数控雕刻机开题报告.docx

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数控雕刻机开题报告

景德镇陶瓷学院

毕业设计（论文）开题报告

课题名称：

数控雕刻机的设计（）

学院（系）：

机电学院

年级专业：

学生姓名：

指导教师：

开题时间：

2013年1月

数控雕刻机设计

一、数控雕刻机概述

数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床。

与通用的数控机床类似，数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作，实现雕刻加工的自动化。

较传统的手工雕刻、仿形雕刻，数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势；同时，借助于专用的雕刻CAD/CAM软件系统，加工控制程序的生成快捷、修改方便。

因此，数控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效率手段，也是当今雕刻机的发展主流，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装演等众多领域。

根据研究对象和应用领域的不同，数控雕刻机可以分为模具雕刻机、木工雕刻机、广告雕刻机、激光雕刻机等多种类型。

他们的加工性能要求出入很大，对机床和数控系统的要求也各不相同。

如模具雕刻机的加工材料为金属，所以对机床本体的刚体要求较高，而且其加工对象是模具，所以对加工系统的精度要求高；而广告机加工的是一般塑胶板或有机玻璃等费金属材料，所以对机床刚性和加工系统的精度都没有很高要求。

但各类雕刻机都有一个共同特点，也是数控雕刻机与普通数控机床的一个显著区别，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有效成形面积小，所以雕刻的刀具运动轨迹很长，加工时间往往也较长。

因此，提高雕刻机的刀具运动速度对缩短零件雕刻时间、提高加工效率具有特别重要的意义。

按照伺服驱动控制的类型不同，数控雕刻机又可以分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机。

步进驱动属于开环控制，控制精度较低，但价格便宜，适用于对加工要求不高的中低档雕刻机，如木工，广告业的雕刻加工。

伺服驱动控制精度高，但价格较贵，主要用于模具加工等高精度雕刻机。

此外，还可以根据运动坐标控制的联动轴数，将数控雕刻机分为三坐标数控雕刻机、五坐标雕刻机等。

三坐标数控雕刻机可以控制三个坐标联动，完成浮雕等常规雕刻加工；五坐标数控雕刻机可以联动控制X,Y,Z三个移动轴和两个旋转轴，用来完成复杂形状零件的雕刻加工。

二、我国数控雕刻机发展现状和发展趋势

雕刻机是由数控龙门铣床转型而来的，但近几年来在在我国发展非常迅速，相对于手工雕刻来说它是科技发展的一次质变，它的出现给人们带来了巨大的方便，也给我们在工业上的的发展带来了很大的变化。

它的运用，大量节省了企业在产品制作上的时间，提高了雕刻工艺及工作效率，并且现在很多行业都受益于雕刻机。

2003年是雕刻机在国内受到广泛关注的一年，那时候才陆续的有厂家转身雕刻机行业。

而如今，经过不足10年的发展，雕刻机已经被广泛运用于各行各业之中。

随着近年来我国制造业的迅速发展，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和推广应用。

我国数控雕刻机起步经济型数控机床，随着数控技术的进步，进过十多年的发展，已形成了多个国品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京槽雕公司生产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。

上述各类雕刻机机床本体结构比较简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制或PC的数控系统，伺服部分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，因此整机的性价比高，适用于精度不太高的普及应用场合。

对高精度雕刻加工，目前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的左日本的全量等品牌的数控雕刻机。

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，往往倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合。

数控雕刻机作为制造业一个有力工具，有着非常广阔的发展前景，随着计算机技术、机电技术、机械技术等各个科学技术的发展，数控雕刻机的功能将日益强大，性能将更趋稳定。

雕刻机发展趋势总结如下：

（1）、更加精密

控制部分和机械部分精度的提高将极大地提高雕刻系统的精度，控制部分将向闭环私服方向发展，通过反馈调整做到误差补偿，从而可以大幅度提高精度；机械部分将采用更高精度的滚珠丝杠和驱动电机，同时装配工艺的提高也将进一步提高系统的精度。

（2）、更加高效

高性能运动控制技术如DSP技术、32为单片机等的发展，驱动电机性能提高，刀具性能提高，采用规范的软件开发技术等等，都将会推动数控雕刻系统向着高速、高效、高可靠性的方向发展。

（3）利用移动通讯技术和网络技术飞速的发展，数控雕刻机将朝着数值化、网路化的方向发展。

三、研究的基本内容，拟解决的主要问题

1、本课题的主要研究内容

1）数控雕刻机的总体设计，包括总体结构设计，运动方案、进给运动方案、道具方案等设计；

2）数控雕刻机的机械系统的设计计算，包括主运动系统的设计计算、进给运动系统的设计计算等；

3）数控雕刻机步进电机的选择；

4）用三维设计软件设计有关零部件，并进行装配，生成二维图；

5）基于三维软件的数控雕刻机的运动仿真。

2、拟解决的主要问题：

1）首先是结构形式的确定，选择合理的形式和尺寸。

数控雕刻机的设计重要的是在满足设计要求的前提下实现结构的最简化、重量的最轻巧，因此设计的刚度、强度和稳定性计算是设计研究的主要问题。

2）运行机构的设计中驱动方式、驱动轮的位置和轮距、电机制动器等的布置形式也是研究的重要方面，直接影响到数控雕刻机的性能。

3）数控雕刻机装配图及其关键零件的绘制和运动仿真。

四、研究思路和方法

1、根据设计要求和原始资料进行初步的计算：

查找相关资料并阅读，并最终确定结构方案；

2、设计并计算数控雕刻机机械部分的主要零部件，如传动部件、支撑部件、控制电机等。

3、利用Solidworks、Caxa软件绘制雕刻机的装配图以及重要零件图；

4、利用三维设计软件进行运动仿真；

五、设计方案

1、雕刻机总体布局的基本要求有一下几点：

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。

2、数控雕刻机基本机械结构设计

考虑到降低雕刻机的制造成本,我们采用了结构简单且刚性较好的龙门式布局,如下图图所示。

主要结构有底座、导轨、龙门架、工作台和主轴组件等部分。

2块厚的L形铝板底部与y轴滑块固定作为立柱,2块铝板的上部也用铝板连接起到稳定作用。

y轴圆柱导轨的两端分别安装在底部前板和底部后板的安装孔中,起到支撑龙门架与y轴导向作用。

X轴圆柱导轨安装在两立柱上的安装孔中,起到横梁支撑与X轴导向作用。

X轴滑块连接Z轴上下板,与Z轴圆柱导轨及Z轴滑块一起构成Z轴机构。

各轴的进给运动均采用步进电动机驱动滚珠丝杠副的方式。

3、雕刻机运动分配

工作表面形成方法及运动相同，而雕刻机的运动分配不同，雕刻机的布局也会不同。

对于同一种运动分配的布局，由于导轨的布置和其他结构形式的不同，也将使雕刻机的布局出现变化。

在分配雕刻机运动时，一般应注意一下几点：

1）、移动部件的重量应尽量轻。

在其它条件相同的情况下，移动部件的重量越小，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；

4）、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，而工件尺寸、重量和形状不同，雕刻机的布局也会有很大差异。

另外，还应该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，操纵方便的影响，模块化设计法的影响等。

通过查阅相关的文献资料，雕刻机基本布局形式通常有下图所示的两种方案：

这两种布局都采用龙门式框架结构，雕刻机的刚度均较高。

布局

（1）方案中，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。

布局

（2）方案中，立柱固定，雕刻头作横向和上下移动，工作台作纵向移动。

承载能力较布局

（1）方案差。

若设计所承载的工件较轻，这种布局方式所需电动机功率和传动件的尺寸较小，移动较轻便。

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，但支架结构较布局

（1）方案略显复杂。

该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证。

经以上比较，充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三坐标数控雕刻机的设计参数，可采用布局

（2）的方案。

4、坐标系的确定

雕刻机的坐标采用右手法则，直角卡迪尔坐标系统。

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，如下图所示。

Z轴为平行于雕刻机主轴的坐标轴，垂直于工件装夹面。

5、三维雕刻机的机械机构

该三维雕刻机的机械几何结构由以下几部分组成：

1）、底座部分

作为整机的基础，承担整个机体的重量，要求稳定坚固。

底座由底下的四只支脚与地面接触；

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，工作台作为雕刻机承载雕刻物体的部分，表面有工形沟槽，由丝杠驱动；

3）、横梁部分

横梁有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，容量弯曲变形，在结构仿真和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。

丝杠驱动主轴的上下运动，主轴组件在加工过程中直接带动雕刻机的高速旋转运动。

6、机械结构的参数化建模与简化

雕刻机机械结构的参数化建模主要在SolidWorks中进行,这样可以很方便地根据优化结果对模型进行修改。

通常在有限元分析前,还需要对模型进行适当的简化。

这是因为当零件或装配设计本身较为复杂时,建立的模型就包含很多细节,在分析结构的不同特性时,某些细节并不需要考虑。

如果不进行简化,对这些细节也进行分析计算,会导致分析计算量大而占用太大的存储空间或增加计算中出错的几率。

另外,由于分析结果中这些细节部位的变形量和应力较大,使得某些部位的变形量显示不出来,掩盖了真正要关心问题。

因此,对要分析的模型进行适当的简化是优化过程中的重要一步。

模型的简化方案应建立在仿真分析内容的基础上,不同的问题简化的内容应有所不同。

六、进度计划

1-3周

理解课题、搜集资料、制作PPT

4周

完成文献综述、开题报告、准备节点考核

5-9周

确定数控雕刻机结构方案，计算结构参数，完成结构设计草图

10周

制作中期汇报PPT，准备中期考核

11-13周

进行数控雕刻机三维实体设计，造型，仿真模拟

14-15周

电机选型，结构强度校核，系统工程图绘制

16-17周

撰写论文，翻译外文资料；制作PPT，准备答辩

七、主要参考文献

[1]《机械设计手册》编委会，北京：

机械工业出版社，2004；

[2]赵松年，张奇鹏，机电一体化机械系统设计，北京：

机械工业出版社，1996；

[3]赵松年，戴志义，机电一体化数控系统设计，北京：

机械工业出版社，1994；

[4]宋天麟，数控机床及其应用与维修，东南大学出版社，2003；

[5]刘雄伟，数控加工理论与编程技术-2，北京：

机械工业出版社，1994；

[6]谭建成，机电控制专用集成电路，北京：

机械工业出版社，2002；

[7]张新义，经济型数控机床系统设计，北京：

机械工业出版社，1994；

[8]王爱玲，现代数控机床结构与设计，兵器工业出版社，1994；

[9]蔡厚道等，数控机床构造，北京理工大学出版社，2007；

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机械工业出版社，1994

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[13]王先逵，机械制造工艺学，北京：

机械工业出版社，第二版；

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[15]GegPaul，NewProcessorsTransformcontrol，MechanicalEngineering，1997.4。