數(shù)控雕刻機開題報告

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1、 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 課題名稱： 數(shù) 控雕刻機設計 學院（系）： 年級專業(yè)： 08級機電3班 學生姓名： 指導教師： 完成日期： 數(shù)控雕刻機設計 一、 數(shù)控雕刻機概述 數(shù)控雕刻機是數(shù)控技術和雕刻工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專用的數(shù)控機床。與通用的數(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、

2、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、高精度的有效率手段，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。 根據(jù)研究對象和應用領域的不同，數(shù)控雕刻機可以分為模具雕刻機、木工雕刻機、廣告雕刻機、激光雕刻機等多種類型。他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體要求較高，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塑膠板或有機玻璃等費金屬材料，

3、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(qū)動控制的類型不同，數(shù)控雕刻機又可以分為步進驅(qū)動雕刻機和伺服驅(qū)動雕刻機。步進驅(qū)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(qū)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，還可以根據(jù)運動坐標控制的聯(lián)動軸數(shù)

4、，將數(shù)控雕刻機分為三坐標數(shù)控雕刻機、五坐標雕刻機等。三坐標數(shù)控雕刻機可以控制三個坐標聯(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,Z三個移動軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸，用來完成復雜形狀零件的雕刻加工。 二、我國數(shù)控雕刻機發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 雕刻機是由數(shù)控龍門銑床轉(zhuǎn)型而來的，但近幾年來在在我國發(fā)展非常迅速，相對于手工雕刻來說它是科技發(fā)展的一次質(zhì)變，它的出現(xiàn)給人們帶來了巨大的方便，也給我們在工業(yè)上的的發(fā)展帶來了很大的變化。它的運用，大量節(jié)省了企業(yè)在產(chǎn)品制作上的時間，提高了雕刻工藝及工作效率，并且現(xiàn)在很多行業(yè)都受益于雕刻機。2003年是雕刻機在國內(nèi)受到廣泛關注的一年，那時候才陸續(xù)的有廠家

5、轉(zhuǎn)身雕刻機行業(yè)。而如今，經(jīng)過不足10年的發(fā)展，雕刻機已經(jīng)被廣泛運用于各行各業(yè)之中?！? 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)展機遇，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，進過十多年的發(fā)展，已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、北京槽雕公司生產(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。上述各類雕刻機機床本體結(jié)構(gòu)比較簡單，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(qū)動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機的性價比高，適用

6、于精度不太高的普及應用場合。對高精度雕刻加工，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度好、精度高，采用伺服電機驅(qū)動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全，可靠性高，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。 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、機電技術、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(jié)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)私服方向發(fā)展，通過反饋調(diào)整做到誤差

7、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(qū)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為單片機等的發(fā)展，驅(qū)動電機性能提高，刀具性能提高，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)值化、網(wǎng)路化的方向發(fā)展。 三、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 1、本課題的主要研究內(nèi)容 1）數(shù)控雕刻機的總體設計，包括總體結(jié)構(gòu)設計，運動方案、進給運動方案、道具方案等設計； 2）數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設計

8、計算，包括主運動系統(tǒng)的設計計算、進給運動系統(tǒng)的設計計算等； 3）數(shù)控雕刻機步進電機的選擇； 4）用三維設計軟件設計有關零部件，并進行裝配，生成二維圖； 5）基于三維軟件的數(shù)控雕刻機的運動仿真。 2、擬解決的主要問題： 1）首先是結(jié)構(gòu)形式的確定，選擇合理的形式和尺寸。數(shù)控雕刻機的設計重要的是在滿足設計要求的前提下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最簡化、重量的最輕巧，因此設計的剛度、強度和穩(wěn)定性計算是設計研究的主要問題。 2）運行機構(gòu)的設計中驅(qū)動方式、驅(qū)動輪的位置和輪距、電機制動器等的布置形式也是研究的重要方面，直接影響到數(shù)控雕刻機的性能。 3）數(shù)控雕刻機裝配圖及其關鍵零件的繪制和運動仿真。 四、研

9、究思路和方法 1、根據(jù)設計要求和原始資料進行初步的計算：查找相關資料并閱讀，并最終確定結(jié)構(gòu)方案； 2、設計并計算數(shù)控雕刻機機械部分的主要零部件，如傳動部件、支撐部件、控制電機等。 3、利用Solidworks、Caxa軟件繪制雕刻機的裝配圖以及重要零件圖； 4、利用三維設計軟件進行運動仿真； 五、設計方案 1、雕刻機總體布局的基本要求有一下幾點： 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(gòu)，提高傳動精度和傳動效率； 3）、確保雕

10、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(diào)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(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 2、數(shù)控雕刻機基本機械結(jié)構(gòu)設計 考慮到降低雕刻機的制造成本,我們采用了結(jié)構(gòu)簡單且剛性較好的龍門式布局,如下圖圖所示。主要結(jié)構(gòu)有底座、導軌、龍門架、工作臺和主軸組件等部分。2塊厚的L形鋁板底部與y軸滑塊固定作為立柱,2塊鋁板的上部也用鋁板連接起到穩(wěn)定作用。y 軸圓柱導軌的兩端分別安裝在底部前板和底部后板的安裝孔中,起到支撐龍門架與y軸導向作用。X軸圓柱導軌安裝在兩立柱上的安裝孔中

11、,起到橫梁支撐與X軸導向作用。X 軸滑塊連接Z軸上下板,與Z軸圓柱導軌及Z 軸滑塊一起構(gòu)成Z 軸機構(gòu)。各軸的進給運動均采用步進電動機驅(qū)動滾珠絲杠副的方式。 3、雕刻機運動分配 工作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他結(jié)構(gòu)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，一般應注意一下幾點： 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

12、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，還應該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： 這兩種布局都采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，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(diào)整方便。

13、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。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(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)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。 4、坐標系的確定 雕刻機的坐標采用右手法則，直角卡迪爾坐標系統(tǒng)。基本坐標軸為X、Y、Z直角坐標，

14、對相應每一個旋轉(zhuǎn)運動符號為A、B、C，如下圖所示。Z軸為平行于雕刻機主軸的坐標軸，垂直于工件裝夾面。 5、三維雕刻機的機械機構(gòu) 該三維雕刻機的機械幾何結(jié)構(gòu)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，工作臺作為雕刻機承載雕刻物體的部分，表面有工形溝槽，由絲杠驅(qū)動； 3）、橫梁部分 橫梁有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(qū)動機頭動，容量彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和仿真中是重要的分析對象； 4）、機頭部分

15、 機頭部分由主軸組件，z方向的絲杠和導軌，以及支架組成。絲杠驅(qū)動主軸的上下運動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻機的高速旋轉(zhuǎn)運動。 6、機械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模與簡化 雕刻機機械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模主要在SolidWorks中進行,這樣可以很方便地根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對模型進行修改。通常在有限元分析前,還需要對模型進行適當?shù)暮喕?。這是因為當零件或裝配設計本身較為復雜時,建立的模型就包含很多細節(jié),在分析結(jié)構(gòu)的不同特性時,某些細節(jié)并不需要考慮。如果不進行簡化,對這些細節(jié)也進行分析計算,會導致分析計算量大而占用太大的存儲空間或增加計算中出錯的幾率。另外,由于分析結(jié)果中這些細節(jié)部位的變形量和應力較大,使

16、得某些部位的變形量顯示不出來,掩蓋了真正要關心問題。因此,對要分析的模型進行適當?shù)暮喕莾?yōu)化過程中的重要一步。模型的簡化方案應建立在仿真分析內(nèi)容的基礎上,不同的問題簡化的內(nèi)容應有所不同。 六、進度計劃 1-3周 理解課題、搜集資料、制作PPT 4周 完成文獻綜述、開題報告、準備節(jié)點考核 5-9周 確定數(shù)控雕刻機結(jié)構(gòu)方案，計算結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成結(jié)構(gòu)設計草圖 10周 制作中期匯報PPT，準備中期考核 11-13周 進行數(shù)控雕刻機三維實體設計，造型，仿真模擬 14-15周 電機選型，結(jié)構(gòu)強度校核，系統(tǒng)工程圖繪制 16-17周 撰寫論文，翻譯外文資料；制作PPT，準備

17、答辯 七、主要參考文獻 [1] 《機械設計手冊》編委會，北京：機械工業(yè)出版社，2004； [2] 趙松年，張奇鵬，機電一體化機械系統(tǒng)設計，北京：機械工業(yè)出版社，1996； [3] 趙松年，戴志義，機電一體化數(shù)控系統(tǒng)設計，北京：機械工業(yè)出版社，1994； [4] 宋天麟，數(shù)控機床及其應用與維修，東南大學出版社，2003； [5]劉雄偉，數(shù)控加工理論與編程技術-2，北京：機械工業(yè)出版社，1994； [6]譚建成，機電控制專用集成電路，北京：機械工業(yè)出版社，2002； [7] 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； [8] 王愛玲，現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與

18、設計，兵器工業(yè)出版社，1994； [9] 蔡厚道等，數(shù)控機床構(gòu)造，北京理工大學出版社，2007； [10] 文懷興，數(shù)控銑床設計，化學工業(yè)出版社，2001； [11] 劉仁家等，機械設計常用元器件手冊，北京：機械工業(yè)出版社，1994 [12] 許立忠，機械設計，中國標準出版社，第一版； [13] 王先逵，機械制造工藝學，北京：機械工業(yè)出版社，第二版； [14] H odd D. Morton. Embedded Microcontrollers. Pearson Education North Asia Limited，2001； [15] Geg Paul，New Proces

19、sors Transform control，Mechanical Engineering，1997.4。 八、指導教師意見 指導教師簽字： 年 月 日 九、系級教學單位審核意見： 審查結(jié)果： □ 通過 □ 完善后通過 □ 未通過 負責人簽字： 年 月 日 說明： 1.開題報告版面設置為：B5紙，上下頁邊距分別為2.5cm和2cm，左右頁邊距分別為2.4cm和2cm。 2.開題報告正文標題及內(nèi)容，宋體，小四號，行間距為固定值20磅。