雕刻机自动控制系统Word文档格式.doc
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3.2.2主轴电机的计算 9
第四章进给运动系统计算 11
4.1Z方向进给运动系统 11
4.1.1Z方向进给运动系统组成 11
4.1.2联轴器的选择 11
4.1.3Z方向直线导轨副的计算 12
4.2X方向进给运动系统 13
4.2.1X方向进给运动系统组成 13
4.2.2联轴器的选择 14
4.2.3X方向直线导轨副的计算 14
4.3Y方向进给运动系统 15
4.3.1Y方向进给运动系统组成 15
4.3.2滚珠丝杠副的计算 15
4.3.3滚珠丝杆的校核 19
4.3.4Y方向进给电机的计算 19
4.3.5联轴器的选择 20
4.3.6Y方向直线导轨副的计算 20
4.4雕刻机参数的确定 21
参考文献 22
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……”。
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。
雕刻机（EngravingPlotter），顾名思义就是用机器代替人工进行雕刻的设备。
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。
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，但价格非常昂贵。
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”在国内也有一定的市场，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，所以决定对三维雕刻机进行研制[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，只对机械部分进行，本简化机械结构，提高精度。
主要措施是采用电机直接接刀具来实现主运动系统、步进电机直接与滚珠丝杠连接，从而省去了机械运动链，这不但简化了机械结构，而且减少了由于机械摩擦、磨损、间隙等引起的传动误差。
1.3研制的雕刻机功能及使用范围
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）标志标牌行业如胸牌、桌牌、指示牌、导向牌和大型标示牌。
2）礼品行业个性化礼品——打火机、手表、钢笔、餐具……，可雕刻在偶然性能想象到的所有个人用品上；
广告礼品——启瓶器、金属名片、钥匙链等，所有用于赠送的小礼品和企业特殊礼品作为广告宣传之用；
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）模具行业进行小型模具加工。
4）工业应用各种仪器仪表的刻度盘、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
3
第二章系统分析
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
600×
800
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）
0.01
Z轴
最大行程
90
0.5,1,2,3,5,8,10
5,10,15,20,25,30
指令精度（mm）
0.0025
主轴转速（rpm）
6000~20000
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）
定位精度（mm）
0.025
重复定位精度（mm）
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）
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）
2.2雕刻机
2.2.1总体布局要求
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，便于加工和装配。
（6）.体积小，重量轻，节约原材料，降低制造成本，缩小占地面积，外型美观大方。
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。
2）雕刻机运动分配的影响
工件表面形成方法及运动相同，而雕刻机的运动分配不同，雕刻机的布局亦不同。
对于同一种运动分配的布局，由于导轨的布置及其它结构型式的不同，也将使雕刻机的布局出现变化。
在分配雕刻机运动时，一般应注意以下三点:
（1）移动部件的重量应尽量轻。
在其他条件相同的情况下，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，而工件的尺寸、重量和形状的不同，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;
操纵方便性的影响;
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，目前雕刻机基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。
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。
2.3雕刻机运动系统
本部分着重研究在确定了总体布局型式后对雕刻机各组成部分方案的选择,它包括：
有效雕刻区域、滚珠丝杠的结构型式和参数、直线导轨的结构型式和参数、主电机的结构型式和参数、步进电机的结构型式和参数、主运动和进给运动的传递方式和转速范围等;
2.3.1坐标系统的确定
雕刻机的坐标系统采用右手法则，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2.2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的确定
2.3.2总体结构
机械本体部分是雕刻机的骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分。
在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化的结构，减轻整机重量，缩短产品的和制造的周期，其主体框架采用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:
直接采用专用的雕刻头或采用直流电机带动主轴机构。
真流电机加上带轮虽然也可以满足主轴速度的要求，而且也比较便宜，但会增加机械结构的复杂程度。
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，既简单又实用，故采用专用的雕刻机电机。
2.3.4进给运动方案
由前所述，采用横梁固定、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很多优点,因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。
步进电机和滚珠丝杠副直接连接。
至于导轨,各运动链中支承件均采用滚动直线导轨副。
10
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。
以下采用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、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（），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
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。
3.2.1主运动系统的方案
为了简化机械结构，本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。
3.2.2主轴电机的计算
根据前两节的计算结果，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[6]《机电一体化系统手册》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0.44
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[6]《机电一体化系统手册》,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Spindletype
转速Speed
（r/min）
电机 Motor
外形尺寸 Dimensions（mm）
变频器Conv
Kw
润滑Lub
冷却Cool
KW
V
M
A
Hz
D
D1
D2
Jointofnose
L
L1
L2
ADX60-24Z/0.8
24000
0.8
220
2.5
2.2
400
62
55
-
ER11
206
6
0.5
grease
water
第四章进给运动系统计算
雕刻机的进给运动分为三部分：
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
4.1Z方向进给运动系统
4.1.1Z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4.1所示
图4.1Z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,故选用以下联轴器
22
图4.6联轴器外形
表4.3参数表
规格
Ø
d1,Ø
d2
轴径
性能参数
扭矩
偏心角度
最高转速
螺丝（M）
材料
SDWA
31
6.35
31.8
23.8
7
M4
*2
30
N·
CM
3º
15000
r/min
进口专用
4.1.3Z方向直线导轨副的计算
1）初选直线导轨副的型号为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=37.5<
额定静载荷=920N故所选导轨满足载荷要求
4）寿命计算
（1）导轨在有效时间内的总行程 （4.28）
式中为温度系数，在小于100度的温度下＝1；
为接触系数，每根导轨的支承为二，；
＝162，为硬度系数，通常取1；
为载荷系数，轻微冲击取＝1.5。
代入式（4.28）得＝758Km
（2）寿命 （4.29）
式中导轨套单行程长=0.09m,按每分种往复次数4算,代入式（4.29）得
=17547>
所选的导轨满足寿命要求。
4.2X方向进给运动系统
本雕刻机共分成三部分的运动,X轴的进给运动系统与Z轴的进给系统并无本质区别,这一节简单的对X轴计算。
4.2.1X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4.8所示
图4.8X轴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,故选用与Z方向相同规格的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
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<
而静载荷47<
（1）导轨在有效时间内的总行程 （4.40）
＝67，为硬度系数，通常取1；
为载荷系数，轻
微冲击取＝1.5。
代入式（4.40）得＝7073Km
（2）寿命 （4.41）
式中导轨套单行程长=0.6m,按每分种往复次数4算,代入式（4.41）得
=24559>
15000所选的导轨满足寿命要求。
4.3Y方向进给运动系统
4.3.1Y方向进给运动系统组成
结构简图如图4.13所示
图4.13Y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
115,158,126,65
3）当量转速
四种切削方式的使用时间占总使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，轻微冲击取负载性质系数，查表7，按7级精度,查表8，按可靠性97%取可靠性系数,当量载荷=126,当量转速=483,根据要求,本雕刻机预期工作时间15000代入式（4.7）得
=3525
2）拟采用预紧滚珠丝杠副，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.3525
4.3.2.3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
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）
因采用的是一端固定，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
代号
公称
直径
d0
导程
Ph0
丝杠
外径
d1
钢球
Dw
底径
循环
圈数
基本额定负荷
刚度
Kc
N/μm
动载荷
Ca（KN）
静载荷
Coa（KN）
FF1604-3
16
4
15.3
2.381
13.5
4.8
9.7
221
螺母安装连接尺寸
D1（g6）
D2（）
D3
B
D4
D5
D6
h
D7
D8
28
52
38
5.8
34
M6
37
3）．确定滚珠丝杠副的预紧力
，而且
故52
4.3.2.5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,而已丝杠采用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，螺母长度，安全行程,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
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