雕刻机运动系统的设计-三维雕刻机传动系统
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大学本科生毕业设计
本科毕业设计中期报告
填表日期： 年 月 日
学院
班级
学生姓名
课题名称：
雕刻机的运动系统的设计
课题主要任务：
1. 雕刻机的选型、设计及计算
2. 主要参数的设计及计算
3. 绘制雕刻机的装配图、运动系统部件图及相关零件图。
1、简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果
通过对文献资料的阅读，已经得出总体设计方案、完成编写了大部分设计说明书，并绘制出雕刻机的总装配图及Z轴、X轴和Y轴的运动部件部件装配图。
2、下一步的主要研究任务，具体设想与安排
对各轴受力进行设计校核；
修改完善设计说明书；
绘制所有设计图纸，包括雕刻机的装配图、运动系统部件图及相关零件图；
3、存在的具体问题
丝杠，导轨及联轴器的校核的力学问题。
关于零件材料选择问题。
零件图的尺寸的科学表达和装配图的配合问题。
4、指导教师对该生前期研究工作的评价
指导教师签名：
日 期：
毕业设计（论文）指导教师评阅表
学院（部）： 机械工程学院
学生姓名
学 号
班 级
专 业
指导教师
姓 名
课题名称
雕刻机运动系统的设计
评语：（包括以下方面，①学习态度、工作量完成情况；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；）
是否同意参加答辩：
是□ 否□
指导教师评定成绩
分值：
指导教师签字： 年 月 日
毕业设计（论文）评阅教师评阅表
学院（部）：
学生姓名
学 号
班 级
专 业
机械设计制造及其自动化
课题名称
雕刻机运动系统的设计
评语：（对论文学术评语，包括选题意义；文献利用能力；所用资料可靠性；创新成果及写作规范化和逻辑性）
针对课题内容给设计者（作者）提出3个问题，作为答辩时参考。
1.
2.
3.
评 分：
是否同意参加答辩
是□ 否□
评阅人签名： 年 月 日
毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表
学院（部）（公章）：
学生姓名
学号
班 级
答辩
日期
课题名称
雕刻机运动系统的设计
指导
教师
成 绩 评 定
分值
评 定
教师
1
教师
2
教师
3
教师
4
教师
5
小计
课题介绍
思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。
30
答辩
表现
思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确、深入,知识面宽。
70
合 计
100
答 辩 评 分
分值：
答辩小组长签名：
答辩成绩a：
× ％＝
指导教师评分
分值：
指导教师评定成绩b：
× ％＝
评阅教师评分
分值：
评阅教师评定成绩c：
× ％＝
最终评定成绩：
分数： 等级：
答辩委员会主任签名：
年 月 日
说明：最终评定成绩＝a+b+c，三个成绩的百分比由各学院（部）自己确定。
大学本科生毕业设计
xxxx 大 学
本科毕业设计（论文）开题报告
（200x届）
学 院（部）：
专 业：
学 生 姓 名：
班 级：
学号
指导教师姓名：
职称
200x年1月18日
大学本科生毕业设计
题目：雕刻机运动系统的设计
1. 结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述。
1)．雕刻机的应用发展现状
上世纪90年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机，刻章机再到三维雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用范围无处不在[1][2][3]。
2)．雕刻机的历史背景
1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从2D一2.5D一3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求[1][2][4]。
3)．雕刻机机械结构的分析和设计
这一部分主要是研究确定总体布局、主运动方案、进给运动方案、加工刀具固定方案以及材料固定方案。
(1).总体结构
机械本体部分是雕刻机的骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分。主体框架采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用塑料件和饭金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。
(2).主运动方案
雕刻机主运动方案通常有两种方案:直接采用专用的雕刻头或采用直流电机带动主轴机构。专用的雕刻头虽然必须配以与之配套的变频调速装置，价格也相对昂贵。但直流电机的速度不够，要配以带轮变速才可以。因此，从结构复杂度来看，用专用的电机直接接刀具要简单很多[3][5]。
(3).进给运动方案
由上所述，采用横梁移动、工作台固定实现相对运动的方式，机头在横梁上移动(X向)，实现雕刻宽度; 横梁在底座上移动(Y向)，实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z向)，实现雕刻深度。其中横梁移动是靠滚珠丝杠来实现的。
滚珠丝杠副具有以下特点:
①传动效率高达85%一98%。
②运动平稳，启动无颤动低速无爬行。
③正传动与逆传动的传动效率几乎相同。
④可预紧。
⑤定位精度和重复定位精度高。
⑥同步性好。
⑦使用寿命长。
⑧使用可靠，润滑简单，维修方便。
因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。步进电机通过同步带和滚珠丝杠副连接，可选择合适的传动比和隔断电机振动，使保证运动的传递平稳，结构较为紧凑。
由于滚动直线导轨副具有以下特点,因此各运动链中支承件均采用该导轨。
①摩擦系数小，运动灵活。
②动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，且不易发生爬行。
③可以预紧，刚度高。
④寿命长。定位精度和重复定位精度高。
⑥使用可靠，润滑方便。
(4).加工刀具方案
加工非金属的刀具与标准刀具在参数上有较大不同，因此需要自制或外购。一般情况下，雕刻刀按刀尖角可分为15度刀、20度刀、30度刀、45度刀和成型刀及直柄立铣刀和直柄球面铣刀，用户可根据实际加工的需要进行选用。刀具按材质可分为高速钢刀具、硬质合金刀具和金刚石刀具，以满足加工不同材质工件的需要。刀具的安装采用主轴前端用弹性夹头夹持的方法传递扭矩，不同夹持直径的刀具可更换与之配套的弹性夹头[4]。
(5).加工材料固定方案
雕刻机的工作台面上两边有参考标尺用作参考，当在台面中放置工件时使之与零点绝对坐标轴相应平行。工作台面上还设计有多条T型槽，对于较小和较轻的工件可用双面胶带将之粘贴在工作台平面上即可;对于较大和较重的工件，可用专用的夹持器或压板将之固定。专用的夹持器或压板的压紧块部分用非金属材料制造，避免误动作时对刀具和主轴造成危害。
(6).其它
将控制箱内置，节省整机空间，同时采用抽屉式，方便调试和维修;急停开关和操作面板分别置于雕刻机前端的左右两侧，方便用户的操作使用[3]。
本设计主要是确定总体布局、主运动方案、进给运动方案、加工刀具固定方案以及材料固定方案等方案。
参考文献：
[1] 张 昱. 三维机械雕刻机的研制[C].合肥：合肥工业大学出版社，2002.
[2] 张昱，刘志锋.经济型三维机械雕刻机的开发[J]。机械制造与研究.2006.
[3] 夏长植, 居荣华, 张一宁. FTDK5416雕刻机机械结构的改进设计[J]. 包装与食品机械 , 2002,(01)
[4] 李元强, 那明君, 杨晓丽, 张惠友. 仿形雕刻机的设计[J]. 农机化研究 , 2004,(04)
[5] 王波. 龙门式雕刻机Z向机构参数化设计研究[D]南京理工大学 , 2007
2. 选题依据、主要研究内容、研究思路及方案
选题依据、主要研究内容 ：
随着雕刻机的应用日益广泛，市场需求量越来越大，然而日前市场上的雕刻机价格太高，从而影响了雕刻机的普及，因此，本设计主要目的是研究一种小型的经济型雕刻机。主要研究的内容是确定总体结构、主运动方案、进给运动方案、加工刀具方案、加工材料固定方案等等。
研究思路及方案：
本设计主要就是确定总体布局的型式、有效雕刻区域、滚珠丝杠的结构型式和参数、直线导轨的结构型式和参数、主电机的结构型式和参数、步进电机的结构型式和参数、主运动和进给运动的传递方式和转速范围等。为了解决这些问题，首先是收集或查阅雕刻机运动系统相关资料，然后对雕刻机运动系统进行设计及计算，接着完成雕刻机的装配图、运动系统部件图和刀夹部件图及相关零件图，最后编写一篇设计说明书。
3.工作进度及具体安排
第七学期 16~19周 收集资料、文献综述、开题报告
第八学期 1~3 周 总体结构方案设计、外文翻译
4~8 周 雕刻机设计，主要零部件设计
9~11 周 完成相关零部件图纸绘制
12~13周 设计修改完善
14~15周 撰写毕业设计说明书
4.指导教师意见
指导教师：
年 月 日
大学本科生毕业设计
摘 要
雕刻机制作工艺日渐成熟，应用范围也日渐广泛。大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用范围无处不在。但雕刻机的价格均比较高,为了提高其普及率,设计开发一个经济、简练的机械运动系统是很具有重要的理论意义和实用价值的。
本文简要地介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外同类雕刻机的特点，说明了雕刻机的功能和使用范围。综合运用机械设计制造和加工工艺等知识，提出了简化雕刻机运动系统的设计思路。其次，讨论和确定了本雕刻机的总体结构布局。本雕刻的运动系统包括了主运动系统和进给运动系统。其主运动系统采用电机直接接刀具，省去中间传动，而进给运动系统是采用步进电机带动滚珠丝杠使部件在导轨上平移来实现三轴联动。再次，对主电机的选用、滚珠丝杠、步进电机以及导轨等主要零部件进行了详细的设计与计算。本雕刻机有着安装方便，结构简单、新颖，制造成本低等优点，可用于中小型雕刻机，对雕刻机价格具有一点的影响。
关键词：雕刻机，运动系统，三维
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 录
摘 要 - 0 -
目 录 - 2 -
第一章 绪论 - 4 -
1.1 雕刻机的概述 - 4 -
1.2设计研制的雕刻机的特点 - 4 -
1.3研制的雕刻机功能及使用范围： - 5 -
第二章 系统分析与方案的订制 - 6 -
2.1三维雕刻机的设计参数 - 6 -
2.2雕刻机总体方案选择 - 7 -
2.2.1总体布局要求[2] - 7 -
2.2.2总体方案确定 - 8 -
2.3雕刻机运动系统方案设计 - 8 -
2.3.1坐标系统的确定[2] - 9 -
2.3.2总体结构 - 10 -
2.3.3主运动方案 - 10 -
2.3.4进给运动方案 - 10 -
第三章 主运动系统的设计及校核 - 11 -
3.1铣削力、扭矩和功率的计算[3][4] - 11 -
3.2钻削力、扭矩和功率的计算[5] - 12 -
3.3主运动系统的设计 - 14 -
3.3.1主运动系统的方案[6] - 14 -
3.3.2主轴电机的设计计算[6][7] - 14 -
第四章 进给运动系统设计计算 - 16 -
4.1 Z方向进给运动系统设计 - 16 -
4.1.1 Z方向进给运动系统组成 - 16 -
4.1.2滚珠丝杠副的设计计算[8][9][10] - 16 -
4.1.3滚珠丝杆的校核 - 21 -
4.1.4 Z方向进给电机的设计计算[11] - 24 -
4.1. 5联轴器的选择 - 25 -
4.1. 6 Z方向直线导轨副的设计计算[12] - 26 -
4.2 X方向进给运动系统设计 - 27 -
4.2.1 X方向进给运动系统组成 - 27 -
4.2.2滚珠丝杠副的设计计算[8][9][10] - 28 -
4.2.3滚珠丝杆的校核 - 31 -
4.2.4 X方向进给电机的设计计算[11] - 33 -
4.2.5联轴器的选择 - 35 -
4.2.6X方向直线导轨副的设计计算[12] - 35 -
4.3 Y方向进给运动系统设计 - 36 -
4.3.1 Y方向进给运动系统组成 - 36 -
4.3.2滚珠丝杠副的设计计算[8][9][10] - 36 -
4.3.3滚珠丝杆的校核 - 39 -
4.3.4 Y方向进给电机的设计计算[11] - 42 -
4.3.5联轴器的选择 - 43 -
4.3.6Y方向直线导轨副的设计计算[12] - 43 -
4.4 雕刻机设计参数的确定 - 44 -
结 论 - 45 -
参考文献 - 46 -
致 谢 - 47 -
本科毕业设计（论文）资料 - 48 -
大学本科毕业设计（论文）过程管理资料
本科毕业设计中期报告
填表日期： 年 月 日
学院
班级
学生姓名
课题名称：
雕刻机运动系统的设计
课题主要任务：
1. 雕刻机的选型、设计及计算
2. 主要参数的设计及计算
3. 绘制雕刻机的装配图、运动系统部件图及相关零件图。
1、简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果
通过对文献资料的阅读，已经得出总体设计方案、完成编写了大部分设计说明书，并绘制出雕刻机的总装配图及Z轴、X轴和Y轴的运动部件部件装配图。
2、下一步的主要研究任务，具体设想与安排
对各轴受力进行设计校核；
修改完善设计说明书；
绘制所有设计图纸，包括雕刻机的装配图、运动系统部件图及相关零件图；
3、存在的具体问题
丝杠，导轨及联轴器的校核的力学问题。
关于零件材料选择问题。
零件图的尺寸的科学表达和装配图的配合问题。
4、指导教师对该生前期研究工作的评价
指导教师签名：
日 期：
毕业设计（论文）指导教师评阅表
学院（部）： 机械工程学院
学生姓名
学 号
班 级
专 业
指导教师
姓 名
课题名称
雕刻机运动系统的设计
评语：（包括以下方面，①学习态度、工作量完成情况；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；）
是否同意参加答辩：
是□ 否□
指导教师评定成绩
分值：
指导教师签字： 年 月 日
毕业设计（论文）评阅教师评阅表
学院（部）：
学生姓名
学 号
班 级
专 业
机械设计制造及其自动化
课题名称
雕刻机运动系统的设计
评语：（对论文学术评语，包括选题意义；文献利用能力；所用资料可靠性；创新成果及写作规范化和逻辑性）
针对课题内容给设计者（作者）提出3个问题，作为答辩时参考。
1.
2.
3.
评 分：
是否同意参加答辩
是□ 否□
评阅人签名： 年 月 日
毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表
学院（部）（公章）：
学生姓名
学号
班 级
答辩
日期
课题名称
雕刻机运动系统的设计
指导
教师
成 绩 评 定
分值
评 定
教师
1
教师
2
教师
3
教师
4
教师
5
小计
课题介绍
思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。
30
答辩
表现
思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确、深入,知识面宽。
70
合 计
100
答 辩 评 分
分值：
答辩小组长签名：
答辩成绩a：
× ％＝
指导教师评分
分值：
指导教师评定成绩b：
× ％＝
评阅教师评分
分值：
评阅教师评定成绩c：
× ％＝
最终评定成绩：
分数： 等级：
答辩委员会主任签名：
年 月 日
说明：最终评定成绩＝a+b+c，三个成绩的百分比由各学院（部）自己确定。
5
大学本科生毕业设计
摘 要
雕刻机制作工艺日渐成熟，应用范围也日渐广泛。大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用范围无处不在。但雕刻机的价格均比较高,为了提高其普及率,设计开发一个经济、简练的机械运动系统是很具有重要的理论意义和实用价值的。
本文简要地介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外同类雕刻机的特点，说明了雕刻机的功能和使用范围。综合运用机械设计制造和加工工艺等知识，提出了简化雕刻机运动系统的设计思路。其次，讨论和确定了本雕刻机的总体结构布局。本雕刻的运动系统包括了主运动系统和进给运动系统。其主运动系统采用电机直接接刀具，省去中间传动，而进给运动系统是采用步进电机带动滚珠丝杠使部件在导轨上平移来实现三轴联动。再次，对主电机的选用、滚珠丝杠、步进电机以及导轨等主要零部件进行了详细的设计与计算。本雕刻机有着安装方便，结构简单、新颖，制造成本低等优点，可用于中小型雕刻机，对雕刻机价格具有一点的影响。
关键词：雕刻机，运动系统，三维
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 录
摘 要 - 0 -
目 录 - 2 -
第一章 绪论 - 4 -
1.1 雕刻机的概述 - 4 -
1.2设计研制的雕刻机的特点 - 4 -
1.3研制的雕刻机功能及使用范围： - 5 -
第二章 系统分析与方案的订制 - 6 -
2.1三维雕刻机的设计参数 - 6 -
2.2雕刻机总体方案选择 - 7 -
2.2.1总体布局要求[2] - 7 -
2.2.2总体方案确定 - 8 -
2.3雕刻机运动系统方案设计 - 8 -
2.3.1坐标系统的确定[2] - 9 -
2.3.2总体结构 - 10 -
2.3.3主运动方案 - 10 -
2.3.4进给运动方案 - 10 -
第三章 主运动系统的设计及校核 - 11 -
3.1铣削力、扭矩和功率的计算[3][4] - 11 -
3.2钻削力、扭矩和功率的计算[5] - 12 -
3.3主运动系统的设计 - 14 -
3.3.1主运动系统的方案[6] - 14 -
3.3.2主轴电机的设计计算[6][7] - 14 -
第四章 进给运动系统设计计算 - 16 -
4.1 Z方向进给运动系统设计 - 16 -
4.1.1 Z方向进给运动系统组成 - 16 -
4.1.2滚珠丝杠副的设计计算[8][9][10] - 16 -
4.1.3滚珠丝杆的校核 - 21 -
4.1.4 Z方向进给电机的设计计算[11] - 24 -
4.1. 5联轴器的选择 - 25 -
4.1. 6 Z方向直线导轨副的设计计算[12] - 26 -
4.2 X方向进给运动系统设计 - 27 -
4.2.1 X方向进给运动系统组成 - 27 -
4.2.2滚珠丝杠副的设计计算[8][9][10] - 28 -
4.2.3滚珠丝杆的校核 - 31 -
4.2.4 X方向进给电机的设计计算[11] - 33 -
4.2.5联轴器的选择 - 35 -
4.2.6X方向直线导轨副的设计计算[12] - 35 -
4.3 Y方向进给运动系统设计 - 36 -
4.3.1 Y方向进给运动系统组成 - 36 -
4.3.2滚珠丝杠副的设计计算[8][9][10] - 36 -
4.3.3滚珠丝杆的校核 - 39 -
4.3.4 Y方向进给电机的设计计算[11] - 42 -
4.3.5联轴器的选择 - 43 -
4.3.6Y方向直线导轨副的设计计算[12] - 43 -
4.4 雕刻机设计参数的确定 - 44 -
结 论 - 45 -
参考文献 - 46 -
致 谢 - 47 -
本科毕业设计（论文）资料 - 48 -
第一章 绪论
1.1 雕刻机的概述
雕刻可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏形。在我国北宋时期便发明了活字印刷，《梦溪笔谈》有记:“其法用胶泥刻字，薄为钱唇，每字为一印，火烧令坚……”。这里的刻字应属于雕刻的范畴。随着时代的发展，我国的雕刻艺术日益精深，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝。
上世纪90年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机，刻章机再到三维雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用范围无处不在。
雕刻机(Engraving Plotter)，顾名思义就是用机器代替人工进行雕刻的设备。
1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，
直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从2D→2.5D→3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。
国外的雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，但价格非常昂贵。不管大小都在10万圆人民币以上;近几年国内的雕刻机，北京“精雕”、上海“啄木鸟”在国内也有一定的市场，但价格也不菲。为了使雕刻机能够更广泛的应用，设计出一种经济型的雕刻机，所以决定对三维雕刻机进行研制[1]。
1.2设计研制的雕刻机的特点
本雕刻机是一种典型的机电一体化设备，由于本人学的是机械设计，只对机械部分进行设计，本设计简化机械结构，提高精度。主要措施是采用电机直接接刀具来实现主运动系统、步进电机直接与滚珠丝杠连接，从而省去了机械运动链，这不但简化了机械结构，而且减少了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。
1.3研制的雕刻机功能及使用范围：
雕刻机可以完成切（Cutting）、刻（Engraving）、雕（Carving & Molding）,现主要在以下方面得到了广泛的运用：
1) 标志标牌行业 如胸牌、桌牌、指示牌、导向牌和大型标示牌。
2) 礼品行业个性化礼品——打火机、手表、钢笔、餐具……，可雕刻在偶然性能想象到的所有个人用品上；广告礼品——启瓶器、金属名片、钥匙链等，所有用于赠送的小礼品和企业特殊礼品作为广告宣传之用；奖品、纪念品——各种奖杯、奖牌、奖盘及各种纪念牌；图像雕刻——用于纪念性的人像/图像雕刻。
3) 模具行业 进行小型模具加工。
4) 工业应用 各种仪器仪表的刻度盘、部件打标、机器铭牌、操作面板等。
5) 建筑模型业 用于房地产开发、城市规划、军事等用途的模型制作。
6) 其他商业应用 印章等物品的雕刻。
以下是几种产品的样品图：
图1.1 几种雕刻产品的样品图
第二章 系统分析与方案的订制
2.1三维雕刻机的设计参数
下表为本设计雕刻机的参数表
表2.1 雕刻机参数表
规格型号
X,Y轴
雕刻范围
600×800
进给速度
(mm/s)
工作
1,2,3,5,8,10,15,20,30,40,50,60
快速
20,40,60
机械精度(mm)
0.01
Z轴
最大行程
90
进给速度
(mm/s)
工作
0.5,1,2,3,5,8,10
快速
5,10,15,20,25,30
机械精度(mm)
0.01
指令精度(mm)
0.0025
主轴转速(rpm)
6000~20000
最大工件重量(kg)
20
水平精度(mm)
0.2
直线精度(mm)
0.1/300
垂直精度(mm)
±0.3/300
原点精度(mm)
±0.2
定位精度(mm)
0.025
重复定位精度(mm)
0.01
工作台面的平面度(mm)
0.03/500
横梁移动的垂直度(mm)
0.02/300
主轴锥孔中心线的径向跳动(mm)
0.02
主轴的轴向窜动(mm)
0.01
主轴回转中心线对工作台面的垂直度(mm)
0.03
刀具上下移动对工作台面垂直度(mm)
0.02
2.2雕刻机总体方案选择
2.2.1总体布局要求[2]
雕刻机总体布局的基本要求有以下几点:
(1)首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求。
(2)确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。
(3)确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平。
(4). 应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修；便于输送、装卸工件和清理；注意防护，确保安全。
(5). 结构简单，合理可靠，便于加工和装配。
(6). 体积小，重量轻，节约原材料，降低制造成本，缩小占地面积，外型美观大方。
在满足总体布局的基本要求的基础上，还应当考虑影响雕刻机布局的基本因素:
1）. 表面形成运动的影响
不同形状的加工表面往往采用不同的刀具来加工，从而表面形成运动的形式和数目就不同，并导致布局的差异。相同形状的加工表面，由于工件的技术要求和生产率要求等不同，也可以采用不同的刀具，不同的表面形成运动来加工，从而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成运动直接决定了雕刻机布局的形式是影响雕刻机布局的决定性因素。因而，在布局雕刻机时，必须根据加工要求，全面、综合地考虑工件的表面形成方法及运动，以期作出具有较好技术经济效果的布局设计。
2） 雕刻机运动分配的影响
工件表面形成方法及运动相同，而雕刻机的运动分配不同，雕刻机的布局亦不同。对于同一种运动分配的布局，由于导轨的布置及其它结构型式的不同，也将使雕刻机的布局出现变化。在分配雕刻机运动时，一般应注意以下三点:
(1)移动部件的重量应尽量轻。在其他条件相同的情况下，越小，所需电机功率和传动件的尺寸也越小。
(2)应有利于提高加工精度。
(3)应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积。
3）. 工件的尺寸、重量和形状的影响
工件的表面形成运动及雕刻机部件的运动分配基本相同，而工件的尺寸、重量和形状的不同，雕刻机的布局也会有很大差异。
另外，还应考虑雕刻机性能要求的影响，如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性;操纵方便性的影响;模块化设计法的影响等等。
2.2.2总体方案确定
通过查阅相关资料，目前雕刻机基本布局形式通常有如图2.1所示的两种方案:
图2.1 雕刻机布局简图
这两种布局都采用龙门框架结构，雕刻机的刚度均较高。
布局(l)方案中，工作台固定，雕刻头作横向和上下移动，立柱作纵向移动。该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机。由于工作台不动，承载能力好，适合加工较重的工件。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便。但雕刻头运动精度较难保证且立柱移动较笨重。
布局(2)方案中，立柱固定，雕刻头作横向和上下移动，工作台作纵向移动。由于工作台移动，承载能力较布局(1)方案差。若设计所承载工件的较轻，这种布局方式所需电机功率和传动件的尺寸较小，移动较轻便。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便，但支架结构较布局(1)方案略显复杂。该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证。
经以上比较，充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三维雕刻机的设计参数，采用布局(1)方案。
2.3雕刻机运动系统方案设计
本部分着重研究在确定了总体布局型式后对雕刻机各组成部分方案的选择,它包括：有效雕刻区域、滚珠丝杠的结构型式和参数、直线导轨的结构型式和参数、主电机的结构型式和参数、步进电机的结构型式和参数、主运动和进给运动的传递方式和转速范围等;
2.3.1坐标系统的确定[2]
雕刻机的坐标系统采用右手法则，直角卡笛儿坐标系统。基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，对相应每一个旋转运动符号为A、B、C，如图2.2所示。Z轴为平行于雕刻机主轴的坐标轴，垂直于工件装卡面。
图2.2 右手坐标系统
图2.3 本雕刻机的总体布局和坐标系统的确定
2.3.2总体结构
机械本体部分是雕刻机的骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分。在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计的结构，减轻整机重量，缩短产品的设计和制造的周期，其主体框架采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用塑料件和饭金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。
2.3.3主运动方案
雕刻机主运动方案通常有两种方案:直接采用专用的雕刻头或采用直流电机带动主轴机构。真流电机加上带轮虽然也可以满足主轴速度的要求，而且也比较便宜，但会增加机械结构的复杂程度。专用的雕刻头的优点在这里不在复述，配以与之配套的变频调速装置，既简单又实用，故采用专用的雕刻机电机。
2.3.4进给运动方案
由前所述，采用横梁固定、工作台移动实现相对运动的方式，机头在横梁上移动(X向)，实现雕刻宽度;工作台在底座上移动(Y向)，实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z向)，实现雕刻深度。由于滚珠丝杠副具有很多优点,因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。步进电机和滚珠丝杠副直接连接。至于导轨,各运动链中支承件均采用滚动直线导轨副。
第三章 主运动系统的设计及校核
三维机械雕刻机的加工对象主要是塑料、橡胶等有机材料和铝、铜及其合金等有色金属材料，这些材料具有较高的强度和良好的塑性。
以下采用了硬质合金直柄立铣刀(d0=8mm，z=2)和高速钢标准麻花钻(d0=3mm)在铝板(180MPa)上进行铣削和钻削，分别进行切削力、切削扭矩和切削功率的计算。
根据三维机械雕刻机的加工范围和使用功能及用户在实际生产过程中不同的切削方式的所使用时间的分配，经过统计，大致可将切削方式分为强力切削(切)、一般切削(雕)、精细切削(刻)和快速进给四种切削方式，使用时间的分配分别是10%，30%，50%，10%。
3.1铣削力、扭矩和功率的计算[3][4]
查参考文献[3]，可得知下有关于铣削力、铣削扭矩和铣削功率的经验公式。
(3.1)
(3.2)
(3.3)
式中圆周铣削力(N)，铣削条件改变时铣削力修正参数，扭矩M ()，铣削功率 ()，查参考文献取铣削宽度，铣削深度，进给速度，铣削速度，铣刀外径,每齿进给量，铣刀齿数,铣刀转速。
查《机械加工工艺手册一卷》表9.4-10得以下与硬质合金钢立铣刀的对应参数:
,,,,,,1(加工45号钢)
将已知参数代入式(3.1) (3.2) (3.3)进行简化，可得到仅与切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n有关的计算公式。
（3.4）
（3.5）
（3.6）
另丝杠转速 （3.7）
初选丝杠导程
将四种切削方式下的切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n的变量代入分别计算。
1)．强力切削
将参数=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
将参数=1，=1200，=15000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得
=300
=112
=0.448
=0.702
3)精细切削
将参数=0.5，=2400，=20000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得
=600
=79
=0.316
=0.660
4)快速进给
将参数=0，=3600，=0代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得
=900，=0， =0，=0
3.2钻削力、扭矩和功率的计算[5]
查参考文献[5], 可得知下有关于铣削力、铣削扭矩和铣削功率的经验公式
(3.8)
(3.9)
(3.10)
式中钻削轴向力F (N)，加工条件改变时的切削力修正参数，钻削扭矩M ()，加工条件改变时的切削力修正参数，钻削功率 (),进给速度，铣削速度,钻头外径，进给量，钻头转速
查《机械加工工艺手册二卷》表10.4-11得以下与高速钢标准麻花钻想对应的参数：,,,,,,（加工45号钢）将查得参数代入(3.8) (3.9) (3.10),可得到仅与进给速度和钻头转速有关的计算公式。
（3.11）
（3.12）
（3.13）
另丝杠转速 （3.14）
初选丝杠导程
将四种切削方式中进给速度和钻头转速的变量代入分别计算
1)强力切削
将参数=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
将参数=480，=15000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得
=120
=161
=0.20
=0.30
3)精细切削
将参数=600，=20000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得
=150
=154
=0.166
=0.149
4)快速进给
将参数=900，=0代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得
=900/4=225，=0， =0，=0
3.3主运动系统的设计
本节着重设计计算主运动系统中主轴电机的结构形式，以确定其型号及参数。为了减少主运动系统的所占的空间，采用了由主轴电机直接接上刀夹，中间不采用传动机构。
3.3.1主运动系统的方案[6]
为了简化机械结构，本设计采用主轴电机直接接上刀夹，省去了传动链，大大了减少了所占空间，减少了损耗。
3.3.2主轴电机的设计计算[6][7]
根据前两节的计算结果，取一定的安全系数，忽略传动效率，主轴电机所需扭矩、功率和转速计算过程如下：
1）转矩计算
查参考文献[6] 《机电一体化系统设计手册》可知所采用的电机的扭矩
由章节3.1和3.2计算结果可知,最大扭矩值为0.44
故使便可满足要求
确定额定转矩为
2）功率计算
查参考文献[6] 《机电一体化系统设计手册》,所采用的电机的功率
由章节3.1和3.2计算结果可知,最大功率为0.72
故使
确定额定功率
因此,电机选用安阳莱必泰机械有限公司的生产的雕刻机用电主轴,外形图与参数表如下:
图3-1 雕刻机主轴电机的外形图
表3-1 雕刻机主轴电机的技术参数表
主轴型号Spindle type
转速Speed
(r/min)
电机 Motor
外形尺寸 Dimensions(mm)
变频器Conv
Kw
润滑Lub
冷却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 进给运动系统设计计算
雕刻机的进给运动分为三部分：主轴的上下移动、小车的左右移动和横梁的前后移动。它们的设计没有本质的区别。三部分分别为Z主轴部件，X轴部件，Y轴部件。这一节先着重对Z轴进给运动传动链中进给电机、滚珠丝杠和直线导轨，以确定规格型号及参数
4.1 Z方向进给运动系统设计
4.1.1 Z方向进给运动系统组成
由前章所述，步进电机直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.1所示
图4.1 Z方向进给运动系统简图
4.1.2滚珠丝杠副的设计计算[8][9][10]
以钻孔时对Z轴丝杠的轴向力最大,以其为例进行设计计算,过程如下:
4.1.2.1 当量转速与当量载荷确定
1）各种切削方式下丝杠的转速
查3.2节计算结果得四种加工方向下丝杠转速：
2）求各种切削方式下轴向载荷
主轴部件设计模拟模型如图4.2
图4.2 主轴部件模型图
丝杠受到的轴向力包括主轴部件的重力和导轨摩擦力以及钻削力,即
(4.1)
设重心在部件的中心,由于重心与导轨不在一线上,所以对导轨产生扭矩,导轨的受力如简图4.3,两导轨的中心距离a=40mm，重心与丝杠的水平距离mm,轴向切削力与丝杠的水平距离mm.查《机械设计手册》中导轨章节得此类装法对导轨的作用力
(4.2)
作用在导轨上的磨擦力
(4.3) 图4.3 Z方向导轨受力简图
将式(4.3)代入式(4.1)得
(4.4)
动摩擦系数理论上为0.01,但实际应用中由于安装平行度，为消除间隙采取的
预紧，回珠器曲线失真（在高速时体现），内外滚道一致性等因素不可控性太强。常
常大于理论值很多。所以动摩擦系数按照0.1核算，静摩擦系数按0.2核算。
查章节3.2得四种加工方式下的钻削力：
166，161，154，
初步估计设计出来的主轴部件重量5(kg)
分别代入式(4.4)得四种加工方式下丝杠所受轴向力：
167,160,150,.
3)当量转速
当量转速计算公式为 (4.5)
四种切削方式的使用时间占总使用时间的百分比与丝杠转速分别为：
代入式(4.5)
=141
4）当量载荷
当量载荷计算公式为 (4.6)
以上计算结果代入式(4.6)
=146
4.1.2.2 预定额定动载荷
1）按预期工作时间估算：
动载荷设计公式为 (4.7)
查《机床设计手册》第四册表9，轻微冲击取负载性质系数，查表7，按7级精度,查表8，按可靠性97%取可靠性系数,当量载荷=146,当量转速=141,根据设计要求,本雕刻机预期工作时间15000
代入式(4.7)
=2084
2)拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算： (4.8)
查《机床设计手册》第四册表10，轻预载取
代入式(4.8)=1118
取两种结果的大值. 2084
4.1.2.3 螺纹最大轴向变形量及螺纹最小底径确定
1）估算允许的最大轴向变形量
的重复定位精度，故
又的定位精度，故
取两种结果的小值。
2）估算最小螺纹底径
(4.9)
因采用的是一端固定，一端游动的安装方式，故式中
初定Z方向的行程为90mm 导程=4mm
代入
导轨静摩擦力=30 (N)
代入式(4.9) =1.4
4.1.2.4 初选滚珠丝杠副的规格代号
1)初选内循环浮动式法兰，直筒型垫片预紧螺母，型号代码为FF，导程
2)由计算出的在样本中选取滚珠丝杠副FF1204-3
=2084，=1.4。
选用南京工艺装备制造有限公司的滚珠丝杠，外形与参数表如下图4.3,表4.1
3)．确定滚珠丝杠副的预紧力
，而且
故55
图4.3 滚珠丝杠外形图
表4.1 滚珠丝杠技术参数与外形尺寸表
规格
代号
公称
直径
d0
公称
导程
Ph0
丝杠
外径
d1
钢球
直径
Dw
丝杠
底径
d2
循环
圈数
基本额定负荷
刚度
Kc
N/μm
动载荷
Ca(KN)
静载荷
Coa(KN)
FF1204-3
12
4
11.3
2.381
9.5
3
4
6.7
208
螺母安装连接尺寸
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 确定滚珠丝杠副支承用轴承型号、规格
1)轴承类型选择依据
因为丝杠所受轴向力很小,而已丝杠采用一端固定于电机上另一端游动,没有预拉伸力，另外,使用直线运动球轴承有以下的优点：
(1)．由于流动接触可使起动磨擦阻力及动磨擦阻力为极小，因此可以节省能源，容易得到较高运动速度。
(2)．对负荷增大，但磨擦系数无敏感变化，因此重负荷下，磨擦系数极小，并且长期保持精度不变，可得机械使用寿命长期保持。
(3)．直线运动轴承互换性好，安装使用方便省时，并使机械结构新颖，小型，量轻之特点。
(4)．节省给油手续，达到简化润滑保养的目的。
(5). 两侧附加油封的轴承还适用与灰尘较多或 异物容易侵入的场所。
因此，选用LMF-10型的直线轴承为Z轴的轴承。
2)轴承型号
深圳市万臣科技有限公司有直线轴承,外形参数如下:
图4.4 圆法兰型 :LMF-UU外形图
表4.2 参数与安装尺寸表
轴承型号
球列数
外型尺寸(mm)
法兰盘
径摆
(μm)
额定负荷(n)
质量(g)
FW
D
L
DF
t
P
M
动负荷
静负荷
LMF-10
4
10
19
29
40
6
29
M4
12
370
540
61
4.1.2.6 滚珠丝杆长度确定
1)行程补偿值
行程补偿值计算公式为 (4.10)
其中 (4.11)
式中行程，螺母长度，安全行程,
代入式(4.11)得=143
将温差，=143代入式(4.10)得
。
2)滚珠丝杠副工作图设计
(1)丝杠螺纹长度
查参考文献[14]得余程16
(2)绘制工作图
查样本中螺母安装连接尺寸
支承距离 丝杠全长，行程起点距固定点支承距离
4.1.3滚珠丝杆的校核
4.1.3.1 传动系统刚度
1)丝杠抗压刚度
由于本丝杠采用一端固定另一端游动,如下图4.5
图4.5 安装示意图
查参考文献[9]得抗压刚度计算公式： (4.12)
由4.1.2.6节查得丝杠底径9.5，两支承距离，行程起点距固定点支承距离，代入式(4.12)分别得
最小抗压刚度455 （）
最大抗压刚度2106 （）
2)丝杠支承副的刚度
以一端固定一端游动的安装法，由于选用的是直线轴承，没有接触角，而一端固定提供了轴向力。故按参考文献内的推力轴承刚度公式计算。
支承副的刚度 (4.13)
式中滚动体直径，滚子数，最大轴向载荷167，代入式(4.13)得116
1) 丝杠滚珠和滚道的接触刚度
接触刚度 (4.14)
查参考文献[9]得: 额定刚度208,动载荷4000(N), 滚珠丝杠副的预紧力45(N)代入式(4.14)得
4.1.3.2 刚度验算及精度选择
1) 最小实际统刚度 (4.15)
最大实际系统刚度 (4.16)
查4.1.3.1节得最小抗压刚度455()，最大抗压刚度2106 ()
丝杠支承副的刚度=116()，接触刚度分别代入式(4.15)和式(4.16)得
得()
()
2) 验算传动系统刚度
静摩擦力
根据设计要求，初定系统反向差值或重复定位精度为10
设计要求系统刚度<=47.6 故实际系统刚度满足要求
3) 根据参考文献[10]中表17-44,有定位精度的数控机械和精密机械可参考选用三~四级精度
4.1.3.3 验算临界压缩载荷
临界压缩载荷 (4.17)
查参考文献[8]垂直安装的安全系数,一端固定一端游动的支承系数
查4.1.2.5节与4.1.2.6节得丝杠底径=9.5mm,两支承距离=185 mm
代入式(4.17)得远大于最大负载，故满足要求。
4.1.3.4 验算临界转速
临界转速计算公式: (4.18)
式中是与以一端固定一端游动的安装方式有关的系数，查表参考文献[14]得f=15.1
螺母与游动端的距离=185mm, 丝杠底径=9.5 mm,代入式(4.18)得
49855
工作最大转速
故滚珠丝杠满足要求
4.1.3.5 值的验算
(4.19)
式中滚珠丝杠的节圆直径＝15.88，最高转速代入得
符合要求
4.1.3.6 基本轴向额定载荷验算
式中=167N，查参考文献[8]得丝杠载荷的静态安全系数，
查丝杠样本最大静载荷,代入式中
故轴向额定载荷满足要求
4.1.3.7 确定滚珠丝杠的规格代号
根据Z方向进给滚珠丝杠校核计算，确定其为以下型号: 型号FF1204-3,公称直径：12mm,导程：4 mm, 螺纹长度：180 mm,丝杠全长：220 mm, P类3级精度FF1204-3 /220×180
4.1.4 Z方向进给电机的设计计算[11]
4.1.4.1 作用在丝杠副上的各种转矩
1)外加载荷产生的摩擦力矩
外加载荷产生的摩擦力矩 (4.20)
由4.1.2.1节查得丝杠最大轴向力导程,三级精度的丝杠副效率
代入式(4.20)得=0.118(Nm)
2)预加载荷产生的预紧力矩
预紧力矩 (4.21)
由4.1.2.4节查得滚珠丝杠预紧力:代入式(4.21)得
(Nm)
4.1.4.2 计算转动惯量
1)负载转动惯量
(1)丝杠的转动惯量 (4.22)
由4.1.2.6节查得丝杠全长22,外径1.13,密度
代入式(4.22)得丝杠转动惯量27.6
(2)回转件总转动惯量公式为 (4.23)
从4.1.2.1节查得代入式(4.23)得
回转件总转动惯量20
(3)直线运动件的转动惯量 (4.24)
初步估计主轴部件重量查3.2节得:
代入得11.5
总的负载转动惯量31.5
2)电机转动惯量
步进电机57BYG250A
查样本,60. .
3)总的转动惯量负载转动惯量与电机转动惯量之和
即转动惯量91.5
4.1.4.3 Z轴步进电机启动转矩计算
1)最大加速转矩
最大加速转矩 (4.25)
查3.2节得最大给进速度，从静止加速到最大速度所要时间
代入式(4.25)得=1.07
2).连续工作最大转矩 (4.26)
查4.1.4.1节得摩擦力矩=0.118(Nm)，预紧力矩(Nm)，系数i取1.5
代入式(4.26)得0.189(Nm)
查样本:额定转矩0.35(Nm)
因，满足要求。
3).最大启动转矩(Nm)
查样本得额定启动转矩为0.8(Nm)>0.199(Nm)，所选用的步进电机满足要求。
4.1. 5联轴器的选择
由于最大启动转矩,故选用以下联轴器
图4.6 联轴器外形
表4.3 参数表
规格
Ød1,Ød2
轴径
ØD
L
L1
L2
M
性能参数
扭矩
偏心角度
最高转速
螺丝（M）
材料
SDWA
31
6.35
10
31.8
23.8
7
M4
*2
30
N·CM
3º
15000
r/min
M4
进口专用
材料
4.1. 6 Z方向直线导轨副的设计计算[12]
1) 初选直线导轨副的型号为GTB GTBt型封闭式滚动直线导套副
图4.7 导轨副外形图
表4.4 所选导轨副参数表
2) 拟定滑块总数M=4单根导轨两滑声块
3) 负载计算动载荷 (4.27)
查4.1.2节得主轴部件重量为5(kg)，=120N
代入式(4.27)得＝120<额定动载荷=550N
而静载荷=37.5<额定静载荷=920 N 故所选导轨满足载荷要求
4) 寿命计算
(1)导轨在有效时间内的总行程 (4.28)
式中为温度系数，在小于100度的温度下＝1；为接触系数，每根导轨的支承为二，；＝162，为硬度系数，通常取1； 为载荷系数，轻微冲击取＝1.5。代入式(4.28)得＝758Km
(2)寿命 (4.29)
式中导轨套单行程长=0.09m,按每分种往复次数4算,代入式(4.29)得
=17547>15000
所选的导轨满足寿命要求。
4.2 X方向进给运动系统设计
本雕刻机共分成三部分的运动,X轴的进给运动系统设计与Z轴的进给系统设计并无本质区别,这一节简单的对X轴设计计算。
4.2.1 X方向进给运动系统组成
同前一节所述，步进电机直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.8所示
图4.8 X轴进给运动系统传动链图
4.2.2滚珠丝杠副的设计计算[8][9][10]
以铣削时对X轴丝杠的轴向力最大,以其为例进行设计计算,过程如下:
4.2.2.1 当量转速与当量载荷确定
1）各种切削方式下丝杠的转速
查章节3.1计算结果得四种加工方向下丝杠转速：
2）求各种切削方式下轴向载荷
在X轴上整体移动的小车部件设计模拟模型如图4.9
图4.9 小车部件模型图
丝杠受到的轴向力包括导轨摩擦力以及铣削力,即
(4.30)
导轨的受力如右简图,重心和导轨的水平距离＝60mm,两导轨套中心距离mm,导轨套与部件中心线的距离，上下两导轨套距离b=110,重力G=.查《机械设计手册》中导轨章节得此类装法对导轨的作用力
(4.31) 图4.10 X方向导轨受力简图
(4.32)
而作用在导轨上的力 (4.33)
摩擦力 (4.34)
将式(4.31)、式(4.32)、式(4.33)、式(4.34)与式(4.30)合并得作用在丝杠上的总轴向力 (4.35)
查3.1节得四种加工方式下的钻削力：
68，112,79，
初步估计设计出来的小车部件重量10(kg)
分别代入式(4.35)得四种加工方式下丝杠所受轴向力：
90,136,100,19
3)当量转速
四种切削方式的使用时间占总使用时间的百分比与丝杠转速分别为：
代入式(4.5)得当量转速
=483
4）当量载荷
以上计算结果代入式(4.6)
=103
4.2.2.2 预定额定动载荷
1)按预期工作时间估算：
查《机床设计手册》第四册表9，轻微冲击取负载性质系数，查表7，按7级精度,查表8，按可靠性97%取可靠性系数,当量载荷=103,当量转速=483,根据设计要求,本雕刻机预期工作时间15000代入式(4.7) 得
=2881
2)拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算
查《机床设计手册》第四册表10，轻预载取
代入式(4.8)=911
取两种结果的大值. 2881
4.2.2.3 螺纹最大轴向变形量及螺纹最小底径确定
1）估算允许的最大轴向变形量
的重复定位精度，故
又的定位精度，故
取两种结果的小值。
2）估算最小螺纹底径
(4.36)
因采用的是一端固定，一端游动的安装方式，故式中
初定Z方向的行程为600mm 导程=4mm
代入768
导轨静摩擦力静摩擦力
=38(N)
代入式(4.36) =4.71
4.2.2.4 初选滚珠丝杠副的规格代号
1)初选内循环浮动式法兰，直筒型垫片预紧螺母，型号代码为FF，导程
2)由计算出的在样本中选取滚珠丝杠副FF1204-3
=2881(N)，=4.71 。
与Z轴选用一样系列的滚珠丝杠.
3)．确定滚珠丝杠副的预紧力
，而且
故34
4.2.2.5 确定滚珠丝杠副支承用轴承型号、规格
1)轴承类型选择依据
因为丝杠所受轴向力很小,而已丝杠采用一端固定于电机上另一端游动,没有预拉伸力另外由于轴向力较小，因此同样选用LMF-10型的直线轴承为Z轴的轴承2)轴承型号
同Z轴
4.2.2.6 滚珠丝杆长度确定
1)行程补偿值
初定X方向行程，螺母长度，安全行程,代入式(4.11)得=650
将温差，=650代入式(4.10)得
2)滚珠丝杠副工作图设计
(1)丝杠螺纹长度
查参考文献[14]得余程16
考虑到Z轴部件的外形尺寸故将螺纹长度加长至750mm
(2)绘制工作图
查样本中螺母安装连接尺寸
支承距离 丝杠全长，行程起点距固定点支承距离
4.2.3滚珠丝杆的校核
4.2.3.1 传动系统刚度
1)丝杠抗压刚度
由于本丝杠采用一端固定另一端游动,如下图4.11
图4.11 安装示意图
由4.2.2.4节查得丝杠底径9.5，两支承距离，行程起点距固定点支承距离，代入式(4.12)分别得
最小抗压刚度 （）
最大抗压刚度 （）
2)丝杠支承副的刚度
以一端固定一端游动的安装法，由于选用的是直线轴承，没有接触角，而一端固定提供了轴向力。故按参考文献内的推力轴承刚度公式计算。
支承副的刚度 (4.37)
式中滚动体直径，滚子数，最大轴向载荷136，代入式(4.37)得108
2) 丝杠滚珠和滚道的接触刚度
查参考文献[9]得: 额定刚度208,动载荷4000(N), 滚珠丝杠副的预紧力34(N)代入式(4.14)得
91
4.2.3.2 刚度验算及精度选择
4) 查4.2.3.1节得最小抗压刚度120()；最大抗压刚2809()；丝杠支承副的刚度=108()，接触刚度91分别代入式(4.15)和式(4.16)得
得()
()
5) 验算传动系统刚度
静摩擦力=38(N)
根据设计要求，初定系统反向差值或重复定位精度为10
设计要求系统刚度<=35 故实际系统刚度满足要求
6) 根据参考文献[10]中表17-44,有定位精度的数控机械和精密机械可参考选用三~四级精度
4.2.3.3 验算临界压缩载荷
查参考文献[9]垂直安装的安全系数,一端固定一端游动的支承系数；查4.2.2.4节与4.1.2.6节得丝杠底径=9.5mm,两支承距离=700 mm
代入式(4.17)得(N)远大于最大负载，满足要求。
4.2.3.4 验算临界转速
临界转速计算公式: (4.38)
式中是与以一端固定一端游动的安装方式有关的系数，查表参考文献[11]得f=15.1；螺母与游动端的距离=690mm, 丝杠底径=9.5 mm,代入式(4.38)
得临界转速3558
工作最大转速
故滚珠丝杠满足转速要求
4.2.3.5 值的验算
(4.39)
式中滚珠丝杠的节圆直径＝14.11，最高转速代入式中得
符合要求
4.2.3.6 基本轴向额定载荷验算
式中=136N，查参考文献[14]得丝杠载荷的静态安全系数，
查丝杠样本最大静载荷,代入式中
故轴向额定载荷满足要求
4.2.3.7 确定滚珠丝杠的规格代号
根据Z方向进给滚珠丝杠校核计算，确定其为以下型号: 型号FF1204-3,公称直径：12mm,导程：4 mm, 螺纹长度：750 mm,丝杠全长：780 mm, P类3级精度FF1204-3 /750×780
4.2.4X方向进给电机的设计计算[11]
4.2.4.1 作用在丝杠副上的各种转矩
1)外加载荷产生的摩擦力矩
由4.2.2.1节查得丝杠最大轴向力导程,三级精度的丝杠副效率，代入式(4.20)得外加载荷产生的摩擦力矩=0.096(Nm)
2)预加载荷产生的预紧力矩
由4.2.2.4节查得滚珠丝杠预紧力:代入式(4.21)得预紧力矩
(Nm)
4.2.4.2 计算转动惯量
1)负载转动惯量
(1)丝杠的转动惯量
由4.2.2.6节查得丝杠全长78,外径1.13,密度
代入式(4.22)得丝杠转动惯量123
(2)回转件总转动惯量公式为
从4.2.2.1节查得代入式(4.23)得
回转件总转动惯量47.45
(3)直线运动件的转动惯量
初步估计小车部件重量查3.2节得:
代入式(4.24)得15.6
总的负载转动惯量63.2
2)电机转动惯量
步进电机57BYG250A
查样本,60. .
3)总的转动惯量负载转动惯量与电机转动惯量之和
即转动惯量123.2
4.2.4.3 Z轴步进电机启动转矩计算
1)最大加速转矩
查3.1节得最大给进速度，从静止加速到最大速度所要时间
代入式(4.25)得=1.9
2).连续工作最大转矩
查4.2.4.1节得摩擦力矩0.096(Nm)，预紧力矩(Nm)，系数i取1.5
代入式(4.26)得0.101(Nm)
查样本:额定转矩0.35(Nm)
因，满足要求。
3).最大启动转矩(Nm)
查样本得额定启动转矩为0.8(Nm)>0.12(Nm)，所选用的步进电机满足要求。
4.2.5联轴器的选择
由于最大启动转矩,故选用与Z方向相同规格的SDWA31联轴器
4.2.6X方向直线导轨副的设计计算[12]
1) 初选直线导轨副的型号为GTA GTAt型开放滚动直线导套副
图4.12 导轨副外形图
表4.5 所选导轨副参数表
2) 拟定滑块总数M=4单根导轨两滑声块
3) 负载计算动载荷
查4.1.2节得主轴部件重量为5(kg)，=90
代入式(4.27)得＝67<额定动载荷=550N
而静载荷47<额定静载荷=920 N 故所选导轨满足载荷要求
4) 寿命计算
(1)导轨在有效时间内的总行程 (4.40)
式中为温度系数，在小于100度的温度下＝1；为接触系数，每
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