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小型雕刻机设计【含8张CAD图+说明书1.7万字43页，开题报告】

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小型雕刻机设计【含8张CAD图+说明书1.7万字43页，开题报告】.zip

主轴套筒a4.dwg

工作台a1.dwg

底座a1.dwg

滚珠丝杠a2.dwg

装配图A0.dwg

轴承座a4.dwg

轴承端盖a4.dwg

连接板a3.dwg

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关键词：: 小型雕刻设计 cad 说明书仿单 43 开题报告讲演呈文

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开题报告.doc

任务书.doc

外文翻译.doc

设计说明书.doc[17000字，43页]

工作台a1.dwg

底座a1.dwg

滚珠丝杠a2.dwg

装配图A0.dwg

轴承座a4.dwg

轴承端盖a4.dwg

主轴套筒a4.dwg

连接板a3.dwg

摘要

机电一体化技术综合了机械、电子、自动控制、信息、传感器、电力电子、信号变换接口和软件编程等技术，并且把这些通用型技术整合到一起，结合成一个整体，也是现如今机械工业技术必须发展的也将成为国内外的发展主流。小型雕刻机就是在这种大环境下产生的一种代表性的机电一体化产品，在工艺品的制作与生产行业中拥有有较大的市场。

本课题通过分析国内雕刻机与国外雕刻机的差距以及各自的特点，定义了雕刻机的功能和使用范围，规划了雕刻机的结构布局，详细设计了主轴运动和X、Y向进给运动结构，以及工作台、支撑柱等辅助结构，并在此基础上详细阐述了雕刻机的运动过程，实现了其功能。

本文设计的小型雕刻机，其具有精度高，一致性好，一机多用的特点，应用领域广泛，可用于工艺品雕刻加工的同时，又具有铣削钻孔等功能。

关键词雕刻机；伺服电机；机电一体化

Small Engraving Machine Design

Abstract

Mechatronics combines mechanics, electronics, automatic control, information, sensors, power electronics, signal conversion interface and software programming techniques, and these versatile technologies integrated together, combined into a whole, is now Machinery Industrial Technology must develop will become the mainstream of development at home and abroad. Small engraving machine is a kind of typical in this environment produces mechatronic products, handicraft production and production industry has a larger market.

The issue by analyzing the gap between domestic engraving machine and foreign engraving machine as well as their characteristics, defines the function and use of engraving machine, planning the structure and layout engraving machine, detailed design of the spindle movement and X, Y direction feed motion structure , and an auxiliary table structure, support columns, etc., and on this basis, it elaborated engraving machine movement to achieve its function.

This design of small engraving machine, which has a high accuracy, consistency, and a multi-purpose machine, which is widely applied in the field, can be used to carving crafts processing, but also has milling and drilling functions.

Keywords Engraving machine, servo motor, mechatronics

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 小型雕刻机及其发展现状 2

1.2.1 小型雕刻机的概念 2

1.2.2 小型雕刻机的应用和发展 3

1.2.3 小型雕刻机的特点 3

1.2.4 研究雕刻机的目的和意义 4

1.3 本章小结 4

第2章雕刻机的结构设计 5

2.1 雕刻机的系统组成 5

2.2 雕刻机的整体布局 5

2.3 进给结构 8

2.4 主轴结构 12

2.5 支撑结构 13

2.5.1 支架设计 13

2.5.2 工作台设计 14

2.5.3 底座设计 15

2.6 本章小结 15

第3章小型雕刻机的关键参数计算 16

3.1 设计指标 16

3.2 切削力、扭矩和功率的计算 17

3.3 进给运动的计算 20

3.3.1 滚珠丝杠副的计算 20

3.3.2 滚珠丝杠的计算 22

3.3.3 工作台电机的选择 24

3.4 本章小结 26

结论 27

致谢 28

参考文献 29

附录 31

底座a1.jpg

工作台a1.jpg

滚珠丝杠a2.jpg

连接板a3.jpg

目录 (1).jpg

全部文件.jpg

轴承端盖a4.jpg

轴承座a4.jpg

主轴套筒a4.jpg

装配图A0.jpg

字数 (1).jpg

内容简介：: 哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：孙广顺学号： 1230120119 学院：荣成学院专业：机械电子工程任务起止时间： 2016 年 2 月 29 日至 2016 年 6 月 26 日毕业设计（论文）题目：小型雕刻机设计毕业设计工作内容： 1、熟悉课题、调研、收集资料、撰写开题报告 (第 1 ) 2、方案设计 (第 3 ) 3、总体设计、设计计算 (第 7 ) 4、绘装配图及主要零件图 (第 9 ) 5、撰写说明书、翻译资料、准备答辩 (第 14 ) 资料： 1、龚溎义机械设计课程设计指导书 M. 北京：高等教育出版社 2、澲良贵机械设计 M. 北京：高等教育出版社 3、赵森教学型数控雕刻机及其数控系统研究设计 D. 山东大学，硕士论文， 2014 指导教师意见：签名：年月日系主任意见：签名：年月日教务处制表外文翻译译文机械设计基础机械设计基础是指机械的装置和机械系统机器、产品、结构、设备与仪器的设计。大部分机械设计需要利用的数学、材料科学和工程力学的知识。我们对整个设计过程感兴趣。它是怎样开始的呢？工程师是不是仅仅坐在铺着白纸的桌旁就可以开始设计了呢？当他记下一些设想后，下一步应该做些什么？什么因会影影响或者控制着应该做出的决定？最后，这一设计过程是怎样结束的呢？有时，虽然并不总是如此，工程师认识到一种需要并且决定对此做一些工作时，设计就开始了。认识到这种需要，并用语言将其清楚地叙述出来，常常是一种高度创造性的工作。因为这种需要可能只是一个模糊的不满，一种不舒服的感觉，或者是感觉到了某些东西是不正确的。这种需要往往不是很明显的。例如，对食品包装机械进行改进的需要，可能是由于噪音过大、包装重量的变化、包装质量的微小的但是能够察觉得出来的变化等表现出来的。叙述某种需要和随后要解决的问题之间有着明显的区别。要解决的问题是比较具体的。如果需要干净的空气，要解决的问题可能是降低发电厂烟囱的排尘量，或者是降低汽车排除的有害气体。确定问题阶段应该制订设计对象所有的要求。这些设计要求包括输入量、输出两特性、设计对象所占据的空间尺寸以及这些参量的所有制约因素。我们可以把设计对象看作是黑箱中的某种东西。在这种情况下，我们必须具体确定黑箱的输入和输出，以及它们的特性和制约因素。这些设计要求将规定生产成本、产量、预期寿命、工作范围、操作温度和可靠性。还存在着许多由于设计人员所处的特定环境或者由于问题本身的性质所产生的隐含设计要求。某个工厂中可利用的制造工艺和设备会对设计人员的工作有所限制，因而成为隐含的设计要求的一部分。例如，一个小工厂中可能没有冷变形加工机械设备。因此，设计人员就必须选择这个工厂中能够进行的其他的金属加工方法。工人的技术水平和市场上的竞争情况也是隐含的设计要求的组成部分。在确定了要解决的问题，并且形成了一系列的书面的和隐含的设计要求之后，设计工作的下一阶段是进行综合以获得最优的结果。因为只有通过对所设计的系统进行分析，才能确定其性能是否满足设计要求。因此，不进行分析和优化就不能进行综合。设计工作是一个反复进行的过程。在这个过程中，我们要经历几个阶段，在对结果进行评价后，再返回到前面的阶段。因此，我们可以先综合系统中的几个零件，对它们进行分析和优化，然后再进行综合，看它们对系统的其他部分有时么影响。分析和优化都要求我们建立或者做出系统的抽象模型，以便对此进行数学分析。我们将这些模型称为数学模型。在建立数学模型时，我们希望能够找到一个可以很好地模拟实际物理系统的数学模型。评价是整个设计过程中的一个重要阶段。评价是对一个成功的设计的最后检验，通常包括样机的实验室实验。在此阶段我们希望弄清楚设计能否真正满足所有的要求。它是否可靠？在与类似的产品的竞争中它能否获胜？制造和使用这种产品是否经济？它是否易于维护和调整？能否从它的销售或使用中获得利润？与其他人就设计方案进行交流和沟通是设计过程的最后和关键阶段。毫无疑问，有许多伟大的设计、发明或创造之所以没有为人类所利用，就是因为创造者不善于或者不愿意向其他人介绍自己的成果。提出方案是一种说服别人的工作。当一个工程师向经营、管理部门或者其主管人员提出自己的新方案时，就是希望向他们说明或者证明自己的方案是比较好的。只有成功地完成这项工作，为得出这个方案所花费的大量时间和精力才不会被浪费掉。人们基本上只有三种表达自己思想的方式，即文字材料、口头表述和绘图。因此，一个优秀的工程师除了掌握技术之外，还应该精通这三种表达方式。如果一个技术能力很强的人在上述三种表达方式中的某一种的能力较差，他就会遇到很大的困难。如果上述三种能力都很差，那将永远没有人知道他是一个多么能干的人！一个有能力的工程师不应该害怕在提出自己的方案时遭到失败的可能性。事实上，偶然的失败肯定会发生的，因为每一个真正有创造性的设想似乎总是有失败或批评伴随着它。从一次失败中可以学到很多东西，只有不怕遭受失败的人们才能取得最大的收获。总之，决定不把方案提交出来，才是真正的失败。机械设计概论机械设计是一门通过设计新产品或者改进产品来满足人类需求的应用技术科学。它是一个广阔的工程技术领域，不仅要研究产品在尺寸、形状和详细结构等方面的基本构思，还要考虑产品在制造、销售和使用等方面的有关问题。进行各种机械设计工作的人员通常被称为设计人员或者设计工程师。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创新性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺等方面具有深厚的基础知识。如前面所述，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。发明、发现和科学知识本身并不一定能给人类带来益处，只有当它们被用在产品上才能产生效益。因而，应该认识到再一个特定产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。应当把机械设计看成是设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制订产品的制造工艺的一个良机。掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。仅仅使用数据和公式是不足以再一个好的设计中做出所需的全部决定。另一方面，应该认真精确地进行所有运算。例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当新的方法不适用时，就恢复采用原来的方法。因此，设计人员必须要有耐心，因为所花费的时间和努力并不能保证带来成功。一个全新的设计，要求屏弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。由于许多人易于墨守成规，这样做并不是一件容易的事情。以为设计工程师应该不断的探索改进现有产品的办法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。应该强调的是，如果设计本身不要求采用全新的办法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新办法。在设计的初始阶段，应该允许设计人员充分发挥创造性，不受各种约束。即使产生了许多不切合实际的想法，也会在设计的早期，即绘制生产图纸之前被改正掉。只有这样，才不至于堵塞创新得思路。通常要提出几套设计方案然后加以比较。很有可能在最后选定的方案中采用了某些未被接受的方案中的一些想法。心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是最优的操作范围和操作过程。另一个应该被认识到的重要问题是，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和沟通。在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和沟通，并得到批准。这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。为了有效地进行交流，需要解决下列问题 : （ 1）所要设计的这个产品是否真正为人们所需要？（ 2）此产品与其他公司的现有产品相比有无竞争能力？（ 3）生产这种产品是否经济？（ 4）产品的维修是否方便？（ 5）产品有无销路？是否可以盈利？只有时间才能对上述问题给出正确的答案。但是，产品的设计、制造和销售只能在对上述问题的初步肯定答案的基础上进行。设计工程师还应该通过零件图和装配图，与制造部门一起对最终设计方案进行沟通。通常，在制造过程中会出现某个问题。可能会要求对某个零件尺寸或公差作一些修改，使零件的生产变得容易。但是，工程上的修改必须要经过设计人员批准，以保证不会损伤产品的功能。有时，在产品的装配时或者装配外运前的试验中才发现设计中的某些缺陷。这些事例恰好说明了设计是一个动态过程。总是存在着更好的方法来完成设计工作，设计人员应该不断努力，寻找这些更好的方法。机械加工车削普通车床作为最早的金属切削机床中的一种，目前仍然有许多有用的和为人们所需要的特性。现在，这些机床主要用在规模较小的工厂中，进行小批量的生产，而不是进行大批量的生产。在现在的生产车间中，普通车床已经被种类繁多的自动车床所取代，诸如自动仿形车床，六角车床和自动螺丝车床。现在，设计人员已经熟知先利用单刃刀具去除大量的金属余量，然后利用成型刀具获得表面光洁度和精度这种加工方法的优点。这种加工方法的生产速度与现在工厂中使用的最快的加工设备的速度相等。普通车床的加工偏差主要依赖于操作者的技术熟练程度。设计工程师应该认真地确定由熟练工人在普通车床上加工的试验零件的公差。在把试验零件重新设计为生产零件时，应该选用经济的公差。六角车床对生产加工设备来说，目前比过去更着重评价其是否具有精确的和快速的重复加工能力。应用这个标准来评价具体的加工方法，六角车床可以获得较高的质量评定。在为小批量的零件（ 100 200 件）设计加工方法时，采用六角车床时最经济的。为了在六角车床上获得尽可能小的公差值，设计人员应该尽量将加工工序的数目减至最少。自动螺丝车床自动螺丝车床通常被分为以下几种类型：单轴自动、多轴自动和自动夹紧车床。自动螺丝车床最初是被用来对螺钉和类似的带有螺纹的零件进行自动化和快速加工的。但是，这种车床的用途早就超过了这个狭窄的范围。现在，它在许多种类的精密零件的大批量生产中起者重要的作用。工件的数量对采用自动螺丝车床所加工零件的经济性有较大的影响。如果工件的数量少于 1000 件，在六角车床上进行加工比在自动螺丝车床上加工要经济得多。如果计算出最小经济批量，并且针对工件批量正确地选择机床，就会降低零件的加工成本。自动仿形车床因为零件的表面粗糙度在很大程度上取决于工件材料、刀具、进给量和切削速度，采用自动仿形车床加工得到的最小公差不一定是最经济的公差。在某种情况下，在连续生产过程中，只进行一次切削加工时的公差可以达到于某些零件，槽宽的公差可以达到孔和采用单刃刀具进行精加工时，公差可达到希望获得最大产量的大批量生产中，进行直径和长度的车削时的最小公差值为是最经济的。铣削除了车削和钻削，铣削无疑是应用最广泛的金属切削方法。铣削非常适合于而且也易于应用在任何数量的零件的经济生产中。在产品制造过程中，许许多多种类的铣削加工是值得设计人员认真考虑和选择的。与其他种类的加工一样，对于进行铣削加工的零件，其公差应该被设计或铣削生产所能达到的经济公差。如果零件的公差设计得比需要的要小，就需要增加额外的工序，以保证获得这些公差这将增加零件的成本。磨削磨削是一种应用最广泛的零件精加工方法，用来获得非常小的公差和非常低的表面粗糙度。目前，几乎存在着适合于各种磨削工序的磨削。零件的设计特征在很大程度上决定了需要采用的磨削的种类。当加工成本太高时，就值得对零件进行重新设计，使其能够通过采用既便宜又具有高生产率的磨削方法加工出来，以获得经济效益。尽管通常认为磨削适用于精加工工序，对那些适合于采用磨削来完成粗、精加工工序的工件，也经常采用磨削方法完成全部加工工作，而不采用车削或者其他加工方法。因此，许多种类的锻件和其他零件，可以采用磨削的方法完成其从毛坯到成品的全部加工，这可以显著地节约时间和费用。磨床有以下几种类型：外圆磨床、无心磨床、内圆磨床、平面磨床和工具磨床。外圆磨床和无心磨床是用来磨削圆柱形工件或者圆锥形工件的。因此，花键轴、轴和其他类似的零件是采用普通的外圆磨床，或者采用无心磨床进行加工的。螺纹磨床用来磨削螺纹量规上的精密螺纹和用来磨削螺纹的中径与轴的同心度公差很小的精密件上的螺纹。内圆磨床用来磨削精密的孔、汽缸孔以及各种类似的，需要进行精加工的孔。平面磨床用来对各种平面工件，或者带有平面的工件进行精加工。可以采用砂轮的边或者砂轮的端面进行磨削。这类机床上装有往复式工作台或者回转式。外文原文 of of a is of to it at a of as he or to be an a to do of it in so a be a a of of a is is at to do a be by by in by in of or is a of of is If is be of or of of is to be of on We to be as in a In we of to be s or of of a on a s a of A be in a of in is of an be to is an in we to an of we of a to to on of we or of of We In it is we is a of is of a of a in we to if or Is it it Is it to to Is it a be or to is in to or to to is a a to or is to or to to is a be on of to be in of A in of is If in is no be of of in a In be or to is a to be a by to In in to at is of to or of It is a of of in of in of of or is a in to a a in of of As of is to a a by do if a a be It be a be a is be to be an to to a of a is to be It is to of no or be to to a On be if a is an to a of is be a is no of a be is to A to an be be or be of be is a a at It be if a be of of be to a of it is to in of by In is up to be It is in of as to to It is of to to to is an is no be is a be to to if to be a to is by in To be (1) a (2) it be of (3) Is it to (4) it be (5) it a to be to of a It be a is in or of a so it be in of be by so be In a in or to is a is a to do it he of a of in in s by a of as of of at s on a on on of be in of an on by a In an be be in of to of a a In 00 00 it is to In on a of of of a in of a of an in of on to up on on 000 be to up on on of be if is is be on Is in be on be On is a is on of of is of to of of of of of As in to be be be in If is to be to of is of of to of of a to a of process哈尔滨理工大学学士学位论文 - I - 小型雕刻机设计摘要机电一体化技术综合了机械、电子、自动控制、信息、传感器、电力电子、信号变换接口和软件编程等技术，并且把这些通用型技术整合到一起，结合成一个整体，也是现如今机械工业技术必须发展的也将成为国内外的发展主流。小型雕刻机就是在这种大环境下产生的一种代表性的机电一体化产品，在工艺品的制作与生产行业中拥有有较大的市场。本课题通过分析国内雕刻机与国外雕刻机的差距以及各自的特点，定义了雕刻机的功能和使用范围，规划了雕刻机的结构布局，详细设计了主轴运动和 X、 Y 向进给运动结构，以及工作台、支撑柱等辅助结构，并在此基础上详细阐述了雕刻机的运动过程，实现了其功能。本文设计的小型雕刻机，其具有精度高，一致性好，一机多用的特点，应用领域广泛，可用于工艺品雕刻加工的同时，又具有铣削钻孔等功能。关键词雕刻机；伺服电机；机电一体化哈尔滨理工大学学士学位论文 - a is of at is a of in a by as as of of , Y an on it to of a a is in be to 尔滨理工大学学士学位论文 - 目录摘要 . I . 1章绪论 . 1 题背景 . 1 型雕刻机及其发展现状 . 2 型雕刻机的概念 . 2 型雕刻机的应用和发展 . 3 型雕刻机的特点 . 3 究雕刻机的目的和意义 . 4 章小结 . 4 第 2章雕刻机的结构设计 . 5 刻机的系统组成 . 5 刻机的整体布局 . 5 给结构 . 8 轴结构 . 12 撑结构 . 13 架设计 . 13 作台设计 . 14 座设计 . 15 章小结 . 15 第 3章小型雕刻机的关键参数计算 . 16 计指标 . 16 削力、扭矩和功率的计算 . 17 给运动的计算 . 20 珠丝杠副的计算 . 20 珠丝杠的计算 . 22 作台电机的选择 . 24 章小结 . 26 结论 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 附录 . 31 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第 1章绪论题背景以大机器生产为主流的社会生产形式形成以来，机器生产代替手工劳动不仅使产品数量与日俱增，而且，更使产品质量大为提高。与人口增长及其生产和生活诉求相一致，大机器生产在各个领域中普及逐渐成为全球的共识。作为传统手工艺制作的各种雕刻业，采用机器制作也需与时俱进。尽管机器雕刻使手工艺品失去了自然特性及其人文特征，但是，它在降低劳动强度与提高劳动效率方面占有绝对优势，尤其产品的精确度明显提高。故此，研发、生产及采用发展小型机器替代手工劳动，成为时代的主流。随着中国改革开放不断向着纵深发展与传统手工艺的产业化趋势，在各种手工业制作行业有效地采用小型机械，成为社会发展的客观要求。这样，在我国传统雕刻手工艺行业中积极推广与使用小型雕刻机，就成为一种时代需要。然而，由于各种因素，主要是技术因素的影响，小型雕刻机的生产和利用一直被捆绑着手脚。其主要原因，一是为了经济发展，我国的小型雕刻机一直在中外合作的框架下发展。如上海洛克公司生产的威客雕刻机、北京糟雕公司生产精雕雕刻机和南京科能公司生产的雕刻机等，均是这样的混血儿。二是国内生产的各类小型雕刻机机体结构简单，又采用了基于微控制或控制系统，伺服部分主要是伺服电机细分驱动，属于中等控制精度，故此，不能达到高精度的要求。三是国外小型雕刻机普遍采用现代的技术及其制作材料，精度高、操作安全等，与之相比，国产同类产品捉襟见肘。因此，对于高精度的雕刻加工，我国都没有摆脱受制于人枷锁束缚。为了彻底扭转这种受制于人的局面，雕刻机研发与设计成为势在必行的大事：本设计企图完成的雕刻机，其机床结构刚高度好、精度高，并采用伺服电机驱动，而且加工精度高，控制系统功能安全可靠，只有这样，中国小型雕刻机才能跟上国际工业化的步伐 1 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 型雕刻机及其发展现状型雕刻机的概念雕刻加工不仅源远流长，而且内容丰富，因而成为传统手工艺中重要的文化长夜之一。从传统意义上看，雕刻加工是一项技术性要求比较高的手工艺制作业，制品的质量集中反映着手工艺人技艺水平；另外，由于个人手工制作，故此，一件产品的生产周期十分长，换言之，传统手工雕刻产品的生产效率低，成本及其价格十分昂贵；还有，传统手工雕刻工艺品完全反映工艺师技术及其意愿，这样，它在具有个性化的同时隐藏着极大随意性，这也是产品不能得到同一的关键所在。总之，它与现代生产和生活需要具有相当大的差距。雕刻机的结构、形式，乃至大小等，受到其使用范围的影响，这便构成雕刻机的功能。也就是说，雕刻机的结构、形式受到它功能的制约。这样，根据功能，雕刻机可分为二维平面雕刻、三维立体雕刻和全自由度空间雕刻等主要类型。当然，相较说来，全自由度空间雕刻机适用范围较广，它既可以用于简单雕刻，更主要的是对于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作，如冰雕、沙雕、玉雕以及木雕工艺品等作品的制作，也能胜任，但是，由于技术制约，直到目前为止，此类制品还远不能被制作完成。与之相比，前两种雕刻机已经在实践中得到推广与利用，并且，有看好的发展前景。在现代社会环境中，不论从生产角度看，还是从消费角度看，小型雕刻机具有很强的适应性。小型雕刻机是现代机械化需求的必然产物，它替代手工生产与制作，不仅在生产技术上是一个巨大的进步，同时在满足历史与现实紧密结合中有着重要的意义。在现代自动化为主趋势的社会环境中，小型雕刻机通过自动控制系统根据程序代码控制雕刻机运行，实现以自动化为模式的雕刻加工，这是现代雕刻机的设计核心。毫无疑问，这种小型雕刻机不仅彻底改变了传统上以手工雕刻为主的雕刻制作，而且具有生产效率高、成品率高、加工精度高、可以复制，以及对零件的适应性强等明显优势；同时，这类雕刻机设计借助计算机之件构成了一个相对完整的自动控制系统。为了很好的利用及发展这种雕刻机的社会作用，这种小型雕刻机可以在不同行业中进行具有针对性的应用及研发，就目前发展现状而言，这种小型雕刻机可被划分为模具雕刻机、木工雕刻机、等多种类型。在性能上，因制作和加工对象的不同，对雕刻机的设计及要求也不同，特别是对其机床和控制系统的要求，成为整个要求的焦点。例如，对哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 模具雕刻机而言，由于它以加工金属材料为主，故此，需要刚性较强的机床本体，不仅如此，因为此类雕刻机主要用于制作模具，要求精度高，所以这类雕刻机更需要精度较高的又加工系统；相比之下，用于广告制作的雕刻机，可以适当降低这些技术指标。然而，并非没有立足点，这个共同点就是雕刻刀，研究发现：每次切削的有效面积比较小，所以雕刻零件的刀具运动轨迹就会很长，加工时间也会很长。故此，提高雕刻机的刀具运行速度对缩短工件的雕刻时间、提高加工的效率具有很重要的意义。总而言之，雕刻机的划分及其设计必须结合实际需要而进行，才能使其更加符合实际需要，才能赢得很好的社会效应 4 型雕刻机的应用和发展小型雕刻机根据需要进行必要的分类，但是，由于生产技术难以突破，至今仍然不能形成巨细和合理的产品系列。也就是说，在现代雕刻领域中，雕刻机的种类仍然不能满足各种生产需要。这为技术研发与生产留有广阔的天地。现存雕刻机仅仅能适应简单的雕刻，诸如刻字、简单的几何形体雕刻等，至于复杂的造型，就很难采用这种雕刻机了。从传统工艺品与现代产品的造型形象及其特征看，采用雕刻机完成生产制作具有极大的现实意义。不仅省工省力、降低成本与提高经济价值，而且，产品做工精细，产品质量高，便于人们使用等。随着中国国内市场需求的不断增长与市场供应不足矛盾的彰显，迫切需要从理论到实践，尤其生产上解决技术难关，积极研发各种类型的小型雕刻机 9 型雕刻机的特点本课题设计的小型雕刻机有一下特点： 1. 自动化程度高，便于操作。由于采用数控技术和计算机辅助设计软件，对于工件的雕刻，其全部过程都是小型雕刻机自动完成的。 2. 产品的结体合理，精度高，并且能够取得整齐划一。小型雕刻机的雕刻过程是由计算机控制完成，可以达到相对较高的精度和表面质量，而且能够达到批量加工的目的，换言之，就是产品整齐划一。 3. 适用性强的特点。只需要改变雕刻机控制程序，小型雕刻机便可以雕刻浮雕等各种复杂的曲面，甚至，可以采用不同刀具，以适应不同部位造型的需要，直至雕刻出富有创意产品。 4. 雕刻机功能的衍生性，即小型雕刻机同时有钻铣功能，可用于钻孔、切边以及加工小模具，性价比高 11。哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 究雕刻机的目的和意义近现代以来，随着中国工业化的进程，尽管机械工业已经有了较大的发展，但是，由于各种主客观因素的影响，特别是受到科学技术的制约，致使我国的机械工业技术水平和生产能力与西方发达国家依然相差甚远。因此，在我国，在机械领域迎头赶上世界先进水平，实现机电一体化，成为时代主流与机械工业发展的大势所趋。所谓机电一体化，是指将机械技术和电子技术的有机结合的新型技术是机械技术，它的核心内容包括机械、电子、计算机和自动控制等技术。机电一体化是一个系统工程，以计算机及其数控技术为核心，将传统机械推进到自动化的程度，不仅提高劳动效率，而且降低劳动强度，并实现更加精确的设计与生产计划。 20 世纪末期，世界上各个国家都努力发展这一技术，以提高各自的综合实力水平以及机械技术水平，实现整体水平的新高度发展与突破向智能化的方向发展。这不仅是世界工业化的新特征，更是时代赋予人类的生产与生活的新模式：世界各国争相发展机电一体化技术使人们生活逐渐步入自动化时代使经济效益得到飞速发展。因此，在中国实现机电一体化，既是中华民族从传统工业走向现代化的必经之路，也是我国机械工业赶超世界强国的必由之路 12 章小结本章主要介绍了本设计的课题背景，我国雕刻行业主要以手工雕刻为主并且国产雕刻机的雕刻精度较低，高端雕刻机多数是从国外进口。在此基础上又介绍了本课题设计的小型雕刻机的特点、应用领域以及研究小型雕刻机的目的和意义。哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第 2章雕刻机的结构设计刻机的系统组成小型雕刻机工作原理是一个三维控制系统，工作原理如图 2示：图 2型雕刻机工作原理在计算机内安装专用的图形和文字设计排版软件，将这些需要加工的文字或图案信息分析处理自动整合出加工路径，然后再通过计算机成的工件加工路线信息传递给控制系统，然后控制系统接收工件加工路径数据，再把所要加工的形状整合出来显示在计算机屏幕上，若用户满意完，就用特定的算法将这些信息转化为控制信息，由于电机是靠脉冲信号控制的所以还要控制器把这些信息转化为驱动电机的信号，通过控制电机的旋转角度和旋转速度来控制雕刻机 X 轴、 Y 轴和 Z 轴的走刀。同时，雕刻机的电主轴进行铣削，即可雕刻出预想的图案或文字 14。刻机的整体布局机械结构作为小型雕刻机的硬件部分，直接决定了雕刻机的工作生产能力以及加工效果。正因为如此，对小型雕刻机的机械结构，必须根据下面要求进行恰当设计。 1. 首先必须满足雕刻机结构的稳定性；其次满足电机一体化的工作范哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 围与加工精度，以提高生产效率，乃至确保经济性等多种要求。 2. 确保小型雕刻机结构必须满足其加工精度，确保雕刻机结构的刚度、抗震性和抗热变形等稳定。 3. 雕刻机的结构必须适应加工过程的直观可视，操作方便，调整和维修方便，运送和装卸工件方便。 4. 结构简约，布局合理，方便装配，便于操作与具有较强的安全性等15。雕刻机不仅要满足总体布局的基本要，还要满足其他外界影响雕刻机布局的因素：面的形成运动影响。通常情况下，需要采用不同的刀具与不同的加工方式对雕刻对象进行不同的处理，这样，在工件表面形成的运动方式和运动路线就不同，而出现不同的工作布局方式。如果出现类似外形的工作表面，那么也一定会有对技术和生产效率等不同的要求，为此，对应不同的加工工件表面和不同的加工加工方式选用不同种类的刀具。由此可见，雕刻机的布局形式也受到工件表面形状的影响，而且小型雕刻机的布局形式也是为加工工件表面二设计的。刻机运动布局分配的影响。雕刻机伺服电机驱动控制机头加工工件的雕刻路线相同及加工相同的工件，但是在这种情况下有时也会出现雕刻机头分配不同的运动路线的情况，这种情况也会影响雕刻机的布局，使雕刻机出现不同的布局。故此，在设计雕刻机运动分配的时候，必须做到以下几点：移动部件的重量要相对较轻，因为一般情况下，减轻了移动部件的重量，就降低了电机提供的功率以及传动件的尺寸也越小；应有利于提高加工精度；应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积 16 另外雕刻机本身性质要求对工件影响也很大，如工作时自身产生的运动、刻刀与工件摩擦产生的噪声、集体发热还会导致热变形以及自身刚度和抗震性的影响。经过查看相关书籍以及上网查询资料得知雕刻机布局形式通常采用如图 2示的两种方案：哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - （ a）工作台固定式（ b）立柱固定式图 2刻机的布局形式上述这两种情况的布局方式都是仿照龙门结构形状的框架结构，两种形式的共同特点在于结构的刚度都比较高。而其不同点在于在方案 (a)布局中，是把工作台与机架固定在一起，雕刻机头在电机的作用下根据要求作左右和上下移动，支架在 Z 向电机的作用下作前后移动。这种工作台固定形式的的优点在于对雕刻机纵向长度不同的工件加工都能适应，而且由于工作台直接与机架固定，所以承重能力较好。另外，在批量加工较长工件时，若要支撑点高度相同，可以调整支架便于达到目的。但，雕刻头运动过程中振动幅度较大所以难以保证加工精度。方案 (b)中布局，与方案（ a）最大的不同就是把立柱固定，雕刻头在电机的作用下根据工作需要作左右和上下移动，工作台在 Z 向电机的作用下作前后移动。由于这种设计是把立柱固定工作台承载着加工工件移动，所以承载能力与布局 (a)方案相比较差。如果是用于加工较轻的工件，采用方案（ b）这种设计所需轴向力和传动件的尺寸较小，且移动方便。如果是进行批量加工外伸支架支撑纵向长工件，支点高度相同，所以支架支撑调整方便，但支架结构与布局 (a)方案相比会稍微复杂。而这种设计方案的最大优点就在于雕刻头前后运动时震动较小，能保证加工精度 18 通过比较两种方案，显而易见，根据雕刻机加工的工件须偏小又充分考虑到结构的稳定性原则、结构的基本要求、影响结构布局的基本因素，可采用布局 (b)的方案。小型雕刻机的机械几何结构，由以下几部分组成 : 撑和固定小型雕刻机，承担整个雕刻机的重量，要求稳定坚固。底座的四角又与地面连接进一步提高雕刻机的稳定性。 T 型槽台、 Y 轴方向的丝杠和导轨组成，由丝杠哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 驱动，导轨导向，是用来放置并固定工件的， T 形槽工作台作为工作台，其特点是精度稳定不易变形、耐磨性好。 X 向的丝杠和导轨组成。光轴导轨除了导向作用之外还起到承载机头重量的作用，丝杠的旋转运动带动机头运动。主轴结构和 Z 方向的丝杠和导轨组成。电机驱动丝杠转动，丝杠的旋转运动带动主轴结构运动，主轴结构在工作时电主轴作高速铣削运动。给结构进给结构是由伺服电机、执行机构和机械传动结构组成。其作用是接收控制系统发出的指令按照这些指令运行驱动雕刻机走刀，可以根据按照合成信号精确地控制指令的执行单元的速度和位置，以及执行轨迹的几个执行结构的运动轨迹。下面是小型雕刻机进给结构的机械部分和电机部分。小型雕刻机进给运动方式如下：把工件固定在工作台上，由于雕刻机的布局工作台移动立柱固定的形式所以工件随着工作台做 Y 方向的进给运动，机头在 X 方向电机和丝杠的驱动下做进给运动，与此同时电主轴做高速铣削运动，并且在 Z 方向做上下运动。雕刻机就是这样雕刻出预想的文字和图案。在丝杠的驱动下和在光轴导轨的导向作用下机头沿 X 方向的左右运动，如图 2示：图 2刻机 X 方向进给图在丝杠的驱动下和在光轴导轨的导向作用下工作台沿 Y 方向前后运动，如图 2示：哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 图 2刻机 Y 方向的进给图在丝杠的驱动下和在光轴导轨的导向作用下机头沿 Z 向上下运动，如图 2示：图 2刻机 Z 方向进给图为保证雕刻运动稳定工作加工和雕刻机的结构严瑾，雕刻机的各传动链全部使用滚珠丝杠副。用联轴器把丝杠的一端与电机轴连在一起，伺服电机的转动带动与其连接的丝杠转动，这样就把旋转运动转化成直线运动。用轴承把丝杠的另一端固定在机架上。电动机的转动步数是由指令脉冲数控制的，伺服电机的旋转方向是由高低电平控制的，电机的转动快慢是由脉冲信号的频率控制。而且伺服电机具有以下特点：置功能，电机需要转动多少角度，就发送出多少具体的脉冲哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 数量。如果要改变电机转动速度的快慢，可通过改变发送脉冲的速率来实现。反、急停及自锁功能，如果要伺服电机的正反转，可以通过控制电平的高低来实现，在伺服电机锁定的情况下仍然输出静止力矩。高精度位置功能，可通过控制脉冲速度把电机转速调到极低，而且中间不需要再通过连接减速器，这样就使功率的损耗和角度位置的偏差减少了很多，提高了控制精度。电机轴与丝杠连接不需要通过电刷和换相器换相，直接用套筒联轴器连接，从而减少了摩擦，增长了使用寿命，如图 2示：图 2杠与电机轴的连接套筒联轴器用于联接丝杆与电机，采用套筒联轴器连接的固定精度相对较高，其特点在于：可连接小型轴、转动惯量小以及适用于高速旋转运动的连接；安装后没有反作用力；提高丝杠与电机轴连接的强度；采用销连接的方式连接，在较高转动速度时仍可保持稳定运行。如图 2示：哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - （ a）套筒联轴器平面图（ b）套筒联轴器实体图图 2筒联轴器光轴导轨主要功能是横向导向和纵向承载。导轨的作用是使运动部件按照规定的轨迹运动，从而保证了各部件的相对位置精度，在很大程度上决定雕刻机的精度与精度保持性，如图 2示： 2轴导轨雕刻机 X 和 Y 向，安装一对圆柱形导轨在丝杠的两侧，其作用是可以帮助丝杠分担所机头、工作台和工件所给的压力。圆柱形导轨加工容易，刚度好精度高可满足定位精度的要求。虽然 Z 向丝杠不承受向下的压力，但是为保证 Z 向精度，在 Z 向丝杠的两侧也安装两个光轴导轨。 Z 向电主轴的定位是依靠伺服电机的自锁功能来实现的。把光轴导轨的两端用螺母固定在雕刻机支架上，并且与导轨套形成移动副，如图 2示：哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 图 2杠和圆导轨的支承方式各个传动链上的丝杠螺母与不同零件以螺钉固定连接，通过丝杠副把旋转运动转化成直线运动的特性形成相对运动实现传动；与工作台固定连接，然后相对于 Y 向丝杠做直线运动；与机头支架固定连接，同理与 Z 向丝杠形成移动副带动机头做上下移动 13。轴结构主轴结构是雕刻机的执行件。其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件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、结构抗振性、热稳定性及回转精度的保持性。雕刻机主轴部分用螺钉固定在 Z 向的连接板上，利用电主轴高速转动，带动刀具做切削雕刻运动。近些年来我国科技不断发展进步，使雕刻机以及加工中心的核心部分主轴也得到迅速发展。使得高速雕刻机主传动机构得到非常大的提高，并且逐渐把带传动和齿轮传动的形式向电主轴的形式转化，机床主轴由机床内装的电动机直接驱动，从而使较长的传动链形式逐渐被淘汰，使机床主运动部分不在需要传动链形式传动，这种结构就是电主轴。本雕刻机应用电主轴转速达到 18000r 如图 2示：哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 图 2主轴实体图撑结构架设计支架用来支撑进给结构并且保证进给结构与工作台的相对位置精度，并且承载这各种动态力和静态力以保证小型雕刻机整体稳定性，如图 2 图 2刻机支架哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 作台设计工作台的作用是用来放置并固定工件的，在设计工作台的时候，从整体的刚度和经济性来考虑，并且按照机床的工作台、丝杆、光轴导轨的长度来决定小型雕刻机整体的大小，选用 T 形槽工作台作为工作台，其特点是精度高、稳定不易变形、耐磨性好、价格便宜。本次设计的工作台长800 800图 3示： (a)工作台实体图（ b）工作台平面图图 2作台哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 座设计底座的作用是起支撑和固定小型雕刻机的作用。底座的四角又与地面连接进一步提高小型雕刻机的稳定性。设计的底座稍微大一点，目的是使机床稳定性更强。底座材质为 45 号刚，底座尺寸 1700图 3 图 3刻机底座章小结本章主要分析了小型雕刻机的整体机构设计：采用了龙门式框架结构雕刻机头做横向和上下移动工作台做纵向移动。在此基础之上有介绍了进给结构： X 轴方向、 Y 轴方向 Z 轴方向进给结构；主轴结构：采用电主轴；支撑结构：支架、工作台和底座。哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - 第 3章小型雕刻机的关键参数计算计指标主运动系统中的电主轴，是小型雕刻机的核心部件之一，确定电主轴的型号和参数，以及给出结构的关键参数计算与校核。除应满足的要求外，还应满足一下要求： 1. 设法满足最大的调速范围，并实现无级变速。小型雕刻机工作的时候一定要保证切削用量在合理范围内，这样才能保证刀具充分发挥其性能，使生产率和生产质量得到保证，还有就是必须保证电主轴的转速足够快以便于提高雕刻速度提高生产率。电主轴好要有更大的调速范围且必须保证加工的步骤相对集中即只建立一次安装固定工件就能完成许多步加工步骤。 2. 具有较高的精度和刚度。只有设法提高主运动结构的刚度，才能使雕刻机工作相对稳定，才能提高雕刻机的加工精度，保证工件质量。为此，首先要保证传动件的精度与刚度，只有保证了传动件的性能才能使传动相对稳定，可以采用高频加热淬火的方式增强传动件的刚度；最后轴承要选用高精度的，并且合理支配轴承之间的跨度。 3. 良好的抗振性和热稳定性。小型雕刻机雕刻顺序一般是先进性粗雕刻再进行精雕刻雕刻时可能会因为运动部件不协调以及雕刻过程中零部件的影响，导致主轴结构也跟着发生震动现象，这样就会使加工无法正常进行，因此各零部件一定要拥有一定的抗震性。还有，雕刻机在雕刻加工的时候主运动结构工作时间长了就会发热，导致其他零部件也发热，进而产生热变形，由于出现热变形各零部件之间的位置精度和运动精度就会降低，从而使加工误差增大，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。为此要求主轴不仅具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并且，需要进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。结合设计参数以及小型械雕刻机的总体设计方案，初步制定该雕刻机机械部分的主要参数，如表 3示：哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 表 3械设计参数表设计项目设计参数单位主轴最高转速 20000n r/轴最大进给速度 3600 mm/ 向总行程 800 向总行程 800 向总行程 100 位精度 25 m 脉冲当量用寿命 20000 削力、扭矩和功率的计算小型雕刻机雕刻加工的材料主要是非金属材料和铝合金材料等一些不太硬的材料。也正是由于这些材料的材质较软所以具有良好的塑性。小型雕刻机所雕刻的工件性质不一样，这样就使雕刻机雕刻工件所用时间会不一样，而且对于不同的材料小型雕刻机所采用的雕刻方式也不一样通过查阅资料，查的雕刻的方式分为：一般雕刻、强力雕刻、精细雕刻和快速进给这几步。通过查阅陈宏君主编的机械加工工艺手册查得表 3 半部分的切削经验计算公式，然后将这些查得的公式代入已知的参数进行简化，得到表格右半部分与切削深度进给速度铣刀转速 n 有关的简化计算公式如表 3示：哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 表 3削力、扭矩和功率计算切削经验计算公式简化的计算公式铣削力： 0( N )F F F y uF p f w z 0 . 7 5 0 . 6 24 2 . 7 6 ( N )z p fF a v n 铣削扭矩： z0 0 N （）铣削功率： 0 7 1 4 1 0 n k （） 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 Y U q W K 。铣削宽度 w(mm)a 铣削深度 p(mm)a 进给速度 ( m m / m i n )a z n 铣削速度 0 / 1 0 0 0 ( m / m i n )v d n ， 0d 铣刀外径 ( 每齿进给量 (mm/z)， z 铣刀齿数， n 铣刀转速 (r /。将切削深度进给速度铣刀转速 n 的变量代入分别计算，得到计算结果，如下表 3示：表 3削力、扭

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