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編號
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動化 專業(yè)
學(xué) 號： 0923164
學(xué)生姓名： 范 俊
指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ）
（職稱： ）
2013年5月25日
III
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機(jī)械94
學(xué) 號： 0923164
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
數(shù)控雕刻機(jī)是一種具備雕刻功能的數(shù)控機(jī)床，被廣泛地應(yīng)用于模具工業(yè)、零件精密加工等行業(yè)。隨著模具工業(yè)和工藝美術(shù)品制造業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)外市場對數(shù)控雕刻機(jī)的需求不斷擴(kuò)大，特別是高端的數(shù)控銑雕中心，需求更為旺盛。本課題擬通過對數(shù)控機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生加深對本專業(yè)的相關(guān)知識理解和提高綜合運(yùn)用專業(yè)知識能力。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
① 了解數(shù)控雕刻機(jī)的工作原理，國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀；
② 完成數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)；
③ 完成零部件的選型計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；
④ 熟練掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙折合A0不少于3張；
⑤ 完成設(shè)計(jì)說明書的撰寫，并翻譯外文資料1篇；
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械94 班 姓名 范 俊
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
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(jī)械制造領(lǐng)域，人們對于機(jī)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(jī)床的跟新?lián)Q代也與日俱增。在此趨勢的推動下，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造設(shè)計(jì)變得非常重大。大批的數(shù)控機(jī)床正如雨后春筍般進(jìn)軍機(jī)械制造業(yè)。比如數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)做了研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包含了數(shù)控機(jī)床的總體布局方案設(shè)計(jì)、機(jī)床主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、（電主軸或電機(jī)直聯(lián)傳動結(jié)構(gòu)）、機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)（導(dǎo)軌及滾珠絲杠）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相關(guān)滾珠絲杠的計(jì)算選型及校核、軸承和電機(jī)的計(jì)算及選型，最后利用CAD繪圖軟件繪制了機(jī)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(jī)；電主軸；導(dǎo)軌；滾珠絲杠；
Abstract
In today's 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
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
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(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo) 4
2 雕刻機(jī)總體布局方案設(shè)計(jì) 5
2.1 數(shù)控雕刻機(jī)布局要求及影響因素 5
2.2 數(shù)控雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局 6
2.3 數(shù)控雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的改良對比 7
2.4 工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
2.5 本章小結(jié) 10
3 主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 11
3.1 主運(yùn)動傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(diǎn) 12
3.2.3 電主軸的安裝 14
3.3 本章小結(jié) 14
4 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 15
4.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)選擇 15
4.1.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求 15
4.1.2 進(jìn)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(jìn)電機(jī)與進(jìn)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(jìn)給系統(tǒng)部分零件計(jì)算和校核 21
5.1 主傳動零部件計(jì)算及校核 21
5.1.1 主軸參數(shù)設(shè)計(jì) 21
5.1.2 主軸系統(tǒng)銑削力的計(jì)算 21
5.1.3 滾珠絲杠副參數(shù)的計(jì)算選擇 22
5.1.4 滾珠絲杠副的強(qiáng)度校核 25
5.1.5 伺服電機(jī)參數(shù)計(jì)算和型號選擇 26
5.2 X向進(jìn)給系統(tǒng)零部件計(jì)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(jì)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(xiàn) 33
附 錄 34
33
定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jī)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(dá)國家的許多PCB（印刷電路板）加工設(shè)備設(shè)計(jì)而言，為了使產(chǎn)品具有強(qiáng)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(cái)力，就PCB加工設(shè)備的設(shè)計(jì)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(jī)、雕銑機(jī)、加工中心等一系列數(shù)控機(jī)床便如雨后春筍般應(yīng)運(yùn)而生。跟據(jù)相關(guān)資料載述，世上首臺CNC機(jī)床的問世，是1952年在芝加哥機(jī)床展覽會上出現(xiàn)的，而針對于PCB工業(yè)加工的CNC機(jī)床大概晚于純金屬切削加工機(jī)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(jī)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(jī)的需求逐步擴(kuò)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(jī)已成為模具制造行業(yè)必不可少的加工機(jī)床裝備。
數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械加工精度高、剛性強(qiáng)，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(jī)電一體化水平先進(jìn)。同時，它價格適宜，被認(rèn)為是低投入高回報(bào)的一類加工機(jī)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(xì)加工中，CNC雕刻機(jī)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(jī)加工。 CNC雕刻機(jī)一般采用滾珠絲杠副和直線導(dǎo)軌來作為各向運(yùn)動的實(shí)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(jī)驅(qū)動，其加工精度可達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)是一種小型三軸聯(lián)動定梁式數(shù)控雕刻機(jī)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(jìn)行透刻輪廓等加工。該機(jī)床具有占地面積小，加工幅面較大等特點(diǎn)。根據(jù)數(shù)控雕刻機(jī)的自身特點(diǎn)，可以將其分為機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，本文著重研究機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。完成數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)及零部件的選型計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(kuò)大，尤其在模具行業(yè)中對零件表面的加工，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(jī)在國內(nèi)有了突破性的發(fā)展。
CNC雕刻機(jī)相對于一般加工機(jī)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(jī)床工具。另外，數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，它的市場規(guī)模也不斷擴(kuò)大。根據(jù)羅百輝的調(diào)查顯示，2002～2006年，數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)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(rèn)可，市場快速擴(kuò)大。進(jìn)入2007年我國數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(jī)、平板電腦、電子書、GPS等帶動的消費(fèi)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(jī)行業(yè)迅速發(fā)展，2010年國內(nèi)數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)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(jī)市場起到積極的推動作用。未來數(shù)控雕刻機(jī)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(jì)到2015年全國數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)銷量將達(dá)到12萬臺。
在市場結(jié)構(gòu)方面，消費(fèi)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(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中，隨著觸摸屏手機(jī)、平板電腦的滲透率不斷提高，未來消費(fèi)類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)對數(shù)控雕刻機(jī)需求將持續(xù)快速增長，到2015年，僅消費(fèi)類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)，對數(shù)控雕刻機(jī)需求量就將達(dá)到38000臺[3]。
下面以PCB的加工為例，介紹數(shù)控雕刻機(jī)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(dá)到了一個較高水平。從印刷電路板的機(jī)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(jī)床來進(jìn)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(dá)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(jī)械加工方法中已經(jīng)很少出現(xiàn)了，數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)床和數(shù)控銑床也已列入了當(dāng)前國內(nèi)印制板機(jī)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(dú)特的特性和優(yōu)點(diǎn)：
1）大多數(shù)采用了先進(jìn)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(jìn)的主從結(jié)構(gòu)的多微計(jì)算機(jī)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
一般來說數(shù)控鉆銑床的各個電主軸都配置了Z軸進(jìn)給深度控制感應(yīng)系統(tǒng)?？梢噪S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(dá)到最高。Z軸采用獨(dú)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(dá)，僅僅只需幾毫秒的時間電主軸的速度就能達(dá)到最高。
目前，當(dāng)電主軸達(dá)最高運(yùn)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(dá)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(jì)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(fù)責(zé)對鉆銑床的各個部位進(jìn)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(bào)警。工作人員排除故障疏忽的情況下，為使機(jī)器不會損壞，有的還可以自動控制，讓機(jī)器停止工作，制定它保持待機(jī)，從而有效防止了機(jī)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(shí)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(yán)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(jī)床將自動停止運(yùn)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(jìn)行孔加工。另一方面，機(jī)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(jī)床的工作臺面不會被鉆壞損傷。
4）機(jī)床工作臺面的移動方式采用了氣墊加磁浮，確保了機(jī)床工作臺面不會因?yàn)椴僚龆粍潅?
PCB電路板機(jī)械加工時所需的負(fù)載較小。要求高速、高精度的進(jìn)給，所以PCB鉆銑機(jī)的進(jìn)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(yùn)動。因此快速PCB鉆銑機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用了伺服電機(jī)－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(jī)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(dá)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(jìn)行校正調(diào)整。這樣機(jī)床工作臺面移動起來輕盈，快捷，精準(zhǔn)。也使得運(yùn)動加減速過程的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)縮短。如若機(jī)器有不平衡現(xiàn)象出現(xiàn)，磁浮會吸住機(jī)床工作臺面，讓機(jī)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)，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(jìn)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(jìn)行管理等。
5）機(jī)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(jī)床臺面尺寸也要對應(yīng)增加。X、Y軸的編程也將相應(yīng)擴(kuò)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(jìn)行編程，最后一種是用參數(shù)化進(jìn)行編程。目前，最后一種普遍得到運(yùn)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(yùn)用和設(shè)計(jì)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(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)
通過分析比較以往數(shù)控雕銑機(jī)及雕刻機(jī)的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)床主軸電機(jī)功率為2.2千瓦上下。本文所設(shè)計(jì)的小型數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床的性能指標(biāo)參數(shù)如下表1-1：
表1-1 數(shù)控雕刻機(jī)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)參數(shù)
性能名稱
數(shù)值
加工幅面
120×160×200mm
工作臺尺寸X/Y
270×278mm
行程X/Y/Z
50×150×200mm
最大進(jìn)給速度
5.0m/min
加工刀具最大直徑
Φ6.0mm
主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速
3000r/min
主軸電機(jī)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
400×500×600
2 雕刻機(jī)總體布局方案設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)控雕刻機(jī)布局要求及影響因素
數(shù)控雕刻機(jī)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(dá)30000r/min左右。各向移動部件要求運(yùn)動輕巧、剛性好、靈活性強(qiáng)。對于機(jī)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(jī)的特性要極佳。
從機(jī)械的角度出發(fā)去分析，對于數(shù)控雕刻機(jī)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(jì)性能好等各項(xiàng)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(jī)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(jī)床的加工過程中還要利于操作、位置的調(diào)整和進(jìn)行維修。方便換刀和裝卸所要加工零部件；注意防護(hù)，確保安全；機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要簡單、可靠，機(jī)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(jī)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(jī)布局的其它基本因素，如下：
1.加工零件表面成形運(yùn)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(jìn)行加工，所以機(jī)床表面成形運(yùn)動的數(shù)目及形式也就不同，將直接導(dǎo)致機(jī)床布局的差異。因此，在布局雕刻機(jī)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(yùn)動進(jìn)行綜合、全面合理地考慮。
加工零件的表面，要成形的加工運(yùn)動主要可分為銑削、鉆孔、切割三類。因此所設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)必須滿足下面幾種運(yùn)動才可以實(shí)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(shí)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(jìn)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(jī)床切削的主運(yùn)動是刀具的高速轉(zhuǎn)動。
2.數(shù)控雕刻機(jī)動靜分配所產(chǎn)生是影響
由于數(shù)控雕刻機(jī)的動靜分配存在差異，所以機(jī)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?yàn)闄C(jī)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(jī)的布局也會不一樣。
因此，對于雕刻機(jī)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(qiáng)機(jī)床加工的精度。
(2)機(jī)床移動部分的零件的重量最好輕巧。因?yàn)榫推渌鼦l件相同下，機(jī)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(jī)的功率也將越小。這樣，雕刻機(jī)的運(yùn)動力學(xué)性能將大大提高。
(3)要有助于加強(qiáng)雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度，機(jī)床的占地面積要盡可能的小。
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(jī)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床的整體布局的影響比較若[8]。
2.2 數(shù)控雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局
數(shù)控雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局如圖2.1所示。
圖2.1 數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床總體布置圖
本次設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床主要由：1.立柱 2.機(jī)床床身 3.工作臺 4.橫梁 5.X軸 6.工控機(jī) 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(jī)床龍門式結(jié)構(gòu)具有剛性和對稱性優(yōu)良的特點(diǎn)，所以一向是設(shè)計(jì)高速切削機(jī)床結(jié)構(gòu)的首選。本次設(shè)計(jì)的機(jī)床總體布局將采用龍門架式布置結(jié)構(gòu)。
機(jī)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)：
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(jī)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(jī)Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動，機(jī)床X工作臺將作縱向移動。由于機(jī)床工作臺的移動，機(jī)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(jī)床布局方式要求的電機(jī)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(diǎn)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(jī)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(jī)Z軸系統(tǒng)刀具的運(yùn)動、精度易于得到保障。
在圖B的布局方案中，機(jī)床工作臺是固定的，數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)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(diǎn)高度相同。但機(jī)床Z軸系統(tǒng)刀具的運(yùn)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(jī)床布局的基本要求、影響機(jī)床布局的基本因素以及本次設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，最終選用圖A的布局方案。該機(jī)床的橫梁和立柱還特意設(shè)計(jì)得較寬。而且考慮到不良力矩產(chǎn)生的影響，機(jī)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(jìn)行了加寬，從機(jī)床的整體布局上進(jìn)行考慮，有效、可靠地確保了機(jī)床的剛性。
2.3 數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)、雕銑機(jī)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(jī)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(jī)床Z軸滑座與Y向橫梁的垂直程度有偏移誤差的現(xiàn)象。
3）機(jī)床主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時, 對于加工進(jìn)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(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)作如下改進(jìn):
a.對機(jī)床的橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更新設(shè)計(jì)，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(jī)床Z軸滑座的各相偏移誤差。
b.在機(jī)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(jī)床床身的結(jié)
構(gòu)強(qiáng)度和剛性。因此本次設(shè)計(jì)機(jī)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(jī)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(yùn)動輕快、便捷[9]。
圖（a） 改進(jìn)前橫梁導(dǎo)軌布局 圖（b） 改進(jìn)后橫梁導(dǎo)軌布局
圖2.3 橫梁導(dǎo)軌布局圖
初步設(shè)計(jì)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)布局如圖2.4。
圖2.4 數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖
由于此次設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床的剛性大部分是為了克服機(jī)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(qiáng)大的沖擊力，因此該機(jī)床的滾珠絲杠副和導(dǎo)軌系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型時要盡量考慮加粗，這樣，機(jī)床的剛性將有利于加強(qiáng)。
正因?yàn)椴捎昧艘陨弦幌盗写胧?，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床的最大優(yōu)點(diǎn)是可以對比較細(xì)小、輕便的零件進(jìn)行加工，而且加工精度較高，對軟金屬可進(jìn)行高速切削加工。
2.4 工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
綜合考慮到機(jī)床的總體美觀及安全性能等各個方面的因素，機(jī)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(jī)床工作臺的下方布置一個防護(hù)罩。所以機(jī)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(jī)床工作臺。機(jī)床工作臺與X向滑板之間加防護(hù)罩，固定在機(jī)床底座上。其裝配關(guān)系如下圖2.5所示：
圖2.5 工作臺布局圖
為了減輕數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床移動部件的質(zhì)量，機(jī)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(jī)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(jì)的雕刻機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局，包括介紹了影響機(jī)床機(jī)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(diǎn)。對機(jī)床橫梁導(dǎo)軌的布局進(jìn)行了改進(jìn)，由一般的平面式布局改為空間式布局，提高了機(jī)床的穩(wěn)定性和加工精度。根據(jù)實(shí)際情況，還對機(jī)床工作臺移動的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，確立了工作臺的結(jié)構(gòu)布局方式。
3 主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
3.1 主運(yùn)動傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)控雕刻機(jī)的主傳動系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)主雕刻運(yùn)動的系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：主軸的轉(zhuǎn)速較高，傳遞的功率較大，因此是數(shù)控機(jī)床中的一種重要部分。由于數(shù)控雕刻機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速較高，對于傳統(tǒng)的“主軸電機(jī)+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(yùn)用于大多機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)。因?yàn)楸敬嗡O(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)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(jī)直聯(lián)帶動主軸機(jī)構(gòu)，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運(yùn)動可靠。
這種方式所采用的直流電機(jī)所具有的特點(diǎn)如下：
（1）特性保持線性關(guān)系
無論機(jī)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(yùn)行。
（3）反應(yīng)速度迅捷
由于輸入控制信號的作用，電機(jī)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(jì)采用直流電機(jī)直聯(lián)帶動主軸機(jī)構(gòu)的方案。直流電機(jī)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(jī)的電源頻率，從而控制主軸的轉(zhuǎn)速來實(shí)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(shí)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(shí)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、整流器還有直流部分等3個部分所組成。其中，輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電是通過整流器來實(shí)現(xiàn)，直流電再轉(zhuǎn)換成所需頻率的交流電是由逆變器來實(shí)現(xiàn)。其中，變壓器的作用是改變電壓而且可以隔離輸入/輸出的電路，補(bǔ)償變頻器內(nèi)部線路上的能量損失由電池來實(shí)現(xiàn)。不同種類的變頻器可以處理的電源功率是不同的，大概范圍在幾瓦到幾兆瓦。此類變頻器的工作原理如式（3.1）所示：
(3.1)
式（3.1）中：異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，異步電動機(jī)的頻率為f，電動機(jī)轉(zhuǎn)差率為s，電動機(jī)極對數(shù)為p。通過公式（3.1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f是正比關(guān)系。因此，改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過改變頻率f來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變動時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較大。變頻器的速度調(diào)節(jié)就是通過改變電動機(jī)電源頻率來實(shí)現(xiàn)的，它是一種理想的、高效率、高性能的調(diào)速手段。
雖然在本次設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床中，機(jī)床的主軸傳動系統(tǒng)采用的是電機(jī)直聯(lián)主軸傳動方式，但就電主軸來講，無論從其功能還是其在未來的發(fā)展趨勢都有著很大的優(yōu)勢和潛力。因此保留電主軸作為預(yù)備方案。
由于對高速電主軸這類新型事物還未深入研究，在此對其作一些簡單的介紹。
3.2 電主軸
3.2.1 電主軸的介紹
目前，高速電主軸是高速切削機(jī)床的關(guān)鍵核心部件之一, 其結(jié)構(gòu)是將機(jī)床的主軸與變頻電機(jī)軸做為一體，合二為一, 也就是把變頻主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子直接裝在主軸部件結(jié)構(gòu)的內(nèi)部, 因此也把它稱做內(nèi)裝式電主軸 ,它們之間將不需使用齒輪或皮帶作為傳動副, 其結(jié)構(gòu)也就實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸部件系統(tǒng)的“零傳動”。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)特性好、慣性小、穩(wěn)定性好。它還有利于機(jī)床動平衡的改善, 避免了加工過程中的振動及噪音。所以，它被廣泛應(yīng)用于超高速機(jī)床領(lǐng)域。
對于在不同機(jī)床中的適用程度，電主軸又可分為好多類，如: 鉆銑主軸、雕刻機(jī)主軸、加工中心主軸、磨床加工電主軸等等。目前，伴隨著高速加工制造技術(shù)的迅猛發(fā)展和普遍運(yùn)用, 多種工業(yè)制造部門，尤其在航空航天、汽車摩托配、電子電路板加工、廣告招牌及模具加工等行業(yè), 對于高精度、高速度的數(shù)控機(jī)床的需求量正日益增加。因此，對于研發(fā)出性能更加優(yōu)越的高速電主軸迫在眉睫[10]。
3.2.2 電主軸的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn)
電主軸的結(jié)構(gòu)是采用變頻電機(jī)和機(jī)床的主軸合為一體，即具備有冷卻套的定子裝配在主軸結(jié)構(gòu)的腔體內(nèi)部再與機(jī)床直接連接，成為一體，是一種集成式的電機(jī)主軸。
通俗來講，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子也就是機(jī)床的主軸部件，機(jī)床的主軸部件的腔體就是電機(jī)的機(jī)座。這種結(jié)構(gòu)使得變頻電機(jī)和機(jī)床的主軸的連接形成“零傳動”方式，就是直接相連，沒有任何傳導(dǎo)媒介，大大提高了傳動效率。這對于數(shù)控機(jī)床傳動系統(tǒng)來講是一項(xiàng)的重大突破的改革。相對于傳統(tǒng)機(jī)床采用的皮帶式或齒輪傳動式的主軸系統(tǒng)相比，它克服了它們在主軸高速轉(zhuǎn)動下發(fā)生打滑、噪音大和振動、傳動慣量大、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。
這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了主軸高速化的轉(zhuǎn)速，能夠強(qiáng)有力地改善提高了主軸的高速綜合性能。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。
圖3.1 電主軸結(jié)構(gòu)裝配示意圖
傳統(tǒng)機(jī)床的主軸系統(tǒng)是由電機(jī)在中間媒介產(chǎn)生變速和傳動裝置，比如齒輪、皮帶、聯(lián)軸器等的驅(qū)動下使得主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工作。這樣的主軸聯(lián)結(jié)形式被稱作直聯(lián)式和分離式主軸，也可都稱其為機(jī)械主軸。與機(jī)械主軸相比較，電主軸具備以下優(yōu)點(diǎn)。
（1）主軸是通過內(nèi)裝式電機(jī)聯(lián)結(jié)直接驅(qū)動的，除去了齒輪、皮帶、聯(lián)軸器等中間媒介的變速及傳動裝置，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊簡單、噪聲低、效率高、產(chǎn)生振動低和加工精度高等等。
（2）通過采用交流變頻的技術(shù)，電主軸能夠在額定的轉(zhuǎn)速范圍之間發(fā)生無級變速，從而適應(yīng)了機(jī)床在工作時的各種不同工作情況以及負(fù)載發(fā)生變化的需求。
（3）通過利用內(nèi)裝式電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)、閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)技術(shù)，既保證了機(jī)床在進(jìn)行低速粗切削加工時產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩、在高速精加工時對大功率的需求，又能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器停車時各向的準(zhǔn)確定位(也就是所謂的準(zhǔn)停)以及C軸傳動的功能，同時還適應(yīng)了需要具備C軸功能以及準(zhǔn)停的數(shù)控機(jī)床、加工中心以及其它一些數(shù)控機(jī)床的需求。
（4）電主軸與其它結(jié)構(gòu)形式的主軸系統(tǒng)相比，其更有利于實(shí)現(xiàn)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)動高速化的需求，而且電主軸的動態(tài)精度以及穩(wěn)定性更加優(yōu)秀。在數(shù)控機(jī)床加工中進(jìn)行高速度的切削以及對零件的精密加工，電主軸能夠滿足此類要求，而傳統(tǒng)的機(jī)械主軸則存在欠缺。
（5）由于電機(jī)主軸采用直聯(lián)一體式，不存在中間傳動的環(huán)節(jié)，因此電主軸工作時將運(yùn)行地更為平穩(wěn)，幾乎沒有外來的沖擊現(xiàn)象，由于主軸軸承所能夠承受的動、負(fù)載荷比較小，所以這種結(jié)構(gòu)也延長了它的精度壽命。
（6）由于采用了電機(jī)和主軸一體化布局結(jié)構(gòu)，從而制造商們可以對電主軸進(jìn)行規(guī)?；⑾盗谢约皩I(yè)化的生產(chǎn)，由此電主軸就以商品的形式投人到市場中，作為一類專業(yè)化的數(shù)控機(jī)床零部件，方便于主機(jī)挑選使用，最終帶動促進(jìn)了機(jī)床的模塊化生產(chǎn)和其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用。
電主軸在工作中轉(zhuǎn)速極高，為了能夠讓高速運(yùn)行的電主軸快速地散去熱量，一般在電主軸的外壁加以不斷循環(huán)冷卻液。通常機(jī)床的電主軸都采用水冷卻，其冷卻裝置布置在機(jī)床床身的后部。就而言，電主軸的潤滑方式通常有脂潤滑與油氣潤滑兩類，用戶可以按其需求任選其一。一般來講，如果采用脂潤滑的方式，那么其相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度就油氣潤滑相比要低[11]。
3.2.3 電主軸的安裝
電主軸在機(jī)床上的安裝如圖3.2所示。
電主軸的外圓部分與外部的支座結(jié)構(gòu)采用內(nèi)孔式配合定位，電主軸的主軸支座8被固定在機(jī)床Z軸數(shù)控工作臺滑塊上，電主軸在支座上的鎖緊是通過手動式彈簧脹套夾緊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。安裝時旋緊螺母從而使得螺栓1朝上移動，此過程中壓蓋7被帶動著和1一起向上移動，夾緊力之所以能被均勻地傳遞到壓環(huán)6上是通過兩個過渡壓塊5與螺栓1垂直布局的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的 ，再通過壓環(huán)6上的4個壓塊2（與過渡壓塊成45度布局），這樣夾緊力就能夠均勻地傳遞到彈簧漲套4上面，此時彈簧漲套外壁向外部彎曲變形，從而將外圍與支座基體頂緊，同時彈簧漲套內(nèi)壁向里收縮變形，從而把主軸緊緊抱住。
此種裝配的夾緊機(jī)構(gòu)的對中性好，夾緊剛度強(qiáng)，便于操縱，夾緊有效可靠。
圖3.2 電主軸安裝示意圖
3.3 本章小結(jié)
本章主要敘述了機(jī)床主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用了電機(jī)與主軸直聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)傳動切削，包括其傳動優(yōu)點(diǎn)和直流電機(jī)的特性。而且簡單介紹了高新技術(shù)電主軸，包括其優(yōu)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)布局、安裝形式等。
4 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
4.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)選擇
4.1.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求
一般來講，機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)的靈敏度、精度、穩(wěn)定性是數(shù)控機(jī)床的輪廓加工精度以及定位精度的直接影響因素。如果就控制系統(tǒng)的角度來進(jìn)行分析，其中能夠起到?jīng)Q定性作用的主要因素有：
（1）機(jī)床傳動系統(tǒng)的傳動慣量和剛度，它們將直接影響到機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度以及穩(wěn)定性。
（2）機(jī)床傳動系統(tǒng)的非線性以及傳動部件精度，它們將直接影響機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的加工輪廓精度和位置定位精度。
通常機(jī)床傳動系統(tǒng)的慣性以及剛度主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來決定。然而，造成傳動系統(tǒng)非線性的主要原因是傳動系統(tǒng)的摩擦死區(qū)、傳動間隙。所以，就數(shù)控機(jī)床而言，其對機(jī)械傳動系統(tǒng)的基本要求可以總結(jié)如下：
1）盡量降低傳動部件的慣量；
2）盡量提高傳動部件的剛度；
3）盡量將傳動部件的間隙減?。?
4) 盡量減少傳動系統(tǒng)的摩擦阻力。
4.1.2 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的基本形式
數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動一般可以分為直線運(yùn)動以及圓周運(yùn)動這兩大類。直線進(jìn)給運(yùn)動又包括了機(jī)床的基本坐標(biāo)X/Y/Z軸以及與基本坐標(biāo)軸相互平行的坐標(biāo)軸U/V/W軸的直線運(yùn)動；而圓周進(jìn)給運(yùn)動指的是環(huán)繞基本坐標(biāo)軸X、Y、Z回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸的運(yùn)動。本次設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)系統(tǒng)采取的是直線進(jìn)給運(yùn)動。在數(shù)控機(jī)床上，能夠?qū)崿F(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動的主要有以下三種形式：
（1）通過絲杠（一般為靜壓絲杠或滾珠絲杠）螺母副，把電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動。
（2）通過齒輪、齒條副的過渡，將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線進(jìn)給運(yùn)動。
（3）采用直線電動機(jī)直接進(jìn)行進(jìn)給驅(qū)動。
4.1.3 以上幾種傳動方案的簡介和比較
（1）滾珠絲杠螺母副
滾珠絲杠螺母副擁有如下的特點(diǎn)：
1）系統(tǒng)傳動過程中的效率高，摩擦損失較??；
2）在絲杠螺母之間加以預(yù)緊后，能夠有效地消除間隙，大大提高了進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度；
3）系統(tǒng)傳動過程中的摩擦阻力較小，而且?guī)缀鹾瓦M(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動速度無關(guān)，動和靜摩擦力的變化也較小，較難出現(xiàn)低速爬行情況；
4）系統(tǒng)長期工作不會產(chǎn)生較大的磨損，其使用壽命較長，保持精度特性良好。因此，這種結(jié)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床上運(yùn)用相當(dāng)廣泛，是當(dāng)前中、小型數(shù)控機(jī)床中最為普遍的傳動形式。但是因?yàn)樗嬖谶\(yùn)動的可逆性，即一方面它能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動，相應(yīng)的反過來它也可以把直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它不能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。因此當(dāng)它用于水平放置或者垂直傳動的高速度、大慣量的傳動中一定要配有制動裝置。其中，采用具有制動裝置的伺服電動機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動是最簡單有效的解決方法。另外，在安裝和使用中為了防止螺母會脫離絲杠滾道，一般在機(jī)床上還要安裝超程保護(hù)裝置。就高速加工數(shù)控機(jī)床而言，這點(diǎn)至關(guān)重要。
（2）靜壓絲杠螺母副
靜壓絲杠螺母副的工作原理：在絲杠和螺母接觸面之間，通過油壓產(chǎn)生一層保持一定厚度，以及擁有一定剛度的壓力油膜，從而使得絲杠和螺母之間的摩擦由原來的邊界摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w摩擦，大大降低了摩擦阻力。絲杠轉(zhuǎn)動時，通過油膜的推動螺母將作直線運(yùn)動，反之，螺母轉(zhuǎn)動時，可使絲杠作直線移動。靜壓絲杠螺母的特點(diǎn)是：
1）摩擦系數(shù)很小，僅為0.0005，比滾珠絲杠的摩擦損失更小，因此，其起動力矩很小，傳動靈敏，避免了爬行。
2）油膜可以吸振，提高了運(yùn)動的平穩(wěn)性。
3）由于油液的不斷流動，有利于散熱和減少熱變形，提高了機(jī)床的加工精度和光潔度。
4）油膜層具有一定剛度，減少了反向間隙。
5）油膜層介于螺母與絲杠之間，對絲杠的誤差有“均化”作用，即可以使絲杠的傳動誤差小于絲杠本身的制造誤差。
6）承載能力與供油壓力成正比，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。但靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套供油系統(tǒng)，而且對油的清潔度要求高，如果在運(yùn)動中供油忽然中斷，將造成不良后果。
（3）齒輪齒條副
大型數(shù)控機(jī)床不宜采用絲杠傳動，因長絲杠制造困難，且容易彎曲下垂，影響傳動精度；同時軸向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度也難提高。如果加大絲杠直徑，則轉(zhuǎn)動慣量增大，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性不易保證，故常用齒輪齒條副。齒輪齒條副傳動用于行程較長的大型機(jī)床上，可以得到較大的傳動比，進(jìn)行高速直線運(yùn)動，剛度及機(jī)械效率也高。但其傳動不夠平穩(wěn)，傳動精度不高，而且還不能自鎖。采用齒輪齒條副傳動時，必須采取措施消除齒側(cè)間隙，當(dāng)傳動負(fù)載小時，也可采用雙片薄齒輪調(diào)整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊，從而消除齒側(cè)間隙。當(dāng)傳動負(fù)載大時，可采用雙厚齒輪傳動結(jié)構(gòu)。
（4）直線電動機(jī)驅(qū)動
采用直線電動機(jī)驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)驅(qū)動相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）采用直線電動機(jī)驅(qū)動，不需要絲杠、齒輪齒條等轉(zhuǎn)換裝置即能直接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，因此，它大大簡化了進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率。
2）旋轉(zhuǎn)電動機(jī)本身機(jī)械結(jié)構(gòu)由于受到離心力的作用，其旋轉(zhuǎn)速度受到限制；滾珠絲杠又受轉(zhuǎn)速特征值的約束，轉(zhuǎn)速不能太高。對于高速加工機(jī)床來說，雖然可以通過加大螺距提高進(jìn)給速度，但是難以提高加速度。采用直線電動機(jī)驅(qū)動時，則可以不受此限制。
3）旋轉(zhuǎn)電動機(jī)必須通過絲杠、齒條等轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，傳動環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性和穩(wěn)定性的影響無法避免；并且，這些轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)在運(yùn)動中必然會帶來噪聲。直線電動機(jī)從根本上消除傳動環(huán)節(jié)，故進(jìn)給系統(tǒng)的精度高、剛度、快速性和穩(wěn)定性好，噪聲很小或無噪聲。
直線電動機(jī)的不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）與同容量旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相比，直線電動機(jī)的效率和功率因數(shù)要低，特別在低速時更明顯。
（2）直線電動機(jī)，特別是直線感應(yīng)電動機(jī)的起動推力受電源電壓的影響較大，故對驅(qū)動器的要求較高，應(yīng)采用措施保證或改變電動機(jī)的有關(guān)特性來減少或消除這種影響。
（3）在金屬加工機(jī)床上，由于電動機(jī)直接和導(dǎo)軌、工作臺做成一體，必須采取措施以防止磁力和熱變形對加工的影響。綜上所述，本次數(shù)控雕刻機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)X/Y/Z三向均采用滾珠絲杠副作為傳動系統(tǒng)，機(jī)床X/Y軸均采用高精度直線導(dǎo)軌。Z軸采用圓柱導(dǎo)軌[12]。
4.2 滾珠絲杠系統(tǒng)
4.2.1 滾珠絲杠副的選擇
選定進(jìn)給傳動用滾珠絲杠副時，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)動慣量。在開環(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副。但是，隨著絲杠精度的提高，其價格也將大大上升。因此，在滿足機(jī)床精度要求的前提下，選擇相應(yīng)精度的絲杠是設(shè)計(jì)者的一項(xiàng)重要工作。本機(jī)床所選3個方向滾珠絲杠副的精度等級均為3級。3級精度的絲杠經(jīng)采用一些如消隙、螺距誤差補(bǔ)償?shù)却胧耆軡M足機(jī)床的定位精度要求。
本設(shè)計(jì)中工作臺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)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。
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)動慣量也大大增大。因此一般是在兼顧二者的情況下，選取最佳直徑。本機(jī)床經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算后選定X、Z軸的公稱直徑為20mm。Y軸滾珠絲杠的公稱直徑為32mm。
4.2.2 滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu)
一般來說，加強(qiáng)滾珠絲杠螺母本身的剛度可以提高數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度。此外，要想提高進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度，滾珠絲杠的支承的結(jié)構(gòu)剛度和它正確的安裝方式也是重要的因素。絲杠螺母座和絲杠支承座都應(yīng)該有可靠的剛度和精度。提高絲杠螺母座的局部剛度和接觸強(qiáng)度一般可以通過適當(dāng)加大其與機(jī)床結(jié)合部件的有關(guān)接觸面積來實(shí)現(xiàn)。目前，一般在工藝條件允許時，新設(shè)計(jì)的機(jī)床通常都把絲杠螺母座或者絲杠支承座和機(jī)床本體做為一體式結(jié)構(gòu)，從而增大了剛度。為了提高支承的軸向剛度，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臐L動軸承。
目前，就軸承的安裝方式而言，國內(nèi)主要采用兩種組合方式：其一是把向心軸承和圓錐軸承組合使用，它的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但它的軸向剛度不夠。其二是把推力軸承或者向心推力軸承和向心軸承組合使用，它的軸向剛