移動龍門式小型數(shù)控雕刻機Z軸和X軸的機構(gòu)設(shè)計

移動龍門式小型數(shù)控雕刻機Z軸和X軸的機構(gòu)設(shè)計,移動龍門式小型數(shù)控雕刻機Z軸和X軸的機構(gòu)設(shè)計,移動,挪動,龍門,小型,數(shù)控,雕刻,以及,機構(gòu),設(shè)計 設(shè)計誠 信 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 畢業(yè)設(shè)計作者簽名： 年 月 日移動龍門式小型數(shù)控雕刻機Z軸和X軸的機結(jié)構(gòu)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，數(shù)控雕刻機的應(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。本文簡要的介紹了雕刻機的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外雕刻機的特點說明雕刻機的功能和使用范圍；詳細的分析了雕刻機的總體布局和結(jié)構(gòu)方案，以及主運動和進給運動系統(tǒng)的選擇，以及“三維雕刻”插補法的選擇，分析和實現(xiàn)過程，實現(xiàn)雕刻系統(tǒng)的初步優(yōu)化。關(guān)鍵詞：雕刻機；數(shù)控系統(tǒng)；機電一體化 The structure design of the Z and X of the small mobile gantry CNC engraving plotter Abstract:Along with the development of micro-electronics technology and microcomputer technology，engraving plotter 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 makes these technologies integrated closely.The thesis in brief introduces the genesis and developmental status quote of Engraving Plotter,analyses characteristics of inland and overseas Plotters，and explains its function 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. Key words: Engraving plotter; Numerical control system; Mechatronics1 前言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)控雕刻機傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝，雕刻品的質(zhì)量完全取于雕刻師的技藝水平，所以生產(chǎn)的效率低、成本高，制品的隨意性強、一致性差，嚴重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機的產(chǎn)生成為必然。雕刻機的功能決定了其使用范圍。從工藝上，雕刻可分為全自由度空間雕刻、三維立體雕刻和二維平面雕刻。其中，全自由度空間雕刻主要用于一些形狀復雜的工藝品或大型藝術(shù)作品的雕刻工作，如玉雕、木雕工藝品以及冰雕與沙雕等作品。此類制品往往注重藝術(shù)創(chuàng)作性，制品的構(gòu)成形狀復雜、隨意性強、工藝性差。因此這類工藝迄今為止雕刻機尚無能為力，只能采用手工雕刻，制品的質(zhì)量和藝術(shù)性完全依賴于雕刻師的技藝水平。相比之下，在三維立體雕刻和二維平面雕刻機則大有可為。三維立體雕刻類似于三維銑削加工，可以完成精密模具、藝術(shù)浮雕曲面等雕刻加工;而二維平面雕刻工藝主要用于標牌文字及平面幾何圖形的雕刻加工。目前，三維立體和二維平面雕刻大部分已采用雕刻機完成，克服了傳統(tǒng)手工雕刻存在的缺陷。根據(jù)控制原理的不同，雕刻機可分為仿形雕刻機和數(shù)控雕刻機 (采用 CNC系統(tǒng))兩大類型。仿形雕刻機的工作原理類似于仿形銑削，在加工前必須制作仿形模型，這一過程通常需手工完成，周期長、效率低。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)髅健⑷粘ＯM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。數(shù)控雕刻機技術(shù)廣泛應(yīng)用于模具模型、工藝品、印刷電路板的制作和廣告。本文介紹了研究了數(shù)控雕刻機的功能、結(jié)構(gòu)和組成。在深入分析目前國內(nèi)外數(shù)控雕刻機的現(xiàn)狀，數(shù)控雕刻機的控制結(jié)構(gòu)與原理的基礎(chǔ)上提出了本數(shù)控雕刻機的總體設(shè)計方案，并進行了主傳動系統(tǒng)的計算。三維機械雕刻機總體上滿足設(shè)計的要求，在機械本體部分結(jié)構(gòu)緊湊、安全方便，各部分的零件通用性較好，易于保養(yǎng)或維修。切易于操作，具有很大的可行性。本文對三維雕刻機的插補算法進行了選擇，屏除了過去傳統(tǒng)的插補算法，采用了一種新型的插補算法，保證插補速度和插補精度，提高了雕刻機的效率和性能。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。由于對控制精度要求不高，所以在本設(shè)計中采用的步進驅(qū)動。此外，還可根據(jù)運動坐標控制的聯(lián)動軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機分為三坐標數(shù)控雕刻機、五坐標數(shù)控雕刻機等。三坐標數(shù)控雕刻機可以控制三個坐標軸聯(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，2三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。1.2.2 研制雕刻機的目的和意義建國五十年來，我國的機械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟和人民生活的需要。但隨著世界科學技術(shù)的迅速發(fā)展，我國機械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達國家相比還存在相當大的差距。因此，在我國以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術(shù)含量的新產(chǎn)品，已成為當前機械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點。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)是十分重要的。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牌、有機玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎?wù)?、有機板浮雕、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。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1所示圖1 數(shù)控雕刻機工作原理Fig.1 Working principle of CNC engraving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，2三軸的走刀。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2所示的兩種方案： 圖2 雕刻機的布局形式Fig.2 The layout of the engraving plotter 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(shè)計參數(shù)，采用布局(2)的方案。2.2.3 坐標系的確定雕刻機的坐標系采用右手法則，直角卡笛兒坐標系統(tǒng)?；咀鴺溯S為X 、Y 、Z 直角坐標，對相應(yīng)每一個旋轉(zhuǎn)運動符號為A 、B 、C ，如圖 3 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。 圖3 右手坐標系統(tǒng)Fig.3 The system of right coordinate 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，導軌導向:3)橫梁部分橫梁由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，2方向的絲杠和導軌，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4所示： 圖4 雕刻機X方向進給圖Fig.4 X direction feeding figure of engraving plotter（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5所示：圖5 雕刻機Y方向的進給圖Fig.5 Y direction feeding figure of engraving plotter（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)的緊。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）長壽命不需要像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6所示：圖6 絲杠與電機軸的連接Fig.6 Connection of screw and motor shaft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;5）在高速轉(zhuǎn)動時可保持平穩(wěn)。導軌的主要功能是導向和承載作用。導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軌作為導向件，另外可以分擔絲杠所承受的機頭和工作臺的重量。圓柱形導軌加工容易，導向精度高，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，采用兩根導軌導向。Z的固定依靠步進電機的自鎖來實現(xiàn)。圓形導軌兩端通過螺釘固定在絲杠支架上，并與導軌套形成移動副。如下圖7所示圖7 絲杠和圓導軌的支承方式Fig.7 The bearing way of screw and circular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，相對于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 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。2.5 機床的總體布局確定考慮到降低雕刻機的制造成本，采用了結(jié)構(gòu)簡剛性單且較好的龍門移動式布局，如圖8所示。外形尺寸（長寬高）約為 930mm650mm360mm，主要結(jié)構(gòu)有底座、工作臺、龍門架、X向進給電動機、Y向進給電動機、Z向進給電動機、主軸電動機、雕刻機機身及電氣系統(tǒng)部分組成。雕刻機在工作時，先將加工對象固定在工作臺上，選擇合適的刀具裝夾在電主軸上，能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z 軸3個方向進給運動由可編程序控制器實現(xiàn)自動控制，來完成工件的自動加工。 Y向進給電動機 Z向進給電動機 主軸電動機 機頭 X向進給電動機 立柱 龍門架 工作 底座圖8 雕刻機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.8 The structure diagram of engraving plotter system3 三坐標數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設(shè)計本章詳細介紹了廣告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)合廣告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1所示。表1 機械設(shè)計參數(shù)表 Table 1 The parameter table of mechanical design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) 320 mm主軸總行程(X) 280 mm主軸總行程(Z) 120 mm定位精度 30 脈沖當量 0.01 mm使用壽命 hrs3.2 切削力、切削扭矩和切削功率計算三坐標數(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（）和高速鋼標準麻花鉆（）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）和快速進給四種方式。3.2.1 銑削力、扭矩和功率的計算選用的銑刀是整體硬質(zhì)合金直柄立銑刀657 GB/T 16770.1-2008，通過查閱孟少農(nóng)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2右側(cè)。表2 銑削力、扭矩和功率計算公式的簡化Table 2 Milling force, torque and power of simplified calculation formula 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，如下表3所示。 表3 銑削力、扭矩和功率的計算Table 3 The calculation of milling force, torque and power切削方式 工作時間 參 數(shù) 計 算 結(jié) 果 百分比t% 強力切削 10% 2.5 120 9000 20 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，預選絲杠導程銑削深度（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4所示。 表4 鉆削力、扭矩和功率的計算公式的簡化Table 4 Cutting force, torque and power of the simplified calculation formula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5，由于鉆削功率的計算結(jié)果較小，忽略不計。 表5 鉆削力、扭矩和功率的計算Table 5 The calculation of cutting force, torque and power切削方式 工作時間 參 數(shù) 計 算 結(jié) 果 百分比t% 強力切削 10% 300 9000 75 41.61 0.045 -一般切削 30% 480 15000 120 49.44 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，預選絲杠導程，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砗饬俊＠缰鬏S組件的動剛度取決于主軸的當量靜剛度、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)。3.3.1 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3000rmin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8000rmin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。3.3.2 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6所示。 表6 主軸電動機設(shè)計計算 Table 6 Design and calculation of spindle motor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 額定轉(zhuǎn)矩1 轉(zhuǎn)矩計算 查表3.3和表3.5 取i=2取較大值得到： M00.095取整 2 功率計算 額定功率 查表3.3和表3.5 取大值得到 取整根據(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。如圖9所示：主軸型號轉(zhuǎn)速電機外型尺寸潤滑軸承型號SpeedMotorDimensdions(mm)BearingSD typeSDpingdle type(r/min)KWVAH2DD1軸端連接LL1L2LubDD58Z24/0.8240000.82202.34005844ER111972318油脂前B7002C/P4后6001C/P5圖9 主軸電動機型號Fig.9 Model of spindle3.4 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7所示。表7 工作臺滾珠絲杠設(shè)計計算Table 7 Design and calculation of ball screw table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 確定滾珠絲杠導程 電動機與絲杠 1:1傳動 mm 2 預期額定動載荷 N (1)按預期工作時間估算 (1) 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)擬采用預緊滾珠絲杠副， (2)按最大負載計算： 取兩種結(jié)果 查表10， 的最大值輕預載 3 確定允許的最小螺紋 底徑(1) 估算允許得最大軸向 變形量 續(xù)表7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（2） 估算最小螺紋底 mm 4 確定滾珠絲杠副的 (1)選取內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭 FFZD 規(guī)格代號 ，直筒型墊片預緊螺母 FFZD1604-3 (2)由計算出的 在樣本中選取滾珠絲杠副5 確定滾珠絲杠的 預緊力 N 6 確定滾珠絲杠副支承 用軸承型號、規(guī)格(1) 軸承所承受的最大軸 N 向載荷 固定端背對背角 軸承內(nèi)徑d=10(2) 軸承類型 接觸球軸承，游動端深溝球 軸承預緊力 軸承 （3） 軸承型號規(guī)格 預加載荷 固定端7000C 游動端6100 7 行程補償值 C 8 滾珠絲杠工作圖設(shè)計（1） 絲杠螺紋長度 mm 續(xù)表7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（2） 繪制工作圖 支承距離 mm 絲杠全長 mm （3） 行程起點距固定支承 距離 mm 9 傳動系統(tǒng)剛度 絲杠抗壓剛度（1） 最小抗壓剛度 最大抗壓剛度 （2） 組合剛度 一對預緊軸承的 組合剛度 支承軸承組合剛度 一端固定，一端游動 查表得： 絲杠滾珠和滾道的 接觸剛度10 剛度驗算及精度選擇（1） 計算 計算 （2） 靜摩擦力 N （3） 驗算傳動剛度 （4） 傳動系統(tǒng)剛度變化 （5） 定位誤差確定精度 （6） 確定規(guī)格代號 FFZD1603-3-P4/4 85410 續(xù)表7 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11 驗算臨界壓縮載荷 N 12 驗算臨界轉(zhuǎn)速 rpm 13 驗算 144007000014 形位公差標注 略15 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8。表8 工作臺進給電動機設(shè)計計算Table 8 Calculation of table feed motor design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 作用在絲杠副上的各 種轉(zhuǎn)矩外加載荷產(chǎn)生 查表得： 摩擦力矩 2 計算轉(zhuǎn)動慣量負載 J 轉(zhuǎn)動慣量 選 題 審 批 表學 院： 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目移動龍門式小型數(shù)控雕刻機Z軸和X軸的機構(gòu)設(shè)計選題來源結(jié)合科研課題 課題名稱： 生產(chǎn)實際或社會實際 其他選題性質(zhì)基礎(chǔ)研究 應(yīng)用研究 其他選題完成形式畢業(yè)論文 畢業(yè)設(shè)計 提交作品，并撰寫論文指導教師姓名陳力航職稱講師是否主持或參與過科研課題是 否選題依據(jù)（科學性、可行性論證）和內(nèi)容簡要數(shù)控雕刻技術(shù)是傳統(tǒng)雕刻技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它稟承了傳統(tǒng)雕刻精細輕巧、靈活自如的操作特點，同時利用了傳統(tǒng)數(shù)控加工中的自動化技術(shù)，并將二者有機的結(jié)合在一起，成為一種先進的雕刻技術(shù)。所有這些技術(shù)都將通過數(shù)控雕刻機轉(zhuǎn)化為真正的生產(chǎn)能力。數(shù)控雕刻機集計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD技術(shù)）、計算機輔助制造技術(shù)（CAM技術(shù)）、數(shù)控技術(shù)（NC技術(shù)）、精密制造技術(shù)于一體，是目前最先進的雕刻設(shè)備，代表了最先進的雕刻技術(shù)。使用數(shù)控雕刻技術(shù)和數(shù)控雕刻機已經(jīng)成為雕刻行業(yè)的一種潮流。對學生有無特殊要求：無 有： 專業(yè)委員會意見專業(yè)委員會主任簽名： 年 月 日注：1.請在選項的內(nèi)打“”；對學生的要求是指該選題對學生在計算機、英語、繪圖、語言文字等方面有何特殊要求。2.此表可用黑色筆填寫，也可打印，但意見欄必須由相應(yīng)責任人親筆填寫，如不夠填寫，可另加頁。3.此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。編號無錫太湖學院畢業(yè)設(shè)計（論文）相關(guān)資料題目： 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 信機 系 機械工程及自動化專業(yè)學 號： 0923164學生姓名： 范 俊 指導教師： 黃敏 （職稱：副教授） （職稱： ）2013年5月25日目 錄一、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告二、畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯及原文三、學生“畢業(yè)論文（論文）計劃、進度、檢查及落實表”四、實習鑒定表無錫太湖學院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目： 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)學 號： 0923164 學生姓名： 范 俊 指導教師： 黃敏 （職稱：副教授） （職稱： ）2012年11月25日 課題來源自擬。科學依據(jù)（包括課題的科學意義；國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢；應(yīng)用前景等）（1）課題科學意義 數(shù)控雕刻機是一種具備雕刻加工功能的數(shù)控機床。大都認為雕刻機是使用小刀具、大功率和高速主軸電機的數(shù)控銑床。雕刻機的優(yōu)勢在雕刻，對零件表面的精細加工，是一種高效、高精度的數(shù)控機床。隨著模具工業(yè)和工藝美術(shù)品制造業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)外市場對數(shù)控雕刻機的需求不斷擴大，特別是高端的數(shù)控雕銑中心，需求更為旺盛。在制鞋工業(yè)、運動器材工業(yè)、汽車輪胎制造業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，特別是模具制造業(yè)必不可少的機床裝備。（2）數(shù)控雕刻機的研究狀況及其發(fā)展前景數(shù)控雕刻機以自身所具有的技術(shù)優(yōu)勢，加上合理的價格，已成為我國消費類電子零配件制造、小型精密模具制造、PCB電路板、五金制品、家具制造等行業(yè)重要的機床工具。另外，在LED鋁基板、工藝禮品、金屬電極、金屬眼鏡框加工等領(lǐng)域，也開始使用數(shù)控雕刻機。隨著數(shù)控雕刻機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，其市場規(guī)模也不斷擴大。據(jù)羅百輝調(diào)查，20022006年，數(shù)控雕刻機小批量應(yīng)用于模具加工、家具制造行業(yè)，處于市場導入期。隨著數(shù)控雕刻機技術(shù)的不斷成熟和價格趨于合理，其性價比逐漸得到業(yè)界的認可，市場快速擴大。進入2007年我國數(shù)控雕刻機產(chǎn)銷量突破10000臺，產(chǎn)值超過15億元，標志著國內(nèi)數(shù)控雕刻機產(chǎn)業(yè)進入高速成長期；從20072010年，在模具加工、家具與五金制造等行業(yè)需求繼續(xù)快速增長的同時，由智能手機、平板電腦、電子書、GPS等帶動的消費類電子零配件制造業(yè)的需求異軍突起，推動數(shù)控雕刻機行業(yè)迅速發(fā)展，2010年國內(nèi)數(shù)控雕刻機產(chǎn)量已突破4.5萬臺。隨著下游各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品加工過程中的高精密、高效率、低耗能、低耗材的要求不斷提升，數(shù)控雕刻機自身技術(shù)不斷成熟，下游新興應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)人工成本的不斷增長，原有老舊設(shè)備的更新?lián)Q代等等，都將對數(shù)控雕刻機市場起到積極的推動作用。未來數(shù)控雕刻機行業(yè)將持續(xù)高速增長。結(jié)合各下游行業(yè)十二五規(guī)劃制定的發(fā)展目標，羅百輝預計到2015年全國數(shù)控雕刻機產(chǎn)銷量將達到12萬臺。 在市場結(jié)構(gòu)方面，消費類電子產(chǎn)品零配件制造、模具制造、五金制品及家具制造等四大行業(yè)仍將是數(shù)控雕刻機的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中，隨著觸摸屏手機、平板電腦的滲透率不斷提高，未來消費類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)對數(shù)控雕刻機需求將持續(xù)快速增長，到2015年，僅消費類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)，對數(shù)控雕刻機需求量就將達到38000臺。 研究內(nèi)容 了解數(shù)控雕刻機的工作原理，國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； 完成數(shù)控雕刻機機械總體方案設(shè)計； 完成零部件的選型計算、結(jié)構(gòu)強度校核； 熟練掌握有關(guān)計算機繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙，折合A0不少于3張； 完成設(shè)計說明書的撰寫，并翻譯外文資料1篇。擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析 到數(shù)控雕刻機加工工廠參觀，增強對雕刻機系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的認識，構(gòu)思機床外部結(jié)構(gòu)。去學校圖書館或上網(wǎng)查找有關(guān)數(shù)控雕刻機改造的書籍，再對其系統(tǒng)內(nèi)部零件進行設(shè)計：機床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計，機床進給系統(tǒng)的設(shè)計，機床主要零部件的設(shè)計計算。查閱有關(guān)雕刻機的資料，對其主要零件進行校核。撰寫設(shè)計書名書，完成雕刻機下體機裝配圖及各主要零件圖的繪制。研究計劃及預期成果研究計劃：2012年11月17日-2013年1月13日：按照任務(wù)書要求查閱論文相關(guān)參考資料，填寫 畢業(yè)設(shè)計開題報告書，學習并翻譯一篇與畢業(yè) 設(shè)計相關(guān)的英文材料。2013年1月15日-2013年3月5日：擬好論文框架，寫好第一章緒論，并構(gòu)思所需要 的圖紙。2013年3月8日-2013年3月12日：按照要求修改畢業(yè)設(shè)計開題報告。2013年3月14日-2013年4月11日：完成雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成機床主傳 動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)的設(shè)計選擇及機床主要零部件 的設(shè)計計算，完成所需圖紙。2013年4月12日-2013年4月25日：完成有關(guān)零部件的選型及校核計算，并校驗圖紙。2013年4月26日-2013年5月20日：畢業(yè)論文撰寫和修改工作。預期成果：數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)總體裝配圖及主要零部件圖，完成設(shè)計說明書的撰寫。特色或創(chuàng)新之處 機床底座采用鑄造結(jié)構(gòu)，確保了整體的穩(wěn)定性。 機床的三軸運動形式采用刀具Y/Z軸進給運動，工作臺作X軸進給運動的定梁式結(jié)構(gòu)，增強了加工的穩(wěn)定性，保證了加工精度。 機床橫梁導軌的布局采用垂直向的空間式結(jié)構(gòu)，確保了加工的平穩(wěn)和精度。已具備的條件和尚需解決的問題 現(xiàn)已查閱到數(shù)控雕刻機改造的相關(guān)資料。 需要查閱課本和相關(guān)資料，相互比較，以選取最佳方案。指導教師意見 指導教師簽名：年 月 日教研室（學科組、研究所）意見 教研室主任簽名： 年 月 日系意見 主管領(lǐng)導簽名： 年 月 日英文原文Research on a Novel Parallel Engraving Machine and its Key TechnologiesAbstract: In order to compensate the disadvantages of conventional engraving machine and exert the advantages of parallel mechanism, a novel parallel engraving machine is presented and some key technologies are studied in this paper. Mechanism performances are analyzed in terms of the first and the second order influence coefficient matrix firstly. So the sizes of mechanism, which are better for all the performance indices of both kinematics and dynamics, can be confirmed and the restriction due to considering only the first order influence coefficient matrix in the past is broken through. Therefore, the theory basis for designing the mechanism size of novel engraving machine with better performances is provided. In addition, method for tool path planning and control technology for engraving force is also studied in the paper. The proposed algorithm for tool path planning on curved surface can be applied to arbitrary spacial curved surface in theory, control technology for engraving force based on fuzzy neural network (FNN) has well adaptability to the changing environment. Research on teleoperation for parallel engraving machine based on B / S architecture resolves the key problems such as control mode, sharing mechanism for multiuser, real-time control for engraving job and real-time transmission for video information. Simulation results further show the feasibility and validity of the proposed methods. Keywords: parallel mechanism, engraving machine, influence coefficient, performance indices, tool path planning, force control, fuzzy neural network, teleoperation1 IntroductionConventional computer engraving machine has played an important role in industries such as machinery machining, printing and dyeing and entertainment, but it has the inherent disadvantages such as cutting tool can be fed only along the fixed guideway, lower degree-of-freedom (DOF) of cutting tool, lower flexibility and mobility for machining etc. Parallel mechanism has the merits such as high mechanical stiffness, high load capacity, high precision, good dynamic performance etc (Zhen, H.; Ling-fu, K. & Yue-fa, F., 1997). According to the characteristics of parallel mechanism, it has been a hot research topic to apply parallel mechanism to the domain of future machining. By applying parallel mechanism to engraving domain, its inherent advantages can be fully exerted and the disadvantages of conventional engraving machine can be overcome or compensated. But as the special structure of parallel mechanism, the related theory and technology during its engraving is very different from that of conventional engraving machine, and it is a undeveloped research topic by now. In addition, with the development of computer network technology, the new concept and method such as network machining and manufacturing has become hot research topic (GQ, Huang & K.L, Mak., 2001; Taylor, K. & Dalton, B., 2000; Ying-xue, Y. & Yong, L., 1999). A novel parallel engraving machine with six-axis linkage is proposed in this paper, which uses the 6-PUS parallel mechanism with 6-DOF as the prototype, and some key technologies such as size design, tool path planning, engraving force control and teleoperation are studied on this basis.2. Confirming of mechanism type and engraving machines size2.1 Selection of mechanism and coordinate systemThe selection of mechanism type is the first step for designing novel engraving machine, the following reasons make us select the 6-PUS parallel mechanism for designing our engraving machine. Comparing with traditional mechanism, 6-PUS parallel mechanism uses base platform, three uprights layout and high rigidity framework structure and has the merits such as high modularization, high accuracy and low cost. Itsmodel is shown in Fig.1.Fig. 1. The model of 6-PUS parallel mechanismAs shown in Fig.1, 6-PUS parallel mechanism consists of base platform, dynamic platform and 6 branch chains with same structure, every branch joins with base platform through prismatic pairs (P), slider of prismatic pairs joins with up end of the fixed length link through universal joint (U), down end of the fixed length link joins with dynamic platform through sphere hinge (S), so it is called 6-PUS parallel mechanism. The coordinate system of 6-PUS parallel engraving mechanism is shown in Fig. 2. In Fig.2, the geometry centers of base platform and dynamic platform plane are supposed as OB and op respectively. In every branch, the centers of prismatic pairs, universal joint and sphere hinge are marked with Ai, Bi, and Ci (i = 1,2, ., 6) respectively. Coordinate system OB-XBYBZB is fixed on base platform, taking B as briefly. The origin of B lies on geometry center of base platforms up plane, axis ZB is vertical with base platform and directs to up, axis YB directs to angle bisector of the first and second branch lead screw center line, and axis XB can be determined with right-hand rule. Supposing the coordinate system set on dynamic platform is op-xpypzp, taking P as briefly, its origin lies on geometry center of dynamic platform, the initial state of dynamic platform system is consistent with that of base platform system completely. Supposing the coordinate of op is (0,0, Z) in B, this configuration without relative rotation to every axis is the initial configuration of this mechanism, and Z changing with mechanisms size. On the basis of coordinate system mentioned, we use influence coefficient theory and the actual parameters of this mechanism to calculate the first and the second order influence coefficient matrix of every branch under different configuration. Then, we can get the first and the second order integrated influence coefficient matrix H of the whole mechanism. 和The significance and detailed solution process for influence coefficient matrix is omitted here, for more information please refer (Zhen, H.; Ling-fu, K. & Yue-fa, F., 1997).Fig. 2. Coordinate system of 6-PUS parallel engraving mechanism2.2 Mechanism performance analysis based on influence coefficient matrix The performance of engraving machine will change with its size. To find out the better size for all the performance indices of both kinematics and dynamics, we obtain a group of mechanisms by changing its parameters. These mechanisms length of fixed length links (L) range between 45cm and 55cm (step is 1cm), radius of dynamic platform (R) range between 10cm and 20cm (Step is 1cm). Other parameters of the mechanism is unchanging, so we get 121 mechanisms totally. Taking these mechanisms as research object, we confirm the sample point for every mechanism in its workspace with algorithm PerformanceAnalysis, then calculate the first and the second order influence coefficient matrix in every point. Furthermore, calculate all the performance indices in every sample point and draw all the global performance atlas of 121 mechanisms ultimately. To describe conveniently, we abbreviate the first and the second order integrated influence coefficient matrix Hq to G and H, and use G, H and G, H as the angular velocity submatrix and linear velocity submatrix of the first and the second order integrated influence coefficient matrix respectively, namely, We can change mechanisms parameters and adjust variables step in the algorithm PerformanceAnalysis to meet actual analysis. The algorithm is programmed with MATLAB and the global performance atlas of 6-PUS mechanism are drawn (see Fig. 3 to Fig. 8), then the mechanisms performance is analyzed using the atlas. Table 1 shows the results of sample point number (abbr. to SPN) for 121 mechanisms respectively, the fixed link length of mechanism with sequence number (abbr. to SN) 1 is 45cm, its radius of dynamic platform is 10cm, the fixed link length of mechanism with SN 121 is 55cm, its radium of dynamic platform is 20cm, the rest may be deduced by analogy. In addition, table 2 gives the performance indices of some mechanism only, where the mean of SN is same as in table 1.Description for algorithm PerformanceAnalysis:PerformanceAnalysis BeginFor L = 45 To 55 / / scope of fixed length linkFor R = 10 To 20 / / scope of radius of dynamic platformSamplePointNumber = 0; / / initialization sample point number is zero for every mechanismFor x =-Maximum To + Maximum moving along Axis X Step 4cmFor y =-Maximum To + Maximum moving along Axis Y Step 4cmFor z =-Maximum To + Maximum moving along Axis Z Step 4cmFor =-Maximum To + Maximum rotating around Axis X Step 12 For =-Maximum To + Maximum rotating around Axis Y Step 12 For =-Maximum To + Maximum rotating around Axis Z Step 12 If sample point (x, y, z, , , )? Reachable point of mechanismsworkspaceCalculating the first order influence coefficient matrix andits Frobenius norm at current point;If The first order influence coefficient matrix is notsingularSamplePointNumber = SamplePointNumber +1;Calculating the second order influencecoefficient matrix and its Frobenius normcalculating condition number at this point withformula and accumulating sum of performanceindices;/ / detailed formula is given in the followingof this sectionEndifEndifEndforEndforEndforEndforEndforEndforCalculating all the performance indices of the mechanism at current size and append the results to corresponding data files for different performance index;/ / performance index of the mechanism =(accumulating sum of performance indices at all sample points) / SamplePointNumber/ / There are six data files for performance indices totally: angular velocity, linear velocity,angular acceleration, linear acceleration, force and moment, inertia forceEndforEndforDrawing all the global performance atlas of 6-PUS mechanism by all the index data files(Every data file includes the information of 121 mechanisms);/ / There are six performances atlas totally: angular velocity, linear velocity, angular acceleration, linear acceleration, force and moment, inertia forceEndTable 1. The SPN of 121 mechanisms in experiment SN SPN 六個性能指標 角速度 線速度 角加速度線加速度 力和力矩 慣性力 1309620.172760.174420.062360.113150.015210.37454 2280740.182480.181710.080750.132760.014560.40421 3258480.191280.188360.099320.151840.013960.43136 4232520.200870.195450.118970.172250.013480.46030 . . . . . . . . 59423900.211050.189950.100500.013040.013040.40233 60374100.219150.195370.113080.173550.012570.42606 61324460.227170.200410.123120.19230 0.01216 0.44929 . . . . . . . . 119289420.257790.206800.122650.225960.010640.47030 120239980.267860.211850.121160.241390.010410.49500 121198280.277140.216100.113990.255270.010170.51745Table 2. Six performance indices of some mechanisms2.2.1 Analysis of kinematics performance indices2.2.1.1 Global performance indices of angular velocity and linear velocity As the influence coefficient G of engraving mechanism is not a constant matrix, it makes the measuring index for parallel mechanism based on G not to be a constant matrix also, so we cant utilize one value to measure the good or bad of the dexterity, isotropy and controlling accuracy (Xi-juan, G., 2002). Here, we define parallel mechanism global performance indices of angular velocity and linear velocity as following respectively Where W is the reachable workspace of mechanism,anddenote the condition numbers for angular velocity and linear velocity respectively (Where | | | | denotes Frobenius norm of matrix, superscript + denotes generalized inverse matrix, the same mean as following). We can get the performance indices value of the angular velocity and linear velocity according to the condition numbers of every mechanisms sample points. Replacing the underlined part in algorithm PerformanceAnalysis with two formulas in (1) respectively, we can draw the performance atlas for angular velocity and linear velocity as shown in Fig.3 and fig.4 based on 121 mechanisms indices values of angular velocity and linear velocity. According to the rule that the bigger J (J G, Gv), the higher dexterity and controlling accuracy of the mechanism, from Fig.3 we can see that the mechanism performance index of angular velocity is not changing with the link length when the changing range of R is not big, but it has the trend that the bigger R, the betterFig. 3. Atlas of angular velocity global performanceFig. 4. Atlas of linear velocity global performanceperformance index of angular velocity, furthermore, the index of mechanism angular velocity is better when L = 46.5cm 49.5cm and R = 19.5cm, namely, the output error of angular velocity is smaller. Similarly, from Fig.4 we know that the mechanism index of linear velocity is better when L = 45cm 48cm and R = 19cm, that is to say,the output error of linear velocity is smaller.2.2.1.2 Global performance indices of angular acceleration and linear acceleration.Considering the influences on acceleration of both the first and the second order influence coefficient matrix, the condition numbers of angular acceleration and linear acceleration for 6-DOF parallel mechanism are (Xi-juan, G., 2002; Xi-juan, G. & Zhen, H., 2002) Where, a and b is error coefficient.So the global performance indices of angularacceleration and linear acceleration for parallelengraving mechanism can be defined as Where Supposed the mechanism error is smaller than 2% (that is, a = b = 0.02), replacing the underlined part in algorithm .PerformanceAnalysis with formula (4), we can draw the performance atlas for angular acceleration and linear acceleration as shown in Fig.5 and Fig.6. As same as the evaluating method for velocity performance index, from Fig. 5 we can see that the angle acceleration performance of mechanism is better when nearly L = 45cm 47cm and R = 16cm 20cm, output error is smaller accordingly. Among the 121 mechanism we studied, its maximum is 0.16399.Fig.5. Atlas of angular acceleration global performanceBy observing Fig.6 carefully, we know that performanceof linear acceleration is better when nearly L=45cm48cm and R=19.5cm, accordingly, output error should be smaller. From above analysis, we know that mechanism size with good indices for linear velocity and linear acceleration is coincidence in some degree among the 121 mechanisms we studied, but performance index of angular velocity and angular acceleration may not the best in the same size, so it cant get coincidence. Thus, our analysis will be helpful for designing and choosing mechanism by actual needs. Similarly, analyzing method of kinematics performance indices is the same when other parameters of the mechanism are changed.Fig. 6 . Atlas of linear acceleration global performance2.2.2 Analysis of dynamics performance indices2.2.2.1 Analysis of power and moment performanceIndex. The condition number of power and moment performance index based on the first order influence coefficient matrix of power GF for 6-DOF parallel mechanism can be defined as(Xi-juan,G.,2002) Similarly, we define global performance index of power and moment for 6-DOF parallel mechanism as We suppose that power and moment of parallel mechanism is isotropy when J=1. With formula (5) as condition number, replacing the underlined part in algorithm with formula (6), we can draw the performance atlas for power and moment as shown in Fig.7. From Fig. 7 we can see in the size range of our experiment the performance index for power and moment would have little change with the link length when the radius of dynamic platform is less then 14cm. The performanc index for mechanisms power and moment will be bigger when L=45cm46cm and radius of dynamic platform R=10cm,here, performance of power and moment will be better.Fig. 7. Atlas of global performance of force and moment2.2.2.2 Analysis of inertia force performance indexConsidering both the first and the second order influence coefficient matrix, the condition number of inertia force for 6-DOF parallel mechanism is defined as(Xi-juan,G.,2002)Where G