数控雕刻机设计.docx

数控雕刻机设计.docx

《数控雕刻机设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控雕刻机设计.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数控雕刻机设计

数控雕刻机设计

摘要：

调查研究了雕刻/铣机的发展介绍台式数控龙门雕刻机X的设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计和X向进给传动系统的机械结构设计。

X向进给传动系统中主要分析了丝杠的安装，以及相关固定和支承。

计算主要有两个方面：

对滚珠丝杠和X轴电机的选择计算和校核。

最后，通过模拟编程软件Mastercam,对相关零件进行加工。

关键词:

数控雕铣机床；滚珠丝杠；X轴

ThedesignoftheXaxleinDesk-workCNCengravingandmillingmachine

Abstract:

ThedevelopmentoftheCNCengravingandmillingandthemeaningoftheelectricspindletotheNCmachinewasinvestigated.TheprocessofdesignfortheXaxleinDesk-workCNCengravingandmillingmachinewasintroduced,includingthedesignprojectofthemachine,thedesignofthemechanicalstructuresofthefeedingmechanismofXaxis.InthesectionofthefeedingmachineofXaxis,theassemblyofthestraightguide-wayandthebearingoftheballscrewandsoforthwaspresented.Thecalculationmainlyincludestwoaspects:

choosingandverifyingtheservo-motorofXaxis.Atlast,viathesimulationprogrammingsoftwareMastercam,therelatedpartwasgenerated.

Keywords:

CNCengravingandmillingmachine;Xaxis

1．绪论

1.1数控雕铣机的概述

近年来，在模具加工行业中，人们一直在探索用一种比较完美的加工方式来替代电火花成型加工，以避免工件表面质量因电加工后产生型面微观裂纹。

深型腔加工

优势

深槽窄缝加工

传统的电火花成型加工

微细复杂型腔加工

花纹加工

缺点图案型腔加工

大型面良好的表面粗糙度

加工工艺较多、时间较长

高速铣削方式在这些模具加工中具有很大的优势，同时，伴随着加工高硬度材料刀具技术的发展，高速数控铣床在模具加工中的应用越来越广泛，但随着模具加工业对加工表面质量要求的提高，所需刀具半径越来越小，于是高速铣削加工出现了另一种分支工具—高速数控雕铣机。

通过高速雕铣机的加工方式来弥补电火花成型加工的缺点。

数控模具雕铣机的诞生为模具加工工业解决了这一问题。

高速数控模具雕铣机不仅具有高效率强力粗铣半精铣加工能力，同时具有高表面加工质量的精细雕刻功能，使高效率和良好表面质量得以有机统一。

1.2数控雕铣机和数控铣床的比较

.机型上的区别：

）数控铣床主要用于完成较大铣削量的产品的加工；

）雕铣机主要用于较小铣削量或者轻金属的加工；或对软金属的加工。

.从机床的主轴转速分析

）数控铣床对数控系统要求速度一般，主轴转速0～8000RPM左右；

）雕铣机要求高速的数控系统，主轴转速1500～30000RPM左右。

.从机床采用的数控系统的角度来看

）数控铣床对数控系统的要求：

稳定可靠，操作方面，维修方便等，现

在市场上的数控系统主要集中在FANUC和西门子及MITISUBISH控制器；

）雕刻机大部分采用企业自主研发或者外购的工业控制器。

　综上所述：

　　雕铣机大部分用于模具行业，也进行一些小切削量的铣削。

而数控铣床大部分在机械加工行业中使用，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品种的加工。

1.3雕铣机与雕刻机的比较

对雕铣机（Router）与雕刻机（Engraver）的区别，很多人都不清楚。

人们直观上的感觉是小幅面的是雕刻机，大幅面的是雕铣机，或叫雕凿机、镂铣机，或干脆统称大雕刻机。

其实它们是两类不同结构的机器，但工作原理大致相同，都是由X、Y、Z三轴驱动，由电子控制器控制移动。

.从用途上分：

雕刻机主要是用于对板材的雕刻，大量应用于双色板或亚克力雕刻，雕刻一次进刀深度约在1mm～3mm左右，在标志、标牌方面应用较为普遍。

.从机械构造方面：

雕刻机的设计轻巧，X、Y轴移动速度快，Z轴行程较短，适合雕刻5mm－8mm的材料。

雕刻主轴头装有弹簧压鼻，作用是在雕刻过程中压平3mm以下的薄板材。

雕刻主轴通过皮带连接到直径较大的马达上，以此使转速增大，这样雕刻出来的工件质量就较为光滑。

其使用的雕刻刀具较长，长度约在15.9cm，直径为4.35mm左右。

由于设计方面的限制，它适合做切削量很小的高转速的雕刻工艺制作。

 雕铣机可以理解为既可做精细雕刻，又能做切割、镂铣。

例如做三维雕刻，尽管落差很大，但200mm宽材料可一次完成，一次进刀量相当大。

雕铣机可供选用的刀具直径规格从1mm－16mm，其刀具长度为50~80mm。

我们可以灵活使用，装细刀干细活，装粗刀干大活。

由于机器设计注重重型负载，机架钢性大，Z轴行程大，因此不仅可以做小型雕刻机的工艺，更可高速切割厚的板材，一次进刀量可达20mm－30mm，这是雕刻机根本做不到的工艺制造。

1.4国内数控雕铣机的发展和现状

随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的CNC雕铣机在国内有了较大的发展。

国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。

比如北京精雕、广东佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。

在雕刻CAD/CAM技术、CNC数控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现了先进技术向产业化的转化。

1.4.1典型数控雕铣机的介绍

北京精雕-睿雕系列Carver600G_U

Carver600G_U机械性能参数指标

主要性能指标项

标准值

工作台尺寸

700×650mm

X、Y、Z轴工作行程

600×500×300mm

快速移动速度

10m/min

主轴转速

2100-24000rpm

最高切削进给速度

6m/min

X/Y/Z轴运动定位精度

0.008/300mm

X/Y/Z轴重复定位精度

0.005mm

机床外形尺寸

2042×1890×2144mm

图1-1Carver600G_U模具雕刻机

特点及应用：

Carver600G_U在合理的工艺方法下，最大可以使用Ф16的刀具进行加工。

Carver600G_U使用精雕最新的JD45数控系统，各轴快速移动速度达10m/min,进给速度达6m/min；配备手轮，操作方便、控制平稳。

Carver600G_U适合中小型注塑模具、紫铜电极、铝合金产品以及非金属材料等产品的加工。

上海洛克MEII-4540模具雕刻机

MEII-4540模具雕刻机技术参数表

主要性能指标项

标准值

工作台尺寸

510x500mm

最大雕刻尺寸（X、Y、Z）

450x400x145mm

高雕刻速度

4.0m/min

主轴电机

2200W

主轴电机最高转速

24000r/min

刀柄直径

Φ4、Φ6、Φ3.175mm

外型尺寸

1310x1330x1700mm

图1-2MEII-4540模具雕刻机

特点及应用：

2003年最新推出的新型模具雕刻机,机身采用双立柱龙门式结构,装夹进料都十分方便.采用德国原装滚珠丝杆,进口矩形直线导轨副,精密细分驱动系统,满足模具加工所需要的刚性和精度要求,2.2kw意大利变频电主轴使此款模具雕刻机拥有更大的切削率。

特别适用于注塑模,冷冲模等各种钢模以及滴塑模、烫金模、紫铜电极等铜模的制作加工。

通过上述两台同类型数控雕铣机性能的综合比较。

目前，国内雕铣机的最大主轴转速一般都在24000r/min、主轴电机功率在2.2KW、最高切削速度在4～6m/min之间。

2.4040S数控雕铣机的简介：

数控模具雕铣机是一款集雕刻机和铣床功能于一身的数控机床。

它充分集合了两种机床的优势，即能完成铣削任务，又能完成雕刻功能，使被加工工件达到高精度和高质量表面。

图2-14040S数控雕铣机

2.14040S数控模具雕铣机的工艺范围：

4040S是一款经济实用的高精密数控雕铣设备，该款设备外观大方、结构稳定、易操作、通用性强，主要用于各种钢模、注塑模、紫铜电极、精密滴塑模、烫金模，以及冷冲模等的加工，在合理的工艺条件下，可加工出表面极佳的效果。

2.24040s数控模具雕铣机的特点：

●床身整体铸造，刚性好，减震好

●采用高精密级直线导轨

●采用日本三菱（Mitsubishi）公司伺服系统，精度高，性能好

●主轴配置2.2千瓦恒功率电机，大功率，可满足加工要求

●有一定模具刚的粗加工能力

●定位精度±0.01mm

●重复定位精度±0.005mm

●使用英国Renishaw公司激光干涉仪进行精度保证

●采用台湾新代控制器，性能稳定，操作方便，支持G代码，常用的CAM软件后处理，都可以运行加工，独有的手轮模拟功能和自动对刀功能使在加工中保证了效率

2.34040S数控模具雕铣机主要技术参数：

表2-1

名称

参数

工作台尺寸（X/Y）

500×480mm

最大行程（X/Y/Z）

400×400×150mm

最大工件尺寸（X/Y/Z）

460×600×200mm

最大刀具直径（Er20）

Φ13mm

最大进给速度

5m/min

主轴电机功率

3KW

主轴转速范围

1500～24000r/min

分辨率

±0.001mm/脉冲

定位精度

±0.01mm

重复定位精度

±0.005mm

外型尺寸（长/宽/高）

1500×1200×1800

机器总功率

5KW

机器轴联动数

3

3.台式数控龙门雕刻机总体布局设计方案

数控模具雕铣机是一种高效率、多功能的中小型经济型数控加工设备。

它集雕刻与铣削功能为一体，既保证了铣削小型工件所需要的低转速、大功率输出、又具备了雕刻所需要高转速的双重要求。

3.1机床总体布局设计：

数控雕铣机主要用于较小铣削量或软金属材料的工件的加工。

不但要求加工精度较高，而且要求实现高速切削，其主轴转速高达10000r／min左右。

其移动部件不但要刚性好，而且要尽可能轻巧，以保证其灵活性。

对数控系统，要求其具有高的速度和极好的伺服电机特性。

对于数控雕铣机，从机械的角度分析，其结构应满足：

非移动部件刚性要好，移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧，灵活性要好。

要从机械上满足既轻巧又刚性好的要求，关键在于机械结构的合理设计上。

理论设计上，台式数控龙门雕刻机总体结构布局如图所示。

图3-1台式数控龙门雕刻机布局示意图

图3-1台式数控龙门雕刻机3轴示意图

机床主要组成：

一维数控传动部件（X向）

立柱

一维数控工作台1（Y向）

主轴组件（Z向）

横梁

3.2设计方案分析：

设计方案比较

在订立设计方案的时候我们考虑的各方面因素，并且考察了多种龙门雕刻机的结构样式，订立了3个待选方案如下：

方案一：

双丝杠工作台移动式

特点：

双丝杠Z向传动工作范围大。

缺点：

双丝杠传动精度难保证

草案二：

双立柱移动式

特点：

立柱移动及双丝杠Z向移动结合工作范围。

缺点：

双丝杠传动同步度控制困难，立柱移动精度控制困难

草案三：

双丝杠立柱移动式

特点：

工作台大加工范围大。

缺点：

双丝杠传动同步度低，特殊件加工成本高。

草案四：

传统工作台移动式龙门雕刻机

特点:

传统结构结构形式，结构简单。

缺点：

Z向工作范围较小。

结论：

综合比较4个方案，得出方案四，结构简单，成本低廉，装配质量容易保证。

所以选用方案四。

本设计中，数控雕铣机选用龙门式结构。

龙门式结构具有良好的刚性和对称性，一直是高速切削设备的首选结构。

本机床总体布局采用龙门架式铣床结构，并设计了较宽的立柱和横梁。

为克服不良力矩的问题，尽量加宽了X、Y、Z三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，从整体布置上有效保证了机床的刚性。

因孕育铸铁（米汉那铸铁）具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使床身的结构强度和刚性有显著提高，故本机底座采用孕育铸铁铸造而成。

它为板形，确保了对Y轴工作台和两立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳定性可达最好。

因机床的刚性主要用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击，所以导轨和丝杆在设计时应尽量要求粗一些，以加强刚性。

由于采取了这些措施，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比较细小的加工，加工精度比较高，对软金属可进行高速切削。

3．进给运动方案

我们设计采用的雕刻方式是:

雕刻刀具只做高速旋转和Z方向的进刀、退刀运动，而X-Y工作台带动工件作X,Y方向的进给运动，这两个方向的基本运动方式如下:

由电动机的转动带动丝杠的转动，带动了工作台的移动，从而实现某个方向（Y方向）的进给运动。

在Y方向上的导向件采用直线导轨，其导向精度可满足对工作台定位精度的要求。

4.台式数控龙门雕刻机X轴设计

4.1主传动系统的方案设计

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电动机带动主轴机构。

专用的雕刻头的优点在这里不在复述，但必须配以与之配套的变频调速装置，价格相对昂贵。

因此，从经济性的角度出发，经济型的雕刻机则不宜采用。

由于交流电机具有以下特点:

（l）调速范围宽

其转子转速可在宽广的范围内连续调节并稳定运行。

（2）特性呈线性

不论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。

即在整个调节范围内，转速随转矩的变化关系或是转速随控制电压的变化关系都是线性的。

（3）快速反应

在输入控制信号的作用下，转子能迅速地反应动作，时间常数小。

（4）价格低廉，采购方便

市面上的交流电动机较多，采购也比较方便

（5）适应性强

相对于直流电动机来说，交流电动机电源更方便使用。

故优先选用交流电机带动主轴机构的方案。

交流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。

4.1.1电主轴的冷却与润滑

电主轴的工作转速极高，为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂。

本机床电主轴采用水冷却，其冷却装置配置在机床的后部。

电主轴的润滑方式有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式，可以根据不同情况下的需要任选其一。

当采用脂润滑时，一般其相应的速度相对油雾润滑、油气润滑要低。

因本机床主轴要求的最高转速相对较低（最高转速为10000r／min），故采用脂润滑。

4.2Z向进给系统方案设计

在数控机床中，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常需满足低摩擦、低惯量、高精度、无间隙，高谐振以及有适宜阻尼比的要求。

机床的精度很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度，因此，本次设计台式数控龙门雕刻机X向进给系统采用内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，Z轴方向上采用高精度直线导轨。

4.2.1滚珠丝杠副的选择

本设计中X向工作台的丝杆选用的是滚珠丝杆副。

滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。

选定进给传动用滚珠丝杠副时，主要考虑的内容是：

与机床定位精度要求相适应的丝杠精度、丝杠的刚性与转动惯量。

在开环和半闭环数控机床中，滚珠丝杠的精度将直接影响机床的定位精度和随动精度。

为了获得高精度、高刚度的进给系统，应选用精度高的滚珠丝杠传动副。

但是，随着丝杠精度的提高，其价格也将大大上升。

本机床Z向进给方向的滚珠丝杠副的精度等级为4级。

4级精度的丝杠经采用一些如消隙、螺距误差补偿等措施，完全能满足机床的定位精度要求。

丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大、刚度就好。

要想使进给驱动系统有足够的刚性，就要选用直径粗大的丝杠。

但是，随着直径的增大，其转动惯量也大大增大。

本机床经设计计算后选定X轴滚珠丝杠的公称直径为12mm，导程为2.5mm。

4.2.2滚珠丝杠的支承结构

因为机床在加工工件时会产生热量，引起丝杠

发热产生热变形。

如果丝杠两端都进行固定预紧，

虽然提高了丝杠的轴向刚度，但丝杠就没有了热变形

的伸缩余量，会导致丝杠的扭曲变形，失去原本的直

线度，影响机床的精度。

4040S数控雕铣机的Z向滚珠

丝杠副的支承结构如图5--3所示。

1.伺服电机

2.联轴器

3.角接触球轴承

4.滚珠丝杠

图4-1X向滚珠丝杠支承和联结结构

4.2.3支承轴承的选择

为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠支承的设计。

因滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于卧式丝杠的自重，因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求很高。

因数控雕铣机的进给系统要求运动灵活，对微小位移（丝杠微小转角）响应要灵敏，因此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。

目前，各类轴承中用得最多的是推力角接触球轴承。

数控机床选用这种角接触球轴承，通常需要把2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。

其组合形式有背靠背组配（DB方式）、面对面组配（DF方式）、串联组配（DT方式）。

在数控机床上选用此种轴承时，为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，一般采用DF组配方式。

4.2.4滚珠丝杠的制动装置

由于滚珠丝杠副的逆传动效率很高，逆向传动不能自锁，因此当它处于垂直安置时必须另外设有制动装置，以防止伺服电机在停止转动时，运动部件由于自重而产生的逆传动，也可以防止因偶然因素造成的事故。

而X轴由于是横向放置，所以基本不存在此问题，故X轴丝杠不考虑制动问题。

4.2.5X向电机与进给丝杠的联结结构

在数控机床进给系统中，电机与滚珠丝杠联结要保证传动无间隙，这样才能准确执行脉冲指令，而不会丢掉脉冲造成“失步”，影响机床的加工精度和传动精度。

在本次设计数控雕刻机床中，X轴采用直联式，即通过金属弹性元件联轴器（属于带弹性元件扰性联轴器）把伺服电机和滚珠丝杠联结起来。

带弹性元件扰性联轴器除有补偿性能外，还具有缓冲和减震作用，此外非金属弹性元件联轴器能保证伺服电机与丝杠的同轴度，即使伺服电机与丝杠安装时的同轴度不是很精确，也可通过弹性元件连轴器来调节。

金属弹性元件联轴器制造方便，易获得各种结构形状，更重要的是，它具有较高的吸震性能，而高的吸震性能，又可以提高机床的抗震性。

弹性联轴器的装卸也非常方便。

丝杠和伺服电机的联结可参看图4-1。

5X轴系统零部件的计算与校核

5.1X轴系统的重力计算

主轴系统主要由三部分组成：

3KW主轴安装座、滑块及拖板。

根据附录中的图纸分别计算3KW主轴安装座、滑块的体积V及其重量G。

◆查[12]表1-8P5，可知工业用铝合金的密度ρ铝合金=2.7×103（kg/m3）;

灰铸铁的密度ρHT250=7.0×103（kg/m3）。

◆主轴安装座的体积V1及重力G1计算：

V1=（268×155×200-π×502×200-2×125×54×200-2×

×40×40×200）×10-9≈3.72×10-3m3

G1=m1g=ρ铝合金V1g=2.7×103×3.72×10-3×9.8≈98N

◆滑块体积V2及重力G2计算：

V2=（270×96×730-160×81×246-2×40×48×570-129×81×570-2×97×31×57）×10-9≈7.25×10-3m3

G2=m2g=ρHT250V2g=7.0×103×7.25×10-3×9.8=493.75N

◆拖板体积V3及重力G3计算

V3=（242×27×505+4×90×72×12-180×200×6-120×86×4×2-70×255×4）×10-9≈3.24×10-3m3

G3=m3g=ρHT250V3g=7.0×103×3.24×10-3×9.8≈222.26N

主轴系统的重力计算值表6-1

3KW主轴安装座

98.43N

滑块

493.75N

拖板

222.26N

5.2主轴铣削力计算

台式数控雕刻机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。

◆主铣削力Fc计算：

台式数控数控雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材，查[8]表，选用公式：

Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap

（1）

式

（1）中，CF：

切削系数。

查[8]表30—20P1020取CF=167

KF：

修正系数。

查[8]表30—21取CF=1.08

ae：

铣削宽度。

查[8]表30—22取ae=0.15mm

af：

每齿进给量。

查[8]表30—22取af=0.1mm

d0：

铣刀直径。

查[8]表21—10取d0=3mm

Z：

铣刀齿数。

查[8]表21—10取Z=4

ap：

铣削深度。

查[8]表30—39取ap=0.05mm

代入式

（1）得：

Fc=167×1.08×0.150.86×0.10.72×3-0.86×4×0.05

≈7.84N

◆垂直分力

、横向分力

，纵向分力

计算：

根据[7]表8-6P202，各铣削分力的比值可得：

；

；

计算可得：

=2.98N;

=6.66N;

=6.04N

主轴铣削力相关计算值表6-2

主铣削力Fc

7.84N

垂直分力

2.98N

横向分力

6.66N

纵向分力

6.04N

5.3滚珠丝杠副的选择计算

1）确定滚珠丝杠副的导程Ph

Ph=

（2）

Ph：

滚珠丝杠副的导程mm

Vmax:

工作台最高移动速度m/min

nmax:

电机最高转速r/min

i:

传动比

因机床电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比i=1

初定：

Vmax=3.5m/min;

根据电动机功率为250W,查得nmax=1500r/min

代入式

（2）得

Ph=

=2.33mm

根据[16]表1P1选择导程为2.5mm的滚珠丝杠副

2）确定当量转速与当量载荷

当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算。

●当量转速

nm=

（3）

nm:

当量转速r/min

nmax：

滚珠丝杠副的最高转速。

因机床电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比i=1。

电动机所能达到的最高转速即为滚珠丝杠副的最高转速，所以nmax=1500r/min

nmin：

滚珠丝杠副的最低转速。

nmin=0

代入式（3）得

nm=（1500+0）/2=750r/min

●当量载荷

Fm=（2Fmax