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4510移动龙门式小型数控雕刻机Z轴和X轴的机构设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,移动,挪动,龙门,小型,数控,雕刻,以及,机构,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩

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湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计） 中 期 检 查 表 学 院： 工学院 学生姓名 唐雅 学 号 200940614112 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师姓名 陈力航 指导教师职称 讲师 论文（设计）题目 移动龙门式小型数控雕刻机 Z 轴和 X 轴的机构设计 毕业论文（设计）工作进度 已完成的主要内容 尚需解决的主要问题 1. 整体结构的设计计算 2. Z 轴的装配图的绘制 装配图及相关零件的绘制 指导教师意见 签名： 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 1 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）任务书 学生姓名 唐雅 学 号 200940614112 年级专业及班级 2009 级 机制 （ 1）班 指导教师及职称 陈力航 讲师 学 院 工学院 2012 年 12 月 3 日 2 填 写 说 明 一、毕业论文（设计）任务书是学校根据已经确定的毕业论文（设计）题目下达给学生的一种教学文件，是学生在指导教师指导下 独立从事毕业论文（设计）工作的依据。此表由指导教师填写。 二、此任务书必需针对每一位学生，不能多人共用。 三、选题要恰当，任务要明确，难度要适中，份量要合理，使每个学生在规定的时限内，经过自己的努力，可以完成任务书规定的设计研究内容。 四、任务书一经下达，不得随意更改。 五、各栏填写基本要求 （一）毕业论文（设计）选题来源、选题性质和完成形式： 请在合适的对应选项前的“”内打“”，科研课题请注明课题项目和名称，项目指“国家青年基金”等。 （二）主要内容和要求： 1工程设计类选题 明确设计具体任务，设计 原始条件及主要技术指标；设计方案的形成（比较与论证）；该生的侧重点；应完成的工作量，如图纸、译文及计算机应用等要求。 2实验研究类选题 明确选题的来源，具体任务与目标，国内外相关的研究现状及其评述；该生的研究重点，研究的实验内容、实验原理及实验方案；计算机应用及工作量要求，如论文、文献综述报告、译文等。 3文法经管类论文 明确选题的任务、方向、研究范围和目标；对相关的研究历史和研究现状简要介绍，明确该生的研究重点；要求完成的工作量，如论文、文献综述报告、译文等。 （三）主要参考文献与外文资料： 在确定了 毕业论文（设计）题目和明确了要求后，指导教师应给学生提供一些相关资料和相关信息，或划定参考资料的范围，指导学生收集反映当前研究进展的近 1 3 年参考资料和文献。外文资料是指导老师根据选题情况明确学生需要阅读或翻译成中文的外文文献。 （四）毕业论文（设计）的进度安排 1设计类、实验研究类课题 实习、调研、收集资料、方案制定约占总时间的 20%；主体工作，包括设计、计算、绘制图纸、实验及结果分析等约占总时间的 50%，撰写初稿、修改、定稿约占总时间的 30%。 2文法经管类论文 实习、调研、资料收集、归档整理、形成 提纲约占总时间的 60%；撰写论文初稿，修改、定稿约占总时间的 40%。 六、各栏填写完整、字迹清楚。应用黑色签字笔填写，也可使用打印稿，但签名栏必须相应责任人亲笔签名。 3 毕业论文（设计）题目 移动龙门式小型数控雕刻机 Z 轴和 X 轴的机构设计 选题来源 结合科研课题 课题名称： 生产实际或社会实际 其他 选题性质 基础研究 应用研究 其他 题目完成形式 毕业论文 毕业设计 提交作品，并撰写论文 主要内容和要求 主要内容 : 雕刻机 Z 轴与 X 轴的结构设计，电机的选择与传动的相关计算雕刻机 X,Y,Z 三个坐标均为步进电机驱动，坐标的脉冲当量均为 标最大移动范围： X 轴 600Y 轴 500作台高度： 300 设计基本要求： 1. 设计说明书一份 （字数不少于 1 万五千字） 。 制。 3. 指定零件图 3 4 张 （绘图总量 2 张 纸 ） 注：此表如不够填写，可另加页。 4 主要参考文献与外文资料 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， 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， 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， 4 宋天麟数控机床及其使用与维修东南大学出版社， 5 刘雄伟 . 数控加工理论与编程技术 械工业 出版社， 6 唐荣锡 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， 8 谭建成电机控制专用集成电路 械工业出版社， 8 H . 001； 工作进度安排 阶段 起止日期 阶段工作内容 一 研，开题 二 习相关课程 ， 三 思方案 ,总体设计 ,中期检查 四 成设计工作，审核初稿 五 改 整理提交资料 ,毕业答辩 要求完成日期： 2013 年 05 月 06 日 指导教师签名： 审查日期： 2012 年 月 日 专业委员会签 名： 批准日期： 2012 年 月 日 学院指导委员会签名（公章）： 接受任务日期： 2012 年 12 月 05 日； 学生签名： 注：签名栏必须有相应责任人亲笔签名。此表可从教务处网站下载中心下载。 湖 南 农 业 大 学 全日制普通本科生毕业设计 移动龙门式小型数控雕刻机 Z 轴和 X 轴的机 构设计 F 生姓名 ： 唐 雅 学 号： 200940614112 年级专业及班级： 2009 级机械设计制造及其自动化(1)班 指导老师及职称： 陈力航 讲师 学 院： 工学院 湖南长沙 提交日期： 2013 年 5 月 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业设计开题报告 学生姓名 唐雅 学 号 200940614112 年级专业及班级 2009级机械设计制造及其自动化 指导教师及职称 陈力航 讲师 学 院 工学院 20 年 月 日 毕业设计题目 移动龙门式小型数控雕刻机 Z 轴和 X 轴的机构设计 文献综述 选题研究意义 ： 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。 国内外研究现状： 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（ 术）、计算机辅助制造技术（ 术）、数控技术（ 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： 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 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。 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。 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。 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（ 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。 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 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。 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。 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（ 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 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 司的 8三维雕刻软件，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 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 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 : 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。 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。 通过实时测量反馈，提高系统的控制精度，保证工作质量。 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。 提高产品应用功能的灵活性，适应用户多样化的使用要求。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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 主要参考文献与外文资料 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， 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， 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， 4 宋天麟数控机床及其使用与维修东南大学出版社， 5 刘雄伟 . 数控加工理论与编程技术 械工业出版社， 6 唐荣锡 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， 8 谭建成电机控制专用集成电路 械工业出版社， 8 H . 001； 9 10徐学林 湖南大学出版社 2 注：此表如不够填写，可另加页。 研究方案 研究目的： (1)总体设计采用了龙门架布局结构，加工精度、生产效率和自动化程度高，结构简单、紧凑，具有较好的综合特性； (2)机床主轴采用了水冷交流异步电动机直接驱动，具有结构简单、经济可靠、旋转速度高和维护方便的特点； (3)机床进给系统采用了步进电机的开环控制 ,可以满足定位精度的要求 ,系统稳定性较好 ,制造成本较低 ,调试维修方便。 研究内容和方案 ：雕刻机 的主运动方案讨论、雕刻机的主轴结构、雕刻机的进给运动系统、进给系统的结构步进电机型号的选择、联轴器选择、机械结构的参数化建模与简化。 预期结果 :在完成了各项设计后 ,能实现高速作业 ,降低劳动强度，提高生产效益。 条件保障 : 1、本设计的大部分工作将在本学校完成 . 2、有扎实的理论知识和学校专家的指导 . 3、学校的实验设备和相关图书资料 . 进程计划 选题、下达设计任务书 调研、查找资料、毕业设计开题 设计和计算 提交毕业设计初稿，中期考核 修改 提交毕业设计正稿 预审 答辩 修改、交齐所有资料 论证小组意见 组长签名： 20 年 月 日 专业委员会意见 专业委员会主任签名： 20 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 1 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计） 开题论证记录 学 院： 工学院 记录人 ： 学生姓名 唐雅 学 号 200940614112 年级专业及班级 2009 级 机械设计制造及其自动化 专业（ 1）班 指导教师姓名 陈力航 指导教师职称 讲师 论文（设计）题目 移动龙门式小型雕刻机 设计 论证小组质疑： 学生回答简要记录： 论证小组 成员签名 论证地点： 论证日期： 20 年 月 日 注：此表可从教务处网站下载中心下载。 记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。 目 录 摘要 . 1 关键词 . 1 1 前言 . 2 刻机概述 . 2 刻机起源 . 2 控雕刻机及其发展现状 . 3 控雕刻机 . 3 制雕刻机的目的和意义 . 4 控雕刻机的特点 . 4 控雕刻机 的应用领域 . 5 国数控雕刻机的发展现状 . 5 2 雕刻机的机械结构 . 6 刻机的工作原理 . 6 体结构 . 7 刻 机总体布局的基本要求 . 7 响雕刻机布局的基本因素 . 7 标系的确定 . 8 维雕刻机的机械结构 . 9 给系统 . 9 给系统 . 13 3 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 . 14 计参数的确定 . 14 削力、切削扭矩和切削功率计算 . 14 削力、扭矩和功率的计算 . 14 削力、扭矩和功率的计算 . 15 运动系统的设计计算 . 16 运动系统传动链的组成 . 16 轴电动机的设计计算 . 17 给运动系统的设计计算 . 18 给系统传动链的组成 . 19 珠丝杠副的设计计算 . 19 作台进给电动机的设计计算 . 22 作台直线导轨副的设计计算 . 23 补法 . 23 4 结论 . 25 结 . 25 控雕刻机的发展展望 . 26 参考文献 . 26 致谢 . 27 1 移动龙门式小型数控雕刻 机 Z 轴和 X 轴的 机结构设计 学 生：唐 雅 指导老师：陈力航 (湖南农业大学工学 院，长沙 410128) 摘 要 ： 随着微电子技术和微型计算机的飞速发展，数控雕刻机的应用越来越广泛。 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。 本文简要的介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外雕刻机的特点说明雕刻机的功能和使用范围；详细的分析了雕刻机的总体布局和结构方案，以及主运动和进给运动 系统的选择，以及“三维雕刻”插补法的选择，分析和实现过程，实现雕刻系统的初步优化。 关键词 ： 雕刻机 ； 数控系统 ； 机电一体化 of of NC of 10128, of be On in We of of As as we 2 1 前言 雕刻机概述 1. 1. 1 雕刻机起源 雕刻可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏 形。在我国北宋时期便发明了活字印刷，梦溪笔谈有记 :“其法用胶泥刻字，薄为钱唇，每字为一印，火烧令坚一”。这里的刻字应属于雕刻的范畴。随着时代的发展，我国的雕刻艺术日益精深，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝。 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，可谓雕刻的使用范围无处不在。 雕刻机 (顾 名思义就是用机器代替人工进行雕刻的设备。 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 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。 数控雕刻机及其发展现状 数控雕刻机 传统雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量完全取于雕刻师的技艺水平，所以生产的效率低、成本高，制品的随意性强、一致性差，严重制约了雕刻行业的发展。这使得雕刻机的产生成为必然。雕刻机的功能决定了其使用范围。从工艺上，雕刻可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻。其中，全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作，如玉雕、木雕工艺品以及冰雕与沙雕等作品。 此类制品往往注重艺术创作性，制品的构成形状复杂、随意性强、工艺性差。因此这类工艺迄今为止雕 刻机尚无能为力，只能采用手工雕刻，制品的质量和艺术性完全依赖于雕刻师的技艺水平。相比之下，在三维立体雕刻和二维平面雕刻机则大有可为。三维立体雕刻类似于三维铣削加工，可以完成精密模具、艺术浮雕曲面等雕刻加工 ;而二维平面雕刻工艺主要用于标牌文字及平面几何图形的雕刻加工。目前，三维立 3 体和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成，克服了传统手工雕刻存在的缺陷。 根据控制原理的不同，雕刻机可分为仿形雕刻机和数控雕刻机 (采用 统 )两大类型。仿形雕刻机的工作原理类似于仿形铣削，在加工前必须制作仿形模型，这一过程通常需 手工完成，周期长、效率低。 数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床。与通用数控机床类似，数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作，实现雕刻加工的自动化。较传统的手工雕刻、仿形雕刻，数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势 ;同时，借助于专用的雕刻 工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，数控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段，也是当今雕刻机的发展主流，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑 装演等众多领域。 对象和应用领域的不同，数控雕刻机可分为模具雕刻机、木工雕刻机、广告雕刻机、激光雕刻机等多种类型。它们的加工性能要求出入很大，对机床和数控系统的要求也各不相同。如模具雕刻机的加工材料为金属，所以对机床本体的刚性要求较高，而且其加工对象是模具，所以对加工系统的精度要求高 ;而广告机加工的是一般是塑胶板或有机玻璃等非金属材料，所以对机床刚性和加工系统的精度都没有很高要求。但各类雕刻机都有一个共同的特点，也是数控雕刻机与普通数控机床的一个显著区别，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有效成形面积小，所 以零件雕刻的刀具运动轨迹很长，加工时间往往也较长。因此，提高雕刻机的刀具运动速度对缩短零件雕刻时间、提高加工效率具有特别重要的意义。 数控雕刻机技术广泛应用于模具模型、工艺品、印刷电路板的制作和广告。本文介绍了研究了数控雕刻机的功能、结构和组成。在深入分析目前国内外数控雕刻机的现状，数控雕刻机的控制结构与原理的基础上提出了本数控雕刻机的总体设计方案，并进行了主传动系统的计算。 三维机械雕刻机总体上满足设计的要求，在机械本体部分结构紧凑、安全方便，各部分的零件通用性较好，易于保养或维修。切易于操作，具有很大的 可行性。本文对三维雕刻机的插补算法进行了选择，屏除了过去传统的插补算法，采用了一种新型的插补算法，保证插补速度和插补精度，提高了雕刻机的效率和性能。 4 按照伺服驱动控制的类型不同，数控雕刻机又可以分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机。步进驱动属于开环控制，控制精度较低，但价格便宜，适用于对加工要求不高的中低档雕刻机，如木工、广告业的雕刻加工。伺服驱动控制精度高，但价格较贵，主要用于模具加工等高精度雕刻机。由于对控制精度要求不高，所以在本设计中采用的步进驱动。 此外，还可根据运动坐标控制的联动轴数，将数控雕刻机分 为三坐标数控雕刻机、五坐标数控雕刻机等。三坐标数控雕刻机可以控制三个坐标轴联动，完成浮雕等常规雕刻加工 ;五坐标数控雕刻机可以联动控制 X， Y， 2三个移动轴和两个旋转轴，用来完成复杂形状零件的雕刻加工。 研制雕刻机的目的和意义 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。 数控雕刻机的特 点 数控雕刻机的主要特点如下 : 1）自动化程度高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。 2）产品的尺寸精度高，一致性好。数控雕刻过程是由计算机控制完成，可以达到很高的精度和表面质量 :批量加工时，产品的一致性好，这对于小模具行业是十分重要的。 3）拓展了雕刻领域。只需改变控制程序，数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面，支持各种刀具，改善了雕刻表面质量，提高了雕刻效率。 4）数控雕刻机都有钻铣功能，可用于钻孔、切边、加工小模具，性价比高。 5 数控雕刻机的应用领域 数控雕刻机的 应用领域广泛，举例如下 : 1）广告及礼品制作业，用于雕刻各类双色板标牌、有机玻璃、三维广告牌、双色人物雕像、浮雕奖章、有机板浮雕、立体门头字等。 2）模型制作业，制作沙盘模型、房屋模型等。 3）模具制作业，雕刻纽扣浮雕模、印刷烫金模，注塑模、冲压模、鞋模等。 4）木器业，用于浮雕图案设计及制作。 5）印刷电路板 (产品开发中的电路制作，钻孔、铣槽等。 6）印章业，各类字体各类材料的印章雕刻。 7）电火花加工机床电极雕刻加工。 8）机械加工业，刻度盘字轮及标尺刻度。 9）汽车工业、轮胎模具，车灯模具及 装饰品模具加工。 而且，随着各种新型装饰材料的不断出现，能用于雕刻的材料越来越多，使得计算机数控雕刻机有了更大的用武之地。因此，计算机数控雕刻机的应用范围还将不断扩大。 我国数控雕刻机的发展现状 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经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的发展，己形成了多个国品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京糟雕公司生产精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。 上述各类型雕刻机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或 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工。 目前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的左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高度好、精度高，采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性，但价格昂贵往往倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合。 6 2 雕刻机的机械结构 雕刻机的工作原理 计算机数控雕刻机实际是一个三维数控系统，其工作原理如图 1所示 图 1 数控雕刻机工作原理 NC 用微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、文字的设计、排版， 自动生成加工路径信息，通过 控系统接收刀具路径数据，完成显示、和用户交互等一系列功能后，用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息， 控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服电机的信号 (脉冲串 )，控制雕刻机 X， Y， 2三轴的走刀。 同时，进行铣削，即可雕刻出在计算机上设计的各种平面或立体的图形文字，实现雕刻自动化加工。 整体结构 机械结构作为雕刻机的硬件部分，对雕刻机的加工过程、刻字效果等有着重要的影响。下面对数控雕刻机的机械结构作详细介绍。 7 雕刻机总体布局的基本要求 雕刻机总体布局的基本要求有以下几点 : 1)首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求 ; 2)确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的 相对位置与相对运动。在经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率 ; 3)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； 4)应便于观察加工过程，便于操作、调整和维修，便于输送、装卸工件和清理，注意防护，确保安全； 5)结构简单，合理可靠，便于加工和装配。 影响雕刻机布局的基本因素 在满足总体布局的基本要求的基础上，还应当考虑影响雕刻机布局的基本因素 : (1)表面形成运动的影响 不同形状的加工表面往往采用不同的刀具来加工，从而表面形成 运动的形式和数目就不同，并导致布局的差异。相同形状的加工表面，由于工件的技术要求和生产率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成运动来加工，从而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成运动直接决定了雕刻机布局的形式，是影响雕刻机布局的决定性因素。 因而，在布局雕刻机时，必须根据加工要求，全面、综合地考虑工件的表面形成方法及运动，以期作出具有较好技术经济效果的布局设计。 (2)雕刻机运动分配的影响 工件表面形成方法及运动相同，而雕刻机的运动分配不同，雕刻机的布局也会不同。对于同一种运动分配的布局 ，由于导轨的布置和其它结构形式的不 同，也将使雕刻机的布局出现变化。在分配雕刻机运动时，一般应注意以下几点 : 1) 移动部件的重量应尽量轻。在其它条件相同的情况下，移动部件的重量越小，所需电机功率和传动件的尺寸也越小 2) 应有利于提高加工精度 3）应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积 4）工件的尺寸重量和形状的影响 工件的表面形成运动及雕刻机部件的运动分配基本相同，而工件尺寸、重量和形状不同，雕刻机的布局也会有很大差异。另外，还应考虑雕刻机性能要求的影响，如 8 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。通过查阅相关的文献资料，雕刻机基本布局形式通常有下图 2所示的两种方案： 图 2 雕刻机的布局形式 of 这两种布局都采用龙门式框架结构，雕刻机的刚度均较高。 布局 (1)方案中，工作台固定，雕刻头作横向和上下移动，立柱作纵向移动。该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机。由于工作台不动，承载能力好，适合加工较重的工件。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工 时，支点高度相同，故支架支撑调整方便。但雕刻头运动精度较难保证且立柱移动较笨重。 布局 (2)方案中，立柱固定，雕刻头作横向和上下移动，工作台作纵向移动。由于工作台移动，承载能力较布局 (1)方案差。若设计所承载的工件较轻，这种布局方式所需电动机功率和传动件的尺寸较小，移动较轻便。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便，但支架结构较布局 (1)方案略显复杂。该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证。 经以上比较，充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三坐标数控雕刻机 的设计参数，采用布局 (2)的方案。 坐标系的确定 雕刻机的坐标系采用右手法则，直角卡笛儿坐标系统。基本坐标轴为 X 、 Y 、 Z 直角坐标，对相应每一个旋转运动符号为 A 、 B 、 C ，如图 3 所示。 Z 轴为平行于雕刻机主轴的坐标轴，垂直于工件装夹面。 9 图 3 右手坐标系统 of 三维雕刻机的机械结构 该三维雕刻机的机械几何结构，由以下几部分组成 : 1)底座部分 作为整机的基础，承担整个机 体的重量，要求稳定坚固。底座由底下的四只支脚与地面接触 ; 2)工作台部分 工作台部分由工作台， 及支架组成。工作台作为雕刻工作时承载雕刻物体的部件，表面有 丝杠驱动，导轨导向 : 3)横梁部分 横梁由 及支架组成。横梁承载机头的重量，驱动机头动，容易弯曲变形，在结构仿真和运动仿真中是重要的分析对象 : 4)机头部分 机头部分由主轴组件， 2方向的丝杠和导轨，以及支架组成。丝杠驱动主轴组的上下运动，主轴组件在加工过程中直接带动雕刻头的高速旋转运动。 下面从雕刻机的功 能角度，介绍一下各部分的结构及设计。 进给系统 进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控系统的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质上的区别，它能根据指令信号精确的控制执行部件的运动速度和位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 10 下面介绍一下雕刻机的进给系统的机械结构和电机驱动。雕刻机 的进给运动方式如下 : 工作台带动工件做 头沿 刻头在直流电机的带动下做高速旋转，并在 具和工件的运动的合成就可以得到文字和图案的轮廓。 （ 1）机头沿 现雕刻宽度 ;如下图 4所示： 图 4 雕刻机 X 方向进给图 X of 2）工作台沿 y 方向的丝杠前后运动，实现雕刻长度 ,如 下图 5所示： 图 5 雕刻机 Y 方向的进给图 Y of 11 （ 3）机头沿 现雕刻深度。 各个传动链中均采用丝杠螺母传动副，保证了运动的传递平稳和结构的紧。丝杠一端通过联轴器与电机轴相联，由步进电机驱动丝杠，将旋转运动转化为直线运动。另一端采用轴承为支承。步进电机的旋转方向和转速，由指令脉冲决定。指令脉冲数就是电动机的转动步数，即角位移的大小。只要改变指令脉冲频率，就可以使步进 电动机的旋转速度在很宽范围内连续调节。它具有以下特点 : 1）位置控制功能 可预先发出具体的脉冲数量，从而得到需要输出的角度。 2）无极调速功能 可根据发送脉冲的速度，得到需要的电机的转速。 3）正 /反，急停及锁定功能 通过对系统的高低电平控制，得到正 /反旋转的效果，在电机锁定情况下 （电机绕组中存在电流，外部没有要求旋转的电脉冲 )，仍有静止力矩的输出。 4）低转速及高精度位置功能 通过对脉冲速度的控制，可直接得到极低的转速而不需要通过齿轮箱的过渡，从而避免了功率的损耗和角度位置的偏差。 5）长寿命 不需要 像普通的直流电动机通过电刷和换相器换相，从而减少了摩擦，增长了寿命。如图 6所示： 图 6 丝杠与电机轴的连接 of 12 刚性联轴器用于丝杆与电机的联接，可提高两轴头连接的固定精度，如图 6所示。它的特点有 : 1）可用于小型、瞬间惯量小和高速转动的场合 ; 2）安装后无反作用力，而且维护简单 ; 3）提高丝杠的强度时，跳动不会受到影响 ; 4）依靠锁紧螺栓施加的摩擦紧固，无需键 ; 5）在高速转动时可保持平稳。 导轨的主要功能是 导向和承载作用。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动，从而保证各部件的相对位置和相对位置精度。导轨承受运动部件及工件的重量及切削力，在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。 雕刻机的 y 向丝杠两侧各采用一对圆柱形导轨作为导向件，另外可以分担丝杠所承受的机头和工作台的重量。圆柱形导轨加工容易，导向精度高，可满足定位精度的要求。 保证精度，采用两根导轨导向。 圆形导轨两端通过螺钉固定在丝杠支架上，并与导轨套形成移动副。如下图 7所示 图 7 丝杠和圆导轨的支承方式 of 个传动链上的丝杠螺母与不同零件以螺钉固定连接，通过与丝杠的相对运动实现传动 : 1）与工作台固定连接，相对于 对于 2）与机头向丝杠运动 13 3）与机头 向支架固定连接，相对于 主轴组件 主轴组件是雕刻机的执行件。它的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。主轴组件由主轴及其支承和安 装在主轴上的传动件、密封件等组成，要求良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及精度的保持性。 雕刻机的主轴部分固定在 用电主轴高速旋转，实现刀具的切削运动。 自 20 世纪 80 年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发展。高速数 控机床主传动机构已经得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”，这种结构称为电主轴。它具有结构紧凑，机械效率高，可获得极高的回转速度，振动小等优点，因而在现代数控机床中获得了 愈来愈广泛的应用。 机床的总体布局确定 考虑到降低雕刻机的制造成本，采用了结构简刚性单且较好的龙门移动式布局，如图 8所示。外形尺寸（长宽高）约为 930650360 主要结构有底座、工作台、龙门架、 X 向进给电动机、 Y 向进给电动机、 Z 向进给电动机、主轴电动机、雕刻机机身及电气系统部分组成。雕刻机在工作时，先将加工对象固定在工作台上，选择合适的刀具装夹在电主轴上，能够实现 X、 Y、 Z 轴 3 个方向进给运动由可编程序控制器实现自动控制，来完成工件的自 动加工。 Y 向 进 给 电 动 机 Z 向 进 给 电 动 机 主 轴 电 动 机 机头 立柱 龙门架 工作 底座 图 8 雕刻机系统结构简图 of 14 3 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 本章详细介绍了广告型三维机械雕刻机机械部分的主要零部件，如主轴电动机、步进电动机、传动部件和支承部件的详细设计计算及选型过程。 设计参数的确定 由课题所给的设计参数，结合广告型三维机械雕刻机的总体 设计方案，初步确定该雕刻机机械部分的主要参数，如表 1所示。 表 1 机械设计参数表 of 目 参数 单位 主轴最高转速 n=20000 r/大进给速度 3500作台总行程 (Y) 320 轴总行程 (X) 280 轴总行程 (Z) 120 位精度 30 m 脉冲当量 用寿命 20000切削力、切削扭矩和切削功率计算 三坐标数控机械雕刻机的加工对象主要是针对非金属材料和铝合金材料的雕刻加工。这些材料具有较高的强度和良好的塑性。 用硬质合金直柄立铣刀（0 6 , 2d m m z）和高速钢标准麻花钻（0 3d 在铝板上进行铣削和钻削，分别进行切削力、切削扭矩和切削功率的计算。 根据三维机械雕刻机的加工范围和使用功能及在实际生产过程中不同的切削方式所使用时间的分配，经过统计，大致可将切削方式分为强力切削（切）、一般切削（雕）、精细切削（刻）和快速进给四种方式。 削力、扭矩和功率的计算 选用的铣刀是整体硬质合金直柄立铣刀 657 通过查阅孟少农主编的机械加工工艺手册，得到表 侧的经验公式，代入已知参数进行简化，可 得到仅与切削深度给速度n 有关的计算公式填入表 2 右侧。 15 表 2 铣削力、扭矩和功率计算公式的简化 of 计 算 公 式 和 参 数 选 定 计 算 结 果 铣削力： 0 . 7 5 0 . 6 24 2 . 7 6 ( )z p fF a v n N铣削扭矩： . 0 F N m （ ）铣削功率： 7 . 1 4 1 0 F n k W （ ）其中： C 1 1 6 , 1 , 0 . 7 5 , 0 . 8 5 , 0 . 7 3 , 0 . 1 3 , 0 . 2 5 F F F F F F U q W K 。铣削宽度a ( )w 铣削深度 a ( )p 进给速度 ( / m i n )a zn m m ，铣削速度 0 / 1 0 0 0 ( / m i n )v d n m ，0d 铣刀外径 ( 每齿进给量 (mm/z)， z 铣刀齿数， n 铣刀转速 (r /。 将切削深度给速度n 的变量代入分别计 算，得到计算结果，如下表 3 所示。 表 3 铣削力、扭矩和功率的计算 of 削方式 工作时间 参 数 计 算 结 果 百分比 t% 强力切削 10% 120 9000 20 般切削 30% 1 1200 15000 300 细切削 50% 2400 20000 600 速进给 10% - 3600 - 900 0 0 0 其中： 丝杠转速，f / ( / m i n )hn v P r丝，预选丝杠导程 4( )hP mm铣削深度（ 进给速度（ mm/ n 铣刀转速（ r/， 铣削 力（ N）， M 铣削扭矩（ 铣削功率（ 钻削力、扭矩和功率的计算 通过查阅参考文献，按上节的简化过程，可得到仅与进给速度下表 4所示。 0F ( )F F F y uF p f w k z0 k 0 pa fv n F M 6 表 4 钻削力、扭矩和功率的计算公式的简化 of 算 公 式 和 参 数 选 定 计 算 结 果 钻削力：d f ( )k N 0 . 7 0 / ( )zF v n N （ ）钻削扭矩： d f k 钻削功率： 其中： 6 0 0 , 1 . 0 , 0 . 7 , 0 . 3 0 5 , 2 . 0 , 0 . 8 , 0 . 2 5F F F M M M F MC z y C z y k k （加工铝合金）。进给速度 ( / m f m m,钻削速度0 / 1 0 0 0 ( / m i n )v d n m，0d 钻头外径（ f 进给量（ mm/r）， n 钻头转速（ r/ 将进给速度n 的变量代入分别计算，将得到的计算结果填入表 5，由于钻削 功率的计算结果较小，忽略不计。 表 5 钻削力、扭矩和功率的计算 of 削方式 工作时间 参 数 计 算 结 果 百分比 t% 强力切削 10% 300 9000 75 - 一般切削 30% 480 15000 120 - 精细切削 50% 600 20000 150 - 快速进给 10% 900 - 225 0 0 0 其中： 丝杠转速，f / ( / m i n )hn v P r丝， 预选丝杠导程 4( )hP 进给速度 (mm/n 钻削转速 (r/钻削力 (N), M 钻削扭矩 (钻削功率 ( 主运动系统的设计计算 本节主要设计主运动系统中的电主轴，以确定它们的型号和参数。 数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动的要求外，还提出以下要求： 1）具有更大的调速范围，并实现无级变速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，并充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中，共建一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种国 内工序和各种加工材质的要求，住运动的调速范围还应进一步扩大。 0 . 8M 0 . 6 8 6 ( / ) N （ ） 30 . 0 1 2 n k （ ）fv n F M 7 2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主运动系统的刚度密切相关。 为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。 3）良好的抗振性和热稳定性 数控机床上一般既要进行粗加工又要进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干 扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗燥度，严重时甚至破坏刀具或零件，是加工无法顺利进行 . 因此在主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且具有足够的抑制各种干扰力引起的动的能力 抗振性。抗振性用动刚度或动柔性度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度、阻尼比及固有频率等参数。 机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低了传动效率，影响到生产率。 为此要求主轴不见具有较高的热 稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。 主运动系统传动链的组成 电机直接驱动主轴是精密机床、高速加工中心和数控车床常用的一种驱动形式。如平面磨床的砂轮主轴，高速内圆磨床的磨头。转速小于 3000r 主轴，采用异步电动机轴通过联合器直接驱动主轴，机床可通过改