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示教型雕铣机设计

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毕业设计（论文）

示教型雕铣机设计

Thedesignofteaching-basedcarvingandmillingmachine

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摘要

雕铣机作为一款新兴的数控机床，但由于其独特的雕、铣特性，目前在国内小型工件的雕铣加工中得到了广泛的应用。

随着随着消费类电子器件的不断发展，其使用的场合也在不断加大，其重要性也将日益突出。

面对这种情况，本文拟设计一款主要用于教学示范的雕铣机，来方便学生学习与认知数控技术及数控机床。

本文主要介绍了示教型雕铣机的总体设计、传动设计、主轴零部件的设计计算等。

对于总体设计主要分析了示教型雕铣机的总体结构布局、主传动运动设计、进给运动设计等；关于传动设计主要包括滚珠丝杆、轴承、联轴器、导轨等分析设计。

关键词示教；机床设计；步进电机

Abstract

Engravingandmillingmachineasanewnumericalcontrolmachinetool,butbecauseofitsuniquecarvingandmillingcharacteristics,atpresentindomesticsmallworkpieceengravingandmillingprocessinghasbeenwidelyused.Aswiththecontinuousdevelopmentofconsumerelectronics,theoccasionofitsuseisalsoincreasing,itsimportancewillalsoincreasinglyprominent..Inthefaceofsuchsituation,thepaperdesignacarvingandmillingmachineismainlyusedforteachingdemonstration,convenienttostudents'learningandcognitiveCNCtechnologyandCNCmachinetools.Thisarticlemainlyintroducedtheteachingtypeofengravingandmillingmachineoveralldesign,transmissiondesign,thedesigncalculationofspindleparts,etc.Overalldesignforthemaintypeteachingengravingandmillingmachineareanalyzed,theoverallstructureofthelayout,designofmaindrivemotor,thefeedmovementdesign,etc.;Aboutthetransmissiondesignmainlyincludestheballscrew,bearing,coupling,suchasguideanalysisanddesign.

KeywordsTeachMachinetooldesignSteppermotor

目录

1绪论1

1.1课题简介1

1.2雕铣机发展及现状1

1.3主要参数设定2

2总体方案设计3

2.1机床总体布局设计3

2.2方案分析3

2.3主传动运动设计4

2.3.1主轴传动的基本方式4

2.3.2各传动方式比较选择4

2.4进给运动设计4

2.4.1进给的基本方式4

2.4.2各方式比较选择5

3主要部件设计计算6

3.1主轴系统重力计算6

3.2铣削力计算6

3.3滚珠丝杆的设计7

3.3.1滚珠丝杆设计分析7

3.3.2制动装置分析7

3.3.2滚珠丝杆设计计算8

3.4轴承的选择13

3.4.1轴承设计分析13

3.4.2轴承选择计算14

3.5联轴器分析14

3.6导轨分析14

3.7电机设计15

3.7.1电机设计分析15

3.7.2主轴电机选择15

3.7.3进给电机的选择及计算15

4电气部分设计20

4.1控制系统总体设计20

4.1.1控制系统选择20

4.1.2控制结构选择20

4.2硬件接口选择21

4.3运动控制卡21

结论23

致谢24

参考文献25

1绪论

1.1课题简介

众所周知现代制造业对国家的综合实力有着举足若重的影响，例如一些矿业、军工、轻工业等，并且其影响随着制造业向高速化、智能化、网络化等方向前进而不断加剧。

而现代制造业产生源之于数控技术，或者说没有数控技术就没有现代制造业，它集成了众多的高新科技，如微机、微电子等，使传统的制造业发生的跨越性变革，掀开了工业的新纪元。

数控技术使制造工厂加工产品从二维走向三维，从人工步入全自动化加工，实现了立体化与自动化。

并且，数控技术以机床连接PC端，充分利用计算机高性能，进行工件建模以及各类参数的分析换算验证，从而解决了机床硬件落后与快速更新换代的软件的困局。

综上所述，数控技术重要性已十分明显了，作为一门专业独立的重要学科，其相关内容的学习，更是需要现场观摩学习来达到最佳效果。

故而在教学中机床的加工过程操作演示等观摩教学环节显得十分必要，但视频图像等资料看起来缺乏立体感、代入感，而把那些笨重高大的数控机床搬入课堂显然也不够现实。

而将专门用于教学演示的数控机床引入教室却是非常好的创意。

利用示教技术，引入一台示教型的机床，边教学，边演示不仅能提高学生学习的热情性，而且对数控机床的感知也将更容易深化。

因此，将示教型雕铣机引入数控技术课程的教学现场，具有较为典型的意义。

故本课题拟设计一款小型低廉的示教型雕铣机。

1.2雕铣机发展及现状

数控雕铣机是一种对应传统雕刻机的机床（雕刻机主要用于加工各类板材、木材等）按加工的形式划分的话，数控雕铣机也可以算作数控铣床的一个分支。

由于雕刻机的特点在于雕刻，而且加工材料硬度比较大也显得无能为力，且国内大多数厂家无力购买数控中心等价格昂贵的数控设备，故而雕铣机应运而生。

数控雕铣机作为一种新型数控加工机床，它的诞生，不仅弥补了国内许多厂家没有做够的资金更新换代机床的问题提供了一款较为便宜的机型，而且克服了数控雕刻机只能雕刻材料而无法进行铣削加工难关，为产品提供了加工新思路，提高了加工效率。

雕铣机既可以雕刻，也可铣削，通过PC可以设定控制二者之间的转换，也是一般数控加工刀具，无需额外定制。

雕铣机实在数控雕刻机的基础上进行改进得来的，它加大了主轴等部件的参数，使其加工时能保持主轴的高速，并且机床的强度也得以加强，然而其精度却不曾下降。

雕铣机行业是在2000年左右在国内兴起的，经过多年的不懈发展，目前该机型已成为机床工业的重要分支。

当前，雕铣机生产主要集中于浙江、北京、广东三地，由于众多的轻工业厂家、科技公司等多落户于此使其产销十分迅猛。

通过多年发展，工艺礼品等方面的使用也不断增多，根据数据显示到2007年我国雕铣机产销量已打破10000台，其标志着数控雕铣机在国内进入迅猛的成长期。

在这之后的三年，其应用领域更是得以扩宽，不仅在原来模具、五金零件等行业的需求量大幅提升，而且随着国内电子消费产品购买力的急剧爆发，例如平板电脑机以及其他智能终端等，数控雕铣机的在国内的各地小作坊、工厂也曾爆发式的呈现，到2010年国内数控雕铣机产量已接近2007年的4.5倍。

截止2012年，国内数控雕铣机仅北京一家公司的产量就已突破8千台,可以想象得出未来数控雕铣机的发展还将十分以一种恐怖的速度前行。

有专业人士预估到2105年，其全国产量可能翻几番，达到一个史无前例的数值

。

1.3主要参数设定

示教型雕铣机是一种可以不仅引入教学课堂观摩教学，而且可以尝试现场操作练习的数控机床。

通过小型的示教雕铣机，模拟雕铣机简单的加工运动，使抽象的机床加工具体化，便于学生的学习和理解，提高教学效果。

其主要特点如下：

（1）可进行比较细小的材料原件的加工，加工精度高这是其最基本特点。

（2）相比于加工中心等数控设备，其体积较小，占用空间少可以满足教学人员搬运机床至教学地点的要求。

（3）各类操作集成于PLC上，操作便捷，效率高。

（4）为了保证操作人员及观摩人员的安全，设置各种限位开关来保证示教型雕铣机的安全工作。

根据示教性的特点，初拟定示教型雕铣机的大致参数，详见表1-1。

表1-1主要技术参数

名称

参数

电机最大转速

3000r/min

最大刀具

φ6mm

最大进给速度

5m/min

外形尺寸x、y、z

600×400×500

工作台尺寸x、y

278×180

最大行程x、y、z

150×200×50

定位精度

±0.1mm

重复定位精度

±0.05mm

机器联动数

3

2总体方案设计

2.1机床总体布局设计

数控雕铣机作为一款高效、多功能的加工设备，其既要满足雕刻加工时所需的高转速要求，同时又要满足铣削加工时的低转速、高功率的输出要求。

数控机床的机械结构一般都分为移动部分与非移动部分，对于示教型雕铣机而言，移动部分要轻质灵活，满足加工时动作更轻巧方便不至于大功率输出时切削进给还在慢慢递进，而非移动部分的唯一要求就是强度要好刚性要好，不至于加工时不稳定随时可能出现散架的情况，故而设计机械结构设计的合理适用十分必要。

目前市场上数控雕铣机一般主要以龙门式的结构为主，而龙门式又分为定梁式和动梁式这两类。

定梁式雕铣机刀具作X和Z方向的移动，工作台作Y方向移动，这种方式其结构优点是制作容易，结构稳定，但由于工件随工作台一起移动，可能出现加工的工件太重而工作台难以移动的情况。

动梁式雕铣机工作台做X和Y方向的移动，刀具只作Z方向的移动，这种方式的结构在制作上也简单，但稳定性相较差一些。

考虑到本次设计的示教型雕铣机主要用于教学示范，加工的工件质量较小，且要求体积、质量较小，故而选择动梁式的结构。

其结构简图如图2-1。

图2-1机床结构简图

2.2方案分析

本设计中，示教型雕铣机拟选用立式结构，类似于动梁式结构，该结构整体上具有良好的对称性及刚性，外观的对称也较美观，且体积上较卧式机床小。

由于工作台处于水平面内，工件的不管进行安装定位还是进行调节位置都较为简便。

工作台的移动支撑都依靠导轨执行，移动平稳且导轨具有良好的刚性。

考虑到不良力矩等问题，可以采用较宽大的立柱及横梁，或者同时适当增加X、Y两向的两根直线导轨之间的跨距等措施，来改变系统整体的重心等属性从而改善刚性。

导轨和丝杆在设计时应尽量加粗加大一些，既可以克服快速移动时产生的强大冲击力，又可以保证机床能稳定的进行作业。

2.3主传动运动设计

2.3.1主轴传动的基本方式

数控机床主轴传动的选择主要考虑转速、转矩、传动的平稳、结构紧凑及装拆维修方便等进行选择。

在机床上实现主轴传动主要方式有：

（1）带传动；

（2）齿轮传动；

（3）电机直接驱动。

2.3.2各传动方式比较选择

（1）带传动

该结构优势在于结构简单，使用维护方便，发生过载现象时，带会在带轮上打滑，避免损坏其它零件，起到过载保护作用，运行时平稳且噪音振动较小。

不足之处不能保证准确传动比、传动中存在弹性滑动传动效率较低、使用寿命较短。

（2）齿轮传动

具有工作可靠、效率高、传动比精确、速度调节范围大等特点，但是齿轮传动会产生噪声、传动平稳上相比较其他类型较差

。

（3）电动机直接驱动

该方式就是直接采用直流电机驱动主轴机构，这种设置具有结构紧凑、噪声低、响应快、调速范围广等优点。

不足之处在于散热

。

在电气技术不断发展完善以及高精度加工要求的背景下，通过比较三种传动方式，显然电动机直接驱动的传动方式更符合数控机床。

无论是间接通过带或者齿轮，在高速加工时不可避免的要产生振动等现象，其势必会影响加工精度、表面粗糙度，而且产生的噪音也会恶化工作环境，不利于操作者的长久作业。

而电机直接驱动不仅提保证了加工时转速的能方便进行线性调节，而且反应较快。

2.4进给运动设计

2.4.1进给的基本方式

在数控机床上实现进给主要方式有：

（1）通过通过齿轮、齿条副，实现电机的旋转运动转变为直线运动；

（2）直接使用直线电动机实现驱动；

（3）通过丝杆螺母副，实现电机的旋转运动转变为直线运动。

2.4.2各方式比较选择

（1）齿轮齿条副

齿轮齿条，承载力大，理论上可进行无限长度对接延续，传动速度可以很高，适合大距离的传递。

缺点也十分明显，如安装不准确传动产生较大的噪音，磨损也将大幅加剧。

其将旋转运动转变为直线运动，但是，这样的机构也可以进行反向驱动，也就是说齿条可以方向做直线运动来带动齿轮进行旋转，因此齿轮齿条机构需要外加锁紧装置，即齿轮齿条机构不能自锁

。

（2）直线电动机驱动

采用该方式，可以直接驱动实现直线运动，因此，它大大简化了进给系统，提高传动效率，并且跳过螺母副及齿轮齿条等转换机构，降低了这些环节对传动精度、平稳性等的影响。

但由于这类电机启动受电压影响较大，故对驱动器要求较高，要采取措施或者改变电机相关特性来保证或者消除这种影响。

（3）滚珠丝杆螺母副

滚珠丝杆螺母副主要由丝杆、螺母、滚珠等部分组成，其具有传动无间隙、平稳、高精度等特点。

但Z向进给中不能自锁。

根据经济性及示教型雕铣机的适用性，通过比较选择滚珠丝杆螺母副。

3主要部件设计计算

4电气部分设计

4.1控制系统总体设计

4.1.1控制系统选择

在当今的数控系统中主流方式有单片机控制系统、专用控制系统、PLC控制系统以及PC+运动控制卡控制系统这四类，选择控制类型时考虑到示教型雕铣机的教学性以及可持续性，故本设计数控系统拟选用PC+运动控制卡这种类型

。

该类型节省了整体空间和降低了成本，而且随着PC技术的不断发展，该系统可以通过提升PC性能来提升控制系统整体性能从而加工更为复杂的零件，从而避免了频繁跟新换代控制系统的麻烦。

值得一提的是，随着PC平台的开放式发展，信息交互量也将大幅加大，封闭的单片机控制系统等也将慢慢无法适应数控加工的新要求，PC+运动控制卡控制系统必将成为替代其他方式，当然前提是没有其他新类型出现。

4.1.2控制结构选择

数控系统的结构出于技术保密和降低成本等种种因素，以前无论是国内还是国外各大厂家自行设计的数控系统采用的均是封闭式的体系结构，导致各厂的体系都是各成体系分割市场，十分不便于交流与合作，严重阻碍了技术进步。

但随着各地区交流合作的日益加强与新加工要求的出现，传统的数控系统结构实在无法满足发展需求，故而不得不出现开放式的数控结构，来打破了封闭的壁垒。

该结构基于PC平台，能便利的进行交互，信息吞吐量大，适用性强。

其类型主要有三类。

（1）NC嵌入PC型结构。

这类结构是将运动控制面板插入通用的PC扩展槽，其不足之处在于运动控制面板的相对封闭性，使其无法实现通用化，伺服控制和运动控制依赖专门的运动控制卡。

（2）全软件型结构。

这类结构中PC发挥主要功能，其软件承当了数控系统的大部分功能，并通过PC的扩展接口控制系统整个伺服运动，依赖性非常强。

（3）专用数控复合型结构。

该结构为将PC作为一个部分嵌入数控系统中，内部用一条总线连接，形成一个一个并列的处理中心。

这类结构既能保持了PC正常性能的发挥，又具有实现原有数控系统反应快捷的特点，但相对应的缺陷是造价高昂，且由于两个处理中心可能互相牵制使其不能充分发挥PC内在潜力。

比较下三者的特性，第三种虽然性能优良但制造水平较高，且造价高昂不适应与示教型的数控系统；第二种结构类型主要用于开发研究新系统，对于本设计的示教型雕铣机而言并不合适。

而第一种结构类型通过购买相应的运动控制卡与一台普通配置的PC即可实现，虽然这种类型结构使用的运动控制卡有一定的封闭性，但相较而言市场上这类运动控制卡较为普遍，价格也比较低，十分适合示教类机床使用。

不仅如此，这类也完全保留了PC的强大功能，可以互联网络共享PC资源，充分发挥整体性能。

故本设计系统拟采用NC嵌入PC式结构，不仅其结构稳定，并充分发结合了软件功能与执行机构，极大地提高了控制系统的性价比与性能。

运动控制卡通过PCI总线连接PC内部，其主要功能是调节控制步进电机的速度从而实现工作的运动，响应感应器信号反馈个PC进行下一步操作，接收来自于PC计算分析刀具补偿的数据从而指挥执行机构运动等。

其总体结构如图4-1。

图4-1控制结构图

4.2硬件接口选择

本部分设计主要用于控制工作台进给步进电机的正常工作，通过接收反馈各种感应器信号，控制工作台的启、停。

硬件接口开发的有两种方式

：

一条是在现有的计算机设备上进行简单改造已有的标准接口卡，另一种是自己开发设计一种标准的接口卡。

由于第二者方法需要自己设计控制电路等，工作量大且需要专业性强不说，单其使用时还需额外占用计算机的扩展槽，故不采用。

而第一种方法不但设计简单，工作量小，成本较低，符合示教型设计的原则，而且节省空间不占用计算机扩展槽，故而本设计采用计算机的并口进行二者的通讯。

4.3运动控制卡

运动控制卡作为整个控制系统的中枢，其品质的好对系统能否及时响应处理信号有着巨大的影响。

通过网络搜寻，运动控制卡种类十分繁多，最终本着经济适用的原则，选择国内深证雷奥公司的经济型运动控制卡，其型号为DMC1000B。

该控制卡是能实现一种1至4轴步进电机控制，而且编程简易，集成度高。

而且也可以以这个运动控制卡为平台，利用编程开发工具进行开发多轴控制系统。

结论

本文设计的示教型雕铣机以经济性、适用性、示教的原则构思与设计，使设计的机床能更好的展现其数控加工特色，便于教学演示。

设计主要针对机床整体布局、传动设计、主要部件选择计算进行。

机床整体布局选择了立式的结构，主传动类型为电机直接驱动，进给传动类型为滚珠丝杠传动。

传动设计部分选择确立了丝杆、轴承、导轨以及电机的型号。

选择的步进电机、滚珠丝杆副、导轨等在满足基本使用要求的前提下，尽量选择通用件，使成本较为低廉的。

电气部分执行机构与PC的通过控制部分连接，接收放大PC端的信号，准确的传递给执行机构，使整体的工作能稳定、高效的进行。

开放式的NC嵌入PC型结构，使示教型雕铣机的控制设计更符合数控发展，有利于以后的升级或改造。

致谢

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