雕刻机自动控制系统

1、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。

2、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11.1 雕刻机的概述11.2研制的雕刻机的特点11.3研制的雕刻机功能及使用范围1第二章 系统分析32.1三维雕刻机的参数32.2雕刻机42.2.1总体布局要求42.2.2总体方案确定52.3雕刻

3、机运动系统52.3.1坐标系统的确定52.3.2总体结构62.3.3主运动方案72.3.4进给运动方案7第三章 主运动系统的校核83.1铣削力、扭矩和功率的计算83.2主运动系统93.2.1主运动系统的方案93.2.2主轴电机的计算9第四章 进给运动系统计算114.1 Z方向进给运动系统114.1.1 Z方向进给运动系统组成114.1. 2联轴器的选择114.1. 3 Z方向直线导轨副的计算124.2 X方向进给运动系统134.2.1 X方向进给运动系统组成134.2.2联轴器的选择144.2.3X方向直线导轨副的计算144.3 Y方向进给运动系统154.3.1 Y方向进给运动系统组成154.

4、3.2滚珠丝杠副的计算154.3.3滚珠丝杆的校核194.3.4Y方向进给电机的计算194.3.5联轴器的选择204.3.6Y方向直线导轨副的计算204.4 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

5、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(Engraving Plotter)，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2D2.5D3D加工的变

6、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，

7、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

8、 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)0.01Z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

9、.01指令精度(mm)0.0025主轴转速(rpm)600020000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)0.022.2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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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，

15、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;工作台在底座上移动(Y向)，实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z向)，实现雕刻深度。由于滚珠丝杠副具有很多优点,因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。步进电机和滚珠丝杠副直接连接。至于导轨,各运动链中支承件均采用滚动直线导轨副。10第三章 主运动系统的校核三维机械雕刻机的加工对象主要是塑料、橡胶等有机材料和铝、铜及其合金等有色金属材料，这些

16、材料具有较高的强度和良好的塑性。以下采用了硬质合金直柄立铣刀(d0=8mm，z=2)和高速钢标准麻花钻(d0=3mm)在铝板(180MPa)上进行铣削和钻削，分别进行切削力、切削扭矩和切削功率的计算。根据三维机械雕刻机的加工范围和使用功能及用户在实际生产过程中不同的切削方式的所使用时间的分配，经过统计，大致可将切削方式分为强力切削(切)、一般切削(雕)、精细切削(刻)和快速进给四种切削方式，使用时间的分配分别是10%，30%，50%，10%。3.1铣削力、扭矩和功率的计算查参考文献3，可得知下有关于铣削力、铣削扭矩和铣削功率的经验公式。 (3.1) (3.2) (3.3)式中圆周铣削力(N)，

17、铣削条件改变时铣削力修正参数，扭矩M ()，铣削功率 ()，查参考文献取铣削宽度，铣削深度，进给速度，铣削速度，铣刀外径,每齿进给量，铣刀齿数,铣刀转速。查机械加工工艺手册一卷表9.4-10得以下与硬质合金钢立铣刀的对应参数:,1(加工45号钢)将已知参数代入式(3.1) (3.2) (3.3)进行简化，可得到仅与切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n有关的计算公式。 （3.4） （3.5） （3.6）另丝杠转速 （3.7）初选丝杠导程将四种切削方式下的切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n的变量代入分别计算。3.2主运动系统本节着重计算主运动系统中主轴电机的结构形式，以确定其型号及参数。为了

18、减少主运动系统的所占的空间，采用了由主轴电机直接接上刀夹，中间不采用传动机构。3.2.1主运动系统的方案为了简化机械结构，本采用主轴电机直接接上刀夹，省去了传动链，大大了减少了所占空间，减少了损耗。3.2.2主轴电机的计算根据前两节的计算结果，取一定的安全系数，忽略传动效率，主轴电机所需扭矩、功率和转速计算过程如下：1）转矩计算查参考文献6 机电一体化系统手册可知所采用的电机的扭矩由章节3.1和3.2计算结果可知,最大扭矩值为0.44 故使便可满足要求确定额定转矩为 2）功率计算查参考文献6 机电一体化系统手册,所采用的电机的功率由章节3.1和3.2计算结果可知,最大功率为0.72 故使确定额

19、定功率 因此,电机选用安阳莱必泰机械有限公司的生产的雕刻机用电主轴,外形图与参数表如下:图3-1 雕刻机主轴电机的外形图表3-1 雕刻机主轴电机的技术参数表主轴型号Spindle type转速Speed(r/min) 电机Motor外形尺寸Dimensions(mm)变频器Conv Kw润滑Lub冷却CoolKWVMAHzDD1D2Joint of noseLL1L2ADX60-24Z/0.8240000.82202.52.24006255-ER112066200.5greasewater第四章 进给运动系统计算雕刻机的进给运动分为三部分：主轴的上下移动、小车的左右移动和横梁的前后移动。它们的

20、没有本质的区别。三部分分别为Z主轴部件，X轴部件，Y轴部件。这一节先着重对Z轴进给运动传动链中进给电机、滚珠丝杠和直线导轨，以确定规格型号及参数4.1 Z方向进给运动系统4.1.1 Z方向进给运动系统组成由前章所述，步进电机直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.1所示图4.1 Z方向进给运动系统简图4.1. 2联轴器的选择由于最大启动转矩,故选用以下联轴器22图4.6 联轴器外形表4.3 参数表规格Ød1,Ød2轴径ØDLL1L2M性能参数扭矩偏心角度最高转速螺丝（M）材料SDWA316.351031.823.87M4*230N&#

21、183;CM3º15000r/minM4进口专用材料4.1. 3 Z方向直线导轨副的计算1) 初选直线导轨副的型号为GTB  GTBt型封闭式滚动直线导套副图4.7 导轨副外形图表4.4 所选导轨副参数表2) 拟定滑块总数M=4单根导轨两滑声块3) 负载计算动载荷 (4.27) 查4.1.2节得主轴部件重量为5(kg)，=120N代入式(4.27)得120<额定动载荷=550N而静载荷=37.5<额定静载荷=920 N 故所选导轨满足载荷要求4) 寿命计算(1)导轨在有效时间内的总行程 (4.28)式中为温度系数，在小于100度的温度下1；为接触系数，每根导轨的

22、支承为二，；162，为硬度系数，通常取1； 为载荷系数，轻微冲击取1.5。代入式(4.28)得758Km(2)寿命 (4.29)式中导轨套单行程长=0.09m,按每分种往复次数4算,代入式(4.29)得=17547>15000所选的导轨满足寿命要求。4.2 X方向进给运动系统本雕刻机共分成三部分的运动,X轴的进给运动系统与Z轴的进给系统并无本质区别,这一节简单的对X轴计算。4.2.1 X方向进给运动系统组成同前一节所述，步进电机直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.8所示图4.8 X轴进给运动系统传动链图4.2.2联轴器的选择由于最大启动转矩,故选用与Z方

23、向相同规格的SDWA31联轴器4.2.3X方向直线导轨副的计算1) 初选直线导轨副的型号为GTA  GTAt型开放滚动直线导套副图4.12 导轨副外形图表4.5 所选导轨副参数表2) 拟定滑块总数M=4单根导轨两滑声块3) 负载计算动载荷 查4.1.2节得主轴部件重量为5(kg)，=90代入式(4.27)得67<额定动载荷=550N而静载荷47<额定静载荷=920 N 故所选导轨满足载荷要求4) 寿命计算(1)导轨在有效时间内的总行程 (4.40)式中为温度系数，在小于100度的温度下1；为接触系数，每根导轨的支承为二，；67，为硬度系数，通常取1； 为载荷系数，轻微冲击

24、取1.5。代入式(4.40)得7073Km(2)寿命 (4.41)式中导轨套单行程长=0.6m,按每分种往复次数4算,代入式(4.41)得=24559>15000 所选的导轨满足寿命要求。4.3 Y方向进给运动系统4.3.1 Y方向进给运动系统组成同前一节所述，步进电机直接与滚珠丝杠连接，将电机的旋转运动转化为部件的移动。结构简图如图4.13所示图4.13 Y轴进给运动系统传动链图4.3.2滚珠丝杠副的计算4.3.2.1 当量转速与当量载荷确定1）各种切削方式下丝杠的转速 查3.1节计算结果得四种加工方向下丝杠转速： 2）求各种切削方式下轴向载荷 在Y方向上整体移动的横梁部件模拟模型如图

25、4.14图4.14小车部件模型图丝杠受到的轴向力包括导轨摩擦力以及铣削力,即 (4.42)式中为水平方向受力,为竖直方向受力查3.1节和3.2节得四种加工方式下的:水平受力 :68，112,79，竖直受力 :166，161，154，初步估计横梁部件的重量65(kg)，分别代入(4.42)得115,158,126,653)当量转速四种切削方式的使用时间占总使用时间的百分比与丝杠转速分别为：代入式(4.5)得当量转速=483 4）当量载荷 以上计算结果代入式(4.6)=126 4.3.2.2 预定额定动载荷 1)按预期工作时间估算：查机床手册第四册表9，轻微冲击取负载性质系数，查表7，按7级精度,

26、查表8，按可靠性97%取可靠性系数,当量载荷=126,当量转速=483,根据要求,本雕刻机预期工作时间15000代入式(4.7) 得=35252)拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算查机床手册第四册表10，轻预载取代入式(4.8)=1059.9取两种结果的大值. 35254.3.2.3 螺纹最大轴向变形量及螺纹最小底径确定1）估算允许的最大轴向变形量 的重复定位精度，故又的定位精度，故取两种结果的小值。2）估算最小螺纹底径 (4.43)因采用的是一端固定，一端游动的安装方式，故式中初定Z方向的行程为800mm 导程=4mm代入920导轨静摩擦力静摩擦力=130(N)代入式(4.43) =9.2

27、3 4.3.2.4 初选滚珠丝杠副的规格代号1)初选内循环浮动式法兰，直筒型垫片预紧螺母，型号代码为FF，导程 2)由计算出的在样本中选取滚珠丝杠副FF1204-3=3525(N)，=9.23 。丝杠外形与Z方向的丝杠一样,参数如表4.6。表4.6 滚珠丝杠技术参数与外形尺寸表规格代号公称直径d0公称导程Ph0丝杠外径d1钢球直径Dw丝杠底径d2循环圈数基本额定负荷刚度KcN/m动载荷Ca(KN)静载荷Coa(KN)FF1604-316415.32.38113.534.89.7221螺母安装连接尺寸D1(g6)D2()L2D3BD4D5D6hD7MD8L12828105210385.81063

28、4M620373)确定滚珠丝杠副的预紧力 ，而且故524.3.2.5 确定滚珠丝杠副支承用轴承型号、规格1)轴承类型选择依据因为丝杠所受轴向力很小,而已丝杠采用一端固定于电机上另一端游动,没有预拉伸力另外由于轴向力较小，因此同样选用LMF-10型的直线轴承为Z轴的轴承2)轴承型号同Z轴4.3.2.6 滚珠丝杆长度确定1)行程补偿值 初定X方向行程，螺母长度，安全行程,代入式(4.11)得=869将温差，=650代入式(4.10)得2)滚珠丝杠副工作图(1)丝杠螺纹长度 查参考文献14得余程16 (2)绘制工作图查样本中螺母安装连接尺寸支承距离 丝杠全长，行程起点距固定点支承距离 4.3.3滚珠

29、丝杆的校核4.3.3.1 传动系统刚度1)丝杠抗压刚度 由于本丝杠采用一端固定另一端游动,如下图4.15图4.15安装示意图由4.3.2.4节查得丝杠底径13.5，两支承距离，行程起点距固定点支承距离，代入式(4.12)分别得最小抗压刚度 （）最大抗压刚度 （）4.3.4Y方向进给电机的计算4.3.4.1 作用在丝杠副上的各种转矩1)外加载荷产生的摩擦力矩由4.3.2.1节查得丝杠最大轴向力，导程,三级精度的丝杠副效率，代入式(4.20)得外加载荷产生的摩擦力矩=0.11(Nm)2)预加载荷产生的预紧力矩由4.3.2.4节查得滚珠丝杠预紧力:代入式(4.21)得预紧力矩(Nm)4.3.4.2 计算转动惯量 1)负载转动惯量 由4.2.2.6节查得丝杠全长100,外径1.53,密度代入式(4.22)得丝杠转动惯量123总的负载转动惯量63.22)电机转动惯量步进电机57BYG250A查样本,60. .3)总的转动惯量负载转动惯量与电机转动惯量之和即转动惯量123.24.3.5联轴器的选择由于最大启动转矩,故选用与Z方向相同规格的SDWA31联轴器4.3.6Y方向直线导轨副的计算1) 初选直线导轨副的型号为GTA  GTAt型开放滚动直线导套副型号参数均与Z方向的导轨一样。2) 拟定