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设计说明书

2020-03-08 13页 doc 32KB 3阅读

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设计说明书目  录 1.1雕刻机的发展历史.............................................. 1.1雕刻机的基本知识.............................................. 1.2数控雕刻机的简介........................................... 1.2.数控雕刻技术的产生............................................ 1.2数控雕刻机的特点........................
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目  录 1.1雕刻机的发展历史.............................................. 1.1雕刻机的基本知识.............................................. 1.2数控雕刻机的简介........................................... 1.2.数控雕刻技术的产生............................................ 1.2数控雕刻机的特点........................................... 1.2国内研究状况及其发展趋势.................................. 第二章.微型数控雕刻机的总体结构 2.1设计前的调查.................................... 2.1.1项目背景................................................ 2.1.2问题描述............................................... 2.1.3功能需求分析.......................................... 2.1.4设计及其设计原则................................ 2.2雕刻机的机械结构.............................. 2.2.1雕刻机的工作原理................................. 2.2.2雕刻机总体布局的基本要求........................ 2.2.3总体结构设计.................................. 第3章.微型数控雕刻机的传动系统设计计算与选型 第一章.引言 1.1雕刻机 1.1.1雕刻机的发展历史 在1938年,世界第一台手动雕刻机在法国诞生。1950年这家公司又生产出世界第一台真电动、可按比例缩放的手动雕刻机。1952年,美国麻省理工学院生产出世界上第一台三坐标数控统床,标志了数控技术的诞生。不久,雕刻机技术吸引美国、日本和法国等国的兴趣。20世纪90年代,微电子及电信技术的发展,使微型计算机的急剧增长。微电子技术和信息技术推动了现代科技的飞速发展,从而使自动控制领域以及雕刻机技术产生了质的飞跃。综上来看,数控雕刻机经历了四个阶段的发展. 1、硬件实现阶段: 从1952-1970年,为硬件数控NC阶段。这阶段是伴随着微电子技术发展的初级阶段发展起来了,同微电子的发展相似,经过了三代,即电子管、晶体管和小规模集成电路。在这段时间的数控系统,各种控制功能均能在硬件上完成,通过对逻辑阵列的编程实现。 2、小型计算机控制阶段: 随着小型机的快速发展,以小型计算机控制的数控机床(CNC)发展起来,1974年,在数控系统中微处理器的应用,使机电一体化成为现实。微处理器的广泛采用促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。而随着超大规模集成电路普及应用,CNC系统在系统体系结构上,幵始出现模块化、功能化的并行处理结构。数控系统产品也逐渐开始标准化。 3、CPU阶段: 在通用微处理器的快速发展之下,CNC系统利用通用CPU处理器的高处理速度,向高速、高精度的方向发展,并逐渐成为当今数控系统的主流。 4、开放式阶段: 由于个人计算机的性能提升,数控系统核心的高处理速度应经被个人计算机性能包含,并且伴随着PC机的大批量生产,价格很低廉。数控系统进入了基于个人计算机的CNC系统阶段,为CNC的幵放化、标准架构化提供了基础。 1.1.2雕刻机的基本知识 雕刻机在数控机床中,电主轴主要采用变频调速方法。目前有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。 普通变频为标量驱动和控制,它的驱动控制特性为恒转矩驱动,输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想,在低速时控制性能不佳,输出功率不够稳定,也不具备C轴功能。但是价格便宜、结构简单,一般用于磨床和普通的高速铣床等。 矢量控制技术模仿直流电动机的控制,以转子磁场定向,用矢量变换的方法来实现驱动和控制,具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值,加之电主轴本身结构简单,惯性很小,故启动加速度大,可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。这种驱动器又有开环和闭环两种,后者可以实现位置和速度的反馈,不仅具有更好的动态性能,还可以实现C轴功能;而前者动态性能稍差,也不具备C轴功能,但价格较为便宜。 直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术,其控制思想新颖,系统结构简洁明了,更适合于高速电主轴的驱动,更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求,已成为交流传动领域的一个热点技术。 电脑雕刻机有激光雕刻和机械雕刻两类,这两类都有大功率和小功率之分。因为雕刻机的应用范围非常广泛,因此有必要了解各种雕刻机的最合适的应用范围: 1、胸牌:小功率激光雕刻机(刻章机)、大功率或小功率电脑雕刻机; 2、建筑模型:大、小功率电脑雕刻机; 3、金属(模具、章等)加工:大、小功率电脑雕刻机(大功率因每次切削量较多而省时); 4、水晶字制作:大功率激光雕刻机(50W以上),大功率机械雕刻机; 5、木材、有机玻璃、人造石等标牌制作:大功率机械雕刻机; 6、展示、展览模型制作:大功率、大幅面机械雕刻机。 主要应用 广告业、工艺业、模具业、建筑业、印刷包装业、木工业、装饰业等。 雕刻耗材 亚克力有机板、PVC板、芙蓉板、双色板、木工板、密度板、大理石、防火板、橡胶板、玻璃等。 1.2数控雕刻机及其以后道路 1.2.1数控雕刻机的简介 CNC雕刻机 简介:CNC为Computer numerical control(计算机数字控制)的英文缩写。因此CNC雕刻机也叫数控雕刻机,它体现的是一种自动化以及机械化的生产模式。从加工原理上讲是一种钻铣组合加工,通过CAM软件中设计好的任意图案,字体,三维路径进行电脑式计算加工路径。由于CNC雕刻对象的特点为图案复杂、造型奇特、成品精细,而CNC雕刻机以轻型结构为主,这实际上限定了CNC雕刻的工作方式为:“小刀具的快速铣削”,事实上这也正是CNC雕刻的“专业优势”,缘由是CNC雕刻是在干“常规大刀具无法加工的业务”。 1.2.2数控雕刻技术的产生 早在二十世纪中叶以前,人们对于零件打孔和铣削的加工手段主要靠人工作坊式的手动和半自动的金属冲、钻、压等机床设备。不但厚重、笨、大,而且性能差、速度慢、功能少、效率低。自从60年代初以来,就工业发达国家的许多PCB(印刷电路板)加工设备设计而言,为了使产品具有强劲的市场竞争力以满足人们的要求,生产厂家纷纷投入了较大的人力、物力和财力,就PCB加工设备的设计过程中存在的问题做了深入研究,最后在60年代初获得了较大的成果。 随后雕刻机、雕铣机、加工中心等一系列数控机床便如雨后春笋般应运而生。根据相关资料载述,世上首台CNC机床的问世,是1952年在芝加哥机床展览会上出现的,而针对于PCB工业加工的CNC机床大概晚于纯金属切削加工机床10年左右,它是60年代初期出现的,从此便开创了数控雕刻技术的新纪元。 1.2.3数控雕刻机的特点 数控雕刻机的主要特点如下: 1、自动化程度高。 2、产品的尺寸精度高,一致性好。 3、数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面,支持各种刀具,提高了雕刻效率。 4、数控雕刻机都有钻铣功能,可用于钻孔、切边、加工小模具,性价比高。 1.2.4国内研究状况及其发展趋势 随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展壮大,主要在模具行业对零件表面的加工,要求不断提高。在加上电火花加工存在的不足,近年来数控雕刻机在国内有了突破性的发展。它近几年来在我国发展的非常迅速,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,也给我国的工业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。而如今不足10年的发展,雕刻机已经被广泛运用于各行各业之中。进入2007年我国数控雕刻机产销量突破10000台,产值超过15亿元,标志着国内数控雕刻机行业进入高速成长期;从2007年到2010年,在模具加工、家具与五金制造等行业需求继续快速增长的同时,由智能手机、平板电脑、电子书等带动的消费类电子零配件制造业的需求异常突起,推动数控雕刻机行业迅速发展,2010年国内数控雕刻机产量已突破4.5万台。 雕刻机作为制造业一个有力的工具,有着非常广阔的发展前景,随着计算机技术、电机技术、机械技术等各个科学技术的发展,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,控制部分将向闭环伺服方向发展,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位单片机等的发展,驱动电机性能的提高,刀具性能的提高,采用规范的软件开发技术等等,都将会推动雕刻机系统向着高速、高效、高可能性的方向发展。  3、利用移动通讯技术和网络技术飞速的发展,雕刻机将朝着数字化、网络化的方向发展。 第二章.微型数控雕刻机的总体结构设计 2.1设计前的调查分析 2.1.1项目背景 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10万元各人民币以上。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。 2.1.2问题描述 雕刻机的应用在各行各业中的应用已日益广泛,然而国内市面上出现的雕刻机,虽然性能较好,但价格也非常昂贵。普通的雕刻机都是万元以上,令一些小单位及个人用户望而却步。  针对不同的应用领域,所要求的雕刻机的性能亦不相同。本项目的目的就是利用PC机的并口等现有资源,提供一种低价,高效,简便的数控雕刻系统的解决方案。通过本项目的研究,可以为中小用户,尤其是个人用户提供低价的雕刻机,从而拓宽现有雕刻机的用户群,普及国内雕刻机。 2.1.3功能需求分析 本项目是为个人及小团体用户提供的一种价格低廉,性能适中的雕刻机。因此,它应具有个人及小团体用户所需要的大部分功能。具体如下:  (1)能够制作线路间距在3mm以上,长宽在25×20cm内的电路板。 (2)能够制作空间在25×20×10cm内的软材料模型及模具。 (3)能够进行广告刻字。 (4)提供简易的操作界面。 (5)有安全保护措施。 (6)精度在0.1mm以内。 2.1.4设计思想及其设计原则 1.设计思想 小型雕刻机的基本设计思想主要有以下几点:  (1)应用PC机的强大计算功能,将译码、刀补、插补、加减速控制等放在PC上解决。最后PC上形成的是各向步进电机的控制脉冲。  (2)应用PC机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲,以控制工作台的移动。 (3)步进电机的驱动采用集成的驱动芯片。  (4)通过限位开关以及各运动方向的使能开关来保证雕刻机的安全工作。 2.设计原则 (1)在要求的性能指标下,对于各应用部件尽量选择成品以降低成本。 (2)产品设计得尽量的轻而小,电源符号市电要求。 2.2雕刻机的机械结构 2.2.1雕刻机的工作原理 通用微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、文字的设计、 排版,自动生成加工路径信息,通过USB接口或其他数据传输接口将刀具 路径数据传输给单片机,数控系统接收刀具路径数据,完成显示、 和用户交互等一系列功能后,用特定的算法将输入的路径信息 转化为数控信息,控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服 电机的信号(脉冲串),控制雕刻机X,Y,Z三轴的走刀。 同时,进行铣削,即可雕刻出在计算机上设计的各种平 面或立体的图形文字,实现雕刻自动化加工. 2.2.2雕刻机总体布局的基本要求 (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。 2.2.3总体结构设计 1.总体结构 现在市面上流行的小型雕刻机工作台主要有两种。第一种如图1所示工作台只作Y方向的移动,而刀具作X方向和Z方向的移动。第二种则如图2所示工作台作X,Y方向的移动,而刀具只作Z方向的移动。 结构1的优点是制作容易,结构稳定。但由于工件随工作台移动,所以不能加工太重的工件,而且雕刻机尺寸不能太大。结构2虽然制作也较容易,然而稳定性要比结构1差很多。由于本次设计对机械部件结构的要求就是要小而轻便,加工工件的质量也是比较轻,因此选用结构1。 在该结构中,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,为了简化设计的结构,减轻整机重量,缩短产品的设计和制造的周期,其主体框架采用铝合金制造,防护件用塑料件制造,用标准的紧固件和定位销连接。 图1                                图2 2.进给运动方案 我们设计采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋转和Z方向的进刀、退刀运动,而X-Y工作台带动工件作X,Y方向的进给运动,这两个方向的基本运动方式如下:由步进电机的转动带动丝杠的转动,带动了工作台的移动,从而实现某个方向(X或Y方向)的进给运动。在X,Y方向上的导向件采用直线导轨,其导向精度可满足对工作台定位精度的要求。 3.雕刻机主运动方案 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。专用的雕刻头的优点在这里不在复述,但必须配以与之配套的变频调速装置,价格相对昂贵。因此,从经济性的角度出发,经济型的雕刻机则不宜采用。由于直流电机具有以下特点: (l)调速范围宽 其转子转速可在宽广的范围内连续调节并稳定运行。 (2)特性呈线性 不论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。即在整个调节范围内,转速随转矩的变化关系或是转速随控制电压的变化关系都是线性的。 (3)快速反应 在输入控制信号的作用下,转子能迅速地反应动作,时间常数小。 故优先选用直流电机带动主轴机构的方案。直流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。 第3章.微型数控雕刻机的传动系统设计计算与选型 本章详细介绍了微型三维机械雕刻机机械部分的主要零部件,如主轴电动机、步进电动机、传动部件和支承部件的详细设计计算及选型过程。通过计算切削力、转矩和功率,确定丝杠的转速与导程,计算最大主切削力,确定最大主轴转速和输出转矩,选定主轴电动机的型号。根据X和Y方向的负载条件,选定滚珠丝杠副,根据负载转矩选定步进电动机型号,并选用相应的轴承、联轴器、导轨和圆螺母等。 3.1设计参数的确定 根据当前加工实际,结合微型数控雕刻机的总体设计方案,初步确定其机械部分的主要参数。如表下表所示。
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