【正文】 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）加工設備設計 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 加工設備 的設計過程中 存在的問題 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)控雕刻機在國內(nèi)外發(fā)展狀況以及其在未來制造業(yè)的前景，并對數(shù)控雕刻機的結構做了研究和優(yōu)化設計，主要包含了數(shù)控機床的總體布局方案設計、機床主傳動系統(tǒng)設計、（電主軸或電機直聯(lián)傳動結構）、機床進給運動系統(tǒng)（導軌及滾珠絲杠）的結構設計、相關滾珠絲杠的計算選型及校核、軸承和電機的計算及選型，最后利用 CAD 繪圖軟件繪 制了機床的總裝配圖、部分零件圖及相關結構示意圖。因此，對于加工零件所需要的機床的跟新?lián)Q代也與日 俱增。隨著模具工業(yè)和工藝美術品制造業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)外市場對數(shù)控雕刻機的需求不斷擴大，特別是高端的數(shù)控銑雕中心，需求更為旺盛。 班 級： 機械 94 學 號： 0923164 作者姓名： 2020 年 5 月 25 日 全套設計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 無錫太湖學院 信 機 系 機械工程及自動化 專業(yè) 畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書 一、題目及專題： 題目 定梁式數(shù)控雕刻機機械結構設計 專題 二、課題來源及選題依據(jù) 數(shù)控雕刻機是一種具備雕刻功能的數(shù)控機床，被廣泛地應 用于模具工業(yè)、零件精密加工等行業(yè)。在機械制造領域，人們對于機械零件加工的質(zhì)量、精度和效率等的要求也越來越高。比如數(shù)控雕刻機在模具加工、 PCB 電路板以及廣告招牌等領域發(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，它價格適宜，被認為是低投入高回報的一類加工機床。 目前，雖然數(shù)控雕刻機的技術已經(jīng)相對比較成熟，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也日漸趨于穩(wěn)定。該機 床具有占地面積小，加工幅面較大等特點。再加上電火花加工存在不足，近年來數(shù)控雕刻機在國內(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)控雕刻機被用于模具加工、家具制造行業(yè)還是小批量，是它導入市場的階段。未來數(shù)控雕刻機 行業(yè)將持續(xù)高速增長。 下面以 PCB 的加工為例，介紹數(shù)控雕刻機在印刷電路板領域的應用。 就我國而言，通過幾十年的發(fā)展， PCB 制造行業(yè)的技術含量和設備支持都達到了一個較高的水平。 2）數(shù)控鉆銑的效率高，精度好，速度快，質(zhì)量高 全套設計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 一般來說數(shù)控鉆銑床的各個電主軸都配置了 Z 軸進給深度控制感應系統(tǒng)。 目前，當電主軸達最高運轉速度時，其值為 120200r/min。而且，加工出來的PCB 板無毛刺，不會有斜度，表面光滑整齊。工作人員排除故障疏忽的情況下，為使機器不會損壞，有的還可以自動控 制，讓機器停止工作，制定它保持待機，從而有效防止了機器發(fā)生故障而損壞。 然而，針對這個問題，現(xiàn)在數(shù)控鉆銑床的主軸系統(tǒng)都安裝了斷鉆檢測裝置，當鉆頭斷了，數(shù)控機床將自動停止運轉，并顯示提醒斷鉆的位置，相應的換上好的鉆頭，還要自動檢測所裝鉆頭的直徑，并重新進行孔加工。要求高速、高精度的進給，所以 PCB 鉆銑機的進給系統(tǒng)要求阻尼小、摩擦小、靈敏度高，這樣才能滿足 PCB 的孔加工時頻繁高速的起停運動。這樣機床工作臺面移動起來輕盈，快捷，精準。布置 X 軸、 Y 軸在大理石結構的中央 位置，工作臺面始終保持在最佳平衡狀態(tài)，全套設計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 相應得也就提高了孔加工的精度。增加主軸以后，機床臺面尺寸也要對應增加。目前，最后一種普遍得到運用，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)境來運用和設計編程。要求加工精度較高。 從機械的角度出發(fā)去分析，對于數(shù)控雕刻機 床而言，它的結構應滿足：加工范圍廣、工作精度高、生產(chǎn)率高和經(jīng)濟性能好等各項要求；另外，它的非移動部件的剛性要好，移動部件而言，首先它要具有良好剛性，還要整體結構輕巧，要具有較好的靈活性；確保雕刻機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；應便于觀察和檢測。因此，在布局雕刻機時，必須根據(jù)加工的要求，首先對所要加工零件表面成形的方法及運動進行綜合、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。而且，就同一種動靜分配的布局而言，因為機床導軌的布局加上導軌結構安裝結構不一樣，雕刻機的布局也會不一樣。這樣，雕刻機的運動力學性能將大大提高。 比如，所需加工零件的面積尺寸很大，機床工作臺在于加工同一方向尺寸將會變大，其它一系列部件如與工作臺相連接的滑塊、滑板及兩導軌布局的跨距將越大。 數(shù)控雕 刻 機總體結構布局 數(shù)控雕刻機總體結構布局如圖 。 機床龍門框架式的基本布局形式一般有如圖 A,B兩種結構： 全套設計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 A 工作臺移動式 圖 B 龍門架移動式 圖 龍門式數(shù)控雕刻機結構示意圖 如圖 A的 布局方案，龍門架是固定的，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，機床 X工作臺將作縱向移動。由于機床移動部件的質(zhì)量比較小，因此該種方案中的數(shù)控雕刻機 Z軸系統(tǒng)刀具的運動、精度易于得到保障。但機床 Z軸系統(tǒng)刀具的運動精度難以得到保證，而且龍門架的移動相對笨重。而且考慮到 不良力矩產(chǎn)生的影響，機床還對 X、 Y、 Z三個方向上的兩根直線滾動導軌之間的跨距進行了加寬，從機床的整體布局上進行考慮，有效、可靠地確保了機床的剛性。 通過查閱資料、分析研究 ， 對數(shù)控雕刻機機械結構作如下改進 : ， 原來滑塊下的直線導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）的結構所示 ，此時完全 鎖定了 機床 Z軸滑座的各相偏移誤差。采用箱形結構的方式，其底部內(nèi)部筋板采用井字型筋板配合的網(wǎng)狀結構方式。 圖 數(shù)控雕刻機機械結構示意圖 由于此次設計的數(shù)控雕刻 機 機 床的剛性 大部分是為了 克服 機床 移動系統(tǒng)在高速移動的情況下對非移動系統(tǒng)產(chǎn)生強大的沖擊力，因此該機床的滾珠絲杠副和導軌系統(tǒng)在設計選型時要盡量考慮加粗，這樣，機床的剛性將有利于加強 。機床工作臺與 X向滑板之間加防護罩，固定在機床底座上。根據(jù)實際情況，還對機床工作臺移動的實現(xiàn)方式進行改進優(yōu)化，確立了工作臺的結構布局方式。將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主軸傳動方式 ,。 這種方式所采用的直流電機所具有的特點如下： （ 1）特性保持線性關系 無論機械特性還是調(diào)節(jié)特性都呈現(xiàn)良好的線性度。 因此本次設計采用直流電機直聯(lián)帶動主軸機構的方案。變頻器是一種電氣設備，主要用來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，補償變頻器內(nèi)部線路上的能量損失 由電池來實現(xiàn) 。因此，改變電動機轉速可以通過 改變頻率 f 來實現(xiàn) ，當頻率 f 在 0～ 50Hz 的范圍內(nèi)變動 時 ， 電動機 轉速 的 調(diào)全套設計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 節(jié)范圍比較大 。 由于對高速電主軸這類新型事物還未深入研究，在此對其作一些簡單的介紹。所以，它被 廣泛應用于超高速機床領域。 電主軸的結構及其優(yōu)點 電主軸的 結構是采用變頻電機和機床的主軸合為一體 ，即具備 有冷卻套的定子裝配在主軸結構的腔體內(nèi)部再與機床直接連接 ，成為一體，是一 種集成式的電機主軸。相對于傳統(tǒng)機床采用的皮帶式或齒輪傳動式的主軸系統(tǒng)相比，它克服了它們在主軸高速轉動下發(fā)生打滑、噪音大和振動、傳動慣量大、穩(wěn)定性差等缺點。這樣的主軸聯(lián)結形式被稱作直聯(lián)式和分離式主軸，也可都稱其為機械主軸。 （ 3）通過利用內(nèi)裝式電機的伺服控制系統(tǒng)、閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)技術 ，既保證了 機床在進行低速粗切削加工時產(chǎn)生大的轉矩、在高速精加工時對大功率的需求 ，又能夠 實現(xiàn)機器停車時各向的準確定位 (也就是所謂的準停 )以及 C軸傳動的功能 ，同時還 適應了需要具備 C軸功能以及準停的數(shù)控機床、加工中心以及其它一些數(shù)控機床的需求。 （ 6）由于采用了電機和主軸一體化布局結構 ，從而制造商們可以對 電主軸進行規(guī)模化、系列化以及專業(yè)化的生產(chǎn) ，由 此 電主軸就以商品的形式投人到市場中 ，作為一類 專業(yè)化的數(shù)控機床零部件 ，方便于 主機挑選使用 ，最終帶動 促進了機床的模塊化生產(chǎn)和其它相關技術的發(fā)展與運用。一般來講，如果采用脂潤滑的方式 ，那么 其相應運轉的速度就油氣潤滑相比要低 [11]。 此種裝配的夾緊機構的對中性好 ， 夾緊剛度強 ，便于 操縱 ， 夾緊有效可靠 。如果就控制系統(tǒng)的角度來進行分析，其中能夠起到?jīng)Q定性作用的主要因素有： （ 1）機床傳動系統(tǒng)的傳動慣量和剛度，它們將直接影響到機床進給系統(tǒng)的靈敏度以及穩(wěn)定性。所以，就數(shù)控機床而言，其對機械傳動系統(tǒng)的基本要求可以總結如下： 1） 盡量降低傳動部件的慣量； 2）盡量提高傳動部件的剛度； 3）盡量將傳動部件的間隙減?。? 4) 盡量減少傳動系統(tǒng)的 摩擦阻力 。在數(shù)控機床上，能夠?qū)崿F(xiàn)直線進給運動的主要有以下三 種形式： （ 1）通過絲杠（一般為靜壓絲杠或滾珠絲杠）螺母副，把電動機的旋轉運動轉變成直線運動。因此，這種結構在數(shù)控機床上運用相當廣泛，是當前中、小型數(shù)控機床中最為普遍的傳動形式。另外，在安裝和使用中為了 防止螺母會脫離絲杠滾道，一般在機床上還要安裝超程保護裝置。靜壓絲杠螺母的特點是： 1）摩擦系數(shù)很小，僅為 ，比滾珠絲杠的摩擦損失更小，因此，其起動力矩很小，傳動靈敏 ，避免了爬行。 5）油膜層介于螺母與絲杠之間，對絲杠的誤差有“均化”作用，即可以使絲杠的傳動誤差小于絲杠本身的制造誤差。如果加大絲杠直徑，則轉動慣量增大，伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性不易保證，故常用齒輪齒條副。當傳動負載大時，可采用雙厚齒輪傳動結構。采用直線電動機驅(qū)動時，則可以不受此限制。 （ 2）直線電動機，特別是直線感應電動機的起動推力受電源電壓的影響較大，故對驅(qū)動器的要求較高，應采用措施保證或改變電動機的有關特性來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 定進給傳動用滾珠絲杠副時，主要考慮的內(nèi)容是：與機床定位精度要求相適應的絲杠精度、絲杠的剛性與轉動慣量。因此，在滿足機床精度要求的前提下，選擇相應精度的絲杠是 設計者的一項重要工作。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動變?yōu)樾D運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。但是，隨著直徑的增大，其轉動慣量也 大大增大。 滾珠絲杠支承結構 一般來說， 加強滾珠絲杠螺母本身的剛度可以提高數(shù)控機床的進給系統(tǒng)的傳動剛度。目前，一般在工藝條件允許時， 新設計的機床 通常都 把 絲杠 螺母座或 者絲杠支承座和 機床本體 做為一體式結構，從而 增大 了 剛度。 由此， 近年來國內(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 一般的向全套設計（圖紙）請聯(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，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 母旋轉的傳動方式 即螺母一邊轉動、一邊沿固定的絲杠作軸向移動。 Z向采用一端固定，另一端自由的方式。所以，對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 )。防止工作臺及其主軸組件由于自重而產(chǎn)生逆?zhèn)鲃拥年P鍵部件是單向逆止軸承和摩擦阻尼裝置 (由聯(lián)結套、摩擦環(huán)、碟簧、調(diào)整螺母等組成 )。當伺服電機停止轉動時 (電 機帶制動 )，機床 工作臺由于自重將 要 向 下滑 懂動 , 螺母有推動絲杠轉動的逆 向 傳動 , 這時 ,單向逆止軸承的內(nèi)環(huán)和滾珠將帶動軸承 的 外環(huán)反向轉動。 這種結構的缺點是在工作臺垂直向下傳動時 , 傳動力 必須先克服這個額外加上去的摩擦扭矩，增加了一定的能耗 [