机械毕业设计（论文）-广告型三维机械雕刻机设计【全套图纸】.doc

山东理工大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目： 广告型三维机械雕刻机设计广告型三维机械雕刻机设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 指导教师： 毕业设计（论文）时间：二 一年 三 月 六 月 摘要 摘摘 要要 机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电 力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体， 它是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势。三维机械雕刻机是一种典 型的机电一体化产品，在广告制作行业具有较大的市场前景。 本文从系统的观点出发，根据机电一体化产品设计的基本原理、关键技术 和研制原则，制定了广告型三维机械雕刻机的总体设计方案，详细地分析了雕 刻机系统的总体布局和结构方案、数控系统的运动方式以及主运动和进给运动 系统的选择等，同时进行了机械系统的设计和实现，包括主运动和进给运动的 设计计算，控制系统的设计，以及“三维雕刻”插补算法的选择、分析和实现 过程，实现了该雕刻机系统的初步优化。 本课题的目的在于设计一种三维雕刻机，实现自动化、高速度、高精度的 数控雕刻机加工，增强实用性和高效性。 关键词：雕刻机,数控系统,机电一体化,三维，插补算法 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 摘要 Abstract These technologies are widely used in Mechatronics, including mechanism, microelectronics，autocontrol, information, sensor and test,power and electron, interface, signal transform, software program. On the other hand, Mechatronics makes these technologies integrated closely. It is the primary trend of the development of mechanical industrial technology and products in the world nowadays.3D- mechanical engraving plotter is a typical mechatronic product. It has a larger market prospect in the advertising industry. In this thesis, we have developed the whole design project of 3D-mechanical engraving machine from the system view, discussed the overall layout , structure, the movement of CNC system and the choice of the main movement and the feeding movement system on the basis of principles of the mechanical and electrical products design and key technologies. I have designed the mechanical system which includes the calculation for the main movement and the feeding movement system and the control system which includes the selection of hardware. As well as we select and analyze and realize the process of 3D-Engrave interpolation arithmetic. optimized 3D-mechanical engraving system is realized. The aim of the task is to design a three-dimensional engraving plotter, realize automatic, high-speed, high-precision CNC engraving operation and enhance usability and efficiency. Keywords: Engraving plotter, numerical control system, mechatronics, 3D，and interpolation arithmetic. Abstract II 目 录 摘 要. ABSTRACT（英文摘要）. 目 录. 第一章第一章 引引 言言.1 1.1 雕刻机概述.1 1.1.1 雕刻机的发展现状 .1 1.1.2 研制的雕刻机的特点 .2 1.2 雕刻机的研制目标.3 1.3 研制雕刻机的目的和意义 .3 第二章 广告型三维机械雕刻机的总体设计方案.5 2.1 几种雕刻机的简介.5 2.1.1 雕刻机的特点 .5 2.1.2 进口雕刻机的总体设计 .5 2.2 广告型三维机械雕刻机的总体方案.6 2.2.1 主要内容 .6 2.2.2 总体布局 .6 2.2.3 坐标系的确定 .8 2.2.4 雕刻机的数控系统 .9 2.2.5 雕刻机的机械部分 . 12 2.2.6 雕刻机的 控制部分 . 14 第三章 广告型三维机械雕刻机机械系统的设计 . 19 目录 III 3.1 设计参数的确定. 19 3.2 切削力、切削扭矩和切削功率的计算 . 20 3.3 主运动系统的设计计算. 23 3.3.1 主运动系统传动链的组成 . 23 3.3.2 主轴电动机的设计计算 . 23 3.3.3 平皮带和带轮的设计计算 . 24 3.4 进给运动系统的设计计算. 26 3.4.1 进给系统传动链的组成 . 26 3.4.2 滚珠丝杠副的设计计算 . 27 3.4.3 工作台进给 电动机的设计计算 . 31 3.4.4 工作台直线导轨副的设计计算 . 32 3.4.5 同步带及带轮的设计计算 . 33 第四章 广告型三维机械雕刻机的控制系统设计.36 4.1 雕刻机控制系统的硬件设计. 36 4.1.1 控制系统的硬件 组成 . 36 4.1.2 存储器及扩展电路 . 37 4.1.3 面板操作键 . 38 4.1.4 功能选择开关 . 39 4.1.5 显示器的选择 . 40 4.2 电源. 40 4.3 新型插补算法. 41 结论.44 参考文献.45 致谢及声明 .46 目录 IV 第一章 引言 - 1 - 第一章 引言 20 世纪 60 年代以来，一大批高新技术群体逐步形成，如微电子技术、信 息技术、自动化技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋 开发技术、激光与红外技术、光纤通讯技术等等。这些高新技术已经且继续向 经济、军事和社会生活的各个领域渗透，并以空前的规模向现实生产力迅速转 化。高新技术向产业的转移，推动了生产力的发展。传统机械产业经机电一体 化革命带来了优质、高效、低耗及柔性的优势，增强了产品在行业内的经济竞 争能力。因此，高新技术的应用得到各行业的极大重视。 特别是到了 21 世纪，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，迅速转化为巨大的经济效益。高新技术流向传统产业，引起传统产 业的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命的冲击下， 产品结构和生产系统结构发生了质的跃变微电子技术、微型计算机技术使信 息和智能与机械装置和动力设备有机结合，一方面极大地提高机电产品性能和 产品竞争性，另一方面又极大地提高产品生产系统的生产效率和企业的经济竞 争能力。 广告制作行业也充分享用了机电一体化革命的硕果，促使其加工制作的过 程进入了一个广阔的新天地。 1.1 雕刻机概述 1.1.1 雕刻机发展现状 上世纪 90 年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机， 刻章机再到三维雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。大到楼 房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻机 的使用范围无处不在。 雕刻机（Engraving Plotter ) ，顾名思义就是用机器代替人工进行雕刻 的设备。 第一章 引言 - 2 - 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。雕刻机完成了从 2D2.5D3D 加工的变革，功能完善、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。国外的雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此 行业的佼佼者，但价格非常昂贵。近几年国内的雕刻机，北京“精雕”、上海 “啄木鸟”在国内也有一定的市场，但价格也不菲。 1.1.2 研制的雕刻机的特点 雕刻机是一种典型的机电一体化设备，体现在产品、设计、制造诸方面的 特点有： 1简化机械结构，提高精度 采用调速电动机来驱动机械系统，从而缩短机械传动链，这不但简化了机 械结构，而且减少了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。 2易于实现多功能和柔性自动化 在雕刻机中，计算机控制系统，不但取代其它的信息处理和控制装置，且 易于实现自动检测、数据处理、自动调节和控制、自动诊断和保护，而且可自 动显示、记录和打印等。此外，计算机硬件和软件结合就能实现柔性自动化， 并且有很大的灵活性。 3产品开发周期缩短、竞争能力增强 雕刻机可以采用专业化生产的、高质量的机电部件，通过集成技巧来设计 和制造，因而不但产品的可靠性高，甚至在使用期限内无需维修，从而缩短了 产品开发周期，增强了产品在市场上的竞争能力。 第一章 引言 - 3 - 1.2 雕刻机的研制目标 随着微电子技术和机电结合深度的发展，可不断提高产品附加值。雕刻机 是一种典型的机电一体化设备，研制的总体目标是提高该产品在市场中的竞争 能力。研制目标具体体现在以下几个主要方面： 1自动化 降低使用的复杂程度，降低劳动强度，减少操作人员数量，减少辅助工作 时间，减少人为干预，稳定生产过程，提高生产效率。 2.柔性化 提高产品应用功能的灵活性，适应用户多样化的使用要求。 3.模块化 将产品总体从软硬件结构上按功能划分为模块，各功能模块相对独立研究、 发展和完善，通过标准接口联成系统。 4.高速度 提高数控系统的插补运算和控制速度，高速度直接与高效率相联系。实现 系统高速化，不仅要求计算机及软件有很高的信息处理速度，而且要求系统各 运动部件和驱动控制具有高速响应的特征和响应速度的匹配性。 5.高精度 保证在加工过程的质量控制，得到与其相适应的产品质量。 6.实用性 操作界面简单，易于实现加工控制；适合大部分广告型产品的加工，并满 足其质量的要求。 1.3 研制雕刻机的目的和意义 机电一体化技术是机械技术和电子技术的有机结合，它包括机械、电子、 计算机和自动控制技术。它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优 第一章 引言 - 4 - 化。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使 产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械 工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业发展的必由之路。 研制广告型三维机械雕刻机的目的主要应用于广告行业的广告制作，主要 包括以下几方面： 切(Cutting):把硬质的板材切割成文字或图案，主要用于制作装饰用的立 体字； 刻(Engraving):把文字和图案雕刻在材料表面，用于各种标牌(胸牌、门 牌、桌牌、礼品牌、设备铭牌等)和礼品工艺品的制作； 雕(Carving 1201-1217,1997. 20D.K. Baek, T.J. Ko, and H.S. Kim. Optimization of federate in a face milling operation using a surface roughness model. Int.J. of Machine Tools and Manufacture,(41):451-463,2001. 致谢 - 46 - 致谢 在本文即将结束之际，我