精品小型雕刻机的机械部分设计.docx
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精品小型雕刻机的机械部分设计
小型雕刻机的机械部分设计
小型雕刻机的机械部分设计
一．机构的传动原理圈及说明
1.总体结构
现在市面上流行的小型雕刻机工作台主要有两种。
第一种如图1所示工作台只作Y方向的移动，而刀具作X方向和Z方向的移动。
第二种则如图2所示工作台作X,Y方向的移动，而刀具只作Z方向的移动。
结构1的优点是制作容易，结构稳定。
但由于工件随工作台移动，所以不能加工太重的工件，而且雕刻机尺寸不能太大。
结构2虽然制作也较容易，然而稳定性要比结构1差很多。
由于本次设计对机械部件结构的要求就是要小而轻便，加工工件的质量也是比较轻，因此选用结构1。
在该结构中，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制造，防护件用塑料件制造，用标准的紧固件和定位销连接。
图1
图2
2．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:
由步进电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（X或Y方向）的进给运动。
在X，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。
3．雕刻机主运动方案
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。
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。
由于直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。
故优先选用直流电机带动主轴机构的方案。
直流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。
二．元件的选择
1．滚珠丝杠副的选择
本设计采用深圳市赛瑞德精工机械技术有限公司提供的G系列滚珠丝杠副（滚珠内循环固定反向器单螺母）。
其具体性能指标如下表：
丝杠代号
公称直径
基本导程
丝杠外径
丝杠底径
循环圈数
d0
Ph
d1
d3
n
G2004-3
20
4
19.3
17.3
3
额定载荷N
刚度N/um
螺母安装尺寸
油杯口
动载荷C0
静载荷C0a
Kc
D
L
B
D1
D4
Φ1
Φ2
h
M
5836
16127
327
60
40
11
36
48
5.8
10
6
M6
X，Y,Z轴的丝杠精度等级为4，螺纹长度分别为为300mm，350mm，150mm。
丝杠总长分别为：
375mm,425mm,225mm。
滚珠丝杠副轴头尺寸如下：
丝杠公称直径d0
固定端轴径尺寸
支持端轴径尺寸
d1
M
d2
l1
l2
l3
d3
d4
l4
l5
l6
20
15
M15X1
12
20
41
12
15
14.3
14
12.1
1.15
固定端轴承型号
支持端轴承型号
7202
6201
2．步进电机的选择
（1）铣削力的计算
当进行一般切削时产生的铣削力最大，因此只需计算此时的铣削力进行校核即可。
取一般切削时：
铣削深度ap=1mm,进给速度Vf=1200mm/min,n=15000r/min。
根据经验公式计算铣削力：
F=42.76apVf0.75n-0.62=22.45N
（2）启动转矩的计算
对于4级精度的丝杠，η=0.85。
已知Ph=4mm,设丝杠上最大负载G为500N,静摩擦µ为0.2,根据经验公式计算启动力矩：
T=（F+µG）Ph/（2Лη）×10－3＝0.0918N·M
（3）步进电机的选择
根据所需转矩,结合所查资料决定采用杭州日升电气设备有限公司的57BYG250C步进电机作为本次设计所需的驱动电机。
该电机的外观：
技术参数如下：
型号
相数
相电流
步距角
保持转矩
空载起动频率
空载运行频率
转动惯量
重量
57BYG250C
2
1.5A
1.8°
1.0N.M
2KPPS
2020KPPS
0.23KG·CM²
1KG
外形尺寸如下：
其中L=76mm。
3．圆柱直线导轨的选择
选用浙江新亿特轴承有限公司的圆柱直线导轨（光轴）系列，其外观及结构如下图:
X,Y,Z三轴所需导轨长度分别为375mm,425mm,225mm。
4．联轴器的选择
选用广州菱科自动化设备有限公司的LK6系列联轴器YL1。
外观如下图：
其结构如下图
基本参数如下表（mm）：
规格
Ød1,Ød2
轴径
ØD
L
L1
F
E
性能参数
扭矩
偏心角度
最高转速
螺丝（M）
材料
LK6－25
6.35
12
25
34
12.3
4.5
15
1.7
N·M
2º
6000
r/min
M4
进口
专用
材料
5．主轴电机的选择
主轴电机选用安阳莱必泰机械有限公司的雕刻机电主轴。
其外观及结构图如下：
其参数如下表：
主轴型号Spindletype
转速Speed
（r/min）
电机 Motor
外形尺寸 Dimensions（mm）
变频器Conv
Kw
润滑Lub
冷却Cool
Bearingstype
KW
V
A
Hz
D
D1
D2
Jointofnose
L
L1
L2
ADX60-24Z/0.25
24000
0.25
220
1.2
400
60
55
-
ER11
162
6
23
0.5
grease
water
1×7002C/P4
1×7000C/P4
6．机械性能参数的计算
分辨率：
4/200=0.02（mm/step）
最高进给速度：
5000*4/200=100（mm/s）
机械精度：
16/300=0.053（mm）
三．总体效果图
以下是各轴执行机构安装效果图：
以下是一些成品的照片，本设计的工作台的最终形态基本上与这些成品相同。
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