四轴立体式雕刻机设计说明书1

山东轻工业学院2012届毕业生毕业设计PAGEPAGE8目录摘要 2ABSTRACT 3第一章绪论 41.1雕刻机的概述 41.2设计研制的雕刻机的特点 41.3研制的雕刻机功能及使用范围： 5第二章系统分析与方案的订制 52.1三维雕刻机的设计参数 52.2雕刻机总体方案选择 62.2.1总体布局要求 62.2.2总体方案确定 82.3雕刻机运动系统方案设计 92.3.1坐标系统的确定 92.3.2总体结构 92.3.3主运动方案 102.3.4进给运动方案 10第三章主运动系统的设计及校核 103.1铣削力、扭矩和功率的计算 103.2钻削力、扭矩和功率的计算 123.3主运动系统的设计 143.3.1主运动系统的方案 143.3.2主轴电机的设计计算 15第四章进给运动系统设计计算 164.1Z方向进给运动系统设计简介 164.1.1Z方向进给运动系统组成 164.1.2滚珠丝杠副的选择及支撑用轴承的选择 174.1.3电机的选择 184.1.4联轴器的选择 184.2Y方向进给运动系统设计简介 184.2.1Y方向进给运动系统组成 184.2.2滚珠丝杠副的选择及支撑用轴承的选择 194.2.3电机的选择 194.2.4联轴器的选择 19第五章A轴的结构与设计 195.1轨道顶针底座的设计 195.2齿轮箱齿轮的设计 195.3齿轮材料的设计 205.4齿轮传动的计算载荷 205.5减速箱箱体的设计 ·205.6电机的选择 205.7卡盘的设计 205.8顶针的选择 21结论 21参考文献 22摘要建国五十年，我国的机械工业虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。但雕刻机的价格均比较高,为了提高其普及率,设计开发一个经济、简练的机械运动系统是很具有重要的理论意义和实用价值的。本文简要地介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外同类雕刻机的特点，说明了雕刻机的功能和使用范围。综合造和加工工艺等知识，提出了简化雕刻机运动系统的设计思路。其次，讨论和确定了本雕刻机的总体结构布局。本雕刻的运动系统包括了主运动系统和进给运动系统。其主运动系统采用电机直接接刀具，省去中间传动，而进给运动系统是采用步进电机带动滚珠丝杠使部件在导轨上平移来实现四轴联动。再次，对主电机的选用、滚珠丝杠、步进电机以及导轨等主要零部件进行了详细的设计与计算。本雕刻机有着安装方便，结构简单、新颖，制造成本低等优点，可用于中小型雕刻机，对雕刻机价格具有一点的影响。关键词：雕刻机运动系统四维第一章绪论1.1雕刻机的概述雕刻可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏形。在我国北宋时期便发明了活字印刷，《梦溪笔谈》有记:“其法用胶泥刻字，薄为钱唇，每字为一印，火烧坚……”。这里的刻字应属于雕刻的范畴。随着时代的发展，我国的雕刻艺术日益精深，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝。上世纪90年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机，刻章机再到三维雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用范围无处不在。雕刻机(EngravingPlotter)，顾名思义就是用机器代替人工进行雕刻的设备。1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从2D→2.5D→3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。国外的雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，但价格非常昂贵。不管大小都在10万圆人民币以上;近几年国内的雕刻机，北京“精雕”、上海“啄木鸟”在国内也有一定的市场，但价格也不菲。为了使雕刻机能够更广泛的应用，设计出一种经济型的雕刻机，所以决定对三维雕刻机进行研制[1]。1.2设计研制的雕刻机的特点本雕刻机是一种典型的机电一体化设备，由于本人学的是机械设计，只对机械部分进行设计，本设计简化机械结构，提高精度。主要措施是采用电机直接接刀具来实现主运动系统、步进电机直接与滚珠丝杠连接，从而省去了机械运动链，这不但简化了机械结构，而且减少了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。1.3研制的雕刻机功能及使用范围：雕刻机可以完成切（Cutting）、刻（Engraving）、雕（Carving&Molding）,现主要在以下方面得到了广泛的运用：1)标志标牌行业 如胸牌、桌牌、指示牌、导向牌和大型标示牌。2)礼品行业个性化礼品如打火机、手表、钢笔、餐具、启瓶器、金属名片、钥匙链、奖杯、奖牌及各种木雕图像等。3)模具行业进行小型模具加工。4)工业应用各种仪器仪表的刻度盘、部件打标、机器铭牌、操作面板等。5)建筑模型业用于房地产开发、城市规划、军事等用途的模型制作。6)其他商业应用印章等物品的雕刻。第二章系统分析与方案的订制2.1三维雕刻机的设计参数表2.1雕刻机参数表型号四轴数控雕刻机X/Y/Z行程:300mm*400mm*120mm立体加工尺寸Φ90*L200mm浮雕加工尺寸200*300*80mm外观尺寸:长*宽*高950*1200*700mm重量:大约220Kg材质:钢、铸铁（仅供参考）雕刻及夹持方式顶压、胶粘、四爪卡盘雕刻精度:±0.02mm主轴转速6000~20000rpm/min加工速度0-3000mm/min主轴功率1200W水冷变频主轴（仅供参考）可夹持刀具柄径2.3mm/3mm/4mm额定电压AC220V/50-60Hz可加工材料铜、铝、木材、PVC等第四轴行程与角度A轴15mm360度2.2雕刻机总体方案选择2.2.1总体布局要求雕刻机总体布局的基本要求有以下几点:(1)首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求。(2)确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。(3)确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平。(4)应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修；便于输送、装卸工件和清理；注意防护，确保安全。(5)结构简单，合理可靠，便于加工和装配。(6)体积小，重量轻，节约原材料，降低制造成本，缩小占地面积，外型美观大方。在满足总体布局的基本要求的基础上，还应当考虑影响雕刻机布局的基本因素:1）表面形成运动的影响不同形状的加工表面往往采用不同的刀具来加工，从而表面形成运动的形式和数目就不同，并导致布局的差异。相同形状的加工表面，由于工件的技术要求和生产率要求等不同，也可以采用不同的刀具，不同的表面形成运动来加工，从而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成运动直接决定了雕刻机布局的形式是影响雕刻机布局的决定性因素。因而，在布局雕刻机时，必须根据加工要求，全面、综合地考虑工件的表面形成方法及运动，以期作出具有较好技术经济效果的布局设计。2）雕刻机运动分配的影响工件表面形成方法及运动相同，而雕刻机的运动分配不同，雕刻机的布局亦不同。对于同一种运动分配的布局，由于导轨的布置及其它结构型式的不同，也将使雕刻机的布局出现变化。在分配雕刻机运动时，一般应注意以下三点:(1)移动部件的重量应尽量轻。在其他条件相同的情况下，越小，所需电机功率和传动件的尺寸也越小。(2)应有利于提高加工精度。(3)应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积。3）工件的尺寸、重量和形状的影响工件的表面形成运动及雕刻机部件的运动分配基本相同，而工件的尺寸、重量和形状的不同，雕刻机的布局也会有很大差异。另外，还应考虑雕刻机性能要求的影响，如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性;操纵方便性的影响;模块化设计法的影响等等。2.2.2总体方案确定通过查阅相关资料，目前雕刻机基本布局形式通常有如图2.1所示的两种方案:图2.1雕刻机布局简图这两种布局都采用龙门框架结构，雕刻机的刚度均较高。布局(l)方案中，工作台固定，雕刻头作横向和上下移动，立柱作纵向移动。该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机。由于工作台不动，承载能力好，适合加工较重的工件。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便。但雕刻头运动精度较难保证且立柱移动较笨重。布局(2)方案中，立柱固定，雕刻头作横向和上下移动，工作台作纵向移动。由于工作台移动，承载能力较布局(1)方案差。若设计所承载工件的较轻，这种布局方式所需电机功率和传动件的尺寸较小，移动较轻便。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便，但支架结构较布局(1)方案略显复杂。该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证。经以上比较，充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三维雕刻机的设计参数，采用布局(1)方案。2.3雕刻机运动系统方案设计本部分着重研究在确定了总体布局型式后对雕刻机各组成部分方案的选择,它包括：有效雕刻区域、滚珠丝杠的结构型式和参数、直线导轨的结构型式和参数、主电机的结构型式和参数、步进电机的结构型式和参数、主运动和进给运动的传递方式和转速范围等。2.3.1坐标系统的确定雕刻机的坐标系统采用右手法则，直角卡笛儿坐标系统。基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，对相应每一个旋转运动符号为A、B、C，如图2.2所示。Z轴为平行于雕刻机主轴的坐标轴，垂直于工件装卡面。图2.2右手坐标系统2.3.2总体结构机械本体部分是雕刻机的骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分。在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计的结构，减轻整机重量，缩短产品的设计和制造的周期，其主体框架采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用塑料件和饭金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。2.3.3主运动方案雕刻机主运动方案通常有两种方案:直接采用专用的雕刻头或采用直流电机带动主轴机构。真流电机加上带轮虽然也可以满足主轴速度的要求，而且也比较便宜，但会增加机械结构的复杂程度。专用的雕刻头的优点在这里不在复述，配以与之配套的变频调速装置，既简单又实用，故采用专用的雕刻机电机。2.3.4进给运动方案由前所述，采用工作台固定、雕刻头做横向和上下移动、立柱做纵向移动、A轴做旋转运动的工作方式，机头在横梁上移动(X向)，实现雕刻宽度;工作台在底座上移动(Y向)，实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z 向)，实现雕刻深度，A轴带动工件做360度旋转，实现外圆周的雕刻。由于滚珠丝杠副具有很多优点,因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。步进电机和滚珠丝杠副直接连接。至于导轨,各运动链中支承件均采用滑动直线导轨副。第三章主运动系统的设计及校核四维机械雕刻机的加工对象主要是塑料、橡胶等有机材料和铝、铜及其合金等有色金属材料及木材等，这些材料具有较高的强度和良好的塑性。以下采用了硬质合金直柄立铣刀(d0=8mm，z=2)和高速钢标准麻花钻(d0=3mm)在铝板(180MPa)上进行铣削和钻削，分别进行切削力、切削扭矩和切削功率的计算。根据三维机械雕刻机的加工范围和使用功能及用户在实际生产过程中不同的切削方式的所使用时间的分配，经过统计，大致可将切削方式分为强力切削(切)、一般切削(雕)、精细切削(刻)和快速进给四种切削方式，使用时间的分配分别是10%，30%，50%，10%。3.1铣削力、扭矩和功率的计算查参考文献[3]，可得知下有关于铣削力、铣削扭矩和铣削功率的经验公式。(3.1)(3.2)(3.3)式中圆周铣削力(N)，铣削条件改变时铣削力修正参数，扭矩M（Ngm）铣削功率()，查参考文献取铣削宽度(mm)=，铣削深度，进给速度，铣削速度，铣刀外径=8,每齿进给量，铣刀齿数,铣刀转速。查《机械加工工艺手册一卷》表9.4-10得以下与硬质合金钢立铣刀的对应参数:,,,,,-0.13,(加工45号钢)将已知参数代入式(3.1)(3.2)(3.3)进行简化，可得到仅与切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n有关的计算公式。 （3.4） （3.5） （3.6）另丝杠转速 （3.7）初选丝杠导程(mm)将四种切削方式下的切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n的变量代入分别计算。1)．强力切削将参数=2.5，=120，=9000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得2)．一般切削将参数=1，=1200，=15000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得=0.7023)精细切削将参数=0.5，=2400，=20000代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）4)快速进给将参数=0，=3600，=0代入式（3.4）（3.5）（3.6）（3.7）得，=0，=0，=03.2钻削力、扭矩和功率的计算查参考文献[5],可得知下有关于铣削力、铣削扭矩和铣削功率的经验公式 (3.8) (3.9)(3.10)式中钻削轴向力F(N)，加工条件改变时的切削力修正参数，钻削扭矩M（Ngm），加工条件改变时的切削力修正参数，钻削功率(),进给速度，铣削速度,钻头外径，进给量，钻头转速(r/min)。查《机械加工工艺手册二卷》表10.4-11得以下与高速钢标准麻花钻想对应的参数：,,,,,,（加工45号钢）将查得参数代入(3.8)(3.9)(3.10),可得到仅与进给速度和钻头转速有关的计算公式。 （3.11）= （3.12） （3.13）另丝杠转速 （3.14）初选丝杠导程将四种切削方式中进给速度和钻头转速的变量代入分别计算1)强力切削将参数=300，=9000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得2)一般切削将参数=480，=15000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得=0.303)精细切削将参数=600，=20000代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得4)快速进给将参数=900，=0代入式（3.11）（3.12）（3.13）（3.14）得=900/4=225，=0，=0，=03.3主运动系统的设计本节着重设计计算主运动系统中主轴电机的结构形式，以确定其型号及参数。为了减少主运动系统的所占的空间，采用了由主轴电机直接接上刀夹，中间不采用传动机构。3.3.1主运动系统的方案为了简化机械结构，本设计采用主轴电机直接接上刀夹，省去了传动链，大大了减少了所占空间，减少了损耗。3.3.2主轴电机的设计计算根据前两节的计算结果，取一定的安全系数，忽略传动效率，主轴电机所需扭矩、功率和转速计算过程如下：1）转矩计算查参考文献[6]《机电一体化系统设计手册》可知所采用的电机的扭矩由章节3.1和3.2计算结果可知,最大扭矩值为0.44(Nm)故使便可满足要求确定额定转矩为2）功率计算查参考文献[6]《机电一体化系统设计手册》,所采用的电机的功率由章节3.1和3.2计算结果可知,最大功率为0.72故使确定额定功率因此,电机选用安阳莱必泰机械有限公司的生产的雕刻机用电主轴,外形图与参数表如下:图3-1雕刻机主轴电机的外形图表3-1雕刻机主轴电机的技术参数表主轴型号Spindletype转速Speed(r/min)电机Motor外形尺寸Dimensions(mm)变频器ConvKw润滑Lub冷却CoolKWVMAHzDD1D2JointofnoseLL1L2ADX60-24Z/0.8240000.82202.52.24006255-ER112066200.5greasewater第四章进给运动系统设计计算雕刻机的进给运动分为四部分：主轴的上下移动、小车左右移动、横梁的前后移动和A轴的旋转运动。前三部分的设计没有本质的区别。三部分分别为Z主轴部件，X轴部件，Y轴部件。这一节先着重对X轴进给运动传动链中进给电机、滚珠丝杠和直线导轨，以确定规格型号及参数。4.1Z方向进给运动系统设计简介4.1.1Z方向进给运动系统组成由前章所述，步进电机直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.6所示图4.6Z方向进给运动系统简图4.1.2滚珠丝杠副的选择及支撑用轴承的选择图4.7滚珠丝杠外形图1)轴承类型选择依据因为丝杠所受轴向力很小,而已丝杠采用一端固定于电机上另一端游动,没有预拉伸力，另外,使用直线运动球轴承有以下的优点：(1)．由于流动接触可使起动磨擦阻力及动磨擦阻力为极小，因此可以节省能源，容易得到较高运动速度。(2)．对负荷增大，但磨擦系数无敏感变化，因此重负荷下，磨擦系数极小，并且长期保持精度不变，可得机械使用寿命长期保持。(3)．直线运动轴承互换性好，安装使用方便省时，并使机械结构新颖，小型，量轻之特点。(4)．节省给油手续，达到简化润滑保养的目的。(5).两侧附加油封的轴承还适用与灰尘较多或异物容易侵入的场所。因此，选用LMF-10型的直线轴承为Z轴的轴承。4.1.2电机的选择选用的电机为步进电机。4.1.3联轴器的选择图4.8联轴器外形4.2X,Y方向进给运动系统设计简介由于X轴Y轴极为相似，所以两者放在一起一起说明4.2.1X,Y方向进给运动系统组成同前一节所述，步进电机直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.9所示图4.9X,Y轴进给运动系统传动链图4.2.2滚珠丝杠副的选择及支撑用轴承的选择丝杠的外形与Z轴一样。轴承采用直线轴承。4.2.3电机的选择选用的电机为步进电机。4.2.4联轴器的选择选用与Z方向相同规格的SDWA31联轴器.A轴的结构设计A轴一共由电机，减速齿轮箱，卡盘，轨道，底座五部分组成。5.1轨道，顶针底座的设计轨道，顶针底座的材料用硬铝，质量轻，硬度大，是个不错的选择5.2齿轮箱齿轮的设计齿轮都选择圆柱齿轮，按照从大到小分别编号1号齿轮，2号齿轮，3号齿轮。5.2.11号齿轮的设计齿顶圆直径da=130，齿数z=100，则模数m=da/（z+2）=130/（100+2）=1.27，分度圆直径d=mz=100*1.27=127，齿根圆直径df=da-4.5m=130-4.5*1.27=124，压力角a=20度，齿顶高ha=ha*m=1.27，齿根高hf=（ha*+c*）m=1.25*1.27=1.5875，基圆直径db2=d2cosa=127*cos20o=119.34，齿距p=πm=3.99，齿厚s=πm/2=3.99/2=2，齿槽宽e=s=25.2.22号齿轮的设计齿顶圆直径da=90，齿数z=da/m-2=90/1.27-2=68，分度圆d=mz=68*1.27=83.36，齿根圆df=d-4.5*m=90-4.5*1.27=84.285，压力角a=20o，齿顶高ha=ha*m=1.27，齿根高hf=（ha*+c*）m=1.5875，基圆直径db2=d2cosa=83.36*cos20=78.33，齿距p=πm=3.99，齿厚s=πm/2=3.99/2=2，齿槽宽e=s=2，1号2号齿轮的标准中心距a=1/2*（d1+d2）=1.6.55.2.33号齿轮的设计齿顶圆的直径da=20，齿数z=da/m-2=20/1.27-2=14，分度圆d=mz=14*1.27=17.78，齿根圆df=d-4.5*m=20-4.5*1.27=14.285，压力角a=20o，齿顶高ha=ha*m=1.27，齿根高hf=（ha*+c*）m=1.5875，基圆直径db2=d2cosa=17.78*cos20=16.71，齿距p=πm=3.99，齿厚s=πm/2=3.99/2=2，齿槽宽e=s=2，1号2号齿轮的标准中心距a=1/2*（d1+d2）=5205.3齿轮的材料选择由于齿轮的减速箱靠近雕刻部件较近，粉尘较多，工作速度较低，因此选择铸钢或者铸铁作为材料这3个齿轮的尺寸较小可以用圆钢作为毛坯，进一步的加工。5.4齿轮传动的计算载荷使用系数KA=1.50,动载系数KV=1.5，压力角a=20o，齿轮的寿命系数KN=60njLh5.5减速箱箱体的设计箱座壁厚0.025a+5>8合格，箱盖壁度0.2a+5>8合格，箱盖凸缘厚度等于1.5倍的箱盖壁度，箱座凸缘厚度等于1.5倍的箱座壁厚，箱底座凸缘厚度b2等于2.5倍的箱座壁厚，地脚螺钉直径df=0.36a+12，轴承旁边的连接螺栓的直径d1=0.75df，盖与座连接螺栓的直径d2=（0.5~0.6）df，连接螺栓的间距l=150~200，大齿轮顶圆与内箱壁的距离▷2>1.2倍的箱座壁厚。5.6电机的选择在前面的减速齿轮的计算中，三个齿轮的传动比i15=z3/z1=14/100=0.14，和前面的主轴的计算，去一定的安全系数，忽略传动效率主轴电机所需扭矩功率和转速计算如下：转矩M0计算查参考文献[6]《机电一体化系统设计手知所采用的电机的扭矩MAXM由章节x.1x3.2计算结果可知,最大扭矩值为.44 Nm故使Mx.44便可满足要求确定额定转矩为M=2Nm功率计算查参考文献[6]《机电一体化系统设计手PAXp由章节3.1和.2计算结果可知,最大功率为0.72 ()故使P0.72确定额定功率Pe=0.8kw