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        滾珠絲桿 直線導軌 光軸 直線軸承運動單元在雕刻機的應用設計
        作者:廣州依納  發表時間:2013-03-04  點擊:106
        滾珠絲桿 直線導軌 光軸 直線軸承運動單元在雕刻機的應用設計 小型雕刻機的機械部分設計— 一. 機構的傳動原理圈及說明1. 總體結構現在市面上流行的小型雕刻機工作臺主要有兩種。第一種如圖1所示工作臺只作Y方向的移動,而刀具作X方向和Z方向的移動。第二種則如圖2所示工作臺作X,Y方向的移動,而刀具只作Z方向的移動。結構1的優點是制作容易,結構穩定。但由于工件隨工作臺移動,所以不能加工太重的工件,而且雕刻機尺寸不能太大。結構2雖然制作也較容易,然而穩定性要比結構1差很多。由于本次設計對機械部件結構的要求就是要小而輕便,加工工件的質量也是比較輕,因此選用結構1。在該結構中,機械本體部分是雕刻機的骨架,有底座、立柱、工作臺、機頭和主軸組件等部分。在保證整個系統的機械剛性的前提下,為了簡化設計的結構,減輕整機重量,縮短產品的設計和制造的周期,其主體框架采用鋁合金制造,防護件用塑料件制造,用標準的緊固件和定位銷連接。http://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177371.jpghttp://www.bearing.com/UserFiles/Image/Fig1(7).jpg.進給運動方案我們設計采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋轉和Z方向的進刀、退刀運動,而X-Y工作臺帶動工件作X,Y方向的進給運動,這兩個方向的基本運動方式如下:由步進電機的轉動帶動絲杠的轉動,帶動了工作臺的移動,從而實現某個方向(X或Y方向)的進給運動。在X,Y方向上的導向件采用直線導軌,其導向精度可滿足對工作臺定位精度的要求。3.雕刻機主運動方案雕刻機主運動方案通常有兩種方案:直接采用專用的雕刻頭或采用直流電機帶動主軸機構。專用的雕刻頭的優點在這里不在復述,但必須配以與之配套的變頻調速裝置,價格相對昂貴。因此,從經濟性的角度出發,經濟型的雕刻機則不宜采用。由于直流電機具有以下特點:(l)調速范圍寬其轉子轉速可在寬廣的范圍內連續調節并穩定運行。(2)特性呈線性不論機械特性還是調節特性都呈現良好的線性度。即在整個調節范圍內,轉速隨轉矩的變化關系或是轉速隨控制電壓的變化關系都是線性的。(3)快速反應在輸入控制信號的作用下,轉子能迅速地反應動作,時間常數小。故優先選用直流電機帶動主軸機構的方案。直流電機通過彈性夾頭直接與刀具連接。二. 元件的選擇1.滾珠絲杠副的選擇本設計的G系列滾珠絲杠副 (滾珠內循環 固定反向器 單螺母)。其具體性能指標如下表:絲杠代號公稱直徑基本導程絲杠外徑絲杠底徑循環圈數d0Phd1d3nG2004-320419.317.33 額定載荷N剛度N/um螺母安裝尺寸油杯口動載荷C0靜載荷C0aKcDLBD1D4Φ1Φ2hM58361612732760401136485.8106M6X,Y,Z軸的絲杠精度等級為4,螺紋長度分別為為300mm,350mm,150mm。絲杠總長分別為:375mm,425mm,225mm。滾珠絲杠副軸頭尺寸如下: http://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177883.jpg絲杠代號公稱直徑基本導程絲杠外徑絲杠底徑循環圈數d0Phd1d3nG2004-320419.317.33 額定載荷N剛度N/um螺母安裝尺寸油杯口動載荷C0靜載荷C0aKcDLBD1D4Φ1Φ2hM58361612732760401136485.8106M6X,Y,Z軸的絲杠精度等級為4,螺紋長度分別為為300mm,350mm,150mm。絲杠總長分別為:375mm,425mm,225mm。http://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177371(1).jpghttp://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177883(1).jpg絲杠公稱直徑d0固定端軸徑尺寸支持端軸徑尺寸d1Md2l1l2l3d3d4l4l5l62015M15X1122041121514.31412.11.15 固定端軸承型號支持端軸承型號72026201 2.步進電機的選擇(1)銑削力的計算當進行一般切削時產生的銑削力最大,因此只需計算此時的銑削力進行校核即可。取一般切削時:銑削深度ap=1mm,進給速度Vf =1200mm/min,n=15000r/min。根據經驗公式計算銑削力:F=42.76apVf0.75 n-0.62=22.45N(2)啟動轉矩的計算對于4級精度的絲杠,η=0.85。已知Ph=4mm,設絲杠上最大負載G為500N,靜摩擦μ為0.2,根據經驗公式計算啟動力矩:T=(F+μG) Ph/(2Лη)×10-3=0.0918N·M(3)步進電機的選擇根據所需轉矩,結合所查資料決定采用杭州日升電氣設備有限公司的57BYG250C步進電機作為本次設計所需的驅動電機。該電機的外觀:http://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177515.jpg技術參數如下:型號相數相電流步距角保持轉矩空載起動頻率空載運行頻率轉動慣量重量57BYG250C21.5A1.8°1.0N.M2KPPS2020KPPS0.23KG·CM21KG外形尺寸如下:http://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177897.jpg其中L=76mm。3.圓柱直線導軌的選擇圓柱直線導軌(光軸)系列,其外觀及結構如下圖:http://www.bearing.com/UserFiles/Image/cn_b_5_26.jpgX,Y,Z三軸所需導軌長度分別為375mm,425mm,225mm。 4.聯軸器的選擇選用的LK6系列聯軸器YL1。外觀如下圖:其結構如下圖 http://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177933.jpghttp://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177944.jpg基本參數如下表(mm):規格?d1,?d2 軸徑?DLL1FE性能參數扭矩偏心角度最高轉速螺絲(M)材料LK6-256.3512253412.34.5151.7N·M2o6000r/minM4進口專用材料 5.主軸電機的選擇主軸電機選用安陽XX泰機械有限公司的雕刻機電主軸。其外觀及結構圖如下:http://www.bearing.com/UserFiles/Image/200713111177348.jpg其參數如下表:主軸型號Spindle type轉速Speed(r/min) 電機 Motor外形尺寸 Dimensions(mm)變頻器Conv Kw潤滑Lub冷卻CoolBearings typeKWVAHzDD1D2Joint of noseLL1L2ADX60-24Z/0.25240000.252201.24006055-ER111626230.5 greasewater1×7002C/P41×7000C/P4 6.機械性能參數的計算分辨率:4/200=0.02(mm/step)最高進給速度:5000*4/200=100(mm/s)機械精度:16/300=0.053(mm) 小型雕刻機的總體設計一.項目背景與問題描述1.雕刻機現狀1938年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世,1950年“嘉寶”生產出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本和法國等國也開始研制。20世紀90年代,隨著微電子技術的突飛猛進,直接推動微型計算機的急劇發展。微電子技術和微型計算機技術帶動整個高技術群體飛速發展,從而使雕刻機產生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D——2.5D——3D加工的變革,功能完善、性能穩定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。國外的雕刻機,如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”是此行業的佼佼者,但價格非常昂貴。不管大小都在10萬元各人民幣以上。近幾年國內的雕刻機,北京“精雕”、上?!白哪绝B”在國內也有一定的市場,但價格也不菲。2.問題描述雕刻機的應用在各行各業中的應用已日益廣泛,然而國內市面上出現的雕刻機,雖然性能較好,但價格也非常昂貴。普通的雕刻機都是萬元以上,令一些小單位及個人用戶望而卻步。針對不同的應用領域,所要求的雕刻機的性能亦不相同。本項目的目的就是利用PC機的并口等現有資源,提供一種低價,高效,簡便的數控雕刻系統的解決方案。通過本項目的研究,可以為中小用戶,尤其是個人用戶提供低價的雕刻機,從而拓寬現有雕刻機的用戶群,普及國內雕刻機。二.功能需求分析本項目是為個人及小團體用戶提供的一種價格低廉,性能適中的雕刻機。因此,它應具有個人及小團體用戶所需要的大部分功能。具體如下:(1) 能夠制作線路間距在3mm以上,長寬在25×20cm內的電路板。(2) 能夠制作空間在25×20×10cm內的軟材料模型及模具。(3) 能夠進行廣告刻字。(4) 提供簡易的操作界面。(5) 有安全保護措施。(6) 精度在0.1mm以內。三.概念設計與模塊功能定義1.設計思想小型雕刻機的基本設計思想主要有以下幾點:(1)應用PC機的強大計算功能,將譯碼、刀補、插補、加減速控制等放在PC上解決。最后PC上形成的是各向步進電機的控制脈沖。(2)應用PC機的并口直接輸出各向步進電機的控制脈沖,以控制工作臺的移動。(3)步進電機的驅動采用集成的驅動芯片。(4)通過限位開關以及各運動方向的使能開關來保證雕刻機的安全工作。2.設計原則小型雕刻機的基本設計原則主要有以下幾點:(1) 在要求的性能指標下,對于各應用部件盡量選擇成品以降低成本。(2) 產品設計得盡量的輕而小,電源符號市電要求。3.總體方案選擇(1)雕刻機工作方式的選擇運動方式一般有兩種形式:一種是刀具既轉動又進行三個方向的運動,另外一種方式是刀具只進行轉動和垂直方向的上下運動,而工作臺進行水平兩個方向上的移動。在這次設計中,選擇了第二種方式來進行雕刻。若采用第一種方式,則會因為三個方向的運動部件都集中在垂直升降機構上,容易造成整個機構重心過高,如果機構底座質量不足以承受雕刻過程中產生的振動,那就會影響雕刻的效果。而且這樣會造成整個機構體積過于龐大,不利于安裝、搬運和維護。(2)主要直線傳動元件的選擇直線傳動元件一般有兩種:同步帶和絲杠。因為同步帶傳動平穩,傳動精度較高,目前的針式打印機和部分機械雕刻系統均采用同步帶作為直線運動原件。對于數控機床而言,直線傳動機構都采用絲杠,因為絲杠傳動精度高。因此,在本項目中,采用絲杠為直線運動元件,可達到預期的目的。而且絲杠作為標準件,只需按標準型號及尺寸進行設計和選用即可。(3)PC機與機械傳動機構的信號通訊方式的選擇要開發通訊部分,就要進行硬件的開發,就是要在計算機與外設之間架設一座橋,進行物理連接。要開發硬件,總的來說有兩種途徑:一條是自己動手開發標準的計算機接口卡,另一條途徑是在現有的計算機硬件設備的基礎上,稍加改進而利用已有的標準接口卡進行通訊。在第一種方法中,需要自己設計接口電路,勞動量大,且在使用時要占用PC機的一個擴展槽;若使用第二種方法,不但設計簡單、危險性小,而且節省計算機插槽空間。因此本設計采用PC機的并口進行上下位機的通訊。(4)總體方案的說明綜合上面對各種方案的討論,我們確定的雕刻機的總體方案可簡述如:用戶采用我們研制的軟件導入在CAD軟件中產生的G代碼后,該軟件將對G代碼進行譯碼、刀補處理、速度預處理、插補運算,獲得包含X-Y-Z三個方向配合運動需控制字節的數據文件,即為雕刻數據,然后將控制字節逐個向打印口輸出,這樣與打印口相連的X-Y-Z三個方向的步進電機就分別可以得到動作信號,從而帶動各自的執行機構產生動作。我們設計采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋轉和Z方向的進刀、退刀運動,而X-Y工作臺帶動工件作X, Y方向的進給運動。刀具與工件的運動合成就可以得到所需圖案的輪廓。(工作原理圖見圖3-1)本機的主要組成部分是:專用軟件,X-Y 二維工作臺及其驅動放大電路、雕刻刀升降機構(Z向)及其驅動放大電路,以及雕刻刀。專用軟件 各軸控制信號 步進電機驅動電 路 X向步進電機Y向步進電機 Z向步進電機X向執行機構Y向執行機構 Z向執行機構 圖3-1(5)設計參數的確定根據各類個人用戶對雕刻機的需求,以及參考一些現有商品,初步確定了以下一些設計參數:項目參數單位主軸最高轉速20000r/min最大雕刻尺寸250*200*100mm分辨率0.02mm/step精度0.1mm4.功能模塊的劃分和定義雕刻機的功能模塊包括軟件模塊、機械模塊和電氣模塊。(1)軟件模塊主要是在Windows操作系統環境下研制一軟件,具有讀入g代碼、譯碼、刀補預處理、速度預處理、插補等功能,并最終通過PC機的并行口(即打印口)向步進電機輸出控制信號,這是整個系統的關鍵部分,軟件好壞直接影響著最終的雕刻效果。(2)機械模塊主要是執行機構的設計,它是接收放大后的控制信號,實現具體的雕刻動作的機構,它的設計必須考慮到既要實現功能,又要盡可能地小巧輕便。(3)電氣模塊連接PC機輸出和機械執行機構的必要通道,它的主要作用是放大PC機產生的控制信號,使其能驅動機械執行機構實現雕刻動作,這對于能否將控制信號及時、準確地放大并發送至步進電機至關重要。電路的可靠性、穩定性與可持續性是在設計中必須注意的三項指標。主要內容是步進電機驅動設計、主軸電機的控制、限位開關的反饋、電源的設計等。四.小結以上我們對小型雕刻機的設計背景、功能需求進行了詳細地分析,提出了本次設計的基本思想和基本原則,對雕刻方式、傳動元件等方案的選擇進行了簡要的討論寧波軸承有限公司 NINGBO BEARING COMPANY總機電話/TEL:0574-87223344 87222434 87220319 87220519 銷售電話/SALES TEL:0574-87220315 87222422(直撥)87222434 87223344 87220319 87220519(轉分機)采購部電話/TEL:0574-87221977傳真/FAX:0574-87223781地址/ADD:寧波市麗園北路1728號--1736號E-mail:web@bearing.com 網址/WEBSITE:www.bearing.com www..com特種非標軸承網: www.fbearing.com 商標 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