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摘要 摘 要 隨著微電子技術和微型計算機的飛速發(fā)展，數(shù)控雕刻機的應用越來越廣泛。機電一體化廣泛地綜合了機械、微電子、自動控制、信息、傳感測試、電力電子、接口、信號變換和軟件編程等技術，并將這些技術有機的結合成一體，它是當今世界機械工業(yè)技術和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢。三維機械雕刻機是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，在廣告制作行業(yè)具有較大的市場前景。 本文簡要的介紹了雕刻機的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內外雕刻機的特點說明雕刻機的功能和使用范圍；詳細的分析了雕刻機的總體布局和結構方案，以及主運動和進給運動系統(tǒng)的選擇，以及“三維雕刻”插補法的選擇，分析和實現(xiàn)過程，實現(xiàn)雕刻系統(tǒng)的初步優(yōu)化。 本課題是在參考現(xiàn)有雕刻機的基礎上，設計一種機構尺寸比較大的數(shù)控雕刻機，適應比較大的工藝品的雕刻加工。 關鍵字：雕刻機，數(shù)控系統(tǒng)，機電一體化，三維，插補法 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雕刻機概述 1 1. 1. 1雕刻機起源 1 1.2數(shù)控雕刻機及其發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.1數(shù)控雕刻機 1 1.2.2研制雕刻機的目的和意義 3 1.2.3數(shù)控雕刻機的特點 3 1.2.4數(shù)控雕刻機的應用領域 4 1.2.5我國數(shù)控雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀 4 第二章 雕刻機的機械結構 5 2.1雕刻機的工作原理 5 2.2整體結構 6 2.2.1雕刻機總體布局的基本要求 6 2.2.2 影響雕刻機布局的基本因素 6 2.2.3 坐標系的確定 8 2.2.4三維雕刻機的機械結構 8 2.3進給系統(tǒng) 9 2.4主軸組件 12 第三章 三坐標數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設計 14 3.1 設計參數(shù)的確定 14 3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計算 14 3.2.1銑削力、扭矩和功率的計算 15 3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計算 16 3.3 主運動系統(tǒng)的設計計算 17 3.3.1主運動系統(tǒng)傳動鏈的組成 18 3.3.2 主軸電動機的設計計算 18 3.4進給運動系統(tǒng)的設計計算 19 3.4.1 進給系統(tǒng)傳動鏈的組成 20 3.4.2滾珠絲杠副的設計計算 20 3.4.3工作臺進給電動機的設計計算 23 3.4.4 工作臺直線導軌副的設計計算 25 3.5插補法 25 結論 28 總結 28 數(shù)控雕刻機的發(fā)展展望 28 參考文獻 29 致 謝 30 IV 第一章 引言 第一章.引言 1.1雕刻機概述 1. 1. 1雕刻機起源 雕刻可以追溯到遠古時期，母系氏族時期的半坡氏族的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時期便發(fā)明了活字印刷，《夢溪筆談》有記:“其法用膠泥刻字，薄為錢唇，每字為一印，火燒令堅··一”。這里的刻字應屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術日益精深，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術都可堪稱一絕。 上世紀90年代至今，機械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機，刻章機再到三維雕刻機，制作工藝也日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標識銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。 雕刻機(Engraving Plotter)，顧名思義就是用機器代替人工進行雕刻的設備。 1938年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本和法國等國也開始研制。20世紀90年代，隨著微電子技術的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術和微型計算機技術帶動整個高技術群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產(chǎn)生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D-2.5D-3D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。 1.2數(shù)控雕刻機及其發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1數(shù)控雕刻機 傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術性要求很高的手工技藝，雕刻品的質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、一致性差，嚴重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機的產(chǎn)生成為必然。雕刻機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雜的工藝品或大型藝術作品的雕刻工作，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創(chuàng)作性，制品的構成形狀復雜、隨意性強、工藝性差。因此這類工藝迄今為止雕刻機尚無能為力，只能采用手工雕刻，制品的質量和藝術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、藝術浮雕曲面等雕刻加工;而二維平面雕刻工藝主要用于標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，雕刻機可分為仿形雕刻機和數(shù)控雕刻機 (采用 CNC系統(tǒng))兩大類型。仿形雕刻機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)控雕刻機是數(shù)控技術和雕刻工藝相結合的產(chǎn)物，是一種專用的數(shù)控機床。與通用數(shù)控機床類似，數(shù)控雕刻機通過數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機動作，實現(xiàn)雕刻加工的自動化。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、對零件的適應性強等顯著優(yōu)勢;同時，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)控雕刻機現(xiàn)已成為實現(xiàn)雕刻加工自動化、高效率、高精度的有效手段，也是當今雕刻機的發(fā)展主流，廣泛應用于機械工業(yè)、廣告?zhèn)髅?、日常消費以及建筑裝演等眾多領域。 對象和應用領域的不同，數(shù)控雕刻機可分為模具雕刻機、木工雕刻機、廣告雕刻機、激光雕刻機等多種類型。它們的加工性能要求出入很大，對機床和數(shù)控系統(tǒng)的要求也各不相同。如模具雕刻機的加工材料為金屬，所以對機床本體的剛性要求較高，而且其加工對象是模具，所以對加工系統(tǒng)的精度要求高;而廣告機加工的是一般是塑膠板或有機玻璃等非金屬材料，所以對機床剛性和加工系統(tǒng)的精度都沒有很高要求。但各類雕刻機都有一個共同的特點，也是數(shù)控雕刻機與普通數(shù)控機床的一個顯著區(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動軌跡很長，加工時間往往也較長。因此，提高雕刻機的刀具運動速度對縮短零件雕刻時間、提高加工效率具有特別重要的意義。 按照伺服驅動控制的類型不同，數(shù)控雕刻機又可以分為步進驅動雕刻機和伺服驅動雕刻機。步進驅動屬于開環(huán)控制，控制精度較低，但價格便宜，適用于對加工要求不高的中低檔雕刻機，如木工、廣告業(yè)的雕刻加工。伺服驅動控制精度高，但價格較貴，主要用于模具加工等高精度雕刻機。 此外，還可根據(jù)運動坐標控制的聯(lián)動軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機分為三坐標數(shù)控雕刻機、五坐標數(shù)控雕刻機等。三坐標數(shù)控雕刻機可以控制三個坐標軸聯(lián)動，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工;五坐標數(shù)控雕刻機可以聯(lián)動控制X，Y，2三個移動軸和兩個旋轉軸，用來完成復雜形狀零件的雕刻加工。 1.2.2研制雕刻機的目的和意義 建國五十年來，我國的機械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟和人民生活的需要。但隨著世界科學技術的迅速發(fā)展，我國機械工業(yè)的技術水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達國家相比還存在相當大的差距。因此，在我國以新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術含量的新產(chǎn)品，已成為當前機械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關注和改革的焦點。 機電一體化技術是機械技術和電子技術的有機結合，它包括機械、電子、計算機和自動控制技術。它從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達國家競相發(fā)展機電一體化技術，以提高制造技術水平，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機電一體化技術給傳統(tǒng)的機械工業(yè)帶來了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結構、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機電一體化是當今世界機械工業(yè)技術和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，也是我國機械工業(yè)發(fā)展的必由之路。 1.2.3數(shù)控雕刻機的特點 數(shù)控雕刻機的主要特點如下: 1、自動化程度高。具體的雕刻過程都是數(shù)控雕刻機自動完成的。 2、產(chǎn)品的尺寸精度高，一致性好。數(shù)控雕刻過程是由計算機控制完成，可以達到很高的精度和表面質量:批量加工時，產(chǎn)品的一致性好，這對于小模具行業(yè)十分重要。 3、拓展了雕刻領域。只需改變控制程序，數(shù)控雕刻機便可以雕刻浮雕、各種復雜的曲面，支持各種刀具，改善了雕刻表面質量，提高了雕刻效率。 4、數(shù)控雕刻機都有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊、加工小模具，性價比高。 1.2.4數(shù)控雕刻機的應用領域 數(shù)控雕刻機的應用領域廣泛，舉例如下: 1、廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類雙色板標牌、有機玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎章、有機板浮雕、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)，用于浮雕圖案設計及制作。 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、電火花加工機床電極雕刻加工。 8、機械加工業(yè)，刻度盤字輪及標尺刻度。 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，使得計算機數(shù)控雕刻機有了更大的用武之地。因此，計算機數(shù)控雕刻機的應用范圍還將不斷擴大。 1.2.5我國數(shù)控雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)機遇有效地促進了我國數(shù)控雕刻機的生產(chǎn)和推廣應用。我國的數(shù)控雕刻機起步經(jīng)濟型數(shù)控機床，隨著數(shù)控技術的進步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，己形成了多個國品牌的雕刻機，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕數(shù)控雕刻機和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機等。上述各類型雕刻機機床本體結構較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術，采用基于高檔的微控制或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進電機細分驅動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機的性價比較高，適用于精度要求不太高的普及應用場合對高精度的雕刻加工，目前我國尚以進口數(shù)控雕刻機為主，如意大利的左日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機。這類數(shù)控雕刻機機床本體設計剛高度好、精度高，采用伺服電機驅動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性，但價格昂貴往往倍于國產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應用于模具等高精度加工場合 32 第二章雕刻機的機械結構 第二章 雕刻機的機械結構 2.1雕刻機的工作原理 計算機數(shù)控雕刻機實際是一個三維數(shù)控系統(tǒng)，其工作原理如圖所示 通用微型計算機內安裝專用的設計排版軟件進行圖形、文字的設計、排版，自動生成加工路徑信息，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，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化為數(shù)控信息，控制器把這些信息轉化為驅動步進電機或伺服電機的信號(脈沖串)，控制雕刻機X，Y，2三軸的走刀。同時，進行銑削，即可雕刻出在計算機上設計的各種平面或立體的圖形文字，實現(xiàn)雕刻自動化加工。 2.2整體結構 機械結構作為雕刻機的硬件部分，對雕刻機的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。下面對數(shù)控雕刻機的機械結構作詳細介紹。 2.2.1雕刻機總體布局的基本要求 雕刻機總體布局的基本要求有以下幾點: 1、首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等等各種要求; 2、確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運動。在經(jīng)濟、合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率; 3、確保雕刻機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平； 4、應便于觀察加工過程，便于操作、調整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理，注意防護，確保安全； 5、結構簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 2.2.2 影響雕刻機布局的基本因素 在滿足總體布局的基本要求的基礎上，還應當考慮影響雕刻機布局的基本因素: 1、表面形成運動的影響 不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來加工，從而表面形成運動的形式和數(shù)目就不同，并導致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術要求和生產(chǎn)率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成運動來加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運動直接決定了雕刻機布局的形式，是影響雕刻機布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機時，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動，以期作出具有較好技術經(jīng)濟效果的布局設計。 2、雕刻機運動分配的影響 工件表面形成方法及運動相同，而雕刻機的運動分配不同，雕刻機的布局也會不同。對于同一種運動分配的布局，由于導軌的布置和其它結構形式的不同，也將使雕刻機的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機運動時，一般應注意以下幾點: 1) 移動部件的重量應盡量輕。在其它條件相同的情況下，移動部件的重量越小，所需電機功率和傳動件的尺寸也越小 2) 應有利于提高加工精度 3）應有利于提高雕刻機剛度，縮小占地面積 4）工件的尺寸重量和形狀的影響 工件的表面形成運動及雕刻機部件的運動分配基本相同，而工件尺寸、重量和形狀不同，雕刻機的布局也會有很大差異。另外，還應考慮雕刻機性能要求的影響，如振動、噪聲、熱變形、剛度和抗振性，操縱方便形的影響，模塊化設計法的影響等。通過查閱相關的文獻資料，雕刻機基本布局形式通常有下圖所示的兩種方案： 圖2.2 雕刻機的布局簡圖 圖2.2 雕刻機的布局形式 這兩種布局都采用龍門式框架結構，雕刻機的剛度均較高。 布局(1)方案中，工作臺固定，雕刻頭作橫向和上下移動，立柱作縱向移動。該方案便于變形為不同縱向長度的雕刻機。由于工作臺不動，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行批量加工時，支點高度相同，故支架支撐調整方便。但雕刻頭運動精度較難保證且立柱移動較笨重。 布局(2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動，工作臺作縱向移動。由于工作臺移動，承載能力較布局(1)方案差。若設計所承載的工件較輕，這種布局方式所需電動機功率和傳動件的尺寸較小，移動較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長工件進行批量加工時，支點高度相同，故支架支撐調整方便，但支架結構較布局(1)方案略顯復雜。該方案的最大優(yōu)勢在于雕刻頭運動精度較易保證。 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數(shù)控雕刻機的設計參數(shù)，可采用布局(2)的方案。 2.2.3 坐標系的確定 雕刻機的坐標系采用右手法則，直角卡笛兒坐標系統(tǒng)?；咀鴺溯S為X 、Y 、Z 直角坐標，對相應每一個旋轉運動符號為A 、B 、C ，如圖2. 3 所示。Z 軸為平行于雕刻機主軸的坐標軸，垂直于工件裝夾面。 圖2.3 圖2.3 右手坐標系統(tǒng) 2.2.4三維雕刻機的機械結構 該三維雕刻機的機械幾何結構，由以下幾部分組成: 1、底座部分 作為整機的基礎，承擔整個機體的重量，要求穩(wěn)定堅固。底座由底下的四只支腳與地面接觸; 2、工作臺部分 工作臺部分由工作臺，y方向的絲杠和導軌，以及支架組成。工作臺作為雕刻工作時承載雕刻物體的部件，表面有T形溝槽，由絲杠驅動，導軌導向: 3、橫梁部分 橫梁由x方向的絲杠和導軌，以及支架組成。橫梁承載機頭的重量，驅動機頭動，容易彎曲變形，在結構仿真和運動仿真中是重要的分析對象: 4、機頭部分 機頭部分由主軸組件，2方向的絲杠和導軌，以及支架組成。絲杠驅動主軸組的上下運動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻頭的高速旋轉運動。 下面從雕刻機的功能角度，介紹一下各部分的結構及設計: 2.3進給系統(tǒng) 進給系統(tǒng)由伺服驅動電路、伺服驅動裝置、機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后，經(jīng)伺服驅動裝置和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給和快速運動。數(shù)控系統(tǒng)的伺服進給系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質上的區(qū)別，它能根據(jù)指令信號精確的控制執(zhí)行部件的運動速度和位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。 下面介紹一下雕刻機的進給系統(tǒng)的機械結構和電機驅動。雕刻機的進給運動方式如下: 工作臺帶動工件做y方向的進給運動，機頭沿x方向橫梁做進給運動，雕刻頭在直流電機的帶動下做高速旋轉，并在Z方向做上下運動。刀具和工件的運動的合成就可以得到文字和圖案的輪廓。 1.機頭沿x方向的絲杠左右運動，實現(xiàn)雕刻寬度;如下圖所示 圖2.4 雕刻機X方向進給圖 2.工作臺沿y方向的絲杠前后運動，實現(xiàn)雕刻長度,如下圖所示： 圖2.5 雕刻機Y方向的進給圖 3.機頭沿Z向的絲杠上下運動，實現(xiàn)雕刻深度。 各個傳動鏈中均采用絲杠螺母傳動副，保證了運動的傳遞平穩(wěn)和結構的緊。絲杠一端通過聯(lián)軸器與電機軸相聯(lián)，由步進電機驅動絲杠，將旋轉運動轉化為直線運動。另一端采用軸承為支承。步進電機的旋轉方向和轉速，由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電動機的轉動步數(shù)，即角位移的大小。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進電動機的旋轉速度在很寬范圍內連續(xù)調節(jié)。它具有以下特點: 1、位置控制功能 可預先發(fā)出具體的脈沖數(shù)量，從而得到需要輸出的角度。 2、無極調速功能 可根據(jù)發(fā)送脈沖的速度，得到需要的電機的轉速。 3、正/反，急停及鎖定功能 通過對系統(tǒng)的高低電平控制，得到正/反旋轉的效果，在電機鎖定情況下 （電機繞組中存在電流，外部沒有要求旋轉的電脈沖)，仍有靜止力矩的輸出。 4、低轉速及高精度位置功能 通過對脈沖速度的控制，可直接得到極低的轉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機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 絲杠與電機軸的連接 剛性聯(lián)軸器用于絲桿與電機的聯(lián)接，可提高兩軸頭連接的固定精度，如圖2.6所示。它的特點有: 1、可用于小型、瞬間慣量小和高速轉動的場合; 2、安裝后無反作用力，而且維護簡單; 3、提高絲杠的強度時，跳動不會受到影響; 4、依靠鎖緊螺栓施加的摩擦緊固，無需鍵; 6、在高速轉動時可保持平穩(wěn)。 導軌的主要功能是導向和承載作用。導軌使運動部件沿一定的軌跡運動，從而保證各部件的相對位置和相對位置精度。導軌承受運動部件及工件的重量及切削力，在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度、精度與精度保持性。 雕刻機的x向和y向絲杠兩側各采用一對圓柱形導軌作為導向件，另外可以分擔絲杠所承受的機頭和工作臺的重量。圓柱形導軌加工容易，導向精度高，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，采用兩根導軌導向。Z的固定依靠步進電機的自鎖來實現(xiàn)。 圓形導軌兩端通過螺釘固定在絲杠支架上，并與導軌套形成移動副。如圖2.7所示 圖2.7 絲杠和圓導軌的支承方式 各個傳動鏈上的絲杠螺母與不同零件以螺釘固定連接，通過與絲杠的相對運動實現(xiàn)傳動: 1、與工作臺固定連接，相對于y向絲杠運動向絲杠運動向支架固定連接，相對于 2、與機頭向絲杠運動 3、與機頭 向支架固定連接，相對于Z向絲杠移動。 2.4主軸組件 主軸組件是雕刻機的執(zhí)行件。它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成形運動。主軸組件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成，要求良好的回轉精度、結構剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。 雕刻機的主軸部分固定在Z向絲杠的支架上，采用電主軸高速旋轉，實現(xiàn)刀具的切削運動。 自20世紀80年代以來，數(shù)控機床、加工中心主軸向高速化發(fā)展。高速數(shù)控機床主傳動機構已經(jīng)得到極大的簡化，取消了帶傳動和齒輪傳動，機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床主運動的“零傳動”，這種結構稱為電主軸。它具有結構緊湊，機械效率高，可獲得極高的回轉速度，振動小等優(yōu)點，因而在現(xiàn)代數(shù)控機床中獲得了愈來愈廣泛的應用。本雕刻機由于主軸轉速達到20000r／min,所以應用電主軸。 第三章 三坐標數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設計 第三章 三坐標數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設計 本章詳細介紹了廣告型三維機械雕刻機機械部分的主要零部件，如主軸電動機、步進電動機、傳動部件和支承部件的詳細設計計算及選型過程。 3.1 設計參數(shù)的確定 由課題所給的設計參數(shù)，結合廣告型三維機械雕刻機的總體設計方案，初步確定該雕刻機機械部分的主要參數(shù)，如表3.1所示。 表3.1 機械設計參數(shù)表 項目 參數(shù) 單位 主軸最高轉速 n=20000 r/min 最大進給速度 mm/min 工作臺總行程(Y) 800 mm 主軸總行程(X) 800 mm 主軸總行程(Z) 100 mm 定位精度 25 脈沖當量 0.01 mm 使用壽命 hrs 3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計算 三坐標數(shù)控機械雕刻機的加工對象主要是針對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度和良好的塑性。用硬質合金直柄立銑刀（）和高速鋼標準麻花鉆（）在鋁板上進行銑削和鉆削，分別進行切削力、切削扭矩和切削功率的計算。 根據(jù)三維機械雕刻機的加工范圍和使用功能及在實際生產(chǎn)過程中不同的切削方式所使用時間的分配，經(jīng)過統(tǒng)計，大致可將切削方式分為強力切削（切）、一般切削（雕）、精細切削（刻）和快速進給。 3.2.1銑削力、扭矩和功率的計算 通過查閱孟少農(nóng)主編的《機械加工工藝手冊》，得到表3.2 左側的經(jīng)驗公式，代入已知參數(shù)進行簡化，可得到僅與切削深度、進給速度和銑刀轉速n有關的計算公式填入表3.2右側。 表3.2 銑削力、扭矩和功率計算公式的簡化 計算公式和參數(shù)選定 計 算 結 果 銑削力： 銑削扭矩： 銑削功率： 其中：銑削寬度，銑削深度,進給速度，銑削速度，—— 銑刀外徑((mm),—— 每齒進給量(mm/z)， z —— 銑刀齒數(shù)，n——銑刀轉速(r /min) 。 將切削深度、進給速度和銑刀轉速n的變量代入分別計算，得到計算結果，如下表3.3所示。表3.3 銑削力、扭矩和功率的計算 切削方式 工作時間 百分比t % 參 數(shù) 計算結果 強力切削 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 精細切削 50% 0.5 2400 20000 600 15.80 0.0475 0.0992 快速進給 10% — 3600 — 900 0 0 0 其中：—絲杠轉速，，預選絲杠導程 —銑削深度（mm），—進給速度（mm/min），n—銑刀轉速（r/min）， —銑削力（N），M—銑削扭矩（Nm），—銑削功率（kW）。 3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計算 通過查閱參考文獻，按上節(jié)的簡化過程，可得到僅與進給速度和鉆頭轉速n有關的計算公式，如下表3.4所示。 表3.4 鉆削力、扭矩和功率的計算公式的簡化 計算公式和參數(shù)選定 計 算 結 果 鉆削力： 鉆削扭矩： 鉆削功率： 其中：（加工鋁合金）。進給速度,鉆削速度，—鉆頭外徑（mm），f—進給量（mm/r），n—鉆頭轉速（r/min）。將進給速度和鉆頭轉速n的變量代入分別計算，將得到的計算結果填入表3.5，由于鉆削功率的計算結果較小，忽略不計。 表3.5 鉆削力、扭矩和功率的計算 切削方式 工作時間 百分比t% 參 數(shù) 計 算 結 果 M 強力切 削 10% 300 9000 75 41.61 0.045 — 一般切削 30% 480 15000 120 40.44 0.044 — 精細切削 50% 600 20000 150 38.65 0.042 — 快速進給 10% 900 — 225 0 0 0 其中：—絲杠轉速，，預選絲杠導程，—進給速度(mm/min),—鉆削轉速(r/min),—鉆削力(N), M—鉆削扭矩(Nm),—鉆削功率(kW)。 3.3 主運動系統(tǒng)的設計計算 本節(jié)主要設計主運動系統(tǒng)中的電主軸，以確定它們的型號和參數(shù)。 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應滿足普通機床主傳動的要求外，還提出以下要求： 1.具有更大的調速范圍，并實現(xiàn)無級變速。數(shù)控機床就要為了保證加工時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、加工精度和表面質量，必須具有更高的轉速和更大的調速范圍。對于自動換刀的數(shù)控機床，工序集中，共建一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應各種國內工序和各種加工材質的要求，住運動的調速范圍還應進一步擴大。 2.具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機床加工精度的提高，與主運動系統(tǒng)的剛度密切相關。為此，應提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進行高頻感應加熱淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(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)控機床上一般既要進行粗加工又要進行精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗燥度，嚴重時甚至破壞刀具或零件，是加工無法順利進行。 因此在主傳動系統(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的能力——抗振性?？拐裥杂脛觿偠然騽尤嵝远葋砗饬?。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當量靜剛度、阻尼比及固有頻率等參數(shù)。 機床在切削加工中主傳動系統(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位置精度和運動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，并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。 3.3.1主運動系統(tǒng)傳動鏈的組成 電機直接驅動主軸是精密機床、高速加工中心和數(shù)控車床常用的一種驅動形式。如平面磨床的砂輪主軸，高速內圓磨床的磨頭。轉速小于3000r／min的主軸，采用異步電動機軸通過聯(lián)合器直接驅動主軸，機床可通過改變電動機磁極對數(shù)來實現(xiàn)變速；轉速小于8000r／min的主軸，可采用變頻調速電動機直接驅動；高速主軸，可將電動機與主軸做成一體，即內裝電動機主軸，轉子軸就是主軸，所以本雕刻機應選用電主軸， 3.3.2 主軸電動機的設計計算 根據(jù)前面兩節(jié)的計算結果，取一定的安全系數(shù)，忽略傳動效率，主軸電動機所需的扭矩、功率和轉速計算過程如表3.6所示。 表3.6 主軸電動機設計計算 序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結果 1 轉矩計算 查表3.3和表3.5，取i=2取較大值得到：M0≥0.095取整 額定轉矩 2 功率計算 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)的型號為DD58Z24/0.8的電主軸。如下表所示： 主軸型號 轉速 電機 外型尺寸 潤滑 軸承型號 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進給運動系統(tǒng)的設計計算 雕刻機的進給運動分為三個部分：主軸的上下移動，主軸的左右移動和工作臺的前后移動。它們的設計沒有什么很大的區(qū)別，因此可以通過對其中一個方向上的設計來勾勒出我們在移動部分的設計方案，現(xiàn)在以工作臺部件為例，著重設計計算進給運動傳動鏈中進給電動機，同步帶和帶輪，滾珠絲杠和直線導軌，以確定它們的規(guī)格型號及參數(shù)，來滿足在機械加工過程中的各種切削加工要求。 3.4.1 進給系統(tǒng)傳動鏈的組成 從前面所述，我們知道步進電動機通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠連接，將電動機的旋轉運動轉化為部件的移動. 3.4.2滾珠絲杠副的設計計算 參閱徐灝主編的《機械設計手冊》第四冊和李鶴軒主編的《機電一體化技術手冊》以雕刻機進行銑槽加工時為例進行設計計算，過程如表3.8所示。 表3.8工作臺滾珠絲杠設計計算 序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結果 1 確定滾珠 絲杠導程 mm 電動機與絲杠 1:1傳動 3 預期額定動載荷 N (1)按預期工作時間估算 查表9,輕微沖擊 查表7,按7級 查表8,可靠性97% 查表3.1得， (2)擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大負載計算： 查表10，輕預載 (1) (2) 取兩種結果 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 (1)選取內循環(huán)浮動式法蘭，直筒型墊片預緊螺母 (2)由計算出的 在樣本中選取滾珠絲杠副 FFZD FFZD1604-3 6 確定滾珠絲杠副的預緊力 N 7 (1) (2) (3) 確定滾珠絲杠副支承用軸承型號、規(guī)格 軸承所承受的最大軸向載荷 軸承類型 軸承型號規(guī)格 N 固定端背對背角接觸球軸承，游動端深溝球軸承 預加載荷 軸承內徑d=10 軸承預緊力 固定端7000C 游動端6100 8 行程補償值 C 9 (1) (2) (3) 滾珠絲杠 工作圖設計 絲杠螺紋長度 繪制工作圖 支承距離 絲杠全長 行程起點距固定支承距離 mm mm mm mm 如工作圖所示 10 (1) (2) 傳動系統(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 一對預緊軸承的組合剛度 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 查表得： 11 (1) (2) (3) (4) (5) （6） （7） 剛度驗算 及精度選擇 計算 計算 靜摩擦力 驗算傳動剛度 傳動系統(tǒng)剛度變化引起的 定位誤差 確定精度 全行程變動量 確定規(guī)格代號 N FFZD1603-3-P4/485×410 12 驗算臨界 壓縮載荷 N 13 驗算臨界轉速 rpm 14 驗算 14400<70000 15 形位公差標注 略 16 基本軸向額定載荷驗算 3.4.3工作臺進給電動機的設計計算 以滿載一般切削時為例進行計算，計算過程見表3.9. 表3.9 工作臺進給電動機設計計算 序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結果 1 (1) 作用在絲杠副上的各種轉矩 外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 查表得： 2 (1) (2) 計算轉動慣量負載轉動慣量 各種回轉件的轉動慣量 各種直線運動件轉動慣量 電動機轉動慣量 J 絲杠：L=48.5，d=1.53 查表得： 查表3.1得： 查表3.2得： 混合式步進電動機 57BYG250 E-SAFRMC-0152 查樣本， J=460.3 3 最大加速轉矩 4 連續(xù)工作最大轉矩 查樣本：額定轉矩13.5 5 最大啟動轉矩 查樣本：最大轉矩80 3.4.4 工作臺直線導軌副的設計計算 表3.10 滾動直線導軌設計計算 序號 計算項目 符號 單位 計算公式和參數(shù)選定 計算結果 1 初選直線導 軌副的型號 HTSD-15NAA 2 擬定滑塊數(shù) M 單根導軌兩滑塊 M=4 3 負載計算 R N 滿足要求 4 摩擦力 F N 5 壽命計算 h 滿足要求 3.5插補法 插補有直線插補、圓弧插補、拋物線插補和螺旋線插補多種方式。直線插補算法簡單，比較適合應用于單片機系統(tǒng)。 脈沖增量插補適用于以步進電動機為執(zhí)行元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的脈沖增量插補是用硬件來實現(xiàn)的。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的插補功能一般用軟件來實現(xiàn)的，插補算法的效率和插補精度是一個十分重要的問題。 傳統(tǒng)的幾種直線脈沖增量插補算法每次定時中斷只對一個或最多兩個坐標進行插補。例如，當X 、Y 、Z 三方向需同時走l個步進，由A 點到D 點時，傳統(tǒng)走法是：一個坐標插補時，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 ；兩個坐標插補時，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 。這兩種算法的運算的速度和實現(xiàn)的精度都較低，在三維雕刻機上運用效果不十分理想。 因此，要實現(xiàn)三坐標控制三坐標聯(lián)動，使之能夠兼顧雕刻的速度和精度，就需要一種新的插補算法。所示，X 、Y 、Z 三方向由A 點到D 點同時走1個步進，即直接由A 點移動到D 點。 圖3.1幾種算法方式簡圖 本設計中，采用的是基于Bresenham算法的直線脈沖增量插補方法，在三維情況下生成空間直線。其基本原理如下： 設直線的起點坐標為,終點坐標為,, , , , ,并設。 由于X方向坐標增長最快，我們把X軸作為基本軸，每次循環(huán)X方向都增長一個步長，而Y，Z的情況要通過計算來確定。 如圖4.6所示，為直線上i個點，為直線上第i+1個點，其中： ， , , A: B: C: D: 圖3.2 設所對應的空間網(wǎng)格點的坐標, ,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) 由表達式(2)(1)可知,一定為圖5.5中點A,B,C,D中的一個。有計算的公式可知: =--0.5=+--0.5 當 <0時，=-+-0.5-1=--1 當0時，=-+-0.5=- (3) =--0.5=+--0.5 當0 時，=+--0.5-1=--1 當<0 時，=+--0.5=- (4) 這就是新型的插補方法，用該算法對空間由線的直線插補取得了良好的效果。無論是在插補速度上還是在插補精度上都具有明顯的優(yōu)勢。它在確保加工精度的前提下使用性，提高了運算的效率和雕刻機雕刻的效率，從而大大地提升了雕刻機的性能。在插補運算過程中，運用給出的（1）（2）（3）（4）公式進行計算。 結論 結論 總結 1．數(shù)控雕刻機技術廣泛應用于模具模型、工藝品、印刷電路板的制作和廣告。本文介紹了研究了數(shù)控雕刻機的功能、結構和組成。在深入分析目前國內外數(shù)控雕刻機的現(xiàn)狀，數(shù)控雕刻機的控制結構與原理的基礎上提出了本數(shù)控雕刻機的總體設計方案，并進行了主傳動系統(tǒng)的計算。 2．三維機械雕刻機總體上滿足設計的要求，在機械本體部分結構緊湊、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．本文對三維雕刻機的插補算法進行了選擇，屏除了過去傳統(tǒng)的插補算法，采用了一種新型的插補算法，保證插補速度和插補精度，提高了雕刻機的效率和性能。 數(shù)控雕刻機的發(fā)展展望 數(shù)控雕刻機作為制造業(yè)一個有力工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計算機技術、電機技術、機械技術等各個科學技術的發(fā)展，數(shù)控雕刻機的功能將日益強大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機發(fā)展趨勢總結如下: 1、更加精密 控制部分和機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，通過反饋調整做到誤差補償，從而可以大幅度提高精度，機械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅動電機，同時裝配工藝的提高也將進一步提高系統(tǒng)的精度。 2、更加高效 高性能運動控制技術如DSP技術、32位單片機等的發(fā)展，驅動電機性能的提高，刀具性能的提高，采用規(guī)范的軟件開發(fā)技術等等，都將會推動數(shù)控雕刻系統(tǒng)向著高速、高效、高可靠性的方向發(fā)展。 3、利用移動通訊技術和網(wǎng)絡技術飛速的發(fā)展，數(shù)控雕刻機將朝著數(shù)字化、，網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。 參考文獻 參考文獻 ［1 ］孟少農(nóng)．機械加工工藝手冊 第一冊．北京：機械工業(yè)出版社．1998 ［2 ］孟少農(nóng)．機械加工工藝手冊 第二冊．北京：機械工業(yè)出版社．1998 ［3 ］孟少農(nóng)．機械加工工藝手冊 第三冊．北京：機械工業(yè)出版社．1998 ［4 ］徐灝. 機械設計手冊 第（三、四、五）冊．北京：機械工業(yè)出版社．2001 ［5 ］張新義. 經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計．北京：機械工業(yè)出版社. 1994 ［6 ］王愛玲．現(xiàn)代數(shù)控機床結構與設計．兵器工業(yè)出版社．1999 ［7 ］蔡厚道等.數(shù)控機床構造. 北京理工大學出版社. 2007 ［8 ］文懷興．數(shù)控銑床設計．化學工業(yè)出版社．2001 ［9 ］李慶余等．機械制造裝備設計．機械工業(yè)出版社2008 ［10］曹甜東．數(shù)控技術．華中科技大學出版社．2001 ［11］邱宣懷. 機械設計．高等教育出版社. 1997 ［12］劉仁家等．機設計常用元器件手冊．北京：機械工業(yè)出版社．1994 ［13］王運炎等.機械工程材料 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