【正文】 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： 1）系統(tǒng)傳動過程中的效率高，摩擦損失較小； 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給系統(tǒng)的運動速度無關(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。其中，采用具有制動裝置的伺服電動機來進行驅(qū)動 是最簡單有效的解決方法。絲杠轉(zhuǎn)動時， 通過油膜 的 推動螺母 將作 直線運動，反之，螺母轉(zhuǎn)動 時，可 使絲杠 作 直線移動。 4）油膜層具有一定剛度，減少了反向間隙。 （ 3）齒輪齒條副 大型數(shù)控機床 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。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。對于高速加工機床來說，雖然可以通過加大螺距提高進給速度，但是難以提高加速度。 直線電動機的不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）與同容量旋轉(zhuǎn)電動機相比，直線電動機的效率和功率因數(shù)要低，特別在低速時更明顯。 Z 軸采用圓柱導(dǎo)軌 [12]。但是， 隨著絲杠精度的提高，其價格也將大大上升。 本設(shè)計中工作臺的絲桿選用的是滾珠絲桿副。要想使進給驅(qū)動系統(tǒng)有足夠的剛性，就要選用直徑粗大的絲杠。 Y軸滾珠絲杠的公稱直徑為 32mm。 提高絲杠螺母座的局部剛度和接觸強度一般可以通過 適當(dāng)加大 其與 機床結(jié)合部件的 有關(guān)接觸面積來實現(xiàn)。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，它的軸向剛度有所 提高，但 是 軸承的摩擦阻力和發(fā)熱 增大了 而且 還 增加了軸承支架的結(jié)構(gòu) 尺寸。 而且 它的產(chǎn)品成對出售， 使用極為方便，而且在 它 出廠時 ， 內(nèi)外環(huán)的厚度 都已經(jīng)選配好，裝配時只要用螺母和端蓋將內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊，就可以 得 到 出廠時已經(jīng)調(diào)整好的預(yù)緊力。 （ 2） 雙推一支承方式 即絲杠一端固定，另一端支承。固定端軸承都可以同時承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對絲杠施加適當(dāng)?shù)念A(yù)拉力，提高絲杠支承剛度，可以部分補償絲杠的熱變形。此種方式可以對絲杠施加較大的預(yù)拉力，提高絲杠支承剛度，補償絲杠的熱變形 本次數(shù)控雕刻機床 X、 Y向絲杠均采用一端固定，另一端簡支承的方式。由于軸向載荷是滾珠絲杠的主要載荷，徑向載荷通常是臥式絲杠自身重量。數(shù)控機床在選用此類角接觸球軸承時，一般都要把 2個以上的軸承配對組合起來，再加以預(yù)緊力才能使用。 步進 電機經(jīng)彈性聯(lián)軸器帶動絲杠 , 實現(xiàn)工作臺的移動。 當(dāng) 機床 工作臺上升時 , 單向逆止軸承像普通軸承一樣 , 沒有 逆止 的 作用 , 伺服電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動并用螺母帶動工作臺向上運動。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，作用可靠，運動穩(wěn)定。 帶彈性元件擾性聯(lián)軸器除了擁有補償?shù)墓δ芡?，還具備減震和緩沖的作用。彈性聯(lián)軸器的裝卸也非常方便。為了確保兩條導(dǎo)軌能夠平行，通常把其中一條導(dǎo)軌作為基準導(dǎo)軌。 本章小結(jié) 本章主要闡述了機床的進給系統(tǒng)的布局方 式。 Z軸方向采用圓柱式導(dǎo)軌定位。 由于數(shù)控雕刻機床要求具有良好的靈活性來滿足機床的高速雕刻的要求，本機床 X、 Y、軸方向上均采用 GGB型（四方向等載荷型）高精度直線導(dǎo)軌。非金屬彈性元件聯(lián)軸器制造方便，方便得到各種結(jié)構(gòu)形狀。 步進電機與進給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 在數(shù) 控機床的進給系統(tǒng)中， 要保證 步進電機和滾珠絲杠的聯(lián)結(jié)傳動 結(jié)構(gòu)沒有間隙，這樣才可以 準確地執(zhí)行脈沖的指令， 使得脈沖 不會丟 掉，從 而 避免造成的“失步”，最終使得 機床的傳動精度與加工精度 不會被影響 。因 為 單向逆止軸承的外環(huán) 是 通過鍵與摩擦阻尼裝置 相互 連 結(jié) 在一起 的 ， 軸承的 外環(huán)被摩擦阻尼裝置 所 產(chǎn)生的摩擦扭矩剎住 , 從而防止了逆 向 傳動。單向逆止軸承僅允許一方向旋轉(zhuǎn) , 而另一方向止動。當(dāng)在數(shù)控機床上選取這類軸承時，為了便于對軸承和滾珠螺母之間不同軸度的吸收，一般都選取 DF組配的方式。 由于要求數(shù)控雕刻機擁有運動靈活的進給系統(tǒng)，對于微小位移 (絲杠微小轉(zhuǎn)角 )的響應(yīng)要靈敏，所以要選用摩擦力矩小、軸向剛度強、運轉(zhuǎn)精度高的滾動軸承。 數(shù)控雕刻機 X、 Y向的滾珠絲杠副的支承結(jié)構(gòu)見圖 。由于絲杠不動，可避免受臨界轉(zhuǎn)速的限制，避免了細長滾珠絲杠高速運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的種種問題。同時絲杠熱變形可以自由地向一端伸長。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力。 從而 增加了滾珠的數(shù)目并相應(yīng)減小滾珠的直徑。為了提高支承的軸向剛度， 應(yīng) 選擇適當(dāng)?shù)臐L動軸承。此外，要想提高進給系統(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。因此一般是在兼顧二者的情況下 ， 選取最佳直徑。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。本機床所選 3個方向滾珠絲杠副的精度等級均為 3級。在開環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控機床中，滾珠絲杠的精度將直接影響機床的定位精度和隨動精度。 （ 3）在金屬加工機床上，由于電動機直 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。 3）旋轉(zhuǎn)電動機必須通過絲杠、齒條等轉(zhuǎn)換機構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線運動，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)換機構(gòu)在運動中必然會帶來噪聲。 （ 4）直線電動機驅(qū)動 采用直線電動機驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動相比，它具有以下優(yōu)點： 1）采用直線電動機驅(qū)動，不需要絲杠、齒輪齒條等轉(zhuǎn)換裝置即能直接實現(xiàn)直線運動，因此，它大大簡化了進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率。齒輪齒條副傳動用于行程較長的大型機床上，可以得到較大的傳動比，進行高速直線運動，剛度及機械效率也高。 6）承載能力與供油壓力成正比，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。 2）油膜可以吸振，提高了運動的平穩(wěn)性。就高速加工數(shù)控機床而言，這點至關(guān)重要。無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 但是因為它存在運動的可逆性，即一方面它能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，相應(yīng)的反過來它也可以把直線運動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運動，它不能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。 （ 2）通過齒輪、齒條副的過渡，將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線進給運動。 進給傳動系統(tǒng)的基本形式 數(shù)控機床的進給運動一般可以分為直線運動以及圓周運動這兩大類。 （ 2）機床傳動系統(tǒng)的非線性以及傳動部件精度，它們將直接影響機床進給系統(tǒng)的加工輪廓精度和位置定位精度。 圖 電主軸安裝示意圖 本章小結(jié) 本章主要敘述了機床主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用了電機與主軸直聯(lián)的方式實現(xiàn)傳動切削，包括其傳動優(yōu)點和直流電機的特性。 電主軸的安裝 電主軸在機床上的安裝如圖 。 電主軸在工作中轉(zhuǎn)速極高 ， 為了能夠讓高速運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。 （ 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。與機械主軸相比較 ， 電主軸具備以下優(yōu)點。 這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)實現(xiàn)了主軸高速化的轉(zhuǎn)速 ，能夠強有力地改善提高了 主軸的高速綜合性能。 通俗來講，電動機的轉(zhuǎn)子也就是機床的主軸部件 ， 機床的主軸部件的腔體就是電機的機座。 對于在不同機床中的適用程度，電主軸又可分為好多類，如 : 鉆銑主軸、雕刻機主軸、加工中心主軸、磨床加工電主軸等等。 電主軸 電主軸的介紹 目前，高速電主軸是高速切削機床的關(guān)鍵核心部件之一 , 其 結(jié)構(gòu)是將機床的主軸與變頻電機軸做為一體，合二為一 , 也就是把變頻 主軸電機的轉(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 實現(xiàn)了機床主軸部件系統(tǒng)的 “ 零傳動 ” 。變頻器 的速度調(diào)節(jié) 就是通過改變電動機電源頻率 來實現(xiàn) 的 ， 它 是一種理想的 、 高效率、高性能的調(diào)速手段。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 。另外，其還具備改變交流電壓的輔助功能。直流電機通過彈性夾頭直接與刀具連接。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。當(dāng)前其 在高速雕削機床領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 3 主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計 主運動傳動系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)控雕刻機的主傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)主雕刻運動的系統(tǒng) ，其 特點是：主軸 的 轉(zhuǎn)速 較 高 ， 傳遞的功率較大 ，因此是 數(shù)控機床 中的一種重要 部分。其裝配關(guān)系如下圖 ： 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 工作臺布局圖 為了減輕數(shù)控雕刻機機床移動部件的質(zhì)量，機床工作臺的材質(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，提高了機床使用的可靠性。 正因為采用了以上一系列措施，本次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床的最大優(yōu)點是可以對比較細小、輕 便的零件進行加工，而且加工精度較高，對軟金屬可進行高速切削加工 。保證了對 X向工作 臺及兩邊立柱所需的剛性支撐作用，總體上使得機床的動態(tài)加工穩(wěn)定性得到了提高。 機床工作臺和直線導(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。 數(shù)控雕 刻 機結(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、雕銑機的有關(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。且加工過程能耗較高，效率較 底。 在圖 B的 布局方案中，機床工作臺是固定的，數(shù)控雕刻機 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。由于機床工作臺的移動，機床的承載能力將不如布局 B的承載能力優(yōu)良 。 圖 數(shù)控雕刻機機床總體布置圖 本次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床主要由： 控機 。所需加工零件的重量越大，所要求機床工作臺、導(dǎo)軌等部件的剛度就要提高。 (3)要有助于加強雕刻機結(jié)構(gòu)的剛度，機床的占地面積要盡可能的小。 因此，對于雕刻機動靜分配的規(guī)劃，可依照下面的原則來考慮： (1)所選的動靜分配將增強機床加工的精度。使刀具的鉆孔加工有個切入的過程。 加工零件的表面，要成形的加工運動主要可分為銑削、鉆孔、切割三類。在機床的加工過程中還要利于操作、位置的調(diào)整和進行維修。它主軸的轉(zhuǎn)速甚至高達 30000r/min 左右。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 [46]。 X、 Y 軸的編程也將相應(yīng)擴大， (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。數(shù)控鉆銑床還可以進行軟件的編程限位，不但可以自動測量刀具大小長短，還能對刀具進行管理等。也使得運動加減速過程的時間遠遠縮短。因此快速 PCB 鉆銑機床的進給系統(tǒng)采用了伺服電機－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。另一方面，機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。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)。 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 。對于加工鉆孔直徑為 小孔時。可以隨時探測 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，使其鉆孔的速度達到最高。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械加工方法中已經(jīng)很少出現(xiàn)了，數(shù)控雕刻機床和數(shù)控銑床用在 PCB 制造行業(yè)早已很常見了，數(shù)控雕刻機床和數(shù)控銑床也已列入了當(dāng)前國內(nèi)印制板機械加工的主導(dǎo)設(shè)備行列里。 現(xiàn)在印刷電路板和它的制造技術(shù)的發(fā)展已達到了一個較高水平。結(jié)合各下游行業(yè)十二五規(guī)劃制定的發(fā)展目標，羅百輝預(yù)計到 2020 年全國數(shù)控雕刻機產(chǎn)銷量將達到 12 萬臺。 隨著數(shù)控雕刻機技術(shù)的不斷成熟和價格趨于合理，其性價比逐漸得到業(yè)界的認可，市場快速擴大。 CNC 雕刻機相對于一般加工機床 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)加工機床工具。根據(jù)數(shù)控雕刻機的自身特點，可以將其分為機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，本文著重研究機械系統(tǒng)設(shè)計過程。但是一般都體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴 [2]。就當(dāng)今制造類行業(yè)來講，尤其在復(fù)雜型腔模的精細加工中， CNC雕刻機的加工精度高、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加工。 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)控雕刻機的需求逐步擴大，首先是相對高端的數(shù)控雕刻中心，其需求量最為龐大。 自從 60 年代初以來， 就 工業(yè)發(fā)達國家的許多 PCB（印刷電路板）加工設(shè)備設(shè)計 而言 ，為 了 使產(chǎn)品具有強勁的市場競爭力 以 滿足人們的要求，生產(chǎn)廠家紛紛投入了 較大的人力、物力和財力， 就 PCB 加工設(shè)備 的設(shè)計過程中 存在的問題 做了深入研究 ，