毕业设计（论文）小型CNC雕刻机控制系统设计.doc

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1、毕业设计（论文）小型CNC雕刻机控制系统设计 摘 要 随着微电子技术和微型计算机的飞速发展,数控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。三维机械雕刻机是一种典型的机电一体化产品,在广告制作行业具有较大的市场前景。 本文简要的介绍了雕刻机的起源和发展现状,分析了国内外雕刻机的特点说明雕刻机的功能和使用范围;详细的分析了雕刻机的总体布局和结构方案,以及主运动和进给运动系统的选择,以及“三维雕刻”插补法的选择,分析和实现过程,实现雕刻系统

2、的初步优化。 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大的数控雕刻机,适应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,三维,插补法Abstract Along with the development of micro-electronics technology and microcomputer technology,NC carer will be widely used.These technologies are widely used in Mechatronics, including mechanism, microelectronics,a

3、utocontrol, information, sensor and test,power and electron, interface, signal transform, software program. On the other hand, Mechatronics makes these technologies integrated closely. It is the primary trend of the development of mechanical industrial technology and products in the world nowadays.

4、3D- mechanical engraving plotter is a typical mechatronic product. It has a larger market prospect in the advertising industry. The thesis in brief introduces the genesis and developmental status quote of Engraving Plotter,analyses characteristics of inland and overseas Plotters,and explains its fun

5、ction and use range. We analyze the overall arrangements and framework,the movement mode of numerical control system,the select of main movement system and feed movement system etc. As well as we select and analyze and realize the process of 3D-Engrave interpolation arithmetic. optimized 3D-mechanic

6、al engraving system is realized. This topic is based on the existing engraving machine to design a CNC engraving machines with a large body size, which adapted to the relatively large carving handicraft processing Keywords: Engraving plotter, numerical control system, mechatronics, 3D,and interpolat

7、ion arithmetic.目录摘 要1Abstract1目 录1第一章.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21.2.1数控雕刻机21.2.2研制雕刻机的目的和意义31.2.3数控雕刻机的特点41.2.4数控雕刻机的应用领域41.2.5我国数控雕刻机的发展现状5第二章 雕刻机的机械结构62.1雕刻机的设计参数62.2整体结构72.2.1雕刻机总体布局的基本要求72.2.2 影响雕刻机布局的基本因素72.2.3 坐标系的确定92.3进给系统102.4典型零件工艺分析14第三章 主动系统的设计与校核143.1铣削力、扭矩和功率的计算14 3.2 钻削力

8、、扭矩和功率的计算15 3.3 主运动系统的设计163.3.1主运动系统的方案183.3.2 主轴电机的设计计算18第四章 进给运动系统设计计算20 4.1 Z方向进给运动系统设计简介234.1.1 Z方向进给运动系统组成25 4.1.2 滚珠丝杠副的选择及支撑用轴承的选择25 4.1.3 电机的选择28 4.1.4 联轴器的选择32 4.2 Y方向进给运动系统设计简介35 4.2.1Y方向进给运动系统组成39 4.2.2滚珠丝杠副的选择及支撑用轴承的选择 4.2.3电机的选择39 4.2.4联轴器的选择 40结论41致谢411.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

9、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。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。

10、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 传统雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺,雕刻品的质量完全取于雕刻师的技艺水平,所以生产的效率低、成本高,制品的随意性

11、强、一致性差,严重制约了雕刻行业的发展。这使得雕刻机的产生成为必然。雕刻机的功能决定了其使用范围。从工艺上,雕刻可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻。其中,全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作,如玉雕、木雕工艺品以及冰雕与沙雕等作品。 此类制品往往注重艺术创作性,制品的构成形状复杂、随意性强、工艺性差。因此这类工艺迄今为止雕刻机尚无能为力,只能采用手工雕刻,制品的质量和艺术性完全依赖于雕刻师的技艺水平。相比之下,在三维立体雕刻和二维平面雕刻机则大有可为。三维立体雕刻类似于三维铣削加工,可以完成精密模具、艺术浮雕曲面等雕刻加工;而二维平面雕刻工艺主要

12、用于标牌文字及平面几何图形的雕刻加工。目前,三维立体和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成,克服了传统手工雕刻存在的缺陷。 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流,广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以

13、及建筑装演等众多领域。 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

14、缩短零件雕刻时间、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 建国五十

15、年来,我国的机械工业虽然已经有了较大的发展,具备了一定的基础和规模,初步满足国民经济和人民生活的需要。但随着世界科学技术的迅速发展,我国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此,在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品,已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的焦点。 机电一体化技术是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

16、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

17、,性价比高。1.2.4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

18、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,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

19、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.

20、 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较成熟的产品,能与设计的雕刻机巧妙结合。2雕刻机的机械结构2.1雕刻机的设计参数 表 2.1 雕刻机参数表规格型号X,Y轴雕刻范围600800进给速度mm/s工作1,2,3,5,8,10,15,20,30,40,50,60快速20,40,60机械精度mm0.01Z轴最大行程90进给速度mm/

21、s工作0.5,1,2,3,5,8,10快速5,10,15,20,25,30机械精度mm0.01A轴雕刻角度360o雕刻长度(mm)1500机械精度0.01指令精度mm0.0025主轴转速rpm600020000最大工件重量kg20水平精度mm0.2直线精度mm0.1/300垂直精度mm0.3/300原点精度mm0.2定位精度mm0.025重复定位精度mm0.01工作台面的平面度mm0.03/500横梁移动的垂直度mm0.02/300主轴锥孔中心线的径向跳动mm0.02主轴的轴向窜动mm0.01主轴回转中心线对工作台面的垂直度mm0.03刀具上下移动对工作台面垂直度mm0.022.2整体结构 机

22、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; 2、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

23、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,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

24、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

25、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 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

26、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

27、统2.3进给系统 进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号,由伺服驱动电路作转换和放大后,经伺服驱动装置和机械传动机构,驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控系统的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质上的区别,它能根据指令信号精确的控制执行部件的运动速度和位置,以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 下面介绍一下雕刻机的进给系统的机械结构和电机驱动。雕刻机的进给运动方式如下: 工作台带动工件做y方向的进给运动,机头沿x方向横梁做进给运动,雕刻头在直流电机的带动下做高速旋转,并在Z方

28、向做上下运动。刀具和工件的运动的合成就可以得到文字和图案的轮廓。 1.机头沿x方向的丝杠左右运动,实现雕刻宽度;如下图所示 图2.4 雕刻机X方向进给图 2.工作台沿y方向的丝杠前后运动,实现雕刻长度,如下图所示: 图2.5 雕刻机Y方 图2.5 雕刻机Y方向的进给图 3.机头沿Z向的丝杠上下运动,实现雕刻深度。 各个传动链中均采用丝杠螺母传动副,保证了运动的传递平稳和结构紧凑。丝杠一端通过联轴器与电机轴相联,由步进电机驱动丝杠,将旋转运动转化为直线运动。另一端采用轴承为支承。步进电机的旋转方向和转速,由指令脉冲决定。指令脉冲数就是电动机的转动步数,即角位移的大小。只要改变指令脉冲频率,就可以

29、使步进电动机的旋转速度在很宽范围内连续调节。它具有以下特点: 1、位置控制功能 可预先发出具体的脉冲数量,从而得到需要输出的角度。 2、无极调速功能 可根据发送脉冲的速度,得到需要的电机的转速。 3、正/反,急停及锁定功能 通过对系统的高低电平控制,得到正/反旋转的效果,在电机锁定情况下 (电机绕组中存在电流,外部没有要求旋转的电脉冲,仍有静止力矩的输出。 4、低转速及高精度位置功能 通过对脉冲速度的控制,可直接得到极低的转速而不需要通过齿轮箱的过渡,从而避免了功率的损耗和角度位置的偏差。 5、长寿命 不需要象普通的直流电动机通过电刷和换相器换相,从而减少了摩擦,增长了寿命。如图2.6所示 图

30、2.6 丝杠与电机轴的连接 刚性联轴器用于丝杆与电机的联接,可提高两轴头连接的固定精度,如图2.6所示。它的特点有: 1、可用于小型、瞬间惯量小和高速转动的场合; 2、安装后无反作用力,而且维护简单; 3、提高丝杠的强度时,跳动不会受到影响; 4、依靠锁紧螺栓施加的摩擦紧固,无需键; 6、在高速转动时可保持平稳。 导轨的主要功能是导向和承载作用。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动,从而保证各部件的相对位置和相对位置精度。导轨承受运动部件及工件的重量及切削力,在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。 雕刻机的x向和y向丝杠两侧各采用一对圆柱形导轨作为导向件,另外可以分担丝杠所承受的机头和工

31、作台的重量。圆柱形导轨加工容易,导向精度高,可满足定位精度的要求。 Z丝杠不承受径向载荷,为保证精度,采用两根导轨导向。Z的固定依靠步进电机的自锁来实现。 圆形导轨两端通过螺钉固定在丝杠支架上,并与导轨套形成移动副。如图2.7所示 图2.7 丝杠和圆导轨的支承方式 各个传动链上的丝杠螺母与不同零件以螺钉固定连接,通过与丝杠的相对运动实现传动: 1、与工作台固定连接,相对于y向丝杠运动向丝杠运动向支架固定连接,相对于 2、与机头向丝杠运动 3、与机头 向支架固定连接,相对于Z向丝杠移动。2.4典型零件工艺分析2.4.1滚珠丝杠工艺分析: (1)零件材料:GCR15。合金含量较少,具有良好的性能,

32、它为应用最广泛的高碳铬轴承钢。经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。该钢冷加工塑性中等,切削性能一般,焊接性能差,对形成白点敏感性能大,有回火脆性。实际就是Cr15。 (2)零件组成表面:两端面,外圆附有滚珠,外身为单线螺纹,无键槽,无倒角。 (3)主要表面分析:16 外圆表面主要用于传动件,将电机的旋转运动转换为所需的直线运动,具有相当的精度。 (4)主要技术条件:16 外圆精度要求:IT7 粗糙度要求 Ra1.6m。它是零件上主要的基准, 两端螺纹应与之保持基本的同轴关系,键槽亦与之对称。 (5)零件总体特点:长径比达 18,为较典型的细长轴。2.4.

33、2 T型台工艺分析: (1)零件材料:45 钢。切削加工性良好,无特殊加工问题,故加工中不需采取特殊工艺措施。 刀具材料选择范围较大,高速钢或 YT 类硬质合金均能胜任。刀具几何参数可根据不同刀具类型 通过相关表格查取。 (2)零件组成表面:长方形表面(长300mm,宽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夹持工件,具有相当的定位精度。 (4)主要技术条件: 外表面精度要求: IT7 粗糙度要求 Ra1.6m。它是零件上主要的基准, 两端平面应与之保持基本的平面关系,键槽亦与之对称。 (5)零件总体特点:简单,结构紧凑,定位能力非常强。2.4.3

34、三轴滑块工艺分析: (1)零件材料:铝合金。在工业生产中应用最广泛的一类有色结构金属材料。纯铝的密度小(2.7g/cm3),大约是铁的 1/3,熔点低(660),铝是面心立方结构,故具有很高的塑性(:3240%,:7090%),易于加工,可制成各种型材、板材。 (2)零件组成表面:轴套类零件,表面是光滑的空孔,用于支持导轨。 (3)主要表面分析: 内表面主要用于支承以及夹持工件,具有相当的定位精度。 (4)主要技术条件: 外表面精度要求: IT7 粗糙度要求 Ra1.6m。它是零件上主要的基准, 两端平面应与之保持基本的平面关系,空孔亦与之对称。 (5)零件总体特点:机构中与机架用移动副相连又

35、与其他运动构件用转动副相连的构件。 第三章 主运动系统的设计及校核 四维机械雕刻机的加工对象主要是塑料、橡胶等有机材料和铝、铜及其合金等有色金属材料及木材等,这些材料具有较高的强度和良好的塑性。 以下采用了硬质合金直柄立铣刀d08mm,z2和高速钢标准麻花钻d03mm在铝板180MPa上进行铣削和钻削,分别进行切削力、切削扭矩和切削功率的计算。 根据三维机械雕刻机的加工范围和使用功能及用户在实际生产过程中不同的切削方式的所使用时间的分配,经过统计,大致可将切削方式分为强力切削切、一般切削雕、精细切削刻和快速进给四种切削方式,使用时间的分配分别是 10%,30%,50%,10%。3.1 铣削力、

36、扭矩和功率的计算查参考文献3,可得知下有关于铣削力、铣削扭矩和铣削功率的经验公式。 3.1 3.2 3.3 式中圆周铣削力N,铣削条件改变时铣削力修正参数,扭矩M(Ngm)铣削功率 ,查参考文献取铣削宽度mm,铣削深度,进给速度,铣削速度,铣刀外径8,每齿进给量,铣刀齿数,铣刀转速。 查机械加工工艺手册一卷表9.4-10得以下与硬质合金钢立铣刀的对应参数: , , , , ,-0.13 , 加工45号钢 将已知参数代入式3.1 3.2 3.3进行简化,可得到仅与切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n有关的计算公式。 (3.4) (3.5) (3.6) 另丝杠转速(3.7) 初选丝杠导程mm 将

37、四种切削方式下的切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n的变量代入分别计算。1.强力切削将参数2.5,120,9000代入式(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)得2.一般切削将参数1,1200,15000代入式(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)得 0.7023精细切削将参数0.5,2400,20000代入式(3.4)(3.5)(3.6)(3.7) 4快速进给将参数0,3600,0代入式(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)得 ,0, 0,03.2钻削力、扭矩和功率的计算查参考文献5, 可得知下有关于铣削力、铣削扭矩和铣削功率的经验公式3.83.93.10 式中钻削轴向力F N,加工条

38、件改变时的切削力修正参数,钻削扭矩M(Ngm),加工条件改变时的切削力修正参数,钻削功率 ,进给速度,铣削速度,钻头外径,进给量,钻头转速r/min。 查机械加工工艺手册二卷表10.4-11得以下与高速钢标准麻花钻想对应的参数:, , , , , ,(加工45号钢)将查得参数代入3.8 3.9 3.10,可得到仅与进给速度和钻头转速有关的计算公式。(3.11)(3.12) (3.13)另丝杠转速(3.14) 初选丝杠导程将四种切削方式中进给速度和钻头转速的变量代入分别计算1强力切削将参数300,9000代入式(3.11)(3.12)(3.13)(3.14)得2一般切削将参数480,15000代

39、入式(3.11)(3.12)(3.13)(3.14)得0.303精细切削将参数600,20000代入式(3.11)(3.12)(3.13)(3.14)得 4快速进给将参数900,0代入式(3.11)(3.12)(3.13)(3.14)得900/4225,0, 0,0 3.3主运动系统的设计 本节着重设计计算主运动系统中主轴电机的结构形式,以确定其型号及参数。为了减少主运动系统的所占的空间,采用了由主轴电机直接接上刀夹,中间不采用传动机构。3.3.1主运动系统的方案 为了简化机械结构,本设计采用主轴电机直接接上刀夹,省去了传动链,大大了减少了所占空间,减少了损耗。3.3.2主轴电机的设计计算 根

40、据计算结果,取一定的安全系数,忽略传动效率,主轴电机所需扭矩、功率和转速计算过程如下:1)转矩计算查参考文献16 机电一体化系统设计手册可知所采用的电机的扭矩由章节3.1和3.2计算结果可知,最大扭矩值为0.44Nm故使便可满足要求确定额定转矩为2)功率计算查参考文献16 机电一体化系统设计手册,所采用的电机的功率由章节3.1和3.2计算结果可知,最大功率为0.72故使确定额定功率因此,电机选用安阳莱必泰机械有限公司的生产的雕刻机用电主轴,外形图与参数表如下:图3-1 雕刻机主轴电机的外形图表3-1 雕刻机主轴电机的技术参数表主轴型号Spindle type转速Speedr/min 电机 Mo

41、tor外形尺寸 Dimensionsmm变频器Conv Kw润滑Lub冷却CoolKWVMAHzDD1D2Joint of noseLL1L2ADX60-24Z/0.8240000.82202.52.24006255-ER112066200.5 greasewater第四章 进给运动系统设计计算 雕刻机的进给运动分为四部分:主轴的上下移动、小车左右移动、横梁的前后移动和A轴的旋转运动。前三部分的设计没有本质的区别。三部分分别为 Z 主轴部件,X 轴部件,Y 轴部件。这一节先着重对X 轴进给运动传动链中进给电机、滚珠丝杠和直线导轨,以确定规格型号及参数。 4.1 Z方向进给运动系统设计简介4.1

42、.1Z方向进给运动系统组成 由前章所述,步进电机直接与滚珠丝杠连接,将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.6所示图4.6 Z方向进给运动系统简图4.1.2滚珠丝杠副的选择及支撑用轴承的选择图4.7 滚珠丝杠外形图1轴承类型选择依据 因为丝杠所受轴向力很小,而已丝杠采用一端固定于电机上另一端游动,没有预拉伸力,另外,使用直线运动球轴承有以下的优点: 1.由于流动接触可使起动磨擦阻力及动磨擦阻力为极小,因此可以节省能源,容易得到较高运动速度。 2.对负荷增大,但磨擦系数无敏感变化,因此重负荷下,磨擦系数极小,并且长期保持精度不变,可得机械使用寿命长期保持。 3.直线运动轴承互换性好,安

43、装使用方便省时,并使机械结构新颖,小型,量轻之特点。 4.节省给油手续,达到简化润滑保养的目的。 5. 两侧附加油封的轴承还适用与灰尘较多或 异物容易侵入的场所。因此,选用LMF-10型的直线轴承为Z轴的轴承。4.1.2电机的选择选用的电机为步进电机。4.1.3联轴器的选择图4.8 联轴器外形4.2 X, Y方向进给运动系统设计简介由于X轴Y轴极为相似,所以两者放在一起一起说明4.2.1X,Y方向进给运动系统组成 同前一节所述,步进电机直接与滚珠丝杠连接,将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.9所示图4.9 X,Y轴进给运动系统传动链图4.2.2滚珠丝杠副的选择及支撑用轴承的选择丝

44、杠的外形与Z轴一样。轴承采用直线轴承。4.2.3电机的选择选用的电机为步进电机。4.2.4联轴器的选择 选用与Z方向相同规格的SDWA31联轴器 5结论总结 1.数控雕刻机技术广泛应用于模具模型、工艺品、印刷电路板的制作和广告。本文介绍了研究了数控雕刻机的功能、结构和组成。在深入分析目前国内外数控雕刻机的现状,数控雕刻机的控制结构与原理的基础上提出了本数控雕刻机的总体设计方案,并进行了主传动系统的计算。 2.三维机械雕刻机总体上满足设计的要求,在机械本体部分结构紧凑、安全方便,各部分的零件通用性较好,易于保养或维修。切易于操作,具有很大的可行性。 3.本文对三维雕刻机的插补算法进行了选择,屏除了过去传统的插补算法,采用了一种新型的插补算法,保证插补速度和插补精度,提高了雕刻机的效率和性能。数控雕刻机的发展展望 数控雕刻机作为制造业一个有力工具,有着非常广阔的发展前景,随着计算机技术、电机技术、机械技术等各个科学技术的发展,数控雕刻机的功能将日益强大,性能将更趋稳定。雕刻机发展趋势总结如下: 1、更加精密 控制部分和机械部分精度的提高将极大地提高雕刻系统的精度,控制部分将向闭环伺服方向发展,通过反馈调整做到误差补偿,从而可以大幅度提高精度,机械部分将采用更高精度的滚珠丝杠和驱动电机,同时装配工艺的提高也将进一步提高系统的精