五轴雕刻机机电结构设计②—结构设计

XX 工 学 院毕业设计说明书（论文）作 者: 学 号：学 院: 专 业: 机械设计制造及其自动化题 目: 五轴雕刻机机电结构设计结构设计指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)年 月毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要五轴雕刻机机电结构设计摘要随着社会的发展，生产力水平的不但提高，雕刻机被广泛运用在木工业、广告业、石材业、制造业、等多个行业领域。雕刻从加工原理上讲是一种钻铣组合加工，雕刻机多种数据输入模式根据需要游刃有余。电脑雕刻机有激光雕刻和机械雕刻两类，这两类都有大功率和小功率之分。小功率的只适合做双色板、建筑模型、小型标牌、三维工艺品等。由于功率太小而大大影响了其应用的范围。大功率雕刻机可以做小功率雕刻机的东西。最适合做大型切割、浮雕、雕刻。因为雕刻机的应用范围非常广泛，因此有必要了解各种雕刻机的最合适的应用范围。目前，市场上三轴雕刻机为主，三轴以上的雕刻机多用于高端产品，价格昂贵。针对市场需求，本课题提出对五轴雕刻机的结构的设计方案。通过建模、加工零件、装配，并借助于提供的驱动软件，将加工代码转化为各轴的输出脉冲，通过计算机并口输出脉冲信号到步进电机驱动器，来控制步进电机进行调节和校正，从而实现各轴的运动加工。关键词 五轴雕刻机，机构设计，建模，零件加工，装配，校正，实践毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Structural Design Of Five-axis CNC Machinery AbstractWith the development of society, levels not only improve productivity, the engraving machine is widely used in wood industry, advertising industry, marble industry, manufacturing, and other industries. Engraving from stresses is a drilling and milling on machining principle, multiple data input modes and ease of carving machine. Computer engraving machine has two types of laser engraving and mechanical engraving, these two classes of high power and low power. Low-power only for the Board, building models, small signs, such as three dimensional arts and crafts. Because the power is too small to significantly affect the scope of its application. Power carving can be a small power CNC machine. Best for large cuts, embossing, engraving. Because the machine very wide range of applications, it is necessary to understand a variety of engraving the scope of application of the most appropriate. At present, three-axis engraving machine on the market, more than three-axis CNC router for high end products, expensive. For market needs, the issues raised on the structure design of five-axis CNC. Through modeling, machining parts, Assembly, and use the driver provided by software, processing code into the shaft of the output pulses through computer parallel port output pulse to stepping motor drive to control the stepping motor to adjust and correct, in order to achieve the axis of motion processing.Keywords Five-axis CNC, Mechanism design, Modeling, Parts machining, Assembly, Calibration, Practice目 录1 引言 .111 课题的提出和研究意义 112 五轴雕刻机的发展历程 113 雕刻机的发展趋势 314 五轴雕刻机的原理和特点 415 本课题的研究内容 416 本章小结 52 五轴雕刻机的实体建模 .521 五轴雕刻机基本运动原理 522 五轴雕刻机的工作原理 523 五轴雕刻机的设计要求 724 五轴雕刻机的结构方案分析 725 雕刻机的电路及电气部分 926 建模设计 .102.6.1 平面连杆机构 102.6.2 凸轮机构 102.6.3 滚珠丝杠 112.6.4 设计步骤 1127 本章小结 .183 加工各个零件以及通用件选择 1831 零件的材料分析 .1832 材料的选择 .1933 连接件的选择 .2134 本章小结 .214 五轴雕刻机的装配 2241 装配的概念 .2242 装配的基本工艺要求 .2243 装配的方法 .2344 装配作业顺序分析 .244.4.1 作业的程序分析 244.4.2 装配顺序的工艺性原则 244.4.3 装配顺序的经济性原则 244.4.4 装配关系 2445 装配过程 .2546 本次装配的注意要点 .3247 本章小结 .325 调整和实际加工模拟 3251 分析结构的合理性 .3252 一般结构设计中需要调整的部分 .3353 对五轴雕刻机结构的调整 .3454 本章小结 .34总 结 .35致 谢 .36参 考 文 献 3711 引言11 课题的提出和研究意义目前，制造业面临市场的全球化和需求的多样化，以及技术创新的加快，产品更新换代快、周期短，生产多品种、中小批量的生产比重明显增加。同时随着航空业、汽车市场和轻工业的快速发展，复杂形状的零件越来越多，精度要求也不断增加。此外，激烈的市场竞争要求产品的周期零件的更高要求越来越短，多样化、柔性化与复杂形状零件的高效、高质量加工要求，使得传统的加工设备和手段难以适应。五轴数控机床集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工于一体，可高效、准确完成复杂曲面的加工，特别是在加工叶轮、叶片、船用螺旋桨及大型柴油机曲轴等方面具有独特的优势。五轴联动数控技术，是数控技术难度最大 适用范围最广的技术，但高精度的机床配合高价出售，其不菲的价格也是大多加工企业难以承受，也让推广五轴加工技术受到一定程度的阻碍。本课题基于五轴加工原理，开发一种经济、适应性强的五轴雕刻机，可应用于加工材质较软 精度要求不高的零件，如木材 塑料及铝合金等材质零件。能适应一些球类，曲线类的复杂零件加工，另外可以更换刀头，在条件允许的情况下，可以完成钻、铣、切割等。同时还可以通过软件系统的控制和 G 代码控制配合制作出一些实体零件等。12 五轴雕刻机的发展历程可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏族文化的“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，这里刻的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湛，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可以堪称一绝。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决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。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，可谓雕刻的使用无处不在。21938 年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950“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。随后一些欧美国家也开始研制。20 世纪 90 年代，随着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 加工逐渐扩展到 5D 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。雕刻机主要有仿形雕刻机和计算机数控雕刻两大类，以完成有互换性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。仿形雕刻的出现为雕刻的工业应用起到了巨大的推动作用，尤其是图案和文字的雕刻加速了相关产业的发展，为雕刻在工业领域广泛应用奠定了扎实的基础。但是机械仿形雕刻仍是一种手动雕刻，它在加工效、加工能力、计算机接口等方面存在明显的缺陷，阻碍了雕刻技术在现代工业中的广泛应用。随着工业产品开发速度的加快，尤其是计算机辅助设计的广泛应用，工业产品的形态更加丰富，变化更加迅速，对制造设备提出了新的要求。这就使以计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）技术、技术及数控技术（CNC）为核心的数控雕刻技术成了雕刻加工发展的主流。如图 1-1 为雕刻机的发展历程。雕刻机手动雕刻机自动雕刻机复杂曲面传统工艺球类零件激光雕刻系统 机械雕刻系统仿形雕刻系统 数控雕刻系统图 1-1 为雕刻机的发展历程现在雕刻机以其低的价格和较高的生产加工效率，被广泛运用在木工业、石材业、广告业、饰品业、家具装潢业等行业领域。我国近年来制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发展机遇，有效地促进了我国数控雕刻机的生产、推广和应用。我国的数控雕刻机起步于经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十年的发展，已形成了多个国产牌的雕刻机，3如上海洛克公司生产的“啄木鸟”数控雕刻机、北京精雕公司生产的“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。上述各类雕刻机的机床本体机构简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制器或 PC 的数控系统，伺服部分多以步进电机细分驱动为主，可获得中等控制精度，但价格比较便宜，因此整机的性价比不是太高，适用于精度不太高的普及应用场合。至于高精度的加工，目前国内进口的数控雕刻机以一些国际知名品牌为主，如美国“雕霸” 、法国“嘉宝”和日本“御牧”都是此行也得佼佼者，但价格十分昂贵。这类数控雕刻机机床本体设计刚度好、精度高，采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性高，但价格昂贵，往往数倍于国产产品。因此这类产品主要运用于制造高精度模具等场合。13 雕刻机的发展趋势随着时代的快速发展，普通的三轴数控机床已满足不了人们对加工在 20 世纪60 年代，一些发达国家开始研制五轴数控机床。五轴雕刻机相对三轴雕刻机有着一次装夹可以完成全部或大部分加工任务的优势。由于能够实现回转运动轴与直线运动轴联动，五轴雕刻机还可以在回转体毛坯上进行雕刻加工，这是三轴雕刻机无法做到的。此外，五轴雕刻机还能够提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。但是五轴联动数控系统的开发、昂贵的硬件成本以及复杂的机床结构一直是困扰五轴雕刻机迅速发展的瓶颈。而数控系统的迅速发展，已经能满足多轴联动技术的要求，必将推动五轴雕刻机技术的迅速发展。未来五轴雕刻机方向概括如下：（1）高速高精度化：现在国内雕刻机大多数采用步进电机驱动的开环系统，位置控制和加工精度不高。今后，雕刻机硬件控制部分将向半闭环、全闭环方向发展，使用伺服电机进行驱动，通过检测回馈信号对误差进行补偿，从而提高加工精度和加工速度。（2）人性化界面：随着规模化生产的需求，更加简洁，人性化的操作界面将成为今后雕刻机的一个发展趋势。企业能更好运用与实际生产中，使员工能一人控制多台雕刻机成为可能，便于提高企业生产效率。（3）多轴联动技术：目前雕刻机主要以三轴雕刻机为主，未来将以五轴雕刻机为代表多轴联动的数控雕刻机也是一个主要发展方向。414 五轴雕刻机的特点五轴雕刻机是采用步进电机作为驱动机，多数采用开环控制的简易数控系统。它具有价格低廉、结构简单、性价比高等特点。随着计算机技术的快速发展，PC 机的性能不断提高，硬件配置更加灵活并且软件资源的日益丰富，价格却不断下降。目前经济型数控雕刻机的系统正逐渐过渡到以 PC 机为控制核心的发展方向。由于这种系统性价比高，因而被广泛地应用于机床产品升级换代和普通机床的技术改造上。基本特点如下：（1）适用性广：它能适应各种复杂加工，尤其是复杂曲面的加工，特别是在加工叶轮、叶片、船用螺旋桨及大型柴油机曲轴等。因此，它被广泛运用在汽车工业、航天工业、制船业，此外还有浮雕、根雕、家具市场等。（2）功能实用：采用五轴联动机床加工模具可以很快的完成模具加工，交货快，更好的保证模具的加工质量，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。在传统的模具加工中，一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。随着模具制造技术的不断发展，立式加工中心本身的一些弱点表现得越来越明显。现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显，但是如果用立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的光洁度就很差，但使用、五轴联动机床加工技术加工模具，可以克服上述不足。（3）性价比高：由于是五轴联动，让工件的装夹变得容易。加工时无需特殊夹具，降低了夹具的成本，避免了多次装夹，提高模具加工精度。采用五轴技术加工模具可以减少夹具的使用数量。另外，由于五轴联动机床可在加工中省去许多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五轴联动机床在加工中能增加刀具的有效切削刃长度，减小切削力，提高刀具使用寿命，降低成本。（4）操作简单：由于通过数控系统软件进行控制驱动，使得它比手动或一般的机床生产简单，在一些功能参数的设置上也变得简单易用。通过培训学习，能适合不同层次的用户的实用，对它的推广与运用提供了良好的平台。15 本课题的研究内容本课题的主要内容是经济型五轴雕刻机的设计、制作以及驱动。雕刻机由自己三维建模制作出来，然后采取合理的驱动方案以及一些设备软件的选取来完成雕刻机最终的运动、调试、优化、雕刻等等。52 机械结构的设计制作一个五轴的雕刻机首先要提出一个合理的结构设计的方案包括一些设计要求，然后通过三维建模的方式将结构画出来，最后加工装配起来。接下来的设计主要是为了能够驱动雕刻机，这个又需要设计一个合理而且经济的方案。21 五轴雕刻机基本原理五轴雕刻机加工中心大多是 3 + 2 的结构, 即 x, y, z 三个直线运动轴加上分别围绕 x, y, z 轴旋转的 a, b , c 三个旋转轴中的两个旋转轴组成。这样,从大的方面分类, 就有 x, y, z , a , b ; x, y, z , a , c ; x, y, z , b, c 三种形式;由二个旋转轴的组合形式来分,大体上有双转台式、 转台加上摆头式和双摆头式三种形式。这三种结构形式由于物理上的原因,分别决定了机床的规格大小和加工对象的范围。其中,双转台结构的五轴联动机床由于在加工工件时工件需要在两个旋转方向运动,所以只适合加工小型零件,如小型整体涡轮、 叶轮、 小型精密模具等,由于结构最为简单,所以相对价格较为低廉,就应用来讲,这是数量最多的一类五轴数控机床。雕刻机一般由机架、工作台、刀头、运动系统和控制系统等组成。雕刻作业时刀头相对工作台沿 X、Y、Z 轴进给。五轴雕刻机的工作原理图如图 2-1 所示PC 机运动控制卡接口X 轴伺服电机 Y 轴伺服电机 Z 轴伺服电机 A 轴伺服电机B 轴伺服电机X 轴丝杠 Y 轴丝杠 Z 轴丝杠 A 轴电机 B 轴电机完成雕刻图 2-1 为五轴雕刻机的工作原理图 电脑通过接口，直接将步进电机的控制信号输出给雕刻机控制器。而目前经济型控6制电脑可以通过软件（如 mach2)等，从并口分别送出以下的信号给雕刻机控制箱：X 轴的步进脉冲（脉冲频率越高，速度越快）X 轴的方向信号（正向或反向）Y 轴的步进脉冲（脉冲频率越高，速度越快）Y 轴的方向信号（正向或反向）Z 轴的步进脉冲（脉冲频率越高，速度越快）Z 轴的方向信号（正向或反向）A 轴的步进脉冲（脉冲频率越高，旋转速度越快）A 轴的方向信号（正向或反向）B 轴的步进脉冲（脉冲频率越高，旋转速度越快）B 轴的方向信号（正向或反向）进步电机的使能信号（电机是启用，或是停用，如果是停用，电机会完全松下来不会锁死。连接电脑工作时会启用电机） 。控制箱将这些信号处理后，输出驱动信号直接给 X，Y，Z ，A，B 五只步进电机。22 五轴雕刻机的设计要求本次课题提出对五轴雕刻机的结构设计，即使五轴雕刻机实现五轴联动，能又使得五轴雕刻机在驱动软件的驱动条件下进行小型零件的加工，机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。因此需要满足一下几点：（1）五轴雕刻机能通过数控代码，实现五轴联动，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；（2）机床具有一定的刚性、抗振性、热变形及噪音水平，能够满足加工塑料、木料等零件的要求；（3）机床首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等各种要求；（4）机床结构简单经济，便于观察加工过程，能便于操作、调整、校正、维护和维修。23 五轴雕刻机的结构方案分析通过以上五轴雕刻机工作原理的分析，以及已给的设备，对五轴雕刻机进行的一下两种方案，如下图（图 2-2 是传统五轴雕刻机的结构方案，图 2-3 是根据传统7方案设计的新的方案）图 2-2 传统五轴雕刻机结构方案 图 2-3 是新型五轴雕刻机方案两种方案相比较来说，传统方案对工作台的要求较高，它的工作台需要兼顾三种运动，这样对加工零件的约束性不较大，因此通用性不太好，适用性不强，适合固定零件的生产。但它的结构简单，稳定性强。而新型方案中，对传统方案的一种改进，它主要针对工作台进行调整，使得工作台兼顾两种运动，将摆动运用到摆臂上，这样能减小对加工零件的约束性，扩大了加工范围，通用性更强，比较符合现代企业的生产需要，但这样结构相对来说比较复杂，对摆臂的受力要求提高。本次课题中的五轴雕刻机运用新型结构，它的主要几何结构由以下几部分组：（1）底座部分作为雕刻机整机的基础，承担整个机体的重量，要求稳定坚固，底座由底下的四只脚与地面接触；（2）工作台部分工作台部分由工作台、Y 方向的丝杠和导轨以及支架组成。工作台作为雕刻工作时承载雕刻物体的部件，表面有 T 型沟槽，由丝杠驱动，导轨导向，还可以旋转；（3）横梁部分横梁由 X 方向的丝杠和导轨以及支架组成。横梁承载机头的重量，驱动机头动，容易弯曲变形，在结构仿真和运动仿真中是重要的分析对象；（4）机头部分机头部分由主轴组件、Z 方向的丝杠和导轨以及支架组成。丝杠驱动主轴组的上下运动，主轴组件在加工过程中直接带动雕刻机头的高速旋转运动；（5）摆臂部分摆臂部分由两块摆臂架组成。它与横向运动的 Y 轴以及法兰盘相连接，而法兰盘和轴承配合与支架进行组合运动，同时法兰盘与旋转电机通过刚性联轴器进行配8合连接，从而使得旋转电机可以控制摆臂部分。24 建模设计本次设计中主要运用了平面机构，机构是一个构建系统，为了传递运动和动力，机构中各构件之间应具有确定的相对运动。但任意拼凑的构件系统不一定能发生相对运动，即使能够运动，也使能够运动，也不一定具有确定的性对运动。讨论机构满足什么条件，构件间才具有确定的相对运动，对于分析现有机构或设计机构都是很重要的。机构是由许多构件组成的，机构中的每个构架都以一定的方式与另一些构件相连。这种连接不是固定连接，而是具有一定相对运动的连接。因此需要考虑选择怎样的机构进行机构设计。通过对机构的分析和对比，我们选用丝杠，平面机构中的转动这种机构。建模步骤如下（以下零件详图见最后附图）：（1）根据旋转电机设备的的要求，考虑到连接问题，我们选用联轴器将法兰盘与旋转电机相连。（2）根据旋转电机的配合要求、实际市场的联轴器型号以及轴承型号，将法兰盘尺寸进行定位。如下图 2-4、2-5 所示（图 2.4 为法兰盘 CAD 尺寸图 、图 2-5 为实体图） 。图 2-4 法拉盘 CAD 尺寸图 图 2-5 法兰盘实体图（3）根据旋转电机中打孔的位置要求右图，以及轴承、法兰盘的设计要求，进行支架的建模设定（如图 2-7） ，这样可以将旋转电机与支架进行固定，对将设计的结构起到基础定位作用和支撑作用。图 2-6 旋转电机9图 2-7 支架 CAD 尺寸图 支架实体图（4）在根据法兰盘，支架和旋转电机的配合要求，以及支架的刚性要求，将支架的厚度进行确定。（5）在根据支架高度和法兰盘尺寸要求，再考虑到横向轴在实际中的加工，以及实际加工中的加工范围，将摆臂进行设定。如图 2-8（a） 、 （b）所示。摆臂 CAD 尺寸图（a） 摆臂实体图（b）图 2-8 摆臂（6）然后根据横向轴的距离，Y 轴的距离，和实际加工的工作台，再加上支架的厚度，进行底板的设定。如图 2-9 所示（a）图为底板的尺寸图， （b）图为底板的实体图。（a）底板 CAD 尺寸图 （b） 底板实体图图 2-9 底板10（7）接着对底板的工作台进行设定，根据底板 的尺寸使用 T 形槽进行加工装配，如图 2-10 为 T 形槽 实体图。 图 2-10 T 形槽实体图（8）已有的零件进行实际测绘，并一起绘制三维实体图。如下图 2-11 分别是：（a）旋转电机， （b）横向 X 轴， （c）纵向 Z 轴。（a）旋转电机实体图 （b） 横向 X 轴实体图（c）纵向 Z 轴实体图图 2-11 实体测绘实体图（9）为了加强摆臂部分的稳定性，在两个摆臂部分使用了加强板，如图 2-12所示分别为（a）加强板的尺寸图， （b）加强板的实体图。11（a）加强板的 CAD 尺寸图 （b） 加强板实体图 图 2-12 加强板（10）模零件进行装配，如图 2-13。图 2-13 五轴雕刻机装配实体图25 加工各个零件以及通用件选择2.5.1 零件的材料分析工程结构或机械的各组成部分，如建筑物的梁和柱、机床的轴等，统称为构件。当工程结构或机械工作是，构件将受到载荷的作用。在外力作用下，固体有抵抗破坏的能力，但这种能力优势有限度的。而且，在外力的作用下，固体的尺寸和形状还将发生变化，成为变形。为保证工程结构或机械的正常工作，构件应有足够的能力负担起应当承受的载荷。因此，它应当满足以下要求：（1）强度要求：在规定载荷作用下的构件当然不应破坏。例如：冲床曲轴不可折断，储气罐不应爆炸。强度要求就是指构件应有足够的抵抗破坏的能力。（2）刚度要求：在载荷作用下，构件即使有足够的强度，但若变形过大，仍不12能正常工作。例如：若齿轮轴变形过大，将造成齿轮和轴承的不均匀磨损，引起噪声。机床主轴变形过大，将影响加工精度。刚度要求就是指构件应有足够的抵抗变形的能力。（3）稳定性要求：有些受压力作用的细长杆，如千斤顶的螺杆，内燃机的挺杆，应始终维持原有的直线平衡形态，保证不被压弯。稳定性要求就是指构件应有足够的保持原有平衡形态的能力。若构件横截面尺寸不足或形状不合理，或材料选用不当，将不能满足上述要求，从而不能保证工程结构或机械的安全工作。相反，也不该不恰当地加大横截面尺寸或选用优质材料，这虽然满足了上述要求，却多使用了材料和增加的成本，造成浪费。材料的分析可以在满足强度、刚度和稳定性的要求下，为设计既经济又安全的构件，同时又减成本将提供理论基础。2.5.2 材料的选择在材料的选择中，考虑到材料强度、刚度、稳定性要求，同时又考虑到材料的难易加工程度，还有价格合适的情况下，本次加工选用 PVC 板材和 45 号钢。在所加工的零件中，法兰盘使用的是 45 号钢，主要因为法兰盘与旋转电机是通过刚性联轴器进行固定连接的，在强度和刚性满足的条件下，比较合适。另外 45 号钢也比较好加工。而其他支架、摆臂、垫块，底板则选用了 PCV 板，这次选择了硬质的 PVC 板，主要是因为易加工，想改造也比较容易，同时这种材料的质量比较轻，有利于减轻机床的整体重量，可以使整体结构的稳定性更好。同时，在性能方面还具有表面硬度高抗刮伤性优良；表面电阻值为 10 的 610的 8 次方欧姆，具有优秀的防静电功能， 抗冲击及耐化学溶剂性能突出；外观靓丽，非常平整光滑；透光率达 73%以上等特点。根据用摆臂以及机床的整体重量的载荷要求，轴承则选用了常用滚动轴承 6000和 6001，如下图 2-14 所示图 2-14 轴承参数基本尺寸/mm轴承代号d D B基本额定动载荷Cr/KN基本额定静载荷Cor/KN6000 10 26 8 4.58 1.986001 12 28 8 5.10 2.3813工作台则用 T 形槽，他的材料是铝材板，主要考虑到 T 槽容易安装，对物品的装卸带来方便。2.5.3 连接件的选择根据零件的配合要求，选用的主要连接件有平头螺栓，内六角螺栓，联轴器等，如下图 2-15、2-16 所示图 2-15 是所使用螺栓的基本情况螺栓种类 尺寸型号 数量 用途平头螺栓 M3X15 3 纵轴与平台的连接内六角螺栓 M5X30 8 摆臂与横轴之间的连接平头螺栓 M4X30 8 支架与法兰盘的连接平头螺栓 M6X30 4 底板与支架的链接平头螺栓 M6X15 8 纵轴平台与刀头部分的连接、加强板和摆臂连接平头螺栓 M4X15 4 横轴与纵轴的连接平头螺栓 M4X55 4 旋转电机与支架的部分的连接平头螺栓 M5X40 8 铝板材与底板之间的连接平头螺栓 M5X50 4 底板、铝板材与防震块直接的连接图 2-16 联轴器的基本情况类型 尺寸要求 用途刚性联轴器 D26L30 10*12 旋转电机与法兰盘之间的固定26 五轴雕刻机的装配本章主要任务是对上述的零件进行装配，同时需求考虑在装配过程中出现的问题，还需要考虑到整个机床结构的工作性能。2.6.1 装配的概念装配是按规定的技术要求，将零件或部件进行配合和联系，使之成为半成品或14成品的工艺过程。整机装配是生产过程中的最后一个阶段，它包括装配、调整、检验和试验等工作，且产品的最终质量由装配保证。产品的质量是以产品的工作性能，使用效果和寿命等综合指标来评定的。为保证产品的质量，对产品提出了若干项装配要求，这些装配要求应当在装配过程中予以保证。所谓装配精度，就是产品装配后的实际几何参数、工作性能等参数与理想几何参数、工作性能等参数的符合程度，即主要指各个相关零件配合面之间的位置精度，包括配合面之间为间隙或过盈的相对位置，以及由于装配中零件配合面形状的改变而需计及的形状精度和微观几何精度(如接触面的大小和接触点的分布)。2.6.2 装配的基本工艺要求对装配的总要求是牢固可靠，不损伤元器件，不损伤涂覆层，不破坏元器件的绝缘性能。安装件的位置、方向正确。具体要求如下：（1）应保证实物与装配图一致。（2）提交装配的所有材料和零、部件(包括外构件)均应符合现行标准和设计文件要求，经检验合格后方可安装。（3）一般不允许对外购件进行补充加工(图纸有规定时例外)。（4）装配前应对机械零、部件进行清洁处理，消除附着的杂物，以防止先期磨损和造成额外偏差。（5）机械零、部件在装配过程中不允许产生裂纹、凹陷、压伤和可能影响设备性能的其它损伤。（6）相同的机械零、部件应具有互换性。必要时可按工艺文件的规定进行修配调整。（7）固定连接的零、部件不允许有间隙和松动。活动连接的零、部件应能在正常间隙下，在规定方向灵活均匀地运动。（8） 必须仔细检查装配好的产品并保持清洁，否则使用时会造成机械和电气故障。2.6.3 装配步骤装配步骤如下：（1）考虑到装配的先后安装顺序和安装的难易程度，首先将法兰盘与 6001 轴承进行装配，首先将法兰盘固定，然后进行装配，得到装配体【1】 。装配过程如图2-17 所示。15图 2-17 装配体【1】（2）再将刚性联轴器与装配体【1】进行装配，并将联轴器进行锁紧，使之与联轴器进行固定，等到装配体【2】 ，装配过程如图 2-18 所示。图 2-18 装配体【2】(3)为了便于安装，将装配体，先于螺栓相连接，为于摆臂连接打下基础，形成装配体【3】 ，装配过程如图 2-19 所示。图 2-19 装配体【3】（4）将旋转电机、垫块与支架进行装配，首先将支架进行固定，再将与之相连，得到装配体【4】 ，装配过程如下如图 2-20 所示。16图 2-20 装配体【4】（5）将装配体【3】与装配体【4】进行装配，先将装配体【3】进行支撑固体，在进行装配，得到装配体【5】 ，装配过程如图 2-21 所示。图 2-21 装配体【5】（6）在进行横轴与摆臂的装配，通过连接件将之连接，考虑到要与横轴的螺栓的一致性和美观的效果，选用内六角螺栓，装配得到【6】 ，装配过程如图 2-22 所示图 2-22 装配体【6】（7）将另一个法兰盘与轴承 6001 进行装配，得到装配体，同装配体【1】图所17示。（8）将第 7 步中的装配体与螺栓，支架进行装配，得到装配体【7】 ，装配过程如图 2-23 所示。图 2-23 装配体【7】（9）因为装配体的支架与比摆臂配合机床的摆动，因此为了减小阻力，增加稳定性，将与第二个支架连接的法兰盘的另一端加上轴承 6000。装配过程如图 2-24 所示图 2-24 装配体【8】（10）先将两个支架放在同一水平面上，为了方便安装，选用侧向平放，然后在将装配体【5】 、 【6】 、 【8】进行顺序装配，得到装配体【9】装配过程如图 2-25 所示18图 2-25 装配体【9】（11）根据尺寸要求，安装底板，将底板先打 4 个 M6 的螺纹孔，然后在支架上对应的位置打上同样的孔，空的深度 10mm 左右。同时在侧壁上也打上 M6 的螺纹孔，留着安放加强板。接着将装配体【9】与加强板进行连接，得到装配体【10】 ，整个装配过程如图 2-26 所示。图 2-26 装配体【10】（12）先将底板打 M5 的孔，安装上 T 形槽的工作台，得到的装配体【11】如下图 2-27 所示。19图 2-27 装配体【11】（13）将底板装配体【11】与装配体【10】进行装配得到最后的机床的装配体【12】 ，然后将旋转电机部分的联轴器锁紧，结束装配。装配的最终成果如图 2-28所示。图 2-28 五轴雕刻机的装配实体【12】（14）最后加上底板上的移动副和转动副，这样整个装配过程到这里结束，得到装配实体图，如图 2-29(a)为建模装配图， （b）为实际装配图。图 2-29 （a） （b）纵观整个装配工艺过程，从熟悉产品的用途、性能、要求入手，到装配系统图的设计，然后根据装配系统图描述各装配单元的组成和相互之间的关系，确定装配方法、划分装配工序、规定工序计划、设计工艺过程文件。整个过程不突出重点，20而是从小处着手，消除积累误差，这样可以保证装配精度，保证加工产品质量，突出整体装配工艺技术的重点及其重要性。2.6.3 本次装配中的注意要点在本次装配中应该要注意一下几点： （1）要注意刚性联轴器的锁紧顺序，先于法兰盘进行锁紧，装配的最后一步再将刚性联轴器的另一端与旋转电机进行锁紧。（2）在安装轴承时，由于是过盈配合，注意不要直接敲击轴承，应使用套筒固定轴承外圈后进行轻击安装。（3）在手钻进行打孔时，应首先确定孔的位置，然后手动点钻，最后在点钻的位置进行打孔，注意手钻的钻头位置要与打孔平面保持垂直。攻螺纹同样也是需要螺纹刀头与孔的平面垂直。（4）在加工法兰盘时，注意要与轴承配合的部分的精度要求，在上轴承时要保持接触部分光洁。（5）最后要注意装配中位置固定，最好在水平度比较好的位置进行安装，这样可以提高精度，避免装配中出现比较大误差。27 对五轴雕刻机结构的调整通过伺服电机的实际驱动，发现机床有明显的震动，左端法兰盘没有完全固定，因此对上述问题做出以下改进。（1）在底板下加上防震的橡胶块，有利于减少加工中震动，同时也有利于保护整体结构。（2）有于左端没有轴肩，使法兰盘完全不能固定，因此在法兰盘的左侧一端加上加上螺栓和垫片，使之与轴承相互固定。3 驱动设计与设计要求本课题的大体的驱动设计的方向就是选取一个合理的驱动方式来驱动雕刻机。而雕刻机结构里面又包括了各个部件的设计，这些设计都是根据具体的雕刻机结构来的。213 1 驱动方式的选择一般对于雕刻机的驱动方式有两种可供选择：伺服-运动控制卡，PC 并口控制。具体选择哪一种就要具体分析后才能知道。运动控制卡通常是采用专业的运动控制芯片或 DSP 来满足一系列运动控制要求的控制单元，其可通过 PCI、PC104 等总线接口安装到 PC 和工业 PC 上，可与步进和伺服驱动器连接，驱动步进和伺服电机完成各种运动（单轴运动、多轴运动、多轴插补等） ，接收各种输入信号（限位原点信号，sensor） ，可输出控制继电器、电磁阀、气缸等元件。用户可使用 VC、VB 等开发工具，调用运动控制卡函数库，快速开发出软件。运动控制卡也因其功能强大、开发便利等优势已被广泛运用于切割机、点胶机、激光打标机、电路板钻/铣机、超声波焊机、丝印机、 AOI 检测机、飞针测试机、激光焊接机、雕刻机、喷绘机、快速成型机等测量与自动化设备领域。针对我国主要存在的中低档机床，经济型数控系统仍具有相当大的市场潜力。所以在研制经济型数控系统过程中，考虑提高系统性能的同时，如何尽可能多地减少硬件设计，降低成本，提高可靠性已经成为大多人追求的目标。而在 PC 并口的驱动方式下，系统中常规的位置控制模块由主 CPU 依靠软件完成，降低了硬件成本，提高了可靠性。况且运动控制卡的成本比较昂贵，受到实验室的限制所以就选择了PC 并口来控制雕刻机。PC 并口控制采用并口输出的方法来实现与外部设备的接口。标准并口具有 12个输出位（D0-D7、C0-C3） ，5 个输入位（S3-S7） 。由于每路步进电机驱动器需要 2个数字位（脉冲、方向）控制，五轴系统共占用 10 个数字输出位。通过步进电机驱动器放大并口输出的脉冲和方向信号，使之驱动步进电机。并口的输入位用来检测回零开关信号、限位开关信号以及急停输入信号。但是由于输入资源有限，采用将各个轴电机的正负限位和回零信号分别并联的方法，每个并联位各占用一个并口输入位。具体结构图如图 3-1：22图 3-1.并口结构图3 2 驱动器的设计方案由该结构图可以看出需要三个步进电机，所以先要选取步进电机的型号。根据雕刻的加工范围、加工精度和经济性等要求选择了 42BYGH121 型号的步进电机。具体参数如下：额定电流：1A；额定电压：12V-24V；导程：8mm；步距角：1.8°；脉冲当量：0.04mm；行程：20cm；扭矩：3kg/cm。步进电机的最大速度与最大加速度是通过测试得出的，测试的方式与结果见第五章的详细介绍。另外旋转电机的减速比是 42：1。所以每个脉冲就会使电机旋转角度为360/42=8.5714°。旋转电机的加工范围 45°-135°。以上所有电机参数见附件 A。步进电机已经有了还需驱动器和驱动板，三个步进电机对应的就是三个步进电机驱动器，根据步进电机的要求来选择驱动器。在本课题中选用了两种不同的驱动器共三个：SH-20403 两个和 SM-202A 一个。具体参数和接线方式见第三章驱动器介绍部分。驱动板则主要是用来与 PC 连接的（通过并口） 。以上这些都是雕刻机的硬件部分，若要能够使雕刻机成功运动起来就必须还要有一个软件来给步进电机发送脉冲和方向信号。本课题主要是运用 EMC2 软件来发送信号驱动步进电机。方案的设计与一些设备仪器的选取差不多已经完成了，接下来的主要任务便是搞清楚驱动的原理及相关设备之间的连线方式。3 3 雕刻机的驱动原理雕刻机的传统的工作原理：通过计算机内部配置的专用雕刻软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的信息自动传送至雕刻机控制器中，再由控制器把这些信息转化为能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号（脉冲串） ，控制雕刻机23主机生成各轴的雕刻走刀路径。同时，雕刻机上的高速旋转雕刻头通过按加工材质配置的刀具对固定于主机工作台上的加工材料进行切削，这样即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字，实现雕刻自动化作业。而本课题的原理是将预先设定好的 G 代码转化为 EMC2 软件能读懂的信号，然后 EMC2 软件通过计算机并口到驱动板将信号放大给驱动器脉冲信号，驱动器带动步进电机然后就是雕刻机正常运行如图 3-2 所示。G 代码 驱动板驱动器 步进电机 雕刻机EMC2输出脉冲与方向图 3-2.驱动原理图3 4 驱动板与驱动器3.4.1 驱动板驱动板的工作原理就是将 EMC2 软件给的信号进行放大，然后将该信号以脉冲和方向两个信号形式连接到驱动器上。同时还可以降低电流，将高电压和大电流与控制板隔离，起到一个保护电器的作用。3.4.2 驱动器步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角” ）一步一步运行的，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行是要有一个电子装置进行驱动的，这种装置就是步进电机驱动器。它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲的频率成正比。因此，只要控制步进电机脉冲信号的频率就可以对电机精确调速，而控制步进电机脉冲的个数就可以对电机精确定位。步进电机驱动器还可以对电机的步距角进行细分。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在 10 细分状态时，其步距角只为“电机固有24步距角”的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机就转动 1.8°；而用细分驱动器工作在 10 细分状态时，电机只转动了 0.18°，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动器细分的优点主要有：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径。如果步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧） ，选择细分驱动器是唯一的选择。不仅如此，细分还可以提高电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了约30-40%。还能提高电机的分辨率，由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率也是不言而喻的。3 5 雕刻机的整体接线整体的接线就是纵观所有仪器设备的接线方式与原理。本章首先主要讲的是整体的各部分直接的接线方式，然后再介绍每个部件各自的接线方式。等线全部接完之后，再试着用计算机中的 EMC2 软件来驱动雕刻机运动看看。图 3-3.整体接线图如图 9 所示，计算机与驱动板之间通过计算机并口连接，并由计算机控制板给驱动板提供一个 5V 的电源。然后驱动板通过四根信号线与步进电机驱动器连接在一25起，一个 24V 的电源给驱动器提供电流。最后就是步进电机驱动器与雕刻机上的各个轴的步进电机相连以至驱动雕刻机。3 6 雕刻机的驱动据前面接线的铺垫，本个章节主要介绍的就是雕刻机的驱动与运动方面的优化。本课题雕刻机的驱动与优化都是依赖于 EMC2 软件，而在前面就已经介绍过了这个软件的一些选项、控件的含义与用途。接下来就是主要介绍如何利用该软件驱动雕刻机以及运动优化。（1）EMC2 中的引脚介绍EMC2 的并口有 17 个引脚可以用。对 Stepconf Wizard 来说，是 12 个输出引脚外加5 个输入引脚。图 3-4 这个界面主要是为了给每个引脚选择不同的功能（输出引脚有23 种功能可选，输入引脚有 40 种功能可选，具体选哪个就要参考要和并口连接的硬件了） 。图 3-4如果电平信号是相反的就需要把引脚的“invert”选项勾上。在本课题中电平是