【正文】 對于Z軸絲杠有：= = g/cm23）直線運動件的轉(zhuǎn)動慣量其計算公式如下： （355）對于X軸絲杠有：m=10Kg ，V1=1000cm/min 代入式355中得：g/cm2對于Y軸絲杠有：m=60Kg ，V1=1000cm/min 代入式355中得：g/cm2對于Z軸絲杠有：m=5Kg ，V1=1000cm/min 代入式355中得：g/cm2所選步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足：總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量J=+，為所選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，=8000 g/cm2。3）校核步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩所選步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足：絲杠總轉(zhuǎn)矩T步進(jìn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T0 ，T0=。 對Z軸絲杠有：， 。對于Y軸絲杠有：=2=635N=21569N，Y軸絲杠滿足要求。對Y軸絲杠有：Lc=420mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式349中得：26320r/min2000r/min， Y軸絲杠滿足轉(zhuǎn)速要求。對于Y軸絲杠有：=1/3，L=490mm，=，將這些數(shù)據(jù)代入式348中得：Fc=112173N，其值遠(yuǎn)大于絲杠所受的最大負(fù)載，Y軸絲杠滿足要求。對于Z軸傳動系統(tǒng)有：=6＜=，滿足要求。查表34知：Ca=9309N， Kc′=234N/μm，且有，把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式347中得： 。表37 硬度系數(shù)滾道表面硬度HRC605855535045表38 溫度系數(shù)工作溫度/100100～150150～200200～250表39 接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)12345表310負(fù)荷系數(shù)工作條件無外部沖擊或震動的低速運動場合，速度小于15m/min1～無明顯沖擊或震動的中速運動場合，速度小于60m/min～2有外部沖擊或震動的高速運動場合，速度小于60m/min2～ 聯(lián)軸器的選擇本設(shè)計采用彈性聯(lián)軸器，其特點如下：（1）一體成型的金屬彈性體（2）零回轉(zhuǎn)間隙、可同步運轉(zhuǎn)（3）能夠補(bǔ)償軸在各個方向的偏差（5）順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)沒有什么區(qū)別（6）不需要保養(yǎng)，抗油能力強(qiáng)，耐腐蝕性能良好（7）它由鋁合金或不銹鋼制成（8）采用頂絲或夾緊來固定各軸絲杠與步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接處選擇型號為BFB5516 16的彈性聯(lián)軸器，其參數(shù)如表311所示，外形如圖39所示：表311 彈性聯(lián)軸器的參數(shù)型號 ALWEFM最大孔徑mm額定扭矩N．m重量gBFB5516 16551457405M61950180 圖39彈性聯(lián)軸器 滾珠絲杠的校核各軸滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式，如圖310所示：圖310 絲杠兩端固定的支承形式（1）傳動系統(tǒng)的剛度計算傳動系統(tǒng)剛度校核可采用下列公式： （342）其中為滾珠絲杠螺母副的抗壓剛度，為支承滾珠絲杠的軸承的軸向剛度，為滾珠絲杠的滾珠與滾道的接觸剛度1）滾珠絲杠螺母副的抗壓剛度對于絲杠支撐形式為兩端固定，抗壓剛度Ks計算公式如下： （343）最大抗壓剛度的計算公式如下： （344）最小抗壓剛度計算公式如下： （345）其中L為兩個固定支承之間的距離，L0為固定支承與行程起點之間的距離。（3）額定行程長度壽命導(dǎo)軌的額定行程長度壽命的計算公式如下：= （340） 其中K為壽命系數(shù)，一般取K=50km；F為滑座工作載荷（N）；為硬度系數(shù)，可按表37選??；為溫度系數(shù)，按表38選??；為接觸系數(shù)，按表39選取；為負(fù)荷系數(shù)，按表310選??；為額定動載荷，取硬度系數(shù)=1，溫度系數(shù)=1，接觸系數(shù)=，負(fù)荷系數(shù)=，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式340中經(jīng)計算得：對于X軸導(dǎo)軌有：=12010N，F(xiàn)=，代入Ts的計算公式中得：Ts=9773220Km對于Y軸導(dǎo)軌有：=12010N，F(xiàn)=，代入Ts的計算公式中得：Ts=1153770Km對于Z軸導(dǎo)軌有：=12010N，F(xiàn)=，代入Ts的計算公式中得：Ts=23724Km導(dǎo)軌的額定工作時間壽命的公式如下： = （341） 其中工作單行程長度=，每秒往復(fù)次數(shù)=4。對于Z軸導(dǎo)軌有：===12010N，滿足要求。采用d=20mm的角接觸球軸承，其滿足直徑d=20mm≤＞900N。軸承所承受的最大軸向載荷的計算公式如下： （339）將Fmax 及Ft值代入到式339中得：=2700N。 對Z軸絲杠有：=，=根據(jù)以上條件，初選Z軸的滾珠絲杠螺母副的型號均為G2505—3，與X軸與Y軸的絲杠相同，其參數(shù)如表34。3）計算絲杠的軸向載荷對Z軸絲杠有：雕刻機(jī)空載時計算公式如下： （331）雕刻機(jī)以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時其計算公式如下： （332）將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式33332中經(jīng)計算得： F1=，F(xiàn)2=。當(dāng)?shù)窨虣C(jī)以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時， Z軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導(dǎo)軌的摩擦力和刀具沿Z軸方向的切削抗力。3）確定軸承直徑軸承直徑應(yīng)滿足：d≤d2，預(yù)加負(fù)載荷≥FBP，F(xiàn)BP =1/3 FBmax。（5）選擇X軸滾珠絲杠螺母副支撐所用的軸承規(guī)格代號1）計算軸承所承受的最大軸向載荷 X軸滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式，因此要計算預(yù)拉伸力，其計算公式如下： （326）其中溫差△t=℃，代入式326中得：Ft=2191N。 （4）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號及尺寸所選絲杠應(yīng)滿足：，但不宜過大。4）計算絲杠的當(dāng)量載何當(dāng)絲杠所受載荷的大小與其轉(zhuǎn)速的變化接近正比時，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同，這時可以利用以下公式進(jìn)行計算： （321）將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式321中計算得：對Y軸絲杠有：=。圖36 Y軸導(dǎo)軌的受力簡圖2）計算Y軸絲杠所受的切削力查《數(shù)控機(jī)床設(shè)計實踐指南》知：銑削的主切削力計算公式如下： FZ＝103 （317） 另外有FL =～ FZ，F(xiàn)V =～，取FL =， FV = FZ 。4）確定軸承型號查《機(jī)械設(shè)計教程》選取角接觸球軸承型號為7204AC，它的參數(shù)如表35所示，其外形如圖35所示：表35 角接觸球軸承的參數(shù)軸承型號基本尺寸/mm基本額定動負(fù)荷Cr/KN基本額定靜負(fù)荷Cor/KNdDB7204AC204714圖圖35 角接觸球軸承 Y軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇首先需要分析一下雕刻機(jī)的Y軸方向的絲杠的受力情況，得到Y(jié)軸絲杠的當(dāng)量軸向載荷，再分別計算得到絲杠的預(yù)期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預(yù)期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的型號及尺寸，最后根據(jù)所選的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式以及支承所用的滾動軸承。2）確定軸承類型選擇兩對25176。對X軸絲杠有：=，= 根據(jù)以上條件，初選X軸的滾珠絲杠螺母副的型號為G2505—3，參數(shù)如表34所示，外形簡圖如圖34所示：表34 滾珠絲杠螺母副的參數(shù)規(guī)格代號公稱直徑公稱導(dǎo)程絲杠外徑鋼球直徑絲杠底徑循環(huán)圈數(shù)基本額定負(fù)荷剛度動載荷靜載荷G250532553234螺母安裝尺寸D1DD4LBhD5D64066534611610圖34 滾珠絲杠及螺母簡圖絲杠螺紋長度滿足以下公式： Ls=Lu+2Le （312）該式中Lu是絲杠的行程，Le是余程，查閱相關(guān)資料得：當(dāng)Ph=5mm時其余程Le=20mm。 （3）確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑1）估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量查閱相關(guān)資料可知：在一般情況下定位精度，且有定位精度 脈沖當(dāng)量。X軸絲杠所受的切削抗力與所對應(yīng)的切削分力大小相同，方向相反，所以X軸所受的切削抗力 。1）計算X軸導(dǎo)軌的摩擦力查《機(jī)械設(shè)計手冊》知：X軸方向的導(dǎo)軌的受力情況如圖33，其所受摩擦力的計算公式如下： 對X軸導(dǎo)軌有：雕刻機(jī)空載時有以下公式： （32）雕刻機(jī)以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時有以下公式： （33） 設(shè)a=115mm，b=200mm，c=c1=0，l0=185mm，l=140mm，W2=100N，取動摩擦因數(shù)μ=。表33 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)規(guī)格型號相數(shù)步距角(。m，因此這里要選用的步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于5 N主傳動系統(tǒng)的傳動過程是：電主軸直接通過聯(lián)接裝置與刀具相連，從而傳遞轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)刀具的回轉(zhuǎn)。如果采用第二種方法，那就需要選擇直流電機(jī)來帶動主軸，直流電機(jī)具有以下特點：（1）速度可調(diào)節(jié)的范圍比較大：直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以在一個較大的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，比較容易調(diào)節(jié)、選擇合適的轉(zhuǎn)速。此時傳動比為1，誤差最小。（2）不會長期累加之前的誤差，其運轉(zhuǎn)一圈不會有誤差留下。（4）機(jī)頭部分 這部分結(jié)構(gòu)由主軸組件、絲杠、支架、導(dǎo)軌組成，該機(jī)構(gòu)的作用是實現(xiàn)雕刻機(jī)Z向的雕刻。（2）工作臺部分工作臺部分包括導(dǎo)軌、Y軸方向的絲杠以及上面的工作臺這幾部分。綜合考慮選擇龍門固定式布局，工作臺完成一個方向的運動，雕刻頭完成其它兩個方向的運動。（2）確保雕刻機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作，不會相互干擾（3）確保能夠完成預(yù)定的進(jìn)給長度（4）確保能夠完成各種相關(guān)工藝。 浮雕 裝飾品 建筑模型 印章 工藝品 模具圖12 幾種雕刻機(jī)加工的產(chǎn)品33 我國數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀建國以來，我國一直努力發(fā)展制造業(yè)，也取得了一些進(jìn)步，但是仍存在一些制造工藝還達(dá)不到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)的問題，所以許多設(shè)備或核心部件常常需要進(jìn)口，另外我國的技術(shù)創(chuàng)新能力還不夠強(qiáng)，常常是仿造多過創(chuàng)造。其價格比其它機(jī)床要便宜很多。（3）結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便。我國的雕刻技術(shù)的發(fā)展時間比較短，產(chǎn)品開發(fā)能力和生產(chǎn)技術(shù)水平還比較低，因此我們國家還需要花更多的時間進(jìn)行雕刻技術(shù)的學(xué)習(xí)。數(shù)控雕刻機(jī)可以看作是一臺數(shù)控鉆銑床，它能夠完成鉆、銑等工藝，它的刀具包括各種鉆頭及銑刀等，根據(jù)其加工材料的不同，其所用刀具也有一定的差異。它較傳統(tǒng)的手動雕刻加工具有高效率、高精準(zhǔn)性、高成品率等優(yōu)點，因此受到許多企業(yè)的歡迎并最終成為雕刻機(jī)發(fā)展的主流。本設(shè)計的預(yù)期目的是通過設(shè)計來實現(xiàn)對基于單片機(jī)控制的數(shù)控雕刻機(jī)進(jìn)行三軸聯(lián)動控制，通過對數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的總體設(shè)計、機(jī)械系統(tǒng)主要零部件的設(shè)計以及控制系統(tǒng)的設(shè)計，最終使所設(shè)計的數(shù)控雕刻機(jī)能夠完成在X、Y、Z三個方向上的雕刻加工，達(dá)到了預(yù)期目的。數(shù)控雕刻機(jī)通過其控制系統(tǒng)來控制步進(jìn)電機(jī)和電主軸運轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)再通過聯(lián)軸器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠再帶動絲杠螺母及與其固定的各部件做直線進(jìn)給運動，同時電主軸再帶動刀具回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)雕刻機(jī)在X、Y、Z三個方向上的雕刻加工。數(shù)控雕刻機(jī)的使用大大提高了雕刻加工的效率，給制造業(yè)的發(fā)展提供了動力。采用直線滾動導(dǎo)軌作為導(dǎo)向部件，較