【正文】 從而實現(xiàn)了無級轉速。此類變頻器的工作原理如式（ ）所示： 60 (1 ) /n f s p?? () 式（ ）中：異步電動機的轉速 為 n，異步電動機的頻率 為 f，電動機轉差率 為 s，電動機極對數(shù) 為 p。這種結構的 優(yōu)點是：重量輕、結構緊湊、動態(tài)特性好、慣性小、穩(wěn)定性好。這種結構使得變頻電機和機床的主軸的連接形成“零傳動”方式，就是直接相連，沒有任何傳導媒介 ，大大提高了傳動效率。 （ 1）主軸是通過內裝式電機聯(lián)結直接驅動的，除去了齒輪、皮帶、聯(lián)軸器等中間媒介的變速及傳動裝置 ，這 種結構的 特點是：結構緊湊簡單、噪聲低、效率高、產生振動低和加工精度高等等。通常機床的電主軸都采用水冷卻 ， 其冷卻裝置布置在機床床身的后部。而且簡單介紹了高新技術電主軸，包括其優(yōu)點、結構布局、安裝形式等。直線進給運動又包括了機床的基本坐標 X/Y/Z 軸以及與基本坐標軸相互平行的坐標軸 U/V/W 軸的直線運動；而圓周進給運動指的是環(huán)繞基本坐標軸 X、 Y、 Z 回轉的坐標軸的運動。因此當它用于水平放置或者垂直傳動的高速度、大慣量的傳動中一定要配有制動裝置。 3）由于油液的不斷流動，有利于散熱和減少熱變形，提高了機床的加工精度和光潔度。但其傳動不夠平穩(wěn)，傳動精度不高，而且還不能自鎖。定梁式數(shù)控雕刻機機械結構設計 17 直線電動機從根本上消除傳動環(huán)節(jié)，故進給系統(tǒng)的精度高、剛度、快速性和穩(wěn)定性好，噪聲很小或無噪聲。為了獲得高精度、高剛度的進給系統(tǒng)，應選用精度高的滾珠絲杠傳動副。 絲杠的剛度與直徑的大小直接相關，直徑大、剛度 就好。 絲杠螺母座和絲杠 支承座都 應該有可靠的 剛度和精度。 與 一般軸承 相比，這種新型結構的軸承的軸向剛度提高了兩倍以上。 （ 3） 雙推一雙推方式 即絲杠兩端均固定。 圖 X、 Y向的 滾珠絲 杠副的 支承結構 定梁式數(shù)控雕刻機機械結構設計 19 支承軸承的選擇 一般來說，在機床運動系統(tǒng)的設計過程中，要想得到高剛度、高精度的進給傳動系統(tǒng)，選用高剛度、高精度的滾珠絲杠副以及十分重視滾珠絲杠副的支承的設計至關重要。 滾珠絲杠副的制動裝置 因為滾珠絲杠副的逆?zhèn)鲃有时容^高 ,而它的 逆向傳動又不可以自鎖 , 所以 當滾珠絲杠 處于垂直安置狀態(tài)時必須另外配有制動裝置， 這樣就可以 防止伺服電機停止了轉動 , 運動部件由于自身重量而 產生了逆向傳動 , 也能夠防止由于偶然因素而造成的事故。 通過調整螺母可以調整 阻止逆 向 傳動的摩擦扭矩的大小。 無錫太湖學院學士學位論文 20 更重要的是，它具有較高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可以提高機床的抗震性。例如，其中 X向導軌布局方式如下圖 ： 圖 滾動導軌的安裝示意圖 如上圖 , 可以有效抵消在高速加工工件時的所產生的強烈振動和沖擊 , 而且這種安裝方式簡單，調整快捷簡便。直線滾動導軌通常 是兩條組合配套成對使用，它可以水平式安裝，也可以垂直或傾斜式安裝。在雕刻機床中， X、 Y 軸采用直聯(lián)式，即通過非金屬彈性元件聯(lián)軸器 （ 屬于帶彈性元件擾性聯(lián)軸器） 把步進電機和滾珠絲杠聯(lián)結起來。單向逆止軸承的內環(huán)與絲杠上端固定聯(lián)結 , 其外環(huán)通過鍵與聯(lián)結套裝配在一起。 當前，推力角接觸球軸承是各大類軸承中間用得最多最廣 的一種。螺母慣性小、運動靈活，可實現(xiàn)的轉速高。這種支承方式用于行程小的短絲杠。 目前 ，就軸承的安裝方式而言，國內主要采用兩種組合方式：其一是把向心軸承和圓錐軸承組合使用，它的結構雖然 簡單，但 它的軸向剛度不夠。本機床 經設計計算后選定 X、 Z軸的公稱直徑為 20mm。 3級精度的絲杠經采用一些如消隙、螺距誤差補償?shù)却胧?，完全能滿足機床的定位精度要求。綜上所述，本次 數(shù)控雕刻機進給系統(tǒng) X/Y/Z 三向均采用滾珠絲杠副作為傳動系統(tǒng)，機床 X/Y 軸均采用高精度直線導軌。 2）旋轉電動機本身機械結構由于受到離心力的作用，其旋轉速度受到限制；滾珠絲杠又受轉速特征值的約束，轉速不能太高。但靜壓絲杠螺母副應有一套供油系統(tǒng)，而且對油的清潔度要求高，如果在運動中供油忽然中斷，將造成不良后果。 （ 2）靜壓絲杠螺母副 靜壓絲杠螺母副的工作原理： 在絲杠和螺母接觸面之間 ，通過油壓產生一層保持一定厚度，以及擁有 一定剛度的壓力油膜， 從而使得 絲杠和螺母 之間的摩擦 由 原來的 邊界摩擦轉變?yōu)橐后w摩擦，大大降低了摩擦阻力。 （ 3）采用直線電動機直接進行進給驅動。 通常機床傳動系統(tǒng)的慣性以及剛度主要由機械結構設計來決定。 電主軸的外圓 部分 與外部 的 支座結構采用內孔式配合定位 ， 電主軸的主軸支座 8被 固定 在 機床 Z軸數(shù)控工作 臺 滑塊上，電主軸在支座上的鎖緊 是通過手動式彈簧脹套夾緊機構來實現(xiàn)的 。 在 數(shù)控機床加工中進行高速度的切削以及對零件的精密加工，電主軸能夠滿足此類要求，而傳統(tǒng)的機械主軸則存在欠缺。其結構如圖 。目前，伴隨著高速加工制造技術的迅猛發(fā)展和普遍運用 , 多種 工業(yè)制造部門，尤其在航空航天、汽車摩托配、電子電路板加工、廣告招牌及模具加工等行業(yè) , 對于高精度、高速度的數(shù)控機床的需求量正日益增加。 雖然在本次設計的數(shù)控雕刻機機床中，機床的主軸傳動系統(tǒng)采用的是電機直聯(lián)主軸傳動方式 ， 但 就電主軸來講，無論從其功能還是其在未來的發(fā)展趨勢都有著很大的優(yōu)勢和潛力。 一般，變頻器 主要 由逆變器、整流器還有直流部分 等 3 個部分所組成 。 （ 2）調速范圍寬 其轉子轉速可在寬廣的范圍 內連續(xù)調節(jié)并穩(wěn)定運行。由于數(shù)控雕刻機床主軸的轉速較高 ，對于 傳統(tǒng)的“主軸電機 +皮帶傳動 + 齒輪變速”傳動的方式已經不再 適合 ，因此，目前采用 電主軸來完成主傳動的方式已經 廣泛運用于大多機床的主軸系統(tǒng) 。 工作臺的結構設計 綜合考慮到機床的總體美觀及安全性能等各個方面的因素，機床的滾珠絲杠和導軌系統(tǒng)不可以裸露在外面，因此需要在機床工作臺的下方布置一個防護罩。 孕育鑄鐵的穩(wěn)定性、耐沖擊性和吸振性都很優(yōu)越，這將大大提高機床床身的結 構強度和剛性。 綜合上述比較，充分結合參考機床布局的基本要求、影響機床布局的基本因素以及本次設計的雕刻機的設計參數(shù)，最終選用圖 A的 布局方案。如果所需承載加工零件比較輕，那么此類機床布局方式要求的電機功率及傳動部件的尺寸就比較小，移動比較快捷、輕便。由此可見，待加工零件的形狀、尺寸、重量等也將是對雕刻機布局產生影響的直接性、決定性因素。 (2)機床移動部分的零件的重量最好輕巧。因此所設計的數(shù)控 雕刻機必須滿足下面幾種運動才可以實現(xiàn)各種加工過程： (1)X、 Y 兩個方向上相互垂直的直線移動。各向移動部件要求運動輕巧、剛性好、靈活性強。 6） 編程的功能多種化 當前市場上的數(shù)控鉆銑床一般都有兩種以上的編程功能。如若機器有不平衡現(xiàn)象出現(xiàn)，磁浮會吸住機床工作臺面，讓機器停下來，使得整個工作臺面完好無損。從而確保機床的工作臺面不會被鉆壞損傷。它的設計理念是 ,在主 CPU 的控制下，有一個從 CPU 在全閉環(huán)控制系統(tǒng)下 ,負責對鉆銑床的各個部位進行動態(tài)檢查 ,發(fā)現(xiàn)問題隨時在顯示器上反饋出來。 Z 軸采用獨立驅動方式，電主軸系統(tǒng)使用氣浮軸承，很大程度上減少了摩擦力，從而確保了加減速的時間較短，也就提高了加工精度，提高了效率。從印刷電路板的機加工環(huán)節(jié)上來分析，為了制造出高質量的印刷電路板，目前有激光鉆孔技術、光致法成孔、等離子體蝕孔等技術含量高的加工工藝。進入 2020 年我國數(shù)控雕刻機產 銷量突破 10000 臺，產值超過 15 億元，標志著國內數(shù)控雕刻機產業(yè)進入高速成長期；從 2020～ 2020 年，在模具加工、家具與五金制造等行業(yè)需求繼續(xù)快速增長的同時，由智能手機、平板電腦、電子書、 GPS 等帶動的消費類電子零配件制造業(yè)的需求異常突起，推動數(shù)控雕刻機行業(yè)迅速發(fā)展， 2020 年國內數(shù)控雕刻機產量已突破 萬臺。完成數(shù)控雕刻機機械結構總體方案設計及零部件的選型計算、結構強度校核，并繪制裝配圖和零件圖紙。 CNC 雕刻機一般采用滾珠 絲杠副和直線導軌來作為各向運動的實現(xiàn)元件，它的數(shù)控系統(tǒng)功能全面，采用半閉環(huán)伺服電機驅動，其加工精度可達 毫米，定位精度和重 復定位精度都優(yōu)于普通的數(shù)控機床的加工精度。 隨后 雕刻機、雕銑機、加工中心等一系列數(shù)控機床便如雨后春筍般應運而生。在此趨勢的推動下，數(shù)控機床的結構優(yōu)化改造設計變得非常重大。 畢業(yè)設計（論文） 題目： 定梁式數(shù)控雕刻機機械結構設計 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 定梁式數(shù)控雕刻機機械結構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。大批的數(shù)控機床正如雨后春筍般進軍機械制造業(yè)。跟據(jù)相關資料載述，世上首臺 CNC 機床的問世，是 1952 年在芝加哥機床展覽會上出現(xiàn)的 ，而針對于 PCB 工業(yè)加工的 CNC 機床大概晚于純金屬切削加工機床 10 年左右 ，它 是 60 年代初期出現(xiàn)的，從此便開創(chuàng)了數(shù)控雕刻技術的新紀元 [1]。另外，它的加工范圍大，性價比較高，能夠普遍用于輕型金屬構件的精密加工和模具型腔的曲面加工，也可以用來加工各類工藝品和非金屬制品。 國內外研究狀況及其發(fā)展趨勢 伴隨著模具業(yè)、廣告招牌業(yè)、家具制造業(yè)的發(fā)展日趨擴大，尤其在模具行業(yè)中對零件無錫太湖學院學士學位論文 2 表面的加工，要求不斷提高。 隨著下游各應用領域對產品加工過程中的高精密、高效率、低耗能、低耗材的要求不斷提升，數(shù)控雕刻機自身技術不斷成熟，下游新興應用領域不斷涌現(xiàn)，國內人工成本的不斷增長，原有老舊設備的更新?lián)Q代等等，都將對 數(shù)控雕刻機市場起到積極的推動作用。由于這些加工技術本身有著一定的局限性，所以一般 PCB 加工作業(yè)大多數(shù)得依靠數(shù)控雕刻機床來進行。再加上采用了高動態(tài)伺服馬達，僅僅只需幾毫秒的時間電主軸的速度就能達到最高。甚至有的同時顯示和報警。 4）機床工作臺面的移動方式采用了氣墊加磁浮，確保了機床工作臺面不會因為擦碰而被劃傷 PCB 電路板機械加工時所需的負載較小。而且 X 軸和 Y 軸采用分離式布局，避免了 傳統(tǒng)的重疊現(xiàn)象。一種是直接人工編程的照像底片或光繪底片，一種是采用幾何工藝語言 GTL 進行編程，最后一種是用參數(shù)化進行編程。對于機床的數(shù)控系統(tǒng)而言，它的控制反應速度要迅速、靈敏，其所配置的伺服電機的特性 要極佳。從而實現(xiàn)了鉆頭在 X、 Y 平面內的定位自由，從而使得刀具在 平面 X、 Y 內按照不同的軌跡路徑對零件進行銑雕加工。因為就其它條件相同下，機床的移動部分的零件的重量越小，那么它的慣性將越小，其傳動件的尺寸以及驅動電機的功率也將越小。 相比而言，一般零件的硬度不會有較大的差別，因此機床工作臺的切削力的大小和承載能力也不會產生很大差異，其對于機床的整體布局的影響比較 若 [8]。對于縱向較長工件的批量加工時，需要使用外伸支架支撐的結構，它們的支點高度相同，所以支 架支撐的調整較方便，但是支架的結構和布局 B方案相比顯得繁雜。該機床的橫梁和立柱還特意設計得較寬 。因此本次設計機床的整體式床身底座由孕育鑄鐵鑄造加工而成。所以機床的工作臺將不能與滾珠絲杠的滑塊和導軌底座直接連接，之間需有一塊 X向的滑板作為引導，來固定機床工作臺。 電主軸是一種新型技術，是為高速數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的高速轉動而專門研發(fā)出來的一種新型產物。 （ 3）反應速度迅捷 由于輸入控制信號的作用，電機 轉子可以快速地反應并相應地動作，其時間常數(shù)比較小。其中，輸入的交流電轉換為直流電 是通過整流器來實現(xiàn) ，直流電再轉換成所需頻率的交流電 是由逆變器來實現(xiàn) 。因此保留電主軸作為預備方案。因此，對于研發(fā)出性能更加優(yōu)越的高速電主軸迫在眉睫 [10]。 定梁式數(shù)控雕刻機機械結構設計 13 圖 電主軸結構裝配示意圖 傳統(tǒng)機床的主軸系統(tǒng)是由電機在中間媒介產生變速和傳動裝置，比如齒輪、皮帶、聯(lián)軸器等的驅動下使得主軸旋轉進行工作。 （ 5）由于電機主軸采用直聯(lián)一體式，不存在中間傳動的環(huán)節(jié) ，因此 電主軸工作時將運行地更為平穩(wěn) ，幾乎 沒有外來的沖擊現(xiàn)象 ，由于 主軸軸承所能夠承受的動、負載荷比較小 ，所以這種結構也 延長了它的精度壽命。安裝時旋緊螺母從而使得螺栓 1朝上移動，此過程中 壓蓋 7被帶動著和 1一起向上移動 ， 夾緊力 之所以能 被均勻地傳遞到壓環(huán) 6上 是通過兩個過渡壓塊 5與螺栓 1垂直布局的結構來實現(xiàn)的 ，再 通過壓環(huán) 6上的 4個壓塊 2（與過渡壓塊成 45度布局），這樣 夾緊力 就能夠均勻地傳遞到彈簧漲套 4上面 ，此時 彈 簧漲套外壁向外部 彎曲 變形 ， 從而將 外圍 與支座基體頂緊 ，同時 彈簧漲套 內壁向里收縮變形 ，從而把 主軸緊緊抱住。然而，造成傳動系統(tǒng)非線性的主要原因是傳動系統(tǒng)的摩擦死區(qū)、傳動間隙。 以上幾種傳動方案的簡介和比較 （ 1）滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副擁有如下的特點