摘 要

本文依据木材工业市场对雕刻机日新月异的需求，对于五轴木工雕刻机的传动部件进行了针对性的研究，使之能更有效地投入到木材工业生产。进给部件的刚度和精度能直接影响工件的尺寸和精度^（1）。因此本课题重点介绍了滚珠丝杠副，导轨以及伺服电机的精确选用和安装。

进给部件与数控回转头相互配合进行高进度的数控加工。因此对于机床本身的布局和特性也需要合理的安排。大型龙门式的结构不仅能加工小的工件，对于一些尺寸较大的木材零件，如门板，框架都能有效的加工。使之能大量的运用于生产实践中，提高劳动生产率。

关键词：五轴联动 滚珠丝杠 滚动直线导轨 伺服电机

目录

一、研究的目的和意义………………………………………………………………1

二、国内外研究情况…………………………………………………………………3

三、五轴数控机床的分类及其特点…………………………………………………………4

四、课题设计的要求与内容…………………………………………………………………5

4.1 毕业设计的具体要求…………………………………………………………………………5

4.2 毕业设计主要研究内容课题设计的要求与内容……………………………………………5

五、滚珠丝杠螺母机构………………………………………………………………7

5.1 滚珠丝杠精度…………………………………………………………………………………7

5.2 滚珠丝杆选择…………………………………………………………………………………7

5.3丝杠螺纹部分长度…………………………………………………………………………..9

5.4安装方式选择………………………………………………………………………………..9

5.5预拉伸计…………………………………………………………………………………….10

5.6 滚珠丝杠支承选择…………………………………………………………………………10

六、 选择伺服电机…………………………………………………………………12

6.1最大切削负载转矩计算…………………………………………………………………….12

6.2负载惯量计算……………………………………………………………………………….12

七、伺服系统增益………………………………………………………………….14

八、验算…………………………………………………………………………….15

九、刚度计算……………………………………………………………………….16

9.1丝杠螺母的传动刚度……………………………………………………………………….16

9.2弹性变形量………………………………………………………………………………….18

9.3定位误差验算……………………………………………………………………………….18

十、常用防尘密封圈和防护罩………………………………………………………19

十一、导轨设计………………………………………………………………………20

11.1 数控铣床对导轨的要求……………………………………………………………………20

11.2导轨的截面形状的选择和导轨间隙的调整………………………………………………20

11.2.1矩形导轨…………………………………………………………………………………21

11.2.2三角形……………………………………………………………………………………21

11.2.3燕尾形导轨………………………………………………………………………………21

11.2.4圆柱形导轨………………………………………………………………………………21

11.3 数控铣床导轨的分类………………………………………………………………………21

11.3.1 滑动导轨…………………………………………………………………………………22

11.3.2滚动导轨…………………………………………………………………………………22

11.3.3静压导轨…………………………………………………………………………………22

11.4导轨的设计…………………………………………………………………………………22

11.4.1导轨选择…………………………………………………………………………………22

11.4.2滚动导轨的计算…………………………………………………………………………23

十二、总结致谢…………………………………………………………………………………26

主要参考资料

一、 课题研究的目的和意义

雕刻机市场紧跟雕刻制作行业的走向。与通用机床类似，数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作实现雕刻加工的自动化^（2）。较传统的手工雕刻，仿形雕刻，数控雕刻具有生产效率高，加工精度高，成品率高，对零件适应性强等显著优势^[3]。随着雕刻行业的发展，市场对雕刻机生产厂商提出了更高的要求。雕刻制作行业的市场细分已经日益成熟，但雕刻设备只有零星的专业系列雕刻机推出，推出专业系列雕刻机是雕刻设备研制厂商的当务之急。操作人性化、简洁化是CNC雕刻机的一大发展趋势。由于受数控系统的限制，目前市面上数控雕刻机大多数以三轴数控雕刻机为主，而多轴数控雕刻机数量较少。多轴数控雕刻机的典型代表为五轴数控雕刻机，五轴数控雕刻机相对于三轴数控雕刻机而言有着一次装夹可以完成全部或大部分加工任务的优势⁽⁴⁾。

随着工业产品开发速度的加快，尤其是计算机辅助设计的广泛的应用，工业产品的形态更加丰富，变化更加迅捷，对制造设备提出了新的要求。

课题对五轴木工雕刻机进给传动部件进行设计，优化其结构，改善各系统的功能并将其大量运用于工业生产中，提高生产质量与劳动生产率，保证加工的稳定性，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度，其意义如下：

1、把理论和实际有效地结合起来，提高自身的独立设计能力，熟练掌握设计技巧和规范，熟练运用制图软件

2、提高雕刻机的传动效率，利用五轴式的优势确保进给的稳定性，同时能加工三轴雕刻机无法加工的曲面等

3、龙门式的大型框架，进程较大，不仅能加工小零件，也能加工大型的木材，扩大了雕刻机的生产范围

4、步进电机带动的滚珠丝杠副的传动形式能大大提高传动的精度和稳定性

由于国外的雕刻技术出现的早，开发和应用的时间比较长，它们发展也比较成熟。而我国的数控雕刻技术不管从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距，所以我们要立足国内，结合国情，面向经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的雕刻机结构及其传动部件。从实际上来看，数控产品正向高速度、高精度、高效率、多功能方向发展，技术含量越来越高，而我国数控系统的核心主要来自国外，且自主研发能力不强⁽⁵⁾。因此，开发一套可以进一步改进雕刻工艺和水平的传动部件是非常适合国情的。本课题的研究具有较高的实际意义和经济意义。本课题涉及数控、制图、计算机绘图学等众多知识，将这些理论知识和实际制图、程序编制起来，对个人思维、工程经验进行了一次长期的、有效的锻炼。对个人能力的培养和综合素质的训练都起到了十分重要的作用。

二、 国内外研究情况

1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。 20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求⁽⁶⁾。

随着近年来我国制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发展机遇，有效地促进了我国数控雕刻机的生产、推广和应用。我国的数控雕刻机起步于经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的发展，已形成了多个国产品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的“啄木鸟数”控雕刻机、北京精雕公司生产的“精雕”数控雕刻机和南京科能公司生产的“威克”数控雕刻机等。上述各类雕刻机的机床本体结构较为简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制器或PC的数控系统f8J，伺服部分多以步进电机细分驱动为主，可获得中等控制精度，但价格比较便宜，因此整机的性价比不是太高，适用于精度要求不太高的普及应用场合。至于高精度的雕刻加工，目前国内进口的数控雕刻机以一些国际知名品牌为主，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”都是此行业的佼佼者，但价格非常昂贵。这类数控雕刻机机床本体设计刚度好、精度高，采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性高，但价格昂贵，往往数倍于国产产品。因此主要应用于模具等高精度加工场合。

三、五轴数控机床的分类及其特点

目前五轴加工机床通常是指在X、Y、Z三个平动坐标轴基础上增加两个转动坐标轴(A、B或A、C或B、C)⁽⁷⁾。由于五轴数控机床具有两个回转坐标，相对于静止工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内(受机构结构限制)任意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力，因此，五轴数控加工又可以获得比三轴或四轴加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别是适合大型零件的高效高质量加工以及异型复杂曲面零件的加工。由于两个转动轴形式的不同，可导致五轴数控机床可以有很多种运动轴配置方案，根据结构不同可以将其归为三大类型。

（1）刀具摆动型。这种结构类型是指两个转动轴都作用于刀具上，由刀具绕两个互相垂直正交的轴转动以使刀具能指向空间任意方向。这类机床的主要特点是摆动机构结构较复杂，一般刚性较差，但其运动灵活，机床使用操作(装卡工件)较方便，因而在大型龙门机床上广泛使用。

（2）工作台回转型。这种结构类型是指两个转动轴都作用于工件上，根据运动的相对性原理，它与由刀具摆动产生的效果在本质上是一样的，这类机床的主要特点是其旋转工作台刚性容易保证，工艺范围较广，而且容易实现。但由于工件要随工作台在空间摆动，因此这种结构适合于中小规格的机床用于加工体积不大的零件。