【正文】 對(duì)于Z軸絲杠有：= = g/cm23）直線運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量其計(jì)算公式如下： （355）對(duì)于X軸絲杠有：m=10Kg ，V1=1000cm/min 代入式355中得：g/cm2對(duì)于Y軸絲杠有：m=60Kg ，V1=1000cm/min 代入式355中得：g/cm2對(duì)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(dòng)慣量J=+，為所選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)Z軸絲杠有：， 。對(duì)于Y軸絲杠有：=2=635N=21569N，Y軸絲杠滿足要求。對(duì)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(duì)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(duì)于Z軸傳動(dòng)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(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)場合，速度小于15m/min1～無明顯沖擊或震動(dòng)的中速運(yùn)動(dòng)場合，速度小于60m/min～2有外部沖擊或震動(dòng)的高速運(yùn)動(dòng)場合，速度小于60m/min2～ 聯(lián)軸器的選擇本設(shè)計(jì)采用彈性聯(lián)軸器，其特點(diǎn)如下：（1）一體成型的金屬彈性體（2）零回轉(zhuǎn)間隙、可同步運(yùn)轉(zhuǎn)（3）能夠補(bǔ)償軸在各個(gè)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(hào)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(hào) 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(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算傳動(dòng)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(duì)于絲杠支撐形式為兩端固定，抗壓剛度Ks計(jì)算公式如下： （343）最大抗壓剛度的計(jì)算公式如下： （344）最小抗壓剛度計(jì)算公式如下： （345）其中L為兩個(gè)固定支承之間的距離，L0為固定支承與行程起點(diǎn)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(jì)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選取；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?。粸轭~定動(dòng)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(jì)算得：對(duì)于X軸導(dǎo)軌有：=12010N，F(xiàn)=，代入Ts的計(jì)算公式中得：Ts=9773220Km對(duì)于Y軸導(dǎo)軌有：=12010N，F(xiàn)=，代入Ts的計(jì)算公式中得：Ts=1153770Km對(duì)于Z軸導(dǎo)軌有：=12010N，F(xiàn)=，代入Ts的計(jì)算公式中得：Ts=23724Km導(dǎo)軌的額定工作時(shí)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(duì)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(jì)算公式如下： （339）將Fmax 及Ft值代入到式339中得：=2700N。 對(duì)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(hào)均為G2505—3，與X軸與Y軸的絲杠相同，其參數(shù)如表34。3）計(jì)算絲杠的軸向載荷對(duì)Z軸絲杠有：雕刻機(jī)空載時(shí)計(jì)算公式如下： （331）雕刻機(jī)以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時(shí)其計(jì)算公式如下： （332）將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式33332中經(jīng)計(jì)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(shí)， 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(hào)1）計(jì)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(jì)算預(yù)拉伸力，其計(jì)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(hào)及尺寸所選絲杠應(yīng)滿足：，但不宜過大。4）計(jì)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(shí)，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同，這時(shí)可以利用以下公式進(jìn)行計(jì)算： （321）將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式321中計(jì)算得：對(duì)Y軸絲杠有：=。圖36 Y軸導(dǎo)軌的受力簡圖2）計(jì)算Y軸絲杠所受的切削力查《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》知：銑削的主切削力計(jì)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(hào)查《機(jī)械設(shè)計(jì)教程》選取角接觸球軸承型號(hào)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(hào)基本尺寸/mm基本額定動(dòng)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(jì)算得到絲杠的預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的型號(hào)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(dòng)軸承。2）確定軸承類型選擇兩對(duì)25176。對(duì)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(hào)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(hào)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(dòng)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(shí)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(duì)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(jì)算X軸導(dǎo)軌的摩擦力查《機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算公式如下： 對(duì)X軸導(dǎo)軌有：雕刻機(jī)空載時(shí)有以下公式： （32）雕刻機(jī)以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時(shí)有以下公式： （33） 設(shè)a=115mm，b=200mm，c=c1=0，l0=185mm，l=140mm，W2=100N，取動(dòng)摩擦因數(shù)μ=。表33 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)規(guī)格型號(hào)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(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)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(shí)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(dòng)主軸，直流電機(jī)具有以下特點(diǎn)：（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(gè)較大的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，比較容易調(diào)節(jié)、選擇合適的轉(zhuǎn)速。此時(shí)傳動(dòng)比為1，誤差最小。（2）不會(huì)長期累加之前的誤差，其運(yùn)轉(zhuǎn)一圈不會(huì)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(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)Z向的雕刻。（2）工作臺(tái)部分工作臺(tái)部分包括導(dǎo)軌、Y軸方向的絲杠以及上面的工作臺(tái)這幾部分。綜合考慮選擇龍門固定式布局，工作臺(tái)完成一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，雕刻頭完成其它兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。（2）確保雕刻機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作，不會(huì)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(jià)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(shí)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(shí)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(tái)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(dòng)雕刻加工具有高效率、高精準(zhǔn)性、高成品率等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)的預(yù)期目的是通過設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)基于單片機(jī)控制的數(shù)控雕刻機(jī)進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)控制，通過對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)主要零部件的設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終使所設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)能夠完成在X、Y、Z三個(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)再通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠再帶動(dòng)絲杠螺母及與其固定的各部件做直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電主軸再帶動(dòng)刀具回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)在X、Y、Z三個(gè)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(dòng)力。采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌作為導(dǎo)向部件，較