本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱(chēng)： 數(shù) 控雕刻機(jī)設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 年級(jí)專(zhuān)業(yè)： 08級(jí)機(jī)電3班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計(jì)一、 數(shù)控雕刻機(jī)概述數(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(zhuān)用的數(shù)控機(jī)床。與通用的數(shù)控機(jī)床類(lèi)似，數(shù)控雕刻機(jī)通過(guò)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(duì)零件的適應(yīng)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，借助于專(zhuān)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、高精度的有效率手段，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。根據(jù)研究對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，數(shù)控雕刻機(jī)可以分為模具雕刻機(jī)、木工雕刻機(jī)、廣告雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等多種類(lèi)型。他們的加工性能要求出入很大，對(duì)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(duì)機(jī)床本體的剛體要求較高，而且其加工對(duì)象是模具，所以對(duì)加工系統(tǒng)的精度要求高；而廣告機(jī)加工的是一般塑膠板或有機(jī)玻璃等費(fèi)金屬材料，所以對(duì)機(jī)床剛性和加工系統(tǒng)的精度都沒(méi)有很高要求。但各類(lèi)雕刻機(jī)都有一個(gè)共同特點(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，所以雕刻的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡很長(zhǎng)，加工時(shí)間往往也較長(zhǎng)。因此，提高雕刻機(jī)的刀具運(yùn)動(dòng)速度對(duì)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(lèi)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(kāi)環(huán)控制，控制精度較低，但價(jià)格便宜，適用于對(duì)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，還可以根據(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)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)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(lái)完成復(fù)雜形狀零件的雕刻加工。二、我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)雕刻機(jī)是由數(shù)控龍門(mén)銑床轉(zhuǎn)型而來(lái)的，但近幾年來(lái)在在我國(guó)發(fā)展非常迅速，相對(duì)于手工雕刻來(lái)說(shuō)它是科技發(fā)展的一次質(zhì)變，它的出現(xiàn)給人們帶來(lái)了巨大的方便，也給我們?cè)诠I(yè)上的的發(fā)展帶來(lái)了很大的變化。它的運(yùn)用，大量節(jié)省了企業(yè)在產(chǎn)品制作上的時(shí)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(jī)。2003年是雕刻機(jī)在國(guó)內(nèi)受到廣泛關(guān)注的一年，那時(shí)候才陸續(xù)的有廠家轉(zhuǎn)身雕刻機(jī)行業(yè)。而如今，經(jīng)過(guò)不足10年的發(fā)展，雕刻機(jī)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)之中。隨著近年來(lái)我國(guó)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)展機(jī)遇，有效地促進(jìn)了我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國(guó)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，進(jìn)過(guò)十多年的發(fā)展，已形成了多個(gè)國(guó)品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥(niǎo)數(shù)控雕刻機(jī)、北京槽雕公司生產(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(lèi)雕刻機(jī)機(jī)床本體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，控制器大多借鑒國(guó)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?xún)r(jià)比高，適用于精度不太高的普及應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)高精度雕刻加工，目前我國(guó)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(lèi)數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛度好、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，可靠性高，但價(jià)格昂貴，往往倍于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場(chǎng)合。數(shù)控雕刻機(jī)作為制造業(yè)一個(gè)有力工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等各個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)的功能將日益強(qiáng)大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機(jī)發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下：（1）、更加精密控制部分和機(jī)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(guò)反饋調(diào)整做到誤差補(bǔ)償，從而可以大幅度提高精度；機(jī)械部分將采用更高精度的滾珠絲杠和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)裝配工藝的提高也將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度。（2）、更加高效高性能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)如DSP技術(shù)、32為單片機(jī)等的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能提高，刀具性能提高，采用規(guī)范的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)等等，都將會(huì)推動(dòng)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(dòng)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(jī)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(wèn)題 1、本課題的主要研究?jī)?nèi)容1）數(shù)控雕刻機(jī)的總體設(shè)計(jì)，包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)方案、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案、道具方案等設(shè)計(jì)；2）數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算等；3）數(shù)控雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)的選擇；4）用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)有關(guān)零部件，并進(jìn)行裝配，生成二維圖；5）基于三維軟件的數(shù)控雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真。2、擬解決的主要問(wèn)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(jī)的設(shè)計(jì)重要的是在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)化、重量的最輕巧，因此設(shè)計(jì)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算是設(shè)計(jì)研究的主要問(wèn)題。2）運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)輪的位置和輪距、電機(jī)制動(dòng)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(jī)的性能。3）數(shù)控雕刻機(jī)裝配圖及其關(guān)鍵零件的繪制和運(yùn)動(dòng)仿真。四、研究思路和方法1、根據(jù)設(shè)計(jì)要求和原始資料進(jìn)行初步的計(jì)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(jì)并計(jì)算數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械部分的主要零部件，如傳動(dòng)部件、支撐部件、控制電機(jī)等。3、利用Solidworks、Caxa軟件繪制雕刻機(jī)的裝配圖以及重要零件圖；4、利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真；五、設(shè)計(jì)方案1、雕刻機(jī)總體布局的基本要求有一下幾點(diǎn)：1）、首先必須滿(mǎn)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；2）、確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對(duì)位置與相對(duì)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(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率；3）、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；4）、應(yīng)便于觀察加工過(guò)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；5）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，合理可靠，便于加工和裝配。2、數(shù)控雕刻機(jī)基本機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到降低雕刻機(jī)的制造成本,我們采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且剛性較好的龍門(mén)式布局,如下圖圖所示。主要結(jié)構(gòu)有底座、導(dǎo)軌、龍門(mén)架、工作臺(tái)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(mén)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,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(jī)構(gòu)。各軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副的方式。3、雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配工作表面形成方法及運(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(duì)于同一種運(yùn)動(dòng)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(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)注意一下幾點(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??；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)該考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動(dòng)、噪聲、熱變形、剛度和抗振性，操縱方便的影響，模塊化設(shè)計(jì)法的影響等。通過(guò)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：這兩種布局都采用龍門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，雕刻機(jī)的剛度均較高。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(zhǎng)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(zhǎng)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)。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(zhǎng)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(shì)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。4、坐標(biāo)系的確定雕刻機(jī)的坐標(biāo)采用右手法則，直角卡迪爾坐標(biāo)系統(tǒng)?；咀鴺?biāo)軸為X、Y、Z直角坐標(biāo)，對(duì)相應(yīng)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符號(hào)為A、B、C，如下圖所示。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。5、三維雕刻機(jī)的機(jī)械機(jī)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： 1）、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；2）、工作臺(tái)部分工作臺(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)作為雕刻機(jī)承載雕刻物體的部分，表面有工形溝槽，由絲杠驅(qū)動(dòng)；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(jī)頭的重量，驅(qū)動(dòng)機(jī)頭動(dòng)，容量彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和仿真中是重要的分析對(duì)象；4）、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)主軸的上下運(yùn)動(dòng)，主軸組件在加工過(guò)程中直接帶動(dòng)雕刻機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。6、機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模與簡(jiǎn)化雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模主要在SolidWorks中進(jìn)行,這樣可以很方便地根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修改。通常在有限元分析前,還需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。這是因?yàn)楫?dāng)零件或裝配設(shè)計(jì)本身較為復(fù)雜時(shí),建立的模型就包含很多細(xì)節(jié),在分析結(jié)構(gòu)的不同特性時(shí),某些細(xì)節(jié)并不需要考慮。如果不進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)這些細(xì)節(jié)也進(jìn)行分析計(jì)算,會(huì)導(dǎo)致分析計(jì)算量大而占用太大的存儲(chǔ)空間或增加計(jì)算中出錯(cuò)的幾率。另外,由于分析結(jié)果中這些細(xì)節(jié)部位的變形量和應(yīng)力較大,使得某些部位的變形量顯示不出來(lái),掩蓋了真正要關(guān)心問(wèn)題。因此,對(duì)要分析的模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化是優(yōu)化過(guò)程中的重要一步。模型的簡(jiǎn)化方案應(yīng)建立在仿真分析內(nèi)容的基礎(chǔ)上,不同的問(wèn)題簡(jiǎn)化的內(nèi)容應(yīng)有所不同。六、進(jìn)度計(jì)劃1-3周理解課題、搜集資料、制作PPT4周完成文獻(xiàn)綜述、開(kāi)題報(bào)告、準(zhǔn)備節(jié)點(diǎn)考核5-9周確定數(shù)控雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)方案，計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖10周制作中期匯報(bào)PPT，準(zhǔn)備中期考核11-13周進(jìn)行數(shù)控雕刻機(jī)三維實(shí)體設(shè)計(jì)，造型，仿真模擬14-15周電機(jī)選型，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，系統(tǒng)工程圖繪制16-17周撰寫(xiě)論文，翻譯外文資料；制作PPT，準(zhǔn)備答辯七、主要參考文獻(xiàn) 1 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004；2 趙松年，張奇鵬，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996；3 趙松年，戴志義，機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994；4 宋天麟，數(shù)控機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，1994；6譚建成，機(jī)電控制專(zhuān)用集成電路，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002；7 張新義，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994；8 王愛(ài)玲，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，兵器工業(yè)出版社，1994；9 蔡厚道等，數(shù)控機(jī)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(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2001；11 劉仁家等，機(jī)械設(shè)計(jì)常用元器件手冊(cè)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，199412 許立忠，機(jī)械設(shè)計(jì)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，第一版；13 王先逵，機(jī)械制造工藝學(xué)，北京：機(jī)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 Processors Transform control，Mechanical Engineering，1997.4。八、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日九、系級(jí)教學(xué)單位審核意見(jiàn)：審查結(jié)果： 通過(guò) 完善后通過(guò) 未通過(guò) 負(fù)責(zé)人簽字：年 月 日說(shuō)明：1.開(kāi)題報(bào)告版面設(shè)置為：B5紙，上下頁(yè)邊距分別為2.5cm和2cm，左右頁(yè)邊距分別為2.4cm和2cm。2.開(kāi)題報(bào)告正文標(biāo)題及內(nèi)容，宋體，小四號(hào)，行間距為固定值20磅。