寵物標(biāo)牌自助刻寫機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、寵物標(biāo)牌自助刻寫機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要目前小尺寸商業(yè)標(biāo)牌的圖案一般是平面圖案，采用數(shù)控加工的方法制作具有立體效果的小尺寸商標(biāo)牌，看起來會更加美觀而高檔，并且有利于長期保存。數(shù)控雕刻機克服了手工雕刻機不足，滿足了社會發(fā)展的要求。本文的主要研究內(nèi)容為在滿足經(jīng)濟性和實用性的要求下設(shè)計一款小巧實用的寵物標(biāo)牌自助刻寫機，以供在商場等公共場所使用。本文主要涉及該雕刻機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括工作方式、絲杠和導(dǎo)軌等的設(shè)計、選擇、參數(shù)計算，對于主要的零部件還要進行嚴(yán)格的校核。最后用 CAD 做零件圖和裝配圖，完成整個設(shè)計。關(guān)鍵詞:標(biāo)牌，刻寫機，結(jié)構(gòu)設(shè)計IIAbstractAt present, most light-

2、sized business product label have been surface desiged. Light-sized lable made by numerical control processing will be more beautiful and Stereoscopic effect,and can be saved conveniencly. The numerical control engraving machine overcame insufficience of the manual engraving machine, has satisfied t

3、he social development request.The paper introduces a practical and economical engraving machine ,which will be used in the public places like market and so on. This article mainly involves this engraving machines mechanism design, including the working style, the guide screw and the guide rail and s

4、o on ,futhermore including the choice, the parameter computation, and the strict examination regarding the main spare part. Finally uses CAD to make the detail drawing and the assembly drawing, completes the entire design .Key words: product label，carve machine，structural design目錄第一章前言1 1.1 本研究課題的學(xué)術(shù)

5、背景11.2 國內(nèi)外雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀及分類.21.2.1 雕刻機的發(fā)展.21.2.2 雕刻機的分類31.2.3 寵物標(biāo)牌刻寫機的現(xiàn)狀41.3 課題研究的主要內(nèi)容5第二章 寵物標(biāo)牌雕刻機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計6 2.1 寵物標(biāo)牌刻寫機的整體結(jié)構(gòu)62.1.1 寵物標(biāo)牌刻寫機的結(jié)構(gòu)特點62.1.2 寵物標(biāo)牌刻寫機的整體結(jié)構(gòu)62.2 寵物標(biāo)牌雕刻機的主運動72.3 寵物標(biāo)牌雕刻機的進給運動 82.4 本章小結(jié).9第三章 寵物標(biāo)牌雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計10 3.1 滾珠絲杠副的選擇 103.1.1 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)原理 103.1.2 滾珠絲杠副特性103.1.3.滾珠絲杠副設(shè)計流程113.1.4 滾珠絲杠副支承方式

6、123.1.5 選取滾珠絲杠傳動系統(tǒng)143.1.6 滾珠絲杠副的選擇163.1.7 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)213.2 步進電機的選擇223.2.1 步進電機選擇原則223.2.2 步進電機的選擇計算 233.3 圓柱直線導(dǎo)軌的選擇243.3.1 圓柱導(dǎo)軌主要性能指標(biāo)24IV3.3.1 圓柱導(dǎo)軌副的選用 253.3.3 圓柱導(dǎo)軌的作用和設(shè)計要求 263. 3.4 圓柱導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計273.3. 5 圓柱導(dǎo)軌剛度校核343.4 聯(lián)軸器的選擇343.4.1 聯(lián)軸器選擇原則343.4.2 聯(lián)軸器選擇過程383.5 雕刻刀具的選擇403.5.1 雕刻刀具選擇原則403.5.2 雕刻刀具選擇423.6 本章小結(jié).

7、43第四章 寵物標(biāo)牌自助刻寫機設(shè)計裝配44 4.1雕刻機絲杠裝配444.2 雕刻機底座裝配454.3 總結(jié).45第五章結(jié)論與展望 .47 5.1 結(jié)論 475.2 技術(shù)經(jīng)濟行分析 475.2.1 市場現(xiàn)狀475.2.2 市場前景475.3 對進一步研究展望 .48參考文獻 .49致 謝65聲 明66第一章 前言1.1 本研究課題的學(xué)術(shù)背景及基本理論雕刻技術(shù)在我過國古已有之，而且經(jīng)過千百年的發(fā)展早已達到很高的水平，其中的藝術(shù)水平和雕刻技術(shù)早已成為中華民族的瑰寶，廣泛應(yīng)用與社會的各個領(lǐng)域， 尤其是標(biāo)牌制作1。在現(xiàn)代社會，商業(yè)日益發(fā)達，商業(yè)活動中的一些商業(yè)標(biāo)牌顯得日趨重要，如大型活動會徽，賓館酒店等

8、活動場所的標(biāo)牌，工作人員佩戴的胸牌，商品上配有的商標(biāo)牌等。圖l一1 是幾種比較典型的商業(yè)標(biāo)牌。圖 1-1 幾種典型的標(biāo)牌像這些美觀的商業(yè)標(biāo)牌，有的鑲嵌在商品上，有的擺放在桌子上，有的掛在門旁，有的佩戴在胸前，能夠起到實用性作用、裝飾性作用或很好的廣告效果。但隨著社會的飛速發(fā)展，科技水平的不斷提高和材料種類的增加，手工雕刻早47已不能滿足社會的需要，主要表現(xiàn)在一下三個方面2: 1、大量生產(chǎn):由于社會需求的增加，手工雕刻已經(jīng)不能滿足批量生產(chǎn)的要求。2、高精度及產(chǎn)品的一致性:手工生產(chǎn)畢竟京都有限不能滿足一致性的要求，所以不能滿足人們?nèi)找嫣岣叩氖褂靡蟆?、材料的適應(yīng)性:隨著各種生產(chǎn)資料的不斷出現(xiàn)手工

9、雕刻也不能適應(yīng)各種材料的要求，材料的特性不同，所需要的加工加工強度各異。目前小尺寸商業(yè)標(biāo)牌的圖案一般是平面圖案，多采用印刷方法制作或激光加工刻畫。若采用數(shù)控加工的方法制作具有立體效果的小尺寸商標(biāo)牌，看起來會更加美觀而高檔，并且有利于長期保存。數(shù)控雕刻機克服了手工雕刻機不足，滿足了社會發(fā)展的要求，并且有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著計算機技術(shù)，電機技術(shù)，機械技術(shù)等各個學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控雕刻的發(fā)展趨勢有3：1、高速高精高效化速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。采用了高速 CPU 芯片、直線電機伺服系統(tǒng)，同時采取了改善雕刻機動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，雕刻機的高速高精高效化將大大提高。2、多樣化數(shù)

10、控雕刻的多樣化是指雕刻機的專業(yè)化和集成化。數(shù)控雕刻加工應(yīng)用范圍廣， 對每種應(yīng)用，加工工序不同，以及進料方式的不同，要求有專業(yè)的雕刻機，來提供用戶的加工效率，產(chǎn)生專業(yè)雕刻機:同時數(shù)控雕刻機將集成加工中心的功能，形成小型高速加工中心。1.2 國內(nèi)外雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀及分類1.2.1 雕刻機的發(fā)展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:“其用膠泥刻字， 薄為錢唇，每字為一印，火燒令堅”。這里的刻字應(yīng)屬于刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精深，玉雕、象牙雕、紅雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可堪稱一絕5。上世紀(jì)

11、90 年代至今，機械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字刻章機再到三維雕刻機，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。大到房建筑的裝飾， 小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標(biāo)識銘牌，可謂雕刻使用范圍無處不在。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(jì) 90 年代，隨著微電子技術(shù)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(shù)和微型計算機技術(shù)帶動整個高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機完成了從 ZD 一 2.5D 一 3D 加工的變革，功能完

12、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”、上海“啄木鳥”在國內(nèi)也有一定的市場，但價格也不菲。建國五十年來，我國的機械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展， 我國機械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達國家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術(shù)含量的新產(chǎn)品，已成為當(dāng)前機械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點。1.2

13、.2 雕刻機的分類目前,雕刻機主要有仿形雕刻機和計算機數(shù)控(CNC)雕刻機兩大類,以完成有互換性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。計算機數(shù)控(CNC)雕刻機按驅(qū)動電機分類, 可分為步進電機驅(qū)動的計算機數(shù)控雕刻機和伺服電機驅(qū)動的計算機數(shù)控雕刻機。后者精度較高,但控制復(fù)雜成本也較高。按運動坐標(biāo)類型進行分類,分為三坐標(biāo)CNC雕刻機和五坐標(biāo)雕刻機。按雕刻機結(jié)構(gòu)進行分類,分為立式CNC雕刻機、臥式CNC雕刻機和龍門CNC雕刻機等6。目前市場上使用的雕刻機的種類主要有以下四類： 1、數(shù)控三維雕刻機這種雕刻機在市場上較為少見，只有在我國南方的一些大型加工中心才有使用，因其價格昂貴，所以只被用來加工高精度的模具。

14、2、大功率激光雕刻機這種雕刻機的特點是功率大，精度高，加工面積大，基于上述特點，此類雕刻機在廣告制作領(lǐng)域有一定用武之地。3、普通激光雕刻機普通激光雕刻機是指功率在 10-100W 的雕刻機此種雕刻機的特點是既可以雕刻又可以切割，并且可以根據(jù)不同的材料和制作要求，雕刻出復(fù)雜的圖案。4、電腦雕刻機電腦雕刻機是在原來手工雕刻機的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。其主要特點是可以換具，還能根據(jù)自己的制造需求制作刀具，所以大大提高加工的實用性。1.2.3 寵物標(biāo)牌刻寫機的現(xiàn)狀根據(jù)對行業(yè)進行采訪所了解到的信息，標(biāo)牌制作行業(yè)的前景應(yīng)該是樂觀的。伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，廣告業(yè)正保持著相當(dāng)高的增長率，與之息息相關(guān)的廣告標(biāo)牌業(yè)， 其市

15、場空間也是空前巨大。并且隨著科技的進步，毫無疑問，在不久的將來，更多的新技術(shù)和新工藝將會應(yīng)用到其中，這又將產(chǎn)生更多的商機。標(biāo)牌制作行業(yè)的發(fā)展，不能不回顧我國標(biāo)牌制作行業(yè)所經(jīng)過的歷程。自 20 世紀(jì) 20年代末，我國上海首先制作銅質(zhì)標(biāo)牌以來，已經(jīng)經(jīng)歷了 80 多年的歷史。在 20 世紀(jì)50 年代前后，標(biāo)牌的生產(chǎn)一直停滯在作坊式的模式，50 年代的末期在一些國營大廠為了給自己的產(chǎn)品配套，才逐步建立起專業(yè)性的生產(chǎn)車間，在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，標(biāo)牌的工藝一直停留在膠膜染色和蝕刻噴漆的工藝過程中。標(biāo)牌的應(yīng)用領(lǐng)域大多局限在機器產(chǎn)品的標(biāo)牌、儀表表盤和單調(diào)的儀器面板7。20 世紀(jì) 60 年代時期，得益于主席紀(jì)念

16、章的制作，全民敬獻忠心，使像章的制作水平不斷提高，一些鋁表面的氧化著色技術(shù)、透明涂料技術(shù)及升華轉(zhuǎn)印技術(shù)、瓷像燒制技術(shù)等都給標(biāo)牌日后的制作奠定了基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 70 年代初，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，我國的部分電子整機產(chǎn)品也競相出口。在這一段時期內(nèi)，標(biāo)牌的裝飾技術(shù)在電子行業(yè)的推動下，日益受到重視，開始運用了以陽極氧化、二次氧化為代表的多種金屬表面的處理技術(shù)。同時網(wǎng)印技術(shù)、膠版印刷技術(shù)等一些較好的圖文制作技術(shù)也逐步得到應(yīng)用與提高，在這一段時期內(nèi)新的光源取代了碳精燈；照相干版代替了濕片；重氮感光片可用于拷片翻版；植字機代替了手工繪稿；連曬機改變了分步重拍；刻圖紅撕膜、預(yù)涂 PS 版、預(yù)涂感光抗蝕膜、重氮

17、感光膠等一大批標(biāo)牌工藝中的基礎(chǔ)材料得到發(fā)展，使標(biāo)牌的制作上了一個新的臺階。20 世紀(jì) 70 年代后期，我國電子行業(yè)已引進了國外的標(biāo)牌裝飾工藝生產(chǎn)線，不僅促進了標(biāo)牌工藝的發(fā)展，而且推動了標(biāo)牌專用設(shè)備的制造。電子工業(yè)部所屬的建新、建昌兩大工廠相繼生產(chǎn)了多種標(biāo)牌裝飾工藝所用的專用設(shè)備，使標(biāo)牌工藝步入機械化作業(yè)的時代。在石材、銅、鋁、有機玻璃、木材等上面進行文字、圖案的雕刻加工, 傳統(tǒng)的主要方法是手工雕刻。這種加工方法不僅勞動強度大、效率低、精度低, 而且成本高、生產(chǎn)周期長, 無法滿足批量生產(chǎn)的要求。金屬標(biāo)牌的加工, 現(xiàn)在常用的一種加工方法是腐蝕加工, 該加工方法不僅造成環(huán)境污染。而且損害操作人員的健

18、康。因此在標(biāo)牌加工和廣告行業(yè)非常需要一種加工效率高、質(zhì)量高、功能強、對環(huán)境無污染的全自動雕刻機。為此我們研制了一種三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機, 以適應(yīng)各種標(biāo)牌的文字(包括反字、常規(guī)字、輪廓字、凹字、凸字、名人或書法家的題字等) 和圖案(線條明晰的圖畫) 的雕刻加工。1.3 課題研究的主要內(nèi)容在滿足經(jīng)濟性、精度、速度的要求下完成寵物標(biāo)牌自助刻寫機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要包括主要零部件的選型、設(shè)計、計算，以及刻寫機的運動方式的選擇。對于主要零部件還要進行強度和剛度的校核。第二章 寵物標(biāo)牌刻寫機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 雕刻機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1.1 寵物標(biāo)牌刻寫機的結(jié)構(gòu)特點經(jīng)濟型刻寫機是指既具有普通的功能和特點，又

19、能夠通過簡化機械結(jié)構(gòu)等方式降低產(chǎn)成本的雕刻機。經(jīng)濟型雕刻機總體布局的基本要求有以下幾點:1、必須滿足加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等各種要求；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(gòu)，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(yīng)的剛度、抗振性、熱變形和噪聲水平；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；能夠確保安全；5、結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于加工和裝配；6、體積小，質(zhì)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。2.1.2 寵物標(biāo)牌刻寫機的整體結(jié)

20、構(gòu)8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(shè)計的結(jié)構(gòu)，減輕整機重量， 縮短產(chǎn)品的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的緊固件和定位銷連接?，F(xiàn)在市面上流行的小型雕刻機工作臺主要有兩種。第一種工作方式如圖2-1 所示工作臺只作Y 方向的移動，而刀具作X 方向和Z 方向的移動。第二種工作方式則如圖2-2 所示工作臺作X,Y 方向的移動，而刀具只作Z 方向的移動9。結(jié)構(gòu)1 的優(yōu)點是制作容易，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但由于工件隨工作臺移動，所以不能加工太重的工件，而且雕刻機尺寸不能

21、太大。結(jié)構(gòu)2 雖然制作也較容易，然而穩(wěn)定性要比結(jié)構(gòu)1 差很多。由于本次設(shè)計對機械部件結(jié)構(gòu)的要求就是要小而輕便，加工工件的質(zhì)量也是比較輕，因此選用結(jié)構(gòu)1。在該結(jié)構(gòu)中，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(shè)計的結(jié)構(gòu)，減輕整機重量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計和制造的周期， 其主體框架采用鋁合金制造，防護件用塑料件制造，用標(biāo)準(zhǔn)的緊固件和定位銷連接。圖 2-1 工作方式 1圖 2-2 工作方式 22.2 寵物標(biāo)牌刻寫機的主運動10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(gòu)。專用的雕刻頭的優(yōu)點在這里不在復(fù)

22、述，但必須配以與之配套的變頻調(diào)速裝置，價格相對昂貴。因此，從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，經(jīng)濟型的雕刻機則不宜采用。由于步進電機具有以下特點:1、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)定運行。2、特性呈線性不論機械特性還是調(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。3、快速反應(yīng)在輸入控制信號的作用下，轉(zhuǎn)子能迅速地反應(yīng)動作，時間常數(shù)小。故優(yōu)先選用直流電機帶動主軸機構(gòu)的方案。直流電機通過彈性夾頭直接與刀具連接。2.3 雕刻機的進給運動1114本設(shè)計采用的刻寫方式是:雕刻刀具只做高速旋轉(zhuǎn)和 Z 方向的進刀、退刀運動， 而 X-Y 工作臺帶

23、動工件作 X,Y 方向的進給運動，這兩個方向的基本運動方式如下: 由步進電機的轉(zhuǎn)動帶動絲杠的轉(zhuǎn)動，帶動了刀具的移動，從而實現(xiàn)某個方向(X 或 Y 方向)的進給運動。在 X，Y 方向上的導(dǎo)向件采用直線導(dǎo)軌，其導(dǎo)向精度可滿足對工作臺定位精度的要求。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以下特點: 1、傳動效率高；2、運動平穩(wěn)；3、傳動可逆性；4、可預(yù)緊；5、定位精度和重復(fù)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

24、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(jié)構(gòu)較為緊湊。由于滾動直線導(dǎo)軌副具有以下特點: 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(yù)緊，剛度高。4、壽命長。5、定位精度和重復(fù)定位精度高。6、使用可靠，潤滑方便。因此各運動鏈中支承件均采用滾動直線導(dǎo)軌副。2.4 本章小結(jié)目前雕刻機的設(shè)計和制造技術(shù)已相當(dāng)成熟，各種零部件質(zhì)量也相當(dāng)穩(wěn)定?；旧隙际墙Y(jié)合速度、力量、準(zhǔn)確性、靈活性和可靠性為一體，可進行雕刻、鑿割、切割和刻繪等操作。接口先進，兼容目前世界流行

25、的美工、標(biāo)牌設(shè)計軟件，可直接驅(qū)動或?qū)⒃O(shè)計好的文件輸出?？稍阡?、銅、鋁、木材、有機玻璃、塑料、人造大理石、及時貼等不同材料上雕刻。雕刻機的設(shè)計總體上有以下幾個要求: 1、采用造型藝術(shù)化，簡潔明快，方便實用。2、采用機電互補方式，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。3、主體采用框架式結(jié)構(gòu)，簡化設(shè)計過程。4、關(guān)鍵部件采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的部件，保證產(chǎn)品質(zhì)量。5、采用機電一體化關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化。6、符合系統(tǒng)設(shè)計評價的各個項目，適應(yīng)市場需要。第三章 雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計15193.1 滾珠絲杠副的選擇3.1.1 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)原理滾珠絲杠是一種高效進給絲杠，其滾珠在絲杠絲桿軸與螺母之間滾動。與傳統(tǒng)滑動絲杠相比，本產(chǎn)品驅(qū)動扭

26、矩最大僅為其三分之一，極為適合用于節(jié)省驅(qū)動電機功率。滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動9。3.1.1 滾珠絲杠副的選擇滾珠絲杠傳動的機構(gòu)如圖3-1 所示。螺母上裝有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為要滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。圖 3-1 滾珠絲杠傳動機構(gòu)滾珠絲杠副的滾珠循環(huán)方式分為內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種，內(nèi)循環(huán)，珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面接觸；外循環(huán)，滾珠在循環(huán)過程中，有一段離開絲杠表面。3.1.2 滾珠絲杠副特性滾珠絲杠傳動系統(tǒng)是一個以滾珠作為滾動媒

27、介的滾動螺旋傳動的體系。具有以傳動效率高、運動平穩(wěn)、高精度、高耐用性、同步性好、高可靠性、無背隙與預(yù)緊、不自鎖、經(jīng)濟性差成本高。3.1.3 滾珠絲杠副計算流程絲杠許用軸向負(fù)載的選定螺母類型的選定剛度的選定螺母剛度的選定絲杠剛度的選定磨削絲杠滾珠絲杠圖 3-2 所示為其對數(shù)控激光雕刻機的傳動系統(tǒng)選擇滾珠絲杠的過程。精度等級選定實用條件導(dǎo)程的選定公稱直徑的選定臨界轉(zhuǎn)速的選定支承方式的選定剛度的驗證支承剛度的選定軸向總剛度的選定精度等級的驗證壽命的選定電機的選定防塵、潤滑驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的選定驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的驗證圖 3-2 滾珠絲杠副的選擇流程3.1.4 滾珠絲杠副的支承方式滾珠絲杠的支承主要有以下四種，由于支承

28、方式不同，使容許軸向載荷及容許回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也有所不同，客戶應(yīng)根據(jù)自身情況適當(dāng)選擇。圖 3-3 為 固定-固定方式，此種支承方式的特點：圖 3-3 固定-固定、絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高轉(zhuǎn)速、高精度。、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推理軸承的預(yù)緊力。、軸向剛度最大。、適用于對剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝。、適用于較長的絲杠安裝。、進行預(yù)拉伸后可減少絲杠自重變形和補償熱膨脹，使剛度更高。用于高精度高剛度的工作環(huán)境。圖 3-4 固定-支承圖3-4為固定-支承方式，其支承方式的特點： 、絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度。、結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。、軸向

29、剛度大。、適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠的安裝。、絲杠有熱膨脹的余地。推力球軸承應(yīng)安置在離熱源較遠的一端。圖 3-5 為支承-支承方式，其結(jié)構(gòu)特點：圖 3-5 支承-支承（1）結(jié)構(gòu)簡單。（2） 軸向剛度小。（3） 適用于對剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠的安裝。（4）對絲杠的熱伸長較敏感。（6）可以根據(jù)預(yù)計溫升產(chǎn)生的熱膨脹量進行預(yù)拉伸。適用于中等轉(zhuǎn)速，中精度。圖 3-6 為固定-自由方式，其結(jié)構(gòu)特點：圖 3-6固定-自由、結(jié)構(gòu)簡單。、絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低。、軸向剛度較小。、適用于較短的滾珠絲杠的安裝和垂直的滾珠絲杠的安裝。剛度，臨界轉(zhuǎn)速壓桿穩(wěn)定性都較低。 適用于低轉(zhuǎn)速，

30、中精度，短軸向絲杠。3.1.5 選取滾珠絲杠傳動系統(tǒng)如圖3-7 所示，其結(jié)構(gòu)為數(shù)控雕刻機所選用的傳動系統(tǒng)滾珠絲杠。其傳動比設(shè)為1，我們把雕刻過程中分為快速移動，精細雕刻，一般雕刻和強力雕刻等四種工作情況，其各自的雕刻時所用的參數(shù)，如下面的表3-1 和表3-2 所示。圖 3-7 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)說明圖 W 工作臺重量+工件重量磨制絲杠(右旋)軸承到螺母間距離(臨界長度)： ln = 800mm固定端軸承到螺母間距離 ： Lk = 800mm設(shè)計后絲杠總長 L:L = 1000mm最大行程 S:S = 1000mm工作臺最高移動速度:Vmax = 14(m / min)壽命定為 :Lh = 240

31、00工作小時m = 0.（1 摩擦系數(shù)）電機最高轉(zhuǎn)速 :nmax = 1800(r / min)定位精度：最大行程內(nèi)行程誤差 = 0.035mm 300mm 行程內(nèi)行程誤差 = 0.02mm根據(jù)我們對以上絲杠的支承方式的概述，在本次設(shè)計中我們選擇了支承方式為(固定支承)其結(jié)構(gòu)如圖3-6 所示。W = 1241kg+0kg （工作臺重量+工件重量）g=9.8m/sec2(重力加速度) I=1 (電機至絲杠的傳動比)F w =W g = 0.120419.8 2000 N(摩擦阻力)從已知條件得絲杠編號：此設(shè)計絲杠副對剛度及失位都有所要求，所以螺母選形為：FDG（法蘭式雙螺磨制絲杠）從定位精度得出

32、精度不得小于P4 級絲杠： 導(dǎo)程pvnI 3.9(mm)(3-1)h0max max在此為了安全性考慮：Pho =(mm) 平均載荷3 F3n1q11n100+ F 3n2q22+ F 3n3q3+ F 3n4q4mn1003mn1004mn100mFm = 3902N （3-2）額定動載荷以一般雕刻時確定 f w取 1.4L310 6Ca = Fm f w 5836 N（3-3）3.1.7 滾珠絲杠副的選擇本設(shè)計采用深圳市賽瑞德精工機械技術(shù)有限公司提供的G 系列滾珠絲杠副（滾珠內(nèi)循環(huán) 固定反向器 單螺母），見圖 3-8。其具體性能指標(biāo)如下表 3-1 滾珠絲杠技術(shù)參數(shù) 1 和表 3-2 滾珠絲

33、杠技術(shù)參數(shù) 2：圖 3-8 滾珠絲杠表 3-1 滾珠絲杠的技術(shù)參數(shù) 1絲杠代號公稱直徑基本導(dǎo)程絲杠外徑絲杠底徑循環(huán)圈數(shù)G2004-3d020Ph4d119.3d317.3n3表 3-2滾珠絲杠技術(shù)參數(shù)額定載荷 N剛度 N/um 螺母安裝尺寸油杯口動載荷C0靜載荷C0a KcDLBD1D412hM58361612732760401136485.8106M6X，Y,Z 軸的絲杠精度等級為 4。滾珠絲杠副軸頭尺寸如圖 3-9 滾珠絲杠軸頭：圖 3-9 滾珠絲杠軸頭滾珠絲杠的整體機構(gòu)如圖 3-10 絲杠設(shè)計：圖 3-10 絲杠設(shè)計表 3-3絲杠支承端技術(shù)參數(shù)絲杠公稱 固定端軸徑尺寸支持端軸徑尺寸直徑

34、d0d1Md2l1l2l3d3d4l4l5l62015M15X1 12204112151.31412.11.154表 3-4軸承端型號固定端軸承型號支持端軸承型號72026201從絲杠軸向總剛度的問題上來講，絲杠的剛度有時比螺母的剛度重要，最佳提升剛性的方法是提高絲杠的剛度，而不是在螺母上施加太重的預(yù)緊載荷(預(yù)緊載高為額定動載荷的10%)，如果將絲杠的安裝方式改為（固定-固定）式，軸向總度最小剛度R tot 305N/m 、總彈性變形量(單邊)s=6.7m 。絲杠公稱直徑公稱直徑由允許工作轉(zhuǎn)速與工作容許軸向載荷來推算得出。臨界轉(zhuǎn)速及允許工作轉(zhuǎn)速：nkper 0.8nk（3-4）得出：以安裝形式

35、確定f nk 取18.9。nk nkper / 0.8n = f d 2 10 7 d= k n L N（3-5）Lknk2n2= 13 .7 mmf nk 10 7可知絲杠螺母底徑大于13.7當(dāng)Pho=10(mm)、最高轉(zhuǎn)速達到1400（r/min） 時，系列表中適合的公稱直徑d 0 32mm 。上述由額定動載荷Ca 求得的公稱直徑d 0 = 40 32mm直徑還應(yīng)加大。，滿足條件，否則公稱滾珠絲杠系統(tǒng)之間各元部件（絲杠、螺母、支承軸承），在此設(shè)為：0.04mm。此時滾珠絲杠系統(tǒng)各元部件單邊彈性變形量為：0.02mm。 此時為快速移動時的軸向載荷2000N。絲杠剛度當(dāng)Lsl =Lk ，Rs

36、為最小，一般情況下計算最小剛度值。(d - 0.707 D )2（3-6）R = 165 0W= 154N/mmLSs1d = Fa / Rs= 11.4mm（3-7）螺母剛度在此預(yù)緊載荷為額定動載荷的10%，螺母剛度從表中查出 R=2128N/m 從表中查出額定動載荷Ca=4824N,在此取0.1。d nu= Fa/R nu= 1.3mm（3-8）支承剛度支承軸承剛度R al 可從軸承生產(chǎn)廠產(chǎn)品樣本中的查出。R al= 1020N / m m（3-9）d al= F a/ R al= 2000/1020 2 m m軸向總剛度1Rtot= 1 +Rs1Rnu+ 1Ral（3-10）R tot

37、138 N/m性總彈變形量(單邊)合格。14.7m 20m從絲杠軸向總剛度的問題上來講，絲杠的剛度有時比螺母的剛度重要，最佳提升剛性的方法是提高絲杠的剛度，而不是在螺母上施加太重的預(yù)緊載荷(預(yù)緊載荷最高為額定動載荷的10%)，如果將絲杠的安裝方式改為（固定-固定）式軸向總剛度的最小剛度 Rtot 305N / mm 、總彈性變形量(單邊) 電機的選定驅(qū)動轉(zhuǎn)矩F a 為快速移動時軸向載荷2000N。d s = 6.7mm 。M ta=Fa ph0 3.5M.m 2000 P h（3-11）F a 為一般雕刻時軸向載荷 7000N。M ta=Fa ph0= 12.4Nm 2000 P h(3-12

38、)由預(yù)加載荷而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在此 K p 取 0.18M te= Fa 0 ph 0 k p2000 P= 1.4Nm（3-13）在精確設(shè)計中要考慮各方面的轉(zhuǎn)矩(如：加速度時之負(fù)載轉(zhuǎn)矩及馬達所負(fù)荷的總慣性矩等)。檢校絲杠理論容許軸向載荷，以安裝形式確定f FK 取20.4Fk =f FK d / Lk 2 104 1870N(3-14)絲杠工作容許軸向載荷FKZU 1 = FK / 2 = 1870/2 = 935N(3-15)最大軸向載荷小于絲杠工作容許軸向載荷，合格。臨界轉(zhuǎn)速以安裝形式確定取18.9允許工作轉(zhuǎn)速nk =f nk d 2 / Ln 2 10 = 4449r/min（3-16）nk

39、per 0.8 nk = 3559r / min(3-17)最大運動轉(zhuǎn)速小于允許工作轉(zhuǎn)速，合格。3.1.7 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)軸向反向結(jié)構(gòu) 如圖 3-11 所示。圖 3-11 絲杠的軸向反向結(jié)構(gòu)圖內(nèi)循環(huán)返向結(jié)構(gòu) 如圖 3-12 絲杠螺母結(jié)構(gòu)圖所示。圖 3-12 絲杠螺母結(jié)構(gòu)圖對軸進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并按彎扭合成應(yīng)力法和疲勞強度計算法進行了強度校驗計算。在此基礎(chǔ)上按相對當(dāng)量彎矩法進行校核計算，從而判斷軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，以便是否進行修改。3.2 步進電機的選擇3.2.1 步進電機選擇原則步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡

40、單等特點。廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控雕刻機、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負(fù)載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機，負(fù)載力矩大。選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到雕刻機所需的脈沖當(dāng)量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程， 二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，

41、不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。選擇功率步進電機時，應(yīng)當(dāng)估算機械負(fù)載的負(fù)載慣量和雕刻機要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足雕刻機快速移動的需要。3.2.2 步進電機的選擇計算選擇步進電機需要進行以下計算： 1、銑削力的計算p f當(dāng)進行一般切削時產(chǎn)生的銑削力最大，因此只需計算此時的銑削力進行校核即可。取一般切削時：銑削深度ap=1mm,進給速度Vf =1200mm/min,n=15000r/min。根據(jù)經(jīng)驗公式計算銑削力： F = 42.76a V 0.75 n -0.62 = 22.45N2、啟動轉(zhuǎn)矩的計算對于 4 級精度的

42、絲杠， h = 0.85 。已知 Ph = 4mm ,設(shè)絲杠上最大負(fù)載 G 為 500N, 靜摩擦 為 0.2,根據(jù)經(jīng)驗公式計算啟動力矩：T = (F + mG)Ph /(2Dh ) 10= 0.0918N.M-33、步進電機的選擇根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩,結(jié)合所查資料決定采用杭州日升電氣設(shè)備有限公司的57BYG250C 步進電機作為本次設(shè)計所需的驅(qū)動電機。該電機的外觀如圖 3-13 57BYG250C 步進電機該電機的技術(shù)參數(shù)見表 3-5 步進電機的技術(shù)參數(shù)：圖 3-13 電機的外觀表 3-5 步進電機的技術(shù)參數(shù)：型號相數(shù)相電流 步距角 保持轉(zhuǎn)矩 空載起動空載運行頻 轉(zhuǎn)動慣量重頻率率量57BYG250C

43、 21.5A1.81.0N.M2KPPS2020KPPS0.23KGCM1KG其中 L=76mm。3.3 圓柱直線導(dǎo)軌的選擇3.3.1 圓柱導(dǎo)軌主要性能指標(biāo)通常，直線導(dǎo)軌副的選用必須根據(jù)使用條件、負(fù)載能力和預(yù)期壽命選用。但由于直線導(dǎo)軌的壽命分散性較大，為了便于選用直線導(dǎo)軌副，必須先清楚以下 3 個重要概念。1、額定壽命所謂額定壽命是指一批相同的產(chǎn)品，在相同的條件及額定負(fù)荷下，有 90%未曾發(fā)生表面剝離現(xiàn)象而達到的運行距離。直線導(dǎo)軌副使用鋼珠作為滾動體的額定壽命。2、基本動額定負(fù)荷所謂基本動額定負(fù)荷是指一批相同規(guī)格的直線導(dǎo)軌副，在負(fù)荷方向和大小均等的狀態(tài)下，經(jīng)過運行 50km 后，90%的直線導(dǎo)

44、軌其滾道表面不產(chǎn)生疲勞損壞(剝離或點蝕)時的最高負(fù)荷。3、基本靜額定負(fù)荷所謂基本靜額定負(fù)荷是指在負(fù)荷方向和大小均等的狀態(tài)下，在受到最大應(yīng)力的接觸面處，鋼珠與滾道表面的總永久變形量恰為鋼珠直徑 1210000 時的靜負(fù)荷。4、精度等級由于在機械加工方面的精度要求愈來愈高，使得對加工機械上的重要零部件 直線導(dǎo)軌的精度等級劃分也越來越細。一般直線導(dǎo)軌副的精度分為普通級、高級、精密級、超精密級和超高精密級 5 種。主要檢測指標(biāo)一般有 3 個，一是滑塊 C 面對滑軌 A 面的平行度，二是滑塊 D 面對滑軌 B 面的平行度，三是行平行度。所謂行走平行度是指將直線導(dǎo)軌固定在基準(zhǔn)座平面上，使滑塊沿行程行走時，

45、導(dǎo)軌與滑塊基準(zhǔn)面之間的平行度誤差。不同的精度等級對應(yīng)滑軌的行走平行度誤差。5、預(yù)壓力所謂預(yù)壓力是預(yù)先給予鋼珠負(fù)荷力，利用鋼珠與珠道之間負(fù)向間隙給予預(yù)壓。這樣能夠提高直線導(dǎo)軌的剛性和消除間隙。按照預(yù)壓力的大小可以分為不同的預(yù)壓等級。3.3.2 導(dǎo)軌副的選用通常，直線導(dǎo)軌副的選用必須根據(jù)使用條件、負(fù)載能力和預(yù)期壽命選用。所謂使用條件主要是指應(yīng)用何種設(shè)備、精度要求、剛性要求、負(fù)荷方式、行程、運行速度、使用頻率、使用環(huán)境等因素。根據(jù)條件選擇對應(yīng)的合適產(chǎn)品系列。各個直線導(dǎo)軌的生產(chǎn)廠家都對其產(chǎn)品進行了合適的系列劃分。具體的選用過程可以參考圖3-14 導(dǎo)軌副選擇流程圖所示的順序。開始使用條件設(shè)定選用合適的系

46、列產(chǎn)品選用精度等級計算滑塊最大載荷選擇預(yù)壓力確認(rèn)剛性計算使用壽命選擇完成潤滑選用圖 3-14 導(dǎo)軌副選擇流程在選用的過程中，可以根據(jù)計算結(jié)果隨時返回到前面的步驟進行重新選擇和設(shè)定。計算滑塊最大負(fù)荷時要確認(rèn)選用的直線導(dǎo)軌靜安全系數(shù)應(yīng)該超過推薦表中所列值(見表 3-6)。如果所選用的直線導(dǎo)軌副剛性不足，可以通過提高預(yù)壓力，加大選用尺寸或增加滑塊數(shù)來提高剛性。表 3-6 靜安全系數(shù)使用表負(fù)載條件靜安全系數(shù)下線一般負(fù)荷狀況1.03.0受沖擊、振動3.05.0注：靜安全系數(shù)定義為靜額定負(fù)荷與工作負(fù)荷的比值3.3.3 圓柱導(dǎo)軌的作用和設(shè)計要求當(dāng)運動件沿著承導(dǎo)件作直線運動時，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承運動件和保證運動件在外力（載荷及運動件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進行直線運動。對導(dǎo)軌的要求如下：1、一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運動件沿導(dǎo)軌移動的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的準(zhǔn)確性。2、運動輕便平穩(wěn)。工作時，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時應(yīng)無爬行現(xiàn)象。3、良好的耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌