【正文】 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 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。 數(shù)控雕刻機及其發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控雕刻機 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(dāng)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?、日常消費以及建筑裝演等眾多領(lǐng)域。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20xx 2 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。 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。 此外，還可根據(jù)運動坐標(biāo)控制的聯(lián)動軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機分為三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機、五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機等。三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機可以控制三個坐標(biāo)軸聯(lián)動，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工 。五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機可以聯(lián)動控制 X， Y， Z 三個移動軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸，用來完成復(fù)雜形狀零件的雕刻加工。 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(dāng)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。 數(shù)控雕刻機的特點 數(shù)控雕刻機的主要特點如下 : 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。 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)十分重要。 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(fù)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。 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。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20xx 3 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 : 廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類雙色板標(biāo)牌、有機玻璃、三維廣告牌、 雙色人物雕像、浮雕獎?wù)隆⒂袡C板浮雕、立體門頭字等。 模型制作業(yè)，制作沙盤模型、房屋模型等。 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。 木器業(yè)，用于浮雕圖案設(shè)計及制作。 印刷電路板 (PCB)新產(chǎn)品開發(fā)中的電路制作，鉆孔、銑槽等。 印章業(yè)，各類字體各類材料的印章雕刻。 電火花加工機床電極雕刻加工。 機械加工業(yè)，刻度盤字輪及標(biāo)尺刻度。 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。 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(xì)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。 設(shè)計一臺微型雕刻機，用于工程應(yīng)用，雕刻機具有三個自由度方向的運動。其主要內(nèi)容有： 1. 設(shè)計 微型雕刻機的總體方案。根據(jù)雕刻機的設(shè)計要求設(shè)計主軸結(jié)構(gòu)，主要包括雕刻機主軸的傳動和執(zhí)行機構(gòu)； 2. 雕刻機零件的工藝分析； 3. 繪制雕刻機的零件圖； 4. 數(shù)控系統(tǒng)選用及控制設(shè)計。本設(shè)計的設(shè)計依據(jù)有一下幾方面： 1. 課題來源：工程實踐； 2. 產(chǎn)品名稱：微型雕刻機； 3. 批量：一臺； 4. 雕刻機的設(shè)計定位精度177。 ； 5．工作環(huán)境 10 oC~50 oC； 6. 電氣控制部分的設(shè)計按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計； 7. 數(shù)控系統(tǒng)推薦選用市場上比較成熟的產(chǎn)品，能與設(shè)計的雕刻機巧妙結(jié)合。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20xx 4 2. 雕刻機的機械結(jié)構(gòu) 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)，其工作原理如圖所示 圖 數(shù)控雕刻機工作原理 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， Z 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。 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(xì)介紹。 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 : 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 。 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 。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20xx 5 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； 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； 結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 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(dāng)考慮影響雕刻機布局的基本因素 : 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(dǎo)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。 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(dǎo)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所示的兩種方案： 圖 雕刻機的布局簡圖 圖 雕刻機的布局形式 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。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20xx 6 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(fù)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(biāo)數(shù)控雕刻機的設(shè)計參數(shù)，可采用布局 (2)的方案。 坐標(biāo)系的確定 雕刻機的坐標(biāo)系采用右手法則，直角卡笛兒坐標(biāo)系統(tǒng)?；咀鴺?biāo)軸為 X 、 Y 、Z 直角坐標(biāo)，對相應(yīng)每一個旋轉(zhuǎn)運動符號為 A 、 B 、 C ，如圖 2. 3 所示。 Z 軸為平行于雕刻機主軸的坐標(biāo)軸，垂直于工件裝夾面。 圖 圖 右手坐標(biāo)系統(tǒng) 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 : 底座部分 作為整機的基礎(chǔ)，承擔(dān)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 。 工作臺部分 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20xx 7 工作臺部分由工作臺， y 方向的絲杠和導(dǎo)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(dǎo)軌導(dǎo)向 : 橫梁部分 橫 梁由 x 方向的絲杠和導(dǎo)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 : 機頭部分 機頭部分由主軸組件， Z 方向的絲杠和導(dǎo)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 : 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。 x方向的絲杠左右運動， 實現(xiàn)雕刻寬度 。如下圖所示 圖 雕刻機 X方向進給圖 y 方向的絲杠前后運動，實現(xiàn)雕刻長度 ,如下圖所示： 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20xx 8 圖 雕刻機 Y 方向的進給圖 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)緊湊。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