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1、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 課題名稱： 數(shù) 控雕刻機設(shè)計 學(xué)院（系）： 年級專業(yè)： 08級機電3班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 數(shù)控雕刻機設(shè)計 一、 數(shù)控雕刻機概述 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。與通用的數(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、

2、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、高精度的有效率手段，也是當今雕刻機的發(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。 根據(jù)研究對象和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，數(shù)控雕刻機可以分為模具雕刻機、木工雕刻機、廣告雕刻機、激光雕刻機等多種類型。他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體要求較高，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塑膠板或有機玻璃等費金屬材料，

3、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，還可以根據(jù)運動坐標控制的聯(lián)動軸數(shù)

4、，將數(shù)控雕刻機分為三坐標數(shù)控雕刻機、五坐標雕刻機等。三坐標數(shù)控雕刻機可以控制三個坐標聯(lián)動，完成浮雕等常規(guī)雕刻加工；五坐標數(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。 二、我國數(shù)控雕刻機發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 雕刻機是由數(shù)控龍門銑床轉(zhuǎn)型而來的，但近幾年來在在我國發(fā)展非常迅速，相對于手工雕刻來說它是科技發(fā)展的一次質(zhì)變，它的出現(xiàn)給人們帶來了巨大的方便，也給我們在工業(yè)上的的發(fā)展帶來了很大的變化。它的運用，大量節(jié)省了企業(yè)在產(chǎn)品制作上的時間，提高了雕刻工藝及工作效率，并且現(xiàn)在很多行業(yè)都受益于雕刻機。2003年是雕刻機在國內(nèi)受到廣泛關(guān)注的一年，那時候才陸續(xù)的有廠家

5、轉(zhuǎn)身雕刻機行業(yè)。而如今，經(jīng)過不足10年的發(fā)展，雕刻機已經(jīng)被廣泛運用于各行各業(yè)之中。　 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)展機遇，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，進過十多年的發(fā)展，已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、北京槽雕公司生產(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。上述各類雕刻機機床本體結(jié)構(gòu)比較簡單，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，因此整機的性價比高，適用

6、于精度不太高的普及應(yīng)用場合。對高精度雕刻加工，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，可靠性高，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。 數(shù)控雕刻機作為制造業(yè)一個有力工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計算機技術(shù)、機電技術(shù)、機械技術(shù)等各個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控雕刻機的功能將日益強大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機發(fā)展趨勢總結(jié)如下： （1）、更加精密 控制部分和機械部分精度的提高將極大地提高雕刻系統(tǒng)的精度，控制部分將向閉環(huán)私服方向發(fā)展，通過反饋調(diào)整做到誤差

7、補償，從而可以大幅度提高精度；機械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅(qū)動電機，同時裝配工藝的提高也將進一步提高系統(tǒng)的精度。 （2）、更加高效 高性能運動控制技術(shù)如DSP技術(shù)、32為單片機等的發(fā)展，驅(qū)動電機性能提高，刀具性能提高，采用規(guī)范的軟件開發(fā)技術(shù)等等，都將會推動數(shù)控雕刻系統(tǒng)向著高速、高效、高可靠性的方向發(fā)展。 （3）利用移動通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速的發(fā)展，數(shù)控雕刻機將朝著數(shù)值化、網(wǎng)路化的方向發(fā)展。 三、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 1、本課題的主要研究內(nèi)容 1）數(shù)控雕刻機的總體設(shè)計，包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，運動方案、進給運動方案、道具方案等設(shè)計； 2）數(shù)控雕刻機的機械系統(tǒng)的設(shè)計

8、計算，包括主運動系統(tǒng)的設(shè)計計算、進給運動系統(tǒng)的設(shè)計計算等； 3）數(shù)控雕刻機步進電機的選擇； 4）用三維設(shè)計軟件設(shè)計有關(guān)零部件，并進行裝配，生成二維圖； 5）基于三維軟件的數(shù)控雕刻機的運動仿真。 2、擬解決的主要問題： 1）首先是結(jié)構(gòu)形式的確定，選擇合理的形式和尺寸。數(shù)控雕刻機的設(shè)計重要的是在滿足設(shè)計要求的前提下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最簡化、重量的最輕巧，因此設(shè)計的剛度、強度和穩(wěn)定性計算是設(shè)計研究的主要問題。 2）運行機構(gòu)的設(shè)計中驅(qū)動方式、驅(qū)動輪的位置和輪距、電機制動器等的布置形式也是研究的重要方面，直接影響到數(shù)控雕刻機的性能。 3）數(shù)控雕刻機裝配圖及其關(guān)鍵零件的繪制和運動仿真。 四、研

9、究思路和方法 1、根據(jù)設(shè)計要求和原始資料進行初步的計算：查找相關(guān)資料并閱讀，并最終確定結(jié)構(gòu)方案； 2、設(shè)計并計算數(shù)控雕刻機機械部分的主要零部件，如傳動部件、支撐部件、控制電機等。 3、利用Solidworks、Caxa軟件繪制雕刻機的裝配圖以及重要零件圖； 4、利用三維設(shè)計軟件進行運動仿真； 五、設(shè)計方案 1、雕刻機總體布局的基本要求有一下幾點： 1）、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； 2）、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； 3）、確保雕

10、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； 4）、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； 5）、結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 2、數(shù)控雕刻機基本機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 考慮到降低雕刻機的制造成本,我們采用了結(jié)構(gòu)簡單且剛性較好的龍門式布局,如下圖圖所示。主要結(jié)構(gòu)有底座、導(dǎo)軌、龍門架、工作臺和主軸組件等部分。2塊厚的L形鋁板底部與y軸滑塊固定作為立柱,2塊鋁板的上部也用鋁板連接起到穩(wěn)定作用。y 軸圓柱導(dǎo)軌的兩端分別安裝在底部前板和底部后板的安裝孔中,起到支撐龍門架與y軸導(dǎo)向作用。X軸圓柱導(dǎo)軌安裝在兩立柱上的安裝孔中

11、,起到橫梁支撐與X軸導(dǎo)向作用。X 軸滑塊連接Z軸上下板,與Z軸圓柱導(dǎo)軌及Z 軸滑塊一起構(gòu)成Z 軸機構(gòu)。各軸的進給運動均采用步進電動機驅(qū)動滾珠絲杠副的方式。 3、雕刻機運動分配 工作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)軌的布置和其他結(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)注意一下幾點： 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

12、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)該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： 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。 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。

13、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。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數(shù)控雕刻機的設(shè)計參數(shù)，可采用布局（2）的方案。 4、坐標系的確定 雕刻機的坐標采用右手法則，直角卡迪爾坐標系統(tǒng)。基本坐標軸為X、Y、Z直角坐標，

14、對相應(yīng)每一個旋轉(zhuǎn)運動符號為A、B、C，如下圖所示。Z軸為平行于雕刻機主軸的坐標軸，垂直于工件裝夾面。 5、三維雕刻機的機械機構(gòu) 該三維雕刻機的機械幾何結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成： 1）、底座部分 作為整機的基礎(chǔ)，承擔整個機體的重量，要求穩(wěn)定堅固。底座由底下的四只支腳與地面接觸； 2）、工作臺部分 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，工作臺作為雕刻機承載雕刻物體的部分，表面有工形溝槽，由絲杠驅(qū)動； 3）、橫梁部分 橫梁有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，容量彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和仿真中是重要的分析對象； 4）、機頭部分

15、 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)動主軸的上下運動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻機的高速旋轉(zhuǎn)運動。 6、機械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模與簡化 雕刻機機械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模主要在SolidWorks中進行,這樣可以很方便地根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對模型進行修改。通常在有限元分析前,還需要對模型進行適當?shù)暮喕＿@是因為當零件或裝配設(shè)計本身較為復(fù)雜時,建立的模型就包含很多細節(jié),在分析結(jié)構(gòu)的不同特性時,某些細節(jié)并不需要考慮。如果不進行簡化,對這些細節(jié)也進行分析計算,會導(dǎo)致分析計算量大而占用太大的存儲空間或增加計算中出錯的幾率。另外,由于分析結(jié)果中這些細節(jié)部位的變形量和應(yīng)力較大,使

16、得某些部位的變形量顯示不出來,掩蓋了真正要關(guān)心問題。因此,對要分析的模型進行適當?shù)暮喕莾?yōu)化過程中的重要一步。模型的簡化方案應(yīng)建立在仿真分析內(nèi)容的基礎(chǔ)上,不同的問題簡化的內(nèi)容應(yīng)有所不同。 六、進度計劃 1-3周 理解課題、搜集資料、制作PPT 4周 完成文獻綜述、開題報告、準備節(jié)點考核 5-9周 確定數(shù)控雕刻機結(jié)構(gòu)方案，計算結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖 10周 制作中期匯報PPT，準備中期考核 11-13周 進行數(shù)控雕刻機三維實體設(shè)計，造型，仿真模擬 14-15周 電機選型，結(jié)構(gòu)強度校核，系統(tǒng)工程圖繪制 16-17周 撰寫論文，翻譯外文資料；制作PPT，準備

17、答辯 七、主要參考文獻 [1] 《機械設(shè)計手冊》編委會，北京：機械工業(yè)出版社，2004； [2] 趙松年，張奇鵬，機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計，北京：機械工業(yè)出版社，1996； [3] 趙松年，戴志義，機電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計，北京：機械工業(yè)出版社，1994； [4] 宋天麟，數(shù)控機床及其應(yīng)用與維修，東南大學(xué)出版社，2003； [5]劉雄偉，數(shù)控加工理論與編程技術(shù)-2，北京：機械工業(yè)出版社，1994； [6]譚建成，機電控制專用集成電路，北京：機械工業(yè)出版社，2002； [7] 張新義，經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計，北京：機械工業(yè)出版社，1994； [8] 王愛玲，現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與

18、設(shè)計，兵器工業(yè)出版社，1994； [9] 蔡厚道等，數(shù)控機床構(gòu)造，北京理工大學(xué)出版社，2007； [10] 文懷興，數(shù)控銑床設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社，2001； [11] 劉仁家等，機械設(shè)計常用元器件手冊，北京：機械工業(yè)出版社，1994 [12] 許立忠，機械設(shè)計，中國標準出版社，第一版； [13] 王先逵，機械制造工藝學(xué)，北京：機械工業(yè)出版社，第二版； [14] H odd D. Morton. Embedded Microcontrollers. Pearson Education North Asia Limited，2001； [15] Geg Paul，New Proces

19、sors Transform control，Mechanical Engineering，1997.4。 八、指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 九、系級教學(xué)單位審核意見： 審查結(jié)果： □ 通過 □ 完善后通過 □ 未通過 負責(zé)人簽字： 年 月 日 說明： 1.開題報告版面設(shè)置為：B5紙，上下頁邊距分別為2.5cm和2cm，左右頁邊距分別為2.4cm和2cm。 2.開題報告正文標題及內(nèi)容，宋體，小四號，行間距為固定值20磅。