數(shù),當量載荷=103,當量轉速=483,根據(jù)設計要求,本雕刻機預期工作時間15000代入式(4.7) 得 =2881 2)擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大負載計算 查《機床設計手冊》第四冊表10，輕預載取 代入式(4.8)=911 取兩種結果的大值. 2881 4.2.2.3 螺紋最大軸向變形量及螺紋最小底徑確定 1）估算允許的最大軸向變形量 的重復定位精度，故 又的定位精度，故 取兩種結果的小值。 2）估算最小螺紋底徑 (4.36) 因采用的是一端固定，一端游動的安裝方式，故式中 初定Z方向的行程為600mm 導程=4mm 代入768 導軌靜摩擦力靜摩擦力 =38(N) 代入式(4.36) =4.71 4.2.2.4 初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號 1)初選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒型墊片預緊螺母，型號代碼為FF，導程 2)由計算出的在樣本中選取滾珠絲杠副FF1204-3 =2881(N)，=4.71 。 與Z軸選用一樣系列的滾珠絲杠. 3)．確定滾珠絲杠副的預緊力 ，而且 故34 4.2.2.5 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號、規(guī)格 1)軸承類型選擇依據(jù) 因為絲杠所受軸向力很小,而已絲杠采用一端固定于電機上另一端游動,沒有預拉伸力另外由于軸向力較小，因此同樣選用LMF-10型的直線軸承為Z軸的軸承2)軸承型號 同Z軸 4.2.2.6 滾珠絲桿長度確定 1)行程補償值 初定X方向行程，螺母長度，安全行程,代入式(4.11)得=650 將溫差，=650代入式(4.10)得 2)滾珠絲杠副工作圖設計 (1)絲杠螺紋長度 查參考文獻[14]得余程16 考慮到Z軸部件的外形尺寸故將螺紋長度加長至750mm (2)繪制工作圖 查樣本中螺母安裝連接尺寸 支承距離 絲杠全長，行程起點距固定點支承距離 4.2.3滾珠絲桿的校核 4.2.3.1 傳動系統(tǒng)剛度 1)絲杠抗壓剛度 由于本絲杠采用一端固定另一端游動,如下圖4.11 圖4.11 安裝示意圖 由4.2.2.4節(jié)查得絲杠底徑9.5，兩支承距離，行程起點距固定點支承距離，代入式(4.12)分別得 最小抗壓剛度 （） 最大抗壓剛度 （） 2)絲杠支承副的剛度 以一端固定一端游動的安裝法，由于選用的是直線軸承，沒有接觸角，而一端固定提供了軸向力。故按參考文獻內(nèi)的推力軸承剛度公式計算。 支承副的剛度 (4.37) 式中滾動體直徑，滾子數(shù)，最大軸向載荷136，代入式(4.37)得108 2) 絲杠滾珠和滾道的接觸剛度 查參考文獻[9]得: 額定剛度208,動載荷4000(N), 滾珠絲杠副的預緊力34(N)代入式(4.14)得 91 4.2.3.2 剛度驗算及精度選擇 4) 查4.2.3.1節(jié)得最小抗壓剛度120()；最大抗壓剛2809()；絲杠支承副的剛度=108()，接觸剛度91分別代入式(4.15)和式(4.16)得 得() () 5) 驗算傳動系統(tǒng)剛度 靜摩擦力=38(N) 根據(jù)設計要求，初定系統(tǒng)反向差值或重復定位精度為10 設計要求系統(tǒng)剛度<=35 故實際系統(tǒng)剛度滿足要求 6) 根據(jù)參考文獻[10]中表17-44,有定位精度的數(shù)控機械和精密機械可參考選用三~四級精度 4.2.3.3 驗算臨界壓縮載荷 查參考文獻[9]垂直安裝的安全系數(shù),一端固定一端游動的支承系數(shù)；查4.2.2.4節(jié)與4.1.2.6節(jié)得絲杠底徑=9.5mm,兩支承距離=700 mm 代入式(4.17)得(N)遠大于最大負載，滿足要求。 4.2.3.4 驗算臨界轉速 臨界轉速計算公式: (4.38) 式中是與以一端固定一端游動的安裝方式有關的系數(shù)，查表參考文獻[11]得f=15.1；螺母與游動端的距離=690mm, 絲杠底徑=9.5 mm,代入式(4.38) 得臨界轉速3558 工作最大轉速 故滾珠絲杠滿足轉速要求 4.2.3.5 值的驗算 (4.39) 式中滾珠絲杠的節(jié)圓直徑＝14.11，最高轉速代入式中得 符合要求 4.2.3.6 基本軸向額定載荷驗算 式中=136N，查參考文獻[14]得絲杠載荷的靜態(tài)安全系數(shù)， 查絲杠樣本最大靜載荷,代入式中 故軸向額定載荷滿足要求 4.2.3.7 確定滾珠絲杠的規(guī)格代號 根據(jù)Z方向進給滾珠絲杠校核計算，確定其為以下型號: 型號FF1204-3,公稱直徑：12mm,導程：4 mm, 螺紋長度：750 mm,絲杠全長：780 mm, P類3級精度FF1204-3 /750×780 4.2.4X方向進給電機的設計計算[11] 4.2.4.1 作用在絲杠副上的各種轉矩 1)外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 由4.2.2.1節(jié)查得絲杠最大軸向力導程,三級精度的絲杠副效率，代入式(4.20)得外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩=0.096(Nm) 2)預加載荷產(chǎn)生的預緊力矩 由4.2.2.4節(jié)查得滾珠絲杠預緊力:代入式(4.21)得預緊力矩 (Nm) 4.2.4.2 計算轉動慣量 1)負載轉動慣量 (1)絲杠的轉動慣量 由4.2.2.6節(jié)查得絲杠全長78,外徑1.13,密度 代入式(4.22)得絲杠轉動慣量123 (2)回轉件總轉動慣量公式為 從4.2.2.1節(jié)查得代入式(4.23)得 回轉件總轉動慣量47.45 (3)直線運動件的轉動慣量 初步估計小車部件重量查3.2節(jié)得: 代入式(4.24)得15.6 總的負載轉動慣量63.2 2)電機轉動慣量 步進電機57BYG250A 查樣本,60. . 3)總的轉動慣量負載轉動慣量與電機轉動慣量之和 即轉動慣量123.2 4.2.4.3 Z軸步進電機啟動轉矩計算 1)最大加速轉矩 查3.1節(jié)得最大給進速度，從靜止加速到最大速度所要時間 代入式(4.25)得=1.9 2).連續(xù)工作最大轉矩 查4.2.4.1節(jié)得摩擦力矩0.096(Nm)，預緊力矩(Nm)，系數(shù)i取1.5 代入式(4.26)得0.101(Nm) 查樣本:額定轉矩0.35(Nm) 因，滿足要求。 3).最大啟動轉矩(Nm) 查樣本得額定啟動轉矩為0.8(Nm)>0.12(Nm)，所選用的步進電機滿足要求。 4.2.5聯(lián)軸器的選擇 由于最大啟動轉矩,故選用與Z方向相同規(guī)格的SDWA31聯(lián)軸器 4.2.6X方向直線導軌副的設計計算[12] 1) 初選直線導軌副的型號為GTA? GTAt型開放滾動直線導套副 圖4.12 導軌副外形圖 表4.5 所選導軌副參數(shù)表 2) 擬定滑塊總數(shù)M=4單根導軌兩滑聲塊 3) 負載計算動載荷 查4.1.2節(jié)得主軸部件重量為5(kg)，=90 代入式(4.27)得＝67<額定動載荷=550N 而靜載荷47<額定靜載荷=920 N 故所選導軌滿足載荷要求 4) 壽命計算 (1)導軌在有效時間內(nèi)的總行程 (4.40) 式中為溫度系數(shù)，在小于100度的溫度下＝1；為接觸系數(shù)，每