小型数控雕刻机结构设计与实现

　　（北京信息职业技术学院机电系北京100016）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。

　　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雕刻机设计参数位精度为0.05mm；重复定位精度为0.025mm；主轴最高转速为24000r/min；最大进给速度为3m/min，传动系统X、7、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，如所示。外形尺寸（长X宽X高）约为680mmX580mmX470mm，主要结构有底座、工作台、龙门架、X向进给电动机、F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、7、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，如所示。

　　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。

　　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）米用水冷父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，其结构如所示。

　　指令控制交流主轴输入系统电机，组件主运动系统组成原理。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、热稳定性及精度的保持性。

　　雕刻机的主轴组件部分，如所示，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。

　　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。

　　进给系统的组成如所示。

　　3.2进给系统的结构Z轴（垂直）进给系统的结构，如所示。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60mm. 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。

　　主轴电机及连接板与导轨贴塑板间的摩擦最大走刀抗力（与运动方向相反）为80N（同类机床数据）；（与导轨垂直）为140 N（同类机床数据）；=200mm/min（同类机床数据）；脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动后移动的距离=0.01mm/p（输入一个指令脉冲主轴电机位置移动0.01mm）；三相六拍运行时，步距角=0.9°，其每转的脉冲数S为：步进电动机与滚珠丝杆间的传动比/为：空载时的摩擦转矩，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3.175mm.雕刻机丝杜米用两端轴向固定，用一对型号为6900Z深沟球轴承（内径10mm，外径22mm，厚度6mm）。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加工时的负载转矩为：等效转动惯量计算滚珠丝杆的转动惯量人为：4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，如所示。

　　主轴电机组的运动惯量人为：换算到电动机轴上的总转动惯量l为：加工时，电动机总转动惯量为=6.26104蜂。1，负载转矩为0.036Nm，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。

　　惯量=0.3kgm2.其余参数如下：步距角1.8.，相电压3.6V，相电流2A，相电阻1.80，相电感2.5mH，引线数6，定位力矩0.4kgcm，质量0.7kg. 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SB6.5X825X30.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、F轴进给系统与Z轴结构类似，X轴进给长度约为380mm，F轴进给长度约为490mm.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。

　　5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：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；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；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。