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學(xué)士學(xué)位論文
小型雕刻機(jī)設(shè)計
摘 要
機(jī)電一體化技術(shù)綜合了機(jī)械、電子、自動控制、信息、傳感器、電力電子、信號變換接口和軟件編程等技術(shù)，并且把這些通用型技術(shù)整合到一起，結(jié)合成一個整體，也是現(xiàn)如今機(jī)械工業(yè)技術(shù)必須發(fā)展的也將成為國內(nèi)外的發(fā)展主流。小型雕刻機(jī)就是在這種大環(huán)境下產(chǎn)生的一種代表性的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在工藝品的制作與生產(chǎn)行業(yè)中擁有有較大的市場。
本課題通過分析國內(nèi)雕刻機(jī)與國外雕刻機(jī)的差距以及各自的特點，定義了雕刻機(jī)的功能和使用范圍，規(guī)劃了雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)布局，詳細(xì)設(shè)計了主軸運動和X、Y向進(jìn)給運動結(jié)構(gòu)，以及工作臺、支撐柱等輔助結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了雕刻機(jī)的運動過程，實現(xiàn)了其功能。
本文設(shè)計的小型雕刻機(jī)，其具有精度高，一致性好，一機(jī)多用的特點，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可用于工藝品雕刻加工的同時，又具有銑削鉆孔等功能。
關(guān)鍵詞 雕刻機(jī)；伺服電機(jī)；機(jī)電一體化
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Small Engraving Machine Design
Abstract
Mechatronics combines mechanics, electronics, automatic control, information, sensors, power electronics, signal conversion interface and software programming techniques, and these versatile technologies integrated together, combined into a whole, is now Machinery Industrial Technology must develop will become the mainstream of development at home and abroad. Small engraving machine is a kind of typical in this environment produces mechatronic products, handicraft production and production industry has a larger market.
The issue by analyzing the gap between domestic engraving machine and foreign engraving machine as well as their characteristics, defines the function and use of engraving machine, planning the structure and layout engraving machine, detailed design of the spindle movement and X, Y direction feed motion structure , and an auxiliary table structure, support columns, etc., and on this basis, it elaborated engraving machine movement to achieve its function.
This design of small engraving machine, which has a high accuracy, consistency, and a multi-purpose machine, which is widely applied in the field, can be used to carving crafts processing, but also has milling and drilling functions.
Keywords Engraving machine, servo motor, mechatronics
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目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 小型雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.1 小型雕刻機(jī)的概念 2
1.2.2 小型雕刻機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展 3
1.2.3 小型雕刻機(jī)的特點 3
1.2.4 研究雕刻機(jī)的目的和意義 4
1.3 本章小結(jié) 4
第2章 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
2.1 雕刻機(jī)的系統(tǒng)組成 5
2.2 雕刻機(jī)的整體布局 5
2.3 進(jìn)給結(jié)構(gòu) 8
2.4 主軸結(jié)構(gòu) 12
2.5 支撐結(jié)構(gòu) 13
2.5.1 支架設(shè)計 13
2.5.2 工作臺設(shè)計 14
2.5.3 底座設(shè)計 15
2.6 本章小結(jié) 15
第3章 小型雕刻機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)計算 16
3.1 設(shè)計指標(biāo) 16
3.2 切削力、扭矩和功率的計算 17
3.3 進(jìn)給運動的計算 20
3.3.1 滾珠絲杠副的計算 20
3.3.2 滾珠絲杠的計算 22
3.3.3 工作臺電機(jī)的選擇 24
3.4 本章小結(jié) 26
結(jié)論 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
第1章 緒論
1.1 課題背景
以大機(jī)器生產(chǎn)為主流的社會生產(chǎn)形式形成以來，機(jī)器生產(chǎn)代替手工勞動不僅使產(chǎn)品數(shù)量與日俱增，而且，更使產(chǎn)品質(zhì)量大為提高。與人口增長及其生產(chǎn)和生活訴求相一致，大機(jī)器生產(chǎn)在各個領(lǐng)域中普及逐漸成為全球的共識。作為傳統(tǒng)手工藝制作的各種雕刻業(yè)，采用機(jī)器制作也需與時俱進(jìn)。
盡管機(jī)器雕刻使手工藝品失去了自然特性及其人文特征，但是，它在降低勞動強(qiáng)度與提高勞動效率方面占有絕對優(yōu)勢，尤其產(chǎn)品的精確度明顯提高。故此，研發(fā)、生產(chǎn)及采用發(fā)展小型機(jī)器替代手工勞動，成為時代的主流。
隨著中國改革開放不斷向著縱深發(fā)展與傳統(tǒng)手工藝的產(chǎn)業(yè)化趨勢，在各種手工業(yè)制作行業(yè)有效地采用小型機(jī)械，成為社會發(fā)展的客觀要求。這樣，在我國傳統(tǒng)雕刻手工藝行業(yè)中積極推廣與使用小型雕刻機(jī)，就成為一種時代需要。
然而，由于各種因素，主要是技術(shù)因素的影響，小型雕刻機(jī)的生產(chǎn)和利用一直被捆綁著手腳。其主要原因，一是為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的小型雕刻機(jī)一直在中外合作的框架下發(fā)展。如上海洛克公司生產(chǎn)的威客雕刻機(jī)、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的雕刻機(jī)等，均是這樣的混血兒。二是國內(nèi)生產(chǎn)的各類小型雕刻機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)簡單，又采用了基于微控制或PC的控制系統(tǒng)，伺服部分主要是伺服電機(jī)細(xì)分驅(qū)動，屬于中等控制精度，故此，不能達(dá)到高精度的要求。三是國外小型雕刻機(jī)普遍采用現(xiàn)代的技術(shù)及其制作材料，精度高、操作安全等，與之相比，國產(chǎn)同類產(chǎn)品捉襟見肘。因此，對于高精度的雕刻加工，我國都沒有擺脫受制于人枷鎖束縛。
為了徹底扭轉(zhuǎn)這種受制于人的局面，雕刻機(jī)研發(fā)與設(shè)計成為勢在必行的大事：本設(shè)計企圖完成的雕刻機(jī)，其機(jī)床結(jié)構(gòu)剛高度好、精度高，并采用伺服電機(jī)驅(qū)動，而且加工精度高，控制系統(tǒng)功能安全可靠，只有這樣，中國小型雕刻機(jī)才能跟上國際工業(yè)化的步伐[1-3]。
1.2 小型雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 小型雕刻機(jī)的概念
雕刻加工不僅源遠(yuǎn)流長，而且內(nèi)容豐富，因而成為傳統(tǒng)手工藝中重要的文化長夜之一。從傳統(tǒng)意義上看，雕刻加工是一項技術(shù)性要求比較高的手工藝制作業(yè)，制品的質(zhì)量集中反映著手工藝人技藝水平；另外，由于個人手工制作，故此，一件產(chǎn)品的生產(chǎn)周期十分長，換言之，傳統(tǒng)手工雕刻產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低，成本及其價格十分昂貴；還有，傳統(tǒng)手工雕刻工藝品完全反映工藝師技術(shù)及其意愿，這樣，它在具有個性化的同時隱藏著極大隨意性，這也是產(chǎn)品不能得到同一的關(guān)鍵所在?？傊c現(xiàn)代生產(chǎn)和生活需要具有相當(dāng)大的差距。
雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)、形式，乃至大小等，受到其使用范圍的影響，這便構(gòu)成雕刻機(jī)的功能。也就是說，雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)、形式受到它功能的制約。這樣，根據(jù)功能，雕刻機(jī)可分為二維平面雕刻、三維立體雕刻和全自由度空間雕刻等主要類型。當(dāng)然，相較說來，全自由度空間雕刻機(jī)適用范圍較廣，它既可以用于簡單雕刻，更主要的是對于一些形狀復(fù)雜的工藝品或大型藝術(shù)作品的雕刻工作，如冰雕、沙雕、玉雕以及木雕工藝品等作品的制作，也能勝任，但是，由于技術(shù)制約，直到目前為止，此類制品還遠(yuǎn)不能被制作完成。與之相比，前兩種雕刻機(jī)已經(jīng)在實踐中得到推廣與利用，并且，有看好的發(fā)展前景。
在現(xiàn)代社會環(huán)境中，不論從生產(chǎn)角度看，還是從消費角度看，小型雕刻機(jī)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。小型雕刻機(jī)是現(xiàn)代機(jī)械化需求的必然產(chǎn)物，它替代手工生產(chǎn)與制作，不僅在生產(chǎn)技術(shù)上是一個巨大的進(jìn)步，同時在滿足歷史與現(xiàn)實緊密結(jié)合中有著重要的意義。在現(xiàn)代自動化為主趨勢的社會環(huán)境中，小型雕刻機(jī)通過自動控制系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機(jī)運行，實現(xiàn)以自動化為模式的雕刻加工，這是現(xiàn)代雕刻機(jī)的設(shè)計核心。毫無疑問，這種小型雕刻機(jī)不僅徹底改變了傳統(tǒng)上以手工雕刻為主的雕刻制作，而且具有生產(chǎn)效率高、成品率高、加工精度高、可以復(fù)制，以及對零件的適應(yīng)性強(qiáng)等明顯優(yōu)勢；同時，這類雕刻機(jī)設(shè)計借助計算機(jī)之 CAD/CAM軟件構(gòu)成了一個相對完整的自動控制系統(tǒng)。
為了很好的利用及發(fā)展這種雕刻機(jī)的社會作用，這種小型雕刻機(jī)可以在不同行業(yè)中進(jìn)行具有針對性的應(yīng)用及研發(fā)，就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，這種小型雕刻機(jī)可被劃分為模具雕刻機(jī)、木工雕刻機(jī)、等多種類型。
在性能上，因制作和加工對象的不同，對雕刻機(jī)的設(shè)計及要求也不同，特別是對其機(jī)床和控制系統(tǒng)的要求，成為整個要求的焦點。例如，對模具雕刻機(jī)而言，由于它以加工金屬材料為主，故此，需要剛性較強(qiáng)的機(jī)床本體，不僅如此，因為此類雕刻機(jī)主要用于制作模具，要求精度高，所以這類雕刻機(jī)更需要精度較高的又加工系統(tǒng)；相比之下，用于廣告制作的雕刻機(jī)，可以適當(dāng)降低這些技術(shù)指標(biāo)。然而，并非沒有立足點，這個共同點就是雕刻刀，研究發(fā)現(xiàn)：每次切削的有效面積比較小，所以雕刻零件的刀具運動軌跡就會很長，加工時間也會很長。故此，提高雕刻機(jī)的刀具運行速度對縮短工件的雕刻時間、提高加工的效率具有很重要的意義。
總而言之，雕刻機(jī)的劃分及其設(shè)計必須結(jié)合實際需要而進(jìn)行，才能使其更加符合實際需要，才能贏得很好的社會效應(yīng)[4-8]。
1.2.2 小型雕刻機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展
小型雕刻機(jī)根據(jù)需要進(jìn)行必要的分類，但是，由于生產(chǎn)技術(shù)難以突破，至今仍然不能形成巨細(xì)和合理的產(chǎn)品系列。也就是說，在現(xiàn)代雕刻領(lǐng)域中，雕刻機(jī)的種類仍然不能滿足各種生產(chǎn)需要。這為技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)留有廣闊的天地。現(xiàn)存雕刻機(jī)僅僅能適應(yīng)簡單的雕刻，諸如刻字、簡單的幾何形體雕刻等，至于復(fù)雜的造型，就很難采用這種雕刻機(jī)了。從傳統(tǒng)工藝品與現(xiàn)代產(chǎn)品的造型形象及其特征看，采用雕刻機(jī)完成生產(chǎn)制作具有極大的現(xiàn)實意義。不僅省工省力、降低成本與提高經(jīng)濟(jì)價值，而且，產(chǎn)品做工精細(xì)，產(chǎn)品質(zhì)量高，便于人們使用等。
隨著中國國內(nèi)市場需求的不斷增長與市場供應(yīng)不足矛盾的彰顯，迫切需要從理論到實踐，尤其生產(chǎn)上解決技術(shù)難關(guān)，積極研發(fā)各種類型的小型雕刻機(jī)[9-10]。
1.2.3 小型雕刻機(jī)的特點
本課題設(shè)計的小型雕刻機(jī)有一下特點：
1. 自動化程度高，便于操作。由于采用數(shù)控技術(shù)和計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，對于工件的雕刻，其全部過程都是小型雕刻機(jī)自動完成的。
2. 產(chǎn)品的結(jié)體合理，精度高，并且能夠取得整齊劃一。小型雕刻機(jī)的雕刻過程是由計算機(jī)控制完成，可以達(dá)到相對較高的精度和表面質(zhì)量，而且能夠達(dá)到批量加工的目的，換言之，就是產(chǎn)品整齊劃一。
3. 適用性強(qiáng)的特點。只需要改變雕刻機(jī)控制程序，小型雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕等各種復(fù)雜的曲面，甚至，可以采用不同刀具，以適應(yīng)不同部位造型的需要，直至雕刻出富有創(chuàng)意產(chǎn)品。
4. 雕刻機(jī)功能的衍生性，即小型雕刻機(jī)同時有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊以及加工小模具，性價比高[11]。
1.2.4 研究雕刻機(jī)的目的和意義
近現(xiàn)代以來，隨著中國工業(yè)化的進(jìn)程，盡管機(jī)械工業(yè)已經(jīng)有了較大的發(fā)展，但是，由于各種主客觀因素的影響，特別是受到科學(xué)技術(shù)的制約，致使我國的機(jī)械工業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與西方發(fā)達(dá)國家依然相差甚遠(yuǎn)。因此，在我國，在機(jī)械領(lǐng)域迎頭趕上世界先進(jìn)水平，實現(xiàn)機(jī)電一體化，成為時代主流與機(jī)械工業(yè)發(fā)展的大勢所趨。
所謂機(jī)電一體化，是指將機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合的新型技術(shù)是機(jī)械技術(shù)，它的核心內(nèi)容包括機(jī)械、電子、計算機(jī)和自動控制等技術(shù)。
機(jī)電一體化是一個系統(tǒng)工程，以計算機(jī)及其數(shù)控技術(shù)為核心，將傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)到自動化的程度，不僅提高勞動效率，而且降低勞動強(qiáng)度，并實現(xiàn)更加精確的設(shè)計與生產(chǎn)計劃。20世紀(jì)末期，世界上各個國家都努力發(fā)展這一技術(shù)，以提高各自的綜合實力水平以及機(jī)械技術(shù)水平，實現(xiàn)整體水平的新高度發(fā)展與突破向智能化的方向發(fā)展。這不僅是世界工業(yè)化的新特征，更是時代賦予人類的生產(chǎn)與生活的新模式：世界各國爭相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)使人們生活逐漸步入自動化時代使經(jīng)濟(jì)效益得到飛速發(fā)展。因此，在中國實現(xiàn)機(jī)電一體化，既是中華民族從傳統(tǒng)工業(yè)走向現(xiàn)代化的必經(jīng)之路，也是我國機(jī)械工業(yè)趕超世界強(qiáng)國的必由之路[12-13]。
1.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了本設(shè)計的課題背景，我國雕刻行業(yè)主要以手工雕刻為主并且國產(chǎn)雕刻機(jī)的雕刻精度較低，高端雕刻機(jī)多數(shù)是從國外進(jìn)口。在此基礎(chǔ)上又介紹了本課題設(shè)計的小型雕刻機(jī)的特點、應(yīng)用領(lǐng)域以及研究小型雕刻機(jī)的目的和意義。
第2章 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 雕刻機(jī)的系統(tǒng)組成
小型雕刻機(jī)工作原理是一個三維控制系統(tǒng)，工作原理如圖2-1所示：
圖2-1小型雕刻機(jī)工作原理
在計算機(jī)內(nèi)安裝專用的圖形和文字設(shè)計排版軟件，將這些需要加工的文字或圖案信息分析處理自動整合出加工路徑，然后再通過計算機(jī)USB將生成的工件加工路線信息傳遞給控制系統(tǒng)，然后控制系統(tǒng)接收工件加工路徑數(shù)據(jù)，再把所要加工的形狀整合出來顯示在計算機(jī)屏幕上，若用戶滿意完，就用特定的算法將這些信息轉(zhuǎn)化為控制信息，由于電機(jī)是靠脈沖信號控制的所以還要控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機(jī)的信號，通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度來控制雕刻機(jī)X軸、Y軸和Z軸的走刀。同時，雕刻機(jī)的電主軸進(jìn)行銑削，即可雕刻出預(yù)想的圖案或文字[14]。
2.2 雕刻機(jī)的整體布局
機(jī)械結(jié)構(gòu)作為小型雕刻機(jī)的硬件部分，直接決定了雕刻機(jī)的工作生產(chǎn)能力以及加工效果。正因為如此，對小型雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)下面要求進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)計。
1. 首先必須滿足雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；其次滿足電機(jī)一體化的工作范圍與加工精度，以提高生產(chǎn)效率，乃至確保經(jīng)濟(jì)性等多種要求。
2. 確保小型雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)必須滿足其加工精度，確保雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度、抗震性和抗熱變形等穩(wěn)定。
3. 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)必須適應(yīng)加工過程的直觀可視，操作方便，調(diào)整和維修方便，運送和裝卸工件方便。
4. 結(jié)構(gòu)簡約，布局合理，方便裝配，便于操作與具有較強(qiáng)的安全性等[15]。
雕刻機(jī)不僅要滿足總體布局的基本要，還要滿足其他外界影響雕刻機(jī)布局的因素：
1.注意表面的形成運動影響。
通常情況下，需要采用不同的刀具與不同的加工方式對雕刻對象進(jìn)行不同的處理，這樣，在工件表面形成的運動方式和運動路線就不同，而出現(xiàn)不同的工作布局方式。如果出現(xiàn)類似外形的工作表面，那么也一定會有對技術(shù)和生產(chǎn)效率等不同的要求，為此，對應(yīng)不同的加工工件表面和不同的加工加工方式選用不同種類的刀具。由此可見，雕刻機(jī)的布局形式也受到工件表面形狀的影響，而且小型雕刻機(jī)的布局形式也是為加工工件表面二設(shè)計的。
2.注意雕刻機(jī)運動布局分配的影響。
雕刻機(jī)伺服電機(jī)驅(qū)動控制機(jī)頭加工工件的雕刻路線相同及加工相同的工件，但是在這種情況下有時也會出現(xiàn)雕刻機(jī)頭分配不同的運動路線的情況，這種情況也會影響雕刻機(jī)的布局，使雕刻機(jī)出現(xiàn)不同的布局。故此，在設(shè)計雕刻機(jī)運動分配的時候，必須做到以下幾點：移動部件的重量要相對較輕，因為一般情況下，減輕了移動部件的重量，就降低了電機(jī)提供的功率以及傳動件的尺寸也越小；應(yīng)有利于提高加工精度；應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)剛度，縮小占地面積 [16-17]。
另外雕刻機(jī)本身性質(zhì)要求對工件影響也很大，如工作時自身產(chǎn)生的運動、刻刀與工件摩擦產(chǎn)生的噪聲、集體發(fā)熱還會導(dǎo)致熱變形以及自身剛度和抗震性的影響。經(jīng)過查看相關(guān)書籍以及上網(wǎng)查詢資料得知雕刻機(jī)布局形式通常采用如圖2-2所示的兩種方案：
（a）工作臺固定式 （b）立柱固定式
圖2-2雕刻機(jī)的布局形式
上述這兩種情況的布局方式都是仿照龍門結(jié)構(gòu)形狀的框架結(jié)構(gòu)，兩種形式的共同特點在于結(jié)構(gòu)的剛度都比較高。而其不同點在于在方案(a)布局中，是把工作臺與機(jī)架固定在一起，雕刻機(jī)頭在電機(jī)的作用下根據(jù)要求作左右和上下移動，支架在Z向電機(jī)的作用下作前后移動。這種工作臺固定形式的的優(yōu)點在于對雕刻機(jī)縱向長度不同的工件加工都能適應(yīng)，而且由于工作臺直接與機(jī)架固定，所以承重能力較好。另外，在批量加工較長工件時，若要支撐點高度相同，可以調(diào)整支架便于達(dá)到目的。但，雕刻頭運動過程中振動幅度較大所以難以保證加工精度。
方案(b)中布局，與方案（a）最大的不同就是把立柱固定，雕刻頭在電機(jī)的作用下根據(jù)工作需要作左右和上下移動，工作臺在Z向電機(jī)的作用下作前后移動。由于這種設(shè)計是把立柱固定工作臺承載著加工工件移動，所以承載能力與布局(a)方案相比較差。如果是用于加工較輕的工件，采用方案（b）這種設(shè)計所需軸向力和傳動件的尺寸較小，且移動方便。如果是進(jìn)行批量加工外伸支架支撐縱向長工件，支點高度相同，所以支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)與 布局(a)方案相比會稍微復(fù)雜。而這種設(shè)計方案的最大優(yōu)點就在于雕刻頭前后運動時震動較小，能保證加工精度[18-20]。
通過比較兩種方案，顯而易見，根據(jù)雕刻機(jī)加工的工件須偏小又充分考慮到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原則、結(jié)構(gòu)的基本要求、影響結(jié)構(gòu)布局的基本因素，可采用布局(b)的方案。
小型雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)，由以下幾部分組成:
1.底座部分，支撐和固定小型雕刻機(jī)，承擔(dān)整個雕刻機(jī)的重量，要求穩(wěn)定堅固。底座的四角又與地面連接進(jìn)一步提高雕刻機(jī)的穩(wěn)定性。
2.工作臺部分，由T型槽臺、Y軸方向的絲杠和導(dǎo)軌組成，由絲杠驅(qū)動，導(dǎo)軌導(dǎo)向，是用來放置并固定工件的， T形槽工作臺作為工作臺，其特點是精度穩(wěn)定不易變形、耐磨性好。
3.橫梁部分，由X向的絲杠和導(dǎo)軌組成。光軸導(dǎo)軌除了導(dǎo)向作用之外還起到承載機(jī)頭重量的作用，絲杠的旋轉(zhuǎn)運動帶動機(jī)頭運動。
4.機(jī)頭部分，由主軸結(jié)構(gòu)和Z方向的絲杠和導(dǎo)軌組成。電機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠的旋轉(zhuǎn)運動帶動主軸結(jié)構(gòu)運動，主軸結(jié)構(gòu)在工作時電主軸作高速銑削運動。
2.3 進(jìn)給結(jié)構(gòu)
進(jìn)給結(jié)構(gòu)是由伺服電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)組成。其作用是接收控制系統(tǒng)發(fā)出的指令按照這些指令運行驅(qū)動雕刻機(jī)走刀，可以根據(jù)按照合成信號精確地控制指令的執(zhí)行單元的速度和位置，以及執(zhí)行軌跡的幾個執(zhí)行結(jié)構(gòu)的運動軌跡。
下面是進(jìn)給結(jié)構(gòu)的機(jī)械部分和電機(jī)部分。進(jìn)給運動方式如下：
把工件固定在工作臺上，由于雕刻機(jī)的布局工作臺移動立柱固定的形式所以工件隨著工作臺做Y方向的進(jìn)給運動，機(jī)頭在X方向電機(jī)和絲杠的驅(qū)動下做進(jìn)給運動，與此同時電主軸做高速銑削運動，并且在Z方向做上下運動。雕刻機(jī)就是這樣雕刻出預(yù)想的文字和圖案。
在絲杠的驅(qū)動下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下機(jī)頭沿X方向的左右運動，如圖2-3所示：
圖2-3 雕刻機(jī)X方向進(jìn)給圖
在絲杠的驅(qū)動下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下工作臺沿Y方向前后運動，如圖 2-4所示：
圖2-4雕刻機(jī)Y方向的進(jìn)給圖
在絲杠的驅(qū)動下和在光軸導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下機(jī)頭沿Z向上下運動，如圖2-5所示：
圖2-5 雕刻機(jī)Z方向進(jìn)給圖
為保證雕刻運動穩(wěn)定工作加工和雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)嚴(yán)瑾，雕刻機(jī)的各傳動鏈全部使用滾珠絲杠副。用聯(lián)軸器把絲杠的一端與電機(jī)軸連在一起，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動與其連接的絲杠轉(zhuǎn)動，這樣就把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動。用軸承把絲杠的另一端固定在機(jī)架上。電動機(jī)的轉(zhuǎn)動步數(shù)是由指令脈沖數(shù)控制的，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是由高低電平控制的，電機(jī)的轉(zhuǎn)動快慢是由脈沖信號的頻率控制。而且伺服電機(jī)具有以下特點：
1.控制位置功能，電機(jī)需要轉(zhuǎn)動多少角度，就發(fā)送出多少具體的脈沖數(shù)量。
2.無極調(diào)速功能，如果要改變電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的快慢，可通過改變發(fā)送脈沖的速率來實現(xiàn)。
3.正/反、急停及自鎖功能，如果要伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，可以通過控制電平的高低來實現(xiàn)，在伺服電機(jī)鎖定的情況下仍然輸出靜止力矩。
4.低轉(zhuǎn)速和高精度位置功能，可通過控制脈沖速度把電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到極低，而且中間不需要再通過連接減速器，這樣就使功率的損耗和角度位置的偏差減少了很多，提高了控制精度。
5.壽命長，電機(jī)軸與絲杠連接不需要通過電刷和換相器換相，直接用套筒聯(lián)軸器連接，從而減少了摩擦，增長了使用壽命，如圖2-6所示：
圖2-6 絲杠與電機(jī)軸的連接
套筒聯(lián)軸器用于聯(lián)接絲桿與電機(jī)，采用套筒聯(lián)軸器連接的固定精度相對較高，其特點在于：可連接小型軸、轉(zhuǎn)動慣量小以及適用于高速旋轉(zhuǎn)運動的連接； 提高絲杠與電機(jī)軸連接的強(qiáng)度；采用銷連接的方式連接，在較高轉(zhuǎn)動速度時仍可保持穩(wěn)定運行。如圖2-7所示：
（a）套筒聯(lián)軸器平面圖 （b）套筒聯(lián)軸器實體圖
圖2-7套筒聯(lián)軸器
導(dǎo)軌的作用是使運動部件按照規(guī)定的軌跡運動，從而保證了各部件的相對位置精度，在很大程度上決定雕刻機(jī)的精度與精度保持性，如圖2-8所示：
2-8光軸導(dǎo)軌
X和Y向，安裝一對圓柱形導(dǎo)軌在絲杠的兩側(cè)，其作用是可以幫助絲杠分擔(dān)所機(jī)頭、工作臺和工件所給的壓力。圓柱形導(dǎo)軌加工容易，剛度好。
雖然Z向絲杠不承受向下的壓力，但是為保證Z向精度，在Z向絲杠的兩側(cè)也安裝兩個光軸導(dǎo)軌。Z向電主軸的定位是依靠伺服電機(jī)的自鎖功能來實現(xiàn)的。
把光軸導(dǎo)軌的兩端用螺母固定在雕刻機(jī)支架上，并且與導(dǎo)軌套形成移動副，如圖2-9所示：
圖2-9 絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式
通過絲杠副把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動的特性形成相對運動實現(xiàn)傳動；與工作臺固定連接，然后相對于Y向絲杠做直線運動；與機(jī)頭支架固定連接，同理與Z向絲杠形成移動副帶動機(jī)頭做上下移動[13]。
2.4 主軸結(jié)構(gòu)
雕刻機(jī)主軸部分用螺釘固定在Z向的連接板上，利用電主軸高速轉(zhuǎn)動，帶動刀具做切削雕刻運動。
近些年來我國科技不斷發(fā)展進(jìn)步，使雕刻機(jī)以及加工中心的核心部分主軸也得到迅速發(fā)展。使得主傳動機(jī)構(gòu)得到非常大的提高，并且逐漸把帶傳動和齒輪傳動的形式向電主軸的形式轉(zhuǎn)化，機(jī)床主軸由機(jī)床電動機(jī)直接驅(qū)動，從而使較長的傳動鏈形式逐漸被淘汰，使機(jī)床主運動部分不在需要傳動鏈形式傳動，這種結(jié)構(gòu)就是電主軸。本雕刻機(jī)應(yīng)用電主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到18000r／min，如圖2-10所示：
圖2-10電主軸實體圖
2.5 支撐結(jié)構(gòu)
2.5.1 支架設(shè)計
支架用來支撐進(jìn)給結(jié)構(gòu)并且保證進(jìn)給結(jié)構(gòu)與工作臺的相對位置精度，并且承載這各種動態(tài)力和靜態(tài)力以保證小型雕刻機(jī)整體穩(wěn)定性，如圖2-11所示：
圖2-11雕刻機(jī)支架
2.5.2 工作臺設(shè)計
工作臺的作用是用來放置并固定工件的，在設(shè)計工作臺的時候，從整體的剛度和經(jīng)濟(jì)性來考慮，并且按照機(jī)床的工作臺、絲桿、光軸導(dǎo)軌的長度來決定小型雕刻機(jī)整體的大小，選用T形槽工作臺作為工作臺，其特點是精度高、穩(wěn)定不易變形、耐磨性好、價格便宜。本次設(shè)計的工作臺長800mm寬800mm如圖3-1所示：
(a)工作臺實體圖
（b）工作臺平面圖
圖2-11工作臺
2.5.3 底座設(shè)計
底座的作用是起支撐和固定小型雕刻機(jī)的作用。底座的四角又與地面連接進(jìn)一步提高小型雕刻機(jī)的穩(wěn)定性。設(shè)計的底座稍微大一點，目的是使機(jī)床穩(wěn)定性更強(qiáng)。底座材質(zhì)為45號剛，底座尺寸1700x1300x12。如圖3-2所示：
圖3-2 雕刻機(jī)底座
2.6 本章小結(jié)
本章主要分析了小型雕刻機(jī)的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計：采用了龍門式框架結(jié)構(gòu)雕刻機(jī)頭做橫向和上下移動工作臺做縱向移動。在此基礎(chǔ)之上有介紹了進(jìn)給結(jié)構(gòu)：X軸方向、Y軸方向Z軸方向進(jìn)給結(jié)構(gòu)；主軸結(jié)構(gòu)：采用電主軸；支撐結(jié)構(gòu)：支架、工作臺和底座。
第3章 小型雕刻機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)計算
3.1 設(shè)計指標(biāo)
主運動系統(tǒng)中的電主軸，是小型雕刻機(jī)的核心部件之一，確定電主軸的型號和參數(shù)，以及給出結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)計算與校核。除應(yīng)滿足的要求外，還應(yīng)滿足一下要求：
1. 設(shè)法滿足最大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級變速。
小型雕刻機(jī)工作的時候一定要保證切削用量在合理范圍內(nèi)，這樣才能保證刀具充分發(fā)揮其性能，使生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量得到保證，還有就是必須保證電主軸的轉(zhuǎn)速足夠快以便于提高雕刻速度提高生產(chǎn)率。電主軸好要有更大的調(diào)速范圍且必須保證加工的步驟相對集中即只建立一次安裝固定工件就能完成許多步加工步驟。
2. 具有較高的精度和剛度。
只有設(shè)法提高主運動結(jié)構(gòu)的剛度，才能使雕刻機(jī)工作相對穩(wěn)定，才能提高雕刻機(jī)的加工精度，保證工件質(zhì)量。為此，首先要保證傳動件的精度與剛度，只有保證了傳動件的性能才能使傳動相對穩(wěn)定，可以采用高頻加熱淬火的方式增強(qiáng)傳動件的剛度；最后軸承要選用高精度的，并且合理支配軸承之間的跨度。
3. 良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。
小型雕刻機(jī)雕刻順序一般是先進(jìn)性粗雕刻再進(jìn)行精雕刻雕刻時可能會因為運動部件不協(xié)調(diào)以及雕刻過程中零部件的影響，導(dǎo)致主軸結(jié)構(gòu)也跟著發(fā)生震動現(xiàn)象，這樣就會使加工無法正常進(jìn)行，因此各零部件一定要擁有一定的抗震性。
還有，雕刻機(jī)在雕刻加工的時候主運動結(jié)構(gòu)工作時間長了就會發(fā)熱，導(dǎo)致其他零部件也發(fā)熱，進(jìn)而產(chǎn)生熱變形，由于出現(xiàn)熱變形各零部件之間的位置精度和運動精度就會降低，從而使加工誤差增大，機(jī)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。為此要求主軸不僅具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并且，需要進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。結(jié)合設(shè)計參數(shù)以及小型械雕刻機(jī)的總體設(shè)計方案，初步制定該雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要參數(shù)，如表3-1所示：
表3-1 機(jī)械設(shè)計參數(shù)表
設(shè)計項目
設(shè)計參數(shù)
單位
主軸最高轉(zhuǎn)速
r/min
主軸最大進(jìn)給速度
mm/min
Y向總行程
mm
X向總行程
mm
Z向總行程
mm
定位精度
m
脈沖當(dāng)量
mm
使用壽命
hrs
3.2 切削力、扭矩和功率的計算
小型雕刻機(jī)雕刻加工的材料主要是非金屬材料和鋁合金材料等一些不太硬的材料。也正是由于這些材料的材質(zhì)較軟所以具有良好的塑性。小型雕刻機(jī)所雕刻的工件性質(zhì)不一樣，這樣就使雕刻機(jī)雕刻工件所用時間會不一樣，而且對于不同的材料小型雕刻機(jī)所采用的雕刻方式也不一樣通過查閱資料，查的雕刻的方式分為：一般雕刻、強(qiáng)力雕刻、精細(xì)雕刻和快速進(jìn)給這幾步。
通過查閱陳宏君主編的《機(jī)械加工工藝手冊》查得表3-2 左半部分的切削經(jīng)驗計算公式，然后將這些查得的公式代入已知的參數(shù)進(jìn)行簡化，得到表格右半部分與切削深度、進(jìn)給速度和銑刀轉(zhuǎn)速有關(guān)的簡化計算公式如表3-2所示：
表3-2 銑削力、扭矩和功率計算
切削經(jīng)驗計算公式
簡化的計算公式
銑削力：
銑削扭矩：
銑削功率：
銑削速度，— ((mm),— 每齒進(jìn)給量(mm/z)， z —，n—銑刀轉(zhuǎn)速(r /min) 。
將切削深度、進(jìn)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，如下表3-3所示：
表3-3 銑削力、扭矩和功率的計算
其中：—，
—，—，n—銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）。
按照以上簡化過程，可得到與和n有關(guān)的計算公式，如表3-4所示：
表3-4 鉆削力、扭矩和功率的計算
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：
將進(jìn)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：
表3-5 鉆削力、切削扭矩和切削功率的計算
切削方式
工作時間
百分比
參 數(shù)
計 算 結(jié) 果
M
強(qiáng)力切削
41.61
0.045
—
一般切削
40.44
0.044
—
精細(xì)切削
38.65
0.042
—
快速進(jìn)給
—
0
0
0
3.3 進(jìn)給運動的計算
雕刻機(jī)工作時的進(jìn)給運動分為主軸的上下移動，主軸的左右移動以及工作臺的前后移動三個步驟。本課題對于這三項運動方式的設(shè)計基本相同，故此可以通過設(shè)計推算對其中一個方向上運動的設(shè)計，就可以得出另外兩處結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，現(xiàn)在以設(shè)計推算工作臺結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計計算這部分所采用的伺服電動機(jī)，滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌，來滿足在小型雕刻機(jī)雕刻加工制作過程中的種種基本要求。
3.3.1 滾珠絲杠副的計算
1. 計算滾珠絲杠導(dǎo)程：
由于電動機(jī)與絲杠選用 1:1的傳動方式，
所以，
額定動載荷
（3-1）
查《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表35.5-5,輕微沖擊
查《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表35.5-7,按7級
查《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表35.5-8,可靠性97%
查《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表35.5-1得，
采用預(yù)緊絲杠副，按最大負(fù)載計算：
查《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表35.5-10，輕預(yù)載
由式（3-1）得
。
2. 計算允許的最小螺紋底徑：
允許得最大軸向變形量
取以上兩個數(shù)據(jù)的最小值
計算最小螺紋底徑：
絲杠的一端用軸承固定，另一端游動
3. 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號：
由計算出的，查滾珠絲杠副樣本，選擇型號FFZD1604-3的滾珠絲杠副
4. 計算滾珠絲杠副的預(yù)緊力：
(3-2)
(3-3)
由式（3-2）、（3-3）得
5. 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
（3-4）
由式（3-4）得
軸承類型選用固定端角接觸球軸承，游動端深溝球軸承，
（3-5）
由式（3-5）得
預(yù)加載荷=滿足要求，由此選用內(nèi)徑d為10型號的軸承。
6. 計算行程補(bǔ)償值C：
（3-6）
由式（3-6）得
3.3.2 滾珠絲杠的計算
1. 計算滾珠絲杠基本參數(shù)：
絲杠螺紋長度
查《機(jī)械設(shè)計手冊》可知，絲杠螺紋長度為
絲杠全長=1700
從進(jìn)給運動的起點到絲桿支承位置的距離=10。
2. 計算雕刻機(jī)傳動絲結(jié)構(gòu)杠抗壓剛度：
最小抗壓剛度和最大抗壓剛度
（3-7）
=280
（3-8）
=3413
3. 計算軸承預(yù)緊組合剛度：
（3-9）
由式（3-9）得 。
4. 計算支承軸承組合剛度：
絲杠采用一端軸承固定，一端游動的方式查《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第二卷 表23.5-2得：；。
5. 計算絲杠副接觸剛度：
（3-10）
由式（3-10）得。
6. 剛度驗算及精度選擇：
計算
（3-11）
計算
（3-12）
靜摩擦力
驗算傳動剛度
（3-13）
（3-14）
由式（3-13）、式（3-14）得
滿足要求。
7. 計算傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
（3-15）
由式（3-15）得=0.4。
8. 計算精度全行程變動量
9. 驗算臨界壓縮載荷
10. 驗算臨界轉(zhuǎn)速
（3-16）
由式（3-16)，又得
11. 基本軸向額定載荷驗算
（3-17）
式中,查《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第四卷55.8-5
滿足要求。
確定滾珠絲杠規(guī)格代號FFZD1603-3-P4/485×410。
3.3.3 工作臺電機(jī)的選擇
選擇電機(jī)的時候應(yīng)該著重考慮這三個基本要求：電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于雕刻機(jī)工作時的最大切削轉(zhuǎn)矩；應(yīng)與相匹配；刻刀快速移動時，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
1. 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算
最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
（3-18）
其中，《查機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第二卷表21.4-6可知最大進(jìn)給力，絲杠導(dǎo)程，預(yù)緊力，查《查機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第一卷表15.3-7可知滾珠絲杠螺母副的機(jī)械效率。
（3-19）
查郭科主編《角接觸推力球軸承技術(shù)》，得可知單個軸承的摩擦力矩為0.32，可以得出力矩。伺服電機(jī)軸與絲杠采用套筒聯(lián)軸器按照1:1的傳動連接，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
2. 負(fù)載慣量計算
工件夾具質(zhì)量與工作臺質(zhì)量相加不超過20kg，把這兩個質(zhì)量和與電動機(jī)軸上的慣量算作一個量，計算得：
(3-20)
式中：
—工作臺移動速度()；
—伺服電機(jī)的角速度()；
—直線移動工作臺的質(zhì)量(kg)。
絲杠直徑，長度，密度。則絲杠加在電動機(jī)軸上的慣量
(3-21)
聯(lián)軸器、鎖緊螺母等的慣量，查《機(jī)械設(shè)計手冊》得
故負(fù)載總慣量
(3-22)
根據(jù)上述計算可初步選定電動機(jī)，可選混合式伺服電動機(jī)57BYD250 E-SAFRNC-0153查樣本，其額定轉(zhuǎn)矩為，大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)子慣量，滿足匹配要求。
3. 空載加速轉(zhuǎn)矩計算
最大加速轉(zhuǎn)矩
（3-23）
由式(3-23），又，得
連續(xù)工作最大轉(zhuǎn)矩
（3-24）
查樣本：額定轉(zhuǎn)矩13.5
最大啟動轉(zhuǎn)矩
（3-25）
查樣本：最大轉(zhuǎn)矩80
滿足要求。
3.4 本章小結(jié)
本章重要介紹了雕刻機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)計算與校核，滾珠絲杠與滾珠絲杠副導(dǎo)程、螺紋底徑、剛度和精度計算以及臨界負(fù)壓載荷和臨界轉(zhuǎn)速的校核；進(jìn)給結(jié)構(gòu)參數(shù)計算，切削負(fù)載、負(fù)載慣量和空載加速轉(zhuǎn)矩的計算以及電主軸和工作臺電機(jī)的選擇。
結(jié)論
本設(shè)計通過對小型雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析了其構(gòu)成及其工作原理。在此基礎(chǔ)上，對于小型雕刻機(jī)目前存在的問題和市場需要進(jìn)行了研究，在充分考慮雕刻機(jī)發(fā)展應(yīng)該適應(yīng)自動化、機(jī)械化等現(xiàn)代特征，采用自動控制技術(shù)，進(jìn)一步提高其自動化的程度。
1. 小型雕刻機(jī)不僅可用于刻字、印章等簡單的幾何形體雕刻，而且可用于一些形狀復(fù)雜的工藝品。不僅省工省力、降低成本與提高經(jīng)濟(jì)價值，而且，產(chǎn)品做工精細(xì)，質(zhì)量高。
2. 通過對小型雕刻機(jī)工作流程及工作原理的特性，小型雕刻機(jī)能夠自動控制，只需要改變雕刻機(jī)控制程序，小型雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕等種種復(fù)雜的曲面。
3. 控制部分和機(jī)械部分的高精度極大地提高了雕刻系統(tǒng)的精度，機(jī)械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅(qū)動電機(jī)。
致謝
本文是在張中然老師的精心指導(dǎo)與熱心關(guān)懷下完成的。在設(shè)計與論文撰寫過程中無不滲透著張老師的大量心血。幾個月以來，從設(shè)計細(xì)節(jié)的斟酌與論文的撰寫及其邏輯的推敲，張老師認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的求真精神，尤其對我的嚴(yán)格要求，使我既受感動，又受鼓舞——在受到鞭策的同時，對張老師的情感由言聽計從到十分欽佩，這些都是我人生的極大快事，乃至使我終身受益。在此，對張老師的辛勤付出表示衷心的感謝，并致以崇高的敬意。
同時也要感謝在此次畢業(yè)設(shè)計中幫助過我和支持過我的的同學(xué)，此次畢業(yè)設(shè)計是我對所學(xué)的只是有了進(jìn)一步的認(rèn)識和鞏固，同時也暴露了自己的很多不足之處，在畢業(yè)設(shè)計和撰寫論文的過程中王洪旭同學(xué)雖然自己任務(wù)繁忙但是仍然抽出大量時間幫助我查閱資料和修改格式，同時也給予我精神上的支持。
再次感謝張中然老師的精心指導(dǎo)和那些和我一起做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)的鼓勵與支持。
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