【文章內容簡介】 主軸電動機 機頭 X向進給電動機 立柱 龍門架 工作 底座圖8 雕刻機系統(tǒng)結構簡圖 The structure diagram of engraving plotter system3 三坐標數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設計本章詳細介紹了廣告型三維機械雕刻機機械部分的主要零部件，如主軸電動機、步進電動機、傳動部件和支承部件的詳細設計計算及選型過程。 設計參數(shù)的確定由課題所給的設計參數(shù)，結合廣告型三維機械雕刻機的總體設計方案，初步確定該雕刻機機械部分的主要參數(shù)，如表1所示。表1 機械設計參數(shù)表 Table 1 The parameter table of mechanical design項目 參數(shù) 單位 主軸最高轉速 n=20000 r/min最大進給速度 mm/min工作臺總行程(Y) 320 mm主軸總行程(X) 280 mm主軸總行程(Z) 120 mm定位精度 30 脈沖當量 mm使用壽命 hrs 切削力、切削扭矩和切削功率計算三坐標數(shù)控機械雕刻機的加工對象主要是針對非金屬材料和鋁合金材料的雕刻加工。這些材料具有較高的強度和良好的塑性。用硬質合金直柄立銑刀（）和高速鋼標準麻花鉆（）在鋁板上進行銑削和鉆削，分別進行切削力、切削扭矩和切削功率的計算。根據(jù)三維機械雕刻機的加工范圍和使用功能及在實際生產過程中不同的切削方式所使用時間的分配，經過統(tǒng)計，大致可將切削方式分為強力切削（切）、一般切削（雕）、精細切削（刻）和快速進給四種方式。 銑削力、扭矩和功率的計算選用的銑刀是整體硬質合金直柄立銑刀657 GB/T ，通過查閱孟少農主編的《機械加工工藝手冊》， 左側的經驗公式，代入已知參數(shù)進行簡化，可得到僅與切削深度、進給速度和銑刀轉速n有關的計算公式填入表2右側。表2 銑削力、扭矩和功率計算公式的簡化Table 2 Milling force, torque and power of simplified calculation formula 計 算 公 式 和 參 數(shù) 選 定 計 算 結 果銑削力： 銑削扭矩： 銑削功率： 其中：銑削寬度，銑削深度,進給速度，銑削速度，—— 銑刀外徑((mm),—— 每齒進給量(mm/z)， z —— 銑刀齒數(shù)，n——銑刀轉速(r /min) 。將切削深度、進給速度和銑刀轉速n的變量代入分別計算，得到計算結果，如下表3所示。 表3 銑削力、扭矩和功率的計算Table 3 The calculation of milling force, torque and power切削方式 工作時間 參 數(shù) 計 算 結 果 百分比t% 強力切削 10% 120 9000 20 一般切削 30% 1 1200 15000 300 精細切削 50% 2400 20000 600 快速進給 10% 3600 900 0 0 0其中：—絲杠轉速，預選絲杠導程—銑削深度（mm），—進給速度（mm/min），n—銑刀轉速（r/min），—銑削力（N），M—銑削扭矩（Nm），—銑削功率（kW）。 鉆削力、扭矩和功率的計算通過查閱參考文獻，按上節(jié)的簡化過程，可得到僅與進給速度和鉆頭轉速n有關的計算公式，如下表4所示。 表4 鉆削力、扭矩和功率的計算公式的簡化Table 4 Cutting force, torque and power of the simplified calculation formula計 算 公 式 和 參 數(shù) 選 定 計 算 結 果鉆削力： 鉆削扭矩： 鉆削功率： 其中：（加工鋁合金）。進給速度,鉆削速度，—鉆頭外徑（mm），f—進給量（mm/r），n—鉆頭轉速（r/min）。將進給速度和鉆頭轉速n的變量代入分別計算，將得到的計算結果填入表5，由于鉆削功率的計算結果較小，忽略不計。 表5 鉆削力、扭矩和功率的計算Table 5 The calculation of cutting force, torque and power切削方式 工作時間 參 數(shù) 計 算 結 果 百分比t% 強力切削 10% 300 9000 75 一般切削 30% 480 15000 120 精細切削 50% 600 20000 150 快速進給 10% 900 225 0 0 0其中：—絲杠轉速，預選絲杠導程，—進給速度(mm/min),—鉆削轉速(r/min),—鉆削力(N), M—鉆削扭矩(Nm),—鉆削功率(kW)。 主運動系統(tǒng)的設計計算本節(jié)主要設計主運動系統(tǒng)中的電主軸，以確定它們的型號和參數(shù)。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應滿足普通機床主傳動的要求外，還提出以下要求：1）具有更大的調速范圍，并實現(xiàn)無級變速。數(shù)控機床就要為了保證加工時能選用合理的切削用量，并充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產率、加工精度和表面質量，必須具有更高的轉速和更大的調速范圍。對于自動換刀的數(shù)控機床，工序集中，共建一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應各種國內工序和各種加工材質的要求，住運動的調速范圍還應進一步擴大。2）具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機床加工精度的提高，與主運動系統(tǒng)的剛度密切相關。為此，應提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進行高頻感應加熱淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。3）良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 數(shù)控機床上一般既要進行粗加工又要進行精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產生振動，影響加工精度和表面粗燥度，嚴重時甚至破壞刀具或零件，是加工無法順利進行.因此在主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的靜剛度，而且具有足夠的抑制各種干擾力引起的動的能力——抗振性。抗振性用動剛度或動柔性度來衡量。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當量靜剛度、阻尼比及固有頻率等參數(shù)。機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產生熱變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低了傳動效率，影響到生產率。為此要求主軸不見具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。 主運動系統(tǒng)傳動鏈的組成電機直接驅動主軸是精密機床、高速加工中心和數(shù)控車床常用的一種驅動形式。如平面磨床的砂輪主軸，高速內圓磨床的磨頭。轉速小于3000r／min的主軸，采用異步電動機軸通過聯(lián)合器直接驅動主軸，機床可通過改變電動機磁極對數(shù)來實現(xiàn)變速；轉速小于8000r／min的主軸，可采用變頻調速電動機直接驅動；高速主軸，可將電動機與主軸做成一體，即內裝電動機主軸，轉子軸就是主軸.所以本雕刻機應選用電主軸。 主軸電動機的設計計算根據(jù)前面兩節(jié)的計算結果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動效率，主軸電動機所需的扭矩、功率和轉速計算過程如表6所示。 表6 主軸電動機設計計算 Table 6 Design and calculation of spindle motor序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結果 額定轉矩1 轉矩計算 取i=2取較大值得到： M0≥ 2 功率計算 額定功率 取大值得到