雕刻机自动控制系统

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1、优质文档题目：雕刻机自动限制系统 学 院：# 专 业：# 班 级： # 学 号： # 学生姓名： # 指导老师： # 年 月 日优质文档摘 要雕刻机制作工艺日渐成熟，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，乃至许多产品的标识铭牌，可谓雕刻的运用范围无处不在。但雕刻机的价格均比拟高,为了提高其普及率,开发一个经济、简练的机械运动系统是很具有重要的理论意义和管用价值的。本文简要地介绍了雕刻机的起源和发呈现状，分析了国内外同类雕刻机的特点，说明白雕刻机的功能和运用范围。综合运用机械制造和加工工艺等学问，提出了简化雕刻机运动系统的思路。其次，探讨和确定了本雕刻机的总体构造布局。本雕

2、刻的运动系统包括了主运动系统和进给运动系统。其主运动系统采纳电机干脆接刀具，省去中间传动，而进给运动系统是采纳步进电机带动滚珠丝杠使部件在导轨上平移来实现三轴联动。再次，对主电机的选用、滚珠丝杠、步进电机以及导轨等主要零部件进展了具体的与计算。本雕刻机有着安装便利，构造简洁、新奇，制造本钱低等优点，可用于中小型雕刻机，对雕刻机价格具有一点的影响。关键词：雕刻机，运动系统，三维优质文档书目第一章 绪论11.1 雕刻机的概述11.2研制的雕刻机的特点11.3研制的雕刻机功能及运用范围1其次章 系统分析32.1三维雕刻机的参数32.2雕刻机42.2.1总体布局要求42.2.2总体方案确定52.3雕刻

3、机运动系统52.3.1坐标系统确实定52.3.2总体构造62.3.3主运动方案72.3.4进给运动方案7第三章 主运动系统的校核83.1铣削力、扭矩和功率的计算83.2主运动系统93.2.1主运动系统的方案93.2.2主轴电机的计算9第四章 进给运动系统计算114.1 Z方向进给运动系统114.1.1 Z方向进给运动系统组成114.1. 2联轴器的选择114.1. 3 Z方向直线导轨副的计算124.2 X方向进给运动系统134.2.1 X方向进给运动系统组成134.2.2联轴器的选择144.2.3X方向直线导轨副的计算144.3 Y方向进给运动系统154.3.1 Y方向进给运动系统组成154.

4、3.2滚珠丝杠副的计算154.3.3滚珠丝杆的校核194.3.4Y方向进给电机的计算194.3.5联轴器的选择204.3.6Y方向直线导轨副的计算204.4 雕刻机参数确实定21参考文献22优质文档优质文档第一章 绪论1.1 雕刻机的概述雕刻可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏形。在我国北宋时期便独创了活字印刷，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”。这里的刻字应属于雕刻的范畴。随着时代的开展，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年头至今，机械雕刻获得了前所未有的开展。从最初的

5、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，乃至许多产品的标识铭牌，可谓雕刻的运用范围无处不在。雕刻机(Engraving Plotter)，顾名思义就是用机器代替人工进展雕刻的设备。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、日本和法国等国也起先研制。20世纪90年头，随着微电子技术的突飞猛进，干脆推动微型计算机的急剧开展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速开展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从2D2.5D3D加工

6、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根本要求。国外的雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，但价格特别昂贵。不管大小都在10万圆人民币以上;近几年国内的雕刻机，北京“精雕”、上海“啄木鸟”在国内也有必须的市场，但价格也不菲。为了使雕刻机能够更广泛的应用，出一种经济型的雕刻机，所以确定对三维雕刻机进展研制1。1.2研制的雕刻机的特点本雕刻机是一种典型的机电一体化设备，由于本人学的是机械，只对机械局部进展，本简化机械构造，提高精度。主要措施是采纳电机干脆接刀具来实现主运动系统、步进电机干脆与滚珠丝杠连接，从而省去了机械运动链，这不但简化了机械构

7、造，而且削减了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。1.3研制的雕刻机功能及运用范围雕刻机可以完成切Cutting、刻Engraving、雕Carving & Molding,现主要在以下方面得到了广泛的运用：1) 标记标牌行业 如胸牌、桌牌、指示牌、导向牌和大型标示牌。2) 礼品德业特性化礼品打火机、手表、钢笔、餐具，可雕刻在偶然性能想象到的全部个人用品上；广告礼品启瓶器、金属名片、钥匙链等，全部用于赠送的小礼品和企业特别礼品作为广告传播之用；奖品、纪念品各种奖杯、奖牌、奖盘及各种纪念牌；图像雕刻用于纪念性的人像/图像雕刻。3) 模具行业 进展小型模具加工。4) 工业应用 各种仪器仪表的

8、刻度盘、部件打标、机器铭牌、操作面板等。5) 建筑模型业 用于房地产开发、城市规划、军事等用途的模型制作。6) 其他商业应用 印章等物品的雕刻。以下是几种产品的样品图：图1.1 几种雕刻产品的样品图优质文档其次章 系统分析2.1三维雕刻机的参数下表为本雕刻机的参数表表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(mm)0.01Z轴最大行程90进给速度(mm/s)工作0.5,1,2,3,5,8,10快速5,10,15,20,25,30机械精度(mm)0.01指令精度(mm)

9、0.0025主轴转速(rpm)600020000最大工件重量(kg)20水平精度(mm)0.2直线精度(mm)0.1/300垂直精度(mm)0.3/300原点精度(mm)0.2定位精度(mm)0.025重复定位精度(mm)0.01工作台面的平面度(mm)0.03/500横梁移动的垂直度(mm)0.02/300主轴锥孔中心线的径向跳动(mm)0.02主轴的轴向窜动(mm)0.01主轴回转中心线对工作台面的垂直度(mm)0.03刀具上下移动对工作台面垂直度(mm)0.02优质文档2.2雕刻机2.2.1总体布局要求雕刻机总体布局的根本要求有以下几点:(1)首先必需满意如加工范围、工作精度、生产率和经

10、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，尽量采纳较短的传动链，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). 应便于视察加工过程；便于操作、调整和修理；便于输送、装卸工件和清理；留意防护，确保平安。(5). 构造简洁，合理牢靠，便于加工和装配。(6). 体积小，重量轻，节约原材料，降低制造本钱，缩小占地面积，外型美观大方。在满意总体布局的根本要求的根底上，还应当考虑影响雕刻机布局的根本因素:1. 外表形成运动的影响不同形态的加工外表往往采纳不同的刀具来加

11、工，从而外表形成运动的形式和数目就不同，并导致布局的差异。一样形态的加工外表，由于工件的技术要求和生产率要求等不同，也可以采纳不同的刀具，不同的外表形成运动来加工，从而形成不同的布局。由此可知，工件外表形成运动干脆确定了雕刻机布局的形式是影响雕刻机布局确实定性因素。因而，在布局雕刻机时，必需依据加工要求，全面、综合地考虑工件的外表形成方法及运动，以期作出具有较好技术经济效果的布局。2 雕刻机运动安排的影响工件外表形成方法及运动一样，而雕刻机的运动安排不同，雕刻机的布局亦不同。对于同一种运动安排的布局，由于导轨的布置及其它构造型式的不同，也将使雕刻机的布局出现变更。在安排雕刻机运动时，一般应留意

12、以下三点:(1)移动部件的重量应尽量轻。在其他条件一样的状况下，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。3. 工件的尺寸、重量和形态的影响工件的外表形成运动及雕刻机部件的运动安排根本一样，而工件的尺寸、重量和形态的不同，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;操纵便利性的影响;模块化法的影响等等。2.2.2总体方案确定通过查阅相关资料，目前雕刻机根本布局形式通常有如图2.1所示：图2.1 雕刻机布局简图布局图中，工作台固定，雕刻头作横向和上下移动，立柱作纵向移动。

13、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，承载实力好，适合加工较重的工件。在运用外伸支架支撑纵向长工件进展批量加工时，支点高度一样，故支架支撑调整便利。但雕刻头运动精度较难保证且立柱移动较笨重。2.3雕刻机运动系统本局部着重探究在确定了总体布局型式后对雕刻机各组成局部方案的选择,它包括：有效雕刻区域、滚珠丝杠的构造型式和参数、直线导轨的构造型式和参数、主电机的构造型式和参数、步进电机的构造型式和参数、主运动和进给运动的传递方式和转速范围等;2.3.1坐标系统确实定雕刻机的坐标系统采纳右手法那么，直角卡笛儿坐标系统。根本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，对相应每一个旋转运动符号为A、B、C

14、，如图2.2所示。Z轴为平行于雕刻机主轴的坐标轴，垂直于工件装卡面。图2.2 右手坐标系统图2.3 本雕刻机的总体布局和坐标系统确实定2.3.2总体构造机械本体局部是雕刻机的骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等局部。在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化的构造，减轻整机重量，缩短产品的和制造的周期，其主体框架采纳铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用塑料件和饭金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。2.3.3主运动方案雕刻机主运动方案通常有两种方案:干脆采纳专用的雕刻头或采纳直流电机带动主轴机构。真流电机加上带轮虽然也可以满意主轴速度的要求，而且也比拟廉价，但会增加机械构造的困难程度

15、。专用的雕刻头的优点在这里不在复述，配以与之配套的变频调速装置，既简洁又管用，故采纳专用的雕刻机电机。2.3.4进给运动方案由前所述，采纳横梁固定、工作台移动实现相对运动的方式，机头在横梁上移动(X向)，实现雕刻宽度;工作台在底座上移动(Y向)，实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z向)，实现雕刻深度。由于滚珠丝杠副具有许多优点,因此各运动链中传动件均采纳滚珠丝杠副。步进电机和滚珠丝杠副干脆连接。至于导轨,各运动链中支承件均采纳滚动直线导轨副。优质文档第三章 主运动系统的校核三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，这些材料具有较高的强度和良好的塑性。以下采

16、纳了硬质合金直柄立铣刀(d0=8mm，z=2)和高速钢标准麻花钻(d0=3mm)在铝板(180MPa)上进展铣削和钻削，分别进展切削力、切削扭矩和切削功率的计算。依据三维机械雕刻机的加工范围和运用功能及用户在实际生产过程中不同的切削方式的所运用时间的安排，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，运用时间的安排分别是10%，30%，50%，10%。3.1铣削力、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历公式。 (3.1) (3.2) (3.3)式中圆周铣削力(N)，铣削条件变更时铣削力修正参数，扭矩M

17、()，铣削功率 ()，查参考文献取铣削宽度，铣削深度，进给速度，铣削速度，铣刀外径,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:,1(加工45号钢)将确定参数代入式(3.1) (3.2) (3.3)进展简化，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初选丝杠导程将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。3.2主运动系统本节着重计算主运动系统中主轴电机的构造形式，以确定其型号及参数。为了削减主运动系统的所占的空间，采纳了由主轴电机干脆接上刀

18、夹，中间不采纳传动机构。3.2.1主运动系统的方案为了简化机械构造，本采纳主轴电机干脆接上刀夹，省去了传动链，大大了削减了所占空间，削减了损耗。3.2.2主轴电机的计算依据前两节的计算结果，取必须的平安系数，忽视传动效率，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6 机电一体化系统手册可知所采纳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0.44 故使便可满意要求确定额定转矩为 2功率计算查参考文献6 机电一体化系统手册,所采纳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

19、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Speed(r/min) 电机Motor外形尺寸Dimensions(mm)变频器Conv Kw润滑Lub冷却CoolKWVMAHzDD1D2Joint of noseLL1L2ADX60-24Z/0.8240000.82202.52.24006255-ER112066200.5greasewater优质文档第四章 进给运动系统计算雕刻机的进给运动分为三局部：主轴的上下移动、小车的左右移动和横梁的前后移动。它们的没有本质的区分。三局部分别为Z主轴部件，X轴部件，

20、Y轴部件。这一节先着重对Z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4.1.1 Z方向进给运动系统组成由前章所述，步进电机干脆与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。构造简图如图4.1所示图4.1 Z方向进给运动系统简图4.1. 2联轴器的选择由于最大启动转矩,应选用以下联轴器优质文档图4.6 联轴器外形表4.3 参数表规格d1,d2轴径DLL1L2M性能参数扭矩偏心角度最高转速螺丝M材料SDWA316.351031.823.87M4*230NCM315000r/minM4进口专用材料4.1. 3 Z方向直线导轨副的计算1) 初选直

21、线导轨副的型号为GTB GTBt型封闭式滚动直线导套副图4.7 导轨副外形图表4.4 所选导轨副参数表2) 拟定滑块总数M=4单根导轨两滑声块3) 负载计算动载荷 (4.27) 查4.1.2节得主轴部件重量为5(kg)，=120N代入式(4.27)得120额定动载荷=550N而静载荷=37.515000所选的导轨满意寿命要求。4.2 X方向进给运动系统本雕刻机共分成三局部的运动,X轴的进给运动系统与Z轴的进给系统并无本质区分,这一节简洁的对X轴计算。4.2.1 X方向进给运动系统组成同前一节所述，步进电机干脆与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。构造简图如图4.8所示图4.8 X轴

22、进给运动系统传动链图4.2.2联轴器的选择由于最大启动转矩,应选用与Z方向一样规格的SDWA31联轴器4.2.3X方向直线导轨副的计算1) 初选直线导轨副的型号为GTA GTAt型开放滚动直线导套副图4.12 导轨副外形图表4.5 所选导轨副参数表2) 拟定滑块总数M=4单根导轨两滑声块3) 负载计算动载荷 查4.1.2节得主轴部件重量为5(kg)，=90代入式(4.27)得67额定动载荷=550N而静载荷4715000 所选的导轨满意寿命要求。4.3 Y方向进给运动系统4.3.1 Y方向进给运动系统组成同前一节所述，步进电机干脆与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。构造简图如图4

23、.13所示图4.13 Y轴进给运动系统传动链图4.3.2滚珠丝杠副的计算4.3.2.1 当量转速与当量载荷确定1各种切削方式下丝杠的转速 查3.1节计算结果得四种加工方向下丝杠转速： 2求各种切削方式下轴向载荷 在Y方向上整体移动的横梁部件模拟模型如图4.14图4.14小车部件模型图丝杠受到的轴向力包括导轨摩擦力以及铣削力,即 (4.42)式中为水平方向受力,为竖直方向受力查3.1节和3.2节得四种加工方式下的:水平受力 :68，112,79，竖直受力 :166，161，154，初步估计横梁部件的重量65(kg)，分别代入(4.42)得115,158,126,653)当量转速四种切削方式的运用

24、时间占总运用时间的百分比与丝杠转速分别为：代入式(4.5)得当量转速=483 4当量载荷 以上计算结果代入式(4.6)=126 4.3.2.2 预定额定动载荷 1)按预期工作时间估算：查机床手册第四册表9，稍微冲击取负载性质系数，查表7，按7级精度,查表8，按牢靠性97%取牢靠性系数,当量载荷=126,当量转速=483,依据要求,本雕刻机预期工作时间15000代入式(4.7) 得=35252)拟采纳预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算查机床手册第四册表10，轻预载取代入式(4.8)=1059.9取两种结果的大值. 35254.3.2.3 螺纹最大轴向变形量及螺纹最小底径确定1估算允许的最大轴向变形量

25、 的重复定位精度，故又的定位精度，故取两种结果的小值。2估算最小螺纹底径 (4.43)因采纳的是一端固定，一端游动的安装方式，故式中初定Z方向的行程为800mm 导程=4mm代入920导轨静摩擦力静摩擦力=130(N)代入式(4.43) =9.23 4.3.2.4 初选滚珠丝杠副的规格代号1)初选内循环浮动式法兰，直筒型垫片预紧螺母，型号代码为FF，导程 2)由计算出的在样本中选取滚珠丝杠副FF1204-3=3525(N)，=9.23 。丝杠外形与Z方向的丝杠一样,参数如表4.6。表4.6 滚珠丝杠技术参数与外形尺寸表规格代号公称直径d0公称导程Ph0丝杠外径d1钢球直径Dw丝杠底径d2循环圈

26、数根本额定负荷刚度KcN/m动载荷Ca(KN)静载荷Coa(KN)FF1604-316415.32.38113.534.89.7221螺母安装连接尺寸D1(g6)D2()L2D3BD4D5D6hD7MD8L12828105210385.810634M620373)确定滚珠丝杠副的预紧力 ，而且故524.3.2.5 确定滚珠丝杠副支承用轴承型号、规格1)轴承类型选择依据因为丝杠所受轴向力很小,而已丝杠采纳一端固定于电机上另一端游动,没有预拉伸力另外由于轴向力较小，因此同样选用LMF-10型的直线轴承为Z轴的轴承2)轴承型号同Z轴4.3.2.6 滚珠丝杆长度确定1)行程补偿值 初定X方向行程，螺母

27、长度，平安行程,代入式(4.11)得=869将温差，=650代入式(4.10)得2)滚珠丝杠副工作图(1)丝杠螺纹长度 查参考文献14得余程16 (2)绘制工作图查样本中螺母安装连接尺寸支承距离 丝杠全长，行程起点距固定点支承距离 4.3.3滚珠丝杆的校核4.3.3.1 传动系统刚度1)丝杠抗压刚度 由于本丝杠采纳一端固定另一端游动,如下列图4.15图4.15安装示意图由4.3.2.4节查得丝杠底径13.5，两支承距离，行程起点距固定点支承距离，代入式(4.12)分别得最小抗压刚度 最大抗压刚度 4.3.4Y方向进给电机的计算4.3.4.1 作用在丝杠副上的各种转矩1)外加载荷产生的摩擦力矩由

28、4.3.2.1节查得丝杠最大轴向力，导程,三级精度的丝杠副效率，代入式(4.20)得外加载荷产生的摩擦力矩=0.11(Nm)2)预加载荷产生的预紧力矩由4.3.2.4节查得滚珠丝杠预紧力:代入式(4.21)得预紧力矩(Nm)4.3.4.2 计算转动惯量 1)负载转动惯量 由4.2.2.6节查得丝杠全长100,外径1.53,密度代入式(4.22)得丝杠转动惯量123总的负载转动惯量63.22)电机转动惯量步进电机57BYG250A查样本,60. .3)总的转动惯量负载转动惯量与电机转动惯量之和即转动惯量123.24.3.5联轴器的选择由于最大启动转矩,应选用与Z方向一样规格的SDWA31联轴器4

29、.3.6Y方向直线导轨副的计算1) 初选直线导轨副的型号为GTA GTAt型开放滚动直线导套副型号参数均与Z方向的导轨一样。2) 拟定滑块总数M=4单根导轨两滑声块3) 负载计算动载荷 (4.47)静载荷 (4.48) 查4.3.2节得主轴部件重量为65(kg)，竖直方向=158代入式(4.47)得120额定动载荷=550N而静载荷16215000 所选的导轨满意寿命要求。4.4 雕刻机参数确实定由表2.1提出的参数，结合三维机械雕刻机的总体方案前面的计算，确定本雕刻机机械局部的主要参数，如表4.7所示。表4.7 机械参数表工程参数单位主轴最高转速n=20000 r/mm最大进给速度f=360

30、0mm/min横立柱部件总重量W柱=65kg立柱横梁总行程L柱=800mm小车部件总重量W车=10kg小车总行程L车=600mm主轴部件总重量W轴=5kg主轴总行程L轴=90mm导轨动摩擦系数=0.01-导轨静摩擦系数=0.02-定位精度25m重复定位精度10m运用寿命Lh=15000hrs优质文档参考文献1 专业广告.第27期.20012 编写组.机床手册第三册.北京:机械工业出版社.1986:80-973 孟少农主编.机械加工工艺手册第一册.北京:机械工业出版社.1998：459-5014 徐颧主编.机械手册第一册.北京:机械工业出版社.1995:23-535 孟少农主编.机械加工工艺手册其次册.北京:机械工业出版社.1998：65-716 杨黎明主编.机电一体化系统手册.北京:国防工业出版社.1997:35-657 安阳莱必泰机械有限公司.数控雕刻机用电主轴样本8 徐颧主编.机械手册第四册.北京:机械工业出版社.1986:91-1039 南京工艺装备制造有限公司.精细滚珠丝杠副样本10 张昱. 三维机械雕刻机的研制C.合肥：合肥工业大学出版社，2002：4.1-1211 吴宗泽主编.机械师手册上下合册.北京:机械工业出版社.2002:233-24512 南京工艺装备制造有限公司.滚动直线导轨副样本