1、毕业设计说明书毕业设计说明书微型雕刻机总体及数控系统选用设计摘 要 : 随 着 微 电 子 技 术 和 微 型 计 算 机 的 飞 速 发 展 , 微 型 雕 刻 机 的 应 用 越 来 越 广 泛 。机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术,并将这些技术有机的结合成一体,它是当今世界机械 工 业 技 术 和 产 品 发 展 的 主 要 趋 势 。 本 文 调 查 研 究 了 雕 刻 机 的 发 展 , 介 绍 台 式 数 控 龙 门 雕 刻 机 X 的 设 计 过 程 , 包 括机 床 总 体 方 案 设 计 、 主 传 动 系
2、统 设 计 和 X 向 进 给 传 动 系 统 的 机 械 结 构 设 计 。 X 向 进给 传 动 系 统 中 主 要 分 析 了 丝 杠 的 安 装 , 以 及 相 关 固 定 和 支 承 。 计 算 主 要 有 两 个 方面 : 对 滚 珠 丝 杠 和 X 轴 电 机 的 选 择 计 算 和 校 核 。 此 外 , 我 还 进 行 了 数 控 系 统 的 选择 , 数 控 系 统 是 机 床 自 动 化 的 重 要 组 成 部 分 ,其 性 能 直 接 影 响 到 加 工 的 精 度 、 效 率 及生 产 企 业 的 效 益 。 本 文 详 细 介 绍 了 数 控 系 统 及 驱 动 单
3、 元 的 原 理 及 其 优 缺 点,如 何 选 择性 价 比 最 好 、 最 合 适 的 数 控 系 统 及 驱 动 单 元 。本课题是在参考现有雕刻机的基础上,设计一种机构尺寸比较简单的数控雕刻机,适用性比较大的工艺品的雕刻加工。关 键 字 : 雕 刻 机 , 数 控 系 统 , 机 电 一 体 化 , X 轴 , 插 补 法盐城工学院本科生毕业设计说明书 20112Miniature engraving machine overall and selection design of CNC systemAbstract:Along with the development of micr
4、o-electronics technology and microcomputer technology,miniature engraving machine 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
5、. On the other hand, mechatronics maked these technologies integrated closely. It is the primary trend of the development of mechanical industrial technology and products in the world nowadays. The development of the CNC engraving machine and the meaning of the electric spindle to the NC machine was
6、 investigated about this thesis. The process of design for the X axle in Desk-work CNC engraving and milling machine was introduced, including the design project of the machine, the design of the mechanical structures of the feeding mechanism of X axis. In the section of the feeding machine of X axi
7、s , the assembly of the straight guide-way and the bearing of the ball screw and so forth was presented .The calculation mainly includes two aspects: choosing and verifying the servo-motor of X axis. At last,In addition, I also had the choice of numerical control system CNC system is an important co
8、mponent of machine tool automation,and the capacity directly affected the machining accuracy,efficiency and the benefit of the production enterprise.The principle and advantage/disadvantage of CNC system and driver unit were introduced.How to select the highest price ratio and most appropriate CNC s
9、ystem and driver unit was also described.This topic is based on the existing engraving machine to design a CNC engraving machines with a simple size, which adapted to the relatively large carving handicraft processing.Keywords: Engraving plotter, numerical control system, mechatronics, X axis,and in
10、terpolation arithmetic.盐城工学院本科生毕业设计说明书 20113目录1 引言 .11.1 雕刻机概述 .11. 1. 1 雕刻机起源 .11.2 数控雕刻机及其发展现状 .11.2.1 数控雕刻机 .11.2.2 研制雕刻机的目的和意义 .21.2.3 数控雕刻机的特点 .21.2.4 数控雕刻机的应用领域 .21.2.5 我国数控雕刻机的发展现状 .31.2.6 主要设计任务.32 雕刻机的机械结构 .42.1 雕刻机的工作原理 .42.2 整体结构 .42.2.1 雕刻机总体布局的基本要求 .42.2.2 影响雕刻机布局的基本因素 .62.2.3 坐标系的确定 .6
11、2.2.4 三维雕刻机的机械结构 .62.3 进给系统 .72.5 典型零件工艺分析 .103 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 .123.1 设计参数的确定 .123.2 切削力、切削扭矩和切削功率计算 .12盐城工学院本科生毕业设计说明书 201143.2.1 铣削力、扭矩和功率的计算 .133.2.2 钻削力、扭矩和功率的计算 .143.3 主运动系统的设计计算 .153.3.1 主轴组件.153.3.2 主运动系统传动链的组成. 163.3.3 主轴电动机的设计计算 .163.4 进给运动系统的设计计算 .173.4.1 进给系统传动链的组成 .173.4.2 滚珠丝杠副的设计计算 .
12、173.4.3 工作台进给电动机的设计计算 .213.4.4 工作台直线导轨副的设计计算 .224 数控系统的选用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.1 NC 选型 .234.2 插补法 .364.3 控制程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
13、85 总结 .41参考文献 .42致 谢 .43附 录 .44盐城工学院本科生毕业设计说明书 201151.引言1.1 雕刻机概述1. 1. 1 雕刻机起源 雕刻可以追溯到远古时期,母系氏族时期的半坡氏族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏形。在我国北宋时期便发明了活字印刷, 梦溪笔谈有记:“其法用胶泥刻字,薄为钱唇,每字为一印,火烧令坚一” 。这里的刻字应属于雕刻的范畴。随着时代的发展,我国的雕刻艺术日益精深,玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝。上世纪 90 年代至今,机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机,刻章机再到三维雕刻机,制作工艺也日渐成熟,应用范围也日渐广泛。
14、大到楼房建筑的装饰,小到商店门前的招牌,乃至很多产品的标识铭牌,可谓雕刻的使用范围无处不在。雕刻机(Engraving Plotter),顾名思义就是用机器代替人工进行雕刻的设备。1938 年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世,1950 年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。20 世纪 90 年代,随着微电子技术的突飞猛进,直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展,从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从 2D-2.5D-3D 加工的变革,功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕
15、刻机研制的基本要求。1.2 数控雕刻机及其发展现状1.2.1 数控雕刻机数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物,是一种专用的数控机床。与通用数控机床类似,数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作,实现雕刻加工的自动化。较传统的手工雕刻、仿形雕刻,数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势;同时,借助于专用的雕刻 CAD/CAM 软件系统,加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此,数控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段,也是当今雕刻机的发展主盐城工学院本科生毕业设计说明书 20112流,广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑
16、装演等众多领域。对象和应用领域的不同,数控雕刻机可分为模具雕刻机、木工雕刻机、广告雕刻机、激光雕刻机等多种类型。它们的加工性能要求出入很大,对机床和数控系统的要求也各不相同。如模具雕刻机的加工材料为金属,所以对机床本体的刚性要求较高,而且其加工对象是模具,所以对加工系统的精度要求高;而广告机加工的是一般是塑胶板或有机玻璃等非金属材料,所以对机床刚性和加工系统的精度都没有很高要求。但各类雕刻机都有一个共同的特点,也是数控雕刻机与普通数控机床的一个显著区别,就是由于雕刻刀的特殊性,每次切削的有效成形面积小,所以零件雕刻的刀具运动轨迹很长,加工时间往往也较长。因此,提高雕刻机的刀具运动速度对缩短零件
17、雕刻时间、提高加工效率具有特别重要的意义。按照伺服驱动控制的类型不同,数控雕刻机又可以分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机。步进驱动属于开环控制,控制精度较低,但价格便宜,适用于对加工要求不高的中低档雕刻机,如木工、广告业的雕刻加工。伺服驱动控制精度高,但价格较贵,主要用于模具加工等高精度雕刻机。此外,还可根据运动坐标控制的联动轴数,将数控雕刻机分为三坐标数控雕刻机、五坐标数控雕刻机等。三坐标数控雕刻机可以控制三个坐标轴联动,完成浮雕等常规雕刻加工;五坐标数控雕刻机可以联动控制 X,Y,Z 三个移动轴和两个旋转轴,用来完成复杂形状零件的雕刻加工。1.2.2 研制雕刻机的目的和意义机电一体化技术是
18、机械技术和电子技术的有机结合,它包括机械、电子、计算机和自动控制技术。它从系统工程的观点出发,使产品或系统实现整体优化。近年来,世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术,以提高制造技术水平,实现生产系统向柔性化、智能化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益,使产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势,也是我国机械工业发展的必由之路。1.2.3 数控雕刻机的特点数控雕刻机的主要特点如下:1、自动化程度高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。2、产品的尺寸精度高,一致性好。数控雕刻过程是由计算机控制完成,可以达到
19、很高的精度和表面质量:批量加工时,产品的一致性好,这对于小模具行业十分重要。3、拓展了雕刻领域。只需改变控制程序,数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面,支持各种刀具,改善了雕刻表面质量,提高了雕刻效率。4、数控雕刻机都有钻铣功能,可用于钻孔、切边、加工小模具,性价比高。盐城工学院本科生毕业设计说明书 201131.2.4 数控雕刻机的应用领域数控雕刻机的应用领域广泛,举例如下:1、广告及礼品制作业,用于雕刻各类双色板标牌、有机玻璃、三维广告牌、双色人物雕像、浮雕奖章、有机板浮雕、立体门头字等。2、模型制作业,制作沙盘模型、房屋模型等。3、模具制作业,雕刻纽扣浮雕模、印刷烫金模,注塑模、冲压
20、模、鞋模等。4、木器业,用于浮雕图案设计及制作。5、印刷电路板(PCB)新产品开发中的电路制作,钻孔、铣槽等。6、印章业,各类字体各类材料的印章雕刻。7、电火花加工机床电极雕刻加工。8、机械加工业,刻度盘字轮及标尺刻度。9、汽车工业、轮胎模具,车灯模具及装饰品模具加工。而且,随着各种新型装饰材料的不断出现,能用于雕刻的材料越来越多,使得计算机数控雕刻机有了更大的用武之地。因此,计算机数控雕刻机的应用范围还将不断扩大。1.2.5 我国数控雕刻机的发展现状随着近年来我国制造业的迅速发展,数控雕刻机产业也获得了良好的发机遇有效地促进了我国数控雕刻机的生产和推广应用。我国的数控雕刻机起步经济型数控机床
21、,随着数控技术的进步,经过十多年的发展,己形成了多个国品牌的雕刻机,如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京糟雕公司生产精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类型雕刻机机床本体结构较为简单,控制器大多借鉴国外新技术,采用基于高档的微控制或 PC 的数控系统,伺服部分以步进电机细分驱动为主,可获得中等控制精度,但价格比较便宜,因此整机的性价比较高,适用于精度要求不太高的普及应用场合对高精度的雕刻加工,目前我国尚以进口数控雕刻机为主,如意大利的左日本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚高度好、精度高,采用伺服电机驱动,加工精度高,控制系统功能全、可靠性,但价
22、格昂贵往往倍于国产产品,因此主要应用于模具等高精度加工场合。1.2.6 主要任务设计一台微型雕刻机,用于工程应用,雕刻机具有三个自由度方向的运动。其主要内容有:1. 设计微型雕刻机的总体方案。根据雕刻机的设计要求设计主轴结构,主要包括雕刻机主轴的传动和执行机构;2. 雕刻机零件的工艺分析;3. 绘制雕刻机的零件图;4. 数控系统选用及控制设计。本设计的设计依据有一下几方面:1. 课题来源:工程实践;2. 产品名称:微型雕刻机;3. 批量:一台;4. 雕刻机的设计定位精度0.01mm;5工作环境-10 oC50 oC;6. 电气控制部分的设计按相关国家标准进行设计;7. 数控系统推荐选用市场上比
23、较成熟的产品,能与设计的雕刻机巧妙结合。盐城工学院本科生毕业设计说明书 201142. 雕刻机的机械结构2.1 雕刻机的工作原理计算机数控雕刻机实际是一个三维数控系统,其工作原理如图所示图 2.1 数控雕刻机工作原理通用微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、文字的设计、排版,自动生成加工路径信息,通过 USB 接口或其他数据传输接口将刀具路径数据传输给单片机,数控系统接收刀具路径数据,完成显示、和用户交互等一系列功能后,用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息,控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服电机的信号(脉冲串),控制雕刻机 X,Y,Z 三轴的走刀。同时,进行铣削,即可雕刻出在
24、计算机上设计的各种平面或立体的图形文字,实现雕刻自动化加工。2.2 整体结构机械结构作为雕刻机的硬件部分,对雕刻机的加工过程、刻字效果等有着重要的影响。下面对数控雕刻机的机械结构作详细介绍。2.2.1 雕刻机总体布局的基本要求雕刻机总体布局的基本要求有以下几点:1、首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求;盐城工学院本科生毕业设计说明书 201152、确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济、合理的条件下,尽量采用较短的传动链,以简化机构,提高传动精度和传动效率;3、确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平;4、应便于
25、观察加工过程,便于操作、调整和维修,便于输送、装卸工件和清理,注意防护,确保安全;5、结构简单,合理可靠,便于加工和装配。2.2.2 影响雕刻机布局的基本因素在满足总体布局的基本要求的基础上,还应当考虑影响雕刻机布局的基本因素: 1、表面形成运动的影响不同形状的加工表面往往采用不同的刀具来加工,从而表面形成运动的形式和数目就不同,并导致布局的差异。相同形状的加工表面,由于工件的技术要求和生产率要求等不同,也可以采用不同的刀具、不同的表面形成运动来加工,从而形成不同的布局。由此可知,工件表面形成运动直接决定了雕刻机布局的形式,是影响雕刻机布局的决定性因素。因而,在布局雕刻机时,必须根据加工要求,
26、全面、综合地考虑工件的表面形成方法及运动,以期作出具有较好技术经济效果的布局设计。2、雕刻机运动分配的影响工件表面形成方法及运动相同,而雕刻机的运动分配不同,雕刻机的布局也会不同。对于同一种运动分配的布局,由于导轨的布置和其它结构形式的不同,也将使雕刻机的布局出现变化。在分配雕刻机运动时,一般应注意以下几点:1) 移动部件的重量应尽量轻。在其它条件相同的情况下,移动部件的重量越小,所需电机功率和传动件的尺寸也越小;2) 应有利于提高加工精度;3)应有利于提高雕刻机刚度,缩小占地面积;4)工件的尺寸重量和形状的影响;工件的表面形成运动及雕刻机部件的运动分配基本相同,而工件尺寸、重量和形状不同,雕
27、刻机的布局也会有很大差异。另外,还应考虑雕刻机性能要求的影响,如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性,操纵方便形的影响,模块化设计法的影响等。通过查阅相关的文献资料,雕刻机基本布局形式通常有下图所示的两种方案:图 2.2 雕刻机的布局简图盐城工学院本科生毕业设计说明书 20116图 2.2 雕刻机的布局形式这两种布局都采用龙门式框架结构,雕刻机的刚度均较高。布局(1)方案中,工作台固定,雕刻头作横向和上下移动,立柱作纵向移动。该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机。由于工作台不动,承载能力好,适合加工较重的工件。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时,支点高度相同,故支架支撑调整方便。但雕刻头运
28、动精度较难保证且立柱移动较笨重。布局(2)方案中,立柱固定,雕刻头作横向和上下移动,工作台作纵向移动。由于工作台移动,承载能力较布局(1)方案差。若设计所承载的工件较轻,这种布局方式所需电动机功率和传动件的尺寸较小,移动较轻便。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时,支点高度相同,故支架支撑调整方便,但支架结构较布局(1)方案略显复杂。该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证。经以上比较,充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三坐标数控雕刻机的设计参数,可采用布局(2)的方案。2.2.3 坐标系的确定雕刻机的坐标系采用右手法则,直角卡笛儿坐标系统。基本坐标轴为 X 、Y 、Z 直角坐标,对相应每一个旋转运动符号为 A 、B 、C ,如图 2. 3 所示。Z 轴为平行于雕刻机主轴的坐标轴,垂直于工件装夹面。图 2.3图 2.3 右 手 坐 标 系 统2.2.4 三维雕刻机的机械结构该三维雕刻机的机械几何结构,由以下几部分组成:1、底座部分