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摘要
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，它是當(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)。三維機(jī)械雕刻機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在廣告制作行業(yè)具有較大的市場(chǎng)前景。
本文簡(jiǎn)要的介紹了雕刻機(jī)的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外雕刻機(jī)的特點(diǎn)說明雕刻機(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)過程，實(shí)現(xiàn)雕刻系統(tǒng)的初步優(yōu)化。
本課題是在參考現(xiàn)有雕刻機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)尺寸比較大的數(shù)控雕刻機(jī)，適應(yīng)比較大的工藝品的雕刻加工。
關(guān)鍵字：雕刻機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)電一體化，三維，插補(bǔ)法
I
Abstract
Abstract
Along with the development of micro-electronics technology and microcomputer technology，NC carer 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. 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.
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. optimized 3D-mechanical engraving system is realized.
This topic is based on the existing engraving machine to design a CNC engraving machines with a large body size, which adapted to the relatively large carving handicraft processing.
Keywords: Engraving plotter, numerical control system, mechatronics, 3D，and interpolation arithmetic.
II
目錄
目錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第一章.引言 1
1.1雕刻機(jī)概述 1
1. 1. 1雕刻機(jī)起源 1
1.2數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.1數(shù)控雕刻機(jī) 1
1.2.2研制雕刻機(jī)的目的和意義 3
1.2.3數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn) 3
1.2.4數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 4
1.2.5我國數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 4
第二章 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 5
2.1雕刻機(jī)的工作原理 5
2.2整體結(jié)構(gòu) 6
2.2.1雕刻機(jī)總體布局的基本要求 6
2.2.2 影響雕刻機(jī)布局的基本因素 6
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) 8
2.3進(jìn)給系統(tǒng) 9
2.4主軸組件 12
第三章 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 15
3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算 16
3.3 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.3.1主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 18
3.3.2 主軸電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.4進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
3.4.1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的組成 20
3.4.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
3.4.3工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
3.4.4 工作臺(tái)直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算 25
3.5插補(bǔ)法 25
結(jié)論 28
總結(jié) 28
數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展展望 28
參考文獻(xiàn) 29
致 謝 30
IV
第一章 引言
第一章.引言
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“嘉寶”問世，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、日本和法國等國也開始研制。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。因此這類工藝迄今為止雕刻機(jī)尚無能為力，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))兩大類型。仿形雕刻機(jī)的工作原理類似于仿形銑削，在加工前必須制作仿形模型，這一過程通常需手工完成，周期長、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，是一種專用的數(shù)控機(jī)床。與通用數(shù)控機(jī)床類似，數(shù)控雕刻機(jī)通過數(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)髅健⑷粘ＯM(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)的精度都沒有很高要求。但各類雕刻機(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，加工時(shí)間往往也較長。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。
按照伺服驅(qū)動(dòng)控制的類型不同，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)。
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
建國五十年來，我國的機(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，初步滿足國民經(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)國家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(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，世界上各發(fā)達(dá)國家競(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)十分重要。
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，性價(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、立體門頭字等。
2、模型制作業(yè)，制作沙盤模型、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)品開發(fā)中的電路制作，鉆孔、銑槽等。
6、印章業(yè)，各類字體各類材料的印章雕刻。
7、電火花加工機(jī)床電極雕刻加工。
8、機(jī)械加工業(yè)，刻度盤字輪及標(biāo)尺刻度。
9、汽車工業(yè)、輪胎模具，車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我國數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著近年來我國制造業(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)了我國數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國的數(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)過十多年的發(fā)展，己形成了多個(gè)國品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(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)的性價(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)格昂貴往往倍于國產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場(chǎng)合
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第二章雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
第二章 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)，其工作原理如圖所示
通用微型計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝專用的設(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所示的兩種方案：
圖2.2 雕刻機(jī)的布局簡(jiǎn)圖
圖2.2 雕刻機(jī)的布局形式
這兩種布局都采用龍門式框架結(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)，可采用布局(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2. 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2.3
圖2.3 右手坐標(biāo)系統(tǒng)
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;如下圖所示
圖2.4 雕刻機(jī)X方向進(jìn)給圖
2.工作臺(tái)沿y方向的絲杠前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻長度,如下圖所示：
圖2.5 雕刻機(jī)Y方向的進(jìn)給圖
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)速而不需要通過齒輪箱的過渡，從而避免了功率的損耗和角度位置的偏差。
5、長壽命
不需要象普通的直流電動(dòng)機(jī)通過電刷和換相器換相，從而減少了摩擦，增長了壽命。如圖2.6所示
圖2.6 絲杠與電機(jī)軸的連接
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2.6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，無需鍵;
6、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)的自鎖來實(shí)現(xiàn)。
圓形導(dǎo)軌兩端通過螺釘固定在絲杠支架上，并與導(dǎo)軌套形成移動(dòng)副。如圖2.7所示
圖2.7 絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式
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，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)床中獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用。本雕刻機(jī)由于主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r／min,所以應(yīng)用電主軸。
第三章 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
第三章 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3.1所示。
表3.1 機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)表
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)
800
mm
主軸總行程(X)
800
mm
主軸總行程(Z)
100
mm
定位精度
25
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)過程中不同的切削方式所使用時(shí)間的分配，經(jīng)過統(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。
3.2.1銑削力、扭矩和功率的計(jì)算
通過查閱孟少農(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3.2右側(cè)。
表3.2 銑削力、扭矩和功率計(jì)算公式的簡(jiǎn)化
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3.3所示。表3.3 銑削力、扭矩和功率的計(jì)算
切削方式
工作時(shí)間
百分比t %
參 數(shù)
計(jì)算結(jié)果
強(qiáng)力切削
10%
2.5
120
9000
30
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
通過查閱參考文獻(xiàn)，按上節(jié)的簡(jiǎn)化過程，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3.4所示。
表3.4 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算公式的簡(jiǎn)化
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3.5，由于鉆削功率的計(jì)算結(jié)果較小，忽略不計(jì)。
表3.5 鉆削力、扭矩和功率的計(jì)算
切削方式
工作時(shí)間
百分比t%
參 數(shù)
計(jì) 算 結(jié) 果
M
強(qiáng)力切 削
10%
300
9000
75
41.61
0.045
—
一般切削
30%
480
15000
120
40.44
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?？拐裥杂脛?dòng)剛度或動(dòng)柔性度來衡量。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。為此要求主軸不見具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實(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)軸通過聯(lián)合器直接驅(qū)動(dòng)主軸，機(jī)床可通過改變電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)來實(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)算過程如表3.6所示。
表3.6 主軸電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算
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
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
額定轉(zhuǎn)矩
2
功率計(jì)算
查表3.3和表3.5,取大值得到取整
額定功率
根據(jù)上述所算功率可選擇安陽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。如下表所示：
主軸型號(hào)
轉(zhuǎn)速
電機(jī)
外型尺寸
潤滑
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
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)沒有什么很大的區(qū)別，因此可以通過對(duì)其中一個(gè)方向上的設(shè)計(jì)來勾勒出我們?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)，來滿足在機(jī)械加工過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，過程如表3.8所示。
表3.8工作臺(tái)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
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
mm
電動(dòng)機(jī)與絲杠 1:1傳動(dòng)
3
預(yù)期額定動(dòng)載荷
N
(1)按預(yù)期工作時(shí)間估算
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，按最大負(fù)載計(jì)算：
查表10，輕預(yù)載
(1)
(2)
取兩種結(jié)果
的大值
4
(1)
(2)
確定允許的最小螺紋底徑
估算允許得最大軸向變形量
估算最小螺紋底徑
mm
5
確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
(1)選取內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒型墊片預(yù)緊螺母
(2)由計(jì)算出的
在樣本中選取滾珠絲杠副
FFZD
FFZD1604-3
6
確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力
N
7
(1)
(2)
(3)
確定滾珠絲杠副支承用軸承型號(hào)、規(guī)格
軸承所承受的最大軸向載荷
軸承類型
軸承型號(hào)規(guī)格
N
固定端背對(duì)背角接觸球軸承，游動(dòng)端深溝球軸承
預(yù)加載荷
軸承內(nèi)徑d=10
軸承預(yù)緊力
固定端7000C
游動(dòng)端6100
8
行程補(bǔ)償值
C
9
(1)
(2)
(3)
滾珠絲杠
工作圖設(shè)計(jì)
絲杠螺紋長度
繪制工作圖
支承距離
絲杠全長
行程起點(diǎn)距固定支承距離
mm
mm
mm
mm
如工作圖所示
10
(1)
(2)
傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
絲杠抗壓剛度
最小抗壓剛度
最大抗壓剛度
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
絲杠滾珠和滾道的接觸剛度
一端固定，一端游動(dòng)
查表得：
11
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
（6）
（7）
剛度驗(yàn)算
及精度選擇
計(jì)算
計(jì)算
靜摩擦力
驗(yàn)算傳動(dòng)剛度
傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的
定位誤差
確定精度
全行程變動(dòng)量
確定規(guī)格代號(hào)
N
FFZD1603-3-P4/485×410
12
驗(yàn)算臨界
壓縮載荷
N
13
驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速
rpm
14
驗(yàn)算
14400<70000
15
形位公差標(biāo)注
略
16
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
以滿載一般切削時(shí)為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程見表3.9.
表3.9 工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算
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
(1)
作用在絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩
外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩
查表得：
2
(1)
(2)
計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
各種回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
各種直線運(yùn)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J
絲杠：L=48.5，d=1.53
查表得：
查表3.1得：
查表3.2得：
混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
57BYG250 E-SAFRMC-0152
查樣本，
J=460.3
3
最大加速轉(zhuǎn)矩
4
連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩
查樣本：額定轉(zhuǎn)矩13.5
5
最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
查樣本：最大轉(zhuǎn)矩80
3.4.4 工作臺(tái)直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算
表3.10 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算
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
初選直線導(dǎo)
軌副的型號(hào)
HTSD-15NAA
2
擬定滑塊數(shù)
M
單根導(dǎo)軌兩滑塊
M=4
3
負(fù)載計(jì)算
R
N
滿足要求
4
摩擦力
F
N
5
壽命計(jì)算
h
滿足要求
3.5插補(bǔ)法
插補(bǔ)有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、拋物線插補(bǔ)和螺旋線插補(bǔ)多種方式。直線插補(bǔ)算法簡(jiǎn)單，比較適合應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)。
脈沖增量插補(bǔ)適用于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的脈沖增量插補(bǔ)是用硬件來實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)功能一般用軟件來實(shí)現(xiàn)的，插補(bǔ)算法的效率和插補(bǔ)精度是一個(gè)十分重要的問題。
傳統(tǒng)的幾種直線脈沖增量插補(bǔ)算法每次定時(shí)中斷只對(duì)一個(gè)或最多兩個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行插補(bǔ)。例如，當(dāng)X 、Y 、Z 三方向需同時(shí)走l個(gè)步進(jìn)，由A 點(diǎn)到D 點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)走法是：一個(gè)坐標(biāo)插補(bǔ)時(shí)，如圖4.5（1)所示，可行的路徑是X 向先由A 走到B ，然后Y 向由B 走到C ，最后Z 向由C 走到D ；兩個(gè)坐標(biāo)插補(bǔ)時(shí)，如圖3.1所示，可行的路徑是Z 向先由A 走到E ，然后XY 向由E 走到D 。這兩種算法的運(yùn)算的速度和實(shí)現(xiàn)的精度都較低，在三維雕刻機(jī)上運(yùn)用效果不十分理想。
因此，要實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)控制三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，使之能夠兼顧雕刻的速度和精度，就需要一種新的插補(bǔ)算法。所示，X 、Y 、Z 三方向由A 點(diǎn)到D 點(diǎn)同時(shí)走1個(gè)步進(jìn)，即直接由A 點(diǎn)移動(dòng)到D 點(diǎn)。
圖3.1幾種算法方式簡(jiǎn)圖
本設(shè)計(jì)中，采用的是基于Bresenham算法的直線脈沖增量插補(bǔ)方法，在三維情況下生成空間直線。其基本原理如下：
設(shè)直線的起點(diǎn)坐標(biāo)為,終點(diǎn)坐標(biāo)為,, , , , ,并設(shè)。
由于X方向坐標(biāo)增長最快，我們把X軸作為基本軸，每次循環(huán)X方向都增長一個(gè)步長，而Y，Z的情況要通過計(jì)算來確定。
如圖4.6所示，為直線上i個(gè)點(diǎn)，為直線上第i+1個(gè)點(diǎn)，其中：
，
,
,
A:
B:
C:
D: 圖3.2
設(shè)所對(duì)應(yīng)的空間網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo), ,是由,經(jīng)圓整理出來的.
由Bresenham算法可知道,如果令=--0.5, =--0.5則有:
=+1 0
= <0 (1)
=+1 0
= <0 (2)
由表達(dá)式(2)(1)可知,一定為圖5.5中點(diǎn)A,B,C,D中的一個(gè)。有計(jì)算的公式可知:
=--0.5=+--0.5
當(dāng) <0時(shí)，=-+-0.5-1=--1
當(dāng)0時(shí)，=-+-0.5=- (3)
=--0.5=+--0.5
當(dāng)0 時(shí)，=+--0.5-1=--1
當(dāng)<0 時(shí)，=+--0.5=- (4)
這就是新型的插補(bǔ)方法，用該算法對(duì)空間由線的直線插補(bǔ)取得了良好的效果。無論是在插補(bǔ)速度上還是在插補(bǔ)精度上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它在確保加工精度的前提下使用性，提高了運(yùn)算的效率和雕刻機(jī)雕刻的效率，從而大大地提升了雕刻機(jī)的性能。在插補(bǔ)運(yùn)算過程中，運(yùn)用給出的（1）（2）（3）（4）公式進(jìn)行計(jì)算。
結(jié)論
結(jié)論
總結(jié)
1．?dāng)?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。
2．三維機(jī)械雕刻機(jī)總體上滿足設(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。
3．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。
數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展展望
數(shù)控雕刻機(jī)作為制造業(yè)一個(gè)有力工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等各個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)的功能將日益強(qiáng)大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機(jī)發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下:
1、更加精密
控制部分和機(jī)械部分精度的提高將極大地提高雕刻系統(tǒng)的精度，控制部分將向閉環(huán)伺服方向發(fā)展，通過反饋調(diào)整做到誤差補(bǔ)償，從而可以大幅度提高精度，機(jī)械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)裝配工藝的提高也將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度。
2、更加高效
高性能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)如DSP技術(shù)、32位單片機(jī)等的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的提高，刀具性能的提高，采用規(guī)范的軟件開發(fā)技術(shù)等等，都將會(huì)推動(dòng)數(shù)控雕刻系統(tǒng)向著高速、高效、高可靠性的方向發(fā)展。
3、利用移動(dòng)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速的發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)將朝著數(shù)字化、，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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致謝
致 謝
首先，對(duì)指導(dǎo)教師趙玉剛老師這么長時(shí)間的耐心的指導(dǎo)和孜孜不倦的教誨表示衷心的感謝！正是在趙老師的精心指導(dǎo)下，我才能順利地完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)一開始，他就告訴我們，每一個(gè)學(xué)生都應(yīng)該通過畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)盡可能多的知識(shí)，而不是為了走走過程，而是使以前學(xué)過的知識(shí)得以運(yùn)用。以前沒有充分掌握的知識(shí)，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，應(yīng)該變成自己的東西，把一個(gè)人的潛力發(fā)揮到最高水平。學(xué)生在完成本論文的過程中，始終得到導(dǎo)師無微不至的指導(dǎo)、關(guān)心、幫助、鞭策與激勵(lì)。導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任心、創(chuàng)新進(jìn)取的精神以及嚴(yán)于律己、虛懷若谷、誠懇待人的高尚品德時(shí)刻教育著我，這些將是我最寶貴的精神財(cái)富，讓我終生受益。在趙老師的幫助下，我們學(xué)到的不僅僅是書本上的和實(shí)踐的知識(shí)，更重要的是從中學(xué)到了做人的原則和做事的方法，讓我們更深地了解了“集體”這一個(gè)詞的含義。
同時(shí)，我也要感謝我的同組同學(xué)，他們?yōu)槲彝瓿僧厴I(yè)設(shè)計(jì)提供了巨大的幫助，在此一并致以誠摯的謝意。
衷心感謝父母和所有親人多年來給予我的無私關(guān)懷、支持和鼓勵(lì)。
最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！