【文章內(nèi)容簡介】 ) 整體結(jié)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對雕刻機(jī)的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。下面對數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。 雕刻機(jī)總體布局的基本要求 雕 刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn) : 首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等等各種要求 。 確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率 。 小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 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)便于觀察加工過程，便于操作、調(diào)整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理，注意防護(hù)，確保安全； 結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 影響雕刻機(jī)布局的基本因素 在滿足總體 布局的基本要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)考慮影響雕刻機(jī)布局的基本因素 : 表面形成運(yùn)動(dòng)的影響 不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來加工，從而表面形成運(yùn)動(dòng)的形式和數(shù)目就不同，并導(dǎo)致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術(shù)要求和生產(chǎn)率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成運(yùn)動(dòng)來加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運(yùn)動(dòng)直接決定了雕刻機(jī)布局的形式，是影響雕刻機(jī)布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機(jī)時(shí)，必須根據(jù)加工要求，全面、綜合地考慮工件的表面形成方法及運(yùn)動(dòng)，以期作出具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的布局 設(shè)計(jì)。 雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配的影響 工件表面形成方法及運(yùn)動(dòng)相同，而雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)不同。對于同一種運(yùn)動(dòng)分配的布局，由于導(dǎo)軌的布置和其它結(jié)構(gòu)形式的不同，也將使雕刻機(jī)的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn) : 小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 1) 移動(dòng)部件的重量應(yīng)盡量輕。在其它條件相同的情況下，移動(dòng)部件的重量越小，所需電機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸也越小 2) 應(yīng)有利于提高加工精度 3）應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)剛度，縮小占地面積 4）工件的尺寸重量和形狀的影響 工件的表面形成運(yùn)動(dòng)及雕刻機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)分配基本相同，而工件尺寸、 重量和形狀不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)有很大差異。另外，還應(yīng)考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動(dòng)、噪聲、熱變形、剛度和抗振性，操縱方便形的影響，模塊化設(shè)計(jì)法的影響等。 通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，雕刻機(jī)基本布局形式通常有下圖所示的兩種方案： 圖 雕刻機(jī)的布局簡圖 圖 雕刻機(jī)的布局形式 這兩種布局都采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，雕刻機(jī)的剛度均較高。 布局 (1)方案中，工作臺固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，立柱作縱向移動(dòng)。該方案便于變形為不同縱向長度的雕刻機(jī)。由于工作臺不動(dòng)，承載 能力好，適合加工較重的工件。在使用外伸支架支撐縱向小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 長工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便。但雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較難保證且立柱移動(dòng)較笨重。 布局 (2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，工作臺作縱向移動(dòng)。由于工作臺移動(dòng)，承載能力較布局 (1)方案差。若設(shè)計(jì)所承載的工件較輕，這種布局方式所需電動(dòng)機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸較小，移動(dòng)較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)較布局 (1)方案略顯復(fù)雜。該方案的最大優(yōu)勢在于雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較易保證。 經(jīng)以上 比較，充分考慮到布局的基本要求、影響布局的基本因素及三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可采用布局 (2)的方案。 坐標(biāo)系的確定 雕刻機(jī)的坐標(biāo)系采用右手法則，直角卡笛兒坐標(biāo)系統(tǒng)。基本坐標(biāo)軸為 X 、 Y 、 Z 直角坐標(biāo)，對相應(yīng)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符號為 A 、 B 、 C ，如圖 2. 3 所示。 Z 軸為平行于雕刻機(jī)主軸的坐標(biāo)軸，垂直于工件裝夾面。 圖 小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 右手坐標(biāo)系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控 系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的區(qū)別，它能根據(jù)指令信號精確的控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度和位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 下面介紹一下雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式如下 : 工作臺帶動(dòng)工件做 y 方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭沿 x 方向橫梁做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，雕刻頭在直流電機(jī)的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，并在 Z 方向做上下運(yùn)動(dòng)。 刀具和工件的運(yùn)動(dòng)的合成就可以得到文字和圖案的輪廓。 x 方向的絲杠左右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻寬度 。如下圖所示 小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 圖 雕刻機(jī) X 方向進(jìn)給圖 y 方向的絲杠前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻長度 ,如下圖所示： 圖 雕刻機(jī) Y 方 圖 雕刻機(jī) Y 方向的進(jìn)給圖 Z 向的絲杠上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻深度。 各個(gè)傳動(dòng)鏈中均采用絲杠螺母傳動(dòng)副，保證了運(yùn)動(dòng)的傳遞平穩(wěn)和結(jié)構(gòu) 緊湊 。絲杠一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)軸相聯(lián)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。另一端采用軸承為支承。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 即角位移的大小。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在很寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。它具有以下特點(diǎn) : 位置控制功能 可預(yù)先發(fā)出具體的脈沖數(shù)量，從而得到需要輸出的角度。 無極調(diào)速功能 可根據(jù)發(fā)送脈沖的速度，得到需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 正 /反，急停及鎖定功能 通過對系統(tǒng)的高低電平控制，得到正 /反旋轉(zhuǎn)的效果，在電機(jī)鎖定情況下 （電機(jī)繞組中存在電流，外部沒有要求旋轉(zhuǎn)的電脈沖 )，仍有靜止力矩的輸 出。 低轉(zhuǎn)速及高精度位置功能 通過對脈沖速度的控制，可直接得到極低的轉(zhuǎn)速而不需要通過齒輪箱的過渡，從而避免了功率的損耗和角度位置的偏差。 長壽命 不需要象普通的直流電動(dòng)機(jī)通過電刷和換相器換相，從而減少了摩擦，增長了壽命。如圖 所示 小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 絲杠與電機(jī)軸的連接 剛性聯(lián)軸器用于絲桿與電機(jī)的聯(lián)接，可提高兩軸頭連接的固定精度，如圖 所示。它的特點(diǎn)有 : 可用于小型、瞬間慣量小和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的場合 。 安裝后無反作用力，而且維護(hù)簡單 。 提高絲杠的強(qiáng)度時(shí)，跳動(dòng)不會(huì)受到影響 。 依靠鎖緊螺栓施加的摩擦緊固，無需鍵 。 在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可保持平穩(wěn)。 導(dǎo)軌的主要功能是導(dǎo)向和承載作用。導(dǎo)軌使運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而保證各部件的相對位置和相對位置精度。導(dǎo)軌承受運(yùn)動(dòng)部件及工件的重量及切削力，在很大程度上決定數(shù)控機(jī)床的剛度、精度與精度保持性。 雕刻機(jī)的 x 向和 y 向絲杠兩側(cè)各采用一對圓柱形導(dǎo)軌作為導(dǎo)向件，另外可以分擔(dān)絲杠所承受的機(jī)頭和工作臺的重量。圓柱形導(dǎo)軌加工容易，導(dǎo)向精度高，可滿足定位精度的要求。 Z 絲杠不承受徑向載荷，為保證精度，采用兩根導(dǎo)軌 導(dǎo)向。 Z 的固定依靠步進(jìn)電機(jī)的自鎖來實(shí)現(xiàn)。 小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 圓形導(dǎo)軌兩端通過螺釘固定在絲杠支架上，并與導(dǎo)軌套形成移動(dòng)副。如圖 所示 圖 絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式 各個(gè)傳動(dòng)鏈上的絲杠螺母與不同零件以螺釘固定連接，通過與絲杠的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng) : 與工作臺固定連接，相對于 y 向絲杠運(yùn)動(dòng)向絲杠運(yùn)動(dòng)向支架固定連接，相對于 與機(jī)頭向絲杠運(yùn)動(dòng) 與機(jī)頭 向支架固定連接，相對于 Z 向絲杠移動(dòng)。 小型 CNC 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 典型 零件工藝分析 滾珠絲杠工藝分析： （ 1）零件材料： GCR15。 合金含量較少， 具有良好的性能，它為應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。 經(jīng)過淬火加回火后具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。該鋼冷加工塑性中等，切削性能一般，焊 接性能差，對形成白點(diǎn)敏感性能大，有回火脆性。實(shí)際就是 Cr15。 （ 2）零件組成表面：兩端面，外圓 附有滾珠 ， 外身為單線 螺紋，無 鍵槽， 無 倒角。 （ 3）主要表面分析： Ф 16 外圓表面 主要 用于傳動(dòng)件， 將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所需的直線運(yùn)動(dòng)，具有相當(dāng)?shù)木?。 （ 4）主要技術(shù)條件： Ф 16 外圓精度要求：IT7 粗糙度要求 。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端螺紋應(yīng)與之保持基本的同軸關(guān)系，鍵槽亦與之對稱。 （ 5）零件總體特點(diǎn)：長徑比達(dá) 18，為較典型的細(xì)長軸 。 T 型臺 工藝分析： （ 1）零件材料： 45 鋼。切削加工性良好，無特殊加工問題，故加工中不需采取特殊工藝措施。 刀具材料選擇范圍較大，高速鋼或 YT 類硬質(zhì)合金均能勝任。刀具幾何參數(shù)可根據(jù)不同刀具類型 通過相關(guān)表格查取。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2021