下載論文就送你全套CAD圖紙，Q咨詢414951605或1304139763下載論文就送你全套CAD圖紙，Q咨詢414951605或1304139763摘要隨著微電子技術和微型計算機的飛速發(fā)展，數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的選擇，以及“三維雕刻”插補法的選擇，分析和實現過程，實現雕刻系統的初步優(yōu)化。本課題是在參考現有雕刻機的基礎上，設計一種機構尺寸比較大的數控雕刻機，適應比較大的工藝品的雕刻加工。關鍵字雕刻機，數控系統，機電一體化，三維，插補法ABSTRACTIIABSTRACTALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFMICROELECTRONICSTECHNOLOGYANDMICROCOMPUTERTECHNOLOGY，NCCARERWILLBEWIDELYUSEDTHESETECHNOLOGIESAREWIDELYUSEDINMECHATRONICS,INCLUDINGMECHANISM,MICROELECTRONICS，AUTOCONTROL,INFORMATION,SENSORANDTEST,POWERANDELECTRON,INTERFACE,SIGNALTRANSFORM,SOFTWAREPROGRAMONTHEOTHERHAND,MECHATRONICSMAKESTHESETECHNOLOGIESINTEGRATEDCLOSELYITISTHEPRIMARYTRENDOFTHEDEVELOPMENTOFMECHANICALINDUSTRIALTECHNOLOGYANDPRODUCTSINTHEWORLDNOWADAYS3DMECHANICALENGRAVINGPLOTTERISATYPICALMECHATRONICPRODUCTITHASALARGERMARKETPROSPECTINTHEADVERTISINGINDUSTRYTHETHESISINBRIEFINTRODUCESTHEGENESISANDDEVELOPMENTALSTATUSQUOTEOFENGRAVINGPLOTTER,ANALYSESCHARACTERISTICSOFINLANDANDOVERSEASPLOTTERS，ANDEXPLAINSITSFUNCTIONANDUSERANGEWEANALYZETHEOVERALLARRANGEMENTSANDFRAMEWORK，THEMOVEMENTMODEOFNUMERICALCONTROLSYSTEM，THESELECTOFMAINMOVEMENTSYSTEMANDFEEDMOVEMENTSYSTEMETCASWELLASWESELECTANDANALYZEANDREALIZETHEPROCESSOF3DENGRAVEINTERPOLATIONARITHMETICOPTIMIZED3DMECHANICALENGRAVINGSYSTEMISREALIZEDTHISTOPICISBASEDONTHEEXISTINGENGRAVINGMACHINETODESIGNACNCENGRAVINGMACHINESWITHALARGEBODYSIZE,WHICHADAPTEDTOTHERELATIVELYLARGECARVINGHANDICRAFTPROCESSINGKEYWORDSENGRAVINGPLOTTER,NUMERICALCONTROLSYSTEM,MECHATRONICS,3D，ANDINTERPOLATIONARITHMETIC目錄III目錄摘要IABSTRACTII目錄III第一章引言111雕刻機概述1111雕刻機起源112數控雕刻機及其發(fā)展現狀1121數控雕刻機1122研制雕刻機的目的和意義3123數控雕刻機的特點3124數控雕刻機的應用領域4125我國數控雕刻機的發(fā)展現狀4第二章雕刻機的機械結構521雕刻機的工作原理522整體結構6221雕刻機總體布局的基本要求6222影響雕刻機布局的基本因素6223坐標系的確定8224三維雕刻機的機械結構823進給系統924主軸組件12第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計1431設計參數的確定1432切削力、切削扭矩和切削功率計算14321銑削力、扭矩和功率的計算15322鉆削力、扭矩和功率的計算1633主運動系統的設計計算17331主運動系統傳動鏈的組成18332主軸電動機的設計計算1834進給運動系統的設計計算19341進給系統傳動鏈的組成20342滾珠絲杠副的設計計算20343工作臺進給電動機的設計計算23344工作臺直線導軌副的設計計算2535插補法25結論28總結28目錄IV數控雕刻機的發(fā)展展望28參考文獻29致謝30買文檔送全套圖紙扣扣414951605目錄V目錄VI目錄VII第一章引言11雕刻機概述111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，乃至很多產品的標識銘牌，可謂雕刻的使用范圍無處不在。雕刻機ENGRAVINGPLOTTER，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”生第一章引言2產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，從而使雕刻機產生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D25D3D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。12數控雕刻機及其發(fā)展現狀121數控雕刻機傳統雕刻加工業(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，克服了傳統手工雕刻存在的缺陷。根據控制原理的不同，雕刻機可分為仿形雕刻機和數控雕刻機采用CNC系統兩大類型。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。數控雕刻機是數控技術和雕刻工藝相結合的產物，是一種專用的數控機床。與通用數控機床類似，數控雕刻機通過數控系統根據程序代碼控制雕刻機動作，實現雕刻加工的自動化。較傳統的手工雕刻、仿形雕刻，數控雕刻具有生產效率高、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，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，數控雕刻機現已成為實現雕刻加工自動化、高效率、高精度的有效手段，第一章引言3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，對機床和數控系統的要求也各不相同。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，也是數控雕刻機與普通數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，還可根據運動坐標控制的聯動軸數，將數控雕刻機分為三坐標數控雕刻機、五坐標數控雕刻機等。三坐標數控雕刻機可以控制三個坐標軸聯動，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工五坐標數控雕刻機可以聯動控制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。122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產業(yè)和開發(fā)高技術含量的新產品，已成為當前機械工業(yè)以至各傳統產業(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。它從系統工程的觀點出發(fā)，使產品或系統實現整體優(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，以提高制造技術水第一章引言4平，實現生產系統向柔性化、智能化發(fā)展。機電一體化技術給傳統的機械工業(yè)帶來了革命性的變革和驚人的效益，使產業(yè)結構、生產方式和管理體制發(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。123數控雕刻機的特點數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控雕刻機自動完成的。2、產品的尺寸精度高，一致性好。數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。124數控雕刻機的應用領域數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，能用于雕刻的材料越來越多，使得計算機數控雕刻機有了更大的用武之地。因此，計算機數控雕刻機的應用范圍還將不斷擴大。第一章引言5125我國數控雕刻機的發(fā)展現狀隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，數控雕刻機產業(yè)也獲得了良好的發(fā)機遇有效地促進了我國數控雕刻機的生產和推廣應用。我國的數控雕刻機起步經濟型數控機床，隨著數控技術的進步，經過十多年的發(fā)展，己形成了多個國品牌的雕刻機，如上海洛克公司生產的啄木鳥數控雕刻機、北京糟雕公司生產精雕數控雕刻機和南京科能公司生產的威克數控雕刻機等。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的數控系統，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控雕刻機為主，如意大利的左日本的全量等品牌的數控雕刻機。這類數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，控制系統功能全、可靠性，但價格昂貴往往倍于國產產品，因此主要應用于模具等高精度加工場合第二章雕刻機的機械結構6第二章雕刻機的機械結構21雕刻機的工作原理計算機數控雕刻機實際是一個三維數控系統，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接口或其他數據傳輸接口將刀具路徑數據傳輸給單片機，數控系統接收刀具路徑數據，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，實現雕刻自動化加工。第二章雕刻機的機械結構722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。下面對數控雕刻機的機械結構作詳細介紹。221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、生產率和經濟性等等各種要求2、確保實現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。222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第二章雕刻機的機械結構8同，也將使雕刻機的布局出現變化。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22雕刻機的布局簡圖圖22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，第二章雕刻機的機械結構9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控雕刻機的設計參數，可采用布局2的方案。223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?；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23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23圖23右手坐標系統224三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、橫梁部分第二章雕刻機的機械結構10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23進給系統進給系統由伺服驅動電路、伺服驅動裝置、機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數控系統發(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)行部件實現工作進給和快速運動。數控系統的伺服進給系統與一般機床的進給系統有本質上的區(qū)別，它能根據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，實現雕刻寬度如下圖所示圖24雕刻機X方向進給圖第二章雕刻機的機械結構112工作臺沿Y方向的絲杠前后運動，實現雕刻長度,如下圖所示圖25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。絲杠一端通過聯軸器與電機軸相聯，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。指令脈沖數就是電動機的轉動步數，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)出具體的脈沖數量，從而得到需要輸出的角度。2、無極調速功能可根據發(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第二章雕刻機的機械結構12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26所示圖26絲杠與電機軸的連接剛性聯軸器用于絲桿與電機的聯接，可提高兩軸頭連接的固定精度，如圖26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。第二章雕刻機的機械結構13Z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。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27所示圖27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。24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，實現刀具的切削運動。自20世紀80年代以來，數控機床、加工中心主軸向高速化發(fā)展。高速數第二章雕刻機的機械結構14控機床主傳動機構已經得到極大的簡化，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，因而在現代數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20000RMIN,所以應用電主軸。第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計15第三章三坐標數控雕刻機的機械系統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。31設計參數的確定由課題所給的設計參數，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，如表31所示。表31機械設計參數表項目參數單位主軸最高轉速N20000R/MIN最大進給速度360FVMM/MIN工作臺總行程Y800MM主軸總行程X800MM主軸總行程Z100MM定位精度25M脈沖當量001MM使用壽命20HLHRS32切削力、切削扭矩和切削功率計算三坐標數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，06,2DMZ03DM分別進行切削力、切削扭矩和切削功率的計算。第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計16根據三維機械雕刻機的加工范圍和使用功能及在實際生產過程中不同的切削方式所使用時間的分配，經過統計，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。321銑削力、扭矩和功率的計算通過查閱孟少農主編的機械加工工藝手冊，得到表32左側的經驗公式，代入已知參數進行簡化，可得到僅與切削深度、進給速度和銑刀轉速PAFVN有關的計算公式填入表32右側。表32銑削力、扭矩和功率計算公式的簡化計算公式和參數選定計算結果銑削力0FFZXYUPFWFQCZZKNADN0756242ZPFFAVNN銑削扭矩Z0M2MZM30M（）銑削功率ZM4FVPKW6107MZP14FNKW（）其中銑削寬度C1,75,8,073,025FFFFFFXYUQK。，銑削深度,進給速度，銑削速度AWAP/INFFVAZ，銑刀外徑MM,每齒進給量MM/Z，Z0/INVDNM0DF銑刀齒數，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PFV下表33所示。表33銑削力、扭矩和功率的計算參數計算結果切削方式工作時間百分比TPAFVN絲ZFMMP第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計17強力切削1025120900030137000410039一般切削301120015000300224500430106精細切削500524002000060015800047500992快速進給103600900000其中絲杠轉速，預選絲杠導程N絲F/MINHNVPR絲4HPM銑削深度（MM），進給速度（MM/MIN），N銑刀轉速（R/MIN），PAFV銑削力（N），M銑削扭矩（NM），銑削功率（KW）。ZFM322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FV速N有關的計算公式，如下表34所示。表34鉆削力、扭矩和功率的計算公式的簡化計算公式和參數選定計算結果鉆削力FYZ0DFZCKN07F45/ZFVNN（）鉆削扭矩MYFMZ08M6/MFV（）鉆削功率M0VPKW3DMP012NKWFV（）其中（加工鋁6,1,7,035,2,8,5FFMMFMCZYCZYK合金）。進給速度,鉆削速度，鉆/MINFNV0/1/INVDN0D第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計18頭外徑（MM），F進給量（MM/R），N鉆頭轉速（R/MIN）。將進給速度和FV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35，由于鉆削功率的計算結果較小，忽略不計。表35鉆削力、扭矩和功率的計算參數計算結果切削方式工作時間百分比TFVN絲ZFMMP強力切削1030090007541610045一般切削304801500012040440044精細切削506002000015038650042快速進給10900225000其中絲杠轉速，預選絲杠導程，N絲F/MINHNVPR絲4HPM進給速度MM/MIN,鉆削轉速R/MIN,鉆削力N,M鉆削扭矩FVZFNM,鉆削功率KW。MP33主運動系統的設計計算本節(jié)主要設計主運動系統中的電主軸，以確定它們的型號和參數。數控機床的主傳動系統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，并實現無級變速。數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。第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計192具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。數控機床加工精度的提高，與主運動系統的剛度密切相關。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。機床在切削加工中主傳動系統的發(fā)熱使其中所有零部件產生熱變形，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。331主運動系統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3000RMIN的主軸，采用異步電動機軸通過聯合器直接驅動主軸，機床可通過改變電動機磁極對數來實現變速；轉速小于8000RMIN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，332主軸電動機的設計計算根據前面兩節(jié)的計算結果，取一定的安全系數，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36所示。表36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選定計算結果第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計201轉矩計算0MNM0IMIAX查表33和表35，取I2取較大值得到M00095取整額定轉矩01EM2功率計算0PKW0IPAX查表33和表35,取大值得到取整016額定功率012EP根據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的型號為DD58Z24/08的電主軸。如下表所示轉速電機外型尺寸軸承型號主軸型號SPEEDMOTORDIMENSDIONSMM潤滑SDPINGDLETYPER/MINKWVAH2DD1軸端連接LL1L2LUBBEARINGSDTYPEDD58Z24/082400008220234005844ER111972318油脂前B7002C/P4后6001C/P534進給運動系統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，來滿足在機械加工過程中的各種切削加工要求。第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計21341進給系統傳動鏈的組成從前面所述，我們知道步進電動機通過聯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342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38所示。表38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選定計算結果1確定滾珠絲杠導程HPMM電動機與絲杠11傳動HP43預期額定動載荷AMCN1按預期工作時間估算3MWAMHACFFC60NL1查表9,輕微沖擊查表7,按7級AF8查表8,可靠性97C04查表31得，2HL2擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大負載計算MAXFAECF查表10，輕預載EF671AMC27602AMC653取兩種結果的大值A27041確定允許的最小螺紋底徑估算允許得最M第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計222大軸向變形量估算最小螺紋底徑2MDMM1345M重復定位精度定位精度02078LMMFLDFGWH臺夾件采用一端固定，一端游動15行程P62MM取兩種結果的小值023816MLFD5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2,HAMPCD在樣本中選取滾珠絲杠副FFZDFFZD1604322480135AAMCD6確定滾珠絲杠副的預緊力PFNMAXA213845PFPF7123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MAXBFNMAX1MAXBF固定端背對背角接觸球軸5承，游動端深溝球軸承PMAX3B預加載荷FMAX9745BF軸承內徑D10軸承預緊力P8245B固定端7000C游動端610030BPF第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計238行程補償值CM3KN21802L654CUAHTLPT式中其中，溫差38012UC9123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SL10LMMMMMMMM216SUEELL查表得查樣本中螺母安裝連接尺寸如工作圖所示40S13850L1012傳動系統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MINSKAXSBOKBKC/N/NM2MIN122AX0654SSDKL325QMAXAX68SIND4,15BODZFFQ是預加載荷的倍查樣本查出70C軸承一端固定，一端游動查表得BBOK130/4C378,CPACAPF查樣本，得，MINAX80341SKMAX903BOK32B10CK11剛度驗算及精度選擇第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計2412345（6）（7）計算MIN1K計算AX靜摩擦力驗算傳動剛度傳動系統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MIN1KAX0FMINKUPV/N/N/MMININ11SBCKKAXAXSC0MIN0IN162FK重復定位精度0MINAX1K08UPKV對于開環(huán)系統而言定位精度MIN1235AX01FMIN29K04K1968UPVFFZD16033P4/48541012驗算臨界壓縮載荷FCN12MAX/3,50845CKLFMAXF1807C13驗算臨界轉速CNRPM72210FCCDNLAXM6390CCN14驗算NDMAXNPWD14400J4603第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計263最大加速轉矩AMTNCMAX2A603,T2ANTJ取81AMT4連續(xù)工作最大轉矩MMFPIT查樣本額定轉矩13535M5最大啟動轉矩RTCRAM查樣本最大轉矩801980RT344工作臺直線導軌副的設計計算表310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選定計算結果1初選直線導軌副的型號HTSD15NAA2擬定滑塊數M單根導軌兩滑塊M43負載計算RN1121W4HYXFZRLF滿足要求4摩擦力FNPF5壽命計算NIH32NSHTCWLIFP滿足要求35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。第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計27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)數控系統。傳統的脈沖增量插補是用硬件來實現的。現代數控系統的插補功能一般用軟件來實現的，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，傳統走法是一個坐標插補時，如圖45（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31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，要實現三坐標控制三坐標聯動，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31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,SSPXYZEEPXYZESX,并設。ESYEZZKZYK0Z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46所示，為直線上I個點，為直線上第,IIPXYZ11,IIIPXYZI1個點，其中，1IIX,1YZIIIZYKXK第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計28,11IIXZIIIXZZKYK,RPY1,IRA,IXZB1,IRRYC,ID圖321,1IRXZ設所對應的空間網格點的坐標,是由,經圓整IP,1,IIRPXYZIRIZIYZ理出來的由BRESENHAM算法可知道,如果令05,051III1III則有10RIY,1I,1IY01,10RIZ,1I,1I02,Y由表達式21可知,一定為圖55中點A,B,C,D中的一個。11,IIIPXYZ有計算的公式可知05052IYIRIY,11IYXKRI,1當0時，051112IR,YX1IYYXK當0時，053II,1I,05052ZRIZ,1ZZXK,Y當0時，0511I2I1IRI,1IZZXK當0時，0542ZX,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。第三章三坐標數控雕刻機的機械系統的設計29結論總結1數控雕刻機技術廣泛應用于模