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1、 引 言从基本结构的工作原理而言，雕铣机是数控钻铣组合机床，但由于其应用目标是“雕刻”，因而其机床结构、雕刻加工工艺及雕刻CAD/CAM软件的功能与面向传统工业制造行业的数控铣床都有很大的差异，“CNC雕铣”是一项独特的新型数控加工技术。（1）使用小刀具进行精细雕刻CNC雕刻对象的特点是图案复杂、细节丰富、造型奇特、成品精细，如果要实现这样的加工要求，则必须使用小尺寸的刀具作为基本加工刀具，在很多情况下，雕刻刀具的刀尖直径不足0.5毫米甚至0.1毫米以下。使用小刀具进行精细雕刻是CNC雕铣的一个最基本的特征，CNC雕铣系统的所有其他特点都围绕这个基本的特点的要求而产生。（2）使用高速精密电主轴
2、由于CNC雕铣使用小尺寸的刀具进行加工，加工中为保证刀具的切削线速度和切削能力，势必要提高刀具的旋转速度，使用具有高转速能力的电主轴，除高速特性外，还要求电主轴非常精密，经保持较高的旋转精度和较强的轴系刚性，减少震动和跳动，降低小刀具雕刻的断刀概率，提高加工精度。（3）轻型精密的机床结构CNC雕铣适合于小工件、小加工量并能满足一定加工精度要求的轻型加工，所以雕铣机的整体结构较为精巧，具有较强的刚性和齐全的配置：在导轨、防护、冷却等多个部件和结构上均进行了特殊设计和处理。（4）高效平稳的控制系统CNC雕铣机采用了先进的HNAC数控系统，机床运动高速平稳，分辩率高，性能稳定。该系统为CAD/CAM
3、 提供接口，可支持多种CAD/CAM软件。根据小刀具雕刻的基本特点，并结合当前制造业先进的高速铣削（HSM）概念，提出了小刀具高速雕刻思想，主要目标是提高雕刻效率和雕刻精度，减少小刀具的磨损率，在实际加工中的表现为“高转速、快进给、小进给、匀切削、稳切削、高效率”。此项技术是一项整体的系统技术，其实现除了要求雕铣机具有高性能的硬件支持外，更需要CNC雕铣系统的其他组成部分的协同配合。CNC雕铣机从加工原理上讲是一种钻铣加工，同其它机加工手段一样存在着特有的长处和天生的短处！若CNC雕铣对象选择正确，工艺使用合理，CNC雕铣可以成为赚钱的职业！若CNC雕铣入错了行，陷入弱势， CNC雕铣就会“勉
4、为其难”，投资者的回报将会很低。CNC雕铣特有的专业优势为：“小刀具的快速铣削”，擅长做“常规大刀具无法加工的业务”。目前，在下述行业中CNC雕铣方式用得较为得心应手：模具雕刻业和广告雕刻业。（1）模具行业-小刀具独领风骚CNC雕铣在工业领域中应用最广泛的是模具业，在模具生产过程中CNC雕铣不是主要加工方式和生产手段，但其作用却非同一般，可谓是“画龙点睛”，这是由雕刻对象的“图案、文字和复杂的曲面”特点所决定，当前CNC雕铣在模具雕刻领域主要的业务为：1)紫铜和石墨电极加工2)五金冲模和精密冲头加工3)鞋材模具和鞋底模型加工5)钟表零件加工和轻型CNC加工6)压花（皮纹、花纹）辊轮和圆柱体工件
5、雕刻7)首板（手板、样板）模型加工（2）广告雕刻-精雕细刻、力求创意CNC雕刻在广告主要应用于沙盘模型、广告标牌和文字标志的制作，这些业务在雕刻工艺上相对简单，关键是在效果表现上，而且主要突出的是“精雕细刻和求新创异”。由于本次设计任务是设计X向进给机构，所以，其主要的研究方向便是如何进给，即丝杠的计算与选型、丝杠支撑方式和轴承的选型以及电动机的计算与选型。影响运动稳定和定位精度的关键部件就是丝杠和电动机，因此，本次毕业设计针对丝杠与电动机的选型与计算部分较为详细。第一章主要介绍了CNC雕铣机的组成。第二章阐述了DX雕铣机控制方式的选择和X向进给机构方案确定，这部分是对本次设计的总体控制方式和
6、传动方式的方案说明。经过对几种方案的比较，最后决定采用开环控制方式和滚珠丝杠螺母副传动方式。本章还给出了本次设计的主要技术参数，这些数据都来自设计任务书，由于本人只需设计X向进给机构，故并没有完全使用以上数据。有些数据后面的设计计算用到了，但是任务书未给，本人就结合文献、资料以及指导老师和工程师的指导做了假定。这一点，我在此先做说明。第三章是本论文的一个重点部分，内容是滚珠丝杠螺母副的计算与选型。在3.1和3.2中分别介绍了滚珠丝杠副的特点及工作原理。之后，在3.3中分别从丝杠最大动载荷、滚珠丝杠螺母副的选型、传动效率、刚度、稳定性五个方面来计算、选择和校核滚珠丝杠副，使其保证达到预定要求。第
7、四章内容是丝杠轴承的计算与选型。通过查阅一些资料和网页，了解到滚珠丝杠副的支承方式主要有四种，便一一列出并作了简要说明。最后选择了一端固定一端简支的方式。根据丝杠被支承部分的直径选取了轴承型号，并做了简单计算。第五章内容是电动机的计算与选型，这又是一个重点部分。本次设计动力采用步进电动机。在5.1中，我先说明了步进电动机的性能特点，这也就是选用步进电动机的原因。在5.2中，根据资料，对电动机型号进行了初选。之后又在5.3中进行了校核计算。第六章对联轴器进行了计算与选型。第一章 CNC雕铣机介绍1.1 CNC雕铣机的组成雕刻用户最终能够高效地完成实际产品雕刻制作，必须有一个完整的实用CNC雕铣系
8、统作为支持。CNC雕铣系统从功能上主要由两个相对独立的部分组成。（1）雕铣CAD/CAM软件-用于雕刻产品的图文设计、形体造型以及计算雕铣产品的加工刀具路径数据，输出可由CNC雕铣机识别、解释并最终完成产品雕刻加工的NC代码。CNC雕铣机数控系统可被UG、proE、MasterCAM、CAXA等多种CAD/CAM软件支持，用户可根据自己熟悉的CAD/CAM软件选用。（2）CNC雕铣设备-即通常据说的CNC雕铣机，是CNC雕铣机的具体实现部分，可以解释由雕铣CAD/CAM软件输出的NC加工代码，执行加工代码所描述的各种复杂加工动作，完成雕铣产品的加工。 CNC雕铣机主要由雕铣机床、电控柜、数控系
9、统三个基本部分组成，如下图1-1所示。 图1-1 DX4050雕铣机的基本组成部分数控系统 - 处理解释雕铣CAD/CAM软件生成的NC代码，发出加工控制指令，指挥雕铣机进行各种复杂的加工动作，完成雕铣产品的加工。 电控柜 - 雕铣机的驱动和信号检测部分，根据数控系统发送的控制的控制指令连接驱动雕铣机本体产生机械运动，并对雕铣机的各种状态进行检测、反馈给数控系统进行识别和处理。雕铣机床 - 雕铣机的机械设备部分，通过它完成雕刻、铣削、切割和钻孔等各种加工方式的机械加工。1.2 DX4050雕铣机的床体结构DX4050雕铣机床体正面外观部件图如图1-2所示。 图1-2 DX4050雕铣机床体正面
10、外观部件图各部件的说明如下:（1）地脚：机床底座下面有四个地脚，在安装调试机床时，必须调整地脚把机床床体调平，使工作台处在水平面上。（2）工作台：其由X轴滚珠丝杠及直线导轨驱动，其上有T型槽，可以安装台钳进行装卡、定位。（3）电主轴：电主轴可高速旋转，带动刀具进行雕刻。（4）Y轴防护罩：防止灰尘或雕刻碎末进入横梁内。（5）照明开关：使用照明灯时，按下此开关即可。（6）冷却液管：冷却液管下端是可变方向油嘴，使用冷却液时要把油嘴对准刀具，使冷却液沿刀柄流下。DX4050雕铣机床体内部结构简图见图1-3。 图1-3 雕铣机床体内部结构简图各部件的说明如下：(1)直线导轨：机床的三个方向运动全部采用直
11、线导轨，充分保证了机床的刚性和机床的运动速度。（2）联轴器：步进电机与滚珠丝杠的联接部件，保证了步进电机与滚珠丝杠的同步运转。(3)机床电机：机床的三个方向运动均采用步进电动机，与数控系统配套采购，是机床的动力保证。(4)X轴接近开关：即限位开关，遇到撞块后，电路断开，正常运动时为通路。(5)X轴开关撞块：撞块有两个，限制X轴方向的最大行程。(6)滚珠丝杠：机床三个方向的运动均采用滚珠丝杠进行带动，是影响机床精度的重要部件。(7)立柱：横梁的下面，左右各一。(8)横梁：在立柱上面，其上有Y轴的直线导轨和驱动部分，电主轴沿横梁左右运动。(9)Y轴接近开关：作用同X轴接近开关。(10)Y轴开关撞块
12、：作用同X轴开关撞块。(11)Z轴接近开关：作用同X轴接近开关。(12)Z轴开关撞块：作用同X轴开关撞块。(13)刀具夹头：装卡刀具的地方，不同的电主轴卡头不同，但是上刀具时，一定要按规范进行上刀和卸刀，要检查刀具是否被卡紧。 第二章 DX雕铣机控制方式的选择和X向进给机构方案确定2.1 DX雕铣机控制方式的选择 由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。1）开环控制系统：这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图2-1所
13、示，这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号，因此称之为开环控制系统（又称为步进式伺服驱动系统）。开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。图2-1 开环控制系统示意图2）闭环控制系统：这种控制系统绝大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路。如图2-2所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试
14、较复杂，而且设备的成本高。图2-2 闭环控制系统示意图3）半闭环控制系统：比较电路,与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作。这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链零件的误差，因此称之为半闭环控制系统。半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。图 2-3半闭环控制系统综上所述，由于DX4050雕铣机X向进给机构需要较为精确的定位和平稳的运动，而且该机床是一种小型钻铣加工设备，不需要太复杂的控制装置，同时要尽量降低成本，并减少设备调试的工作量，所以本次设计采用开环控制系统。步进式伺服驱动系统是一个开环系
15、统，在此系统中，步进电机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均会影响到系统的工作精度。要提高系统的工作精度，应从这几个方面考虑：如改善步进电机的性能，减少步距角；采用精密传动副，减少传动链中传动间隙等。但这些因素往往由于结构和工艺的关系而受到一定的限制。为此，需要从控制方法上采取一些措施，弥补其不足。（1）细分线路所谓细分线路，是把步进电机的一步再分得细一些。如十细分线路，将原来输入一个进给脉冲步进电机走一步变为输入10个脉冲才走一步。换句话说，采用十细分线路后，在进给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的。若无细分，定子绕组的电流是由零跃升到额定值的，相应的角位移如图2-4（a）所示。采用细分后，定子绕组的电流要经过若干小步的变化，才能达到额定值，相应的角位移如图2-4 (b)所示。图2-4 细分前后一步角位移波形图（a） 无细分 （b） 细分后（2）齿隙补偿齿隙补偿又称反向间隙补偿。机械传动链在改变转向时，由于齿隙的存在，会引起步进电机的空走，而无工作台的实际移动。在开环伺服系统中，这种齿隙误差对于机床加工精度具有很大的影响，必须加以补偿。齿隙补偿的原理
