【正文】 展現(xiàn)狀 ； ② 完成數(shù)控雕刻機機械結構的總體方案設計 ； ③ 完成零部件的選型計算、結構強度校核 ； ④ 熟練掌握有關計算機繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙折合 A0不少于 3 張 ； ⑤ 完成設計說明書的撰寫，并翻譯外文資料 1 篇 ； II 四、接受任務學生： 機械 94 班 姓名 范 俊 五、開始及完成日期： 自 2020 年 11 月 12 日 至 2020 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師 簽名 簽名 簽名 教研室主任 〔 學科組組長研究所所長 〕 簽名 系主任 簽名 2020 年 11 月 12 日 III 摘 要 當今世界，現(xiàn)代化工業(yè)技術飛速發(fā)展，日新月異。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。 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(nèi)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(nèi)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。 班 級： 機械 94 學 號： 0923164 作者姓名： 2020 年 5 月 25 日 I 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)。本課題擬通過對數(shù)控機機械結構的設計，幫助學生加深對本專業(yè)的相關知識理解和提高綜合運用專業(yè)知識能力。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。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。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。 關鍵詞： 數(shù)控雕刻機；電主軸；導軌；滾珠絲杠； IV Abstract In today39。不但厚重、笨、大 ， 而且性能差、速度慢、功能少、效率低。 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。 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。數(shù)控雕刻機已成為模具制造行業(yè)必不可少的加工機床裝備。同時，它價格適宜，被認為是低投入高回報的一類加工機床。 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(qū)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。 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。 本課題研究的數(shù)控雕刻機是一種小型三軸聯(lián)動定梁式數(shù)控雕刻機 床。該機床具有占地面積小，加工幅面較大等特點。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。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。另外，數(shù)控雕刻機也逐步被投入如：大功率 LED 鋁基板、金屬電極、美術工藝禮品、眼鏡框架加工等領域。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。進入 2020 年我國數(shù)控雕刻機產(chǎn) 銷量突破 10000 臺，產(chǎn)值超過 15 億元，標志著國內(nèi)數(shù)控雕刻機產(chǎn)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(nèi)數(shù)控雕刻機產(chǎn)量已突破 萬臺。未來數(shù)控雕刻機行業(yè)將持續(xù)高速增長。 在市場結構方面，消費類電子產(chǎn)品零配件制造、模具制造、五金制品及家具制造等四大行業(yè)仍將是數(shù)控雕刻機的主要應用領域。 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。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(zhì)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。 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。 數(shù)控鉆銑床技術就用于 PCB 制造業(yè)而言擁有其獨特的特性和優(yōu)點： 1）大多數(shù)采用了先進的控制技術 現(xiàn)在 PCB工業(yè)中人們使用的數(shù)控鉆銑床大多數(shù)采用了先進的主從結構的多微計算機 C數(shù)控技術，也可稱為一主多從的多 CPU 控制技術。 2）數(shù)控鉆銑的效率高，精度好，速度快，質(zhì)量高 定梁式數(shù)控雕刻機機械結構設計 3 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)。 Z 軸采用獨立驅(qū)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。 目前，當電主軸達最高運轉(zhuǎn)速度時，其值為 120200r/min。一般銑床因工藝的需要，其速度會確保在 55000r/min 以下，速度快反而不利于加工。而且，加工出來的PCB 板無毛刺，不會有斜度，表面光滑整齊。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。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。鉆頭的折斷在實際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生，但若不能及時發(fā)現(xiàn)并采取更換措施，應該要鉆的孔就有可能為鉆。 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(zhuǎn)，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。從而確保機床的工作臺面不會被鉆壞損傷。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。 當空氣軸承出現(xiàn)問題時，數(shù)控鉆銑機床將處在一種不平衡的狀態(tài)，這樣工作臺面很容易被劃傷。這樣機床工作臺面移動起來輕盈，快捷，精準。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。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)，無錫太湖學院學士學位論文 4 相應得也就提高了孔加工的精度。 5）機床的電主軸頭數(shù)種類多、加工幅面大 現(xiàn)在的數(shù)控鉆床大多都是 46 個主軸鉆頭。增加主軸以后，機床臺面尺寸也要對應增加。 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。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。 雕 刻 機機械系統(tǒng)設計的主要技術指標 通過分析比較以往數(shù)控雕銑機及雕刻機的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前數(shù)控雕刻機的最高主軸轉(zhuǎn)速通常在 24000r/min 左右，刀具 最高切削速度介于 4 到 6m/min 之間，機床主軸電機功率為 千瓦上下。要求加工精度較高。各向移動部件要求運動輕巧、剛性好、靈活性強。 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。方便換刀和裝卸所要加工零部件；注意防護，確保安全；機床的機械結構要簡單、可靠，機床的各個零部件要便于加工、裝配；最好要確保重量輕盈，體 積較小，制造成本較低，占地面積要小，總體外型要大方美觀 [7]。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。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。 (2)與 X、 Y 平面相垂直的 Z 方向上直線移動。 (3)機床切削的主運動是刀具的高速轉(zhuǎn)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。 (2)機床移動部分的零件的重量最好輕巧。這樣，雕刻機的運動力學性能將大大提高。 無錫太湖學院學士學位論文 6 零件的形狀、硬度、尺寸和其重量所產(chǎn)生的影響 一般來說，雕刻機機構的布局一定程度上也和待加工的零件的尺寸、形狀、重量 和硬度有關。 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。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(chǎn)生影響的直接性、決定性因素。 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 。 機床龍門式結構具有剛性和對稱性優(yōu)良的特點，所以一向是設計高速切削機床結構的首選 。 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： 定梁式數(shù)控雕刻機機械結構設計 7 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。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。由于機床工作臺是不動的，所以它的承載能力比較好，適合于對重型零件的工件。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。 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。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。 2）加工的切削力較大的情況下 ，機床 Z軸滑座與 Y向橫梁的垂直程度有偏移誤差的現(xiàn)無錫太湖學院學士學位論文 8 象。 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。 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。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。 加工精度難以保證的部位添加調(diào)整墊片 ，采用調(diào)節(jié)的方式確保滿足 各向精度的要求 ， 使得各個方向的運動輕快、便捷 [9]。 圖 數(shù)控雕刻機機械結構示意圖 由于此