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数控雕刻机电主轴的设计
摘要
Abstract
Along with our country economy and the international community, along with the rapid development of microelectronics technology and microcomputer technology, CNC engraving machine technology to achieve a qualitative leap, also make the industry development in the direction of good. Machine tool manufacturing industry is faced with mechanical manufacturing demand manufacturing equipment upgrading the level of development, the development of nc machine tools on the way encountered two major problems, one is from the domestic market, prompted equipment updating and upgrading of national industrial structure adjustment, provide the industry with a lot of room to grow. From the foreign market, since China joined the world trade organization in 2001, leading us after decades of high-performance equipment to enter the Chinese market, due to China's equipment manufacturing industry more competitive, did not in today's market economy, under the national macro policy, China's CNC machine tools has been a very good development, is one of the key policy to promote industry's sustainable development. But, still need a lot of technical personnel to support the research and development of the industry. Countries to narrow the gap with foreign industry, the state has invested a large amount of manpower and financial resources. Today's numerical control machine thinking, green environmental protection, high speed, high precision end informationization development direction. Chinese-made machine has some problems in practical production, only to solve these problems, can lead to a new generation of engraving machine more intelligent, conform to the demand of the market. In the aspect of software, with the aid of CAD/CAM software system, programming, easy to change at any time soon. So, a new generation of CNC engraving machine with the processing automation, convenient features, so quickly recognized by the market, and ultimately become the mainstream of the development of engraving machine today. Next, this paper discusses the general layout of engraving machine, illustrates the working principle of electric spindle. Designer according to the overall layout of motorized spindle, choose the suitable bearing and life respectively. Also designed the electric spindle and cooling system of water-proof and dust-proof. The cooling system of high-speed motorized spindle consists of a web of set and the internal set of two. The key technology of motorized spindle is a dynamic balance,. In order to guarantee the electric main shaft dynamic balance, motor rotor and shaft adopts the method of heat for installation.
Key words: CNC engraving machine; Motorized spindle bearings; Dynamic balance technology; Cooling lubrication way; Dust-proof sealing device
前言
（2）通过对设计的理解，掌握电主轴机械部分的设计方法；
（3）通过对设计的理解，了解自己在设计时应注意的问题；
（4）通过电主轴的工作原理解，了解轴承技术及关键技术（润滑，冷却，动平衡，运动控制 ）
高科技化的数控机床给传统的机械工业带来了变革和惊人经济效益，在产业结构和布局及生产上都发生着革命性的变化。数控雕刻机是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业现代化发展的必经之路。
1.2数控雕刻机具有的特点
（1）我们电机放在主轴的里边，通过自带电源的带动主轴进行转动，这样说是基本实现电机、主轴的一体化的功能。
（2）噪声低，振动小，精度高。
数控雕刻机的结构小、重量很轻、惯性很小、振动很小、噪声很低等，这样的优点让它很快被市场认可，让设计师能够更加简化机床的设计，在机构里能够实现主轴的定位。
（3）可在额定转速的范围内具有无级得变速机的调节功能，便于根据实际加工来调整。
（4）设计时电主轴选用的支撑形式是高速精密滚动轴承，润滑方式采用油气润滑。相比较而言，他可以提高轴承的寿命，降低机构的损害。
（5）在设计时采用驱动控制技术，在工作中可以实现准停、准位、准速功能，适应车削中心、加工中心及其它数控机床的需要。
1.3数控雕刻机应用领域
雕刻机作为数控设备，在现代社会建设中，应用到得行业越来越多，以下为您介绍下数控雕刻机的广泛应用领域。
1、 纪念品
商家为了适应时代的进步和迎合人们对时尚的追求，越来越多的高大上的会议和旅游活动中都在采用雕刻制作的奖牌、证书、小礼品和广告宣传纸业。
2、模型
从古至今，模型在各行各业都在应用，起初是纯手工雕刻，但是由于客户要求在慢慢提高，人工雕刻不能够使用现代社会，因而促进雕刻行业的发展。例如制作房屋模型，城市远景规划模型及航模。
3、牌匾、标牌
随着城市公共设施建设、现代化的住宅小区、古老街道的复古改造、高大上写字楼的建设，给雕刻制作牌匾、标牌和标志提供了广阔的空间和平台。同时为了树立良好的高科技企业形象，重视科技的创新以及适应时代的发展，很多企业也纷纷将公司的牌匾换成雕刻的，在写字楼里处处可见，例如公司里个个部门科室牌、公司员工胸牌等等。
4、木器业
雕刻机可以使放样、开槽、打孔、镂边等木器工艺和家具加工实现数字化，在提高产品的重复性、标准化程度的同时，使加工的成品率和生产效率得到显着的提升
5、印刷电路板(PCB)新产品开发中的电路制作
6、印章业
随着生活水平的不断提高，人们开始不单单要求简单的私人印章，而是是个性有特色的用不同材料雕刻的而成，智能雕刻机的出现，满足了客户的需求。
7、印刷雕版
虽然雕刻木版和雕刻胶版是一些特定领域无法替代的印刷技术，但是机械现在的雕刻机可以胜任雕刻木版制作的绝大部分工作量，机械雕刻胶版不像激光雕刻那样，在工作时，同时产生有害废气，如今国家提倡经济发展新常态，提倡绿色环保、可持续发展，以人为本以及关心珍爱生命的背景下，机械雕刻的各种性能符合国家的市场的需求，更是科技进步的一种表现，相信它才是值得提倡的现代化胶版雕刻手段。
8、吸塑模具
生活中的吸塑灯箱和雕刻牌匾一样，都是刻绘透光彩和喷绘灯箱牌匾的更新换代产品。其中制作字体和图案模具是吸塑灯箱制作工艺流程当中的十分重要的一个环节，同时雕刻机是这个工艺环节中的得力工具。
在科技不断发展的今天，市场涌现出各种新型装饰材料，这些材料很多是可以用来雕刻的，计算机数控雕刻机迎来了广阔的发展空间。下一代的雕刻机可能是与3D打印的相结合的产物，以便更加适合社会发展的需求。
1.4数控雕刻机的发展趋势
进入二十一世纪，我国装备产业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发机遇，有效地促进了我国数控雕刻机升级换代和推广应用。雕刻机的功能将会日益的强大，性能将会更趋稳定。雕刻机发展趋势总结如下：
（1）精密度程度高
传统的的数控机床的性能如何，主要体现加工件在静止时被加工时所要求的精度，而今天的数控机床不但仅仅局限在工件静止不动的状态，而是快速的向动态的高精准方向发展，以适应社会的发展以及客户的需求。
（2）主轴转速
在结构设计上，电主轴布局是内装式主轴电机，从理论设计的角度来看，在工程师设计的时候，得出主轴工作时最大速度是200000r/min。从分辨率角度来看，分辨率为0.01μm时，工件的进给率达到340m/min且可获得曲面的精确加工；
（3）换刀速度
根据数据表明，发达国家先进数控加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，有的国家已经达到0.5s。德国是世界上数控机床发展的高端的一个国家，其中Chiron公司将刀库设计的换刀模式被称为行业的经典，他的结构是以主轴为轴心，刀具在圆周布置，这样缩短时间，实现换刀仅仅0.9s。
(4) 采用误差补偿技术
由于加工零件时，刀片与加工件接触会有热量产生，造成设备的热变形误差，因而我可以进行补偿来降低误差。在实际加工中发现，采用这种方法可以可将加工件的误差将大大的降低。
（5有钻铣功能
其可用于钻孔、切边、加工小模具，性价比高。
1.5电主轴概述
电主轴是一种新技术，它主要是将机床主轴与主轴电机融为一体。它是新时代的三大加工技术之一。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其的附件：电主轴、高频变频的装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等等。机床的主轴就是电动机的转子，主轴单元的壳体就是电动机机座了，并且配合其他的零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。
随着科技水平的不断发展，电气的传动技术也得到了迅速的发展和日趋完善，人们不断简化高速的数控机床主传动的系统的结构，继而带轮的传动和齿轮的传动被取消。新一代的内装式的电动机直接驱动机床主轴，直接缩短机床主传动链长度，这个长度甚至为零。这种新一代设计的机床做机床的“零传动”。新一代的机床可以完美的将主轴的电动机与机床的主轴整合在一起，可以实现主轴的部件从机床的传动系统和整体的结构中分离出来，成为一个独立的部分，也可以叫做“主轴单元”，俗称“电主轴”。
1.6电主轴的关键技术
(1)高速精密轴承技术；
(2)高速精密电主轴的动态性能和热态性能的设计；
(3)高速电动机设计及驱动技术；
(4)高速电主轴的精密加工和精密装配技术；
(5)高速精密电主轴的润滑技术；
(6)高速精密电主轴的冷却技术；
(7)高速精密电主轴的内置脉冲编码器技术；
(8)高速精密电主轴的是矢量变频技术；
(9)高速刀具的装卡技术；
(10)自动换刀技术。
1.7我国数控雕刻机目前的发展现状
我国数控技术起步于20世纪50年代末期，目前，国产数控机床的厂家有广州数控、华中数控等，经过几十年的发展，我国生产出来具有自己特色的编程语言的数控系统，加工出来的产品的性能和可靠性都得到了市场的认可，慢慢的被商家认可和肯定，在国内市场上有了一定的市场。但是由于中国数控发展起步比较晚，机床的系统技术含量低，不能够加工高精度和特殊材料的工件，影响了产品的附加值，国产的数控系统不能与工业强国研发的系统竞争市场。在过国内，对于加工件没有要求很高精度时，常常使用国产的数控系统，我们国家数控发展水平和世界先进水平，还是有一段距离。目前在我国数控系统已发展为四种开放式种类，分为华中数控系统（华中科技大学）、中华I型(北京航空航天大学)、航天I型和蓝天I型。近年来，国家华中科技大学投入了大量的人力、财力，促使了拥有自己开发的国产华中数控发展迅速，相继开发了具有自主知识产权的华中牌的高、中、低端系列数控系统。在国内数控市场中，华中系统还是比较受欢迎的，同时也是打破了发达国家在这个领域的垄断。
国外的主要数控系统制造商有数控系统品牌较多，从相关资料统计结果来看，使用量最多的是FANUC与SIEMENS系统，FANUC是日本富士通公司生产的控制系统，是当今世界上最大的数控机床控制系统之一，SIEMENS则是德国生产的控制系统，国内比较常见。而国产数控系统主要以广州数控、华中数控为代表。
雕刻机发展趋势特点总结如下：
1）高速和高精度化
随着高速切削技术的不断进步，伴随着人们开始慢慢的向精细化生产的方向不断深入，这就要求数控系统自身的运算速度和反应速度更加快，来满足新一代的机床的要求。同时，国内数控行业竞争十分激烈，为了在市场上有一席之地，促使这些厂家所生产的数控机床系统具有高效、高精度的特点。
2）系统多功能化
在越来越趋于自动化的发展方向下，数控系统必须通过不断升级和完善各方面的功能，实现持续发展。例如：三维动画模拟加工功能；自动监测、检测功能（如自动对刀功能、自动测量和补偿功能、刀具寿命管理功能、切削用量自动调整功能等），自动装、卸工件功能等，最终实现无人化。
3）系统加工功能集成化
在加工工序越来越集中的要求下，势必要求加工功能的提升。例如：要求系统集车、铣、镗、磨等功能于一体或多轴加工，实现高精度和高效率加工，节约占地面积和投资。
4）系统格式的标准化
数控机床在西方工业强国发展了数十年的期间，现在有了一定的标准在数控编程上，慢慢的演化成不分国界的行业标准，在国内，国产数控机床拥有不同种类的数控系统。虽然都是各有各的特点，但仍然需通用的标准来规范数控系统的发展。目前国产数控机床中，只有华中数控研发的拥有中国自特色的数控系统还是比较成熟的，在有些地方，超越了西方现有的系统，但是综合来说，和西方的数控系统是无法抗衡的，数控系统是数控机床升级换代的关键。
5）多媒体技术的应用
当今社会，多媒体教室在每个地方都是常见的，他的亮点在于与计算机结合起来，可以展示出加工的图形，同时附带声像，让计算机具有综合处理的能力，来分析所接收的声音、文字、图像和视频信息。在设计时突出以人为本的主题，设计出来人性化的用户界面，我们可以通过机器屏幕窗口和菜单进行机器操作。 除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用在全天候监控生产现场及自动分析和排除故障原因、检测产品的参数等，所以有着重大的应用价值。
第二章 雕刻机的结构特点
2.1雕刻机的工作原理
从全局来看，数控雕刻机主控制系统就是一个三维数控系统，工作原理图如图所示:
雕刻机主要计算机里带有专门用来雕刻的软件进行程序编写和修改，检查自己设计的程序没有啥大问题的时候，可以将这些设计与排版的信息提交，并且自动传送至雕刻机控制器中，再把这些信息转成能驱动步进电机的信号(脉冲串)，最后控制雕刻机主机生成X，Y，Z三轴的雕刻走刀路基径。同时，程序中包含了刀具位置的走向。雕刻机上雕刻头有不同的种类，我们在加工的过程中根据加工材料的不同，所使用的刀具也是不一样了。当选定刀具后，对固定于工作台上的加工件进行切削，就可以看到在自己电脑设计的程序并且根据程序出现的模拟的图像。最后可以对比出来雕刻出来的平面或立体的浮雕图形及文字有啥不满意的地方，通过修改完善程序，雕刻出来一个十全十美的物件，最终使雕刻机实现自动化作业。
2.2整体结构
从结构组成角度分析，雕刻机的硬件部分主要由其整体结构构成，整体结构设计对雕刻机有很大的影响，尤其是在的加工过程中，工件的加工精度有很大的影响。
2.2.1雕刻机布局的要求
雕刻机布局的要求有以下几点:
1、雕刻机必须达到所要求的加工精度，达到工作所需要的刚度、抗振性、热变形要求。
2、使用简化机构提高传动精度和传动效率;在经济、技术水平的条件下，尽量采用较短的传动链，以增加相应的精度要求。
3、在设计完成的基础上必须满足加工范围、工作精度、生产率和经济性等要求。
4、设计结构应便于操作者观察加工过程，易于操作、调整和维修，确保安全；
5、结构简单，合理可靠。
2.2.2 雕刻机布局的决定因素
1、表面上运动的影响
在加工中心里，对不同的加工表面，机床将会采用适合本材料表面的刀具，表面加工的运动形式和数目不同，从而使布局的差异。如果对于加工表面相同，工件的技术要求不同的工件，我们也会采用不同的刀具，不同的刀具可以产生不同的效果，进而形成运动来加工，形成不同的布局。通过上述可知，雕刻机布局的格式主要是靠工件表面形式决定，在布局雕刻机的结构时，一定要从宏观的角度，从全局来考虑其所有要求，以便后期作出相应的比较实惠的布局设计。
2、雕刻机运动的影响
雕刻机的布局不同还取决于：工件表面形成方法和运动相同的前提下，雕刻机的运动分配不同。，也会使雕刻机的布局出现十分大的变化。在分配雕刻机运动时，要注意四个有利于点:
1) 有利于提高整体的机械效率
2) 有利于提高雕刻机结构的整体刚度。
3）有利于提高工件在加工时精度
4）有利于减轻工件尺寸的重量
工件尺寸、重量和形状的不同，雕刻机的布局也会显现出十分大的差异。另外，还应考虑雕刻机性能要求的影响，如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性，操纵方便形的影响，模块化设计法的影响等。通过查阅机械设计手册得出以下两种雕刻机基本布局方案：
雕刻机的布局设计简图
两种布局全都采用龙门吊的框架结构但是两者各有特点。
布局(1)：工作台固定，雕刻头在工作时可以进行水平方向和上下方向移动，立柱作纵向移动。该方案适合于需要调节纵向长度的雕刻机。由于工作台不动，机构的承载能力好，适合加工体积较大的工件。另外在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，由于各个支点高度相同，方便了支架支撑调整。但是雕刻头运动精度不能保证，还有就是立柱比较重，不便快速移动。
布局(2): 立柱固定，雕刻头作水平方向和上下方向移动，工作台作纵向移动。由于工作台移动，承载能力和布局(1)方案没法比。如果我们设计该机构所承载的加工件重量不是太重，这种方案里涉及的电动机提供的功率不是很大，另外传动件的尺寸也是比较小，机构在移动时比较灵活。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，由于支点高度相同，故方便支架支撑调整。从全局来看，支架结构较布局(1)方案有点复杂。该方案的最大的亮点便是在于雕刻头在运动时运动精度能够保证。
经过上述可知，结合自己的课题设计，我选用布局(2)的方案更加可靠，更加适合自己设计的数控雕刻机。
课题的总结
本设计主要任务是完成对雕刻机的总体研究及电主轴各方面的设计，使之达到实际使用的强度要求，同时筛选确定合理的实施方案和设计方法。通过对总体规划的认识，雕刻机的特点，以及对电主轴关键技术的要求来进行设计。主要完成了以下工作：
(1)对数控雕刻机进行了总体研究，明确了雕刻机的构成；
(2)完成了数控雕刻机电主轴的总体布局设计，尽量能够从布局上改善经济技术指标；
(3)确定了雕刻机及电主轴的相关技术参数。
本项工作还有许多值得改进的地方，比如：雕刻机雕刻精度的设计和结构的在简化。如果这些问题能够通过后期得到不断的改进、在结构上更加完善、在实践中不断的改进，相信各个方面都将会得到提高。
自从有了人类的社会活动以后，就诞生了雕刻这一行业，在科学技术发展的今天，雕刻机发展到一个新的高度，完全颠覆了人们对雕刻机的认识，雕刻机进入了一个变革的时代，当今社会是电脑雕刻加工的兴起的时代，电脑程序编写和修改的方便化，让电脑雕刻代替原有的人工雕。为了提高工作效率和满足不同客户的需求，促使电脑雕刻加工普及起来。他的优点得到了各行各业的认可，因此雕刻加工应涉及各行各业，在很多地方都有例如，生活中常见的礼品、建筑楼盘所需要的建筑模型、在街上随处可见的高大上广告、家庭里具有装饰作用的牌匾、个人印章雕刻、机械领域中模具的雕刻，在人们对雕刻机更加了解的时候，它已经在社会上广泛的应用起来了，在普及的过程，他的性能还在不断的更新和更加适应社会发展的需要，最后我相信雕刻加工必定会有更加广阔的发展空间。
参考文献
[1]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术[M].北京:机械工业出版社，2006:5-81.
[2]张珂，孙红，吴玉厚.高速电主轴的原理与应用[J].沈阳:沈阳建筑工程学院学报，2000:20-22.
[3]吴梅英.高速主轴单元的研究开发及应用[R].北京:北京机床研究所，2001.
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[7]许振宇.机械零件[M].北京:高等教育出版社，1983.
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[12]成大先.机械设计手册第二卷[M].北京:化学工业出版社，2002:282-294.
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[14]梁德本.机械制图手册[M].北京:化学工业出版社，2007.
[15]单忠臣.机械CAD技术基础[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002：1-9.
摘要
随着我国经济与国际全面接轨，让这个行业朝着好的方向不断前进。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备升级换代发展的良机，数控机床发展的途中遇到了两个重大问题，一是从国内市场来看，国家产业结构调整促使装备升级换代，给这个行业提供了很大的发展空间。二是从国外市场来看，自从2001年中国加入世界贸易组织后，领先我们几十年的高性能的装备进入中国市场后，造成我国的装备制造业更加没有竞争力，在市场经济的今天，在国家宏观政策下，中国数控机床得到了一个很好的发展时期，政策促使产业的持续发展的一个关键。但是，还是需要大量的技术人才来支持这个行业的科研及发展。国家为了缩小与国外产业的差距，国家投入了大量的人力、财力。今日的数控机床想着高精端、绿色环保、高速化、信息化方向发展。在实际生产中国产机床存在一些问题，只有解决好这些问题，才能促使新一代的雕刻机更加智能化，符合市场的需求。在软件方面，借助于CAD/CAM软件系统，编写程序很快、便于随时修改。所以，新一代的数控雕刻机具备了加工自动化、便捷化的特点，因此很快就被市场认可，且最终成为当今雕刻机发展的主流。接下来，详细地论述了雕刻机的总体规划，阐明了电主轴的工作原理。设计者根据电主轴总体布局，选用了合适的轴承并进行寿命校核。同时也设计了电主轴的防水防尘和冷却系统。高速电主轴的冷却系统由外水套和内水套两种组成。电主轴的关键技术是动平衡，为了保证电主.轴的动平衡，电动机转子和轴采用热套的方法进行安装。
关键词：数控雕刻机；电主轴；电主轴轴承；动平衡技术；冷却润滑方式；防尘密封装置
Design of High-speed Electrical Spindle of CNC Engraving Machines关键词：数控雕刻机；电主轴；电主轴轴承；动平衡技术；冷却润滑方式；防尘密封装置
Abstract
Along with our country economy and the international community, along with the rapid development of microelectronics technology and microcomputer technology, CNC engraving machine technology to achieve a qualitative leap, also make the industry development in the direction of good. Machine tool manufacturing industry is faced with mechanical manufacturing demand manufacturing equipment upgrading the level of development, the development of nc machine tools on the way encountered two major problems, one is from the domestic market, prompted equipment updating and upgrading of national industrial structure adjustment, provide the industry with a lot of room to grow. From the foreign market, since China joined the world trade organization in 2001, leading us after decades of high-performance equipment to enter the Chinese market, due to China's equipment manufacturing industry more competitive, did not in today's market economy, under the national macro policy, China's CNC machine tools has been a very good development, is one of the key policy to promote industry's sustainable development. But, still need a lot of technical personnel to support the research and development of the industry. Countries to narrow the gap with foreign industry, the state has invested a large amount of manpower and financial resources. Today's numerical control machine thinking, green environmental protection, high speed, high precision end informationization development direction. Chinese-made machine has some problems in practical production, only to solve these problems, can lead to a new generation of engraving machine more intelligent, conform to the demand of the market. In the aspect of software, with the aid of CAD/CAM software system, programming, easy to change at any time soon. So, a new generation of CNC engraving machine with the processing automation, convenient features, so quickly recognized by the market, and ultimately become the mainstream of the development of engraving machine today. Next, this paper discusses the general layout of engraving machine, illustrates the working principle of electric spindle. Designer according to the overall layout of motorized spindle, choose the suitable bearing and life respectively. Also designed the electric spindle and cooling system of water-proof and dust-proof. The cooling system of high-speed motorized spindle consists of a web of set and the internal set of two. The key technology of motorized spindle is a dynamic balance,. In order to guarantee the electric main shaft dynamic balance, motor rotor and shaft adopts the method of heat for installation.
Key words: CNC engraving machine; Motorized spindle bearings; Dynamic balance technology; Cooling lubrication way; Dust-proof sealing device
前言
中国传统的手工雕刻是一个要求很高的工艺工作，实物的外表主要在于雕刻工艺，具有这种高超的雕刻工艺需要从小学艺，经过长时间的实践，才有可能出师，具备这种能力。这种人工雕刻的缺点是生产效率低、人力成本高、可变性大。严重阻碍雕刻行业的发展。随着科技的进步，科技的发展，雕刻机成为我们现代人与时俱进的先进工具,是提高生产效率的工具，它省时省力又环保，应用也越来越广泛。在我国传统的雕刻艺术中，有一些比较有名的作品，他们使用的材料是象牙、红木、篆刻泥人、玉等，雕刻出来的作品都可以说是堪称世界上一绝的，同时也是世界上非物质文化遗产。说到雕刻那是从中国传统的五千年的源远流长历史说起，在中国的北宋，老前辈发明了活字版印刷术。这使得雕刻机的产生成为必然。制作的工艺也是日趋成熟，应用范围的也越来越日渐广泛。
伴随着近年来中国制造业的迅速的发展，数控雕刻机产业也相应获得了良好的发展的机遇，从而有效地加快了中国的数控雕刻机的生产和推广。我国的数控雕刻机是起步于经济型数控机床，随着数控技术的进步和不断改善，经历了十多年的发展历史，已形成了多个国产品牌雕刻机，但是中国的国产数控雕刻机（ cncrouter）的机床还是有许多不足，机构的刚度和精度达不到世界先进水平，但是它正在慢慢的具备了加工精度高，可靠性高的优点，正在慢慢的赶超世界先进的水平。
现代化的数控雕刻机是数控技术与雕刻的工艺相结合的产品，是一种特制的数控机床。虽然在外表上与通用数控机床类似，同时在生产中也通过数控的系统由程序代码来控制雕刻机的动作，从而实现了雕刻加工自动化。但是要和传统的手工的仿形雕刻工艺相比较，数控雕刻具有的一些优点如生产效率比较高、加工精度高、对零件的加工适应强等体现出了;同时，在软件方面，雕刻机有自己的雕刻软件，这个软件可以生成自己想要的加工图形，如果展示的有些图形错误，可以修改程序。所以说，现代化的数控雕刻机现已发展并且转化成为加工自动化，同时也成为当今雕刻机的发展的主流，被广泛应用于广告传媒业、磨具加工、以及房子装修等众多的领域。
第一章 绪论
1.1设计数控雕刻机的目的和意义
（1）通过对总体规划来了解设计的基本原理、基本方法； 伴随着近年来中国制造业的迅速的发展，数控雕刻机产业也相应获得了良好的发展的机遇，从而有效地加快了中国的数控雕刻机的生产和推广。我国的数控雕刻机是起步于经济型数控机床，随着数控技术的进步和不断改善，经历了十多年的发展历史，已形成了多个国产品牌雕刻机，但是中国的国产数控雕刻机（ cncrouter）的机床还是有许多不足，机构的刚度和精度达不到世界先进水平，但是它正在慢慢的具备了加工精度高，可靠性高的优点，正在慢慢的赶超世界先进的水平。
现代化的数控雕刻机是数控技术与雕刻的工艺相结合的产品，是一种特制的数控机床。虽然在外表上与通用数控机床类似，同时在生产中也通过数控的系统由程序代码来控制雕刻机的动作，从而实现了雕刻加工自动化。但是要和传统的手工的仿形雕刻工艺相比较，数控雕刻具有的一些优点如生产效率比较高、加工精度高、对零件的加工适应强等体现出了;同时，在软件方面，雕刻机有自己的雕刻软件，这个软件可以生成自己想要的加工图形，如果展示的有些图形错误，可以修改程序。所以说，现代化的数控雕刻机现已发展并且转化成为加工自动化，同时也成为当今雕刻机的发展的主流，被广泛应用于广告传媒业、磨具加工、以及房子装修等众多的领域。
第一章 绪论
1.1设计数控雕刻机的目的和意义
（2）通过对设计的理解，掌握电主轴机械部分的设计方法；
（3）通过对设计的理解，了解自己在设计时应注意的问题；
（4）通过电主轴的工作原理解，了解轴承技术及关键技术（润滑，冷却，动平衡，运动控制 ）
高科技化的数控机床给传统的机械工业带来了变革和惊人经济效益，在产业结构和布局及生产上都发生着革命性的变化。数控雕刻机是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业现代化发展的必经之路。
1.2数控雕刻机具有的特点
（1）我们电机放在主轴的里边，通过自带电源的带动主轴进行转动，这样说是基本实现电机、主轴的一体化的功能。
（2）噪声低，振动小，精度高。
数控雕刻机的结构小、重量很轻、惯性很小、振动很小、噪声很低等，这样的优点让它很快被市场认可，让设计师能够更加简化机床的设计，在机构里能够实现主轴的定位。
（3）可在额定转速的范围内具有无级得变速机的调节功能，便于根据实际加工来调整。
（4）设计时电主轴选用的支撑形式是高速精密滚动轴承，润滑方式采用油气润滑。相比较而言，他可以提高轴承的寿命，降低机构的损害。
（5）在设计时采用驱动控制技术，在工作中可以实现准停、准位、准速功能，适应车削中心、加工中心及其它数控机床的需要。
1.3数控雕刻机应用领域
雕刻机作为数控设备，在现代社会建设中，应用到得行业越来越多，以下为您介绍下数控雕刻机的广泛应用领域。
1、 纪念品
商家为了适应时代的进步和迎合人们对时尚的追求，越来越多的高大上的会议和旅游活动中都在采用雕刻制作的奖牌、证书、小礼品和广告宣传纸业。
2、模型
从古至今，模型在各行各业都在应用，起初是纯手工雕刻，但是由于客户要求在慢慢提高，人工雕刻不能够使用现代社会，因而促进雕刻行业的发展。例如制作房屋模型，城市远景规划模型及航模。
3、牌匾、标牌
随着城市公共设施建设、现代化的住宅小区、古老街道的复古改造、高大上写字楼的建设，给雕刻制作牌匾、标牌和标志提供了广阔的空间和平台。同时为了树立良好的高科技企业形象，重视科技的创新以及适应时代的发展，很多企业也纷纷将公司的牌匾换成雕刻的，在写字楼里处处可见，例如公司里个个部门科室牌、公司员工胸牌等等。
4、木器业
雕刻机可以使放样、开槽、打孔、镂边等木器工艺和家具加工实现数字化，在提高产品的重复性、标准化程度的同时，使加工的成品率和生产效率得到显着的提升
5、印刷电路板(PCB)新产品开发中的电路制作
6、印章业
随着生活水平的不断提高，人们开始不单单要求简单的私人印章，而是是个性有特色的用不同材料雕刻的而成，智能雕刻机的出现，满足了客户的需求。
7、印刷雕版
虽然雕刻木版和雕刻胶版是一些特定领域无法替代的印刷技术，但是机械现在的雕刻机可以胜任雕刻木版制作的绝大部分工作量，机械雕刻胶版不像激光雕刻那样，在工作时，同时产生有害废气，如今国家提倡经济发展新常态，提倡绿色环保、可持续发展，以人为本以及关心珍爱生命的背景下，机械雕刻的各种性能符合国家的市场的需求，更是科技进步的一种表现，相信它才是值得提倡的现代化胶版雕刻手段。
8、吸塑模具
生活中的吸塑灯箱和雕刻牌匾一样，都是刻绘透光彩和喷绘灯箱牌匾的更新换代产品。其中制作字体和图案模具是吸塑灯箱制作工艺流程当中的十分重要的一个环节，同时雕刻机是这个工艺环节中的得力工具。
在科技不断发展的今天，市场涌现出各种新型装饰材料，这些材料很多是可以用来雕刻的，计算机数控雕刻机迎来了广阔的发展空间。下一代的雕刻机可能是与3D打印的相结合的产物，以便更加适合社会发展的需求。
1.4数控雕刻机的发展趋势
进入二十一世纪，我国装备产业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发机遇，有效地促进了我国数控雕刻机升级换代和推广应用。雕刻机的功能将会日益的强大，性能将会更趋稳定。雕刻机发展趋势总结如下：
（1）精密度程度高
传统的的数控机床的性能如何，主要体现加工件在静止时被加工时所要求的精度，而今天的数控机床不但仅仅局限在工件静止不动的状态，而是快速的向动态的高精准方向发展，以适应社会的发展以及客户的需求。
（2）主轴转速
在结构设计上，电主轴布局是内装式主轴电机，从理论设计的角度来看，在工程师设计的时候，得出主轴工作时最大速度是200000r/min。从分辨率角度来看，分辨率为0.01μm时，工件的进给率达到340m/min且可获得曲面的精确加工；
（3）换刀速度
根据数据表明，发达国家先进数控加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，有的国家已经达到0.5s。德国是世界上数控机床发展的高端的一个国家，其中Chiron公司将刀库设计的换刀模式被称为行业的经典，他的结构是以主轴为轴心，刀具在圆周布置，这样缩短时间，实现换刀仅仅0.9s。
(4) 采用误差补偿技术
由于加工零件时，刀片与加工件接触会有热量产生，造成设备的热变形误差，因而我可以进行补偿来降低误差。在实际加工中发现，采用这种方法可以可将加工件的误差将大大的降低。
（5有钻铣功能
其可用于钻孔、切边、加工小模具，性价比高。
1.5电主轴概述
电主轴是一种新技术，它主要是将机床主轴与主轴电机融为一体。它是新时代的三大加工技术之一。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其的附件：电主轴、高频变频的装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等等。机床的主轴就是电动机的转子，主轴单元的壳体就是电动机机座了，并且配合其他的零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。
随着科技水平的不断发展，电气的传动技术也得到了迅速的发展和日趋完善，人们不断简化高速的数控机床主传动的系统的结构，继而带轮的传动和齿轮的传动被取消。新一代的内装式的电动机直接驱动机床主轴，直接缩短机床主传动链长度，这个长度甚至为零。这种新一代设计的机床做机床的“零传动”。新一代的机床可以完美的将主轴的电动机与机床的主轴整合在一起，可以实现主轴的部件从机床的传动系统和整体的结构中分离出来，成为一个独立的部分，也可以叫做“主轴单元”，俗称“电主轴”。
1.6电主轴的关键技术
(1)高速精密轴承技术；
(2)高速精密电主轴的动态性能和热态性能的设计；
(3)高速电动机设计及驱动技术；
(4)高速电主轴的精密加工和精密装配技术；
(5)高速精密电主轴的润滑技术；
(6)高速精密电主轴的冷却技术；
(7)高速精密电主轴的内置脉冲编码器技术；
(8)高速精密电主轴的是矢量变频技术；
(9)高速刀具的装卡技术；
(10)自动换刀技术。
1.7我国数控雕刻机目前的发展现状
我国数控技术起步于20世纪50年代末期，目前，国产数控机床的厂家有广州数控、华中数控等，经过几十年的发展，我国生产出来具有自己特色的编程语言的数控系统，加工出来的产品的性能和可靠性都得到了市场的认可，慢慢的被商家认可和肯定，在国内市场上有了一定的市场。但是由于中国数控发展起步比较晚，机床的系统技术含量低，不能够加工高精度和特殊材料的工件，影响了产品的附加值，国产的数控系统不能与工业强国研发的系统竞争市场。在过国内，对于加工件没有要求很高精度时，常常使用国产的数控系统，我们国家数控发展水平和世界先进水平，还是有一段距离。目前在我国数控系统已发展为四种开放式种类，分为华中数控系统（华中科技大学）、中华I型(北京航空航天大学)、航天I型和蓝天I型。近年来，国家华中科技大学投入了大量的人力、财力，促使了拥有自己开发的国产华中数控发展迅速，相继开发了具有自主知识产权的华中牌的高、中、低端系列数控系统。在国内数控市场中，华中系统还是比较受欢迎的，同时也是打破了发达国家在这个领域的垄断。
国外的主要数控系统制造商有数控系统品牌较多，从相关资料统计结果来看，使用量最多的是FANUC与SIEMENS系统，FANUC是日本富士通公司生产的控制系统，是当今世界上最大的数控机床控制系统之一，SIEMENS则是德国生产的控制系统，国内比较常见。而国产数控系统主要以广州数控、华中数控为代表。
雕刻机发展趋势特点总结如下：
1）高速和高精度化
随着高速切削技术的不断进步，伴随着人们开始慢慢的向精细化生产的方向不断深入，这就要求数控系统自身的运算速度和反应速度更加快，来满足新一代的机床的要求。同时，国内数控行业竞争十分激烈，为了在市场上有一席之地，促使这些厂家所生产的数控机床系统具有高效、高精度的特点。
2）系统多功能化
在越来越趋于自动化的发展方向下，数控系统必须通过不断升级和完善各方面的功能，实现持续发展。例如：三维动画模拟加工功能；自动监测、检测功能（如自动对刀功能、自动测量和补偿功能、刀具寿命管理功能、切削用量自动调整功能等），自动装、卸工件功能等，最终实现无人化。
3）系统加工功能集成化
在加工工序越来越集中的要求下，势必要求加工功能的提升。例如：要求系统集车、铣、镗、磨等功能于一体或多轴加工，实现高精度和高效率加工，节约占地面积和投资。
4）系统格式的标准化
数控机床在西方工业强国发展了数十年的期间，现在有了一定的标准在数控编程上，慢慢的演化成不分国界的行业标准，在国内，国产数控机床拥有不同种类的数控系统。虽然都是各有各的特点，但仍然需通用的标准来规范数控系统的发展。目前国产数控机床中，只有华中数控研发的拥有中国自特色的数控系统还是比较成熟的，在有些地方，超越了西方现有的系统，但是综合来说，和西方的数控系统是无法抗衡的，数控系统是数控机床升级换代的关键。
5）多媒体技术的应用
当今社会，多媒体教室在每个地方都是常见的，他的亮点在于与计算机结合起来，可以展示出加工的图形，同时附带声像，让计算机具有综合处理的能力，来分析所接收的声音、文字、图像和视频信息。在设计时突出以人为本的主题，设计出来人性化的用户界面，我们可以通过机器屏幕窗口和菜单进行机器操作。 除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用在全天候监控生产现场及自动分析和排除故障原因、检测产品的参数等，所以有着重大的应用价值。
第二章 雕刻机的结构特点
2.1雕刻机的工作原理
从全局来看，数控雕刻机主控制系统就是一个三维数控系统，工作原理图如图所示:
雕刻机主要计算机里带有专门用来雕刻的软件进行程序编写和修改，检查自己设计的程序没有啥大问题的时候，可以将这些设计与排版的信息提交，并且自动传送至雕刻机控制器中，再把这些信息转成能驱动步进电机的信号(脉冲串)，最后控制雕刻机主机生成X，Y，Z三轴的雕刻走刀路基径。同时，程序中包含了刀具位置的走向。雕刻机上雕刻头有不同的种类，我们在加工的过程中根据加工材料的不同，所使用的刀具也是不一样了。当选定刀具后，对固定于工作台上的加工件进行切削，就可以看到在自己电脑设计的程序并且根据程序出现的模拟的图像。最后可以对比出来雕刻出来的平面或立体的浮雕图形及文字有啥不满意的地方，通过修改完善程序，雕刻出来一个十全十美的物件，最终使雕刻机实现自动化作业。
2.2整体结构
从结构组成角度分析，雕刻机的硬件部分主要由其整体结构构成，整体结构设计对雕刻机有很大的影响，尤其是在的加工过程中，工件的加工精度有很大的影响。
2.2.1雕刻机布局的要求
雕刻机布局的要求有以下几点:
1、雕刻机必须达到所要求的加工精度，达到工作所需要的刚度、抗振性、热变形要求。
2、使用简化机构提高传动精度和传动效率;在经济、技术水平的条件下，尽量采用较短的传动链，以增加相应的精度要求。
3、在设计完成的基础上必须满足加工范围、工作精度、生产率和经济性等要求。
4、设计结构应便于操作者观察加工过程，易于操作、调整和维修，确保安全；
5、结构简单，合理可靠。
2.2.2 雕刻机布局的决定因素
1、表面上运动的影响
在加工中心里，对不同的加工表面，机床将会采用适合本材料表面的刀具，表面加工的运动形式和数目不同，从而使布局的差异。如果对于加工表面相同，工件的技术要求不同的工件，我们也会采用不同的刀具，不同的刀具可以产生不同的效果，进而形成运动来加工，形成不同的布局。通过上述可知，雕刻机布局的格式主要是靠工件表面形式决定，在布局雕刻机的结构时，一定要从宏观的角度，从全局来考虑其所有要求，以便后期作出相应的比较实惠的布局设计。
2、雕刻机运动的影响
雕刻机的布局不同还取决于：工件表面形成方法和运动相同的前提下，雕刻机的运动分配不同。，也会使雕刻机的布局出现十分大的变化。在分配雕刻机运动时，要注意四个有利于点:
1) 有利于提高整体的机械效率
2) 有利于提高雕刻机结构的整体刚度。
3）有利于提高工件在加工时精度
4）有利于减轻工件尺寸的重量
工件尺寸、重量和形状的不同，雕刻机的布局也会显现出十分大的差异。另外，还应考虑雕刻机性能要求的影响，如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性，操纵方便形的影响，模块化设计法的影响等。通过查阅机械设计手册得出以下两种雕刻机基本布局方案：
雕刻机的布局设计简图
两种布局全都采用龙门吊的框架结构但是两者各有特点。
布局(1)：工作台固定，雕刻头在工作时可以进行水平方向和上下方向移动，立柱作纵向移动。该方案适合于需要调节纵向长度的雕刻机。由于工作台不动，机构的承载能力好，适合加工体积较大的工件。另外在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，由于各个支点高度相同，方便了支架支撑调整。但是雕刻头运动精度不能保证，还有就是立柱比较重，不便快速移动。
布局(2): 立柱固定，雕刻头作水平方向和上下方向移动，工作台作纵向移动。由于工作台移动，承载能力和布局(1)方案没法比。如果我们设计该机构所承载的加工件重量不是太重，这种方案里涉及的电动机提供的功率不是很大，另外传动件的尺寸也是比较小，机构在移动时比较灵活。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，由于支点高度相同，故方便支架支撑调整。从全局来看，支架结构较布局(1)方案有点复杂。该方案的最大的亮点便是在于雕刻头在运动时运动精度能够保证。
经过上述可知，结合自己的课题设计，我选用布局(2)的方案更加可靠，更加适合自己设计的数控雕刻机。
课题的总结
本设计主要任务是完成对雕刻机的总体研究及电主轴各方面的设计，使之达到实际使用的强度要求，同时筛选确定合理的实施方案和设计方法。通过对总体规划的认识，雕刻机的特点，以及对电主轴关键技术的要求来进行设计。主要完成了以下工作：
(1)对数控雕刻机进行了总体研究，明确了雕刻机的构成；
(2)完成了数控雕刻机电主轴的总体布局设计，尽量能够从布局上改善经济技术指标；
(3)确定了雕刻机及电主轴的相关技术参数。
本项工作还有许多值得改进的地方，比如：雕刻机雕刻精度的设计和结构的在简化。如果这些问题能够通过后期得到不断的改进、在结构上更加完善、在实践中不断的改进，相信各个方面都将会得到提高。
自从有了人类的社会活动以后，就诞生了雕刻这一行业，在科学技术发展的今天，雕刻机发展到一个新的高度，完全颠覆了人们对雕刻机的认识，雕刻机进入了一个变革的时代，当今社会是电脑雕刻加工的兴起的时代，电脑程序编写和修改的方便化，让电脑雕刻代替原有的人工雕。为了提高工作效率和满足不同客户的需求，促使电脑雕刻加工普及起来。他的优点得到了各行各业的认可，因此雕刻加工应涉及各行各业，在很多地方都有例如，生活中常见的礼品、建筑楼盘所需要的建筑模型、在街上随处可见的高大上广告、家庭里具有装饰作用的牌匾、个人印章雕刻、机械领域中模具的雕刻，在人们对雕刻机更加了解的时候，它已经在社会上广泛的应用起来了，在普及的过程，他的性能还在不断的更新和更加适应社会发展的需要，最后我相信雕刻加工必定会有更加广阔的发展空间。
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[15]单忠臣.机械CAD技术基础[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002：1-9.
目录
摘要 I
Abstract II
前言 IV
第一章 绪论 1
1.1设计数控雕刻机的目的和意义 1
1.2数控雕刻机具有的特点 1
1.3数控雕刻机应用领域 2
1.4数控雕刻机的发展趋势 3
1.5电主轴概述 4
1.6电主轴的关键技术 4
1.7我国数控雕刻机目前的发展现状 5
第二章 雕刻机的结构特点 7
2.1雕刻机的工作原理 7
2.2整体结构 8
2.2.1雕刻机布局的要求 8
2.2.2 雕刻机布局的决定因素 8
2.2.3 雕刻机坐标系的确定 10
2.2.4雕刻机的机械结构设计 10
2.4主轴组件 13
第三章 电主轴的总体布局及主轴的设计 14
3.1 DX4050CNC雕刻机的总体布局 14
3.2电主轴的工作原理 16
3.3电主轴总的体布局形式及主轴设 17
3.3.1．拟定轴上零件的装配方案 18
3.3.2.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 18
3.3.3.轴承预加载荷方式 19
3.4高速主轴动态过盈联接的过盈量计算及主轴强度校核 20
3.5轴承寿命校核 23
3.5.1求两端轴承受到的径向载荷 24
3.5.2求两轴承的计算轴向力 24
3.5.3求轴承的当量动载荷 26
第四章 电主轴冷却、润滑、防尘和密封装置的设计 27
4.1电主轴的冷却设计 27
4.2电主轴的润滑设计 28
4.3提高电主轴的动平衡 29
4.4电主轴的防尘与密封装置的设计 30
4.5电主轴的运动控制 31
课题的总结 33
致谢 34
参考文献 35
