三坐标立式数控雕刻机设计[毕业论文+CAD图纸]

机械设计毕业设计课题:三坐标立式数控雕刻机设计含毕业论文、CAD图纸

摘 要

随着微电子技术和微型计算机的飞速发展，数控雕刻机的应用越来越广泛。机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体，它是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势。三维机械雕刻机是一种典型的机电一体化产品，在广告制作行业具有较大的市场前景。

本文简要的介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外雕刻机的特点说明雕刻机的功能和使用范围；详细的分析了雕刻机的总体布局和结构方案，以及主运动和进给运动系统的选择，以及“三维雕刻”插补法的选择，分析和实现过程，实现雕刻系统的初步优化。

本课题是在参考现有雕刻机的基础上，设计一种机构尺寸比较大的数控雕刻机，适应比较大的工艺品的雕刻加工。

关键字：雕刻机，数控系统，机电一体化，三维，插补法

Abstract

Along with the development of micro-electronics technology and microcomputer technology，NC carer will be widely used.These technologies are widely used in Mechatronics, including mechanism, microelectronics，autocontrol, information, sensor and test,power and electron, interface, signal transform, software program. On the other hand, Mechatronics makes these technologies integrated closely. It is the primary trend of the development of mechanical industrial technology and products in the world nowadays. 3D- mechanical engraving plotter is a typical mechatronic product. It has a larger market prospect in the advertising industry.

The thesis in brief introduces the genesis and developmental status quote of Engraving Plotter,analyses characteristics of inland and overseas Plotters，and explains its function and use range. We analyze the overall arrangements and framework，the movement mode of numerical control system，the select of main movement system and feed movement system etc. As well as we select and analyze and realize the process of 3D-Engrave interpolation arithmetic. optimized 3D-mechanical engraving system is realized.

This topic is based on the existing engraving machine to design a CNC engraving machines with a large body size, which adapted to the relatively large carving handicraft processing.
Keywords: Engraving plotter, numerical control system, mechatronics, 3D，and interpolation arithmetic.

目录

摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第一章.引言 1
1.1雕刻机概述 1
1. 1. 1雕刻机起源 1
1.2数控雕刻机及其发展现状 1
1.2.1数控雕刻机 1
1.2.2研制雕刻机的目的和意义 3
1.2.3数控雕刻机的特点 3
1.2.4数控雕刻机的应用领域 4
1.2.5我国数控雕刻机的发展现状 4
第二章 雕刻机的机械结构 5
2.1雕刻机的工作原理 5
2.2整体结构 6
2.2.1雕刻机总体布局的基本要求 6
2.2.2 影响雕刻机布局的基本因素 6
2.2.3 坐标系的确定 8
2.2.4三维雕刻机的机械结构 8
2.3进给系统 9
2.4主轴组件 12
第三章 三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 14
3.1 设计参数的确定 14
3.2 切削力、切削扭矩和切削功率计算 14
3.2.1铣削力、扭矩和功率的计算 15
3.2.2钻削力、扭矩和功率的计算 16
3.3 主运动系统的设计计算 17
3.3.1主运动系统传动链的组成 18
3.3.2 主轴电动机的设计计算 18
3.4进给运动系统的设计计算 19
3.4.1 进给系统传动链的组成 20
3.4.2滚珠丝杠副的设计计算 20
3.4.3工作台进给电动机的设计计算 23
3.4.4 工作台直线导轨副的设计计算 25
3.5插补法 25
结论 28
总结 28
数控雕刻机的发展展望 28
参考文献 29
致 谢 30

第一章.引言

1.1雕刻机概述

1. 1. 1雕刻机起源

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··一”。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(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。

1.2数控雕刻机及其发展现状

1.2.1数控雕刻机

传统雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量完全取于雕刻师的技艺水平，所以生产的效率低、成本高，制品的随意性强、一致性差，严重制约了雕刻行业的发展。这使得雕刻机的产生成为必然。雕刻机的功能决定了其使用范围。从工艺上，雕刻可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻。其中，全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作，如玉雕、木雕工艺品以及冰雕与沙雕等作品。

此类制品往往注重艺术创作性，制品的构成形状复杂、随意性强、工艺性差。因此这类工艺迄今为止雕刻机尚无能为力，只能采用手工雕刻，制品的质量和艺术性完全依赖于雕刻师的技艺水平。相比之下，在三维立体雕刻和二维平面雕刻机则大有可为。三维立体雕刻类似于三维铣削加工，可以完成精密模具、艺术浮雕曲面等雕刻加工;而二维平面雕刻工艺主要用于标牌文字及平面几何图形的雕刻加工。目前，三维立体和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成，克服了传统手工雕刻存在的缺陷。

根据控制原理的不同，雕刻机可分为仿形雕刻机和数控雕刻机 (采用 CNC系统)两大类型。仿形雕刻机的工作原理类似于仿形铣削，在加工前必须制作仿形模型，这一过程通常需手工完成，周期长、效率低。
数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床。与通用数控机床类似，数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作，实现雕刻加工的自动化。较传统的手工雕刻、仿形雕刻，数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势;同时，借助于专用的雕刻 CAD/CAM软件系统，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，数控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段，也是当今雕刻机的发展主流，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装演等众多领域。

对象和应用领域的不同，数控雕刻机可分为模具雕刻机、木工雕刻机、广告雕刻机、激光雕刻机等多种类型。它们的加工性能要求出入很大，对机床和数控系统的要求也各不相同。如模具雕刻机的加工材料为金属，所以对机床本体的刚性要求较高，而且其加工对象是模具，所以对加工系统的精度要求高;而广告机加工的是一般是塑胶板或有机玻璃等非金属材料，所以对机床刚性和加工系统的精度都没有很高要求。但各类雕刻机都有一个共同的特点，也是数控雕刻机与普通数控机床的一个显著区别，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有效成形面积小，所以零件雕刻的刀具运动轨迹很长，加工时间往往也较长。因此，提高雕刻机的刀具运动速度对缩短零件雕刻时间、提高加工效率具有特别重要的意义。

按照伺服驱动控制的类型不同，数控雕刻机又可以分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机。步进驱动属于开环控制，控制精度较低，但价格便宜，适用于对加工要求不高的中低档雕刻机，如木工、广告业的雕刻加工。伺服驱动控制精度高，但价格较贵，主要用于模具加工等高精度雕刻机。

此外，还可根据运动坐标控制的联动轴数，将数控雕刻机分为三坐标数控雕刻机、五坐标数控雕刻机等。三坐标数控雕刻机可以控制三个坐标轴联动，完成浮雕等常规雕刻加工;五坐标数控雕刻机可以联动控制X，Y，2三个移动轴和两个旋转轴，用来完成复杂形状零件的雕刻加工。

1.2.2研制雕刻机的目的和意义

建国五十年来，我国的机械工业虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。但随着世界科学技术的迅速发展，我国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此，在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品，已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的焦点。

机电一体化技术是机械技术和电子技术的有机结合，它包括机械、电子、计算机和自动控制技术。它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优化。近年来，世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产系统向柔性化、智能化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业发展的必由之路。

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。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。

2、产品的尺寸精度高，一致性好。数控雕刻过程是由计算机控制完成，可以达到很高的精度和表面质量:批量加工时，产品的一致性好，这对于小模具行业十分重要。

3、拓展了雕刻领域。只需改变控制程序，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，改善了雕刻表面质量，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数控雕刻机的应用领域

数控雕刻机的应用领域广泛，举例如下:

1、广告及礼品制作业，用于雕刻各类双色板标牌、有机玻璃、三维广告牌、双色人物雕像、浮雕奖章、有机板浮雕、立体门头字等。

2、模型制作业，制作沙盘模型、房屋模型等。

3、模具制作业，雕刻纽扣浮雕模、印刷烫金模，注塑模、冲压模、鞋模等。

4、木器业，用于浮雕图案设计及制作。

5、印刷电路板(PCB)新产品开发中的电路制作，钻孔、铣槽等。

6、印章业，各类字体各类材料的印章雕刻。

7、电火花加工机床电极雕刻加工。

8、机械加工业，刻度盘字轮及标尺刻度。

9、汽车工业、轮胎模具，车灯模具及装饰品模具加工。

而且，随着各种新型装饰材料的不断出现，能用于雕刻的材料越来越多，使得计算机数控雕刻机有了更大的用武之地。因此，计算机数控雕刻机的应用范围还将不断扩大。

1.2.5我国数控雕刻机的发展现状

随着近年来我国制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发机遇有效地促进了我国数控雕刻机的生产和推广应用。我国的数控雕刻机起步经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的发展，己形成了多个国品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京糟雕公司生产精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类型雕刻机机床本体结构较为简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制或PC的数控系统，伺服部分以步进电机细分驱动为主，可获得中等控制精度，但价格比较便宜，因此整机的性价比较高，适用于精度要求不太高的普及应用场合对高精度的雕刻加工，目前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的左日本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚高度好、精度高，采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性，但价格昂贵往往倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合

第二章 雕刻机的机械结构

2.1雕刻机的工作原理

计算机数控雕刻机实际是一个三维数控系统，其工作原理如图所示

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