毕业设计（论文）-可重构数控机械雕刻机设计（全套图纸三维）.doc

可重构数控机械雕刻机设计本文将展开机械系统可重构设计技术的研究，对可重构制造系统进行了初步的探究。通过三维建模构建多轴加工系统，在设计中体现可重构思想，利用已具有的清华的数控套件构建一些试验平台以实现某些特定平面的激光雕刻加工，包括移动副X，Y，Z三轴的任意组合转动副A，B两个方向的任意组合。文中主要针对雕刻球面，圆柱面，圆锥面三种不同的曲面，利用Solid Works进行建模，机械结构的设计，研究，初步探究制造系统中的可重构性，同时针对各别的零件进行了G代码的生成，刀具路径的仿真以及有限元分析。关键词 可重构制造系统,设计,研究,有限元分析全套图纸加153893706目录1 绪论31.1 引言31.2 可重构制造系统的特征31.3 可重构制造系统的发展现状及发展趋势41.3.1 可重构制造系统的发展现状41.3.2 可重构制造系统的主要发展趋势52 可重构数控雕刻机械结构设计62.1 雕刻球面结构设计及装配62.1.1 球面加工方案的选择62.1.2 总体结构的设计62.1.3 工件装夹中的位置关系72.1.4 总体结构在Solid Works中的装配关系82.1.5 总体结构设计中各部分调整问题研究92.1.6 总体结构评价102.2 雕刻圆锥面结构设计及装配112.2.1 圆锥面加工方案的选择112.2.2 总体结构的设计112.2.3 结构装配及工件装夹中的位置关系112.2.4 总体结构在Solid Works的装配关系122.2.5 总体结构评价132.3 雕刻球面及圆锥面一体结构设计及装配142.3.1 总体结构的设计142.3.2 总体结构在Solid Works中的装配关系142.3.3 总体结构设计中干涉问题的研究172.3.4 总体结构评价192.4 材料的选择192.4.1 PVC板的含义202.4.2 PVC板的力学性能202.4.3 选择PVC板材的原因203 板的加工及G代码的生成203.1 EdiTasc Starten简介203.2 Master CAM简介213.2.1 Master CAM的推出213.2.2 Master CAM X2主要功能及特色223.3 G代码的生成及运行仿真233.3.1 Master CAM软件中G代码的生成233.3.2 EdiTasc Starten中运行仿真234 有限元分析244.1 有限元分析的简介及特点244.1.1 有限元分析的简介254.1.2 有限元分析的特点254.2 有限元分析的一般处理步骤254.3 有限元分析实例分析264.3.1 实例具体步骤264.3.2 有限元分析实例分析结果33结 论35致 谢36参 考 文 献36附录A371 绪论1.1 引言随着新世纪的来临，全球的市场竞争日益激烈。一方面人们对于产品的功能、性能、质量要求越来越高促使制造商不断研发新产品，另一方面科技技术的快速发展也加快了产品更新换代的步伐。传统的单一大批量生产方式已经不在适应当代变幻莫测的市场需求了。在这种形势下，为了保持市场竞争能力，制造企业需要一种生产能力能随市场需求变化而调节、功能上能适应新产品的快速响应的制造装配系统，以小批量、多品种的生产方式代替传统的生产方式。本研究涉及到的可重构制造系统（RMS）正是为了适应这样的要求而提的。可重构制造系统的核心就是在制造过程中的可重构性，也就是用户可以根据生产产品的变化对机床的结构，布局进行改变，而且每次重构毒药力求做到基本上无多余功能。可重构机床目前还是处在研究阶段，但肯定有发展的潜力，现在就应该给予足够的关注。本次设计是利用清华的数控套件，通过两个转动副A，B以及三个移动副X，Y和Z，灵活搭建多轴数控系统，对制造系统中的可重构性进行初步的分析和探究，重点在于进行了雕刻球结构设计以及雕刻圆锥面结构的设计。关键在于结构的整体设计，G代码的生成以及有限元分析。1.2 可重构制造系统的特征RMS技术可用于大多数制造系统中，特别是市场竞争激烈、产品的品种和数量陡变的状况下快速构建制造系统。它的基本特征是可重构（可组态）性，除此之外还包括以下主要特征： 1.可变性，对产品，制造技术和过程变化的高柔性的适应能力。可以适应任何环境的变化；2.可集成性，是可嵌套新模块与新装置或设备，能实现系统大于部分之和的系统整合；3.订货化，可按订单驱动；4.模块化，可进行制造过程、制造功能和制造能力的模块化组合；5.优化物流，减少在制件（WIP），提高机床利用率510%，提高产品变换后产品的生产质量（据美国在汽车装配线实践的经验是压缩装配质量分散性1/3左右，即使变为2/3）；6.可诊断性，对产品质量缺陷和设备故障的可跟踪和可溯源性；7.经济可承受性，是投资、系统功能和成本综合优化，经济上可行的，经济上可以承受的；8.敏捷性，以强大的市场扩展柔性、增强企业竞争力，使企业获利。在任何情况下做大限度满足市场需求。1.3 可重构制造系统的发展现状及发展趋势1.3.1 可重构制造系统的发展现状可重构制造系统是继承20年代的自动化流水线、50年代的NC机床、60年代的FMS和80年代的CIMS之后，由国外一些实施先进制造的企业首先创造的又一类新型可变制造系统。其目的在于：大大缩短适应产品品种与产量变化的制造系统的规划、设计和建造时间及新产品的上市时间，大幅度地压缩系统建造的投资、降低生产成本、保证质量、合理利用资源、提高企业的市场竞争力和利润率。它涉及：先进的制造战略、营销、新产品创新与改进的设计与开发、系统工程与分析、随机动态规划与决策论、质量工程、系统可靠性和运行跟踪与诊断、计算机技术、自治与协同控制、硬软件接口与协议技术、经济可承受性、系统集成管理和生产运作管理等多学科、多种技术的交叉融合。RMS是适应今天和明天先进制造发展的新一代技术群体中一种重要而适用的技术，对我国制造企业增强竞争力有重要意义。它与传统的制造系统规划、设计和建造的区别在于：企业可随时根据产品变化，由产品工艺过程变化驱动、快速进行组态规划和设计，在专门的多功能小组（Team）的支持下快速实施系统动态组态（重构）。因它是建立在公共地基、可随时移动又可保证组态后性能的机床设备和组元的基础上的，故具有投资少、可重复利用、优化布置、物流合理、保证质量、设备运行可靠、短交货期和低成本等优点。它不仅是可改进、可革新的开放系统，还是存在寿命期、由产品状况决定的一种新的可变制造系统。制造系统与新产品开发、商务实践构成了制造的三个基本要素。制造系统中的关键问题是：如何快速设计与建造新产品生产的系统，使企业及时抓住商机；在产品变化时，如何形成使企业可以迅速扩大市场份额或战胜竞争对手、抢占市场的能力；是否允许新技术、新装置尽快地用于制造生产。2060年代，刚性的自动化流水生产（大量生产）帮助先进的企业和国家形成制造竞争力的优势。7080年代以丰田生产方式为代表改进了大量生产的制造系统，由NC与CNC机床和FMS、FMC实现中小批量生产的优势。但在80年代以来，不断全球化和呈快速多变的制造货物市场上，它们均不能满意地解决上述3个问题。CIMS虽然是一种解决问题的途径，但一些先进的企业为了实行更大的设备系统柔性进行了多种探索。日本对化工生产设备小型化和数控可移动化进行了成功地探索；美国等一些先进的制造企业利用弹性支撑，抛弃了单独地基的不变制造系统布置，成功实现制造系统的可移动组合布置。后者由于经济简单易行很快为不少企业所接受。据知：美国相当多的制造企业平均每年对制造系统进行12次的重组布置，以适应产品的变化；英国有的公司达到1次/周的重组布置频率。在工业界和政府的推广下，发达国家从90年代中开展了可重构制造系统的基础与应用研究，并已推广应用。例如：19941999年以美国密执安大学为中心的RMS课题获得了NSF与工业界3080万美元的支持，进行了“制造系统重构方式对系统性能的影响”，“产品装配过程的变流理论与建模”等方面的研究，并以可重构的敏捷制造为课程进行了广泛地企业培训，同30个以上的企业进行以RMSERC为基础的合作。与此同时，美国依阿华大学和麻省理工学院的研究人员对这类系统的设计进行了研究。因此，可以预见，一个建立在科学基础上可重构制造系统技术将成为支持20世纪初制造业发展的重大技术。可重构制造系统技术应该得到足够的重视。1.3.2 可重构制造系统的主要发展趋势1.在基础研究和应用研究的基础上开发实用技术和支持系统工具，改变个别摸索或经验型为科学化、标准化技术与作业，并发展支持产品和系统工具；2.在先进制造战略指导下，逐步建立完整的RMS理论、设计与规划方法、测试和评价方法与工具，使之与其它先进制造技术形成融合的第三技术群； 3.深入研究系统分解与集成的理论，与集成制造和CIMS等技术一起形成能建立和发挥系统乘积效果的科学重构理论技术； 4.在模块化理论指导下研究开发模块化的装置、机床装备和产品，支持CIMS等技术一起形成能建立和发挥系统乘积效果的科学重构理论技术； 5.研究和开发支持RMS的系统集成管理、订货化商务和生产运作管理，以及RMS小组组织与管理。2 可重构数控雕刻机械结构设计本设计通过机械、电气、硬件和软件四大部分的协调工作，实现对任意半径球表面的足球图案激光加工，精度高，可靠性好，加工效率高。设计的重点在结构部分。2.1 雕刻球面结构设计及装配2.1.1 球面加工方案的选择方法名称加工方法加工效率转动轴数量驱动器数量算法难度双自由度矢量加工矢量加工高22高经纬加工法打点加工低22低小面积逐个加工法打点加工低33高从上诉三种方法来看，第一种加工法案比较好：（1）精度比较好控制；（2）机械平台比较容易实现；（3）加工效率比较高；综上所述，我选择了第一种加工方法双自由度矢量加工法。2.1.2 总体结构的设计图 2.1 总体结构设计等轴侧视图 该结构称为双回转自由度机械工作台，该机械结构由两个回转的工作台组成，可以实现对球体结构零件两个回转自由度的控制。激光可垂直射入球的表面。两回转工作台可分别带动球体结构零件围绕轴线旋转而改变数值。通过这种方式确定球面上任意一点的位置。如右图所示该结构能够实现：1. 对曲面上任意一点垂直射入加工。2. 能够控制激光焦距，稳定光斑的大小，保证表面加工的质量。3. 能够实现曲面表面点阵图的扫描式加工。4. 具有定位准，精度高，失真小等特点。2.1.3 工件装夹中的位置关系所谓双自由度是指在结构中只有两个方向的移动或者转动。上图的结构中就是由两个转动副所构成的，我们暂且把围绕水平方向旋转的定义为转动副A和把围绕竖直方向旋转的定义为转动副B。在加工球面时，由于激光发射器的探头（刀具）是无法进行任何移动的，由于只有两个转动副，所以在装夹，加工球面结构时我们需要注意以下两点：1.球面结构所具有的两条相互垂直的中心线必须与两个转动副A，B的旋转轴心线相互重合。以保证在加工球面结构物体时，两个转动副同时转动时，球面结构的中心不会偏离两个转动副A，B的轴心线。如图 2 .2所示。 图 2.2 球面结构与转动副之间的位置关系2.雕刻机的激光探头必须与球面结构实体的中心对齐，以保证在转动副A，B同时转动时激光发射器的探头一直正对着球面的中心，以保证在加工过程中的稳定性。如图 2.3所示。 图 2.3 球面结构与激光发射器之间的位置关系2.1.4 总体结构在Solid Works中的装配关系如 图2.4所示。转动副A转动副B623541图 2.4 装配体爆炸视图在这个总体结构中，Solid Works装配关系中基本采用面与面相互重合或者孔与孔的轴心线相互重合的约束方式进行约束。在实际结构的装配中，为了实现面与面的重合关系，采用了以下方式，以其中底板1与加强板2连接处为例。具体实例如图2.5所示。 图 2.5 连接方式 在实际的结构中，考虑到结构的可重构性，所以我们在板与板连接的时候不采用完全固定的连接方式，这样在下面的结构中，可以达到重复利用的目的，以初步体现结构的可重构性。我们所采用的连接方式是：先在底板与左右两边的加强板相对应的位置钻直径为4mm的孔，然后在底板1钻孔处攻丝，公称直径为4mm的螺纹孔M4。两者间用M4的螺栓连接，以这种方式来保证两块加强板2之间的平行度。这种连接方式有两个优点，在结构方面，不仅可以充分满足两块加强板之间的平行度要求，在强度要求方面，又可以满足强度方面的要求。我们采用这种灵活的连接方式体现结构中可重构性。该结构中的位置关系：两块加强板2之间的平行度不仅仅是靠底板1来保证的，同时板3也可以充分保证两块加强板之间的平行度。板3在保证两块加强板平行度的同时又起到固定转动副A并且与地板6相连接，并且同时保证了两块加强板5之间的平行度。2.1.5 总体结构设计中各部分调整问题研究任意一个机械结构在装配后都不会是一步到位的，肯定都是需要留有一定的可以调整的空间，进行调整。在此加工球面的结构中，机械平台所需要调整的地方包括下面几处：1. 旋转台与水平面的平行度；2. 转动副B的上表面与底板的平行度；3. 球形零件与转动副A，B的同轴度；4. 转动副A，B两个回转轴的共面度；5. 激光发射器探头的位置；6. 固定连接板3与转动副A的平行度；7. 所发射的激光过加工球面的球心；在整体结构中所采用的连接方式虽然不是完全固定式的连接方式，但是在连接后却是类似完全固定式的连接方式，无法进行任何调整，然而我们在加工该机械结构中各个部件的时候肯定会存在误差，肯定需要进行调整。针对这个问题并且结合以上几个可能需要调整的地方，对加工球面的结构做了进一步的改进。把以前所采用的M4的螺纹孔结构转变为宽度为4mm的槽状结构，以便在后续的结构中进行调整。如图 2.10所示。 图 2.10 调整方式2.1.6 总体结构评价该机械结构在加工时选择的是双自由度矢量加工法，是一个最优的加工球面的方法，结构相对比较简单，清晰，易于实现。机械工作平台比较容易实现，装配，调整都比较容易，可以很好的控制加工精度，加工效率相对比较高。结构中只涉及到两个转动副，所以只需要两个步进电机进行驱动。相同的加工条件下，所需要的驱动机构最少。总体来说，该机械结构还是比较完善，基本可以满足加工球面的功能要求。在结构的连接方式也采用的相对合理的不完全固定式的连接方式，一定程度上体现了可重构性。2.2 雕刻圆锥面结构设计及装配2.2.1 圆锥面加工方案的选择 在选择圆锥面的加工方法时，最先考虑最特殊的情况，也就是加工一个圆柱面。通过分析，加工圆柱面只需要一个方向的移动和一个方向的转动。由此我们需要一个移动副和一个转动副。在这里，我们暂且把移动副定义为移动副X，转动副定义为转动副A。移动副X转动副A 图2.11 在分析过加工特殊的圆柱结构以后，如果能找出了加工圆锥面结构零件与加工圆柱面结构零件的区别，就可以设计出加工圆锥面结构零件的机械结构。在加工圆柱面结构零件时，激光发射器的探头总是垂直于圆柱面结构零件的圆柱面的轴心线，并且在移动副A移动时，激光发射器的探头的位置与激光加工表面的距离固定不变。在加工圆锥面结构零件时，激光发射器的探头也总是垂直于圆锥面结构零件的轴心线，但是在移动副A进行移动时，激光发射器的探头的位置与激光加工表面的距离发生变化。圆锥面与圆柱面的根本区别在于圆锥面自身有一定的角度，而圆柱面的角度为90。通过研究，发现只要将转动副A转过相应的角度就可以加工圆锥面结构零件。2.2.2 总体结构的设计加工圆柱面结构加工圆锥面结构 2.2.3 结构装配及工件装夹中的位置关系 工件装夹中要注意以下几点：1. 在结构装配的时候，一定要保证转动副A的回转轴心线与移动副X的丝杠的中心线在同一平面内。2. 转动副A的上表面与板3的平行度。这样可以保证在地板3调整角度的时候，转动副A的回转轴心线不会偏离移动副X丝杠中心所在的竖直平面，以保证加工过程中的稳定性。3. 圆柱面或者圆锥面的轴心线要与转动副A的回转轴心线相互重合。这样才可以保证在转动副A进行转动时，圆柱面或者圆锥面的的轴心线不会偏离转动副A的回转中心，以保证加工的精度。4. 激光发射器的探头要与要与圆柱面或者圆锥面的轴心线共面并且垂直。这样才能够保证激光射入的时候，平均，稳定的与圆柱面或者圆锥面接触，不会发生光斑的忽大忽小，以保证加工过程中的激光射入的稳定性。2.2.4 总体结构在Solid Works的装配关系转动副A3移动副X21图2.12 装配体爆炸图其中，板与板间连接方式，以其中地板1与侧面的板2连接处为例。如图2.13所示。 图2.13 连接方式在这个加工圆锥面的总体结构中，Solid Works装配关系中基本采用面与面相互重合或者孔与孔的轴心线相互重合的约束方式进行约束。在实际的结构中，考虑到结构的可重构性，所以在板与板连接的时候采用的方式与雕刻球面的连接方式相同。不采用完全固定的连接方式，这样在下面的结构中，可以达到重复利用的目的，以初步体现结构的可重构性。我们所采用的连接方式是：先在底板1与左右两边的板2相对应的位置钻直径为4mm的孔，然后攻丝，公称直径为4mm的螺纹孔M4。在板2相对应的位置做宽度没4mm的槽，以便在后续的结构中可以进行调整，在两者间用M4的螺栓连接，以这种方式来保证两块加强板之间的平行度。如上图2.13所示：这种连接方式即可以充分满足两块板2之间的平行度要求，又可以满足强度方面的要求，加工成槽的形状还可以在结构装配中调整位置关系。我采用这种灵活的连接方式体现结构中可重构性。2.2.5 总体结构评价该机械结构简单，合理，易于实现。结构中只涉及到一个移动副X以及一个转动副A两个自由度，所以只需要两个步进电机进行驱动。结构对材料的强度要求不高，材料易于加工完成。机械结构简单的同时又可以满足加工精度，同时又满足加工的各项要求，并且该结构中不会存在干涉问题。该结构中最大的有点就是通用性。结构中，在左右两侧的加强板2上加工出弧形槽，目的在于，不仅仅可以加工圆柱面零件，还可以加工任意角度的圆锥面结构零件。我们可以在左右两侧的加强板2的弧形槽处标上角度刻度，在加工圆锥面结构零件时只需要将底板3转动一定的角度就可以实行加工。2.3 雕刻球面及圆锥面一体结构设计及装配在分析了上述的雕刻球面的机械结构以及雕刻圆锥面的机械结构后，发现两套机械结构似乎存在共同之处，于是提出了这样的一个设想：是否能将两套机械结构整合为一套结构呢！也就是说在一套机械结构中既可以雕刻球面结构，同时经过相对应的改装之后又可以雕刻圆锥面结构呢！在分析第一套雕刻球面的机械结构后，发现结构中的转动副A一直处于竖直位置，一直实在竖直平面内进行旋转。在雕刻球面及圆锥面一体的结构中，需要竖直的转动副A旋转一个角度进行雕刻。如果把第一套雕刻球面的结构中转动副A通过一定的手段使其可以旋转一定的角度，那么就可以实现圆锥面的雕刻加工。2.3.1 总体结构的设计图2.14 总体结构设计等轴侧视图该机械结构由转动副A，转动副B以及一个移动副X组成，并且转动副A是可以围绕着某一根轴心线进行旋转的。目的在于，满足圆锥面机构的加工需求。2.3.2 总体结构在Solid Works中的装配关系如图2.15所示。移动副X转动副A转动副B100543219876图2.15 装配体爆炸视图雕刻圆柱及圆锥面结构雕刻球面结构 在这个加工球面及圆锥面一体结构的总体结构中，Solid Works装配关系中基本采用面与面相互重合或者孔与孔的轴心线相互重合的约束方式进行约束。在实际的结构中，考虑到结构的可重构性，所以在板与板连接的时候采用的方式与雕刻球面及雕刻圆锥面结构的连接方式相同。不采用完全固定的连接方式，这样在下面的结构中，可以达到重复利用的目的，以初步体现结构的可重构性。在实际的结构中，不仅仅是沿用了以上不完全固定式的连接方式，同时也对结构方面做出了一定的优化。在第二套雕刻圆锥面的机械结构中，为了让转动副A能够转动一定了角度，以满足雕刻圆锥面的需要，采用了在底板1以及连接板3的侧面钻孔并用螺栓连接的方式，这样不免会降低了板材的强度。该结构中对这种连接方式进行了改进，不在采用在板的侧面打孔的方式进行连接，而是采用的下面的方式，如图2.16所示。 图2.16 连接方式采用上图中的连接方式不仅可以满足雕刻圆锥面的功能要求，有不会降低板材的强度，同时该结构中的连接板4又可以充分保证了两块加强板2之间的平行度。其自身的平行度要求靠连接板3和连接板6保证。在该结构中，板与板之间的装配关系，需要满足的各项要求以及在装夹零件时所需要满足的各项要求在前两套机械结构中都已经全面说明了，也就是说，该结构中各项装配关系都与前两套结构中相同。其中包括装夹球面工件，圆柱面工件以及圆锥面工件。其装夹配合关系，安装关系都与第一节、第二节中的关系相同。在实际结构的调整方面，也都可以遵照雕刻球面的机械结构中的结构调整方式进行调整。2.3.3 总体结构设计中干涉问题的研究总体结构设计中干涉问题是一个非常重要的问题。在软件中对干涉问题进行分析，可以及时地对结构进行相应的调整，可以大大减少在实际结构中的错误。在总体结构设计中干涉问题主要考虑的有以下几个方面：第一：在结构装配本身是否存在装配的干涉问题，这个问题是最基本的问题。装配本身不应该存在干涉问题；第二：如果结构在装配完，不存在装配干涉的问题，还需要考虑的是，在机械结构运动的过程中，会不会存在干涉问题：第三：如果前面两点都不存在干涉问题，还需要考虑的是，在机械结构运动的过程中，总体结构会不会与外界（刀具等）发生干涉问题。当然，第三点我们在此无法验证，下面就一、二两点做出验证，验证如下：1.在做整体结构设计的时候，结构本身是否存在干涉问题，这也是最基本的一点，下面我将针对此问题，通过Solid Works软件进行验证，由于该结构中并不存在任何的过盈配合，所以在结构中必定不会存在任何的干涉问题，如图 2.17所示。图2.17 干涉检查1验证完毕。验证结果：无干涉问题存在。2.在整个结构装配完后，考虑两个转动副A，B在旋转的过程中会不会出现干涉问题。通过观察分析，在转动副B进行转动的时候，就总体结构来看不会存在干涉问题。下面我将针对此问题，通过Solid Works软件对转动副A在进行转动时是否会出现干涉问题进行验证，如图 2.18所示。图2.18 干涉检查2通过图2.18的分析，我们可以很直观，很清晰的看到，在转动副A进行旋转的时候出现了干涉问题。干涉问题产生的主要原因是连接转动副A和转动副B的那块板在旋转的时候与转动副A的步进电机部分发生了干涉。针对该问题做了以下改进，如图 2.19所示。 图2.19 连接板的修改通过改变板上半部分的厚度，其不影响整个结构的功能，又可以避免干涉问题，同时又可以提高板的强度。下面针对改进后的结构，针对干涉问题再做一次论证，如图 2.20所示。图2.20 干涉检查3验证完毕。验证结果：无干涉问题存在。2.3.4 总体结构评价该结构有效的将雕刻球面结构和雕刻圆锥面结构有效的结合在一起。结构简单，清晰，易于实现，并且可充分满足各项零件的加工要求。结构中为了实现加工圆锥面结构的效果，在结构板2上加工出类似第二套结构中的弧形槽，以解决在雕刻球面结构中转动副A不能转动一定角度的问题，同时又满足了雕刻圆柱面结构的要求。在解决了此问题的同时，也对细节方面的连接方式做出了优化。在第二套雕刻圆锥面结构中，在转动副A转动一定角度的时候，使用的连接方式是在底板1以及底板3的侧面钻孔。这样不免会降低板材的强度。在该结构中，采用了图2.19的连接方式。这种连接方式就对板材的强度方面没有过多的影响，完全可以满足结构的强度需求。在满足强度的同时又可以满足加工的需求。在该结构中，转动副A旋转的方式采用内部整体旋转的方式。这种方式的好处在于可以更好的保证外部两块加强板2之间的平行度。其本身的平行度要求又可以靠连接板5以及连接板6进行保证。从结构角度来看比第二节中的连接方式更加合理，强度方面更能满足要求。2.4 材料的选择在材料的选择方面，考虑到各方面的原因，最终，该机械结构中选择的材料为PVC板材。2.4.1 PVC板的含义PVC板是由聚氯乙烯树脂与稳定剂等辅料配合后压延,层压而成,具有优质的防腐蚀性,绝缘 性,耐温性和耐冲击性,强度高,二次加工方便,可锯,钻,刨,符合GB/T445496标准要求,广泛用于化工,化肥,建筑,电镀,环保水净化处理等部门的耐酸耐腐蚀结构材料.外观板面光滑平整,无气泡,无裂缝,一般为灰色,也可以根据用户需要配色.规格:一般厚度:2-70MM 长宽度:2000*1000MM。2.4.2 PVC板的力学性能力学性能PVC有较高的硬度和力学性能。并随分子量的增大而提高，但随温度的升高而下降。硬质PVC的力学性能好，其弹性模量可达1500-3000MPa。而软质的PVC的弹性1.5-15 MPa。但断裂伸长率高达200%-450%。PVC的摩擦性一般，静摩擦因数为0.4-0.5，动摩擦因数为0.23。综上所述：材料选用PVC板材。因为其具有优良的化学稳定性，耐腐蚀性，硬度大，强度高，防紫外线（耐老化），耐火阻燃（具有自熄性），绝缘性能可靠，表面光洁平整，不吸水，不变形、易加工等特点。PVC板材为优等的热成型材料，能够替代部分不锈钢等其他材料，产品质量执行GB/T13520-1992。PVC板材产品是优等的热成型塑料，能替代部分不锈钢和其他耐腐蚀性合成材料。被广泛用于化工，石油，电镀，水净化处理设备，环保设备，矿山，医药，电子，通讯及装潢等行业。2.4.3 选择PVC板材的原因整个机械结构中，板的材料选用PVC板材。选择PVC层压板材的原因主要有：1.PVC板材易于加工成各种形状。材料便宜，加工成本不高。表面硬度高，抗刮伤性优良。2.在该结构中因为是激光雕刻加工，没有刀具与加工表面没有直接的接触，所以两者之间没有切屑力的存在，所以整个机械结构不需要考虑震动等因素。PVC板材的在强度等方面完全可以满足该机械结构的需求。3.外观靓丽，非常平整光滑。4.本次做的结构为样板机，选用PVC板材正合适。3 板的加工及G代码的生成3.1 EdiTasc Starten简介EdiTasc Starten是为各种控制卡配套的通用数控软件。它不仅是一个包含钻床、铣床、镗床，雕刻机和加工中心控制功能的理想数控软件，也是一个高度开放的平台，可以直接控制各种工业自动化设备，或方便的开发用户专用页面及控制系统。它有一下几点有点：1. 在Windows下实时运行，汉化的控制系统软件，适用于铣、镗、雕刻（镂铣）、加工中心、电加工和多种自动化控制设备；2. 能够识别国际标准DIN 66025 G代码；3. 程序的编辑同word；4. 后台PLC功能；5. 所控制的轴的数量仅受PC机的计算能力和控制卡的限制；6. 软件在工作中与控制卡每0.1毫秒以中断的方式交换数据，给出下次的运动指令，控制卡 自动产生运动控制信号；7. 所有参数按类在各自的子窗口中显示和设定，并有对应中文和英文的详细注解，可选配各种电机和螺距的丝杠；8. 图形提示的方式使编程变得非常简单；9. 有车、铣、镗、和雕刻的标准G代码；可接收CAD(DXF格式)文件；有电路板加工专用软件接口；可配多种CAD/CAM软件，如MASTERCAM、VECTOR；10.系统采用预读功能，通常预读程序段数设为10个，最多可达60段。采用预加速/减速来保证切削矢量速度恒定或平稳过度。在严格按编程的轨迹运动过程中，系统预读N个程序段，来使运动速度平稳，避免过运动。3.2 Master CAM简介3.2.1 Master CAM的推出Master CAM是在1984年由美国CNC Software Inc公司推出的，这以软件就以其强大的加工功能闻名于世。多年来该软件在功能上不断更新与完善，已被工业界以及学校广泛采用。Master CAM不但具有强大稳定的造型功能，可设计出复杂的曲线、曲面零件，而且具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。其可靠刀具路径效验功能使Master CAM可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检验出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反应加工过程中的实际情况，不愧为一优秀的CAD/CAM软件。同时Master CAM对系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计、CNC铣床、CNC车床或CNC线切割等加工操作中，都能获得最佳效果。Master CAM软件已被广泛应用于通用机械、航空。船舶、军工等行业的设计与NC加工，从80年代末起，我国就引进了这款著名的CAD/CAM软件，为我国的制造业迅速崛起做出了巨大的贡献。3.2.2 Master CAM X2主要功能及特色Master CAM X2是与微软公司的Windows技术紧密结合，用户界面更为友好，设计更加高效的版本。借助于Master CAM软件，用户可以方便快捷地完成从产品2D/3D外形设计、CNC编程到自动生成NC代码的整个工作流程，因此被广泛应用于模具制造、模型手板、机械加工、电子、汽车和航空等行业。Master CAM基于PC平台，易学易用，具有较高性价比，是CNC编程初学者在人门时的首选软件。Master CAM包括CAD和CAM两个部分，Master CAM的CAD部分可以构建2D平面图形、构建曲线、3D曲面和3D实体。CAM包括5大模块：Mill、Lathe、Art、Wire、Router。Master CAM X2具有全新的Windows操作界面，在刀具路径和传输方面更趋完美和强大，其功能特点如下：1. 操作方面，采用了目前流行的“窗口试操作”和“以对象为中心”的操作方式，使操作效率大幅提高；2. 设计方面，单体模式可以选择“曲面边界”选项，可动态选取串连起始点，增加了工作坐标系统WCS，而在实体管理器中，可以将曲面转化成开放的薄片或封闭实体等；3. 加工方面，在刀具路径重新计算中，除了更改刀具路径和刀角半径需要重新计算外，其他参数并不需要更改。在打开文件夹时可选择是否载入NCI资料，可以大大缩短读取大文件的时间；4. Master CAM系统设有刀具库及材料库，能根据被加工工件材料及刀具规格尺寸自动确定进给率、转速等加工参数；5. Master CAM是一套以图形驱动的软件，应用广泛，操作方便，而且它能同时提供适合目前国际上通用的各种数控系统的后置处理程序文件，以便将刀具路径文件（NCI）转换成相应的CNC控制器上所使用的数控加工程序（NC代码）。3.3 G代码的生成及运行仿真3.3.1 Master CAM软件中G代码的生成以图中的固定板为例，如图3.1所示。图3.1 固定板Master CAM软件中生成的G代码详见附录A。Master CAM中模拟最终结果3.3.2 EdiTasc Starten中运行仿真在EdiTasc Starten中能识别的G代码如下。G00 X Y Z 快速定位。最大进给速度由变量MF值确定。G01 X Y Z 直线插补。最大进给速度由ML决定，但实际进给宿舍要受到机器特性的影响。G02/G03 圆弧插补进给。格式为G02 X Y Z I J K 。X，Y和Z是圆弧结束点位置，I，J和K是圆弧的圆心坐标。在增量编程时，I，J和K是相对于圆弧起始点的增量。G02为顺时针圆弧插补进给指令；G03为逆时针圆弧插补进给指令。G04 延时指令。延时时间范围：从0.010-9999.990秒。G17 PLANE XY/XZ/YZ。选定XY/XZ/YZ平面（其中XY平面为默认平面）。G22 调用指令。G90 绝对坐标编程指令。G91 相对坐标编程指令。G40 取消刀尖半径补偿。G41/G42 用于左方向/右方向刀尖半径补偿。由于在EdiTasc Starten中只能识辨以上的G代码，所以在将Master CAM生产的G代码导入其中进行刀具路径的运动仿真时，需要对代码进行修改。去除去不可识别的代码并且将其识别不出的代码变为可识别的代码，例如G02 X Y R需要变为G02 X Y I J等。在EdiTasc Starten中进行刀具路径运动仿真的最终结果如图3.2所示。图3.2 路径模拟4 有限元分析4.1 有限元分析的简介及特点4.1.1 有限元分析的简介有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。4.1.2 有限元分析的特点有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。4.2 有限元分析的一般处理步骤在实践中，有限元分析法通常由三个主要步骤组成：1.预处理：用户需建立物体待分析部分的模型，在此模型中，该部分的几何形状被分割成若干个离散的子区域或称为“单元”。各单元在一些称为“结点”的离散点上相互连接。这些结点中有的有固定的位移，而其余的有给定的载荷。准备这样的模型可能极其耗费时间，所以商用程序之间的相互竞争就在于：如何用最友好的图形化界面的“预处理模块”，来帮助用户完成这项繁琐乏味的工作。有些预处理模块作为计算机化的画图和设计过程的组成部分，可在先前存在的CAD文件中覆盖网格，因而可以方便地完成有限元分析。2.分析：把预处理模块准备好的数据输入到有限元程序中，从而构成并求解用线性或非线性代数方程表示的系统Kij*Uj=Fi式中，U和F分别为各结点的位移和作用的外力。矩阵 K 的形式取决于求解问题的类型，本模块将概述桁架与线弹性体应力分析的方法。商用程序可能带有非常大的单元库，不同类型的单元适用于范围广泛的各类问题。有限元法的主要优点之一就是：许多不同类型的问题都可用相同的程序来处理，区别仅在于从单元库中指定适合于不同问题的单元类型。3.后处理：在有限元分析的早期，用户需仔细地研读程序运算后产生的大量数字，即列出的模型内各离散位置处的位移和应力。这种方法容易漏掉重要的趋向与热点，而最新的程序则利用图形显示来帮助用户直接观察运算结果。典型的后处理模块能显示遍布于模型上的彩色等应力线图，以表示不同的应力水平，显示的整个应力场的图像类似于光弹性法或云纹法的实验结果。4.3 有限元分析实例分析本小节中将采用第二章第二节雕刻圆锥面结构中的底板3为具体的实例对有限元分析进行研究。如图4.1所示图4.14.3.1 实例具体步骤1.在Solid Works中打开此零件，如果已经正确安装了Simulation，而在Solid Works的主菜单栏中没有Simulation菜单，可以单击主菜单栏中的“工具”“插件”命令，系统会弹出“插件”对话框，在对话框中勾选Solid Works Simulation点击“确定”如图4.2插件对话框所示。图4.22.创建一个有限元算例，单击“Simulation”“算例”会自动生成一个“算例1”的名称，就采用这个默认的名称。选择算例“类型”为“静态”，单击“确定”如图4.3所示。 图4.33.在Simulation管理器中生成一个算例的项目名称为“算例1”，如图4.4所示。图4.44.设定零件材料，在Simulation管理器中右键单击“底板”图标，在弹出的快捷菜单中选择“应用/编辑材料”图标后系统会弹出“材料”属性管理器，如图4.5所示。图4.55.在选择框中选择“solid works materials”，在材料框中选择“塑料”“PVC0.007塑化”，单击“应用”，系统会弹出来一个窗口，如图4.6所示。图4.6在设定材料的时候，系统如果弹出这样的窗口，请按照如下的操作进行。选中“PVC0.007塑化”右击复制，再选中“自定义材料”右击新类别，再选中“新类别”右击粘贴。选中“PVC0.007塑化”就可以进行属性编辑了。在屈服强度一栏填上30000000。点击“应用”“关闭”。如图4.7所示。图4.7 材料属性编辑6.约束零件，在Simulation管理器中右键单击“夹具”，在弹出的快捷菜单中选择“固定几何体”，如图4.8所示。在系统弹出的对话窗口中选择“固定 图4.8几何体”并且在输入框中输入底板零件侧面的四个孔的圆柱面，如图4.9所示。单击“确定”按钮完成固定制约。 图4.97.给零件加负荷，在Simulation管理器中右键单击“外部载荷”，在弹出的菜单中选择“力”，单击“力”后系统会弹出“力”属性管理器，选择“力的类型”为“法向”，在“法向力的面”输入框中输入底板零件的上表面，在“力值”一栏输入20N，如图4.10所示。图4.108.划分网格，在simulation管理器中右键单击“网格”，在弹出的菜单中选择“生成网格”，单击“生成网格”后系统会弹出“网格”属性管理器，选中“网格参数”中的“标准网格”，在“高级”中雅克比点选择“4点”。单击“确定”按钮。在点击确定后系统开始网格化并弹出“网格进展”的窗口。如图4.11所示。 网格化后的底板零件图4.119.静态分析，在Simulation管理器中右键单击“算例1”，在弹出的菜单中选择“运行”，单击“运行”后系统开始运行分析计算并弹出运行进度窗口。在成功的运行静态分析之后，simulation将在管理器中生产一个名为“结果”的文件夹，其中包含“应力”“位移（合位移）”“应变”“位移”四个元素。如图4.12所示。 图4.1210.显示有限元计算结果，在simulation管理器中右键单击结果中四个元素中的任意一个，在系统弹出的菜单中选择“显示”，如图4.13所示。图4.134.3.2 有限元分析实例分析结果应力云图位移云图应变云图结 论本次设计课题是可重构数控机械雕刻机的机构设计。可重构制造系统是一种能够快速响应周围需求环境的变化，同时自身又可迅速做出调整的一种新型制造系统。制造系统具有可重构能力是其生存和发展的基本手段，具有较高可重构性的公司在风云突变的环境中将远远超过其竞争对手。因此本次课题的设计意义深远。一、主要工作及结论（1）翻译相关的英文资料；（2）撰写毕业设计说明书；（3）学会了机械结构设计的基本方法与一般步骤，对于机械设计行业，制造行业有了更加深刻的了解；（4）对设计工作有了更深的了解，端正了对设计工作的态度；（5）在选择各个机构中的重要零件时，学会了正确查询资料的方法；（6）了解了设计的过程，更理解了设计是一个反复的过程；（7）对Master CAM等软件有了更加深入的了解，用起来更加熟练；（8）对Solid Works中关于有限元分析的部分有了初步的了解，可以对简单的零件进行分析；（7）学会了利用我们所学的知识自己独立解决一些问题，提高了自身独立解决问题的能力。二、存在的问题（1）由于缺乏工作方面，设计方面的经验，对机械结构的设计还不是很完善，所设计的结构还有不足，还需要继续改进，继续努力；（2）对于两个转动副的内部结构，原理以及步进电机的驱动方面还不是非常了解；（3）本次设计中涉及到两个转动副，由于硬件条件的限制，转动副A的体积，质量太大，导致整个机械结构在协调性上不是很完善。致 谢参