本科毕业设计论文--小型雕刻机设计.doc

全套设计CAD图纸 加 194535455
小型雕刻机设计
摘 要
机电一体化技术综合了机械、电子、自动控制、信息、传感器、电力电子、信号变换接口和软件编程等技术，并且把这些通用型技术整合到一起，结合成一个整体，也是现如今机械工业技术必须发展的也将成为国内外的发展主流。小型雕刻机就是在这种大环境下产生的一种代表性的机电一体化产品，在工艺品的制作与生产行业中拥有有较大的市场。
本课题通过分析国内雕刻机与国外雕刻机的差距以及各自的特点，定义了雕刻机的功能和使用范围，规划了雕刻机的结构布局，详细设计了主轴运动和X、Y向进给运动结构，以及工作台、支撑柱等辅助结构，并在此基础上详细阐述了雕刻机的运动过程，实现了其功能。
本文设计的小型雕刻机，其具有精度高，一致性好，一机多用的特点，应用领域广泛，可用于工艺品雕刻加工的同时，又具有铣削钻孔等功能。

关键词 雕刻机；伺服电机；机电一体化

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Small Engraving Machine Design
Abstract
Mechatronics combines mechanics, electronics, automatic control, information, sensors, power electronics, signal conversion interface and software programming techniques, and these versatile technologies integrated together, combined into a whole, is now Machinery Industrial Technology must develop will become the mainstream of development at home and abroad. Small engraving machine is a kind of typical in this environment produces mechatronic products, handicraft production and production industry has a larger market.
The issue by analyzing the gap between domestic engraving machine and foreign engraving machine as well as their characteristics, defines the function and use of engraving machine, planning the structure and layout engraving machine, detailed design of the spindle movement and X, Y direction feed motion structure , and an auxiliary table structure, support columns, etc., and on this basis, it elaborated engraving machine movement to achieve its function.
This design of small engraving machine, which has a high accuracy, consistency, and a multi-purpose machine, which is widely applied in the field, can be used to carving crafts processing, but also has milling and drilling functions.
Keywords Engraving machine, servo motor, mechatronics

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目 录
摘要 I
Abstract II

第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 小型雕刻机及其发展现状 2
1.2.1 小型雕刻机的概念 2
1.2.2 小型雕刻机的应用和发展 3
1.2.3 小型雕刻机的特点 3
1.2.4 研究雕刻机的目的和意义 4
1.3 本章小结 4
第2章 雕刻机的结构设计 5
2.1 雕刻机的系统组成 5
2.2 雕刻机的整体布局 5
2.3 进给结构 8
2.4 主轴结构 12
2.5 支撑结构 13
2.5.1 支架设计 13
2.5.2 工作台设计 14
2.5.3 底座设计 15
2.6 本章小结 15
第3章 小型雕刻机的关键参数计算 16
3.1 设计指标 16
3.2 切削力、扭矩和功率的计算 17
3.3 进给运动的计算 20
3.3.1 滚珠丝杠副的计算 20
3.3.2 滚珠丝杠的计算 22
3.3.3 工作台电机的选择 24
3.4 本章小结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录 31

绪论
1.1 课题背景
以大机器生产为主流的社会生产形式形成以来，机器生产代替手工劳动不仅使产品数量与日俱增，而且，更使产品质量大为提高。与人口增长及其生产和生活诉求相一致，大机器生产在各个领域中普及逐渐成为全球的共识。作为传统手工艺制作的各种雕刻业，采用机器制作也需与时俱进。
尽管机器雕刻使手工艺品失去了自然特性及其人文特征，但是，它在降低劳动强度与提高劳动效率方面占有绝对优势，尤其产品的精确度明显提高。故此，研发、生产及采用发展小型机器替代手工劳动，成为时代的主流。
随着中国改革开放不断向着纵深发展与传统手工艺的产业化趋势，在各种手工业制作行业有效地采用小型机械，成为社会发展的客观要求。这样，在我国传统雕刻手工艺行业中积极推广与使用小型雕刻机，就成为一种时代需要。
然而，由于各种因素，主要是技术因素的影响，小型雕刻机的生产和利用一直被捆绑着手脚。其主要原因，一是为了经济发展，我国的小型雕刻机一直在中外合作的框架下发展。如上海洛克公司生产的威客雕刻机、北京糟雕公司生产精雕雕刻机和南京科能公司生产的雕刻机等，均是这样的混血儿。二是国内生产的各类小型雕刻机机体结构简单，又采用了基于微控制或PC的控制系统，伺服部分主要是伺服电机细分驱动，属于中等控制精度，故此，不能达到高精度的要求。三是国外小型雕刻机普遍采用现代的技术及其制作材料，精度高、操作安全等，与之相比，国产同类产品捉襟见肘。因此，对于高精度的雕刻加工，我国都没有摆脱受制于人枷锁束缚。
为了彻底扭转这种受制于人的局面，雕刻机研发与设计成为势在必行的大事：本设计企图完成的雕刻机，其机床结构刚高度好、精度高，并采用伺服电机驱动，而且加工精度高，控制系统功能安全可靠，只有这样，中国小型雕刻机才能跟上国际工业化的步伐[1-3]。
1.2 小型雕刻机及其发展现状
1.2.1 小型雕刻机的概念
雕刻加工不仅源远流长，而且内容丰富，因而成为传统手工艺中重要的文化长夜之一。从传统意义上看，雕刻加工是一项技术性要求比较高的手工艺制作业，制品的质量集中反映着手工艺人技艺水平；另外，由于个人手工制作，故此，一件产品的生产周期十分长，换言之，传统手工雕刻产品的生产效率低，成本及其价格十分昂贵；还有，传统手工雕刻工艺品完全反映工艺师技术及其意愿，这样，它在具有个性化的同时隐藏着极大随意性，这也是产品不能得到同一的关键所在。总之，它与现代生产和生活需要具有相当大的差距。
雕刻机的结构、形式，乃至大小等，受到其使用范围的影响，这便构成雕刻机的功能。也就是说，雕刻机的结构、形式受到它功能的制约。这样，根据功能，雕刻机可分为二维平面雕刻、三维立体雕刻和全自由度空间雕刻等主要类型。当然，相较说来，全自由度空间雕刻机适用范围较广，它既可以用于简单雕刻，更主要的是对于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作，如冰雕、沙雕、玉雕以及木雕工艺品等作品的制作，也能胜任，但是，由于技术制约，直到目前为止，此类制品还远不能被制作完成。与之相比，前两种雕刻机已经在实践中得到推广与利用，并且，有看好的发展前景。
在现代社会环境中，不论从生产角度看，还是从消费角度看，小型雕刻机具有很强的适应性。小型雕刻机是现代机械化需求的必然产物，它替代手工生产与制作，不仅在生产技术上是一个巨大的进步，同时在满足历史与现实紧密结合中有着重要的意义。在现代自动化为主趋势的社会环境中，小型雕刻机通过自动控制系统根据程序代码控制雕刻机运行，实现以自动化为模式的雕刻加工，这是现代雕刻机的设计核心。毫无疑问，这种小型雕刻机不仅彻底改变了传统上以手工雕刻为主的雕刻制作，而且具有生产效率高、成品率高、加工精度高、可以复制，以及对零件的适应性强等明显优势；同时，这类雕刻机设计借助计算机之 CAD/CAM软件构成了一个相对完整的自动控制系统。
为了很好的利用及发展这种雕刻机的社会作用，这种小型雕刻机可以在不同行业中进行具有针对性的应用及研发，就目前发展现状而言，这种小型雕刻机可被划分为模具雕刻机、木工雕刻机、等多种类型。
在性能上，因制作和加工对象的不同，对雕刻机的设计及要求也不同，特别是对其机床和控制系统的要求，成为整个要求的焦点。例如，对模具雕刻机而言，由于它以加工金属材料为主，故此，需要刚性较强的机床本体，不仅如此，因为此类雕刻机主要用于制作模具，要求精度高，所以这类雕刻机更需要精度较高的又加工系统；相比之下，用于广告制作的雕刻机，可以适当降低这些技术指标。然而，并非没有立足点，这个共同点就是雕刻刀，研究发现：每次切削的有效面积比较小，所以雕刻零件的刀具运动轨迹就会很长，加工时间也会很长。故此，提高雕刻机的刀具运行速度对缩短工件的雕刻时间、提高加工的效率具有很重要的意义。
总而言之，雕刻机的划分及其设计必须结合实际需要而进行，才能使其更加符合实际需要，才能赢得很好的社会效应[4-8]。
1.2.2 小型雕刻机的应用和发展
小型雕刻机根据需要进行必要的分类，但是，由于生产技术难以突破，至今仍然不能形成巨细和合理的产品系列。也就是说，在现代雕刻领域中，雕刻机的种类仍然不能满足各种生产需要。这为技术研发与生产留有广阔的天地。现存雕刻机仅仅能适应简单的雕刻，诸如刻字、简单的几何形体雕刻等，至于复杂的造型，就很难采用这种雕刻机了。从传统工艺品与现代产品的造型形象及其特征看，采用雕刻机完成生产制作具有极大的现实意义。不仅省工省力、降低成本与提高经济价值，而且，产品做工精细，产品质量高，便于人们使用等。
随着中国国内市场需求的不断增长与市场供应不足矛盾的彰显，迫切需要从理论到实践，尤其生产上解决技术难关，积极研发各种类型的小型雕刻机[9-10]。
1.2.3 小型雕刻机的特点
本课题设计的小型雕刻机有一下特点：
1. 自动化程度高，便于操作。由于采用数控技术和计算机辅助设计软件，对于工件的雕刻，其全部过程都是小型雕刻机自动完成的。
2. 产品的结体合理，精度高，并且能够取得整齐划一。小型雕刻机的雕刻过程是由计算机控制完成，可以达到相对较高的精度和表面质量，而且能够达到批量加工的目的，换言之，就是产品整齐划一。
3. 适用性强的特点。只需要改变雕刻机控制程序，小型雕刻机便可以雕刻浮雕等各种复杂的曲面，甚至，可以采用不同刀具，以适应不同部位造型的需要，直至雕刻出富有创意产品。
4. 雕刻机功能的衍生性，即小型雕刻机同时有钻铣功能，可用于钻孔、切边以及加工小模具，性价比高[11]。
1.2.4 研究雕刻机的目的和意义
近现代以来，随着中国工业化的进程，尽管机械工业已经有了较大的发展，但是，由于各种主客观因素的影响，特别是受到科学技术的制约，致使我国的机械工业技术水平和生产能力与西方发达国家依然相差甚远。因此，在我国，在机械领域迎头赶上世界先进水平，实现机电一体化，成为时代主流与机械工业发展的大势所趋。
所谓机电一体化，是指将机械技术和电子技术的有机结合的新型技术是机械技术，它的核心内容包括机械、电子、计算机和自动控制等技术。
机电一体化是一个系统工程，以计算机及其数控技术为核心，将传统机械推进到自动化的程度，不仅提高劳动效率，而且降低劳动强度，并实现更加精确的设计与生产计划。20世纪末期，世界上各个国家都努力发展这一技术，以提高各自的综合实力水平以及机械技术水平，实现整体水平的新高度发展与突破向智能化的方向发展。这不仅是世界工业化的新特征，更是时代赋予人类的生产与生活的新模式：世界各国争相发展机电一体化技术使人们生活逐渐步入自动化时代使经济效益得到飞速发展。因此，在中国实现机电一体化，既是中华民族从传统工业走向现代化的必经之路，也是我国机械工业赶超世界强国的必由之路[12-13]。

1.3 本章小结
本章主要介绍了本设计的课题背景，我国雕刻行业主要以手工雕刻为主并且国产雕刻机的雕刻精度较低，高端雕刻机多数是从国外进口。在此基础上又介绍了本课题设计的小型雕刻机的特点、应用领域以及研究小型雕刻机的目的和意义。

第2章 雕刻机的结构设计
2.1 雕刻机的系统组成
小型雕刻机工作原理是一个三维控制系统，工作原理如图2-1所示：

图2-1小型雕刻机工作原理

在计算机内安装专用的图形和文字设计排版软件，将这些需要加工的文字或图案信息分析处理自动整合出加工路径，然后再通过计算机USB将生成的工件加工路线信息传递给控制系统，然后控制系统接收工件加工路径数据，再把所要加工的形状整合出来显示在计算机屏幕上，若用户满意完，就用特定的算法将这些信息转化为控制信息，由于电机是靠脉冲信号控制的所以还要控制器把这些信息转化为驱动电机的信号，通过控制电机的旋转角度和旋转速度来控制雕刻机X轴、Y轴和Z轴的走刀。同时，雕刻机的电主轴进行铣削，即可雕刻出预想的图案或文字[14]。
2.2 雕刻机的整体布局
机械结构作为小型雕刻机的硬件部分，直接决定了雕刻机的工作生产能力以及加工效果。正因为如此，对小型雕刻机的机械结构，必须根据下面要求进行恰当设计。
1. 首先必须满足雕刻机结构的稳定性；其次满足电机一体化的工作范围与加工精度，以提高生产效率，乃至确保经济性等多种要求。
2. 确保小型雕刻机结构必须满足其加工精度，确保雕刻机结构的刚度、抗震性和抗热变形等稳定。
3. 雕刻机的结构必须适应加工过程的直观可视，操作方便，调整和维修方便，运送和装卸工件方便。
4. 结构简约，布局合理，方便装配，便于操作与具有较强的安全性等[15]。
雕刻机不仅要满足总体布局的基本要，还要满足其他外界影响雕刻机布局的因素：
1.注意表面的形成运动影响。
通常情况下，需要采用不同的刀具与不同的加工方式对雕刻对象进行不同的处理，这样，在工件表面形成的运动方式和运动路线就不同，而出现不同的工作布局方式。如果出现类似外形的工作表面，那么也一定会有对技术和生产效率等不同的要求，为此，对应不同的加工工件表面和不同的加工加工方式选用不同种类的刀具。由此可见，雕刻机的布局形式也受到工件表面形状的影响，而且小型雕刻机的布局形式也是为加工工件表面二设计的。
2.注意雕刻机运动布局分配的影响。
雕刻机伺服电机驱动控制机头加工工件的雕刻路线相同及加工相同的工件，但是在这种情况下有时也会出现雕刻机头分配不同的运动路线的情况，这种情况也会影响雕刻机的布局，使雕刻机出现不同的布局。故此，在设计雕刻机运动分配的时候，必须做到以下几点：移动部件的重量要相对较轻，因为一般情况下，减轻了移动部件的重量，就降低了电机提供的功率以及传动件的尺寸也越小；应有利于提高加工精度；应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积 [16-17]。
另外雕刻机本身性质要求对工件影响也很大，如工作时自身产生的运动、刻刀与工件摩擦产生的噪声、集体发热还会导致热变形以及自身刚度和抗震性的影响。经过查看相关书籍以及上网查询资料得知雕刻机布局形式通常采用如图2-2所示的两种方案：

（a）工作台固定式 （b）立柱固定式
图2-2雕刻机的布局形式

上述这两种情况的布局方式都是仿照龙门结构形状的框架结构，两种形式的共同特点在于结构的刚度都比较高。而其不同点在于在方案(a)布局中，是把工作台与机架固定在一起，雕刻机头在电机的作用下根据要求作左右和上下移动，支架在Z向电机的作用下作前后移动。这种工作台固定形式的的优点在于对雕刻机纵向长度不同的工件加工都能适应，而且由于工作台直接与机架固定，所以承重能力较好。另外，在批量加工较长工件时，若要支撑点高度相同，可以调整支架便于达到目的。但，雕刻头运动过程中振动幅度较大所以难以保证加工精度。
方案(b)中布局，与方案（a）最大的不同就是把立柱固定，雕刻头在电机的作用下根据工作需要作左右和上下移动，工作台在Z向电机的作用下作前后移动。由于这种设计是把立柱固定工作台承载着加工工件移动，所以承载能力与布局(a)方案相比较差。如果是用于加工较轻的工件，采用方案（b）这种设计所需轴向力和传动件的尺寸较小，且移动方便。如果是进行批量加工外伸支架支撑纵向长工件，支点高度相同，所以支架支撑调整方便，但支架结构与 布局(a)方案相比会稍微复杂。而这种设计方案的最大优点就在于雕刻头前后运动时震动较小，能保证加工精度[18-20]。
通过比较两种方案，显而易见，根据雕刻机加工的工件须偏小又充分考虑到结构的稳定性原则、结构的基本要求、影响结构布局的基本因素，可采用布局(b)的方案。
小型雕刻机的机械几何结构，由以下几部分组成:
1.底座部分，支撑和固定小型雕刻机，承担整个雕刻机的重量，要求稳定坚固。底座的四角又与地面连接进一步提高雕刻机的稳定性。
2.工作台部分，由T型槽台、Y轴方向的丝杠和导轨组成，由丝杠驱动，导轨导向，是用来放置并固定工件的， T形槽工作台作为工作台，其特点是精度稳定不易变形、耐磨性好。
3.横梁部分，由X向的丝杠和导轨组成。光轴导轨除了导向作用之外还起到承载机头重量的作用，丝杠的旋转运动带动机头运动。
4.机头部分，由主轴结构和Z方向的丝杠和导轨组成。电机驱动丝杠转动，丝杠的旋转运动带动主轴结构运动，主轴结构在工作时电主轴作高速铣削运动。
2.3 进给结构
进给结构是由伺服电机、执行机构和机械传动结构组成。其作用是接收控制系统发出的指令按照这些指令运行驱动雕刻机走刀，可以根据按照合成信号精确地控制指令的执行单元的速度和位置，以及执行轨迹的几个执行结构的运动轨迹。
下面是进给结构的机械部分和电机部分。进给运动方式如下：
把工件固定在工作台上，由于雕刻机的布局工作台移动立柱固定的形式所以工件随着工作台做Y方向的进给运动，机头在X方向电机和丝杠的驱动下做进给运动，与此同时电主轴做高速铣削运动，并且在Z方向做上下运动。雕刻机就是这样雕刻出预想的文字和图案。
在丝杠的驱动下和在光轴导轨的导向作用下机头沿X方向的左右运动，如图2-3所示：

图2-3 雕刻机X方向进给图

在丝杠的驱动下和在光轴导轨的导向作用下工作台沿Y方向前后运动，如图 2-4所示：

图2-4雕刻机Y方向的进给图

在丝杠的驱动下和在光轴导轨的导向作用下机头沿Z向上下运动，如图2-5所示：

图2-5 雕刻机Z方向进给图

为保证雕刻运动稳定工作加工和雕刻机的结构严瑾，雕刻机的各传动链全部使用滚珠丝杠副。用联轴器把丝杠的一端与电机轴连在一起，伺服电机的转动带动与其连接的丝杠转动，这样就把旋转运动转化成直线运动。用轴承把丝杠的另一端固定在机架上。电动机的转动步数是由指令脉冲数控制的，伺服电机的旋转方向是由高低电平控制的，电机的转动快慢是由脉冲信号的频率控制。而且伺服电机具有以下特点：
1.控制位置功能，电机需要转动多少角度，就发送出多少具体的脉冲数量。
2.无极调速功能，如果要改变电机转动速度的快慢，可通过改变发送脉冲的速率来实现。
3.正/反、急停及自锁功能，如果要伺服电机的正反转，可以通过控制电平的高低来实现，在伺服电机锁定的情况下仍然输出静止力矩。
4.低转速和高精度位置功能，可通过控制脉冲速度把电机转速调到极低，而且中间不需要再通过连接减速器，这样就使功率的损耗和角度位置的偏差减少了很多，提高了控制精度。
5.寿命长，电机轴与丝杠连接不需要通过电刷和换相器换相，直接用套筒联轴器连接，从而减少了摩擦，增长了使用寿命，如图2-6所示：

图2-6 丝杠与电机轴的连接

套筒联轴器用于联接丝杆与电机，采用套筒联轴器连接的固定精度相对较高，其特点在于：可连接小型轴、转动惯量小以及适用于高速旋转运动的连接； 提高丝杠与电机轴连接的强度；采用销连接的方式连接，在较高转动速度时仍可保持稳定运行。如图2-7所示：

（a）套筒联轴器平面图 （b）套筒联轴器实体图
图2-7套筒联轴器

导轨的作用是使运动部件按照规定的轨迹运动，从而保证了各部件的相对位置精度，在很大程度上决定雕刻机的精度与精度保持性，如图2-8所示：

2-8光轴导轨

X和Y向，安装一对圆柱形导轨在丝杠的两侧，其作用是可以帮助丝杠分担所机头、工作台和工件所给的压力。圆柱形导轨加工容易，刚度好。
虽然Z向丝杠不承受向下的压力，但是为保证Z向精度，在Z向丝杠的两侧也安装两个光轴导轨。Z向电主轴的定位是依靠伺服电机的自锁功能来实现的。
把光轴导轨的两端用螺母固定在雕刻机支架上，并且与导轨套形成移动副，如图2-9所示：

图2-9 丝杠和圆导轨的支承方式

通过丝杠副把旋转运动转化成直线运动的特性形成相对运动实现传动；与工作台固定连接，然后相对于Y向丝杠做直线运动；与机头支架固定连接，同理与Z向丝杠形成移动副带动机头做上下移动[13]。
2.4 主轴结构
雕刻机主轴部分用螺钉固定在Z向的连接板上，利用电主轴高速转动，带动刀具做切削雕刻运动。
近些年来我国科技不断发展进步，使雕刻机以及加工中心的核心部分主轴也得到迅速发展。使得主传动机构得到非常大的提高，并且逐渐把带传动和齿轮传动的形式向电主轴的形式转化，机床主轴由机床电动机直接驱动，从而使较长的传动链形式逐渐被淘汰，使机床主运动部分不在需要传动链形式传动，这种结构就是电主轴。本雕刻机应用电主轴转速达到18000r／min，如图2-10所示：

图2-10电主轴实体图
2.5 支撑结构
2.5.1 支架设计
支架用来支撑进给结构并且保证进给结构与工作台的相对位置精度，并且承载这各种动态力和静态力以保证小型雕刻机整体稳定性，如图2-11所示：

图2-11雕刻机支架
2.5.2 工作台设计
工作台的作用是用来放置并固定工件的，在设计工作台的时候，从整体的刚度和经济性来考虑，并且按照机床的工作台、丝杆、光轴导轨的长度来决定小型雕刻机整体的大小，选用T形槽工作台作为工作台，其特点是精度高、稳定不易变形、耐磨性好、价格便宜。本次设计的工作台长800mm宽800mm如图3-1所示：

(a)工作台实体图

（b）工作台平面图
图2-11工作台
2.5.3 底座设计
底座的作用是起支撑和固定小型雕刻机的作用。底座的四角又与地面连接进一步提高小型雕刻机的稳定性。设计的底座稍微大一点，目的是使机床稳定性更强。底座材质为45号刚，底座尺寸1700x1300x12。如图3-2所示：

图3-2 雕刻机底座

2.6 本章小结
本章主要分析了小型雕刻机的整体机构设计：采用了龙门式框架结构雕刻机头做横向和上下移动工作台做纵向移动。在此基础之上有介绍了进给结构：X轴方向、Y轴方向Z轴方向进给结构；主轴结构：采用电主轴；支撑结构：支架、工作台和底座。

第3章 小型雕刻机的关键参数计算
3.1 设计指标
主运动系统中的电主轴，是小型雕刻机的核心部件之一，确定电主轴的型号和参数，以及给出结构的关键参数计算与校核。除应满足的要求外，还应满足一下要求：
1. 设法满足最大的调速范围，并实现无级变速。
小型雕刻机工作的时候一定要保证切削用量在合理范围内，这样才能保证刀具充分发挥其性能，使生产率和生产质量得到保证，还有就是必须保证电主轴的转速足够快以便于提高雕刻速度提高生产率。电主轴好要有更大的调速范围且必须保证加工的步骤相对集中即只建立一次安装固定工件就能完成许多步加工步骤。
2. 具有较高的精度和刚度。
只有设法提高主运动结构的刚度，才能使雕刻机工作相对稳定，才能提高雕刻机的加工精度，保证工件质量。为此，首先要保证传动件的精度与刚度，只有保证了传动件的性能才能使传动相对稳定，可以采用高频加热淬火的方式增强传动件的刚度；最后轴承要选用高精度的，并且合理支配轴承之间的跨度。
3. 良好的抗振性和热稳定性。
小型雕刻机雕刻顺序一般是先进性粗雕刻再进行精雕刻雕刻时可能会因为运动部件不协调以及雕刻过程中零部件的影响，导致主轴结构也跟着发生震动现象，这样就会使加工无法正常进行，因此各零部件一定要拥有一定的抗震性。
还有，雕刻机在雕刻加工的时候主运动结构工作时间长了就会发热，导致其他零部件也发热，进而产生热变形，由于出现热变形各零部件之间的位置精度和运动精度就会降低，从而使加工误差增大，机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低了传动效率，影响到生产率。为此要求主轴不仅具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并且，需要进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。结合设计参数以及小型械雕刻机的总体设计方案，初步制定该雕刻机机械部分的主要参数，如表3-1所示：

表3-1 机械设计参数表
设计项目
设计参数
单位
主轴最高转速

r/min
主轴最大进给速度

mm/min
Y向总行程

mm
X向总行程

mm
Z向总行程

mm
定位精度

m
脉冲当量

mm
使用寿命

hrs

3.2 切削力、扭矩和功率的计算
小型雕刻机雕刻加工的材料主要是非金属材料和铝合金材料等一些不太硬的材料。也正是由于这些材料的材质较软所以具有良好的塑性。小型雕刻机所雕刻的工件性质不一样，这样就使雕刻机雕刻工件所用时间会不一样，而且对于不同的材料小型雕刻机所采用的雕刻方式也不一样通过查阅资料，查的雕刻的方式分为：一般雕刻、强力雕刻、精细雕刻和快速进给这几步。
通过查阅陈宏君主编的《机械加工工艺手册》查得表3-2 左半部分的切削经验计算公式，然后将这些查得的公式代入已知的参数进行简化，得到表格右半部分与切削深度、进给速度和铣刀转速有关的简化计算公式如表3-2所示：

表3-2 铣削力、扭矩和功率计算
切削经验计算公式
简化的计算公式
铣削力：

铣削扭矩：

铣削功率：

铣削速度，— ((mm),— 每齿进给量(mm/z)， z —，n—铣刀转速(r /min) 。
将切削深度、进给速度和铣刀转速n的变量代入分别计算，得到计算结果，如下表3-3所示：
表3-3 铣削力、扭矩和功率的计算
其中：—，
—，—，n—铣刀转速（r/min）。
按照以上简化过程，可得到与和n有关的计算公式，如表3-4所示：
表3-4 钻削力、扭矩和功率的计算
计算公式和参数选定
计 算 结 果
钻削力：

钻削扭矩：

钻削功率：

将进给速度和钻头转速n的变量代入分别计算，将得到的计算结果填入表3-5：
表3-5 钻削力、切削扭矩和切削功率的计算
切削方式
工作时间
百分比
参 数
计 算 结 果

M

强力切削

41.61
0.045
—
一般切削

40.44
0.044
—
精细切削

38.65
0.042
—
快速进给

—

0
0
0

3.3 进给运动的计算
雕刻机工作时的进给运动分为主轴的上下移动，主轴的左右移动以及工作台的前后移动三个步骤。本课题对于这三项运动方式的设计基本相同，故此可以通过设计推算对其中一个方向上运动的设计，就可以得出另外两处结构设计方案，现在以设计推算工作台结构为例，设计计算这部分所采用的伺服电动机，滚珠丝杠和直线导轨，来满足在小型雕刻机雕刻加工制作过程中的种种基本要求。
3.3.1 滚珠丝杠副的计算
1. 计算滚珠丝杠导程：
由于电动机与丝杠选用 1:1的传动方式，
所以，
额定动载荷
（3-1）
查《机械设计手册》第二版，第四卷 表35.5-5,轻微冲击
查《机械设计手册》第二版，第四卷 表35.5-7,按7级
查《机械设计手册》第二版，第四卷 表35.5-8,可靠性97%
查《机械设计手册》第二版，第四卷 表35.5-1得，
采用预紧丝杠副，按最大负载计算：
查《机械设计手册》第二版，第四卷 表35.5-10，轻预载
由式（3-1）得
。
2. 计算允许的最小螺纹底径：
允许得最大轴向变形量

取以上两个数据的最小值

计算最小螺纹底径：

丝杠的一端用轴承固定，另一端游动

3. 确定滚珠丝杠副的规格代号：
由计算出的，查滚珠丝杠副样本，选择型号FFZD1604-3的滚珠丝杠副

4. 计算滚珠丝杠副的预紧力：
(3-2)
(3-3)
由式（3-2）、（3-3）得

5. 确定滚珠丝杠副支承用轴承型号、规格：
轴承所承受的最大轴向载荷
（3-4）
由式（3-4）得

轴承类型选用固定端角接触球轴承，游动端深沟球轴承，
（3-5）
由式（3-5）得

预加载荷=满足要求，由此选用内径d为10型号的轴承。

6. 计算行程补偿值C：
（3-6）

由式（3-6）得

3.3.2 滚珠丝杠的计算
1. 计算滚珠丝杠基本参数：
丝杠螺纹长度

查《机械设计手册》可知，丝杠螺纹长度为

丝杠全长=1700
从进给运动的起点到丝杆支承位置的距离=10。
2. 计算雕刻机传动丝结构杠抗压刚度：
最小抗压刚度和最大抗压刚度
（3-7）
=280
（3-8）
=3413
3. 计算轴承预紧组合刚度：
（3-9）

由式（3-9）得 。
4. 计算支承轴承组合刚度：
丝杠采用一端轴承固定，一端游动的方式查《机械设计手册》第二版，第二卷 表23.5-2得：；。
5. 计算丝杠副接触刚度：
（3-10）

由式（3-10）得。
6. 刚度验算及精度选择：
计算
（3-11）

计算
（3-12）

静摩擦力
验算传动刚度
（3-13）
（3-14）
由式（3-13）、式（3-14）得

满足要求。
7. 计算传动系统刚度变化引起的定位误差
（3-15）
由式（3-15）得=0.4。
8. 计算精度全行程变动量

9. 验算临界压缩载荷

10. 验算临界转速
（3-16）
由式（3-16)，又得

11. 基本轴向额定载荷验算
（3-17）
式中,查《机械设计手册》第二版，第四卷55.8-5
满足要求。
确定滚珠丝杠规格代号FFZD1603-3-P4/485×410。

3.3.3 工作台电机的选择
选择电机的时候应该着重考虑这三个基本要求：电机的额定转矩应大于雕刻机工作时的最大切削转矩；应与相匹配；刻刀快速移动时，电机的最大转矩必须大于负载转矩。
1. 最大切削负载转矩计算
最大切削负载转矩
（3-18）
其中，《查机械设计手册》第二版，第二卷表21.4-6可知最大进给力，丝杠导程，预紧力，查《查机械设计手册》第二版，第一卷表15.3-7可知滚珠丝杠螺母副的机械效率。
（3-19）
查郭科主编《角接触推力球轴承技术》，得可知单个轴承的摩擦力矩为0.32，可以得出力矩。伺服电机轴与丝杠采用套筒联轴器按照1:1的传动连接，则最大切削负载转矩

2. 负载惯量计算
工件夹具质量与工作台质量相加不超过20kg，把这两个质量和与电动机轴上的惯量算作一个量，计算得：
(3-20)
式中：
—工作台移动速度()；
—伺服电机的角速度()；
—直线移动工作台的质量(kg)。
丝杠直径，长度，密度。则丝杠加在电动机轴上的惯量
(3-21)
联轴器、锁紧螺母等的惯量，查《机械设计手册》得
故负载总惯量
(3-22)
根据上述计算可初步选定电动机，可选混合式伺服电动机57BYD250 E-SAFRNC-0153查样本，其额定转矩为，大于最大切削负载转矩；转子惯量，满足匹配要求。
3. 空载加速转矩计算
最大加速转矩
（3-23）
由式(3-23），又，得

连续工作最大转矩
（3-24）
查样本：额定转矩13.5

最大启动转矩
（3-25）
查样本：最大转矩80
满足要求。
3.4 本章小结
本章重要介绍了雕刻机的关键参数计算与校核，滚珠丝杠与滚珠丝杠副导程、螺纹底径、刚度和精度计算以及临界负压载荷和临界转速的校核；进给结构参数计算，切削负载、负载惯量和空载加速转矩的计算以及电主轴和工作台电机的选择。

结论
本设计通过对小型雕刻机的结构设计，分析了其构成及其工作原理。在此基础上，对于小型雕刻机目前存在的问题和市场需要进行了研究，在充分考虑雕刻机发展应该适应自动化、机械化等现代特征，采用自动控制技术，进一步提高其自动化的程度。
1. 小型雕刻机不仅可用于