雕刻机自动控制系统.doc
《雕刻机自动控制系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《雕刻机自动控制系统.doc（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
自动控制原理
题目：
雕刻机自动控制系统
学院：
＿###############
专业：
########################
班级：
##################
学号：
#############
学生姓名：
#############
指导教师：
############
年月日
[键入文字]
摘要
雕刻机制作工艺日渐成熟，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，可谓雕刻的使用范围无处不在。
但雕刻机的价格均比较高,为了提高其普及率,开发一个经济、简练的机械运动系统是很具有重要的理论意义和实用价值的。
本文简要地介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外同类雕刻机的特点，说明了雕刻机的功能和使用范围。
综合运用机械制造和加工工艺等知识，提出了简化雕刻机运动系统的思路。
其次，讨论和确定了本雕刻机的总体结构布局。
本雕刻的运动系统包括了主运动系统和进给运动系统。
其主运动系统采用电机直接接刀具，省去中间传动，而进给运动系统是采用步进电机带动滚珠丝杠使部件在导轨上平移来实现三轴联动。
再次，对主电机的选用、滚珠丝杠、步进电机以及导轨等主要零部件进行了详细的与计算。
本雕刻机有着安装方便，结构简单、新颖，制造成本低等优点，可用于中小型雕刻机，对雕刻机价格具有一点的影响。
关键词：
雕刻机，运动系统，三维
II
目录
第一章绪论 1
1.1雕刻机的概述 1
1.2研制的雕刻机的特点 1
1.3研制的雕刻机功能及使用范围 1
第二章系统分析 3
2.1三维雕刻机的参数 3
2.2雕刻机 4
2.2.1总体布局要求 4
2.2.2总体方案确定 5
2.3雕刻机运动系统 5
2.3.1坐标系统的确定 5
2.3.2总体结构 6
2.3.3主运动方案 7
2.3.4进给运动方案 7
第三章主运动系统的校核 8
3.1铣削力、扭矩和功率的计算 8
3.2主运动系统 9
3.2.1主运动系统的方案 9
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
自动控制原理
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。
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，可谓雕刻的使用范围无处不在。
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
进给速度
（mm/s）
工作
0.5,1,2,3,5,8,10
快速
5,10,15,20,25,30
机械精度（mm）
0.01
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）
±0.2
定位精度（mm）
0.025
重复定位精度（mm）
0.01
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）
0.01
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）
0.02
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
升级会员 