全套毕业设计定梁式数控雕刻机机械结构设计

全套毕业设计定梁式数控雕刻机机械结构设计内容摘要：

内数控雕刻机产业进入高速成长期；从 2020～ 2020 年，在模具加工、家具与五金制造等行业需求继续快速增长的同时，由智能手机、平板电脑、电子书、 GPS 等带动的消费类电子零配件制造业的需求异常突起，推动数控雕刻机行业迅速发展， 2020 年国内数控雕刻机产量已突破 万台。 随着下游各应用领域对产品加工过程中的高精密、高效率、低耗能、低耗材的要求不断提升，数控雕刻机自身技术不断成熟，下游新兴应用领域不断涌现，国内人工成本的不断增长，原有老旧设备的更新换代等等，都将对数控雕刻机市场起到积极的推动作用。 未来数控雕刻机 行业将持续高速增长。 结合各下游行业十二五规划制定的发展目标，罗百辉预计到 2020 年全国数控雕刻机产销量将达到 12 万台。 在市场结构方面，消费类电子产品零配件制造、模具制造、五金制品及家具制造等四大行业仍将是数控雕刻机的主要应用领域。 其中，随着触摸屏手机、平板电脑的渗透率不断提高，未来消费类电子产品零配件制造行业对数控雕刻机需求将持续快速增长，到 2020年，仅消费类电子产品零配件制造行业，对数控雕刻机需求量就将达到 38000 台 [3]。 下面以 PCB 的加工为例，介绍数控雕刻机在印刷电路板领域的应用。 现在印刷电 路板和它的制造技术的发展已达到了一个较高水平。 从印刷电路板的机加工环节上来分析，为了制造出高质量的印刷电路板，目前有激光钻孔技术、光致法成孔、等离子体蚀孔等技术含量高的加工工艺。 由于这些加工技术本身有着一定的局限性，所以一般 PCB 加工作业大多数得依靠数控雕刻机床来进行。 就我国而言，通过几十年的发展， PCB 制造行业的技术含量和设备支持都达到了一个较高的水平。 那些纯手工加工方法以及电路板的冲孔加工工艺方法在机械加工方法中已经很少出现了，数控雕刻机床和数控铣床用在 PCB 制造行业早已很常见了，数控雕刻机床和数控铣 床也已列入了当前国内印制板机械加工的主导设备行列里。 数控钻铣床技术就用于 PCB 制造业而言拥有其独特的特性和优点： 1）大多数采用了先进的控制技术 现在 PCB工业中人们使用的数控钻铣床大多数采用了先进的主从结构的多微计算机 C数控技术，也可称为一主多从的多 CPU 控制技术。 由主 CPU 控制，从 CPU 再分别控制不同功能与特性的结构部件，确保它们于主 CPU 的控制步调一致。 2）数控钻铣的效率高，精度好，速度快，质量高 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 一般来说数控钻铣床的各个电主轴都配置了 Z 轴进给深度控制感应系统。 可以随时探测 PCB 的 叠层与电主轴的压力角的距离，从而把它们控制在一个合适的范围里，确保了电主轴的最佳移动距离，使其钻孔的速度达到最高。 Z 轴采用独立驱动方式，电主轴系统使用气浮轴承，很大程度上减少了摩擦力，从而确保了加减速的时间较短，也就提高了加工精度，提高了效率。 再加上采用了高动态伺服马达，仅仅只需几毫秒的时间电主轴的速度就能达到最高。 目前，当电主轴达最高运转速度时，其值为 120200r/min。 对于加工钻孔直径为 小孔时。 一般铣床因工艺的需要，其速度会确保在 55000r/min 以下，速度快反而不利于加工。 就位置的反 馈系统而言，配置了直线光栅或线性磁尺，将它们组成闭环式反馈回路，让钻孔的定位精度达 以下，重复定位精度在 以下。 而且，加工出来的PCB 板无毛刺，不会有斜度，表面光滑整齐。 3）具有自检自控功能 数控钻铣床 ,大多数都具备自我检测，自我反馈，自我调整的功能。 它的设计理念是 ,在主 CPU 的控制下，有一个从 CPU 在全闭环控制系统下 ,负责对钻铣床的各个部位进行动态检查 ,发现问题随时在显示器上反馈出来。 甚至有的同时显示和报警。 工作人员排除故障疏忽的情况下，为使机器不会损坏，有的还可以自动控 制，让机器停止工作，制定它保持待机，从而有效防止了机器发生故障而损坏。 同时，每个主轴都安装激光测试径向跳动装置，保证每个主轴都保持在最佳工作状态。 钻头的折断在实际生产中经常发生，但若不能及时发现并采取更换措施，应该要钻的孔就有可能为钻。 而且， PCB 电路板还可能被断的钻头划坏损伤，严重影响到电路板制作的质量问题。 然而，针对这个问题，现在数控钻铣床的主轴系统都安装了断钻检测装置，当钻头断了，数控机床将自动停止运转，并显示提醒断钻的位置，相应的换上好的钻头，还要自动检测所装钻头的直径，并重新进行孔加工。 另一方面 ，机床具有了自检功能后，它还能自动控制钻孔的深度，确保钻头尖端和工作台面的距离。 从而确保机床的工作台面不会被钻坏损伤。 4）机床工作台面的移动方式采用了气垫加磁浮，确保了机床工作台面不会因为擦碰而被划伤 PCB 电路板机械加工时所需的负载较小。 要求高速、高精度的进给，所以 PCB 钻铣机的进给系统要求阻尼小、摩擦小、灵敏度高，这样才能满足 PCB 的孔加工时频繁高速的起停运动。 因此快速 PCB 钻铣机床的进给系统采用了伺服电机－滚珠丝杠－导轨的方式，导轨还选择了气浮导轨，它的摩擦系数更小，加工动作更轻便。 当空气轴承出现问题时，数控钻铣机床将处在一种不平衡的状态，这样工作台面很容易被划伤。 数控钻铣床多数采用了气垫加磁浮的方式， X、 Y 轴用气浮导向，工作台面用气浮支撑，采用伺服马达作为工作台面的定位驱动，还配有精密的滚珠丝杠以及预加载荷的双螺母进行校正调整。 这样机床工作台面移动起来轻盈，快捷，精准。 也使得运动加减速过程的时间远远缩短。 如若机器有不平衡现象出现，磁浮会吸住机床工作台面，让机器停下来，使得整个工作台面完好无损。 而且 X 轴和 Y 轴采用分离式布局，避免了传统的重叠现象。 布置 X 轴、 Y 轴在大理石结构的中央 位置，工作台面始终保持在最佳平衡状态，全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 相应得也就提高了孔加工的精度。 数控钻铣床还可以进行软件的编程限位，不但可以自动测量刀具大小长短，还能对刀具进行管理等。 5）机床的电主轴头数种类多、加工幅面大 现在的数控钻床大多都是 46 个主轴钻头。 这大大提高了生产效率，同时也满足了大规模的自动化生产需要。 增加主轴以后，机床台面尺寸也要对应增加。 X、 Y 轴的编程也将相应扩大， (一般在 600mm 600mm 以上 )，轴的行程增加了，相应的钻孔面积也将增加。 6）编程的功能多种化 当前市场上的数控钻铣床一般都有 两种以上的编程功能。 一种是直接人工编程的照像底片或光绘底片，一种是采用几何工艺语言 GTL 进行编程，最后一种是用参数化进行编程。 目前，最后一种普遍得到运用，它是一种特有的有效的编程工具，能够把任何加工顺序作为用户加工环境来运用和设计编程。 只要给出一定的变数值，就可以编制形状相似的工件加工程序 [46]。 雕 刻 机机械系统设计的主要技术指标 通过分析比较以往数控雕铣机及雕刻机的性能参数，发现国内目前数控雕刻机的最高主轴转速通常在 24000r/min 左右，刀具最高切削速度介于 4 到 6m/min 之间，机床主轴电机功率为 千瓦上下。 本文所设计的小型数控雕刻机机床的性能指标参数如下表 11： 表 11 数控雕刻机系统主要性能指标参数 性能名称 数值 加工幅面 120160200mm 工作台尺寸 X/Y 270278mm 行程 X/Y/Z 50150200mm 最大进给速度 加工刀具最大直径 主轴电机最高转速 3000r/min 主轴电机功率 400kw 换刀方式 手动换刀 X/Y/Z 定位精度 ～ + X/Y/Z 重复定位精度 ～ + 总功率 P 1000W 轴联动数 4 脉冲当量 ～ +外观尺寸 400500600 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 2 雕 刻 机总体布局方案设计 数控雕 刻 机布局要求及影响因素 数控雕刻机床主要是用于较小雕刻量或软金属材料的工件的加工。 要求加工精度较高。 它主轴的转速甚至高达 30000r/min 左右。 各向移动部件要求运动轻巧、刚性好、灵活性强。 对于机床的数控系统而言，它的控制反应速度要迅速、灵敏，其所配置的伺服电机的特性要极佳。 从机械的角度出发去分析，对于数控雕刻机 床而言，它的结构应满足：加工范围广、工作精度高、生产率高和经济性能好等各项要求；另外，它的非移动部件的刚性要好，移动部件而言，首先它要具有良好刚性，还要整体结构轻巧，要具有较好的灵活性；确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平；应便于观察和检测。 在机床的加工过程中还要利于操作、位置的调整和进行维修。 方便换刀和装卸所要加工零部件；注意防护，确保安全；机床的机械结构要简单、可靠，机床的各个零部件要便于加工、装配；最好要确保重量轻盈，体积较小，制造成本较低，占地面积要小，总体外型要大 方美观 [7]。 在满足了机床总体布局基本要求的基础上，还应考虑到影响雕刻机布局的其它基本因素，如下： 要在加工零件的表面铣雕出不同形状的线路纹路，就要结合不同的刀具来进行加工，所以机床表面成形运动的数目及形式也就不同，将直接导致机床布局的差异。 因此，在布局雕刻机时，必须根据加工的要求，首先对所要加工零件表面成形的方法及运动进行综合、全面合理地考虑。 加工零件的表面，要成形的加工运动主要可分为铣削、钻孔、切割三类。 因此所设计的数控雕刻机必须满足下面几种运动才可以实现各种加工过程 ： (1)X、 Y 两个方向上相互垂直的直线移动。 从而实现了钻头在 X、 Y 平面内的定位自由，从而使得刀具在 平面 X、 Y 内按照不同的轨迹路径对零件进行铣雕加工。 (2)与 X、 Y 平面相垂直的 Z 方向上直线移动。 使刀具的钻孔加工有个切入的过程。 (3)机床切削的主运动是刀具的高速转动。 由于数控雕刻机的动静分配存在差异，所以机床对应的布局也会不同。 而且，就同一种动静分配的布局而言，因为机床导轨的布局加上导轨结构安装结构不一样，雕刻机的布局也会不一样。 因此，对于雕刻机动静分配的规 划，可依照下面的原则来考虑： (1)所选的动静分配将增强机床加工的精度。 (2)机床移动部分的零件的重量最好轻巧。 因为就其它条件相同下，机床的移动部分的零件的重量越小，那么它的惯性将越小，其传动件的尺寸以及驱动电机的功率也将越小。 这样，雕刻机的运动力学性能将大大提高。 (3)要有助于加强雕刻机结构的刚度，机床的占地面积要尽可能的小。 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 零件的形状、硬度、尺寸和其重量所产生的影响 一般来说，雕刻机机构的布局一定程度上也和待加工的零件的尺寸、形状、重量和硬度有关。 所需加工零件的大小面积，将直接和导轨 的布局以及机床工作台的尺寸相关。 比如，所需加工零件的面积尺寸很大，机床工作台在于加工同一方向尺寸将会变大，其它一系列部件如与工作台相连接的滑块、滑板及两导轨布局的跨距将越大。 所需加工零件的重量越大，所要求机床工作台、导轨等部件的刚度就要提高。 由此可见，待加工零件的形状、尺寸、重量等也将是对雕刻机布局产生影响的直接性、决定性因素。 相比而言，一般零件的硬度不会有较大的差别，因此机床工作台的切削力的大小和承载能力也不会产生很大差异，其对于机床的整体布局的影响比较若 [8]。 数控雕 刻 机总体结构布局 数控雕刻机总体结构布局如图。 图 数控雕刻机机床总体布置图 本次设计的数控雕刻机机床主要由： 控机。 机床龙门式结构具有刚性和对称性优良的特点，所以一向是设计高速切削机床结构的首选。 本次设计的机床总体布局将采用龙门架式布置结构。 机床龙门框架式的基本布局形式一般有如图 A,B两种结构： 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 图 A 工作台移动式 图 B 龙门架移动式 图 龙门式数控雕刻机结构示意图 如图 A的 布局方案，龙门架是固定的，数控雕刻机 Y/Z轴系统作横向的左右和竖直的上下移动，机床 X工作台将作纵向移动。 由于机床工作台的移动，机床的承载能力将不如布局 B的承载能力优良。 如果所需承载加工零件比较轻，那么此类机床布局方式要求的电机功率及传动部件的尺寸就比较小，移动比较快捷、轻便。 对于纵向较长工件的批量加工时，需要使用外伸支架支撑的结构，它们的支点高度相同，所以支架支撑的调整较方便，但是支架的结构和布局 B方案相 比显得繁杂。 由于机床移动部件的质量比较小，因此该种方案中的数控雕刻机 Z轴系统刀具的运动、精度易于得到保障。 在图 B的 布局方案中，机床工作台是固定的，数控雕刻机 Y/Z轴系统作横向的左右和竖直的上下移动，龙门架作纵向的移动。 由于机床工作台是不动的，所以它的承载能力比较好，适合于对重型零件的工件。 对于纵向较长工件的批量加工时，需要使用外伸支架支撑的结构，它们的支点高度相同。 但机床 Z轴系统刀具的运动精度难以得到保证，而且龙门架的移动相对笨重。 且加工过程能耗较高，效率较底。 综合上述比较，充分结合参考机床布局的基本要 求、影响机床布局的基本因素以及本次设计的雕刻机的设计参数，最终选用图 A的 布局方案。 该机床的横梁和立柱。