買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 摘 要 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。 本文從系統(tǒng)的觀點出發(fā) ，根據(jù)機電一體化產(chǎn)品設計的基本原理、關鍵技術和研制原則，制定 了 廣告型 三維機械雕刻機的總體設計方案，詳細地分析了雕刻機系統(tǒng)的總體布局和結構方案、數(shù)控系統(tǒng)的運動方式以及主運動和進給運動系統(tǒng) 的 選擇等， 同時進行了機械系統(tǒng)的設計和 實現(xiàn)，包括主運動和進給運動的設計計算， 控制系統(tǒng)的設計 ， 以及“三維雕刻”插補算法的選擇、分析和實現(xiàn)過程，實現(xiàn)了該雕刻機系統(tǒng)的初步優(yōu)化。 本課題的目的在于設計一種三維雕刻機，實現(xiàn)自動化、高速度、高精度的數(shù)控雕刻機加工，增強實用性和高效性。 關鍵詞 ： 雕刻機 ,數(shù)控系統(tǒng) ,機電一體化 ,三維， 插補算法 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 II On It is of of in is a It a in In we NC of on of of I of As as we is of is to a NC 3D， 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 1 - 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 2 - 目 錄 摘 要 . 文摘要） . 目 錄 . 第一章 引 言 . 1 刻機概述 . 1 刻機 的 發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 制的雕刻機的特點 . 2 刻機的研制目標 . 3 制雕刻機的目的和意義 . 3 第二章 廣告型三維機械雕刻機的總體設計方案 . 5 種雕刻機的簡介 . 5 刻機的特點 . 5 口雕刻機的總體設計 . 5 告型三維機械雕刻機的總體方案 . 6 要內容 . 6 體布局 . 6 標系的確定 . 8 刻機的數(shù)控系統(tǒng) . 9 刻機的機械部分 . 12 刻機的 控制部分 . 14 第三章 廣告型三維機械雕刻機 機械系統(tǒng) 的 設計 . 19 計參數(shù)的確定 . 19 削力、切削扭矩和切削功率 的 計算 . 20 運動系統(tǒng)的設計計算 . 23 運動系統(tǒng)傳動鏈的組成 . 23 軸 電動機 的設計計算 . 23 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 3 - 皮帶和帶輪的設計計算 . 24 給運動系統(tǒng)的設計計算 . 26 給系統(tǒng)傳動鏈的組成 . 26 珠絲杠副的設計計算 . 27 作臺進給 電動機 的設計計算 . 31 作臺直線導軌副的設計計算 . 32 步帶及帶輪的設計計算 . 33 第四章 廣告型三維機械雕刻機的控制系統(tǒng)設計 . 36 刻機控制系統(tǒng)的硬件設計 . 36 制系統(tǒng)的硬件 組成 . 36 儲器及擴展電路 . 37 板操作鍵 . 38 能選擇開關 . 39 示器的選擇 . 40 源 . 40 型插補算法 . 41 結論 . 44 參考文獻 . 45 致謝及聲明 . 46 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 4 - 第一章 引言 20 世紀 60 年代以來，一大批高新技術群體逐步形成 ， 如微電子技術、信息技術、自動化技術、生物技術、新材料技術、新能源技術、空間技術、海洋開發(fā)技術、激光與紅外技術、光纖通訊技術等等。 這些高新技術已經(jīng)且繼續(xù)向經(jīng)濟、軍事和社會生活的各個領域滲透，并以空前的規(guī)模向現(xiàn)實生產(chǎn)力迅速轉化。 高新技術向產(chǎn)業(yè)的轉移，推動了生產(chǎn)力的發(fā)展。 傳統(tǒng)機械產(chǎn)業(yè)經(jīng)機電一體化革命帶來了優(yōu)質、高效、低耗及柔性的優(yōu)勢，增強了產(chǎn)品在行業(yè)內的經(jīng)濟競爭能力。 因此，高新技術的應用得到各行業(yè)的極大重視。 特別是到 了 21世紀，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，迅速轉化為巨大的經(jīng)濟效益。高新技術流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場新技術革命的沖擊下，產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統(tǒng)結構發(fā)生了質的躍變微電子技術、微型計算機技術使信息和智能與機械裝置和動力設備有機結合，一方面極大地提高機電產(chǎn)品性能和產(chǎn)品競爭性，另一方面又極大地提高產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟競爭能力。 廣告制作行業(yè)也充分享用了機電一體化革命的碩果，促使其加工制作的過程進入了一個廣闊的新天地。 刻機概 述 刻機發(fā)展現(xiàn)狀 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 機的使用范圍無處不在。 雕刻機（ ，顧名思義就是用機器代替人工進行雕刻的設備。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 5 - 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 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。 國外的雕刻機，如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”是此行業(yè)的佼佼者，但價格非常昂貴。近幾年國內的雕刻機，北京“精雕”、上?！白哪绝B”在國內也有一定的市場，但價格也不菲。 制的雕刻機的特點 雕刻機是一種典型的機電一體 化設備，體現(xiàn)在產(chǎn)品、設計、制造諸方面的特點有： 1簡化機械結構，提高精度 采用調速 電動機 來驅動機械系統(tǒng)，從而縮短機械傳動鏈，這不但簡化了機械結構，而且減少了由于機械摩擦、磨損、間隙等引起的傳動誤差 。 2易于實現(xiàn)多功能和柔性自動化 在雕刻機中，計算機控制系統(tǒng)，不但取代其它的信息處理和控制裝置，且易于實現(xiàn)自動檢測、數(shù)據(jù)處理、自動調節(jié)和控制、自動診斷和保護，而且可自動顯示、記錄和打印等。此外，計算機硬件和軟件結合就能實現(xiàn)柔性自動化，并且有很大的靈活性 。 3產(chǎn)品開發(fā)周期縮短、競爭能力增強 雕刻機可以采用專業(yè)化 生產(chǎn)的、高質量的機電部件，通過集成技巧來設計和制造，因而不但產(chǎn)品的可靠性高，甚至在使用期限內無需維修，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，增強了產(chǎn)品在市場上的競爭能力。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 6 - 刻機的研制目標 隨著微電子技術和機電結合深度的發(fā)展，可不斷提高產(chǎn)品附加值。雕刻機是一種典型的機電一體化設備，研制的總體目標是提高該產(chǎn)品在市場中的競爭能力。研制目標具體體現(xiàn)在以下幾個主要方面： 1自動化 降低使用的復雜程度，降低勞動強度，減少操作人員數(shù)量，減少輔助工作時間，減少人為干預，穩(wěn)定生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率 。 提高產(chǎn)品應用 功能的靈活性，適應用戶多樣化的使用要求。 將產(chǎn)品總體從軟硬件結構上按功能劃分為模塊，各功能模塊相對獨立研究、發(fā)展和完善，通過標準接口聯(lián)成系統(tǒng)。 提高數(shù)控系統(tǒng)的插補運算和控制速度，高速度直接與高效率相聯(lián)系。實現(xiàn)系統(tǒng)高速化，不僅要求計算機及軟件有很高的信息處理速度，而且要求系統(tǒng)各運動部件和驅動控制具有高速響應的特征和響應速度的匹配性。 度 保證在加工過程的質量控制，得到與其相適應的產(chǎn)品質量。 性 操作界面簡單，易于實現(xiàn)加工控制；適合大部分 廣告型 產(chǎn)品的加工 ， 并滿足 其 質量的要 求。 制雕刻機的目的和意義 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)買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 7 - 化。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。 研制廣告型三維機械雕刻機的目的主要應用于廣告行業(yè)的廣告制作，主要包括以下幾方面 ： 切 (把硬質的板材切割成文字或圖案，主要用于 制作裝飾用的立體字 ； 刻 (把文字和圖案雕刻在材料表面，用于各種標牌 (胸牌、門牌、桌牌、禮品牌、設備銘牌等 )和禮品工藝品的制作 ； 雕 ( 用于三維立體作品和模具的制作。 本課題的意義 在于設計一 種 廣告型 三維 機械雕刻機， 來 實現(xiàn)自動化、高速度、高精度的數(shù)控雕刻 加工要求。 對 于機電一體化系統(tǒng) 方案 的設計和 制定 有初步的了解和掌握，并為以后 的 工作 打下 堅實的基礎。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 8 - 第二章 廣告 型 三維機械雕刻機 的 總體設計方案 首先通過參考幾種機 械雕刻機的特點并綜合分析它們的總體方案，進而確定所研制三維機械雕刻機的總體設計方案。 種雕刻機簡介 刻機的特點 進口雕刻機的設計和制造技術己相當成熟，質量也相當穩(wěn)定?；旧隙际墙Y合速度、力量、準確性、靈活性和可靠性為一體，可進行雕刻、鑿割、切割和刻繪等操作。接口先進，兼容目前世界流行的美工、標牌設計軟件，可直接驅動或將設計好的文件輸出?？稍阡?、銅、鋁、木材、有機玻璃、塑料、人造大理石、等不同材料上雕刻。近幾年來已占有國內需求市場的大部分的份額。進口雕刻機體現(xiàn)了國外在機電一體化產(chǎn)品上設計和 制造技術的實力和市場的承受能力。 進口雕刻機的設計總體上有以下幾個特點 : 1. 采用造型藝術化，簡潔明快，方便實用。 2. 采用機電互補方式，簡化產(chǎn)品結構。 3. 主體采用框架式結構，簡化設計過程。 4. 關鍵部件采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的部件，保證產(chǎn)品質量。 5. 采用機電一體化關鍵技術，實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化。 6. 符合系統(tǒng)設計評價的各個項目，適應市場需要。 口雕刻機的總體設計 由于進口雕刻機產(chǎn)地的不同、加工幅面不同， 反映在總體布局上存在一定的差異：通常大型機加工幅面較大 的 工件，多采用鋼件框架結構，固定 工作臺移動橫梁，以獲取較高的機械系統(tǒng)的剛性；小型機加工幅面較小 的 工件，多采買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 9 - 用鋁合 金框架結構，移動工作臺固定橫梁，以獲取較輕的整機重量，便于搬運；中型機兩者兼有，針對不同的加工對象和加工特點，采用不同的方式。 進口雕刻機動力與執(zhí)行元件多采用電 動 主軸（主運動）和伺服電機（進給運動）；傳動和導向裝置多采用滾珠絲杠和滾動直線導軌；控制系統(tǒng)多采用單板機實現(xiàn)數(shù)字控制雕刻的過程；在操作上多用專用的計算機編輯平臺軟件對圖案進行編輯處理和輸出，帶有液晶顯 示的手持式或固定式按鍵面板，對雕刻機進行初始設置和進行交互操作； 外置式控 制箱 ；在人機安全上采用防護設計和急停設計，確保操作安全。 告型三維機械雕刻機 的 總體方案 要內容 廣告型 三維機械雕刻機實際上是一種 小型 臺式數(shù)控銑床， 其 總體方案的制訂 需 著重考慮三大方面：機械部分、智能電子控制部分和編輯輸出平臺部分。 機械部分：研究確定總體布局的型式、有效雕刻區(qū)域、滾珠絲杠的結構型式和參數(shù)、直線導軌的結構型式和參數(shù)、主 電動機 的結構型式和參數(shù)、步進 電動機 的結構型式和參數(shù)、主運動和進給運動的傳遞方式和轉速范圍等。 智能電子控制部分：研究確定總體布局型式、主電 動 機 的 調速方式、步進電 動 機的驅動方式、插補算法 。 編輯輸出平臺部分：研究選定首選的 控制系統(tǒng) ，要求操作簡單實用、功能完善、性能穩(wěn)定、價格合理等。 體布局 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 各種要 求。 2 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。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 10 - 3 于操作、調整和維修；便于輸送、裝卸工件和切屑 清理；注意防護，確保安全。 4 合理可靠，便于加工和裝配。 在滿足總體布局 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 ： 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 成 形運動的形式和數(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， 用 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。 工件表面形成方法及運動相同，而雕刻機的運動分配不同，雕刻機的布局也不同。對于同一種運動分配的布局，由于導軌的布置及其它結構型式的不同，也將使雕刻機的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機運動時，一般應注意以下三點 ： (1)移動部件的重量應盡量輕。在其他條件相同的情況下， 重量 越小，所需電動機 功率和傳動 部 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。 3 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，重量和形狀的不同，雕刻機的布局也會有很大差異。 通過查閱相關的 文獻資料，雕刻機基本布局形式通常有如圖 示的兩種方案： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 11 - 圖 刻機的布局簡圖 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 廣告型三維機械雕刻機 的設計參數(shù)，可采用布局 (2)的 方案。 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. 2 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。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 12 - 圖 手坐標系統(tǒng) 刻機的數(shù)控系統(tǒng) 1 運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、輪廓控制系統(tǒng)。雕刻機要求完成“切”、“刻”、“雕”等不同功能，其中“切”、“刻”是兩坐標聯(lián)動控制，具有兩坐標聯(lián)動的插補運算功能和刀具半徑補償功能。即在平面 上不管加工零件的輪廓是由何種線段組成，加工時通常用小段直線來逼近曲線輪廓。如圖 示，用圓柱銑刀“切”或“刻”輪廓側面時，數(shù)控系統(tǒng)控制的刀具中心相對工件在單位時間內，同時在兩坐標軸移動 刀具中心對工件的合成位移則由輪廓曲線的等距線上的點 I 移到點 J ，從而在工件上加工出小段直線 來逼近輪廓曲線上的 段。連續(xù)控制兩個相對位移分量便可加工出多段小直線組成的折線來逼近曲線輪廓。而“雕”則是加工空間輪廓，則需要三坐標聯(lián)動控制，根據(jù)輪廓形狀和加工刀具形狀的不同可分為“雕”浮雕和“雕”三維文字兩種。“雕”浮雕是三坐標控制兩坐標聯(lián)動，用“行切法”進行加工，也稱為兩軸半控制，即以 X 、 Y 、Z 三軸中任意兩軸作插補運動，第三軸作周期進給。如圖 Y 向分為若干段，雕刻刀沿平面的曲線進 行插補加工，當一段加工完后進給 y ，再加工另一相鄰曲線，如此依次用平面曲線來逼近整個空間曲面。“雕”三維文買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 13 - 字是三坐標控制三坐標聯(lián)動，如圖 雕刻路徑進行空間直線插補，利用雕刻刀的幾何形狀來實現(xiàn)三維文字的特定效果。 圖 面輪廓的成形圖 圖 切法加工空間輪廓圖 圖 坐標聯(lián)動加工 經(jīng)上述分析，雕刻機的數(shù)控系統(tǒng)應采用三坐標控制三坐標聯(lián)動的空間輪廓控制系統(tǒng)。 2 主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)的確定 雕刻機的數(shù)控系統(tǒng)包括主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)兩部分。根據(jù)伺服系統(tǒng)的被調量有無檢測和反饋可 分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。該系統(tǒng)應滿足工作精度、調速性能、負載能力、響應速度和穩(wěn)定性的要求。 采用直流或交流伺服 電動機 驅動的閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到很好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙干擾等對加工精度的影響。但它結構復雜、技術難度大、調試和維修困難、造價高。采用直流或交流伺服電機驅動的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)控制之間。由于調速范圍寬、過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進 電動機 驅動的開環(huán)控制。由于反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機械傳動元件，調試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)和穩(wěn)定 性較易保證，所以比閉環(huán)容易實現(xiàn)。但是，采用半閉環(huán)控制，調試比開環(huán)復雜，設計上也要有自身特點，技術難度較大。因為本設計任務的目標精度不很高、負載變化不大，加之開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點，開環(huán)控制應優(yōu)先選用。 綜上所述，雕刻機的主運動系統(tǒng)采用以直流 電動機 驅動的開環(huán)控制；進給運動系統(tǒng)采用以步進 電動機 驅動的開環(huán)控制。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 14 - 主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)的組成原理圖分別如圖 圖 運動系統(tǒng)組成原理圖 圖 給運動系統(tǒng)組成原理圖 3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件 設計 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整個數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。數(shù)控系統(tǒng)中的關鍵部分是數(shù)控裝置 。 數(shù)控裝置的設計方案通常有： (1)全部自己設計、制作； (2)采用單板機或 塊或工控機改制； (3)選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適用化改動或配接 ； 雕刻機的設計中，考慮到經(jīng)濟性的原因，主控部分自行設計制作 。 自行設計的數(shù)控裝置中， 選擇是十分重要的環(huán)節(jié)?？紤]到： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 15 - (1)時鐘頻率和字長與被控對象 的運動速度和精度密切相關； (2)可擴展存儲器的容量與數(shù)控的功能的強弱相關； (3)指令系統(tǒng)功能強弱與編程的靈活性相關； (4) l/0 口擴展的能力與對外設控制的能力相關； (5)開發(fā)手段，含支持開發(fā)的軟件和硬件電路，與開發(fā)周期、推廣應用相關。另外，還應根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)應用場合、控制對象以及性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定 目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的 片很多。雕刻機的數(shù)控系統(tǒng)中，在完全滿足設計要求需要的情況下，首先考慮它們的配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便。 綜上所述，三維雕刻 機的數(shù)控系統(tǒng)中采用 8031芯片為核心的單片機系統(tǒng)。 刻機的機械部分 機械本體部分是雕刻機的骨架，有底座、立柱、工作臺、機頭和主軸組件等部分。在保證整個系統(tǒng)的機械剛性的前提下，為了簡化設計的結構，減輕整機重量，縮短產(chǎn)品的設計和制造的周期，其主體框架采用鋁合金拉延型材和軋制鋁板制造，防護件用塑料件和鈑金件制造，用標準的緊固件和定位銷連接。 雕刻機主運動方案通常有兩種方案：直接采用專用的雕刻頭或采用直流 電動機 帶動主軸機構。專用的雕刻頭必須配以與之配套的變頻調速裝置，價格相對昂貴。從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，經(jīng)濟型的雕刻機則不宜采用。由于直流 電動機具有以下特點： (1)調速范圍寬 其轉子轉速可在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)并穩(wěn)定運行。 (2)特性呈線性 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 16 - 不論機械特性還是調節(jié)特性都呈現(xiàn)良好的線性度 ,即在整個調節(jié)范圍內，轉速隨轉矩的變化關系或是轉速隨控制電壓的變化關系都是線性的。 (3)快速反應 在輸入控制信號的作用下，轉子能迅速地反應動作，時間常數(shù)小。 故優(yōu)先選用直流 電動機 帶動主軸機構的方案。直流 電動機 和主軸組件之間采用平皮帶升速傳動，可選擇合適的傳動比（ i=2 ) ，刀具的回轉精度和軸向竄動 的控制由主軸組件保證，降低直流 電動機 轉速和精度等性能的要求，同時也可隔斷 電動機 振動的傳遞和過載保護作用。 由前所述，采用橫梁固定、工作臺移動實現(xiàn)相對運動的方式，機頭在橫梁上移動（ X 向），實現(xiàn)雕刻寬度；工作臺在底座上移動（ Y 向），實現(xiàn)雕刻長度；主軸組件上下移動（ Z 向），實現(xiàn)雕刻深度。 由于滾珠絲杠副具有以下特點： (1)傳動效率高 高達 85 98% ，對機械小型化、減少啟動后顫動和滯后時間以及節(jié)約能源等方面具有重要意義。 (2)運動平穩(wěn) 工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾 乎與運動速度無關，啟動和運動的摩擦力矩差別不大。所以運動平穩(wěn)，啟動無顫動 、 低速無爬行。 (3)傳動可逆性 正傳動與逆?zhèn)鲃拥膫鲃有蕩缀跸嗤?(4)可預緊 通過對螺母施加預緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，摩擦力矩卻增加不大。 (5)定位精度和重復定位精度高 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 17 - 由于滾珠絲杠副具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、可預緊等特點，所以在工作過程中溫升較小，無爬行。并可消除軸向間隙和對之進行預拉伸以補償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復定位精度。 (6)同步性好 (7)使用壽命長 滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺 紋滾道經(jīng)過熱處理和磨削達到所需的精度和表面粗糙度。 (8)使用可靠，潤滑簡單，維修方便。 因此各運動鏈中傳動件均采用滾珠絲杠副。步進 電動機 通過同步帶和滾珠絲杠副連接，可選擇合適的傳動比和隔斷 電動機 振動，使保證運動的傳遞平穩(wěn)，結構較為緊湊。 由于滾動直線導軌副具有以下特點： (1)摩擦系數(shù)小，運動靈活。 (2)動、靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動阻力小，且不易發(fā)生爬行。 (3)可以預緊，剛度高。 (4)壽命長。 (5)定位精度和重復定位精度高。 因此各運動鏈中支承件均采用滾動直線導軌副。 4加工材料固定方案 雕 刻機的工作臺面上兩邊有參考標尺用作參考，當在臺面中放置工件時使之與零點絕對坐標軸相應平行。工作臺面上還設計有多條 T 型槽，對于較小和較輕的工件可用雙面膠帶將之粘貼在工作臺平面上即可；對于較大和較重的工件，可用專用的夾持器或壓板將之固定。專用的夾持器或壓板的壓緊塊部分用非金屬材料制造，避免誤動作時對刀具和主軸造成危害。 刻機的 控制部分 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 18 - 主控部分以 8031 芯片為核心， 過擴展后端口檢測限位、對刀傳感器的信號，接收用戶的按鍵操作。 通過擴展 I/0 端口完成控制功能，如控制液晶 模塊實時顯示機器當前的工作狀態(tài)，向三方向的步進電動機驅動器發(fā)送脈沖信號等。其 原理圖 如 示。 圖 控部分控制原理圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 19 - 動機 控制方案 由于 線路簡單、調速范圍寬、快速性好、電流波形系數(shù)好、附加損耗小、 效率高、體積小、重量輕、壽命長、頻帶寬、滯后小、非線性小、維修方便、性能 /價格比優(yōu)良、對環(huán)境敏感度低的優(yōu)點，因此選用 動機 進行調速控制。 該驅動裝置是利用大功率晶體管的開關特性來調制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一 個周期內“接通”與“斷開”的時間長短，通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速?？刂圃砜驁D如圖 圖 動裝置控制原理圖 步進式伺服系統(tǒng)主要由步進 電動機 和步進 電動機 驅動控制電路兩部分組成，其結構如圖 示。其功能為將具有一定頻率 f、 換成控制步進 電動機 各相定子繞組通電、斷電的電平信號變化頻率、變化次數(shù)和通電順序。 圖 進式伺服系統(tǒng)結構圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 20 - 其驅動 控制電路包括以下五部分： （ 1）脈沖混合電路。 功能是將插補器運算輸出的進給脈沖、手動進給脈沖、齒隙進給脈沖以及回原點脈沖，混合歸并為使步進電動機正向轉動的進給脈沖和反向轉動的反向進給脈沖。 （ 2）加減脈沖分配電路。 其功能是根據(jù)步進電機的原轉向和可逆計數(shù)器的存數(shù)狀態(tài)，將正向和反向進給脈沖作加法計數(shù)或減法計數(shù)后，再決定進給脈沖進入可逆計數(shù)器。若步進電動機正轉，則 輸入正向脈沖，若反轉則輸入反向進給脈沖，不管可逆計數(shù)器是否全為零，均作加法計算，當可逆計數(shù)器非全零時步進電機正轉，輸入反向進給脈沖；步進電機反轉，輸 人正向進給脈沖，均作減法計算。 （ 3）加減速電路。 根據(jù)步進電動機的加減特性，要求進入步進電機定子繞組的電平信號的頻率變化要平滑，而且應具有一定的時間常數(shù)，但各進給脈沖頻率的變化是躍變的，因此，首先應對躍變頻率 進行緩沖，再進入步進電動機繞組，以保證步進電動機可靠、正常工作。 （ 4）環(huán)形分配器。功能是將數(shù)控裝置送來的一串進給脈沖按一定的規(guī)律分成若干路去控制步進電動機的幾個繞組，使其正向轉動和反向轉動。 （ 5）功率放大器。從環(huán)形分配器送來的電流只有幾毫安，步進電動機的定子繞組需要幾安到幾十安的勵磁電流，其功能就 是進行電流放大和功率放大。 在步進式伺服系統(tǒng)中，驅動控制線路將輸入的進給脈沖數(shù)量 N、頻率 動機 ，再 經(jīng) 帶輪傳動、 絲杠傳動轉換為移動部件的位移量、進給速度和進給方向，用以滿足雕刻機伺服系統(tǒng)對位移控制的要求。 其 控制過程如下 : (1)移動部件位移量控制過程 進給脈沖數(shù)量 N 定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù) N 步進 電動機 轉角 工件 的位移量 L 。 (2)移動部件進給速度控制過程 進給脈沖的頻率 f 步進 電 機 轉角 =N 移動部件的進給速度 v = /t。 (3)移 動部件運動方向控制過程 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 21 - 改變步進 電動機 定子繞組的通電順序可使步進 電動機 正轉和反轉，從而改變移動部件的移動方向 的 進給脈沖 。 4 傳感器選型方案 傳感器是一種以一定的精確度將被測量轉換為與之有確定對應關系的、易于精確處理和測量的某種物理量的測量部件或裝置。用傳感器來確定雕刻機 X 、Y 、 Z 向的絕對零點坐標 ?？蛇x用二值型無接點型傳感器，二值就是 1（開）和 O（關），工作原理如圖 示。如果傳感器的輸入量達到某個值以上，輸出為 1，反之輸出為 O。這個臨界的某值就是開關的設定點 。 圖 值型傳感器的工作原理 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 22 - 第三章 廣告型 三維機械雕刻機 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。 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 表 械設計參數(shù)表 項目 參數(shù) 單位 主軸最高轉速 n=20000 r/大進給速度 3600mm/作臺部件總重量 40W 臺 件最大重量 20W 件 作臺總行程 (Y) L 300臺 車部件總重量 W 10車 車總行程 (X) L 500車 軸總行程 (Z) L 60軸 位精度 25 m 脈沖當量 用壽命 20000 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 - 23 - 削力、切削扭矩和切削功率計算 廣告型 三維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