开题报告数控雕刻机的机构设计及运动仿真.doc

本科毕业设计（论文）开题报告题 目 数控雕刻机的机构设计及运动仿真设计（论文）题目 数控雕刻机的机构设计及运动仿真设计（论文）类型（划“”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它一、 本课题的研究目的和意义建国五十年来，我国的机械工业虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。但随着世界科学技术的迅速发展，我国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此，在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品，已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的焦点。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化。近年来，世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产系统向柔性化、智能化发展。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。本课题的研究意义可归结为以下三点：第一：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软件。因此，本课题有重要意义。第二：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。因此，开发一套可以进一步改进雕刻工艺和水平的专用软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。第三：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、 本课题的主要研究内容（提纲）1.数控雕刻机现有产品现状的调研及市场分析；2. 数控雕刻机的机械结构的设计，包括总体结构、主运动方案、进给运动方案、刀具方案等的确定；3. 数控雕刻机的机械系统的设计计算，包括主运动系统的设计计算、进给运动系统的设计计算、切削力、切削扭矩和切削功率的设计计算；4. 数控雕刻机步进电机的选择；5. 用三维设计软件设计有关零部件，并进行装配；6. 基于三维软件的数控雕刻机的运动仿真的分析。三、 文献综述（国内外研究情况及其发展）数控雕刻技术是传统雕刻技术和现代数控技术结合的产物，它禀承了传统雕刻精细轻巧、灵活自如的操作特点，同时利用了传统数控加工中的自动化技术，并将二者有机的结合在一起，成为一种先进的雕刻技术。所有这些技术都将通过数控雕刻机转化为真正的生产能力。数控雕刻机集计算机辅助设计技术（CAD技术）、计算机辅助制造技术（CAM技术）、数控技术（NC技术）、精密制造技术于一体，是目前最先进的雕刻设备，代表了最先进的雕刻技术。使用数控雕刻技术和数控雕刻机已经成为雕刻行业的一种潮流。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。数控雕刻的特点：与传统的数控加工比较，数控雕刻是高速铣削加工。高速铣削加工是种高转速、小进给和快走刀的加工方式，形象地称为“少吃快跑”的加工方式。有如下特点：1.专业的数控雕刻加工工艺以“等量切削”技术为核心的数控雕刻工艺，避免了加工吃刀量不均的问题，保证了产品精细度指标的实现，并降低了精细加工的断刀概率，提高了加工效率。数控雕刻对象的特点是图案复杂、细节丰富、造型奇特、成品精细。要实现这样的加工要求，则必须使用小尺寸的刀具科为基本加工刀具，在很多情况下，数控雕刻机使用的雕刻刀具刀尖直径不足0.5毫米甚至到0.1毫米以下。使用小刀具进行精细雕刻是数控雕刻的最基本的特征，数控雕刻系统的所有其他特点都围绕这个基本的特点和要求而产生。2.高精度、高转速的主轴电机由于数控雕刻使用小尺寸的刀具进行铣削加工，所用刀具的直径小，加工中为保证刀具的切削线速度和切削能力，势必要提高刀具的旋转速度，使用具有高转速能力的主轴电机。主轴电机旋转速度高，可为小刀具提供高的切削速度，并确保小刀具在雕刻中能有较好的切削能力。制造精度高，旋转噪声低，刀具装卡跳动量小，使小刀具平稳的进行铣削加工提供了良好的工作环境。3.轻型机密的机床结构数控雕刻适合小工件、小加工量并能满足定加工精度要求的轻型加工，所以雕刻机的整体结构较为精巧，具有较强的刚性和齐全的配置。整体铸件结构，为高精度的运动提供了稳定的工科平台，确保了雕刻机运动平稳、噪音低、雕刻成品光洁度好。4.尺寸精度高、耐磨性能好、专业性强的雕刻刀具具体保证数控雕刻成品精细和加工效率高是最为关键因素之一，在使用高速主轴电机和计算机辅助加工技术（CAM）的前提下，数控雕刻机所使用的刀具的尺寸精度高、耐磨性好。不同的工艺使用不同的刀具，使用专业刀具加工相应的业务和材料。5.高效平稳的控制系统数控雕刻控制系统采用了行进的微步细分控制算法，机床运动高速平稳，分辨率高，可达0.003m m/步。另外，也有部分机型使用伺服驱动单元，机床各项性能指标又有较大幅度的提高。6.功能强大的控制软件控制软件工作界面灵活便捷，功能丰富，实现了多项独具特色的雕刻功能，如选择雕刻功能、雕刻时间计算功能等，适合中件或批量产品雕刻。7.以完整的精雕雕刻系统作为依托根据小刀具雕刻的基本特点，并结合当前制造业先进的高速铣削（HSM ）理念，精雕科技提出了小刀具高速雕刻思想，主要目标是提高雕刻效率和雕刻精度，减少小刀具的磨损率，在实际加工中的表现为“高转速、快进给、小进给、匀切削、高效率”。此项技术是项整体的系统技术。精雕雕刻CAD/CAM软件独创的“等量切削”功能能够生成具有均匀切削用量的刀具路径，为高速雕刻的实现提供了最基本的技术保证。数控雕刻的特有的专业优势为“小刀其的快速铣削”，擅长做“常规大刀具无法加工的业务”。宋天麟数控机床及其使用与维修国外的雕刻机，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，不管大小都在10万圆人民币以上。还有较为成熟的雕刻软件如法国的GRAVOGRAPH-NEW HERMES 公司的GravoStyle98三维雕刻软件，此软件为最先进的雕刻软件之一，具有自动控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿等功能。国外雕刻机主体采用框架结构，简化设计过程，并采用机电一体化关键技术，实现产品的智能化。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。较为成熟的有天津欧凯数控机床有限公司生产雕刻机，其具有较好的人机界面，还有北京文泰公司的文泰三维雕刻软件，此软件可以输出HPGL指令机，也可以输出标准数控G代码，用于雕刻机或数控系统。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和推广应用。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，经过多年的发展，己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利能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类型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，伺服部分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，因此整机的性价比较高，适用于精度要求不太高的普及应用场合。对高精度的雕刻加上，口前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的左拉、日本的全量等品牌的数控雕刻机。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，加上精度高，控制系统功能全、可靠性高，但价格昂贵，往往数信于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加上场合。 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，其总体发展是提高该产品在市场中的竞争能力。因此今后的发展将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.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。3.监测监控通过实时测量反馈，提高系统的控制精度，保证工作质量。4.计算机信息化软件程序化系统是发展必然趋势。简化硬件结构，依靠和发挥软件技术优势，提高系统性能，降低成本，加快产品开发生产周期。5.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。6.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。7.通用化零部件设计、软件规范、接口、通信协议等产品系统结构的标准化和选用芯片的通用化有利于系统扩展、技术兼容和渗透，有利于产品和技术的进一步延伸和发展，并提高产品的通用性和可维修性。8.专用化有利于实现系统的最佳匹配和最优设计，提高系统集成度，从而提高系统的可靠性，对大批量生产产品达到降低成本的目的。9.智能化配备各种传感器和信息获取通道，直接感受环境信息，建立和利用知识库与推理机构成专家系统，进行逻辑推理和经验推理，使系统能自动根据周围环境作出自适应处理并具有自学习功能，在复杂环境下进行高质量高效率地工作。10.优化根据强化功能、简化结构、减少成本等目标函数，优化结构设计，优化参数选择，达到整体优化或最佳产品目标。11.节能化采用电力电子驱动和电子控制系统的最佳调节控制，提高产品的能源利用率，可大幅度降低能源消耗。12.集成化包括结构集成和功能系统集成。采用集成化的方法强化系统功能，减少物理体积，提高效率，提高系统抗干扰能力，提高系统稳定性。数控雕刻机由生产发展至今，已经形成了比较成熟的机械结构及其雕刻软件。赵松年，戴志义机电一体化数控系统设计四、拟解决的关键问题1.雕刻机的总体方案、结构的确定；2.数控雕刻机的机械系统的设计计算；3.步进电动机的选择；4.雕刻机装配图及关键零件图的绘制5.运用三维设计软件对所设计的雕刻机进行绘制；6.对设计的数控雕刻机进行运动仿真分析。五、 研究思路和方法 1. 学习和借鉴国内外研究的产品技术根据设计要求和原始资料进行初步的计算；查找相关资料并阅读，并最终确定结构方案；2. 设计并计算数控雕刻机机械部分的主要零部件，如传动部件、支撑部件、控制电机等。3. 利用AutoCAD软件绘制雕刻机的装配图以及重要零件图；4. 熟悉一种三维设计软件，绘制雕刻机的三维实体零件图及装配图；5. 利用三维设计软件进行运动仿真分析。六、 课题的进度安排第五周 进行毕业实习，对数控雕刻机市场产品情况进行调研及市场析；第六周 进行毕业实习，了解数控雕刻机的结构、原理等；第七周 明确设计内容，利用网络、图书等资源查找资料，翻译英文文摘；第八周 资料分析与整理，完成开题报告，熟悉设计软件；第九周 对数控雕刻机的若干细节地方进行设计，如传动部分、进给部分等；第十周 草绘图纸，并用AutoCAD绘制装配图；第十一周 确定标准件，修改前期设计中的错误，选择步进电机，确定丝杠与主轴、电机与法兰盘的配合；第十二周 用AutoCAD绘制零件图；第十三周 用三维设计软件生成所设计的雕刻机；第十四周 对生成的雕刻机进行运动仿真分析；第十五周 撰写毕业论文；第十六周 检查整个设计过程，提交毕业设计资料，进行毕业答辩。七、 参考文献1现代机械传动手册编辑委员会现代机械传动手册北京：机械工业出版社，1995.4；2赵松年，张奇鹏机电一体化机械系统设计北京：机械工业出版社，1996.6；3 赵松年，戴志义机电一体化数控系统设计北京：机械工业出版社，1994.5；4 宋天麟数控机床及其使用与维修东南大学出版社，2003.10；5 刘雄伟. 数控加工理论与编程技术-2.北京：机械工业出版社，2000.3；6 唐荣锡.CAD/CAM技术. 北京：北京航空航天大学出版社，1994；7 孙家广. 计算机图形学M. 北京：清华大学出版社，1998.9；8 谭建成电机控