【正文】 群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從 加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價(jià)格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。 數(shù)控雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控雕刻機(jī) 數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)床。與通用數(shù)控機(jī)床類似，數(shù)控雕刻機(jī)通過數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序代碼控制雕刻機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)雕刻加工的自 動(dòng)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(qiáng)等顯著優(yōu)勢 。同時(shí)，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(jī)現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)雕刻加工自動(dòng)化、高效率、高精度的有效手段，也是當(dāng)今雕刻機(jī)的發(fā)展主流，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、廣告?zhèn)髅?、日常消費(fèi)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(jì)說明書 20xx 2 對象和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，數(shù)控雕刻機(jī)可分為模具雕刻機(jī)、木工雕刻機(jī)、廣告雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等多種類型。它們的加工性能要求出入很大，對機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的要求也各不相同。如模 具雕刻機(jī)的加工材料為金屬，所以對機(jī)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(jī)加工的是一般是塑膠板或有機(jī)玻璃等非金屬材料，所以對機(jī)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(jī)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，也是數(shù)控雕刻機(jī)與普通數(shù)控機(jī)床的一個(gè)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(yùn)動(dòng)軌跡很長，加工時(shí)間往往也較長。因此，提高雕刻機(jī)的刀具運(yùn)動(dòng)速度對縮短零件雕刻時(shí)間、提高加工效率具有特別重要的意義。 按照伺服驅(qū)動(dòng)控制的類型不同，數(shù)控雕刻機(jī)又可以分 為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)屬于開環(huán)控制，控制精度較低，但價(jià)格便宜，適用于對加工要求不高的中低檔雕刻機(jī)，如木工、廣告業(yè)的雕刻加工。伺服驅(qū)動(dòng)控制精度高，但價(jià)格較貴，主要用于模具加工等高精度雕刻機(jī)。 此外，還可根據(jù)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，將數(shù)控雕刻機(jī)分為三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)、五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)等。三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以控制三個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工 。五坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)可以聯(lián)動(dòng)控制 X， Y， Z 三個(gè)移動(dòng)軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，用來完成復(fù)雜形狀零件的雕刻加工。 機(jī)電一體化技術(shù)是 機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，也是我國機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。 數(shù)控雕刻機(jī)的特點(diǎn) 數(shù)控雕刻機(jī)的主要特點(diǎn)如下 : 自動(dòng)化程度高。具體的雕刻過程都是數(shù) 控雕刻機(jī)自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制完成，可以達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量 :批量加工時(shí)，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(jī)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(jī)都有鉆銑功能，可用于鉆孔、切邊、加工小模具，性價(jià)比高。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20xx 3 數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)玻璃、三維廣告牌、 雙色人物雕像、浮雕獎(jiǎng)?wù)隆⒂袡C(jī)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(jì)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(jī)床電極雕刻加工。 機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù) 控雕刻機(jī)有了更大的用武之地。因此，計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。 我國數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)機(jī)遇有效地促進(jìn)了我國數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國的數(shù)控雕刻機(jī)起步經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，己形成了多個(gè)國品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機(jī)、北京糟雕公司生產(chǎn)精雕數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類型雕刻機(jī)機(jī)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(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)為主，可獲得中等控制精度，但價(jià)格比較便宜，因此整機(jī)的性價(jià)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(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛高度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性，但價(jià)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(jì)一臺(tái)微型雕刻機(jī)，用于工程應(yīng)用，雕刻機(jī)具有三個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)。其主要內(nèi)容有： 1. 設(shè)計(jì) 微型雕刻機(jī)的總體方案。根據(jù)雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)，主要包括雕刻機(jī)主軸的傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)； 2. 雕刻機(jī)零件的工藝分析； 3. 繪制雕刻機(jī)的零件圖； 4. 數(shù)控系統(tǒng)選用及控制設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)有一下幾方面： 1. 課題來源：工程實(shí)踐； 2. 產(chǎn)品名稱：微型雕刻機(jī)； 3. 批量：一臺(tái)； 4. 雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)； 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(jì)的雕刻機(jī)巧妙結(jié)合。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20xx 4 2. 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 雕刻 機(jī)的工作原理 計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)實(shí)際是一個(gè)三維數(shù)控系統(tǒng)，其工作原理如圖所示 圖 數(shù)控雕刻機(jī)工作原理 通用微型計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝專用的設(shè)計(jì)排版軟件進(jìn)行圖形、文字的設(shè)計(jì)、排版， 自動(dòng)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(jī)，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(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的信號(hào) (脈沖串 )，控制雕刻機(jī) X， Y， Z 三軸的走刀。同時(shí)，進(jìn)行銑削，即可雕 刻出在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的各種平面或立體的圖形文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化加工。 整體結(jié)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對雕刻機(jī)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(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。 雕刻機(jī)總體布局的基本要求 雕刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn) : 首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等等各種要求 。 確保實(shí)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(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率 。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20xx 5 確保雕刻機(jī)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(hù)，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(jī)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(jī)布局的基本因素 : 表面形成運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)來加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運(yùn)動(dòng)直接決定了雕刻機(jī)布局的形式，是影響雕刻機(jī)布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機(jī)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，以期作出具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的布局設(shè)計(jì)。 雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配的影響 工件表面形成方法及運(yùn)動(dòng)相同，而雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)不同。對于同一種運(yùn)動(dòng)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(jī)的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn) : 1) 移動(dòng)部件的重量應(yīng)盡量 輕。在其它條件相同的情況下，移動(dòng)部件的重量越小，所需電機(jī)功率和傳動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng)及雕刻機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)分配基本相同，而工件尺寸、重量和形狀不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)有很大差異。另外，還應(yīng)考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動(dòng)、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(jì)法的影響等。 通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，雕刻機(jī)基本布局形式通常有下圖所示的兩種方案： 圖 雕刻機(jī)的布局簡圖 圖 雕刻機(jī)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(jī)的剛度均較高。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20xx 6 布局 (1)方案中，工作臺(tái)固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，立柱作縱向移動(dòng)。該方案便于變形為不同縱向長度的雕刻機(jī)。由于工作臺(tái)不動(dòng)，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(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便。但雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較難保證且立柱移動(dòng)較笨重。 布局 (2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，工作臺(tái)作縱向移動(dòng)。由于工作臺(tái)移動(dòng)，承載能力較布局 (1)方 案差。若設(shè)計(jì)所承載的工件較輕，這種布局方式所需電動(dòng)機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸較小，移動(dòng)較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可采用布局 (2)的方案。 坐標(biāo)系的確定 雕刻機(jī)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(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符號(hào)為 A 、 B 、 C ，如圖 2. 3 所示。 Z 軸為平行于雕刻機(jī)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(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 該三維雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)，由以下幾部分組成 : 底座部分 作為整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個(gè)機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)固。底座由底下的四只支腳與地面接觸 。 工作臺(tái)部分 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20xx 7 工作臺(tái)部分由工作臺(tái)， y 方向的絲杠和導(dǎo)軌，以及支架組成。工作臺(tái)作為雕刻工作時(shí)承載雕刻物體的部件，表面有 T 形溝槽，由絲杠驅(qū)動(dòng)，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(jī)頭的重量，驅(qū)動(dòng)機(jī)頭動(dòng)，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動(dòng)仿真中是重要的分析對象 : 機(jī)頭部分 機(jī)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(dòng)主軸組的上下運(yùn)動(dòng)，主軸組件在加工過程中直接帶動(dòng)雕刻頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 下面從雕刻機(jī)的功能角度，介紹一下各部分的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì) : 進(jìn)給系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)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(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的區(qū)別，它能根據(jù)指令信號(hào)精確的控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度和位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 下面介紹一下雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。雕刻機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式如下 : 工作臺(tái)帶動(dòng)工件做 y 方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭沿 x 方向橫梁做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，雕刻頭在直流電機(jī)的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，并在 Z 方向做上下運(yùn)動(dòng)。刀具和工件的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)雕刻寬度 。如下圖所示 圖 雕刻機(jī) X方向進(jìn)給圖 y 方向的絲杠前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(jì)說明書 20xx 8 圖 雕刻機(jī) Y 方向的進(jìn)給圖 Z向的絲杠上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雕刻深度。 各個(gè)傳動(dòng)鏈中均采用絲杠螺母傳動(dòng)副，保證了運(yùn)動(dòng)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(jī)軸相聯(lián)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，將