雕刻機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、自動(dòng)控制原理題目：雕刻機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng) 學(xué) 院：# 專 業(yè)：# 班 級(jí)： # 學(xué) 號(hào)： # 學(xué)生姓名： # 指導(dǎo)教師： # 年 月 日鍵入文字摘 要雕刻機(jī)制作工藝日漸成熟，應(yīng)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(biāo)識(shí)銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。但雕刻機(jī)的價(jià)格均比較高,為了提高其普及率,開發(fā)一個(gè)經(jīng)濟(jì)、簡練的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是很具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值的。本文簡要地介紹了雕刻機(jī)的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外同類雕刻機(jī)的特點(diǎn)，說明了雕刻機(jī)的功能和使用范圍。綜合運(yùn)用機(jī)械制造和加工工藝等知識(shí)，提出了簡化雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的思路。其次，討論和確定了本雕刻機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布局。

2、本雕刻的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括了主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。其主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)直接接刀具，省去中間傳動(dòng)，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠使部件在導(dǎo)軌上平移來實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)。再次，對主電機(jī)的選用、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)以及導(dǎo)軌等主要零部件進(jìn)行了詳細(xì)的與計(jì)算。本雕刻機(jī)有著安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單、新穎，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用于中小型雕刻機(jī)，對雕刻機(jī)價(jià)格具有一點(diǎn)的影響。關(guān)鍵詞：雕刻機(jī)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，三維II目錄第一章 緒論11.1 雕刻機(jī)的概述11.2研制的雕刻機(jī)的特點(diǎn)11.3研制的雕刻機(jī)功能及使用范圍1第二章 系統(tǒng)分析32.1三維雕刻機(jī)的參數(shù)32.2雕刻機(jī)42.2.1總體布局要求42.2.2總體方案確定52.3雕刻

3、機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)52.3.1坐標(biāo)系統(tǒng)的確定52.3.2總體結(jié)構(gòu)62.3.3主運(yùn)動(dòng)方案72.3.4進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案7第三章 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的校核83.1銑削力、扭矩和功率的計(jì)算83.2主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)93.2.1主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的方案93.2.2主軸電機(jī)的計(jì)算9第四章 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算114.1 Z方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)114.1.1 Z方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成114.1. 2聯(lián)軸器的選擇114.1. 3 Z方向直線導(dǎo)軌副的計(jì)算124.2 X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)134.2.1 X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成134.2.2聯(lián)軸器的選擇144.2.3X方向直線導(dǎo)軌副的計(jì)算144.3 Y方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)154.3.1 Y方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成154.

4、3.2滾珠絲杠副的計(jì)算154.3.3滾珠絲桿的校核194.3.4Y方向進(jìn)給電機(jī)的計(jì)算194.3.5聯(lián)軸器的選擇204.3.6Y方向直線導(dǎo)軌副的計(jì)算204.4 雕刻機(jī)參數(shù)的確定21參考文獻(xiàn)22自動(dòng)控制原理第一章 緒論1.1 雕刻機(jī)的概述雕刻可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期，母系氏族時(shí)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(shí)期便發(fā)明了活字印刷，夢溪筆談?dòng)杏?“其法用膠泥刻字，薄為錢唇，每字為一印，火燒令堅(jiān)”。這里的刻字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時(shí)代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精深，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可堪稱一絕。上世紀(jì)90年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字

5、機(jī)，刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)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(biāo)識(shí)銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。雕刻機(jī)(Engraving Plotter)，顧名思義就是用機(jī)器代替人工進(jìn)行雕刻的設(shè)備。1938年世界第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺(tái)真正意義的電動(dòng)、可縮放比例的手動(dòng)雕刻機(jī)。隨后美國、日本和法國等國也開始研制。20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動(dòng)微型計(jì)算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動(dòng)整個(gè)高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從2D2.5D3D加工的變

6、革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價(jià)格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。國外的雕刻機(jī)，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(jià)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(jī)，北京“精雕”、上?！白哪绝B”在國內(nèi)也有一定的市場，但價(jià)格也不菲。為了使雕刻機(jī)能夠更廣泛的應(yīng)用，出一種經(jīng)濟(jì)型的雕刻機(jī)，所以決定對三維雕刻機(jī)進(jìn)行研制1。1.2研制的雕刻機(jī)的特點(diǎn)本雕刻機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備，由于本人學(xué)的是機(jī)械，只對機(jī)械部分進(jìn)行，本簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高精度。主要措施是采用電機(jī)直接接刀具來實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)直接與滾珠絲杠連接，從而省去了機(jī)械運(yùn)動(dòng)鏈，這不但簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，

7、而且減少了由于機(jī)械摩擦、磨損、間隙等引起的傳動(dòng)誤差。1.3研制的雕刻機(jī)功能及使用范圍雕刻機(jī)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(yùn)用：1) 標(biāo)志標(biāo)牌行業(yè) 如胸牌、桌牌、指示牌、導(dǎo)向牌和大型標(biāo)示牌。2) 禮品行業(yè)個(gè)性化禮品打火機(jī)、手表、鋼筆、餐具，可雕刻在偶然性能想象到的所有個(gè)人用品上；廣告禮品啟瓶器、金屬名片、鑰匙鏈等，所有用于贈(zèng)送的小禮品和企業(yè)特殊禮品作為廣告宣傳之用；獎(jiǎng)品、紀(jì)念品各種獎(jiǎng)杯、獎(jiǎng)牌、獎(jiǎng)盤及各種紀(jì)念牌；圖像雕刻用于紀(jì)念性的人像/圖像雕刻。3) 模具行業(yè) 進(jìn)行小型模具加工。4) 工業(yè)應(yīng)用

8、 各種儀器儀表的刻度盤、部件打標(biāo)、機(jī)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(yīng)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3第二章 系統(tǒng)分析2.1三維雕刻機(jī)的參數(shù)下表為本雕刻機(jī)的參數(shù)表表2.1 雕刻機(jī)參數(shù)表規(guī)格型號(hào)X,Y軸雕刻范圍600×800進(jìn)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(jī)械精度(mm)0.01Z軸最大行程90進(jìn)給速度(mm/s)工作0.5,1,2,3,5,8,10快速5,10,15,20,25,30機(jī)械精度(mm)0

9、.01指令精度(mm)0.0025主軸轉(zhuǎn)速(rpm)600020000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(diǎn)精度(mm)±0.2定位精度(mm)0.025重復(fù)定位精度(mm)0.01工作臺(tái)面的平面度(mm)0.03/500橫梁移動(dòng)的垂直度(mm)0.02/300主軸錐孔中心線的徑向跳動(dòng)(mm)0.02主軸的軸向竄動(dòng)(mm)0.01主軸回轉(zhuǎn)中心線對工作臺(tái)面的垂直度(mm)0.03刀具上下移動(dòng)對工作臺(tái)面垂直度(mm)0.022.2雕刻機(jī)2.2.1總體布局要求雕刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn):(1)首先必

10、須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等等各種要求。(2)確保實(shí)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(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率。(3)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。(4). 應(yīng)便于觀察加工過程；便于操作、調(diào)整和維修；便于輸送、裝卸工件和清理；注意防護(hù)，確保安全。(5). 結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)考慮影響雕刻機(jī)布局的基本因素:1）. 表面形成運(yùn)動(dòng)的影響

11、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(yùn)動(dòng)的形式和數(shù)目就不同，并導(dǎo)致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術(shù)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(yùn)動(dòng)來加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運(yùn)動(dòng)直接決定了雕刻機(jī)布局的形式是影響雕刻機(jī)布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機(jī)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，以期作出具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的布局。2） 雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配的影響工件表面形成方法及運(yùn)動(dòng)相同，而雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配不同，雕刻機(jī)的布局亦不同。對于同一種運(yùn)動(dòng)分配的布局，由于導(dǎo)軌的布置及其它結(jié)構(gòu)型式的不同，也將使雕刻機(jī)的布

12、局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)注意以下三點(diǎn):(1)移動(dòng)部件的重量應(yīng)盡量輕。在其他條件相同的情況下，越小，所需電機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸也越小。(2)應(yīng)有利于提高加工精度。(3)應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)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(yùn)動(dòng)及雕刻機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)分配基本相同，而工件的尺寸、重量和形狀的不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)有很大差異。另外，還應(yīng)考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動(dòng)、噪聲、熱變形、剛度和抗振性;操縱方便性的影響;模塊化法的影響等等。2.2.2總體方案確定通過查閱相關(guān)資料，目前雕刻機(jī)基本布局形式通常有如圖2.1所示：圖2.1 雕刻機(jī)布局簡圖布局圖中，工作臺(tái)固

13、定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，立柱作縱向移動(dòng)。該方案便于變形為不同縱向長度的雕刻機(jī)。由于工作臺(tái)不動(dòng)，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(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便。但雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較難保證且立柱移動(dòng)較笨重。2.3雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)本部分著重研究在確定了總體布局型式后對雕刻機(jī)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(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、主電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳遞方式和轉(zhuǎn)速范圍等;2.3.1坐標(biāo)系統(tǒng)的確定雕刻機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手法則，直角卡笛兒坐標(biāo)系統(tǒng)?；咀鴺?biāo)軸為X、Y、Z直角

14、坐標(biāo)，對相應(yīng)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符號(hào)為A、B、C，如圖2.2所示。Z軸為平行于雕刻機(jī)主軸的坐標(biāo)軸，垂直于工件裝卡面。圖2.2 右手坐標(biāo)系統(tǒng)圖2.3 本雕刻機(jī)的總體布局和坐標(biāo)系統(tǒng)的確定2.3.2總體結(jié)構(gòu)機(jī)械本體部分是雕刻機(jī)的骨架，有底座、立柱、工作臺(tái)、機(jī)頭和主軸組件等部分。在保證整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械剛性的前提下，為了簡化的結(jié)構(gòu)，減輕整機(jī)重量，縮短產(chǎn)品的和制造的周期，其主體框架采用鋁合金拉延型材和軋制鋁板制造，防護(hù)件用塑料件和飯金件制造，用標(biāo)準(zhǔn)的緊固件和定位銷連接。2.3.3主運(yùn)動(dòng)方案雕刻機(jī)主運(yùn)動(dòng)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(jī)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)。真流電機(jī)加上帶輪雖然也可以滿足主軸速度的要求，

15、而且也比較便宜，但會(huì)增加機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。專用的雕刻頭的優(yōu)點(diǎn)在這里不在復(fù)述，配以與之配套的變頻調(diào)速裝置，既簡單又實(shí)用，故采用專用的雕刻機(jī)電機(jī)。2.3.4進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案由前所述，采用橫梁固定、工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)的方式，機(jī)頭在橫梁上移動(dòng)(X向)，實(shí)現(xiàn)雕刻寬度;工作臺(tái)在底座上移動(dòng)(Y向)，實(shí)現(xiàn)雕刻長度;主軸組件上下移動(dòng)(Z向)，實(shí)現(xiàn)雕刻深度。由于滾珠絲杠副具有很多優(yōu)點(diǎn),因此各運(yùn)動(dòng)鏈中傳動(dòng)件均采用滾珠絲杠副。步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠副直接連接。至于導(dǎo)軌,各運(yùn)動(dòng)鏈中支承件均采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。10第三章 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的校核三維機(jī)械雕刻機(jī)的加工對象主要是塑料、橡膠等有機(jī)材料和鋁、銅及其合金等有色金屬材料，這些

16、材料具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性。以下采用了硬質(zhì)合金直柄立銑刀(d0=8mm，z=2)和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆(d0=3mm)在鋁板(180MPa)上進(jìn)行銑削和鉆削，分別進(jìn)行切削力、切削扭矩和切削功率的計(jì)算。根據(jù)三維機(jī)械雕刻機(jī)的加工范圍和使用功能及用戶在實(shí)際生產(chǎn)過程中不同的切削方式的所使用時(shí)間的分配，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，大致可將切削方式分為強(qiáng)力切削(切)、一般切削(雕)、精細(xì)切削(刻)和快速進(jìn)給四種切削方式，使用時(shí)間的分配分別是10%，30%，50%，10%。3.1銑削力、扭矩和功率的計(jì)算查參考文獻(xiàn)3，可得知下有關(guān)于銑削力、銑削扭矩和銑削功率的經(jīng)驗(yàn)公式。 (3.1) (3.2) (3.3)式中圓周銑削力(N)，

17、銑削條件改變時(shí)銑削力修正參數(shù)，扭矩M ()，銑削功率 ()，查參考文獻(xiàn)取銑削寬度，銑削深度，進(jìn)給速度，銑削速度，銑刀外徑,每齒進(jìn)給量，銑刀齒數(shù),銑刀轉(zhuǎn)速。查機(jī)械加工工藝手冊一卷表9.4-10得以下與硬質(zhì)合金鋼立銑刀的對應(yīng)參數(shù):,1(加工45號(hào)鋼)將已知參數(shù)代入式(3.1) (3.2) (3.3)進(jìn)行簡化，可得到僅與切削深度ap、進(jìn)給速度vf和銑刀轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計(jì)算公式。 （3.4） （3.5） （3.6）另絲杠轉(zhuǎn)速 （3.7）初選絲杠導(dǎo)程將四種切削方式下的切削深度ap、進(jìn)給速度vf和銑刀轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計(jì)算。3.2主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)本節(jié)著重計(jì)算主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中主軸電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，以確定其型號(hào)及參數(shù)。為了

18、減少主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的所占的空間，采用了由主軸電機(jī)直接接上刀夾，中間不采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。3.2.1主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的方案為了簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，本采用主軸電機(jī)直接接上刀夾，省去了傳動(dòng)鏈，大大了減少了所占空間，減少了損耗。3.2.2主軸電機(jī)的計(jì)算根據(jù)前兩節(jié)的計(jì)算結(jié)果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動(dòng)效率，主軸電機(jī)所需扭矩、功率和轉(zhuǎn)速計(jì)算過程如下：1）轉(zhuǎn)矩計(jì)算查參考文獻(xiàn)6 機(jī)電一體化系統(tǒng)手冊可知所采用的電機(jī)的扭矩由章節(jié)3.1和3.2計(jì)算結(jié)果可知,最大扭矩值為0.44 故使便可滿足要求確定額定轉(zhuǎn)矩為 2）功率計(jì)算查參考文獻(xiàn)6 機(jī)電一體化系統(tǒng)手冊,所采用的電機(jī)的功率由章節(jié)3.1和3.2計(jì)算結(jié)果可知,最大功率為0.72 故使確定額

19、定功率 因此,電機(jī)選用安陽萊必泰機(jī)械有限公司的生產(chǎn)的雕刻機(jī)用電主軸,外形圖與參數(shù)表如下:圖3-1 雕刻機(jī)主軸電機(jī)的外形圖表3-1 雕刻機(jī)主軸電機(jī)的技術(shù)參數(shù)表主軸型號(hào)Spindle type轉(zhuǎn)速Speed(r/min) 電機(jī)Motor外形尺寸Dimensions(mm)變頻器Conv Kw潤滑Lub冷卻CoolKWVMAHzDD1D2Joint of noseLL1L2ADX60-24Z/0.8240000.82202.52.24006255-ER112066200.5greasewater第四章 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分為三部分：主軸的上下移動(dòng)、小車的左右移動(dòng)和橫梁的前后移動(dòng)。它們的

20、沒有本質(zhì)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈中進(jìn)給電機(jī)、滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，以確定規(guī)格型號(hào)及參數(shù)4.1 Z方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4.1.1 Z方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成由前章所述，步進(jìn)電機(jī)直接與滾珠絲杠連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為部件的移動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.1所示圖4.1 Z方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)簡圖4.1. 2聯(lián)軸器的選擇由于最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,故選用以下聯(lián)軸器22圖4.6 聯(lián)軸器外形表4.3 參數(shù)表規(guī)格Ød1,Ød2軸徑ØDLL1L2M性能參數(shù)扭矩偏心角度最高轉(zhuǎn)速螺絲（M）材料SDWA316.351031.823.87M4*230N&#

21、183;CM3º15000r/minM4進(jìn)口專用材料4.1. 3 Z方向直線導(dǎo)軌副的計(jì)算1) 初選直線導(dǎo)軌副的型號(hào)為GTB  GTBt型封閉式滾動(dòng)直線導(dǎo)套副圖4.7 導(dǎo)軌副外形圖表4.4 所選導(dǎo)軌副參數(shù)表2) 擬定滑塊總數(shù)M=4單根導(dǎo)軌兩滑聲塊3) 負(fù)載計(jì)算動(dòng)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(dòng)載荷=550N而靜載荷=37.5<額定靜載荷=920 N 故所選導(dǎo)軌滿足載荷要求4) 壽命計(jì)算(1)導(dǎo)軌在有效時(shí)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(dǎo)軌的

22、支承為二，；162，為硬度系數(shù)，通常取1； 為載荷系數(shù)，輕微沖擊取1.5。代入式(4.28)得758Km(2)壽命 (4.29)式中導(dǎo)軌套單行程長=0.09m,按每分種往復(fù)次數(shù)4算,代入式(4.29)得=17547>15000所選的導(dǎo)軌滿足壽命要求。4.2 X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)本雕刻機(jī)共分成三部分的運(yùn)動(dòng),X軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)并無本質(zhì)區(qū)別,這一節(jié)簡單的對X軸計(jì)算。4.2.1 X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成同前一節(jié)所述，步進(jìn)電機(jī)直接與滾珠絲杠連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為部件的移動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.8所示圖4.8 X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈圖4.2.2聯(lián)軸器的選擇由于最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,故選用與Z方

23、向相同規(guī)格的SDWA31聯(lián)軸器4.2.3X方向直線導(dǎo)軌副的計(jì)算1) 初選直線導(dǎo)軌副的型號(hào)為GTA  GTAt型開放滾動(dòng)直線導(dǎo)套副圖4.12 導(dǎo)軌副外形圖表4.5 所選導(dǎo)軌副參數(shù)表2) 擬定滑塊總數(shù)M=4單根導(dǎo)軌兩滑聲塊3) 負(fù)載計(jì)算動(dòng)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(dòng)載荷=550N而靜載荷47<額定靜載荷=920 N 故所選導(dǎo)軌滿足載荷要求4) 壽命計(jì)算(1)導(dǎo)軌在有效時(shí)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)，每根導(dǎo)軌的支承為二，；67，為硬度系數(shù)，通常取1； 為載荷系數(shù)，輕微沖擊

24、取1.5。代入式(4.40)得7073Km(2)壽命 (4.41)式中導(dǎo)軌套單行程長=0.6m,按每分種往復(fù)次數(shù)4算,代入式(4.41)得=24559>15000 所選的導(dǎo)軌滿足壽命要求。4.3 Y方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4.3.1 Y方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成同前一節(jié)所述，步進(jìn)電機(jī)直接與滾珠絲杠連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為部件的移動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.13所示圖4.13 Y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈圖4.3.2滾珠絲杠副的計(jì)算4.3.2.1 當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷確定1）各種切削方式下絲杠的轉(zhuǎn)速 查3.1節(jié)計(jì)算結(jié)果得四種加工方向下絲杠轉(zhuǎn)速： 2）求各種切削方式下軸向載荷 在Y方向上整體移動(dòng)的橫梁部件模擬模型如圖

25、4.14圖4.14小車部件模型圖絲杠受到的軸向力包括導(dǎo)軌摩擦力以及銑削力,即 (4.42)式中為水平方向受力,為豎直方向受力查3.1節(jié)和3.2節(jié)得四種加工方式下的:水平受力 :68，112,79，豎直受力 :166，161，154，初步估計(jì)橫梁部件的重量65(kg)，分別代入(4.42)得115,158,126,653)當(dāng)量轉(zhuǎn)速四種切削方式的使用時(shí)間占總使用時(shí)間的百分比與絲杠轉(zhuǎn)速分別為：代入式(4.5)得當(dāng)量轉(zhuǎn)速=483 4）當(dāng)量載荷 以上計(jì)算結(jié)果代入式(4.6)=126 4.3.2.2 預(yù)定額定動(dòng)載荷 1)按預(yù)期工作時(shí)間估算：查機(jī)床手冊第四冊表9，輕微沖擊取負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，查表7，按7級(jí)精度,

26、查表8，按可靠性97%取可靠性系數(shù),當(dāng)量載荷=126,當(dāng)量轉(zhuǎn)速=483,根據(jù)要求,本雕刻機(jī)預(yù)期工作時(shí)間15000代入式(4.7) 得=35252)擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載計(jì)算查機(jī)床手冊第四冊表10，輕預(yù)載取代入式(4.8)=1059.9取兩種結(jié)果的大值. 35254.3.2.3 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(fù)定位精度，故又的定位精度，故取兩種結(jié)果的小值。2）估算最小螺紋底徑 (4.43)因采用的是一端固定，一端游動(dòng)的安裝方式，故式中初定Z方向的行程為800mm 導(dǎo)程=4mm代入920導(dǎo)軌靜摩擦力靜摩擦力=130(N)代入式(4.43) =9.2

27、3 4.3.2.4 初選滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)1)初選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒型墊片預(yù)緊螺母，型號(hào)代碼為FF，導(dǎo)程 2)由計(jì)算出的在樣本中選取滾珠絲杠副FF1204-3=3525(N)，=9.23 。絲杠外形與Z方向的絲杠一樣,參數(shù)如表4.6。表4.6 滾珠絲杠技術(shù)參數(shù)與外形尺寸表規(guī)格代號(hào)公稱直徑d0公稱導(dǎo)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(fù)荷剛度KcN/m動(dòng)載荷Ca(KN)靜載荷Coa(KN)FF1604-316415.32.38113.534.89.7221螺母安裝連接尺寸D1(g6)D2()L2D3BD4D5D6hD7MD8L12828105210385.81063

28、4M620373)確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力 ，而且故524.3.2.5 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號(hào)、規(guī)格1)軸承類型選擇依據(jù)因?yàn)榻z杠所受軸向力很小,而已絲杠采用一端固定于電機(jī)上另一端游動(dòng),沒有預(yù)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(hào)同Z軸4.3.2.6 滾珠絲桿長度確定1)行程補(bǔ)償值 初定X方向行程，螺母長度，安全行程,代入式(4.11)得=869將溫差，=650代入式(4.10)得2)滾珠絲杠副工作圖(1)絲杠螺紋長度 查參考文獻(xiàn)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(diǎn)距固定點(diǎn)支承距離 4.3.3滾珠

29、絲桿的校核4.3.3.1 傳動(dòng)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(dòng),如下圖4.15圖4.15安裝示意圖由4.3.2.4節(jié)查得絲杠底徑13.5，兩支承距離，行程起點(diǎn)距固定點(diǎn)支承距離，代入式(4.12)分別得最小抗壓剛度 （）最大抗壓剛度 （）4.3.4Y方向進(jìn)給電機(jī)的計(jì)算4.3.4.1 作用在絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩1)外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩由4.3.2.1節(jié)查得絲杠最大軸向力，導(dǎo)程,三級(jí)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=0.11(Nm)2)預(yù)加載荷產(chǎn)生的預(yù)緊力矩由4.3.2.4節(jié)查得滾珠絲杠預(yù)緊力:代入式(4.21)得預(yù)緊力矩(Nm)4.3.4.2 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由4.2.2.6節(jié)查得絲杠全長100,外徑1.53,密度代入式(4.22)得絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量123總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量63.22)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量步進(jìn)電機(jī)57BYG250A查樣本,60. .3)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量123.24.3.5聯(lián)軸器的選擇由于最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,故選用與Z方向相同規(guī)格的SDWA31聯(lián)軸器4.3.6Y方向直線導(dǎo)軌副的計(jì)算1) 初選直線導(dǎo)軌副的型號(hào)為GTA  GTAt型開放滾動(dòng)直線導(dǎo)套副型號(hào)參數(shù)均與Z方向的導(dǎo)軌一樣。2) 擬定