微型雕刻機總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計
微型雕刻機總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計,微型雕刻機總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計,微型,雕刻,總體,整體,數(shù)控系統(tǒng),選用,設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
課題： 微型雕刻機總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 生 姓 名
班 級
學(xué) 號
指 導(dǎo) 教 師
專 業(yè) 系 主 任
發(fā) 放 日 期 2011年2月20日
一、設(shè)計內(nèi)容
設(shè)計一臺微型雕刻機，用于工程應(yīng)用，雕刻機具有三個自由度方向的運動。其主要
內(nèi)容有：
1. 設(shè)計微型雕刻機的總體方案。根據(jù)雕刻機的設(shè)計要求設(shè)計主軸結(jié)構(gòu)，主要包括
雕刻機主軸的傳動和執(zhí)行機構(gòu)；
2. 雕刻機零件的工藝分析；；
3. 繪制雕刻機的零件圖；
4. 數(shù)控系統(tǒng)選用及控制設(shè)計。
二、設(shè)計依據(jù)
1. 課題來源：工程實踐；
2. 產(chǎn)品名稱：微型雕刻機；
3. 批量：一臺；
4. 雕刻機的設(shè)計定位精度±0.01mm；
5．工作環(huán)境-10 oC~50 oC；
6. 電氣控制部分的設(shè)計按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計；
7. 數(shù)控系統(tǒng)推薦選用市場上比較成熟的產(chǎn)品，能與設(shè)計的雕刻機巧妙結(jié)合。
三、設(shè)計要求
1. 撰寫開題報告；
2. 查閱文獻資料10篇以上，并有不少于3000漢字的外文資料翻譯；
3. 到相關(guān)單位進行畢業(yè)實習(xí)，撰寫不少于3000字的實習(xí)報告；
4. 設(shè)計的雕刻機能夠滿足雕刻機的位置精度和活動范圍要求，能夠較靈活地改變動作
要求；數(shù)控習(xí)題要求操作編程簡單，操作方便；
5. 機械、電氣設(shè)計圖樣的圖紙總量折合成A0幅面在2張以上，圖紙繪制應(yīng)依據(jù)國家
標(biāo)準(zhǔn)，需用計算機進行繪圖；
6. 編寫畢業(yè)設(shè)計說明書,說明書應(yīng)按相關(guān)要求進行編寫。
四、畢業(yè)設(shè)計物化成果的具體內(nèi)容及要求
1、畢業(yè)設(shè)計說明書 1 份
按教務(wù)處畢業(yè)設(shè)計說明書格式規(guī)范統(tǒng)一編排、打印，字?jǐn)?shù)不少于1萬字。
2、設(shè)計圖樣
1）雕刻機的機械結(jié)構(gòu)裝配圖 1 張
2）雕刻機的控制系統(tǒng)接線圖 1 張
3）雕刻機零件圖 不少于5張
3、控制程序
1) 控制程序 1 份
4、外文資料翻譯（英譯中）要求
外文翻譯材料中文字?jǐn)?shù)不少于3000字；內(nèi)容必須與畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)；所選外
文資料應(yīng)是近5年的文章，并標(biāo)明文章出處。
五、 畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃
起訖日期
工作內(nèi)容
備 注
2月20日～2月21日
布置任務(wù)
2月21日～3月5日
調(diào)查研究，畢業(yè)實習(xí)
3月5日～3月19日
方案論證，總體設(shè)計
3月20日～4月7日
技術(shù)設(shè)計（部件設(shè)計）
4月7日～5月7日
工作設(shè)計（零件設(shè)計）
5月8日～5月25日
撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書
5月26日～5月27日
畢業(yè)設(shè)計預(yù)答辯
5月28日～6月6日
修改資料
6月7日～6月8日
評閱材料
6月9日～6月10日
畢業(yè)答辯
6月11日～6月15日
材料整理裝袋
六、 主要參考文獻：
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七、其他
八、專業(yè)系審查意見
系主任：
年 月 日
九、機械工程學(xué)院意見
院長：
年 月 日
6
文 獻 資 料
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 生 姓 名
班 級
學(xué) 號
指 導(dǎo) 教 師
文 獻 資 料
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畢業(yè)實習(xí)報告
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 生 姓 名
班 級
學(xué) 號
指 導(dǎo) 教 師
日 期 2011年3月5日
實習(xí)報告
一、概述
畢業(yè)實習(xí)是學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計（論文）的第一個環(huán)節(jié)，是根據(jù)教學(xué)計劃的安排和具體課題的內(nèi)容，性質(zhì)及要求來實施的。畢業(yè)實習(xí)是為了讓學(xué)生深入到生產(chǎn)第一線，進一步了解現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的全過程，了解新技術(shù)，新設(shè)備的應(yīng)用，開闊眼界。同時，讓學(xué)生圍繞畢業(yè)設(shè)計（論文）課題進一步了解相關(guān)的知識和進行資料的收集，為完成課題任務(wù)提供必要的條件，并為學(xué)生畢業(yè)后盡快適應(yīng)實際工作打下基礎(chǔ)。
畢業(yè)實習(xí)是我們機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分，也是畢業(yè)設(shè)計不可或缺的重要環(huán)節(jié)，其目的在于通過實習(xí)使我們獲得基本生產(chǎn)的感性知識，理論聯(lián)系實際，擴大知識面，提高動手操作能力，同時畢業(yè)實習(xí)又是鍛煉我們業(yè)務(wù)能力和素質(zhì)提高的重要渠道，培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生吃苦耐勞的精神。通過畢業(yè)實習(xí)，我們可以更好更直接的了解產(chǎn)業(yè)狀況，了解本專業(yè)的發(fā)展前景，了解國內(nèi)外的發(fā)展趨勢，以及對公司的運作，管理，產(chǎn)品的設(shè)計，生產(chǎn)，銷售等各個方面都有了深刻的認(rèn)識，有效地快速提高了我們將來工作的能力。通過這次生產(chǎn)實習(xí)，進一步鞏固和深化所學(xué)的理論知識，彌補以前單一理論教學(xué)的不足，為學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計打好基礎(chǔ)。
今年機械學(xué)院畢業(yè)實習(xí)，主要由專業(yè)系組織進行，如果本人希望到校外實習(xí)，可以提出申請，經(jīng)審核，同意本人在下學(xué)期開學(xué)初自行尋找與課題相關(guān)的實習(xí)單位，實習(xí)時間：2011年2月21日——2011年3月19日。對希望學(xué)院安排的學(xué)生，我們集中組織到企業(yè)進行畢業(yè)實習(xí)。具體安排如下：
2011.2.21~2.28
江蘇長虹汽車裝備集團有限公司
了解涂裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)，性能及生產(chǎn)過程。了解主要的用戶及市場對該企業(yè)涂裝設(shè)備的評價情況。
2011.2.29~3.9
江蘇羽佳模塑有限公司
了解模具的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程及塑料件的制備過程及其與注塑機的配合。
2011.3.10~3.19
東風(fēng)悅達起亞汽車有限公司
了解汽車生產(chǎn)主要過程，重點實習(xí)汽車生產(chǎn)的四大工藝，了解該公司汽車生產(chǎn)的相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及市場占有情況。
二、實習(xí)過程
3月2日，我們到江蘇長虹汽車裝備接團有限公司參加生產(chǎn)實習(xí)的工作，江蘇長虹汽車裝備接團有限公司主要從事汽車焊裝、涂裝和總裝生產(chǎn)線的規(guī)劃、設(shè)計、制造的專業(yè)化公司。蘇長虹集團是國家高新技術(shù)企業(yè)、江蘇省知識產(chǎn)權(quán)重點保護單位、江蘇省重合同守信用企業(yè)；長虹”商標(biāo)為江蘇省著名商標(biāo)、“長虹”牌系列電泳涂裝線為江蘇省名牌產(chǎn)品。江蘇長虹集團擁有博士后科研工作站、江蘇省工程技術(shù)研究中心和江蘇省企業(yè)技術(shù)中心。3月5日，我們又到了江蘇羽佳模塑有限公司去實習(xí)，江蘇羽佳塑業(yè)有限公司始建于1994年，系國內(nèi)知名的塑料制品生產(chǎn)企業(yè)，近年來，在各級政府的大力關(guān)心支持下，大力實施“項目推進、跨越發(fā)展”戰(zhàn)略，企業(yè)規(guī)模不斷發(fā)展壯大，產(chǎn)品不斷升級換代。公司占地面積70000㎡，建筑面積40000㎡，固定資產(chǎn)總值8000萬元，在冊員工500名（其中專業(yè)技術(shù)人員48名，擁有大中小型各類電腦控制注塑機60臺（其中3200T1臺，2800T1臺，臺灣震雄產(chǎn)2600T1臺，2200T、1800T、1500、1300T、1000T各1臺，780T7臺，80—650T45臺）。擁有各類運輸車23輛，其技術(shù)裝備已達到國內(nèi)同行先進水平。2004年實現(xiàn)銷售收入1.1億元，利稅1200萬元。主要產(chǎn)品有10多個系列200多個品種，其中MGB型環(huán)保用品系列和倉儲托盤系列填補了省內(nèi)空白，分別被江蘇省人民政府列為2004—2005年“星火計劃”。目前公司產(chǎn)品暢銷全國二十多個省市并已陸續(xù)出口到歐、美、日、韓、俄、南非等國家及香港、臺灣地區(qū)，是蘇北最大的塑料制品生產(chǎn)企業(yè)。公司先后被評為鹽城市明星企業(yè)，亭湖區(qū)工業(yè)十強企業(yè)，2003年獲得ISO9001：2000標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量體系論證并獲得自營進出口權(quán)，連續(xù)三年被江蘇東宇國際咨詢評估公司評定為“江蘇省AAA級”企業(yè)，連續(xù)多年被鹽城市工商行政管理局授予“重合同守信用”單位。
? ?鹽城汽車業(yè)的崛起，為羽佳帶來了難得的發(fā)展機遇，經(jīng)過不懈的努力，公司終以強大的基礎(chǔ)實力，過硬的產(chǎn)品質(zhì)量和誠實的售后服務(wù)贏得了韓商的信任，先后將“千里馬”、“遠艦”、“嘉華”、“賽拉圖”等車型的塑料配件陸續(xù)投放我公司生產(chǎn)，可以預(yù)料江蘇羽佳將成為悅達起亞汽車塑料部件的重要生產(chǎn)基地。
三、實習(xí)內(nèi)容
江蘇長虹汽車裝備接團有限公司的廠房布局沒有什么特別，但是車間與車間之間基本都是生產(chǎn)線相連，工人們無須過多的搬運工件，都是由機器將工件搬運到工人手里，這和我們第二天去的羽佳有很多類似的地方，自動化大大節(jié)省了時間。我們實習(xí)時，正是工人上班時間，除了機床附近的加工碎屑外，其它地方都很干凈，對設(shè)備的維護做得也很好，而且工人們都是興高采烈的，相信集團在管理方面做得非常好。
在長虹實習(xí)過程中，我們著重了解了涂裝的主要過程，各生產(chǎn)干線的基本工作流程，以及各零部件的基本結(jié)構(gòu)我們也大致有了些印象。長虹執(zhí)行高效、現(xiàn)代的企業(yè)制度，職權(quán)明晰、分工明確，各職能部門精英薈萃、人才濟濟。我們慎重對待每一位客戶，力爭提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。他們的企業(yè)文化是 追求完美 創(chuàng)造卓越 豪氣貫長虹，我相信他們會做的更好，并且堅信他們在不久的將來將為鹽城市的發(fā)展做出卓越的貢獻。最后呢，我們被安排到他們的食堂聽了關(guān)于他們公司的報告，給我的感覺是他們的公司的食堂相當(dāng)?shù)拇?，第一感覺是他們對員工的關(guān)懷是相當(dāng)好的。給我們做報告的是我們鹽工的學(xué)長，經(jīng)過自己的努力，現(xiàn)在已經(jīng)是副院長了，他著重給我們談了公司主要生產(chǎn)的產(chǎn)品，即為那些汽車公司進行涂裝的。涂裝是經(jīng)過一道道的工序才能夠完成的，其程序已基本實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。最后他給我們做了關(guān)于企業(yè)未來的發(fā)展前景做了個概括。這個實習(xí)環(huán)境既輕松又愉快。第二天去的羽佳公司主要生產(chǎn)工業(yè)塑料制品，塑料包裝制品，汽摩配塑料件，日用塑料制品。銷售的產(chǎn)品主要有塑料托盤/垃圾桶/周轉(zhuǎn)箱/清潔用品/禽用設(shè)備/箱盤籮簍。我們?nèi)ブ饕戳怂麄冴P(guān)于汽車的車門是怎么做成的，其間，我著重看了模具的結(jié)構(gòu)，那是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，以及成品的制作過程，同時我也感受了制作的過程，我跟阿姨們申請做了一個塑料成品，相當(dāng)?shù)母吲d，這個公司相當(dāng)?shù)拇?，我相信將有更多的汽車零部件來自我們鹽城，鹽城的發(fā)展將越來越好。
四、分析
就長虹公司的涂裝為例，他的涂裝主要是電泳涂裝，其制作過程大致如下：
1 ）電解（分解） 在陰極反應(yīng)最初為電解反應(yīng)，生成氫氣及氫氧根離子 OH ，此反應(yīng)造成陰極面形成一高堿性邊界層，當(dāng)陽離子與氫氧根作用成為不溶于水的物質(zhì)，涂膜沉積。
2 ）電泳動（泳動、遷移）陽離子樹脂及 H+ 在電場作用下，向陰極移動，而陰離子向陽極移動過程。
3 ）電沉積（析出）
在被涂工件表面，陽離子樹脂與陰極表面堿性作用，中和而析出不沉積物，沉積于被涂工件上。
4 ）電滲（脫水）
涂料固體與工件表面上的涂膜為半透明性的，具有多數(shù)毛細孔，水被從陰極涂膜中排滲出來，在電場作用下，引起涂膜脫水，而涂膜則吸附于工件表面，而完成整個電泳過程。
制作工藝過程如下： 電泳涂裝是把工件和對應(yīng)的電極放入水溶性涂料中，接上電源后，依靠電場所產(chǎn)生的物理化學(xué)作用，使涂料中的樹脂、顏填料在以被涂物為電極的表面上均勻析出沉積形成不溶于水的漆膜的一種涂裝方法。電泳涂裝是一個極為復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，其中至少包括電泳、電沉積、電滲、電解四個過程。電泳涂裝按沉積性能可分為陽極電泳（工件是陽極，涂料是陰離子型）和陰極電泳（工件是陰極，涂料是陽離子型）；按電源可分為直流電泳和交流電泳；按工藝方法又有定電壓和定電流法。目前在工業(yè)上較為廣泛采用的是直流電源定電壓法的陽極電泳。電泳是電泳涂料在陰陽兩極，施加于電壓作用下，帶電荷之涂料離子移動到陰極，并與陰極表面所產(chǎn)生之堿性作用形成不溶解物，沉積于工件表面。其中用于電泳設(shè)備的組成（1）槽體 （2）攪拌循環(huán)系統(tǒng) （3）電極裝置 （4）漆液溫度調(diào)節(jié)裝置?。?）涂料補給裝置 （6）超濾裝置 （7）通風(fēng)裝置?。?）電源供給裝置 （9）泳后水洗裝置?。?0）儲漆裝置 電泳涂裝一般可分為連續(xù)生產(chǎn)的通過式和間歇式的固定式兩類。對于連續(xù)生產(chǎn)的通過式電泳涂裝設(shè)備，工件借助于懸掛輸送機和其他工序（前處理-烘干）組成連續(xù)生產(chǎn)的涂裝生產(chǎn)線，此類設(shè)備適用于大批量生產(chǎn)。對于間歇生產(chǎn)固定式電泳涂裝設(shè)備，工件借助于單軌電葫蘆或其他形式的輸送機，和其他工序（前處理-烘干）組成間歇式涂裝生產(chǎn)線，適用于中等批量的涂裝生產(chǎn)。在涂裝工程電泳電壓、時間、溫度、陰陽極面積比、漆液固體體份及漆液的PH值等影響涂層的質(zhì)量，在實際中，根據(jù)客戶的工藝參數(shù)來確定上述參數(shù)。陰極電泳涂裝金屬處在陰極不易氧化，相對陽極電泳來說涂層更具有普遍性，采用超濾系統(tǒng)槽液不會受到污染，槽液維護簡單，涂層更具有防腐蝕效果。涂裝經(jīng)過在固化爐內(nèi)進行固化。固化爐可以分為連續(xù)式和間歇式兩種。固化過程的溫度曲線對質(zhì)量有很大的影響。一般需要用北京賽維美高科技有限公司生產(chǎn)的爐溫跟蹤儀（型號為SMT-4 或SMT-7-32-300-K）對烘烤過程的溫度曲線進行定時檢測。確保溫度曲線滿足工藝要求。
另外我們在羽佳公司主要參觀了1600T注塑機，我們主要看了它為悅達起亞制造零部件的車間，其中注塑機的制造產(chǎn)品過程如下：注塑制品用原料按一次成型用料量，由料斗加入機筒，被轉(zhuǎn)動的螺桿推動前移，與此同時，原料接受機筒外部的加熱。由于原料在機筒內(nèi)既要受熱升溫，又由于螺紋間容積的逐漸縮小而受擠壓， 再加上轉(zhuǎn)動螺桿的螺紋使翻動前移的原料間及原料與機筒、螺紋面的摩擦等多種條件作用，使原料在被推動前移的同時逐漸被塑化成熔融狀態(tài)。被推到螺桿前端的熔融料由于受噴嘴的阻力而產(chǎn)生反螺桿螺紋壓力，隨著前移料的增加，這個反壓力也逐漸增加，當(dāng)這個反壓力大于油缸活塞對螺桿的推力時螺桿開始后退，開始第二次加料計量。螺桿后退距離由一次成型制品注射用料量決定，由生產(chǎn)前調(diào)整好的行程開關(guān)控制。后退螺桿碰到行程開關(guān)時，螺桿停止轉(zhuǎn)動和后退，完成一次預(yù)塑化原料程序。
合模部分工作：注射座前移，噴嘴和模具襯套端圓弧口緊密接觸；注射油缸活塞推動螺桿迅速前移，按注射熔料需要的注射壓力和速度把熔融態(tài)原料注人模具空腔內(nèi)。為防止注滿模腔內(nèi)熔料回流和能夠及時補充熔料冷卻固化的收縮量，注射完成后的噴嘴仍然保持有一定壓力緊靠在襯套口上，稱其為保壓。直至模腔內(nèi)制品開始固化為止，注射座后退，開始第二次制品用料的塑化，模具打開，取出制品，完成注塑機注射成型制品的全過程。羽佳我們看到了如下成品：
五、實習(xí)感想
大學(xué)畢業(yè)實習(xí)報告是學(xué)生完成大學(xué)四年全部課程后的最重要的實踐環(huán)節(jié)。為了這次畢業(yè)實習(xí)，做準(zhǔn)備、搜集素材，了解有關(guān)的設(shè)計技術(shù)和注意事項。通過這次實習(xí)過程我知道了，理論與實踐的差距，實際操作會使得主觀理論想法不完美，因為實踐中有很多外在因素的干擾，由此我得到了一個新的想法，就是理論知識有時是用來給我們把握大方向的，而實際做的時候，會讓我們注重一些小的細節(jié)，很多時候只有動手才會知道怎么去做，理論與實踐要相結(jié)合，這對我畢業(yè)后的工作是個不小的幫助。
5
畢業(yè)設(shè)計
開題論證報告
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名
班 級
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
完成日期 2011年3月19日
課題名稱：微型雕刻機總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計
一、課題來源、課題研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述
1.課題來源
課題來源于工程實踐。
2.課題研究主要內(nèi)容
根據(jù)微型雕刻機的設(shè)計要求設(shè)計出微型雕刻機的整體結(jié)構(gòu)及電氣控制環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計總體要求，分析機械部分具體要求，設(shè)計該雕刻機的機械結(jié)構(gòu)。
3.國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述
雕刻從加工原理上講是一種鉆銑組合加工，雕刻機多種數(shù)據(jù)輸入模式根據(jù)需要游刃有余。電腦雕刻機由計算機，雕刻機控制器和雕刻機主機三部分組成。工作原理：是通過計算機內(nèi)配置的專用雕刻軟件進行設(shè)計和排版，并由計算機把設(shè)計與排版的信息自動傳送至雕刻機控制器中，再由控制器把這些信息轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動步進電機或伺服電機的帶有功率信號（脈沖串），控制雕刻機主機生成X,Y,Z三軸的雕刻走刀路基徑。同時，雕刻機上的高速旋轉(zhuǎn)雕刻頭，通過按加工材質(zhì)配置的刀具，對固定于主機工作臺上的加工材料進行切削，即可雕刻出在計算機中設(shè)計的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實現(xiàn)雕刻自動化作業(yè)。
眾所周知，手工雕刻是一種原始工匠型的勞動，它是雕刻師“高智能和高技能”的綜合活動。雕刻產(chǎn)品能否成為珍品完全取決于對藝術(shù)的理解，對材料的感覺。雕刻技巧的發(fā)揮和孜孜不倦的精神。發(fā)展到目前電腦雕刻機的出現(xiàn)使雕刻藝術(shù)更上一層，也逐漸成為廣告業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)工具。目前“雕刻”已成為一種藝術(shù)，一種文化，一種精神的象征。
電腦雕刻機分為大功率和小功率兩類。小功率的只適合做雙色板、建筑模型、小型標(biāo)牌、三維工藝品等。由于功率太小而大大影響了其應(yīng)用的范圍。大功率雕刻機可以做小功率雕刻機的東西。最適合做大型切割、浮雕、雕刻。
雕刻機是一種機電一體化產(chǎn)品，可用于三維圖形和文字的加工，在旅游紀(jì)念品、標(biāo)牌、徽章、模具制作等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，具有比較廣闊的市場前景。雕刻機技術(shù)國際上已經(jīng)成熟，但國內(nèi)有待發(fā)展。發(fā)展到目前電腦雕刻機的出現(xiàn)使雕刻藝術(shù)更上一層，也逐漸成為廣告業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)工具。目前“雕刻”已成為一種藝術(shù)，一種文化，一種精神的象征。電腦雕刻機分為大功率和小功率兩類。小功率的只適合做雙色板、建筑模型、小型標(biāo)牌、三維工藝品等。由于功率太小而大大影響了其應(yīng)用的范圍。大功率雕刻機可以做小功率雕刻機的東西。最適合做大型切割、浮雕、雕刻。雕刻主要應(yīng)用于：廣告業(yè)、工藝業(yè)、模具業(yè)、建筑業(yè)、印刷包裝業(yè)、木工業(yè)、裝飾業(yè)等。
雕刻耗材有：亞克力有機板、PVC板、芙蓉板、雙色板、木工板、密度板、大理石、防火板、橡膠板、玻璃等。
業(yè)務(wù)對象：廣告公司、裝潢公司、酒店、賓館、商場、學(xué)校、醫(yī)院、辦公樓、娛樂場所、洗浴中心、集團、企業(yè)、行政機關(guān)等。
CNC雕刻作為一個獨特的專業(yè)技術(shù)，與相關(guān)行業(yè)比在以下方面具有鮮明的特色：精確制圖機制和藝術(shù)制圖機制相結(jié)合、藝術(shù)曲面造型方法和幾何曲面造型方法相結(jié)合、小刀具高速雕刻技術(shù)和工藝、使用精密高速主軸電機。
數(shù)控系統(tǒng)控制的方法有插補與刀具補償?shù)脑?，其工作過程原理如下：
1、 控制介質(zhì)
控制介質(zhì)又稱信息載體，是人與數(shù)控機床之間聯(lián)系的中間媒介物質(zhì)，反映了數(shù)控加工中的全部信息。目前常用的有穿孔帶、磁帶或磁盤等。
2、 輸入、輸出裝置
是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進行交互的裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。
3、 數(shù)控裝置
CNC裝置是數(shù)控機床實現(xiàn)自動加工的核心，主要由計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件等組成。
作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應(yīng)的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作的。
4、 伺服系統(tǒng)
它是數(shù)控系統(tǒng)與機床本體之間的電傳動聯(lián)系環(huán)節(jié)，主要由伺服電動機、驅(qū)動控制系統(tǒng)以及位置檢測反饋裝置組成。伺服電機是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，驅(qū)動控制系統(tǒng)則是伺服電機的動力源。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號與位置反饋信號比較后作為位移指令，再經(jīng)過驅(qū)動系統(tǒng)的功率放大后，帶動機床移動部件作精確定位或按照規(guī)定的軌跡和進給速度運動，使機床加工出符合圖樣要求的零件。
5、 檢測反饋系統(tǒng)
測量反饋系統(tǒng)由檢測元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測機床的實際位置、速度等信息，并將其反饋給數(shù)控裝置與指令信息進行比較和校正，構(gòu)成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
6、 機床本體
機床本體指的是數(shù)控機床機械機構(gòu)實體，包括床身、主軸、進給機構(gòu)等機械部件。由于數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，它與傳統(tǒng)的普通機床相比，應(yīng)具有更好的剛性和抗振性，相對運動摩擦系數(shù)要小，傳動部件之間的間隙要小，而且傳動和變速系統(tǒng)要便于實現(xiàn)自動化控制。
二、本課題擬解決的問題
1.雕刻機總體設(shè)計的問題，例如結(jié)構(gòu)選型、總體布局；
2.雕刻機的機械結(jié)構(gòu)：
（1）微型雕刻機結(jié)構(gòu)裝配圖；
（2）雕刻機零件的工藝分析；
（3）零件圖；
（4）數(shù)控系統(tǒng)選用及控制設(shè)計；
3.雕刻機傳動方案和執(zhí)行機構(gòu)的確定；
4.編寫雕刻機的控制程序,實現(xiàn)對雕刻機動作的控制；
5.雕刻機的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟性和生產(chǎn)周期。
三、解決方案及預(yù)期效果
1.解決方案：
(1) 分析研究雕刻機加工要求和現(xiàn)場工藝；
(2) 定位基準(zhǔn)和夾壓部位的選擇；
(3) 工序間余量的確定；
(4) 刀具結(jié)構(gòu)的選擇；
(5) 電主軸的設(shè)計；
2.預(yù)期效果：
雕刻機的制造工藝性好；
雕刻機外形美觀；
雕刻機的制造成本降低；
提高設(shè)計的一次成功率、減少設(shè)計返工；
雕刻機使用中的維護成本降低；
設(shè)計的雕刻機工作更穩(wěn)定、可靠；
雕刻機結(jié)構(gòu)合理，符合工作現(xiàn)場的需要，更易于操作和使用；
雕刻機拆卸方便、更易于維護；
所設(shè)計的雕刻機符合工藝流程的要求。
四、課題進度安排
2月21日～3月5日．畢業(yè)實習(xí)階段。
畢業(yè)實習(xí)，查閱資料，到多個公司實踐，撰寫實習(xí)報告。
3月5日～3月19日．開題階段。
提出總體設(shè)計方案及草圖，填寫開題報告。
3月20日～5月7日． 設(shè)計初稿階段。
完成總體設(shè)計圖、部件圖、零件圖。
5月8日～5月25日． 中期工作階段。
完善設(shè)計圖紙，編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，中期檢查。
5月26日～5月27日．畢業(yè)設(shè)計預(yù)答辯。
5月28日～6月6日．畢業(yè)設(shè)計整改。
圖紙修改、設(shè)計說明書修改、定稿，材料復(fù)查。
6月7日～6月8日．畢業(yè)設(shè)計材料評閱。
6月9日～6月10日．畢業(yè)答辯。
6月11日～6月15日．材料整理裝袋。
五、指導(dǎo)教師意見
簽名
年 月 日
六、專業(yè)系意見
簽名
年 月 日
七、學(xué)院意見
簽名
年 月 日
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鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011
微型雕刻機總體及數(shù)控系統(tǒng)選用設(shè)計
摘要： 隨著微電子技術(shù)和微型計算機的飛速發(fā)展，微型雕刻機的應(yīng)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(shù)，并將這些技術(shù)有機的結(jié)合成一體，它是當(dāng)今世界機械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢。
本文調(diào)查研究了雕刻機的發(fā)展，介紹臺式數(shù)控龍門雕刻機X的設(shè)計過程，包括機床總體方案設(shè)計、主傳動系統(tǒng)設(shè)計和X向進給傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。X向進給傳動系統(tǒng)中主要分析了絲杠的安裝，以及相關(guān)固定和支承。計算主要有兩個方面：對滾珠絲杠和X軸電機的選擇計算和校核。此外，我還進行了數(shù)控系統(tǒng)的選擇，數(shù)控系統(tǒng)是機床自動化的重要組成部分,其性能直接影響到加工的精度、效率及生產(chǎn)企業(yè)的效益。本文詳細介紹了數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動單元的原理及其優(yōu)缺點,如何選擇性價比最好、最合適的數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動單元。
本課題是在參考現(xiàn)有雕刻機的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種機構(gòu)尺寸比較簡單的數(shù)控雕刻機，適用性比較大的工藝品的雕刻加工。
關(guān)鍵字：雕刻機，數(shù)控系統(tǒng)，機電一體化，X軸，插補法
鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011
Miniature engraving machine overall and selection design of CNC system
Abstract：Along with the development of micro-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. 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 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 axis , 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 component 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 system 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 interpolation arithmetic.
鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011
目錄
1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 2
1.2.3數(shù)控雕刻機的特點 2
1.2.4數(shù)控雕刻機的應(yīng)用領(lǐng)域 2
1.2.5我國數(shù)控雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.6 主要設(shè)計任務(wù)..................................................3
2 雕刻機的機械結(jié)構(gòu) 4
2.1雕刻機的工作原理 4
2.2整體結(jié)構(gòu) 4
2.2.1雕刻機總體布局的基本要求 4
2.2.2 影響雕刻機布局的基本因素 6
2.2.3 坐標(biāo)系的確定 6
2.2.4三維雕刻機的機械結(jié)構(gòu) 6
2.3進給系統(tǒng) 7
2.5典型零件工藝分析 10
3 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設(shè)計 12
3.1 設(shè)計參數(shù)的確定 12
3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計算 12
3.2.1銑削力、扭矩和功率的計算 13
3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計算 14
3.3 主運動系統(tǒng)的設(shè)計計算 15
3.3.1 主軸組件.....................................................15
3.3.2 主運動系統(tǒng)傳動鏈的組成....................................... 16
3.3.3 主軸電動機的設(shè)計計算 16
3.4進給運動系統(tǒng)的設(shè)計計算 17
3.4.1 進給系統(tǒng)傳動鏈的組成 17
3.4.2滾珠絲杠副的設(shè)計計算 17
3.4.3工作臺進給電動機的設(shè)計計算 21
3.4.4 工作臺直線導(dǎo)軌副的設(shè)計計算 22
4 數(shù)控系統(tǒng)的選用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
4.1 NC選型 ........................................................23
4.2 插補法 36
4.3 控制程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 總結(jié) 41
參考文獻 42
致 謝 43
附 錄 44
鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011
1.引言
1
鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011
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(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精深，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可堪稱一絕。
上世紀(jì)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(yīng)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(biāo)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(shè)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(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)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(shù)和微型計算機技術(shù)帶動整個高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產(chǎn)生了質(zhì)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
數(shù)控雕刻機是數(shù)控技術(shù)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(yīng)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(dāng)今雕刻機的發(fā)展主流，廣泛應(yīng)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(lǐng)域。
對象和應(yīng)用領(lǐng)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(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，還可根據(jù)運動坐標(biāo)控制的聯(lián)動軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機分為三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機、五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機等。三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機可以控制三個坐標(biāo)軸聯(lián)動，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工;五坐標(biāo)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(fù)雜形狀零件的雕刻加工。
1.2.2研制雕刻機的目的和意義
機電一體化技術(shù)是機械技術(shù)和電子技術(shù)的有機結(jié)合，它包括機械、電子、計算機和自動控制技術(shù)。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(shù)，以提高制造技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)、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(dāng)今世界機械工業(yè)技術(shù)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(zhì)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(lǐng)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(fù)雜的曲面，支持各種刀具，改善了雕刻表面質(zhì)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(yīng)用領(lǐng)域
數(shù)控雕刻機的應(yīng)用領(lǐng)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(biāo)牌、有機玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎?wù)隆⒂袡C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(shè)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(biāo)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(yīng)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(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術(shù)，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，因此整機的性價比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)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(shè)計剛高度好、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，但價格昂貴往往倍于國產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場合。
1.2.6主要任務(wù)
設(shè)計一臺微型雕刻機，用于工程應(yīng)用，雕刻機具有三個自由度方向的運動。其主要內(nèi)容有：1. 設(shè)計微型雕刻機的總體方案。根據(jù)雕刻機的設(shè)計要求設(shè)計主軸結(jié)構(gòu)，主要包括雕刻機主軸的傳動和執(zhí)行機構(gòu)；2. 雕刻機零件的工藝分析；3. 繪制雕刻機的零件圖；4. 數(shù)控系統(tǒng)選用及控制設(shè)計。本設(shè)計的設(shè)計依據(jù)有一下幾方面：1. 課題來源：工程實踐；2. 產(chǎn)品名稱：微型雕刻機；3. 批量：一臺；4. 雕刻機的設(shè)計定位精度±0.01mm；5．工作環(huán)境-10 oC~50 oC；6. 電氣控制部分的設(shè)計按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計；7. 數(shù)控系統(tǒng)推薦選用市場上比較成熟的產(chǎn)品，能與設(shè)計的雕刻機巧妙結(jié)合。
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2. 雕刻機的機械結(jié)構(gòu)
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
圖2.1 數(shù)控雕刻機工作原理
通用微型計算機內(nèi)安裝專用的設(shè)計排版軟件進行圖形、文字的設(shè)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(zhuǎn)化為數(shù)控信息，控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動步進電機或伺服電機的信號(脈沖串)，控制雕刻機X，Y，Z三軸的走刀。同時，進行銑削，即可雕刻出在計算機上設(shè)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(jié)構(gòu)
機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)，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(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；
4、應(yīng)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。
2.2.2 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(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)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(dǎo)致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術(shù)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(shù)經(jīng)濟效果的布局設(shè)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(dǎo)軌的布置和其它結(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(yīng)注意以下幾點:
1) 移動部件的重量應(yīng)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(yīng)有利于提高加工精度;
3）應(yīng)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(yīng)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(shè)計法的影響等。通過查閱相關(guān)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(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。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(shè)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(fù)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(biāo)數(shù)控雕刻機的設(shè)計參數(shù)，可采用布局(2)的方案。
2.2.3 坐標(biāo)系的確定
雕刻機的坐標(biāo)系采用右手法則，直角卡笛兒坐標(biāo)系統(tǒng)?；咀鴺?biāo)軸為X 、Y 、Z 直角坐標(biāo)，對相應(yīng)每一個旋轉(zhuǎn)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(biāo)軸，垂直于工件裝夾面。
圖2.3
圖2.3 右手坐標(biāo)系統(tǒng)
2.2.4三維雕刻機的機械結(jié)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(chǔ)，承擔(dān)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(dǎo)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(qū)動，導(dǎo)軌導(dǎo)向:
3、橫梁部分
橫梁由x方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。橫梁承載機頭的重量，驅(qū)動機頭動，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)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，Z方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。絲杠驅(qū)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(zhuǎn)運動。
下面從雕刻機的功能角度，介紹一下各部分的結(jié)構(gòu)及設(shè)計:
2.3進給系統(tǒng)
進給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路、伺服驅(qū)動裝置、機械傳動機構(gòu)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(qū)動電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)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(zhì)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(jié)構(gòu)和電機驅(qū)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(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)緊湊。絲杠一端通過聯(lián)軸器與電機軸相聯(lián)，由步進電機驅(qū)動絲杠，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。另一端采用軸承為支承。步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，由指令脈沖決定。指令脈沖數(shù)就是電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度在很寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。它具有以下特點:
1、位置控制功能
可預(yù)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(diào)速功能
可根據(jù)發(fā)送脈沖的速度，得到需要的電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)的電脈沖)，仍有靜止力矩的輸出。
4、低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動時可保持平穩(wěn)。
導(dǎo)軌的主要功能是導(dǎo)向和承載作用。導(dǎo)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(dǎo)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(cè)各采用一對圓柱形導(dǎo)軌作為導(dǎo)向件，另外可以分擔(dān)絲杠所承受的機頭和工作臺的重量。圓柱形導(dǎo)軌加工容易，導(dǎo)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(dǎo)軌導(dǎo)向。Z的固定依靠步進電機的自鎖來實現(xiàn)。
圓形導(dǎo)軌兩端通過螺釘固定在絲杠支架上，并與導(dǎo)軌套形成移動副。如圖2.7所示
圖2.7 絲杠和圓導(dǎo)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；
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典型零件工藝分析
2.4.1滾珠絲杠工藝分析：
（1）零件材料：GCR15。合金含量較少，具有良好的性能，它為應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過淬火加回火后具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。該鋼冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，對形成白點敏感性能大，有回火脆性。實際就是Cr15。
（2）零件組成表面：兩端面，外圓附有滾珠，外身為單線螺紋，無鍵槽，無倒角。
（3）主要表面分析：Ф16 外圓表面主要用于傳動件，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為所需的直線運動，具有相當(dāng)?shù)木取?
（4）主要技術(shù)條件：Ф16 外圓精度要求：
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IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端螺紋應(yīng)與之保持基本的同軸關(guān)系，鍵槽亦與之對稱。
（5）零件總體特點：長徑比達 18，為較典型的細長軸。
2.4.2 T型臺工藝分析：
（1）零件材料：45 鋼。切削加工性良好，無特殊加工問題，故加工中不需采取特殊工藝措施。 刀具材料選擇范圍較大，高速鋼或 YT 類硬質(zhì)合金均能勝任。刀具幾何參數(shù)可根據(jù)不同刀具類型 通過相關(guān)表格查取。
（2）零件組成表面：長方形表面（長300mm，寬340mm），厚20mm，有T形凹槽。
（3）主要表面分析： 外表面主要用于支承以及夾持工件，具有相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?
（4）主要技術(shù)條件： 外表面精度要求：
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IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端平面應(yīng)與之保持基本的平面關(guān)系，鍵槽亦與之對稱。
（5）零件總體特點：簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，定位能力非常強。
2.4.3 三軸滑塊工藝分析：
（1）零件材料：鋁合金。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一類有色結(jié)構(gòu)金屬材料。純鋁的密度?。é?2.7g/cm3），大約是鐵的 1/3，熔點低（660℃），鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材。
（2）零件組成表面：軸套類零件，表面是光滑的空孔，用于支持導(dǎo)軌。
（3）主要表面分析： 內(nèi)表面主要用于支承以及夾持工件，具有相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?
（4）主要技術(shù)條件： 外表面精度要求：
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IT7 粗糙度要求 Ra1.6μm。它是零件上主要的基準(zhǔn)， 兩端平面應(yīng)與之保持基本的平面關(guān)系，空孔亦與之對稱。
（5）零件總體特點：機構(gòu)中與機架用移動副相連又與其他運動構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副相連的構(gòu)件。
3. 三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設(shè)計
本章詳細介紹了微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(shè)計計算及選型過程。
3.1 設(shè)計參數(shù)的確定
由課題所給的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合微型三維機械雕刻機的總體設(shè)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(shè)計參數(shù)表
項目
參數(shù)
單位
主軸最高轉(zhuǎn)速
n=20000
r/min
最大進給速度
mm/min
工作臺總行程(Y)
235
mm
主軸總行程(X)
220
mm
主軸總行程(Z)
102
mm
定位精度
±0.01
mm
脈沖當(dāng)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(biāo)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(zhì)合金直柄立銑刀（）和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)直柄麻花鉆（）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
通過查閱王先逵主編的《機械加工工藝手冊》，得到表3.2 左側(cè)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(zhuǎn)速n有關(guān)的計算公式填入表3.2右側(cè)。
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(jié) 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(zhuǎn)速(r /min) 。
將切削深度、進給速度和銑刀轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計算，得到計算結(jié)果，如表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(jié)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(zhuǎn)速，，預(yù)選絲杠導(dǎo)程
—銑削深度（mm），—進給速度（mm/min），n—銑刀轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速n有關(guān)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(jié) 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(zhuǎn)速（r/min）。將進給速度和鉆頭轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計算，將得到的計算結(jié)果填入表3.5，由于鉆削功率的計算結(jié)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(jié) 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(zhuǎn)速，，預(yù)選絲杠導(dǎo)程，—進給速度(mm/min),—鉆削轉(zhuǎn)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(shè)計計算
3.3.1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(zhuǎn)進行切削，承受切削力和驅(qū)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(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，實現(xiàn)刀具的切削運動。
自20世紀(jì)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(gòu)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(nèi)裝式電動機直接驅(qū)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(jié)構(gòu)稱為電主軸。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，機械效率高，可獲得極高的回轉(zhuǎn)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(yīng)用。本雕刻機由于主軸轉(zhuǎn)速達到20000r／min,所以應(yīng)用電主軸。
本節(jié)主要設(shè)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(yīng)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(diào)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(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)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(yīng)各種國內(nèi)工序和各種加工材質(zhì)的要求，住運動的調(diào)速范圍還應(yīng)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(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進行高頻感應(yīng)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(yán)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?
衡量。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當(dāng)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)。
3.3.2主運動系統(tǒng)傳動鏈的組成
電機直接驅(qū)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(qū)動形式。如平面磨床的砂輪主軸，高速內(nèi)圓磨床的磨頭。轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)速小于8000r／min的主軸，可采用變頻調(diào)速電動機直接驅(qū)動；高速主軸，可將電動機與主軸做成一體，即內(nèi)裝電動機主軸，轉(zhuǎn)子軸就是主軸，所以本雕刻機應(yīng)選用電主軸，
3.3.3 主軸電動機的設(shè)計計算
根據(jù)前面兩節(jié)的計算結(jié)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(zhuǎn)速計算過程如表3.6所示。
表3.6 主軸電動機設(shè)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(jié)果
1
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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：
表3.7 電主軸選型
主軸型號
轉(zhuǎn)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
67
23
18
油脂
前B7002C/P4
后6001C/P5
3.4進給運動系統(tǒng)的設(shè)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(shè)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(shè)計來勾勒出我們在移動部分的設(shè)計方案，現(xiàn)在以工作臺部件為例，著重設(shè)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(dǎo)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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為部件的移動.
3.4.2滾珠絲杠副的設(shè)計計算
參閱徐灝主編的《機械設(shè)計手冊》第四冊和李鶴軒主編的《機電一體化技術(shù)手冊》以雕刻機進行銑槽加工時為例進行設(shè)計計算，過程如表3.8所示。
表3.8工作臺滾珠絲杠設(shè)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(jié)果
1
確定滾珠
絲杠導(dǎo)程
mm
電動機與絲杠 1:1傳動
2
確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速
r/min
nm =（nmax+nmin）/2
450
3
預(yù)期額定動載荷
N
(1)按預(yù)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(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負載計算：
查表10，輕預(yù)載
其中經(jīng)過計算（當(dāng)量轉(zhuǎn)速），我選擇了450 r/min，（當(dāng)量載荷），經(jīng)計算選擇92 N。
(1)
(2)
取兩種結(jié)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
其中導(dǎo)軌靜摩擦力=0.2
取=1.2
5
確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號
(1)選取內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒型墊片預(yù)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(yù)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(yù)加載荷
軸承內(nèi)徑d=10
軸承預(yù)緊力
固定端7000C
游動端6100
8
行程補償值
C
9
(1)
(2)
(3)
（4）
滾珠絲杠
工作圖設(shè)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
L
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(yù)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-P4/320×278
12
驗算臨界
壓縮載荷
N
13
驗算臨界轉(zhuǎn)速
rpm
14
驗算
14400<70000
15
形位公差標(biāo)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(shè)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(shè)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(jié)果
1
(1)
作用在絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩
外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩
查表得：
2
(1)
(2)
計算轉(zhuǎn)動慣量負載轉(zhuǎn)動慣量
各種回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量
各種直線運動件轉(zhuǎn)動慣量
電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩
4
連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩
查樣本：額定轉(zhuǎn)矩13.5
5
最大啟動轉(zhuǎn)矩
查樣本：最大轉(zhuǎn)矩80
3.4.4 工作臺直線導(dǎo)軌副的設(shè)計計算
表3.10 滾動直線導(dǎo)軌設(shè)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(jié)果
1
初選直線導(dǎo)
軌副的型號
HTSD-15NAA
2
擬定滑塊數(shù)
M
單根導(dǎo)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
4. 數(shù)控系統(tǒng)的選用
鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011
4.1 NC選型
目前市場上主流的數(shù)控系統(tǒng)有國外的西門子，F(xiàn)ANUC，三菱;國內(nèi)比較著名的有廣州數(shù)控，華中數(shù)控等等，以及為雕刻機量身定做的FUDNC（富佳力）雕刻機控制系統(tǒng)。
4.1.1上述各數(shù)控系統(tǒng)的簡介
4.1.1.1 FANUC系統(tǒng)
FANUC系統(tǒng)是日本富士通公司的產(chǎn)品，通常其中文譯名為發(fā)那科。FANUC系統(tǒng)進入中國市場有非常悠久的歷史，有多種型號的產(chǎn)品在使用，使用較為廣泛的產(chǎn)品有FANUC 0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在這些型號中，使用最為廣泛的是FANUC0系列。系統(tǒng)在設(shè)計中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)易于拆裝、各個控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。FANUC系統(tǒng)設(shè)計了比較健全的自我保護電路。 PMC信號和PMC功能指令極為豐富，便于工具機廠商編制PMC控制程序，而且增加了編程的靈活性。系統(tǒng)提供串行RS232C接口，以太網(wǎng)接口，能夠完成PC和機床之間的數(shù)據(jù)傳輸。 FANUC系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作界面友好，系統(tǒng)各系列總體結(jié)構(gòu)非常的類似，具有基本統(tǒng)一的操作界面。FANUC系統(tǒng)可以在較為寬泛的環(huán)境中使用，對于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，因此適應(yīng)性很強。 鑒于前述的特點，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)擁有廣泛的客戶。使用該系統(tǒng)的操作員隊伍十分龐大，因此有必要了解該系統(tǒng)的一些軟、硬件上的特點。我們可以通過常見的FANUC 0系列了解整個FANUC系統(tǒng)的特點。（1） 剛性攻絲：主軸控制回路為位置閉環(huán)控制，主軸電機的旋轉(zhuǎn)與攻絲軸（Z軸）進給完全同步，從而實現(xiàn)高速高精度攻絲。（2）復(fù)合加工循環(huán)：復(fù)合加工循環(huán)可用簡單指令生成一系列的切削路徑。比如定義了工件的最終輪廓，可以自動生成多次粗車的刀具路徑，簡化了車床編程。（3）圓柱插補：適用于切削圓柱上的槽,能夠按照圓柱表面的展開圖進行編程。（4）直接尺寸編程：可直接指定諸如直線的傾角、倒角值、轉(zhuǎn)角半徑值等尺寸，這些尺寸在零件圖上指定，這樣能簡化部件加工程序的編程。（5）記憶型螺距誤差補償：可對絲杠螺距誤差等機械系統(tǒng)中的誤差進行補償，補償數(shù)據(jù)以參數(shù)的形式存儲在CNC的存儲器中。（6）CNC內(nèi)裝PMC編程功能：PMC對機床和外部設(shè)備進行程序控制（7）隨機存儲模塊：MTB(機床廠)可在CNC上直接改變PMC程序和宏執(zhí)行器程序。由于使用的是閃存芯片，故無需專用的RAM寫入器或PMC的調(diào)試RAM。
4.1.1.2西門子（SINUMERIK）數(shù)控系統(tǒng)簡介
西門子（SINUMERIK）數(shù)控系統(tǒng)是德國西門子公司的產(chǎn)品。西門子憑借在數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動產(chǎn)品方面的專業(yè)思考與深厚積累，不斷制造出機床產(chǎn)品的典范之作，為自動化應(yīng)用提供了日趨完美的技術(shù)支持。SINUMERIK 不僅意味著一系列數(shù)控產(chǎn)品，其力度在于生產(chǎn)一種適于各種控制領(lǐng)域不同控制需求的數(shù)控系統(tǒng)，其構(gòu)成只需很少的部件。它具有高度的模塊化、開放性以及規(guī)范化的結(jié)構(gòu)，適于操作、編程和監(jiān)控。 主要包括：控制及顯示單元、PLC 輸入/輸出單元（PP）、PROFIBUS 總線單元、伺服驅(qū)動單元、伺服電機等部分。主要數(shù)控系統(tǒng)類型有： ?。?）SINUMERIK 802S/C系統(tǒng):SINUMERIK 802S/C系統(tǒng)專門為低端數(shù)控機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)。802S/C兩個系統(tǒng)具有同樣的顯示器，操作面板，數(shù)控功能，PLC編程方法等，所不同的只是SINUMERIK 802S帶有步進驅(qū)動系統(tǒng)，控制步進電機，可帶3個步進驅(qū)動軸及一個±10V模擬伺服主軸；SINUMERIK 802C帶有伺服驅(qū)動系統(tǒng),它采用傳統(tǒng)的模擬伺服±10V接口,最多可帶3個伺服驅(qū)動軸及一個伺服主軸。（2）SINUMERIK 802D系統(tǒng)：該系統(tǒng)屬于中低檔系統(tǒng)，其特點是：全數(shù)字驅(qū)動，中文系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單(通過PROFIBUS連接系統(tǒng)面板、I/O模塊和伺服驅(qū)動系統(tǒng))，調(diào)試方便。具有免維護性能的SINUMERIK 802D核心部件-控制面板單元（PCU）具有CNC、PLC、人機界面和通訊等功能，集成的PC硬件可使用戶非常容易地將控制系統(tǒng)安裝在機床上。 ?。?)SINUMERIK 840D/810D/840Di系統(tǒng)：840D/810D是幾乎同時推出的，具有非常高的系統(tǒng)一致性，顯示/操作面板、機床操作面板、S7-300PLC、輸入/輸出模塊、PLC編程語言、數(shù)控系統(tǒng)操作、工件程序編程、參數(shù)設(shè)定、診斷、伺服驅(qū)動等許多部件均相同。SINUMERIK 810D是840D的CNC和驅(qū)動控制集成型，SINUMERIK 810D系統(tǒng)沒有驅(qū)動接口，SINUMERIK 810D NC軟件選件的基本包含了840D的全部功能。采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)西門子840Di系統(tǒng)，全PC集成的SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)提供了一個基于PC的控制概念。 (4)SINUMERIK 840C系統(tǒng)：SINUMERIK 840C系統(tǒng)一直雄居世界數(shù)控系統(tǒng)水平之首，內(nèi)裝功能強大的PLC 135WB2，可以控制SIMODRIVE 611A/D模擬式或數(shù)字式交流驅(qū)動系統(tǒng)，適合于高復(fù)雜度的數(shù)控機床。交流驅(qū)動系統(tǒng)（1）SIMODRIVE611A：模擬式伺服，配合1FT5系列進給驅(qū)動電機(600V)和1PH7主軸電機, 可控制主軸，進給軸，及普通異步電機。（2） SIMODRIVE 611D：數(shù)字式伺服，配合1FT6/1FK6系列進給驅(qū)動電機和1PH7主軸電機，可控制主軸，進給軸等，只能配合810D、840D、840C數(shù)控系統(tǒng)。（3）SIMODRIVE 611U：通用型伺服，可接收模擬信號或數(shù)字信號（PROFIBUS）,可以進行位置控制、速度控制及轉(zhuǎn)矩控制。配合1FT6/1FK6和1PH7電機，是理想的驅(qū)動系統(tǒng)解決方案之一。（4）SIMODRIVE 611UE：通用E型伺服，通過PROFIBUS接連，其余同611U。
4.1.1.3三菱（MITSUBISHI）數(shù)控系統(tǒng)
1873年，三菱造船廠更名為三菱商會。三菱開始涉足采礦、造船、銀行、保險、倉儲和貿(mào)易。隨后，又經(jīng)營紙、鋼鐵、玻璃、電氣設(shè)備、飛機、石油和房地產(chǎn)。現(xiàn)在，三菱建立了一系列的企業(yè)，在日本工業(yè)現(xiàn)代化的過程中扮演著舉足輕重的角色。三菱電機自動化一直致力于為客戶在工業(yè)自動化、電力控制及其他相關(guān)業(yè)務(wù)上提供專業(yè)產(chǎn)品設(shè)備和解決方案，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于機械、冶金、電力等多個領(lǐng)域。三菱數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)特點：(1)M64A / M64SM CNC 控制器 標(biāo)準(zhǔn)配備了RISC 64位CPU（與M64相比，整體性能提高了1.5倍）；高速高精度機能對應(yīng)，尤為適合模具加工；內(nèi)藏對應(yīng)全世界主要通用的12種多國語言操作界面；可對應(yīng)內(nèi)含以太網(wǎng)絡(luò)和IC卡界面；內(nèi)藏波形顯示功能，工件位置坐標(biāo)及中心點測量功能； 緩沖區(qū)修正機能擴展：可對應(yīng)IC卡/計算機鏈接B/DNC/記憶/MDI等模式；簡易式對話程序軟件（使用APLC所開發(fā)之Magicpro-NAVI MILL對話程序）；可對應(yīng)Windows95/98/2000/NT4.0/Me的PLC開發(fā)軟件；特殊G代碼和固定循環(huán)程序，如G12/13 、G34/35/36、 G37.1等。（2) EZMotion-NC E60 內(nèi)含64位CPU的高性能數(shù)控系統(tǒng)，采用控制器與顯示器一體化設(shè)計，實現(xiàn)了超小型化；伺服系統(tǒng)采用薄型伺服電機和高分辨率編碼器（131,072脈沖/轉(zhuǎn)），增量/絕對式對應(yīng)；由參數(shù)選擇車床或銑床的控制軟件，簡化維修與庫存； 全部軟件功能為標(biāo)準(zhǔn)配置；標(biāo)準(zhǔn)具備1點模擬輸出接口，用以控制變頻器主軸； 可使用三菱電機MELSEC開發(fā)軟件GX-Developer，簡化PLC梯形圖的開發(fā)；可采用新型2軸一體的伺服驅(qū)動器MDS-R系列，減少安裝空間；開發(fā)伺服自動調(diào)整軟件，節(jié)省調(diào)試時間及技術(shù)支援之人力。（3）MELDAS C6 滿足生產(chǎn)線部件加工要求，提高了可靠性，縮短了故障時間；對應(yīng)多種三菱FA網(wǎng)絡(luò)：MELSECNET/10、以太網(wǎng)和CC-LINK，實現(xiàn)了以10M/100Mbps的速度進行高速、大容量的數(shù)據(jù)通訊，進一步提高生產(chǎn)線的加工效率； NC內(nèi)藏PLC機能強化：GX-Developer對應(yīng)；指令種類充實；多個PLC程序同時運行；運行中PLC程序修改；多系統(tǒng)PLC接口信號配置等；專機用PLC指令擴充：增加了ATC、 ROT、 TSRH、 DDBA、 DDBS指令，簡化了PLC程序設(shè)計；數(shù)控功能強化、多軸、多系統(tǒng)對應(yīng)。
4.1.1.4廣州數(shù)控(GSK)系統(tǒng)
中國南方數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地，廣東省20家重點裝備制造企業(yè)之一，中國國家863重點項目《中檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化支撐技術(shù)》承擔(dān)企業(yè)，擁有中國最大的數(shù)控機床連鎖超市。公司秉承科技創(chuàng)新、追求卓越品質(zhì)，以提高用戶生產(chǎn)力為先導(dǎo)，以創(chuàng)新技術(shù)為動力，為用戶提供GSK全系列機床控制系統(tǒng)、進給伺服驅(qū)動裝置和伺服電機、大功率主軸伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服電機等數(shù)控系統(tǒng)的集成解決方案，積極推廣機床數(shù)控化改造服務(wù)，開展數(shù)控機床貿(mào)易。GSK擁有國內(nèi)最大的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)基地，中國一流的生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程，科學(xué)規(guī)范的質(zhì)量控制體系保證每套產(chǎn)品合格出廠。GSK產(chǎn)品批量配套全國五十多家知名機床生產(chǎn)企業(yè)，是中國主要機床廠家數(shù)控系統(tǒng)首選供應(yīng)商。 （1）GSK980T車床數(shù)控系統(tǒng)（CNC），于1998年推出的普及型數(shù)控系統(tǒng)。作為經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的升級換代產(chǎn)品，GSK980T具有以下技術(shù)特點：采用高級處理器（CPU）和可編程門陣列（PLD）進行硬件插補，實現(xiàn)高速μm級控制，采用四層線路板，集成度高，整機工藝結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，液晶（LCD）中文顯示、界面友好、操作方便，加減速可調(diào)，可配套步進驅(qū)動器或伺服驅(qū)動器，可變電子齒輪比，應(yīng)用方便 （2）GSK928TC車床數(shù)控系統(tǒng)：GSK928TC為經(jīng)濟型μm級車床數(shù)控系統(tǒng)，采用大規(guī)模門陣列（CPLD）進行硬件插補，真正實現(xiàn)了高速μm級控制。使用圖形液晶顯示器（LCD），中文菜單及刀具軌跡圖形顯示，界面友好。加減速時間可調(diào)，可適配反應(yīng)式步進系統(tǒng)、混合式步進 ，系統(tǒng)或交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成不同檔次的車床數(shù)控系統(tǒng)。（3）GSK980i車床數(shù)控系統(tǒng)：GSK980i車床數(shù)控系統(tǒng)（CNC）為新近推出的中高檔數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)率先采用以DSP運動控制芯片為核心、以嵌入式結(jié)構(gòu)PC為平臺（PC-BASED）的新一代數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DSP和主CPU并行處理機制，具有較高的動態(tài)跟蹤精度和良好的加工性能，可作為經(jīng)濟型數(shù)控的升級換代產(chǎn)品。GSK980i系統(tǒng)具有以下特點：四個獨立的伺服電機連接口可實現(xiàn)兩軸聯(lián)動和四軸的全閉環(huán)控制 ，獨立主軸通道可連接模擬量主軸（0-10V）或伺服主軸，具有一個可帶512點的串行I/0接口 ，完全的速度環(huán)控制系統(tǒng)，高速、高精度、高效率 ，中、英文界面可選，圖形、坐標(biāo)、代碼實時跟蹤，全功能代碼編輯器，編輯大小不受限制，直觀的MDI輸入控制，方便直接的系統(tǒng)參數(shù)配置，PLC梯形圖輸入（選配），在線代碼幫助體系故障診斷。
4.1.1.5華中數(shù)控系統(tǒng)簡介
華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司成立與1995年，由華中理工大學(xué)，中國國家科技部，湖北省，武漢市科委，武漢市東胡高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，香港大同工業(yè)設(shè)備有限公司等政府部門和企業(yè)共同投資組建。近幾年來，公司都以300%的速度迅猛發(fā)展。 公司在“八五”期間，承擔(dān)了多項國家數(shù)控攻關(guān)重點課題，取得了一大批重要成果。其中“華中I型數(shù)控系統(tǒng)”在中國率先通過技術(shù)鑒定，在同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，被專家評定為“重大成果”、“多項創(chuàng)新”、“國際先進”。該項目同時還獲得了中國國家863的重點支持。1997年，華中I型數(shù)控系統(tǒng)被國家科技部列入1997年度中國國家新產(chǎn)品計劃（742176163004）”和“九五國家科技成果重點推廣計劃指南項目（98020104A）”。（1）華中I型(HNC-1)高性能數(shù)控系統(tǒng)主要特點：1）以通用工控機為核心的開放式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用基于通用32位工業(yè)控制機和DOS平臺的開放式體系結(jié)構(gòu)，可充分利用PC的軟硬件資源，二次開發(fā)容易，易于系統(tǒng)維護和更新?lián)Q代、可靠性好。2）獨創(chuàng)的曲面直接插補算法和先進的數(shù)控軟件技術(shù)，處于國際領(lǐng)先水平的曲面直接插補技術(shù)將目前CNC上的簡單直線, 圓弧差補功能提高到曲面輪廓的直接控制，可實現(xiàn)高速、高效和高精度的復(fù)雜曲面加工。采用漢字用戶界面，提供完善的在線幫助功能，具有三維仿真校驗和加工過程圖形動態(tài)跟蹤功能，圖形顯示形象直觀。3）系統(tǒng)配套能力強 公司具備了全套數(shù)控系統(tǒng)配套能力。系統(tǒng)可選配本公司生產(chǎn)的HSV-11D交流永磁同步伺服驅(qū)動與伺服電機、HC5801/5802系列步進電機驅(qū)動單元與電機、HG.BQ3-5B三相正弦波混合式驅(qū)動器與步進電機和國內(nèi)外各類模擬式、數(shù)字式伺服驅(qū)動單元。（2）華中-2000型高性能數(shù)控系統(tǒng) ;是面向21世紀(jì)的新一代數(shù)控系統(tǒng) 華中-2000型數(shù)控系統(tǒng) (HNC-2000) 是在國家八· 五科技攻關(guān)重大科技成果----華中I型(HNC-1)高性能數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的高檔數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用通用工業(yè)PC機、TFT真彩色液晶顯示器，具有多軸多通道控制能力和內(nèi)裝式PLC，可與多種伺服驅(qū)動單元配套使用。具有開放性好、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、
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