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學士學位論文
小型雕刻機設計
摘 要
機電一體化技術綜合了機械、電子、自動控制、信息、傳感器、電力電子、信號變換接口和軟件編程等技術，并且把這些通用型技術整合到一起，結合成一個整體，也是現如今機械工業(yè)技術必須發(fā)展的也將成為國內外的發(fā)展主流。小型雕刻機就是在這種大環(huán)境下產生的一種代表性的機電一體化產品，在工藝品的制作與生產行業(yè)中擁有有較大的市場。
本課題通過分析國內雕刻機與國外雕刻機的差距以及各自的特點，定義了雕刻機的功能和使用范圍，規(guī)劃了雕刻機的結構布局，詳細設計了主軸運動和X、Y向進給運動結構，以及工作臺、支撐柱等輔助結構，并在此基礎上詳細闡述了雕刻機的運動過程，實現了其功能。
本文設計的小型雕刻機，其具有精度高，一致性好，一機多用的特點，應用領域廣泛，可用于工藝品雕刻加工的同時，又具有銑削鉆孔等功能。
關鍵詞 雕刻機；伺服電機；機電一體化
- 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
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目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 小型雕刻機及其發(fā)展現狀 2
1.2.1 小型雕刻機的概念 2
1.2.2 小型雕刻機的應用和發(fā)展 3
1.2.3 小型雕刻機的特點 3
1.2.4 研究雕刻機的目的和意義 4
1.3 本章小結 4
第2章 雕刻機的結構設計 5
2.1 雕刻機的系統(tǒng)組成 5
2.2 雕刻機的整體布局 5
2.3 進給結構 8
2.4 主軸結構 12
2.5 支撐結構 13
2.5.1 支架設計 13
2.5.2 工作臺設計 14
2.5.3 底座設計 15
2.6 本章小結 15
第3章 小型雕刻機的關鍵參數計算 16
3.1 設計指標 16
3.2 切削力、扭矩和功率的計算 17
3.3 進給運動的計算 20
3.3.1 滾珠絲杠副的計算 20
3.3.2 滾珠絲杠的計算 22
3.3.3 工作臺電機的選擇 24
3.4 本章小結 26
結論 27
致謝 28
參考文獻 29
第1章 緒論
1.1 課題背景
以大機器生產為主流的社會生產形式形成以來，機器生產代替手工勞動不僅使產品數量與日俱增，而且，更使產品質量大為提高。與人口增長及其生產和生活訴求相一致，大機器生產在各個領域中普及逐漸成為全球的共識。作為傳統(tǒng)手工藝制作的各種雕刻業(yè)，采用機器制作也需與時俱進。
盡管機器雕刻使手工藝品失去了自然特性及其人文特征，但是，它在降低勞動強度與提高勞動效率方面占有絕對優(yōu)勢，尤其產品的精確度明顯提高。故此，研發(fā)、生產及采用發(fā)展小型機器替代手工勞動，成為時代的主流。
隨著中國改革開放不斷向著縱深發(fā)展與傳統(tǒng)手工藝的產業(yè)化趨勢，在各種手工業(yè)制作行業(yè)有效地采用小型機械，成為社會發(fā)展的客觀要求。這樣，在我國傳統(tǒng)雕刻手工藝行業(yè)中積極推廣與使用小型雕刻機，就成為一種時代需要。
然而，由于各種因素，主要是技術因素的影響，小型雕刻機的生產和利用一直被捆綁著手腳。其主要原因，一是為了經濟發(fā)展，我國的小型雕刻機一直在中外合作的框架下發(fā)展。如上海洛克公司生產的威客雕刻機、北京糟雕公司生產精雕雕刻機和南京科能公司生產的雕刻機等，均是這樣的混血兒。二是國內生產的各類小型雕刻機機體結構簡單，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細分驅動，屬于中等控制精度，故此，不能達到高精度的要求。三是國外小型雕刻機普遍采用現代的技術及其制作材料，精度高、操作安全等，與之相比，國產同類產品捉襟見肘。因此，對于高精度的雕刻加工，我國都沒有擺脫受制于人枷鎖束縛。
為了徹底扭轉這種受制于人的局面，雕刻機研發(fā)與設計成為勢在必行的大事：本設計企圖完成的雕刻機，其機床結構剛高度好、精度高，并采用伺服電機驅動，而且加工精度高，控制系統(tǒng)功能安全可靠，只有這樣，中國小型雕刻機才能跟上國際工業(yè)化的步伐[1-3]。
1.2 小型雕刻機及其發(fā)展現狀
1.2.1 小型雕刻機的概念
雕刻加工不僅源遠流長，而且內容豐富，因而成為傳統(tǒng)手工藝中重要的文化長夜之一。從傳統(tǒng)意義上看，雕刻加工是一項技術性要求比較高的手工藝制作業(yè)，制品的質量集中反映著手工藝人技藝水平；另外，由于個人手工制作，故此，一件產品的生產周期十分長，換言之，傳統(tǒng)手工雕刻產品的生產效率低，成本及其價格十分昂貴；還有，傳統(tǒng)手工雕刻工藝品完全反映工藝師技術及其意愿，這樣，它在具有個性化的同時隱藏著極大隨意性，這也是產品不能得到同一的關鍵所在?？傊?，它與現代生產和生活需要具有相當大的差距。
雕刻機的結構、形式，乃至大小等，受到其使用范圍的影響，這便構成雕刻機的功能。也就是說，雕刻機的結構、形式受到它功能的制約。這樣，根據功能，雕刻機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型。當然，相較說來，全自由度空間雕刻機適用范圍較廣，它既可以用于簡單雕刻，更主要的是對于一些形狀復雜的工藝品或大型藝術作品的雕刻工作，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，由于技術制約，直到目前為止，此類制品還遠不能被制作完成。與之相比，前兩種雕刻機已經在實踐中得到推廣與利用，并且，有看好的發(fā)展前景。
在現代社會環(huán)境中，不論從生產角度看，還是從消費角度看，小型雕刻機具有很強的適應性。小型雕刻機是現代機械化需求的必然產物，它替代手工生產與制作，不僅在生產技術上是一個巨大的進步，同時在滿足歷史與現實緊密結合中有著重要的意義。在現代自動化為主趨勢的社會環(huán)境中，小型雕刻機通過自動控制系統(tǒng)根據程序代碼控制雕刻機運行，實現以自動化為模式的雕刻加工，這是現代雕刻機的設計核心。毫無疑問，這種小型雕刻機不僅徹底改變了傳統(tǒng)上以手工雕刻為主的雕刻制作，而且具有生產效率高、成品率高、加工精度高、可以復制，以及對零件的適應性強等明顯優(yōu)勢；同時，這類雕刻機設計借助計算機之 CAD/CAM軟件構成了一個相對完整的自動控制系統(tǒng)。
為了很好的利用及發(fā)展這種雕刻機的社會作用，這種小型雕刻機可以在不同行業(yè)中進行具有針對性的應用及研發(fā)，就目前發(fā)展現狀而言，這種小型雕刻機可被劃分為模具雕刻機、木工雕刻機、等多種類型。
在性能上，因制作和加工對象的不同，對雕刻機的設計及要求也不同，特別是對其機床和控制系統(tǒng)的要求，成為整個要求的焦點。例如，對模具雕刻機而言，由于它以加工金屬材料為主，故此，需要剛性較強的機床本體，不僅如此，因為此類雕刻機主要用于制作模具，要求精度高，所以這類雕刻機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，可以適當降低這些技術指標。然而，并非沒有立足點，這個共同點就是雕刻刀，研究發(fā)現：每次切削的有效面積比較小，所以雕刻零件的刀具運動軌跡就會很長，加工時間也會很長。故此，提高雕刻機的刀具運行速度對縮短工件的雕刻時間、提高加工的效率具有很重要的意義。
總而言之，雕刻機的劃分及其設計必須結合實際需要而進行，才能使其更加符合實際需要，才能贏得很好的社會效應[4-8]。
1.2.2 小型雕刻機的應用和發(fā)展
小型雕刻機根據需要進行必要的分類，但是，由于生產技術難以突破，至今仍然不能形成巨細和合理的產品系列。也就是說，在現代雕刻領域中，雕刻機的種類仍然不能滿足各種生產需要。這為技術研發(fā)與生產留有廣闊的天地?，F存雕刻機僅僅能適應簡單的雕刻，諸如刻字、簡單的幾何形體雕刻等，至于復雜的造型，就很難采用這種雕刻機了。從傳統(tǒng)工藝品與現代產品的造型形象及其特征看，采用雕刻機完成生產制作具有極大的現實意義。不僅省工省力、降低成本與提高經濟價值，而且，產品做工精細，產品質量高，便于人們使用等。
隨著中國國內市場需求的不斷增長與市場供應不足矛盾的彰顯，迫切需要從理論到實踐，尤其生產上解決技術難關，積極研發(fā)各種類型的小型雕刻機[9-10]。
1.2.3 小型雕刻機的特點
本課題設計的小型雕刻機有一下特點：
1. 自動化程度高，便于操作。由于采用數控技術和計算機輔助設計軟件，對于工件的雕刻，其全部過程都是小型雕刻機自動完成的。
2. 產品的結體合理，精度高，并且能夠取得整齊劃一。小型雕刻機的雕刻過程是由計算機控制完成，可以達到相對較高的精度和表面質量，而且能夠達到批量加工的目的，換言之，就是產品整齊劃一。
3. 適用性強的特點。只需要改變雕刻機控制程序，小型雕刻機便可以雕刻浮雕等各種復雜的曲面，甚至，可以采用不同刀具，以適應不同部位造型的需要，直至雕刻出富有創(chuàng)意產品。
4. 雕刻機功能的衍生性，即小型雕刻機同時有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊以及加工小模具，性價比高[11]。
1.2.4 研究雕刻機的目的和意義
近現代以來，隨著中國工業(yè)化的進程，盡管機械工業(yè)已經有了較大的發(fā)展，但是，由于各種主客觀因素的影響，特別是受到科學技術的制約，致使我國的機械工業(yè)技術水平和生產能力與西方發(fā)達國家依然相差甚遠。因此，在我國，在機械領域迎頭趕上世界先進水平，實現機電一體化，成為時代主流與機械工業(yè)發(fā)展的大勢所趨。
所謂機電一體化，是指將機械技術和電子技術的有機結合的新型技術是機械技術，它的核心內容包括機械、電子、計算機和自動控制等技術。
機電一體化是一個系統(tǒng)工程，以計算機及其數控技術為核心，將傳統(tǒng)機械推進到自動化的程度，不僅提高勞動效率，而且降低勞動強度，并實現更加精確的設計與生產計劃。20世紀末期，世界上各個國家都努力發(fā)展這一技術，以提高各自的綜合實力水平以及機械技術水平，實現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，更是時代賦予人類的生產與生活的新模式：世界各國爭相發(fā)展機電一體化技術使人們生活逐漸步入自動化時代使經濟效益得到飛速發(fā)展。因此，在中國實現機電一體化，既是中華民族從傳統(tǒng)工業(yè)走向現代化的必經之路，也是我國機械工業(yè)趕超世界強國的必由之路[12-13]。
1.3 本章小結
本章主要介紹了本設計的課題背景，我國雕刻行業(yè)主要以手工雕刻為主并且國產雕刻機的雕刻精度較低，高端雕刻機多數是從國外進口。在此基礎上又介紹了本課題設計的小型雕刻機的特點、應用領域以及研究小型雕刻機的目的和意義。
第2章 雕刻機的結構設計
2.1 雕刻機的系統(tǒng)組成
小型雕刻機工作原理是一個三維控制系統(tǒng)，工作原理如圖2-1所示：
圖2-1小型雕刻機工作原理
在計算機內安裝專用的圖形和文字設計排版軟件，將這些需要加工的文字或圖案信息分析處理自動整合出加工路徑，然后再通過計算機USB將生成的工件加工路線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據，再把所要加工的形狀整合出來顯示在計算機屏幕上，若用戶滿意完，就用特定的算法將這些信息轉化為控制信息，由于電機是靠脈沖信號控制的所以還要控制器把這些信息轉化為驅動電機的信號，通過控制電機的旋轉角度和旋轉速度來控制雕刻機X軸、Y軸和Z軸的走刀。同時，雕刻機的電主軸進行銑削，即可雕刻出預想的圖案或文字[14]。
2.2 雕刻機的整體布局
機械結構作為小型雕刻機的硬件部分，直接決定了雕刻機的工作生產能力以及加工效果。正因為如此，對小型雕刻機的機械結構，必須根據下面要求進行恰當設計。
1. 首先必須滿足雕刻機結構的穩(wěn)定性；其次滿足電機一體化的工作范圍與加工精度，以提高生產效率，乃至確保經濟性等多種要求。
2. 確保小型雕刻機結構必須滿足其加工精度，確保雕刻機結構的剛度、抗震性和抗熱變形等穩(wěn)定。
3. 雕刻機的結構必須適應加工過程的直觀可視，操作方便，調整和維修方便，運送和裝卸工件方便。
4. 結構簡約，布局合理，方便裝配，便于操作與具有較強的安全性等[15]。
雕刻機不僅要滿足總體布局的基本要，還要滿足其他外界影響雕刻機布局的因素：
1.注意表面的形成運動影響。
通常情況下，需要采用不同的刀具與不同的加工方式對雕刻對象進行不同的處理，這樣，在工件表面形成的運動方式和運動路線就不同，而出現不同的工作布局方式。如果出現類似外形的工作表面，那么也一定會有對技術和生產效率等不同的要求，為此，對應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的刀具。由此可見，雕刻機的布局形式也受到工件表面形狀的影響，而且小型雕刻機的布局形式也是為加工工件表面二設計的。
2.注意雕刻機運動布局分配的影響。
雕刻機伺服電機驅動控制機頭加工工件的雕刻路線相同及加工相同的工件，但是在這種情況下有時也會出現雕刻機頭分配不同的運動路線的情況，這種情況也會影響雕刻機的布局，使雕刻機出現不同的布局。故此，在設計雕刻機運動分配的時候，必須做到以下幾點：移動部件的重量要相對較輕，因為一般情況下，減輕了移動部件的重量，就降低了電機提供的功率以及傳動件的尺寸也越??；應有利于提高加工精度；應有利于提高雕刻機剛度，縮小占地面積 [16-17]。
另外雕刻機本身性質要求對工件影響也很大，如工作時自身產生的運動、刻刀與工件摩擦產生的噪聲、集體發(fā)熱還會導致熱變形以及自身剛度和抗震性的影響。經過查看相關書籍以及上網查詢資料得知雕刻機布局形式通常采用如圖2-2所示的兩種方案：
（a）工作臺固定式 （b）立柱固定式
圖2-2雕刻機的布局形式
上述這兩種情況的布局方式都是仿照龍門結構形狀的框架結構，兩種形式的共同特點在于結構的剛度都比較高。而其不同點在于在方案(a)布局中，是把工作臺與機架固定在一起，雕刻機頭在電機的作用下根據要求作左右和上下移動，支架在Z向電機的作用下作前后移動。這種工作臺固定形式的的優(yōu)點在于對雕刻機縱向長度不同的工件加工都能適應，而且由于工作臺直接與機架固定，所以承重能力較好。另外，在批量加工較長工件時，若要支撐點高度相同，可以調整支架便于達到目的。但，雕刻頭運動過程中振動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，雕刻頭在電機的作用下根據工作需要作左右和上下移動，工作臺在Z向電機的作用下作前后移動。由于這種設計是把立柱固定工作臺承載著加工工件移動，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）這種設計所需軸向力和傳動件的尺寸較小，且移動方便。如果是進行批量加工外伸支架支撐縱向長工件，支點高度相同，所以支架支撐調整方便，但支架結構與 布局(a)方案相比會稍微復雜。而這種設計方案的最大優(yōu)點就在于雕刻頭前后運動時震動較小，能保證加工精度[18-20]。
通過比較兩種方案，顯而易見，根據雕刻機加工的工件須偏小又充分考慮到結構的穩(wěn)定性原則、結構的基本要求、影響結構布局的基本因素，可采用布局(b)的方案。
小型雕刻機的機械幾何結構，由以下幾部分組成:
1.底座部分，支撐和固定小型雕刻機，承擔整個雕刻機的重量，要求穩(wěn)定堅固。底座的四角又與地面連接進一步提高雕刻機的穩(wěn)定性。
2.工作臺部分，由T型槽臺、Y軸方向的絲杠和導軌組成，由絲杠驅動，導軌導向，是用來放置并固定工件的， T形槽工作臺作為工作臺，其特點是精度穩(wěn)定不易變形、耐磨性好。
3.橫梁部分，由X向的絲杠和導軌組成。光軸導軌除了導向作用之外還起到承載機頭重量的作用，絲杠的旋轉運動帶動機頭運動。
4.機頭部分，由主軸結構和Z方向的絲杠和導軌組成。電機驅動絲杠轉動，絲杠的旋轉運動帶動主軸結構運動，主軸結構在工作時電主軸作高速銑削運動。
2.3 進給結構
進給結構是由伺服電機、執(zhí)行機構和機械傳動結構組成。其作用是接收控制系統(tǒng)發(fā)出的指令按照這些指令運行驅動雕刻機走刀，可以根據按照合成信號精確地控制指令的執(zhí)行單元的速度和位置，以及執(zhí)行軌跡的幾個執(zhí)行結構的運動軌跡。
下面是進給結構的機械部分和電機部分。進給運動方式如下：
把工件固定在工作臺上，由于雕刻機的布局工作臺移動立柱固定的形式所以工件隨著工作臺做Y方向的進給運動，機頭在X方向電機和絲杠的驅動下做進給運動，與此同時電主軸做高速銑削運動，并且在Z方向做上下運動。雕刻機就是這樣雕刻出預想的文字和圖案。
在絲杠的驅動下和在光軸導軌的導向作用下機頭沿X方向的左右運動，如圖2-3所示：
圖2-3 雕刻機X方向進給圖
在絲杠的驅動下和在光軸導軌的導向作用下工作臺沿Y方向前后運動，如圖 2-4所示：
圖2-4雕刻機Y方向的進給圖
在絲杠的驅動下和在光軸導軌的導向作用下機頭沿Z向上下運動，如圖2-5所示：
圖2-5 雕刻機Z方向進給圖
為保證雕刻運動穩(wěn)定工作加工和雕刻機的結構嚴瑾，雕刻機的各傳動鏈全部使用滾珠絲杠副。用聯軸器把絲杠的一端與電機軸連在一起，伺服電機的轉動帶動與其連接的絲杠轉動，這樣就把旋轉運動轉化成直線運動。用軸承把絲杠的另一端固定在機架上。電動機的轉動步數是由指令脈沖數控制的，伺服電機的旋轉方向是由高低電平控制的，電機的轉動快慢是由脈沖信號的頻率控制。而且伺服電機具有以下特點：
1.控制位置功能，電機需要轉動多少角度，就發(fā)送出多少具體的脈沖數量。
2.無極調速功能，如果要改變電機轉動速度的快慢，可通過改變發(fā)送脈沖的速率來實現。
3.正/反、急停及自鎖功能，如果要伺服電機的正反轉，可以通過控制電平的高低來實現，在伺服電機鎖定的情況下仍然輸出靜止力矩。
4.低轉速和高精度位置功能，可通過控制脈沖速度把電機轉速調到極低，而且中間不需要再通過連接減速器，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，電機軸與絲杠連接不需要通過電刷和換相器換相，直接用套筒聯軸器連接，從而減少了摩擦，增長了使用壽命，如圖2-6所示：
圖2-6 絲杠與電機軸的連接
套筒聯軸器用于聯接絲桿與電機，采用套筒聯軸器連接的固定精度相對較高，其特點在于：可連接小型軸、轉動慣量小以及適用于高速旋轉運動的連接； 提高絲杠與電機軸連接的強度；采用銷連接的方式連接，在較高轉動速度時仍可保持穩(wěn)定運行。如圖2-7所示：
（a）套筒聯軸器平面圖 （b）套筒聯軸器實體圖
圖2-7套筒聯軸器
導軌的作用是使運動部件按照規(guī)定的軌跡運動，從而保證了各部件的相對位置精度，在很大程度上決定雕刻機的精度與精度保持性，如圖2-8所示：
2-8光軸導軌
X和Y向，安裝一對圓柱形導軌在絲杠的兩側，其作用是可以幫助絲杠分擔所機頭、工作臺和工件所給的壓力。圓柱形導軌加工容易，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向絲杠的兩側也安裝兩個光軸導軌。Z向電主軸的定位是依靠伺服電機的自鎖功能來實現的。
把光軸導軌的兩端用螺母固定在雕刻機支架上，并且與導軌套形成移動副，如圖2-9所示：
圖2-9 絲杠和圓導軌的支承方式
通過絲杠副把旋轉運動轉化成直線運動的特性形成相對運動實現傳動；與工作臺固定連接，然后相對于Y向絲杠做直線運動；與機頭支架固定連接，同理與Z向絲杠形成移動副帶動機頭做上下移動[13]。
2.4 主軸結構
雕刻機主軸部分用螺釘固定在Z向的連接板上，利用電主軸高速轉動，帶動刀具做切削雕刻運動。
近些年來我國科技不斷發(fā)展進步，使雕刻機以及加工中心的核心部分主軸也得到迅速發(fā)展。使得主傳動機構得到非常大的提高，并且逐漸把帶傳動和齒輪傳動的形式向電主軸的形式轉化，機床主軸由機床電動機直接驅動，從而使較長的傳動鏈形式逐漸被淘汰，使機床主運動部分不在需要傳動鏈形式傳動，這種結構就是電主軸。本雕刻機應用電主軸轉速達到18000r／min，如圖2-10所示：
圖2-10電主軸實體圖
2.5 支撐結構
2.5.1 支架設計
支架用來支撐進給結構并且保證進給結構與工作臺的相對位置精度，并且承載這各種動態(tài)力和靜態(tài)力以保證小型雕刻機整體穩(wěn)定性，如圖2-11所示：
圖2-11雕刻機支架
2.5.2 工作臺設計
工作臺的作用是用來放置并固定工件的，在設計工作臺的時候，從整體的剛度和經濟性來考慮，并且按照機床的工作臺、絲桿、光軸導軌的長度來決定小型雕刻機整體的大小，選用T形槽工作臺作為工作臺，其特點是精度高、穩(wěn)定不易變形、耐磨性好、價格便宜。本次設計的工作臺長800mm寬800mm如圖3-1所示：
(a)工作臺實體圖
（b）工作臺平面圖
圖2-11工作臺
2.5.3 底座設計
底座的作用是起支撐和固定小型雕刻機的作用。底座的四角又與地面連接進一步提高小型雕刻機的穩(wěn)定性。設計的底座稍微大一點，目的是使機床穩(wěn)定性更強。底座材質為45號剛，底座尺寸1700x1300x12。如圖3-2所示：
圖3-2 雕刻機底座
2.6 本章小結
本章主要分析了小型雕刻機的整體機構設計：采用了龍門式框架結構雕刻機頭做橫向和上下移動工作臺做縱向移動。在此基礎之上有介紹了進給結構：X軸方向、Y軸方向Z軸方向進給結構；主軸結構：采用電主軸；支撐結構：支架、工作臺和底座。
第3章 小型雕刻機的關鍵參數計算
3.1 設計指標
主運動系統(tǒng)中的電主軸，是小型雕刻機的核心部件之一，確定電主軸的型號和參數，以及給出結構的關鍵參數計算與校核。除應滿足的要求外，還應滿足一下要求：
1. 設法滿足最大的調速范圍，并實現無級變速。
小型雕刻機工作的時候一定要保證切削用量在合理范圍內，這樣才能保證刀具充分發(fā)揮其性能，使生產率和生產質量得到保證，還有就是必須保證電主軸的轉速足夠快以便于提高雕刻速度提高生產率。電主軸好要有更大的調速范圍且必須保證加工的步驟相對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。
只有設法提高主運動結構的剛度，才能使雕刻機工作相對穩(wěn)定，才能提高雕刻機的加工精度，保證工件質量。為此，首先要保證傳動件的精度與剛度，只有保證了傳動件的性能才能使傳動相對穩(wěn)定，可以采用高頻加熱淬火的方式增強傳動件的剛度；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。
小型雕刻機雕刻順序一般是先進性粗雕刻再進行精雕刻雕刻時可能會因為運動部件不協調以及雕刻過程中零部件的影響，導致主軸結構也跟著發(fā)生震動現象，這樣就會使加工無法正常進行，因此各零部件一定要擁有一定的抗震性。
還有，雕刻機在雕刻加工的時候主運動結構工作時間長了就會發(fā)熱，導致其他零部件也發(fā)熱，進而產生熱變形，由于出現熱變形各零部件之間的位置精度和運動精度就會降低，從而使加工誤差增大，機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產生熱變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低了傳動效率，影響到生產率。為此要求主軸不僅具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并且，需要進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現。結合設計參數以及小型械雕刻機的總體設計方案，初步制定該雕刻機機械部分的主要參數，如表3-1所示：
表3-1 機械設計參數表
設計項目
設計參數
單位
主軸最高轉速
r/min
主軸最大進給速度
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
脈沖當量
mm
使用壽命
hrs
3.2 切削力、扭矩和功率的計算
小型雕刻機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較軟所以具有良好的塑性。小型雕刻機所雕刻的工件性質不一樣，這樣就使雕刻機雕刻工件所用時間會不一樣，而且對于不同的材料小型雕刻機所采用的雕刻方式也不一樣通過查閱資料，查的雕刻的方式分為：一般雕刻、強力雕刻、精細雕刻和快速進給這幾步。
通過查閱陳宏君主編的《機械加工工藝手冊》查得表3-2 左半部分的切削經驗計算公式，然后將這些查得的公式代入已知的參數進行簡化，得到表格右半部分與切削深度、進給速度和銑刀轉速有關的簡化計算公式如表3-2所示：
表3-2 銑削力、扭矩和功率計算
切削經驗計算公式
簡化的計算公式
銑削力：
銑削扭矩：
銑削功率：
銑削速度，— ((mm),— 每齒進給量(mm/z)， z —，n—銑刀轉速(r /min) 。
將切削深度、進給速度和銑刀轉速n的變量代入分別計算，得到計算結果，如下表3-3所示：
表3-3 銑削力、扭矩和功率的計算
其中：—，
—，—，n—銑刀轉速（r/min）。
按照以上簡化過程，可得到與和n有關的計算公式，如表3-4所示：
表3-4 鉆削力、扭矩和功率的計算
計算公式和參數選定
計 算 結 果
鉆削力：
鉆削扭矩：
鉆削功率：
將進給速度和鉆頭轉速n的變量代入分別計算，將得到的計算結果填入表3-5：
表3-5 鉆削力、切削扭矩和切削功率的計算
切削方式
工作時間
百分比
參 數
計 算 結 果
M
強力切削
41.61
0.045
—
一般切削
40.44
0.044
—
精細切削
38.65
0.042
—
快速進給
—
0
0
0
3.3 進給運動的計算
雕刻機工作時的進給運動分為主軸的上下移動，主軸的左右移動以及工作臺的前后移動三個步驟。本課題對于這三項運動方式的設計基本相同，故此可以通過設計推算對其中一個方向上運動的設計，就可以得出另外兩處結構設計方案，現在以設計推算工作臺結構為例，設計計算這部分所采用的伺服電動機，滾珠絲杠和直線導軌，來滿足在小型雕刻機雕刻加工制作過程中的種種基本要求。
3.3.1 滾珠絲杠副的計算
1. 計算滾珠絲杠導程：
由于電動機與絲杠選用 1:1的傳動方式，
所以，
額定動載荷
（3-1）
查《機械設計手冊》第二版，第四卷 表35.5-5,輕微沖擊
查《機械設計手冊》第二版，第四卷 表35.5-7,按7級
查《機械設計手冊》第二版，第四卷 表35.5-8,可靠性97%
查《機械設計手冊》第二版，第四卷 表35.5-1得，
采用預緊絲杠副，按最大負載計算：
查《機械設計手冊》第二版，第四卷 表35.5-10，輕預載
由式（3-1）得
。
2. 計算允許的最小螺紋底徑：
允許得最大軸向變形量
取以上兩個數據的最小值
計算最小螺紋底徑：
絲杠的一端用軸承固定，另一端游動
3. 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號：
由計算出的，查滾珠絲杠副樣本，選擇型號FFZD1604-3的滾珠絲杠副
4. 計算滾珠絲杠副的預緊力：
(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、規(guī)格：
軸承所承受的最大軸向載荷
（3-4）
由式（3-4）得
軸承類型選用固定端角接觸球軸承，游動端深溝球軸承，
（3-5）
由式（3-5）得
預加載荷=滿足要求，由此選用內徑d為10型號的軸承。
6. 計算行程補償值C：
（3-6）
由式（3-6）得
3.3.2 滾珠絲杠的計算
1. 計算滾珠絲杠基本參數：
絲杠螺紋長度
查《機械設計手冊》可知，絲杠螺紋長度為
絲杠全長=1700
從進給運動的起點到絲桿支承位置的距離=10。
2. 計算雕刻機傳動絲結構杠抗壓剛度：
最小抗壓剛度和最大抗壓剛度
（3-7）
=280
（3-8）
=3413
3. 計算軸承預緊組合剛度：
（3-9）
由式（3-9）得 。
4. 計算支承軸承組合剛度：
絲杠采用一端軸承固定，一端游動的方式查《機械設計手冊》第二版，第二卷 表23.5-2得：；。
5. 計算絲杠副接觸剛度：
（3-10）
由式（3-10）得。
6. 剛度驗算及精度選擇：
計算
（3-11）
計算
（3-12）
靜摩擦力
驗算傳動剛度
（3-13）
（3-14）
由式（3-13）、式（3-14）得
滿足要求。
7. 計算傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
（3-15）
由式（3-15）得=0.4。
8. 計算精度全行程變動量
9. 驗算臨界壓縮載荷
10. 驗算臨界轉速
（3-16）
由式（3-16)，又得
11. 基本軸向額定載荷驗算
（3-17）
式中,查《機械設計手冊》第二版，第四卷55.8-5
滿足要求。
確定滾珠絲杠規(guī)格代號FFZD1603-3-P4/485×410。
3.3.3 工作臺電機的選擇
選擇電機的時候應該著重考慮這三個基本要求：電機的額定轉矩應大于雕刻機工作時的最大切削轉矩；應與相匹配；刻刀快速移動時，電機的最大轉矩必須大于負載轉矩。
1. 最大切削負載轉矩計算
最大切削負載轉矩
（3-18）
其中，《查機械設計手冊》第二版，第二卷表21.4-6可知最大進給力，絲杠導程，預緊力，查《查機械設計手冊》第二版，第一卷表15.3-7可知滾珠絲杠螺母副的機械效率。
（3-19）
查郭科主編《角接觸推力球軸承技術》，得可知單個軸承的摩擦力矩為0.32，可以得出力矩。伺服電機軸與絲杠采用套筒聯軸器按照1:1的傳動連接，則最大切削負載轉矩
2. 負載慣量計算
工件夾具質量與工作臺質量相加不超過20kg，把這兩個質量和與電動機軸上的慣量算作一個量，計算得：
(3-20)
式中：
—工作臺移動速度()；
—伺服電機的角速度()；
—直線移動工作臺的質量(kg)。
絲杠直徑，長度，密度。則絲杠加在電動機軸上的慣量
(3-21)
聯軸器、鎖緊螺母等的慣量，查《機械設計手冊》得
故負載總慣量
(3-22)
根據上述計算可初步選定電動機，可選混合式伺服電動機57BYD250 E-SAFRNC-0153查樣本，其額定轉矩為，大于最大切削負載轉矩；轉子慣量，滿足匹配要求。
3. 空載加速轉矩計算
最大加速轉矩
（3-23）
由式(3-23），又，得
連續(xù)工作最大轉矩
（3-24）
查樣本：額定轉矩13.5
最大啟動轉矩
（3-25）
查樣本：最大轉矩80
滿足要求。
3.4 本章小結
本章重要介紹了雕刻機的關鍵參數計算與校核，滾珠絲杠與滾珠絲杠副導程、螺紋底徑、剛度和精度計算以及臨界負壓載荷和臨界轉速的校核；進給結構參數計算，切削負載、負載慣量和空載加速轉矩的計算以及電主軸和工作臺電機的選擇。
結論
本設計通過對小型雕刻機的結構設計，分析了其構成及其工作原理。在此基礎上，對于小型雕刻機目前存在的問題和市場需要進行了研究，在充分考慮雕刻機發(fā)展應該適應自動化、機械化等現代特征，采用自動控制技術，進一步提高其自動化的程度。
1. 小型雕刻機不僅可用于刻字、印章等簡單的幾何形體雕刻，而且可用于一些形狀復雜的工藝品。不僅省工省力、降低成本與提高經濟價值，而且，產品做工精細，質量高。
2. 通過對小型雕刻機工作流程及工作原理的特性，小型雕刻機能夠自動控制，只需要改變雕刻機控制程序，小型雕刻機便可以雕刻浮雕等種種復雜的曲面。
3. 控制部分和機械部分的高精度極大地提高了雕刻系統(tǒng)的精度，機械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅動電機。
致謝
本文是在張中然老師的精心指導與熱心關懷下完成的。在設計與論文撰寫過程中無不滲透著張老師的大量心血。幾個月以來，從設計細節(jié)的斟酌與論文的撰寫及其邏輯的推敲，張老師認真、嚴謹的治學態(tài)度，一絲不茍的求真精神，尤其對我的嚴格要求，使我既受感動，又受鼓舞——在受到鞭策的同時，對張老師的情感由言聽計從到十分欽佩，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。
同時也要感謝在此次畢業(yè)設計中幫助過我和支持過我的的同學，此次畢業(yè)設計是我對所學的只是有了進一步的認識和鞏固，同時也暴露了自己的很多不足之處，在畢業(yè)設計和撰寫論文的過程中王洪旭同學雖然自己任務繁忙但是仍然抽出大量時間幫助我查閱資料和修改格式，同時也給予我精神上的支持。
再次感謝張中然老師的精心指導和那些和我一起做畢業(yè)設計的同學的鼓勵與支持。
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