移動(dòng)龍門(mén)式小型數(shù)控雕刻機(jī)Z軸和X軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),移動(dòng)龍門(mén)式小型數(shù)控雕刻機(jī)Z軸和X軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),移動(dòng),挪動(dòng),龍門(mén),小型,數(shù)控,雕刻,以及,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì) 中 期 檢 查 表 學(xué)? 院：?? ????????????? 學(xué)生姓名 學(xué)??? 號(hào) 年級(jí)專(zhuān)業(yè)及班級(jí) 指導(dǎo)教師姓名 指導(dǎo)教師職稱(chēng) 論文（設(shè)計(jì)）題目 移動(dòng)龍門(mén)式小型數(shù)控雕刻機(jī)Z軸和X軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作進(jìn)度 ? 已完成的主要內(nèi)容 尚需解決的主要問(wèn)題 1.????? 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.????? Z軸的裝配圖的繪制 1.X軸裝配圖及相關(guān)零件的繪制 2.設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的經(jīng)一部修改完善 指導(dǎo)教師意見(jiàn) ? ? ? ? ???????????????????? 簽名：????????????? 年??? 月??? 日?? 檢查小組意見(jiàn) ? ? ?????????????????????? 組長(zhǎng)簽名：?????????? 年??? 月??? 日?? ? 注：1.此表可用黑色簽字筆填寫(xiě)，也可打印，但意見(jiàn)欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫(xiě)。 2.此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。 任務(wù)書(shū) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 年級(jí)專(zhuān)業(yè)及班級(jí) 指導(dǎo)教師及職稱(chēng) 講師 學(xué) 院 工學(xué)院 2012 年 12 月 3 日 填 寫(xiě) 說(shuō) 明 一、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)是學(xué)校根據(jù)已經(jīng)確定的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目下達(dá)給學(xué)生的一種教學(xué)文件，是學(xué)生在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立從事畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作的依據(jù)。此表由指導(dǎo)教師填寫(xiě)。 二、此任務(wù)書(shū)必需針對(duì)每一位學(xué)生，不能多人共用。 三、選題要恰當(dāng)，任務(wù)要明確，難度要適中，份量要合理，使每個(gè)學(xué)生在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)，經(jīng)過(guò)自己的努力，可以完成任務(wù)書(shū)規(guī)定的設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容。 四、任務(wù)書(shū)一經(jīng)下達(dá)，不得隨意更改。 五、各欄填寫(xiě)基本要求 （一）畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）選題來(lái)源、選題性質(zhì)和完成形式： 請(qǐng)?jiān)诤线m的對(duì)應(yīng)選項(xiàng)前的“□”內(nèi)打“√”，科研課題請(qǐng)注明課題項(xiàng)目和名稱(chēng)，項(xiàng)目指“國(guó)家青年基金”等。 （二）主要內(nèi)容和要求： 1．工程設(shè)計(jì)類(lèi)選題 明確設(shè)計(jì)具體任務(wù)，設(shè)計(jì)原始條件及主要技術(shù)指標(biāo)；設(shè)計(jì)方案的形成（比較與論證）；該生的側(cè)重點(diǎn)；應(yīng)完成的工作量，如圖紙、譯文及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等要求。 2．實(shí)驗(yàn)研究類(lèi)選題 明確選題的來(lái)源，具體任務(wù)與目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究現(xiàn)狀及其評(píng)述；該生的研究重點(diǎn)，研究的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方案；計(jì)算機(jī)應(yīng)用及工作量要求，如論文、文獻(xiàn)綜述報(bào)告、譯文等。 3．文法經(jīng)管類(lèi)論文 明確選題的任務(wù)、方向、研究范圍和目標(biāo)；對(duì)相關(guān)的研究歷史和研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)要介紹，明確該生的研究重點(diǎn)；要求完成的工作量，如論文、文獻(xiàn)綜述報(bào)告、譯文等。 （三）主要參考文獻(xiàn)與外文資料： 在確定了畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目和明確了要求后，指導(dǎo)教師應(yīng)給學(xué)生提供一些相關(guān)資料和相關(guān)信息，或劃定參考資料的范圍，指導(dǎo)學(xué)生收集反映當(dāng)前研究進(jìn)展的近1－3年參考資料和文獻(xiàn)。外文資料是指導(dǎo)老師根據(jù)選題情況明確學(xué)生需要閱讀或翻譯成中文的外文文獻(xiàn)。 （四）畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的進(jìn)度安排 1．設(shè)計(jì)類(lèi)、實(shí)驗(yàn)研究類(lèi)課題 實(shí)習(xí)、調(diào)研、收集資料、方案制定約占總時(shí)間的20%；主體工作，包括設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪制圖紙、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析等約占總時(shí)間的50%，撰寫(xiě)初稿、修改、定稿約占總時(shí)間的30%。 2．文法經(jīng)管類(lèi)論文 實(shí)習(xí)、調(diào)研、資料收集、歸檔整理、形成提綱約占總時(shí)間的60%；撰寫(xiě)論文初稿，修改、定稿約占總時(shí)間的40%。 六、各欄填寫(xiě)完整、字跡清楚。應(yīng)用黑色簽字筆填寫(xiě)，也可使用打印稿，但簽名欄必須相應(yīng)責(zé)任人親 筆簽名。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目 移動(dòng)龍門(mén)式小型數(shù)控雕刻機(jī)Z軸和X軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 選題來(lái)源 □結(jié)合科研課題 課題名稱(chēng)： R生產(chǎn)實(shí)際或社會(huì)實(shí)際 □其他 選題性質(zhì) □基礎(chǔ)研究 R應(yīng)用研究 □其他 題目完成形式 □畢業(yè)論文 R畢業(yè)設(shè)計(jì) □提交作品，并撰寫(xiě)論文 主要內(nèi)容和要求 主要內(nèi)容: 雕刻機(jī)Z軸與X軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電機(jī)的選擇與傳動(dòng)的相關(guān)計(jì)算雕刻機(jī)X,Y,Z三個(gè)坐標(biāo)均為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，坐標(biāo)的脈沖當(dāng)量均為0.01mm，坐標(biāo)最大移動(dòng)范圍：X軸600mm，Y軸500mm，工作臺(tái)高度：300mm。 設(shè)計(jì)基本要求： 1. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)五千字）。 2.總裝配圖一張用AutoCAD繪制。 3. 指定零件圖3～4張（繪圖總量2張A0圖紙） 注：此表如不夠填寫(xiě)，可另加頁(yè)。 主要參考文獻(xiàn)與外文資料 [1]《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》編輯委員會(huì)．現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.4； [2]趙松年，張奇鵬．機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.6； [3] 趙松年，戴志義．機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.5； [4] 宋天麟．?dāng)?shù)控機(jī)床及其使用與維修．東南大學(xué)出版社，2003.10； [5] 劉雄偉. 數(shù)控加工理論與編程技術(shù)-2.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3； [6] 唐榮錫.CAD/CAM技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994； [7] 孫家廣. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1998.9； [8] 譚建成．電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.3； [8] H odd D. Morton．Embedded Microcontrollers．Pearson Education North Asia Limited,2001； 工作進(jìn)度安排 階段 起止日期 階段工作內(nèi)容 一 2012.12－2013.1 調(diào)研，開(kāi)題 二 2013.1-2013.2 復(fù)習(xí)相關(guān)課程， 三 2013.3.1-2013.3.31 構(gòu)思方案,總體設(shè)計(jì),中期檢查 四 2013.4-2013.4.25 完成設(shè)計(jì)工作，審核初稿 五 2013.4.26-2013.5.13 修改整理提交資料,畢業(yè)答辯 要求完成日期：2013 年 05 月 06 日 指導(dǎo)教師簽名： 審查日期：2012年 月 日 專(zhuān)業(yè)委員會(huì)簽名： 批準(zhǔn)日期：2012年 月 日 學(xué)院指導(dǎo)委員會(huì)簽名（公章）： 接受任務(wù)日期：2012 年 12 月 05 日； 學(xué)生簽名： 注：簽名欄必須有相應(yīng)責(zé)任人親筆簽名。此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。 4 設(shè)計(jì) 移動(dòng)龍門(mén)式小型數(shù)控雕刻機(jī)Z軸和X軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) THE STRUCTRE DESIGN OF THE Z AND X OF THE SMALL MOBILE GANTRY CNC ENGRAVING PLOTTER 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 年級(jí)專(zhuān)業(yè)及班級(jí)： 指導(dǎo)老師及職稱(chēng)： 講師 學(xué) 院： 湖南·長(zhǎng)沙 提交日期：2013年5月 ? ? 開(kāi)題報(bào)告 ? ? ? ? ? ? 學(xué)生姓名 學(xué)?? 號(hào) 年級(jí)專(zhuān)業(yè)及班級(jí) 指導(dǎo)教師及職稱(chēng) 講師 學(xué)?? 院 ? ? ? ? ? ? ? 20?? 年??? 月??? 日 ? ? ? ? ? ? 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 移動(dòng)龍門(mén)式小型數(shù)控雕刻機(jī)Z軸和X軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述 選題研究意義： 我國(guó)的機(jī)械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，初步滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)機(jī)械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國(guó)以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開(kāi)發(fā)高技術(shù)含量的新產(chǎn)品，已成為當(dāng)前機(jī)械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點(diǎn)。 機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來(lái)，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來(lái)了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是我國(guó)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。 ? 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 數(shù)控雕刻技術(shù)是傳統(tǒng)雕刻技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它稟承了傳統(tǒng)雕刻精細(xì)輕巧、靈活自如的操作特點(diǎn)，同時(shí)利用了傳統(tǒng)數(shù)控加工中的自動(dòng)化技術(shù)，并將二者有機(jī)的結(jié)合在一起，成為一種先進(jìn)的雕刻技術(shù)。所有這些技術(shù)都將通過(guò)數(shù)控雕刻機(jī)轉(zhuǎn)化為真正的生產(chǎn)能力。數(shù)控雕刻機(jī)集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD技術(shù)）、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（CAM技術(shù)）、數(shù)控技術(shù)（NC技術(shù)）、精密制造技術(shù)于一體，是目前最先進(jìn)的雕刻設(shè)備，代表了最先進(jìn)的雕刻技術(shù)。使用數(shù)控雕刻技術(shù)和數(shù)控雕刻機(jī)已經(jīng)成為雕刻行業(yè)的一種潮流。 1938年世界第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國(guó)“嘉寶”問(wèn)世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺(tái)真正意義的電動(dòng)、可縮放比例的手動(dòng)雕刻機(jī)。隨后美國(guó)、日本和法國(guó)等國(guó)也開(kāi)始研制。 20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動(dòng)微型計(jì)算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動(dòng)整個(gè)高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價(jià)格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。 數(shù)控雕刻的特點(diǎn)： 與傳統(tǒng)的數(shù)控加工比較，數(shù)控雕刻是高速銑削加工。高速銑削加工是種高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給和快走刀的加工方式，形象地稱(chēng)為“少吃快跑”的加工方式。有如下特點(diǎn)： 1.專(zhuān)業(yè)的數(shù)控雕刻加工工藝 以“等量切削”技術(shù)為核心的數(shù)控雕刻工藝，避免了加工吃刀量不均的問(wèn)題，保證了產(chǎn)品精細(xì)度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，并降低了精細(xì)加工的斷刀概率，提高了加工效率。 數(shù)控雕刻對(duì)象的特點(diǎn)是圖案復(fù)雜、細(xì)節(jié)豐富、造型奇特、成品精細(xì)。要實(shí)現(xiàn)這樣的加工要求，則必須使用小尺寸的刀具科為基本加工刀具，在很多情況下，數(shù)控雕刻機(jī)使用的雕刻刀具刀尖直徑不足0.5毫米甚至到0.1毫米以下。使用小刀具進(jìn)行精細(xì)雕刻是數(shù)控雕刻的最基本的特征，數(shù)控雕刻系統(tǒng)的所有其他特點(diǎn)都圍繞這個(gè)基本的特點(diǎn)和要求而產(chǎn)生。 2.高精度、高轉(zhuǎn)速的主軸電機(jī) 由于數(shù)控雕刻使用小尺寸的刀具進(jìn)行銑削加工，所用刀具的直徑小，加工中為保證刀具的切削線速度和切削能力，勢(shì)必要提高刀具的旋轉(zhuǎn)速度，使用具有高轉(zhuǎn)速能力的主軸電機(jī)。主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度高，可為小刀具提供高的切削速度，并確保小刀具在雕刻中能有較好的切削能力。 制造精度高，旋轉(zhuǎn)噪聲低，刀具裝卡跳動(dòng)量小，使小刀具平穩(wěn)的進(jìn)行銑削加工提供了良好的工作環(huán)境。 3.輕型機(jī)密的機(jī)床結(jié)構(gòu) 數(shù)控雕刻適合小工件、小加工量并能滿(mǎn)足定加工精度要求的輕型加工，所以雕刻機(jī)的整體結(jié)構(gòu)較為精巧，具有較強(qiáng)的剛性和齊全的配置。 整體鑄件結(jié)構(gòu)，為高精度的運(yùn)動(dòng)提供了穩(wěn)定的工科平臺(tái)，確保了雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、雕刻成品光潔度好。 4.尺寸精度高、耐磨性能好、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的雕刻刀具 具體保證數(shù)控雕刻成品精細(xì)和加工效率高是最為關(guān)鍵因素之一，在使用高速主軸電機(jī)和計(jì)算機(jī)輔助加工技術(shù)（CAM）的前提下，數(shù)控雕刻機(jī)所使用的刀具的尺寸精度高、耐磨性好。不同的工藝使用不同的刀具，使用專(zhuān)業(yè)刀具加工相應(yīng)的業(yè)務(wù)和材料。 5.高效平穩(wěn)的控制系統(tǒng) 數(shù)控雕刻控制系統(tǒng)采用了行進(jìn)的微步細(xì)分控制算法，機(jī)床運(yùn)動(dòng)高速平穩(wěn)，分辨率高，可達(dá)0.003m m/步。另外，也有部分機(jī)型使用伺服驅(qū)動(dòng)單元，機(jī)床各項(xiàng)性能指標(biāo)又有較大幅度的提高。 6.功能強(qiáng)大的控制軟件 控制軟件工作界面靈活便捷，功能豐富，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)獨(dú)具特色的雕刻功能，如選擇雕刻功能、雕刻時(shí)間計(jì)算功能等，適合中件或批量產(chǎn)品雕刻。 7.以完整的精雕雕刻系統(tǒng)作為依托 根據(jù)小刀具雕刻的基本特點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)前制造業(yè)先進(jìn)的高速銑削（HSM ）理念，精雕科技提出了小刀具高速雕刻思想，主要目標(biāo)是提高雕刻效率和雕刻精度，減少小刀具的磨損率，在實(shí)際加工中的表現(xiàn)為“高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給、小進(jìn)給、勻切削、高效率”。此項(xiàng)技術(shù)是項(xiàng)整體的系統(tǒng)技術(shù)。精雕雕刻CAD/CAM軟件獨(dú)創(chuàng)的“等量切削”功能能夠生成具有均勻切削用量的刀具路徑，為高速雕刻的實(shí)現(xiàn)提供了最基本的技術(shù)保證。數(shù)控雕刻的特有的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)為“小刀其的快速銑削”，擅長(zhǎng)做“常規(guī)大刀具無(wú)法加工的業(yè)務(wù)”。[宋天麟．?dāng)?shù)控機(jī)床及其使用與維修] 國(guó)外的雕刻機(jī)，如美國(guó)“雕霸”、法國(guó)“嘉寶”和日本“御牧”是此行業(yè)的佼佼者，但價(jià)格非常昂貴，不管大小都在10萬(wàn)圓人民幣以上。還有較為成熟的雕刻軟件如法國(guó)的GRAVOGRAPH-NEW HERMES 公司的GravoStyle’98三維雕刻軟件，此軟件為最先進(jìn)的雕刻軟件之一，具有自動(dòng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、三維刀具補(bǔ)償?shù)裙δ?。?guó)外雕刻機(jī)主體采用框架結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，并采用機(jī)電一體化關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化。 近幾年國(guó)內(nèi)的雕刻機(jī)，北京“精雕”、上海“啄木鳥(niǎo)”在國(guó)內(nèi)也有一定的市場(chǎng)，但價(jià)格也不菲。較為成熟的有天津歐凱數(shù)控機(jī)床有限公司生產(chǎn)雕刻機(jī)，其具有較好的人機(jī)界面，還有北京文泰公司的文泰三維雕刻軟件，此軟件可以輸出HPGL指令機(jī)，也可以輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控G代碼，用于雕刻機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)。 隨著近年來(lái)我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇，有效地促進(jìn)了我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國(guó)的數(shù)控雕刻機(jī)起步于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，己形成了多個(gè)國(guó)產(chǎn)品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥(niǎo)數(shù)控雕刻機(jī)、北京精雕公司生產(chǎn)的精雕數(shù)控雕刻機(jī)和南京利能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類(lèi)型雕刻機(jī)的機(jī)床本體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制器大多借鑒國(guó)外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制器或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)為主，可獲得中等控制精度，但價(jià)格比較便宜，因此整機(jī)的性?xún)r(jià)比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)高精度的雕刻加上，口前我國(guó)尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左拉、日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類(lèi)數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加上精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高，但價(jià)格昂貴，往往數(shù)信于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加上場(chǎng)合。 ?隨著微電子技術(shù)和機(jī)電結(jié)合深度的發(fā)展，可不斷提高產(chǎn)品附加值。雕刻機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備，其總體發(fā)展是提高該產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力。因此今后的發(fā)展將具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)主要方面: 1.自動(dòng)化 降低使用的復(fù)雜程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作人員數(shù)量，減少輔助工作時(shí)間，減少人為干預(yù)，穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程，提高生產(chǎn)效率。 2.高速度 提高數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算和控制速度，高速度直接與高效率相聯(lián)系。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高速化，不僅要求計(jì)算機(jī)及軟件有很高的信息處理速度，而且要求系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)部件和驅(qū)動(dòng)控制具有高速響應(yīng)的特征和響應(yīng)速度的匹配性。 3.監(jiān)測(cè)監(jiān)控 通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量反饋，提高系統(tǒng)的控制精度，保證工作質(zhì)量。 4.計(jì)算機(jī)信息化 軟件程序化系統(tǒng)是發(fā)展必然趨勢(shì)。簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，依靠和發(fā)揮軟件技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)性能，降低成本，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生產(chǎn)周期。 5.柔性化 提高產(chǎn)品應(yīng)用功能的靈活性，適應(yīng)用戶(hù)多樣化的使用要求。 6.模塊化 將產(chǎn)品總體從軟硬件結(jié)構(gòu)上按功能劃分為模塊，各功能模塊相對(duì)獨(dú)立研究、發(fā)展和完善，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口聯(lián)成系統(tǒng)。 7.通用化 零部件設(shè)計(jì)、軟件規(guī)范、接口、通信協(xié)議等產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和選用芯片的通用化有利于系統(tǒng)擴(kuò)展、技術(shù)兼容和滲透，有利于產(chǎn)品和技術(shù)的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，并提高產(chǎn)品的通用性和可維修性。 8.專(zhuān)用化 有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳匹配和最優(yōu)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)集成度，從而提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)大批量生產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到降低成本的目的。 9.智能化 配備各種傳感器和信息獲取通道，直接感受環(huán)境信息，建立和利用知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)構(gòu)成專(zhuān)家系統(tǒng)，進(jìn)行邏輯推理和經(jīng)驗(yàn)推理，使系統(tǒng)能自動(dòng)根據(jù)周?chē)h(huán)境作出自適應(yīng)處理并具有自學(xué)習(xí)功能，在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行高質(zhì)量高效率地工作。 10.優(yōu)化 根據(jù)強(qiáng)化功能、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減少成本等目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化參數(shù)選擇，達(dá)到整體優(yōu)化或最佳產(chǎn)品目標(biāo)。 11.節(jié)能化 采用電力電子驅(qū)動(dòng)和電子控制系統(tǒng)的最佳調(diào)節(jié)控制，提高產(chǎn)品的能源利用率，可大幅度降低能源消耗。 12.集成化 包括結(jié)構(gòu)集成和功能系統(tǒng)集成。采用集成化的方法強(qiáng)化系統(tǒng)功能，減少物理體積，提高效率，提高系統(tǒng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)控雕刻機(jī)由生產(chǎn)發(fā)展至今，已經(jīng)形成了比較成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其雕刻軟件。[趙松年，戴志義．機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)] ? 主要參考文獻(xiàn)與外文資料 [1]《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》編輯委員會(huì)．現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.4； [2]趙松年，張奇鵬．機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.6； [3] 趙松年，戴志義．機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.5； [4] 宋天麟．?dāng)?shù)控機(jī)床及其使用與維修．東南大學(xué)出版社，2003.10； [5] 劉雄偉.? 數(shù)控加工理論與編程技術(shù)-2.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3； [6] 唐榮錫.CAD/CAM技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994； [7] 孫家廣. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1998.9； [8] 譚建成．電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.3； [8] H odd D. Morton．Embedded Microcontrollers．Pearson Education North Asia Limited,2001；? [9] Geg Paul．New Processors Transform control．Mechanical Engineering，1997.4； [10]徐學(xué)林.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ).湖南大學(xué)出版社.2006.12 ? 注：此表如不夠填寫(xiě)，可另加頁(yè)。 研究方案 研究目的： (1)總體設(shè)計(jì)采用了龍門(mén)架布局結(jié)構(gòu)，加工精度、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，具有較好的綜合特性； (2)機(jī)床主軸采用了水冷交流異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠、旋轉(zhuǎn)速度高和維護(hù)方便的特點(diǎn)； (3)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制,可以滿(mǎn)足定位精度的要求,系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,制造成本較低,調(diào)試維修方便。 研究?jī)?nèi)容和方案：雕刻機(jī)的主運(yùn)動(dòng)方案討論、雕刻機(jī)的主軸結(jié)構(gòu)、雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇、聯(lián)軸器選擇、機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模與簡(jiǎn)化。 ? 預(yù)期結(jié)果:在完成了各項(xiàng)設(shè)計(jì)后,能實(shí)現(xiàn)高速作業(yè),降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效益。 條件保障: 1、本設(shè)計(jì)的大部分工作將在本學(xué)校完成.?????? 2、有扎實(shí)的理論知識(shí)和學(xué)校專(zhuān)家的指導(dǎo).?????? 3、學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和相關(guān)圖書(shū)資料. ? ? ? ? ? 進(jìn)程計(jì)劃 2012.12.20～2012.12.25????????? 選題、下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2012.12.25～2013.02.24????????? 調(diào)研、查找資料、畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題 2013.02.24～2013.04.15????????? 設(shè)計(jì)和計(jì)算 2013.04.16～2013.04.20????????? 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)初稿，中期考核 2013.04.21～2013.05.14????????? 修改 2013.05.14～2013.05.18????????? 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)正稿 2013.05.21～2013.05.25? ????????預(yù)審 2013.05.28～2013.06.01????????? 答辯 2013.06.02～2013.06.04????????? 修改、交齊所有資料 ? 論證小組意見(jiàn) ? ? ? ? ???????????????????????????? 組長(zhǎng)簽名： ?????????????????????????????????????????????? 20?? 年? 月? 日 專(zhuān)業(yè)委員會(huì)意見(jiàn) ? ? ? ???????????????????????????? 專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任簽名： ??????????????????????????????????????????????????? 20? 年? 月? 日 注：1.此表可用黑色簽字筆填寫(xiě)，也可打印，但意見(jiàn)欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫(xiě)。 2.此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。 目 錄 摘要 1 關(guān)鍵詞 1 1前言 2 1.1雕刻機(jī)概述 2 1.1.1雕刻機(jī)起源 2 1.2數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.2.1數(shù)控雕刻機(jī) 3 1.2.2研制雕刻機(jī)的目的和意義 4 1.2.3數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn) 4 1.2.4數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 5 1.2.5我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 5 2雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 6 2.1雕刻機(jī)的工作原理 6 2.2整體結(jié)構(gòu) 7 2.2.1雕刻機(jī)總體布局的基本要求 7 2.2.2 影響雕刻機(jī)布局的基本因素 7 2.2.3 坐標(biāo)系的確定 8 2.2.4三維雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 9 2.3進(jìn)給系統(tǒng) 9 2.4進(jìn)給系統(tǒng) 13 3 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 14 3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計(jì)算 14 3.2.1銑削力、扭矩和功率的計(jì)算 14 3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 15 3.3 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 16 3.3.1主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 16 3.3.2 主軸電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 17 3.4進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.4.1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 19 3.4.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 3.4.3工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 22 3.4.4 工作臺(tái)直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 3.5插補(bǔ)法 23 4結(jié)論 25 4.1總結(jié) 25 4.2數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展展望 26 參考文獻(xiàn) 26 致謝 27 設(shè)計(jì) 誠(chéng) 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名： 年 月 日 移動(dòng)龍門(mén)式小型數(shù)控雕刻機(jī)Z軸和X軸的機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要：隨著微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。機(jī)電一體化廣泛地綜合了機(jī)械、微電子、自動(dòng)控制、信息、傳感測(cè)試、電力電子、接口、信號(hào)變換和軟件編程等技術(shù)，并將這些技術(shù)有機(jī)的結(jié)合成一體。本文簡(jiǎn)要的介紹了雕刻機(jī)的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)外雕刻機(jī)的特點(diǎn)說(shuō)明雕刻機(jī)的功能和使用范圍；詳細(xì)的分析了雕刻機(jī)的總體布局和結(jié)構(gòu)方案，以及主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的選擇，以及“三維雕刻”插補(bǔ)法的選擇，分析和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)雕刻系統(tǒng)的初步優(yōu)化。 關(guān)鍵詞：雕刻機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)；機(jī)電一體化 The structure design of the Z and X of the small mobile gantry CNC engraving plotter Abstract:Along with the development of micro-electronics technology and microcomputer technology，engraving plotter will be widely used.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.The thesis in brief introduces the genesis and developmental status quote of Engraving Plotter,analyses characteristics of inland and overseas Plotters，and explains its function and use range. We analyze the overall arrangements and framework，the movement mode of numerical control system，the select of main movement system and feed movement system etc. As well as we select and analyze and realize the process of 3D-Engrave interpolation arithmetic. Key words: Engraving plotter; Numerical control system; Mechatronics 1 前言 1.1 雕刻機(jī)概述 1. 1. 1 雕刻機(jī)起源 雕刻可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期，母系氏族時(shí)期的半坡氏族的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國(guó)北宋時(shí)期便發(fā)明了活字印刷，《夢(mèng)溪筆談》有記:“其法用膠泥刻字，薄為錢(qián)唇，每字為一印，火燒令堅(jiān)··一”。這里的刻字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)的雕刻藝術(shù)日益精深，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可堪稱(chēng)一絕。 上世紀(jì)90年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)，刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門(mén)前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)銘牌，可謂雕刻的使用范圍無(wú)處不在。 雕刻機(jī)(Engraving Plotter)，顧名思義就是用機(jī)器代替人工進(jìn)行雕刻的設(shè)備。 1938年世界第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國(guó)“嘉寶”問(wèn)世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺(tái)真正意義的電動(dòng)、可縮放比例的手動(dòng)雕刻機(jī)。隨后美國(guó)、日本和法國(guó)等國(guó)也開(kāi)始研制。20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動(dòng)微型計(jì)算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動(dòng)整個(gè)高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從2D-2.5D-3D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價(jià)格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。 1.2 數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 數(shù)控雕刻機(jī) 傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門(mén)技術(shù)性要求很高的手工技藝，雕刻品的質(zhì)量完全取于雕刻師的技藝水平，所以生產(chǎn)的效率低、成本高，制品的隨意性強(qiáng)、一致性差，嚴(yán)重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機(jī)的產(chǎn)生成為必然。雕刻機(jī)的功能決定了其使用范圍。從工藝上，雕刻可分為全自由度空間雕刻、三維立體雕刻和二維平面雕刻。其中，全自由度空間雕刻主要用于一些形狀復(fù)雜的工藝品或大型藝術(shù)作品的雕刻工作，如玉雕、木雕工藝品以及冰雕與沙雕等作品。 此類(lèi)制品往往注重藝術(shù)創(chuàng)作性，制品的構(gòu)成形狀復(fù)雜、隨意性強(qiáng)、工藝性差。因此這類(lèi)工藝迄今為止雕刻機(jī)尚無(wú)能為力，只能采用手工雕刻，制品的質(zhì)量和藝術(shù)性完全依賴(lài)于雕刻師的技藝水平。相比之下，在三維立體雕刻和二維平面雕刻機(jī)則大有可為。三維立體雕刻類(lèi)似于三維銑削加工，可以完成精密模具、藝術(shù)浮雕曲面等雕刻加工;而二維平面雕刻工藝主要用于標(biāo)牌文字及平面幾何圖形的雕刻加工。目前，三維立體和二維平面雕刻大部分已采用雕刻機(jī)完成，克服了傳統(tǒng)手工雕刻存在的缺陷。 根據(jù)控制原理的不同，雕刻機(jī)可分為仿形雕刻機(jī)和數(shù)控雕刻機(jī) (采用 CNC系統(tǒng))兩大類(lèi)型。仿形雕刻機(jī)的工作原理類(lèi)似于仿形銑削，在加工前必須制作仿形模型，這一過(guò)程通常需手工完成，周期長(zhǎng)、效率低。 數(shù)控雕刻機(jī)是數(shù)控技術(shù)和雕刻工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專(zhuān)用的數(shù)控機(jī)床。與通用數(shù)控機(jī)床類(lèi)似，數(shù)控雕刻機(jī)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)雕刻加工的自動(dòng)化。較傳統(tǒng)的手工雕刻、仿形雕刻，數(shù)控雕刻具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、成品率高、對(duì)零件的適應(yīng)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì);同時(shí)，借助于專(zhuān)用的雕刻 CAD/CAM軟件系統(tǒng)，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，數(shù)控雕刻機(jī)現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)雕刻加工自動(dòng)化、高效率、高精度的有效手段，也是當(dāng)今雕刻機(jī)的發(fā)展主流，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、廣告?zhèn)髅?、日常消費(fèi)以及建筑裝演等眾多領(lǐng)域。 對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，數(shù)控雕刻機(jī)可分為模具雕刻機(jī)、木工雕刻機(jī)、廣告雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等多種類(lèi)型。它們的加工性能要求出入很大，對(duì)機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的要求也各不相同。如模具雕刻機(jī)的加工材料為金屬，所以對(duì)機(jī)床本體的剛性要求較高，而且其加工對(duì)象是模具，所以對(duì)加工系統(tǒng)的精度要求高;而廣告機(jī)加工的是一般是塑膠板或有機(jī)玻璃等非金屬材料，所以對(duì)機(jī)床剛性和加工系統(tǒng)的精度都沒(méi)有很高要求。但各類(lèi)雕刻機(jī)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，也是數(shù)控雕刻機(jī)與普通數(shù)控機(jī)床的一個(gè)顯著區(qū)別，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有效成形面積小，所以零件雕刻的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡很長(zhǎng)，加工時(shí)間往往也較長(zhǎng)。因此，提高雕刻機(jī)的刀具運(yùn)動(dòng)速度對(duì)縮短零件雕刻時(shí)間、提高加工效率具有特別重要的意義。 數(shù)控雕刻機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于模具模型、工藝品、印刷電路板的制作和廣告。本文介紹了研究了數(shù)控雕刻機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)和組成。在深入分析目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控雕刻機(jī)的現(xiàn)狀，數(shù)控雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu)與原理的基礎(chǔ)上提出了本數(shù)控雕刻機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了主傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算。 三維機(jī)械雕刻機(jī)總體上滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，在機(jī)械本體部分結(jié)構(gòu)緊湊、安全方便，各部分的零件通用性較好，易于保養(yǎng)或維修。切易于操作，具有很大的可行性。本文對(duì)三維雕刻機(jī)的插補(bǔ)算法進(jìn)行了選擇，屏除了過(guò)去傳統(tǒng)的插補(bǔ)算法，采用了一種新型的插補(bǔ)算法，保證插補(bǔ)速度和插補(bǔ)精度，提高了雕刻機(jī)的效率和性能。 按照伺服驅(qū)動(dòng)控制的類(lèi)型不同，數(shù)控雕刻機(jī)又可以分為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)屬于開(kāi)環(huán)控制，控制精度較低，但價(jià)格便宜，適用于對(duì)加工要求不高的中低檔雕刻機(jī)，如木工、廣告業(yè)的雕刻加工。伺服驅(qū)動(dòng)控制精度高，但價(jià)格較貴，主要用于模具加工等高精度雕刻機(jī)。由于對(duì)控制精度要求不高，所以在本設(shè)計(jì)中采用的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。 此外，還可根據(jù)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機(jī)分為三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)、五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)等。三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以控制三個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工;五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以聯(lián)動(dòng)控制X，Y，2三個(gè)移動(dòng)軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，用來(lái)完成復(fù)雜形狀零件的雕刻加工。 1.2.2 研制雕刻機(jī)的目的和意義 建國(guó)五十年來(lái)，我國(guó)的機(jī)械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，初步滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)機(jī)械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國(guó)以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開(kāi)發(fā)高技術(shù)含量的新產(chǎn)品，已成為當(dāng)前機(jī)械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點(diǎn)。 機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來(lái)，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來(lái)了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是我國(guó)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。 1.2.3 數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn) 數(shù)控雕刻機(jī)的主要特點(diǎn)如下: 1）自動(dòng)化程度高。具體的雕刻過(guò)程都是數(shù)控雕刻機(jī)自動(dòng)完成的。 2）產(chǎn)品的尺寸精度高，一致性好。數(shù)控雕刻過(guò)程是由計(jì)算機(jī)控制完成，可以達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量:批量加工時(shí)，產(chǎn)品的一致性好，這對(duì)于小模具行業(yè)是十分重要的。 3）拓展了雕刻領(lǐng)域。只需改變控制程序，數(shù)控雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕、各種復(fù)雜的曲面，支持各種刀具，改善了雕刻表面質(zhì)量，提高了雕刻效率。 4）數(shù)控雕刻機(jī)都有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊、加工小模具，性?xún)r(jià)比高。 1.2.4 數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，舉例如下: 1）廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類(lèi)雙色板標(biāo)牌、有機(jī)玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎(jiǎng)?wù)?、有機(jī)板浮雕、立體門(mén)頭字等。 2）模型制作業(yè)，制作沙盤(pán)模型、房屋模型等。 3）模具制作業(yè)，雕刻紐扣浮雕模、印刷燙金模，注塑模、沖壓模、鞋模等。 4）木器業(yè)，用于浮雕圖案設(shè)計(jì)及制作。 5）印刷電路板(PCB)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的電路制作，鉆孔、銑槽等。 6）印章業(yè)，各類(lèi)字體各類(lèi)材料的印章雕刻。 7）電火花加工機(jī)床電極雕刻加工。 8）機(jī)械加工業(yè)，刻度盤(pán)字輪及標(biāo)尺刻度。 9）汽車(chē)工業(yè)、輪胎模具，車(chē)燈模具及裝飾品模具加工。 而且，隨著各種新型裝飾材料的不斷出現(xiàn)，能用于雕刻的材料越來(lái)越多，使得計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)有了更大的用武之地。因此，計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。 1.2.5 我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著近年來(lái)我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)機(jī)遇有效地促進(jìn)了我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國(guó)的數(shù)控雕刻機(jī)起步經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，己形成了多個(gè)國(guó)品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥(niǎo)數(shù)控雕刻機(jī)、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機(jī)等。 上述各類(lèi)型雕刻機(jī)機(jī)床本體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制器大多借鑒國(guó)外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)為主，可獲得中等控制精度，但價(jià)格比較便宜，因此整機(jī)的性?xún)r(jià)比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)高精度的雕刻加工。 目前我國(guó)尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類(lèi)數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛高度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性，但價(jià)格昂貴往往倍于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場(chǎng)合。 2 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.1 雕刻機(jī)的工作原理 計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)實(shí)際是一個(gè)三維數(shù)控系統(tǒng)，其工作原理如圖1所示 圖1 數(shù)控雕刻機(jī)工作原理 Fig.1 Working principle of CNC engraving 通用微型計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝專(zhuān)用的設(shè)計(jì)排版軟件進(jìn)行圖形、文字的設(shè)計(jì)、排版，自動(dòng)生成加工路徑信息，通過(guò)USB接口或其他數(shù)據(jù)傳輸接口將刀具路徑數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)接收刀具路徑數(shù)據(jù)，完成顯示、和用戶(hù)交互等一系列功能后，用特定的算法將輸入的路徑信息轉(zhuǎn)化為數(shù)控信息，控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的信號(hào)(脈沖串)，控制雕刻機(jī)X，Y，2三軸的走刀。 同時(shí)，進(jìn)行銑削，即可雕刻出在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的各種平面或立體的圖形文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化加工。 2.2 整體結(jié)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對(duì)雕刻機(jī)的加工過(guò)程、刻字效果等有著重要的影響。下面對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。 2.2.1 雕刻機(jī)總體布局的基本要求 雕刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn): 1)首先必須滿(mǎn)足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等等各種要求; 2)確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率; 3)確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平； 4)應(yīng)便于觀察加工過(guò)程，便于操作、調(diào)整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理，注意防護(hù)，確保安全； 5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，合理可靠，便于加工和裝配。 2.2.2 影響雕刻機(jī)布局的基本因素 在滿(mǎn)足總體布局的基本要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)考慮影響雕刻機(jī)布局的基本因素: (1)表面形成運(yùn)動(dòng)的影響 不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來(lái)加工，從而表面形成運(yùn)動(dòng)的形式和數(shù)目就不同，并導(dǎo)致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術(shù)要求和生產(chǎn)率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成運(yùn)動(dòng)來(lái)加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運(yùn)動(dòng)直接決定了雕刻機(jī)布局的形式，是影響雕刻機(jī)布局的決定性因素。 因而，在布局雕刻機(jī)時(shí)，必須根據(jù)加工要求，全面、綜合地考慮工件的表面形成方法及運(yùn)動(dòng)，以期作出具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的布局設(shè)計(jì)。 (2)雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配的影響 工件表面形成方法及運(yùn)動(dòng)相同，而雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)不同。對(duì)于同一種運(yùn)動(dòng)分配的布局，由于導(dǎo)軌的布置和其它結(jié)構(gòu)形式的不 同，也將使雕刻機(jī)的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn): 1) 移動(dòng)部件的重量應(yīng)盡量輕。在其它條件相同的情況下，移動(dòng)部件的重量越小，所需電機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸也越小 2) 應(yīng)有利于提高加工精度 3）應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)剛度，縮小占地面積 4）工件的尺寸重量和形狀的影響 工件的表面形成運(yùn)動(dòng)及雕刻機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)分配基本相同，而工件尺寸、重量和形狀不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)有很大差異。另外，還應(yīng)考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動(dòng)、噪聲、熱變形、剛度和抗振性，操縱方便形的影響，模塊化設(shè)計(jì)法的影響等。通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，雕刻機(jī)基本布局形式通常有下圖2所示的兩種方案： 圖2 雕刻機(jī)的布局形式 Fig.2 The layout of the engraving plotter 這兩種布局都采用龍門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，雕刻機(jī)的剛度均較高。 布局(1)方案中，工作臺(tái)固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，立柱作縱向移動(dòng)。該方案便于變形為不同縱向長(zhǎng)度的雕刻機(jī)。由于工作臺(tái)不動(dòng)，承載能力好，適合加工較重的工件。在使用外伸支架支撐縱向長(zhǎng)工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便。但雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較難保證且立柱移動(dòng)較笨重。 布局(2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，工作臺(tái)作縱向移動(dòng)。由于工作臺(tái)移動(dòng)，承載能力較布局(1)方案差。若設(shè)計(jì)所承載的工件較輕，這種布局方式所需電動(dòng)機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸較小，移動(dòng)較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長(zhǎng)工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)較布局(1)方案略顯復(fù)雜。該方案的最大優(yōu)勢(shì)在于雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較易保證。 經(jīng)以上比較，充分考慮到布局的基本要求、影響布局的基本因素及三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用布局(2)的方案。 2.2.3 坐標(biāo)系的確定 雕刻機(jī)的坐標(biāo)系采用右手法則，直角卡笛兒坐標(biāo)系統(tǒng)?；咀鴺?biāo)軸為X 、Y 、Z 直角坐標(biāo)，對(duì)相應(yīng)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符號(hào)為A 、B 、C ，如圖 3 所示。Z 軸為平行于雕刻機(jī)主軸的坐標(biāo)軸，垂直于工件裝夾面。 圖3 右手坐標(biāo)系統(tǒng) Fig.3 The system of right coordinate 2.2.4 三維雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 該三維雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)，由以下幾部分組成: 1)底座部分 作為整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個(gè)機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)固。底座由底下的四只支腳與地面接觸; 2)工作臺(tái)部分 工作臺(tái)部分由工作臺(tái)，y方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。工作臺(tái)作為雕刻工作時(shí)承載雕刻物體的部件，表面有T形溝槽，由絲杠驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌導(dǎo)向: 3)橫梁部分 橫梁由x方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，驅(qū)動(dòng)機(jī)頭動(dòng)，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動(dòng)仿真中是重要的分析對(duì)象: 4)機(jī)頭部分 機(jī)頭部分由主軸組件，2方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。絲杠驅(qū)動(dòng)主軸組的上下運(yùn)動(dòng)，主軸組件在加工過(guò)程中直接帶動(dòng)雕刻頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 下面從雕刻機(jī)的功能角度，介紹一下各部分的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)。 2.3 進(jìn)給系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的區(qū)別，它能根據(jù)指令信號(hào)精確的控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度和位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 下面介紹一下雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式如下: 工作臺(tái)帶動(dòng)工件做y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭沿x方向橫梁做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，雕刻頭在直流電機(jī)的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，并在Z方向做上下運(yùn)動(dòng)。刀具和工件的運(yùn)動(dòng)的合成就可以得到文字和圖案的輪廓。 （1）機(jī)頭沿x方向的絲杠左右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻寬度;如下圖4所示： 圖4 雕刻機(jī)X方向進(jìn)給圖 Fig.4 X direction feeding figure of engraving plotter （2）工作臺(tái)沿y方向的絲杠前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻長(zhǎng)度,如下圖5所示： 圖5 雕刻機(jī)Y方向的進(jìn)給圖 Fig.5 Y direction feeding figure of engraving plotter （3）機(jī)頭沿Z向的絲杠上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻深度。 各個(gè)傳動(dòng)鏈中均采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副，保證了運(yùn)動(dòng)的傳遞平穩(wěn)和結(jié)構(gòu)的緊。絲杠一端通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)軸相聯(lián)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。另一端采用軸承為支承。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，即角位移的大小。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在很寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。它具有以下特點(diǎn): 1）位置控制功能 可預(yù)先發(fā)出具體的脈沖數(shù)量，從而得到需要輸出的角度。 2）無(wú)極調(diào)速功能 可根據(jù)發(fā)送脈沖的速度，得到需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3）正/反，急停及鎖定功能 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的高低電平控制，得到正/反旋轉(zhuǎn)的效果，在電機(jī)鎖定情況下 （電機(jī)繞組中存在電流，外部沒(méi)有要求旋轉(zhuǎn)的電脈沖)，仍有靜止力矩的輸出。 4）低轉(zhuǎn)速及高精度位置功能 通過(guò)對(duì)脈沖速度的控制，可直接得到極低的轉(zhuǎn)速而不需要通過(guò)齒輪箱的過(guò)渡，從而避免了功率的損耗和角度位置的偏差。 5）長(zhǎng)壽命 不需要像普通的直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)電刷和換相器換相，從而減少了摩擦，增長(zhǎng)了壽命。如圖6所示： 圖6 絲杠與電機(jī)軸的連接 Fig.6 Connection of screw and motor shaft 剛性聯(lián)軸器用于絲桿與電機(jī)的聯(lián)接，可提高兩軸頭連接的固定精度，如圖6所示。它的特點(diǎn)有: 1）可用于小型、瞬間慣量小和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合; 2）安裝后無(wú)反作用力，而且維護(hù)簡(jiǎn)單; 3）提高絲杠的強(qiáng)度時(shí)，跳動(dòng)不會(huì)受到影響; 4）依靠鎖緊螺栓施加的摩擦緊固，無(wú)需鍵; 5）在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可保持平穩(wěn)。 導(dǎo)軌的主要功能是導(dǎo)向和承載作用。導(dǎo)軌使運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而保證各部件的相對(duì)位置和相對(duì)位置精度。導(dǎo)軌承受運(yùn)動(dòng)部件及工件的重量及切削力，在很大程度上決定數(shù)控機(jī)床的剛度、精度與精度保持性。 雕刻機(jī)的x向和y向絲杠兩側(cè)各采用一對(duì)圓柱形導(dǎo)軌作為導(dǎo)向件，另外可以分擔(dān)絲杠所承受的機(jī)頭和工作臺(tái)的重量。圓柱形導(dǎo)軌加工容易，導(dǎo)向精度高，可滿(mǎn)足定位精度的要求。 Z絲杠不承受徑向載荷，為保證精度，采用兩根導(dǎo)軌導(dǎo)向。Z的固定依靠步進(jìn)電機(jī)的自鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圓形導(dǎo)軌兩端通過(guò)螺釘固定在絲杠支架上，并與導(dǎo)軌套形成移動(dòng)副。如下圖7所示 圖7 絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式 Fig.7 The bearing way of screw and circular 各個(gè)傳動(dòng)鏈上的絲杠螺母與不同零件以螺釘固定連接，通過(guò)與絲杠的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng): 1）與工作臺(tái)固定連接，相對(duì)于y向絲杠運(yùn)動(dòng)向絲杠運(yùn)動(dòng)向支架固定連接，相對(duì)于 2）與機(jī)頭向絲杠運(yùn)動(dòng) 3）與機(jī)頭 向支架固定連接，相對(duì)于Z向絲杠移動(dòng)。 2.4 主軸組件 主軸組件是雕刻機(jī)的執(zhí)行件。它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成形運(yùn)動(dòng)。主軸組件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件等組成，要求良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。 雕刻機(jī)的主軸部分固定在Z向絲杠的支架上，采用電主軸高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具的切削運(yùn)動(dòng)。 自20世紀(jì)80年代以來(lái)，數(shù)控機(jī)床、加工中心主軸向高速化發(fā)展。高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)得到極大的簡(jiǎn)化，取消了帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的“零傳動(dòng)”，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為電主軸。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，可獲得極高的回轉(zhuǎn)速度，振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中獲得了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。 2.5 機(jī)床的總體布局確定 考慮到降低雕刻機(jī)的制造成本，采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)剛性單且較好的龍門(mén)移動(dòng)式布局，如圖8所示。外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）約為 930mm×650mm×360mm， 主要結(jié)構(gòu)有底座、工作臺(tái)、龍門(mén)架、X向進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、Y向進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、Z向進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)、雕刻機(jī)機(jī)身及電氣系統(tǒng)部分組成。雕刻機(jī)在工作時(shí)，先將加工對(duì)象固定在工作臺(tái)上，選擇合適的刀具裝夾在電主軸上，能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z 軸3個(gè)方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由可編程序控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，來(lái)完成工件的自 動(dòng)加工。 Y向進(jìn)給電動(dòng)機(jī) Z向進(jìn)給電動(dòng)機(jī) 主軸電動(dòng)機(jī) 機(jī)頭 X向進(jìn)給電動(dòng)機(jī) 立柱 龍門(mén)架 工作 底座 圖8 雕刻機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig.8 The structure diagram of engraving plotter system 3 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本章詳細(xì)介紹了廣告型三維機(jī)械雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要零部件，如主軸電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件和支承部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算及選型過(guò)程。 3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 由課題所給的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合廣告型三維機(jī)械雕刻機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，初步確定該雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要參數(shù)，如表1所示。 表1 機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)表 Table 1 The parameter table of mechanical design 項(xiàng)目 參數(shù) 單位 主軸最高轉(zhuǎn)速 n=20000 r/min 最大進(jìn)給速度 mm/min 工作臺(tái)總行程(Y) 320 mm 主軸總行程(X) 280 mm 主軸總行程(Z) 120 mm 定位精度 30 脈沖當(dāng)量 0.01 mm 使用壽命 hrs 3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計(jì)算 三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)械雕刻機(jī)的加工對(duì)象主要是針對(duì)非金屬材料和鋁合金材料的雕刻加工。這些材料具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性。 用硬質(zhì)合金直柄立銑刀（）和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆（）在鋁板上進(jìn)行銑削和鉆削，分別進(jìn)行切削力、切削扭矩和切削功率的計(jì)算。 根據(jù)三維機(jī)械雕刻機(jī)的加工范圍和使用功能及在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不同的切削方式所使用時(shí)間的分配，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，大致可將切削方式分為強(qiáng)力切削（切）、一般切削（雕）、精細(xì)切削（刻）和快速進(jìn)給四種方式。 3.2.1 銑削力、扭矩和功率的計(jì)算 選用的銑刀是整體硬質(zhì)合金直柄立銑刀6×57 GB/T 16770.1-2008，通過(guò)查閱孟少農(nóng)主編的《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》，得到表3.2 左側(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式，代入已知參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到僅與切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計(jì)算公式填入表2右側(cè)。 表2 銑削力、扭矩和功率計(jì)算公式的簡(jiǎn)化 Table 2 Milling force, torque and power of simplified calculation formula 計(jì) 算 公 式 和 參 數(shù) 選 定 計(jì) 算 結(jié) 果 銑削力： 銑削扭矩： 銑削功率： 其中：銑削寬度，銑削深度,進(jìn)給速度，銑削速度，—— 銑刀外徑((mm),—— 每齒進(jìn)給量(mm/z)， z —— 銑刀齒數(shù)，n——銑刀轉(zhuǎn)速(r /min) 。 將切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果，如下表3所示。 表3 銑削力、扭矩和功率的計(jì)算 Table 3 The calculation of milling force, torque and power 切削方式 工作時(shí)間 參 數(shù) 計(jì) 算 結(jié) 果 百分比t% 強(qiáng)力切削 10% 2.5 120 9000 20 13.70 0.041 0.039 一般切削 30% 1 1200 15000 300 22.45 0.043 0.106 精細(xì)切削 50% 0.5 2400 20000 600 15.80 0.0475 0.0992 快速進(jìn)給 10% - 3600 - 900 0 0 0 其中：—絲杠轉(zhuǎn)速，，預(yù)選絲杠導(dǎo)程 —銑削深度（mm），—進(jìn)給速度（mm/min），n—銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）， —銑削力（N），M—銑削扭矩（Nm），—銑削功率（kW）。 3.2.2 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 通過(guò)查閱參考文獻(xiàn)，按上節(jié)的簡(jiǎn)化過(guò)程，可得到僅與進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計(jì)算公式，如下表4所示。 表4 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算公式的簡(jiǎn)化 Table 4 Cutting force, torque and power of the simplified calculation formula 計(jì) 算 公 式 和 參 數(shù) 選 定 計(jì) 算 結(jié) 果 鉆削力： 鉆削扭矩： 鉆削功率： 其中：（加工鋁合金）。進(jìn)給速度,鉆削速度，—鉆頭外徑（mm），f—進(jìn)給量（mm/r），n—鉆頭轉(zhuǎn)速（r/min）。 將進(jìn)給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計(jì)算，將得到的計(jì)算結(jié)果填入表5，由于鉆削功率的計(jì)算結(jié)果較小，忽略不計(jì)。 表5 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 Table 5 The calculation of cutting force, torque and power 切削方式 工作時(shí)間 參 數(shù) 計(jì) 算 結(jié) 果 百分比t% 強(qiáng)力切削 10% 300 9000 75 41.61 0.045 - 一般切削 30% 480 15000 120 49.44 0.044 - 精細(xì)切削 50% 600 20000 150 38.65 0.042 - 快速進(jìn)給 10% 900 - 225 0 0 0 其中：—絲杠轉(zhuǎn)速，，預(yù)選絲杠導(dǎo)程，—進(jìn)給速度(mm/min),—鉆削轉(zhuǎn)速(r/min),—鉆削力(N), M—鉆削扭矩(Nm),—鉆削功率(kW)。 3.3 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 本節(jié)主要設(shè)計(jì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的電主軸，以確定它們的型號(hào)和參數(shù)。 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿(mǎn)足普通機(jī)床主傳動(dòng)的要求外，還提出以下要求： 1）具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，并充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對(duì)于自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床，工序集中，共建一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種國(guó)內(nèi)工序和各種加工材質(zhì)的要求，住運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。 2）具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。 為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。 3）良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)行粗加工又要進(jìn)行精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平衡以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗燥度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，是加工無(wú)法順利進(jìn)行. 因此在主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的靜剛度，而且具有足夠的抑制各種干擾力引起的動(dòng)的能力——抗振性。抗振性用動(dòng)剛度或動(dòng)柔性度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度、阻尼比及固有頻率等參數(shù)。 機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低了傳動(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。 為此要求主軸不見(jiàn)具有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)保持合適的配合間隙，并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3.3.1 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸是精密機(jī)床、高速加工中心和數(shù)控車(chē)床常用的一種驅(qū)動(dòng)形式。如平面磨床的砂輪主軸，高速內(nèi)圓磨床的磨頭。轉(zhuǎn)速小于3000r／min的主軸，采用異步電動(dòng)機(jī)軸通過(guò)聯(lián)合器直接驅(qū)動(dòng)主軸，機(jī)床可通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速；轉(zhuǎn)速小于8000r／min的主軸，可采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；高速主軸，可將電動(dòng)機(jī)與主軸做成一體，即內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸，轉(zhuǎn)子軸就是主軸. 所以本雕刻機(jī)應(yīng)選用電主軸。 3.3.2 主軸電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)前面兩節(jié)的計(jì)算結(jié)果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動(dòng)效率，主軸電動(dòng)機(jī)所需的扭矩、功率和轉(zhuǎn)速計(jì)算過(guò)程如表6所示。 表6 主軸電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算 Table 6 Design and calculation of spindle motor 序號(hào) 計(jì)算項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 額定轉(zhuǎn)矩 1 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 查表3.3和表3.5 取i=2取較大值得到： M0≥0.095取整 2 功率計(jì)算 額定功率 查表3.3和表3.5 取大值得到 取整 根據(jù)上述所算功率可選擇安陽(yáng)華安通用主軸科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DD58Z24/0.8的電主軸。如圖9所示： 主軸型號(hào) 轉(zhuǎn)速 電機(jī) 外型尺寸 潤(rùn)滑 軸承型號(hào) Speed Motor Dimensdions(mm) BearingSD type SDpingdle type (r/min) KW V A H2 D D1 軸端連接 L L1 L2 Lub DD58Z24/0.8 24000 0.8 220 2.3 400 58 44 ER11 197 23 18 油脂 前B7002C/P4?? 后6001C/P5 圖9 主軸電動(dòng)機(jī)型號(hào) Fig.9 Model of spindle 3.4 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)部分：主軸的上下移動(dòng)，主軸的左右移動(dòng)和工作臺(tái)的前后移動(dòng)。它們的設(shè)計(jì)沒(méi)有什么很大的區(qū)別，因此可以通過(guò)對(duì)其中一個(gè)方向上的設(shè)計(jì)來(lái)勾勒出我們?cè)谝苿?dòng)部分的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在以工作臺(tái)部件為例，著重設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈中進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，同步帶和帶輪，滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，以確定它們的規(guī)格型號(hào)及參數(shù)，來(lái)滿(mǎn)足在機(jī)械加工過(guò)程中的各種切削加工要求。 3.4.1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 從前面所述，我們知道步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和滾珠絲杠連接，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為部件的移動(dòng). 3.4.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 參閱徐灝主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四冊(cè)和李鶴軒主編的《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》以雕刻機(jī)進(jìn)行銑槽加工時(shí)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，過(guò)程如表7所示。 表7 工作臺(tái)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 Table 7 Design and calculation of ball screw table 序號(hào) 計(jì)算項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 1 確定滾珠絲杠導(dǎo)程 電動(dòng)機(jī)與絲杠 1:1傳動(dòng) mm 2 預(yù)期額定動(dòng)載荷 N (1)按預(yù)期工作時(shí)間估算 (1) 查表9,輕微沖擊 查表7,按7級(jí) 查表8,可靠性97% 查表3.1得， (2)擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副， (2) 按最大負(fù)載計(jì)算： 取兩種結(jié)果 查表10， 的最大值 輕預(yù)載 3 確定允許的最小螺紋 底徑 (1) 估算允許得最大軸向 變形量 續(xù)表7 序號(hào) 計(jì)算項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 （2） 估算最小螺紋底 mm 4 確定滾珠絲杠副的 (1)選取內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭 FFZD 規(guī)格代號(hào) ，直筒型墊片預(yù)緊螺母 FFZD1604-3 (2)由計(jì)算出的 在樣本中選取滾珠絲杠副 5 確定滾珠絲杠的 預(yù)緊力 N 6 確定滾珠絲杠副支承 用軸承型號(hào)、規(guī)格 (1) 軸承所承受的最大軸 N 向載荷 固定端背對(duì)背角 軸承內(nèi)徑d=10 (2) 軸承類(lèi)型 接觸球軸承，游動(dòng)端深溝球 軸承預(yù)緊力 軸承 （3） 軸承型號(hào)規(guī)格 預(yù)加載荷 固定端7000C 游動(dòng)端6100 7 行程補(bǔ)償值 C 8 滾珠絲杠工作圖設(shè)計(jì) （1） 絲杠螺紋長(zhǎng)度 mm 續(xù)表7 序號(hào) 計(jì)算項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 （2） 繪制工作圖 支承距離 mm 絲杠全長(zhǎng) mm （3） 行程起點(diǎn)距固定支承 距離 mm 9 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 絲杠抗壓剛度 （1） 最小抗壓剛度 最大抗壓剛度 （2） 組合剛度 一對(duì)預(yù)緊軸承的 組合剛度 支承軸承組合剛度 一端固定，一端游動(dòng) 查表得： 絲杠滾珠和滾道的 接觸剛度 10 剛度驗(yàn)算及精度選擇 （1） 計(jì)算 計(jì)算 （2） 靜摩擦力 N （3） 驗(yàn)算傳動(dòng)剛度 （4） 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化 （5） 定位誤差確定精度 （6） 確定規(guī)格代號(hào) FFZD1603-3-P4/4 85×410 續(xù)表7 序號(hào) 計(jì)算項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 11 驗(yàn)算臨界壓縮載荷 N 12 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 rpm 13 驗(yàn)算 14400<70000 14 形位公差標(biāo)注 略 15 基本軸向額定載荷 驗(yàn)算 3.4.3 工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 以滿(mǎn)載一般切削時(shí)為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表8。 表8 工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算 Table 8 Calculation of table feed motor design 序號(hào) 計(jì)算項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式和參數(shù)選定 計(jì)算結(jié)果 1 作用在絲杠副上的各 種轉(zhuǎn)矩外加載荷產(chǎn)生 查表得： 摩擦力矩 2 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量