小型数控雕刻机结构设计与实现

3.14 (0.016)4 0.175 7.85 103 32
＝8.8×1ຫໍສະໝຸດ Baidu-6 Kg·m2 主轴电机组的运动惯量 Jw 为：
w l 4.0 0.005 Jw＝ g π 9.8 3.1416
2
2
＝1.035×10-5 Kg·m2 换算到电动机轴上的总转动惯量 JL 为： JL＝
目 前 ， 雕 刻 机 在 实 际 应用 中 可 以 对 有 机 玻 璃、石材、铜、铝、木材等材料进行文字、图形的 雕刻加工。用传统的数控铣床对其进行加工，不仅 加工精度得不到保障，而且加工效率低，设备和电 力的损耗也较大。为了改变这种情况，精心设计了 一种小型数控雕刻机。该数控雕刻机不仅能够满足 教学上的使 用，提 高学 生对数控机 床的理 解和 认识，而且造价大大低于传统数控铣床。 1 系统总体设计方案 1.1 雕刻机设计目的 设计目的就是提供一种低价、高效和实用的数 控雕刻系统的解决方案。该装置可在 PCB 板上完 成文字、图案的雕刻加工，例如：胸牌、铭牌、徽章 等的雕刻。 设计的宗旨除了要满足 PCB 板材料的雕 刻加工需求外，还将作为教学载体，满足教学项目 的要求。 1.2 雕刻机设计参数 雕刻机有效行程为 280 mm×380 mm×70 mm；定 位精度为 0.05 mm；重复定位精度为 0.025 mm；主轴最 高转速为 24 000 r／min；最大进给速度为 3 m／min， 传动系统X、Y、Z 轴均采用步进电机驱动。 1.3 机床的总体布局 考虑到降低雕刻机的制造成本，采用了结构简 单且刚性较好的龙门移动式布局， 如图1所示。 外形 尺寸 （长×宽×高） 约为 680 mm×580 mm×470 mm， 主要结构有底座、工作台、龙门架、X向进给电动 机、Y向进给电动机、Z向进给电动机、主轴电动机、雕 刻机机身及电气系统部分组成。雕刻机在工作时，先
及精度的保持性。
雕刻机的主轴组件部分，如图 5 所示，通过 Z 向 滑块固定在 Z 向丝杠的支架上，采用上述交流电机带 动主轴机构。
Z 向进给电机 联轴器 定位螺母 Z 向滚珠丝杠副 Z 向滑块 刀具锁紧螺母 导向光杠 轴承（型号为 6900Z） 下支板 支架
主轴电机
图5
主轴组件结构
电源插头 D3 D2 D
L1
L
图3
水冷主轴电动机结构示意图
选用水冷交流异步电动机作为雕刻机的主轴 电机，具有结构简单、经济可靠、转速高、易于维 护等优点，可以满足雕刻机转速高、精度高以及价 格低的要求。 主运动系统的组成原理如图 4 所示。
3 雕刻机的进给驱动系统 3.1 雕刻机的进给运动系统方案 雕刻机的进给运动系统通过接收控制系统发 出的进给速度和位移指令信号（由驱动电路作转换 和放大后） ， 经驱动装置和机械传动机构， 驱动雕刻 机的龙门架、加工电动机主轴固定架等执行部件实 现工作进给和快速运动。 雕刻机进给运动的驱动系统可以用步进电机 系统或者是交流伺服系统（原则上“伺服系统”不 包括步进驱动） 。考虑到是雕刻 PCB 板，对精度和 速度的要求并不严格，因此在方案选择上选用了步 进电机系统作为驱动系统。雕刻机的进给传动采用 步进电机驱动丝杠副，通过弹性联轴器和滚珠丝杠 副的连接， （丝杠的一端采用单只深沟球轴承支撑，另
uwl 0.06 40 0.005 2π si 2 3.14 0.8 1.25
＝0.002 N·m 加工时的负载转矩 TL 为： TL＝
FZ u ( w FY )i
2 π s i
＝
80 0.06 (40 140) 0.005
2 3.1416 0.8 1.25
＝0.036 N·m
32
蔺丽莉 等 小型数控雕刻机结构设计与实现
等效转动惯量计算 滚珠丝杆的转动惯量 Js 为：
4
πd04 LP Js＝ 32
＝
机械结构的参数化建模与简化 在传统机械设计方法的基础上，数控雕刻机系 统采用了 Inventor 软件对部分零部件进行了参数化 设计及虚拟装配，这样可以很方便地根据优化结果 对模型进行修改，如图 8 所示。
将加工对象固定在工作台上，选择合适的刀具装夹 在电主轴上，能够实现X、Y、Z 轴3个方向进给运动 由可编程序控制器实现自动控制，来完成工件的自 动加工，其工作原理，如图2所示。
Y向 进 给 电动机 Z 向 进 给 电动机 主轴 电动机 机头
X向 进 给 电 动 机 龙门架 工作台 底座
立柱
图1
雕刻软件
精密制造与自动化
2012 年第 2 期
小型数控雕刻机结构设计与实现
蔺丽莉 李 晶 李祥文
(北京信息职业技术学院机电系 北京 100016)
摘 要 现有的数控雕刻设备由于体积大、价格昂贵、专业性强、不便于功能扩展等原因，无法满足市场的需
要。针对不同的应用领域，介绍了一种低价、高效和实用的数控雕刻系统的设计方案。并对结构简单、加工精度 较高、成本低廉的小型数控雕刻机进行了分析。系统地介绍了小型数控雕刻机的总体布局、主运动传动系统、主 轴结构、进给运动系统等主要机械结构设计。与当前国内外同性能的数控雕刻机相比，在价格上具有一定 优势，填补了企业产品的空白，满足了市场的需求。 关键词 雕刻机 主运动 主轴 进给运动
n－Фd 冷却水
指令 输入
控制 系统 图4
交流 电机 主运动系统组成原理图
主轴 组件
系 统
2.2 雕刻机的主轴结构 2.2.1 主传动系统组件
主轴组件是雕刻机的执行件。它的功用是支承并 带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力 等载荷，完成表面的成形运动。主轴组件由主轴电机 和支架及其安装在主轴上的传动件、密封件等组成，要 求有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性
结语 小型数控雕刻机的机械部分设计内容包括总体 布局、主运动传动系统、主轴结构和进给运动系统 设计。这些结构经过设计参数的优化以后，可以实 现低价、高效和实用的目的，具有以下优点： (1)总体设计采用了龙门架布局结构， 加工精度、 生 产效率和自动化程度高，结构简单、紧凑，具有较好 的综合特性； (2)机床主轴采用了水冷交流异步电动机直接驱 动，具有结构简单、经济可靠、旋转速度高和维护 方便的特点； (3)机床进给系统采用了步进电机的开环控制,可 以满足定位精度的要求,系统稳定性较好,制造成本 较低,调试维修方便。
Js Jw L2
图 8 数控雕刻机设计及虚拟装配图
＝
8.8 106 1.035 105 0.1752
5
＝6.26×10-4 Kg·m2 加工时，电动机总转动惯量为 JL=6.26×10-4 Kg·m2，负 载转矩为 0.036 N·m，根据这个要求，并考虑当前市 场上小型雕刻机常用的步进电机类型，选用 57BYGH6620 型步进电动机。 该电动机的静力矩 T max=12.6 Kg·cm，转动 惯量 Jm=0.3 kg·m2。其余参数如下：步距角 1.8°，相 电压 3.6 V ，相电流 2 A ，相电阻 1.8 Ω ，相电感 2.5 mH，引线数 6，定位力矩 0.4 kg·cm，质量 0.7 kg。 3.4 联轴器选择 步进电机与滚珠丝杠采用联轴器直接连接的 形式。雕刻机的步进电机采用了十字沟槽刚性联轴 器，型号为 SB6.5×8―25×30。根据步进电机的轴 径和所设计的滚珠丝杠轴端直径大小而定，外形如 图 7 所示。这种联轴器的结构简单、易加工，能够 满足工作要求。 雕刻机的 X 轴、 Y 轴进给系统与 Z 轴结构类 似， X 轴进给长度约为 380 mm， Y 轴进给长度 约为 490 mm。考虑其受力情况，两系统光杠直径 大于 Z 向系统光轴直径，如步进电机、联轴器、滚 珠丝杠型号选择与 Z 向传动系统的选择相同。
移动部件 指令 输入 数 控 装 置 步 进 电 机 滚动导轨
滚珠丝杠传动
图6
进给系统的组成
3.2
进给系统的结构 Z 轴（垂直）进给系统的结构，如图 7 所示。步 进电机及固定支架部分为 Z 轴进给的主要部件，工 作台 Z 向行程为 60 mm。
Z 向进给电机 联轴器 定位螺母
Z 向滚珠丝杠副 导向光杠 轴承（型号为 6900Z） 下支板
360 ＝400 p/r 0.9
步进电动机与滚珠丝杆间的传动比 i 为：
图7 Z 向进给系统结构简图
i＝
l 5 1.25 s 0.01 400
空载时的摩擦转矩 TLF 为： 雕刻机选择了 SF1605 型内循环螺纹调整双 螺母滚珠丝杠副，其直径为 16 mm，导程为 5 mm，滚 珠直径为 3.175 mm。 雕刻机丝杠采用两端轴向固 定，用一对型号为 6900Z 深沟球轴承（内径 10 mm，外 径 22 mm， 厚度 6 mm） 。 选择这种轴承的原因是该结构 不但能够承受较高的径向力，而且还可以承受一定 的轴向力，并且在实际的装配中能够调整两个装配 孔的同轴度。 3.3 步进电机型号的选择 一般来说主要考虑电机力矩是否足够大， 能否 带 动 负 载 ，选 型 时一 般选 用 力 矩 比实 际 需要 大 TLF＝
雕刻机系统结构简图
驱动电机 Z 主轴电机 高速旋转
控制器 控制信号 驱动电机 旋转运动 导螺杆组 直线运动
变频器 高速旋转 主轴电机
驱动电机 Y
驱动电机 X 驱动电机 驱动装置 主轴变频器
X Y Z 轴的定位 控制装置
滑动件
图2
雕刻机系统工作原理图
在保证整个系统机械刚性的前提下，为了简化 设计的结构，减轻整机重量，缩短设计和制造的周 期，其主体框架采用铝合金及 Q235 碳素结构钢制
D1
31
精密制造与自动化 外一端则采用成对的深沟球轴承进行固定，可以保 证轴向能承受较大的分力和获得较高运动精度） ， 由 开环控制的步进电机来驱动进给系统。 进给系统的组成如图 6 所示。
2012 年第 2 期 50%～100%的电机，因为步进电机不能过负载运 行，哪怕是在瞬间，都会造成失步，严重时停转或 不规则地进行原地反复抖动。 各参数如下： (1)主轴电机及连接板重量 W＝40 N； (2)主轴电机及连接板与导轨贴塑板间的摩擦 因数 µ＝0.06； (3)最大走刀抗力 FZ （与运动方向相反） 为 80 N （参考同类机床数据） ； (4)最大主切削力 FY（与导轨垂直）为 140 N （参考同类机床数据） ； (5)主轴速 V1＝77 mm/min （参考同类机床数据） ； (6)刀具空行程速度 V2＝200 mm/min （参考同类机床数据） ； (7)滚珠丝杆导程 l＝5 mm； (8)滚珠丝杆节圆直径 d0＝16 mm； (9)丝杠总长 L＝175 mm； 脉冲当量： 一个指令脉冲使步进电动机驱动后 移动的距离＝0.01 mm/p （输入一个指令脉冲主轴电 机位置移动 0.01 mm） ； 初选相步进电动机的步距角为 0.9° /1.8° ，在 三相六拍运行时，步距角 σ =0.9° ，其每转的脉 冲数 S 为： S＝
30
蔺丽莉 等 小型数控雕刻机结构设计与实现
造，防护件也采用铝合金制造，使用标准的紧固件 和定位销连接。 2 雕刻机的主运动方案的确定 2.1 雕刻机的主运动方案讨论 主轴系统由主轴电动机、固定支架、刀具锁紧 螺母组成，与普通机床主传动系统相比结构简单。这 是由于加工对象范围小、负载轻，变速功能主要由 变速电动机来承担。雕刻机主传动为主轴的旋转运 动，主轴承承受的轴向载荷较大，径向载荷稍小，精 度要求较高。针对雕刻机的工作需求对于主轴电机 有以下两种选择。 1)采用高速直流电机 利用换向器来自动改变线圈中的电流方向，从 而使线圈受力方向一致且能连续旋转。该电机调速 性能好，可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的 无级调速，而且调速范围较宽；同时该电机启动、制 动转矩大，易于快速启动和停车。但由于该电机换 向的限制，其转速相对较低，并且与同容量、同转 速的交流电机相比，直流电机的造价高、体积大、重 量重、转动惯量大，维护检修不方便。 2)采用水冷交流异步电动机作为主轴电机 该电机采用变频器实现调速，结构简单、运 行可靠、价格低、过载能力强，并且安装、使用 和维护方便，适用于高速、精密加工，其结构如 图 3 所示。