【正文】 中心，其需求量最為龐大。 自從 60 年代初以來(lái)， 就 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的許多 PCB（印刷電路板）加工設(shè)備設(shè)計(jì) 而言 ，為 了 使產(chǎn)品具有強(qiáng)勁的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(cái)力， 就 PCB 加工設(shè)備 的設(shè)計(jì)過(guò)程中 存在的問(wèn)題 做了深入研究 ， 最后在 60 年代初 獲 得了 較大 的成果 。 本文主要調(diào)查和研究了定梁式數(shù)控雕刻機(jī)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r以及其在未來(lái)制造業(yè)的前景，并對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)做了研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包含了數(shù)控機(jī)床的總體布局方案設(shè)計(jì)、機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、（電主軸或電機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)）、機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（導(dǎo)軌及滾珠絲杠）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相關(guān)滾珠絲杠的計(jì)算選型及校核、軸承和電機(jī)的計(jì)算及選型，最后利用 CAD 繪圖軟件繪 制了機(jī)床的總裝配圖、部分零件圖及相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。因此，對(duì)于加工零件所需要的機(jī)床的跟新?lián)Q代也與日 俱增。隨著模具工業(yè)和工藝美術(shù)品制造業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)的需求不斷擴(kuò)大，特別是高端的數(shù)控銑雕中心，需求更為旺盛。 班 級(jí)： 機(jī)械 94 學(xué) 號(hào)： 0923164 作者姓名： 2020 年 5 月 25 日 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 無(wú)錫太湖學(xué)院 信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 題目 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 專題 二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 數(shù)控雕刻機(jī)是一種具備雕刻功能的數(shù)控機(jī)床，被廣泛地應(yīng) 用于模具工業(yè)、零件精密加工等行業(yè)。在機(jī)械制造領(lǐng)域，人們對(duì)于機(jī)械零件加工的質(zhì)量、精度和效率等的要求也越來(lái)越高。比如數(shù)控雕刻機(jī)在模具加工、 PCB 電路板以及廣告招牌等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。不但厚重、笨、大 ， 而且性能差、速度慢、功能少、效率低。 本課題研究的內(nèi)容及意義 目前，數(shù)控雕刻機(jī)主要是用于各類材料的文字雕刻、印刷電路板的制作、各類印章銘牌的制作、藝術(shù)浮雕及小型模具加工 (如沖壓模、五金模、塑料模、玻璃模 )以及零件的精密雕刻。同時(shí)，它價(jià)格適宜，被認(rèn)為是低投入高回報(bào)的一類加工機(jī)床。 目前，雖然數(shù)控雕刻機(jī)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也日漸趨于穩(wěn)定。該機(jī) 床具有占地面積小，加工幅面較大等特點(diǎn)。再加上電火花加工存在不足，近年來(lái)數(shù)控雕刻機(jī)在國(guó)內(nèi)有了突破性的發(fā)展。根據(jù)羅百輝的調(diào)查顯示， 2020～ 2020 年，數(shù)控雕刻機(jī)被用于模具加工、家具制造行業(yè)還是小批量，是它導(dǎo)入市場(chǎng)的階段。未來(lái)數(shù)控雕刻機(jī) 行業(yè)將持續(xù)高速增長(zhǎng)。 下面以 PCB 的加工為例，介紹數(shù)控雕刻機(jī)在印刷電路板領(lǐng)域的應(yīng)用。 就我國(guó)而言，通過(guò)幾十年的發(fā)展， PCB 制造行業(yè)的技術(shù)含量和設(shè)備支持都達(dá)到了一個(gè)較高的水平。 2）數(shù)控鉆銑的效率高，精度好，速度快，質(zhì)量高 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 一般來(lái)說(shuō)數(shù)控鉆銑床的各個(gè)電主軸都配置了 Z 軸進(jìn)給深度控制感應(yīng)系統(tǒng)。 目前，當(dāng)電主軸達(dá)最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)，其值為 120200r/min。而且，加工出來(lái)的PCB 板無(wú)毛刺，不會(huì)有斜度，表面光滑整齊。工作人員排除故障疏忽的情況下，為使機(jī)器不會(huì)損壞，有的還可以自動(dòng)控 制，讓機(jī)器停止工作，制定它保持待機(jī)，從而有效防止了機(jī)器發(fā)生故障而損壞。 然而，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在數(shù)控鉆銑床的主軸系統(tǒng)都安裝了斷鉆檢測(cè)裝置，當(dāng)鉆頭斷了，數(shù)控機(jī)床將自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并顯示提醒斷鉆的位置，相應(yīng)的換上好的鉆頭，還要自動(dòng)檢測(cè)所裝鉆頭的直徑，并重新進(jìn)行孔加工。要求高速、高精度的進(jìn)給，所以 PCB 鉆銑機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)要求阻尼小、摩擦小、靈敏度高，這樣才能滿足 PCB 的孔加工時(shí)頻繁高速的起停運(yùn)動(dòng)。這樣機(jī)床工作臺(tái)面移動(dòng)起來(lái)輕盈，快捷，精準(zhǔn)。布置 X 軸、 Y 軸在大理石結(jié)構(gòu)的中央 位置，工作臺(tái)面始終保持在最佳平衡狀態(tài)，全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 相應(yīng)得也就提高了孔加工的精度。增加主軸以后，機(jī)床臺(tái)面尺寸也要對(duì)應(yīng)增加。目前，最后一種普遍得到運(yùn)用，它是一種特有的有效的編程工具，能夠把任何加工順序作為用戶加工環(huán)境來(lái)運(yùn)用和設(shè)計(jì)編程。要求加工精度較高。 從機(jī)械的角度出發(fā)去分析，對(duì)于數(shù)控雕刻機(jī) 床而言，它的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：加工范圍廣、工作精度高、生產(chǎn)率高和經(jīng)濟(jì)性能好等各項(xiàng)要求；另外，它的非移動(dòng)部件的剛性要好，移動(dòng)部件而言，首先它要具有良好剛性，還要整體結(jié)構(gòu)輕巧，要具有較好的靈活性；確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；應(yīng)便于觀察和檢測(cè)。因此，在布局雕刻機(jī)時(shí)，必須根據(jù)加工的要求，首先對(duì)所要加工零件表面成形的方法及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行綜合、全面合理地考慮。 (2)與 X、 Y 平面相垂直的 Z 方向上直線移動(dòng)。而且，就同一種動(dòng)靜分配的布局而言，因?yàn)闄C(jī)床導(dǎo)軌的布局加上導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)不一樣，雕刻機(jī)的布局也會(huì)不一樣。這樣，雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)性能將大大提高。 比如，所需加工零件的面積尺寸很大，機(jī)床工作臺(tái)在于加工同一方向尺寸將會(huì)變大，其它一系列部件如與工作臺(tái)相連接的滑塊、滑板及兩導(dǎo)軌布局的跨距將越大。 數(shù)控雕 刻 機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局 數(shù)控雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局如圖 。 機(jī)床龍門框架式的基本布局形式一般有如圖 A,B兩種結(jié)構(gòu)： 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 A 工作臺(tái)移動(dòng)式 圖 B 龍門架移動(dòng)式 圖 龍門式數(shù)控雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 A的 布局方案，龍門架是固定的，數(shù)控雕刻機(jī) Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動(dòng)，機(jī)床 X工作臺(tái)將作縱向移動(dòng)。由于機(jī)床移動(dòng)部件的質(zhì)量比較小，因此該種方案中的數(shù)控雕刻機(jī) Z軸系統(tǒng)刀具的運(yùn)動(dòng)、精度易于得到保障。但機(jī)床 Z軸系統(tǒng)刀具的運(yùn)動(dòng)精度難以得到保證，而且龍門架的移動(dòng)相對(duì)笨重。而且考慮到 不良力矩產(chǎn)生的影響，機(jī)床還對(duì) X、 Y、 Z三個(gè)方向上的兩根直線滾動(dòng)導(dǎo)軌之間的跨距進(jìn)行了加寬，從機(jī)床的整體布局上進(jìn)行考慮，有效、可靠地確保了機(jī)床的剛性。 通過(guò)查閱資料、分析研究 ， 對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)作如下改進(jìn) : ， 原來(lái)滑塊下的直線導(dǎo)軌布局在同一平面內(nèi) ，如圖 （ a） 所示， 現(xiàn)把它們布置在互相垂直的空間平面內(nèi) , 如圖 （ b）的結(jié)構(gòu)所示 ，此時(shí)完全 鎖定了 機(jī)床 Z軸滑座的各相偏移誤差。采用箱形結(jié)構(gòu)的方式，其底部?jī)?nèi)部筋板采用井字型筋板配合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)方式。 圖 數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 由于此次設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻 機(jī) 機(jī) 床的剛性 大部分是為了 克服 機(jī)床 移動(dòng)系統(tǒng)在高速移動(dòng)的情況下對(duì)非移動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，因此該機(jī)床的滾珠絲杠副和導(dǎo)軌系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型時(shí)要盡量考慮加粗，這樣，機(jī)床的剛性將有利于加強(qiáng) 。機(jī)床工作臺(tái)與 X向滑板之間加防護(hù)罩，固定在機(jī)床底座上。根據(jù)實(shí)際情況，還對(duì)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，確立了工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局方式。將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主軸傳動(dòng)方式 ,。 這種方式所采用的直流電機(jī)所具有的特點(diǎn)如下： （ 1）特性保持線性關(guān)系 無(wú)論機(jī)械特性還是調(diào)節(jié)特性都呈現(xiàn)良好的線性度。 因此本次設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)直聯(lián)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)的方案。變頻器是一種電氣設(shè)備，主要用來(lái)改變交流電的電頻率。其中，變壓器 的作 用 是改變電壓而且 可以隔離輸入 /輸出的電路，補(bǔ)償變頻器內(nèi)部線路上的能量損失 由電池來(lái)實(shí)現(xiàn) 。因此，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過(guò) 改變頻率 f 來(lái)實(shí)現(xiàn) ，當(dāng)頻率 f 在 0～ 50Hz 的范圍內(nèi)變動(dòng) 時(shí) ， 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速 的 調(diào)全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 節(jié)范圍比較大 。 由于對(duì)高速電主軸這類新型事物還未深入研究，在此對(duì)其作一些簡(jiǎn)單的介紹。所以，它被 廣泛應(yīng)用于超高速機(jī)床領(lǐng)域。 電主軸的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn) 電主軸的 結(jié)構(gòu)是采用變頻電機(jī)和機(jī)床的主軸合為一體 ，即具備 有冷卻套的定子裝配在主軸結(jié)構(gòu)的腔體內(nèi)部再與機(jī)床直接連接 ，成為一體，是一 種集成式的電機(jī)主軸。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床采用的皮帶式或齒輪傳動(dòng)式的主軸系統(tǒng)相比，它克服了它們?cè)谥鬏S高速轉(zhuǎn)動(dòng)下發(fā)生打滑、噪音大和振動(dòng)、傳動(dòng)慣量大、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。這樣的主軸聯(lián)結(jié)形式被稱作直聯(lián)式和分離式主軸，也可都稱其為機(jī)械主軸。 （ 3）通過(guò)利用內(nèi)裝式電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)、閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)技術(shù) ，既保證了 機(jī)床在進(jìn)行低速粗切削加工時(shí)產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩、在高速精加工時(shí)對(duì)大功率的需求 ，又能夠 實(shí)現(xiàn)機(jī)器停車時(shí)各向的準(zhǔn)確定位 (也就是所謂的準(zhǔn)停 )以及 C軸傳動(dòng)的功能 ，同時(shí)還 適應(yīng)了需要具備 C軸功能以及準(zhǔn)停的數(shù)控機(jī)床、加工中心以及其它一些數(shù)控機(jī)床的需求。 （ 6）由于采用了電機(jī)和主軸一體化布局結(jié)構(gòu) ，從而制造商們可以對(duì) 電主軸進(jìn)行規(guī)?；⑾盗谢约皩I(yè)化的生產(chǎn) ，由 此 電主軸就以商品的形式投人到市場(chǎng)中 ，作為一類 專業(yè)化的數(shù)控機(jī)床零部件 ，方便于 主機(jī)挑選使用 ，最終帶動(dòng) 促進(jìn)了機(jī)床的模塊化生產(chǎn)和其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用。一般來(lái)講，如果采用脂潤(rùn)滑的方式 ，那么 其相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度就油氣潤(rùn)滑相比要低 [11]。 此種裝配的夾緊機(jī)構(gòu)的對(duì)中性好 ， 夾緊剛度強(qiáng) ，便于 操縱 ， 夾緊有效可靠 。如果就控制系統(tǒng)的角度來(lái)進(jìn)行分析，其中能夠起到?jīng)Q定性作用的主要因素有： （ 1）機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)慣量和剛度，它們將直接影響到機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度以及穩(wěn)定性。所以，就數(shù)控機(jī)床而言，其對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求可以總結(jié)如下： 1） 盡量降低傳動(dòng)部件的慣量； 2）盡量提高傳動(dòng)部件的剛度； 3）盡量將傳動(dòng)部件的間隙減小； 4) 盡量減少傳動(dòng)系統(tǒng)的 摩擦阻力 。在數(shù)控機(jī)床上，能夠?qū)崿F(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的主要有以下三 種形式： （ 1）通過(guò)絲杠（一般為靜壓絲杠或滾珠絲杠）螺母副，把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)。因此，這種結(jié)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床上運(yùn)用相當(dāng)廣泛，是當(dāng)前中、小型數(shù)控機(jī)床中最為普遍的傳動(dòng)形式。另外，在安裝和使用中為了 防止螺母會(huì)脫離絲杠滾道，一般在機(jī)床上還要安裝超程保護(hù)裝置。靜壓絲杠螺母的特點(diǎn)是： 1）摩擦系數(shù)很小，僅為 ，比滾珠絲杠的摩擦損失更小，因此，其起動(dòng)力矩很小，傳動(dòng)靈敏 ，避免了爬行。 5）油膜層介于螺母與絲杠之間，對(duì)絲杠的誤差有“均化”作用，即可以使絲杠的傳動(dòng)誤差小于絲杠本身的制造誤差。如果加大絲杠直徑，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不易保證，故常用齒輪齒條副。當(dāng)傳動(dòng)負(fù)載大時(shí)，可采用雙厚齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，則可以不受此限制。 （ 2）直線電動(dòng)機(jī)，特別是直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)推力受電源電壓的影響較大，故對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求較高，應(yīng)采用措施保證或改變電動(dòng)機(jī)的有關(guān)特性來(lái)減少或消除這種影響。 滾珠絲杠系統(tǒng) 滾珠絲杠副的選擇 選 定進(jìn)給傳動(dòng)用滾珠絲杠副時(shí)，主要考慮的內(nèi)容是：與機(jī)床定位精度要求相適應(yīng)的絲杠精度、絲杠的剛性與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此，在滿足機(jī)床精度要求的前提下，選擇相應(yīng)精度的絲杠是 設(shè)計(jì)者的一項(xiàng)重要工作。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。但是，隨著直徑的增大，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也 大大增大。 滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu) 一般來(lái)說(shuō)， 加強(qiáng)滾珠絲杠螺母本身的剛度可以提高數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。目前，一般在工藝條件允許時(shí)， 新設(shè)計(jì)的機(jī)床 通常都 把 絲杠 螺母座或 者絲杠支承座和 機(jī)床本體 做為一體式結(jié)構(gòu)，從而 增大 了 剛度。 由此， 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的軸承生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)出一種滾珠絲杠專用 的軸承，這是一種能夠承受很大軸向力的特殊向心推力球軸承，和 一般的向全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 心推力球軸承相比 而言 ， 它的 接觸角增大到 了 60186。 滾珠絲杠副支承方式通常有以下幾種： （ 1） 雙推一自由方式 即絲杠一端固定，另一端自由。固定端軸承同時(shí)承受軸向力和徑向力；支承端軸承只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動(dòng)，可以避免或減少絲杠因自重而出現(xiàn)的彎曲。 （ 4） 采用絲杠固定、螺 母旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式 即螺母一邊轉(zhuǎn)動(dòng)、一邊沿固定的絲杠作軸向移動(dòng)。 Z向采用一端固定，另一端自由的方式。所以，對(duì)于滾珠絲杠的軸向剛度以及精度的要求比較高。其組合的形式有三類：面對(duì)面組配 (即 DF方式 )、背靠背組配 (即 DB方式 )、串聯(lián)組 配 (即 DT方式 )。防止工作臺(tái)及其主軸組件由于自重而產(chǎn)生逆?zhèn)鲃?dòng)的關(guān)鍵部件是單向逆止軸承和摩擦阻尼裝置 (由聯(lián)結(jié)套、摩擦環(huán)、碟簧、調(diào)整螺母等組成 )。當(dāng)伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) (電 機(jī)帶制動(dòng) )，機(jī)床 工作臺(tái)由于自重將 要 向 下滑 懂動(dòng) , 螺母有推動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的逆 向 傳動(dòng) , 這時(shí) ,單向逆止軸承的內(nèi)環(huán)和滾珠將帶動(dòng)軸承 的 外環(huán)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是在工作臺(tái)垂直向下傳動(dòng)時(shí) , 傳動(dòng)力 必須先克服這個(gè)額外加上去的摩擦扭矩，增加了一定的能耗 [