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小型雕刻机机械系统设计

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SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITYNo．11Nov.2013，TotalNo．238雕刻机，顾名思义就是用机器代替人工进行雕

刻的设备。早在很多年前，雕刻产品就已然成为人

们生活的一部分，这种需求推动了雕刻艺术的日益

精深。随着微电子技术、控制理论、检测技术、计

算机控制等技术的迅速发展，数控系统不断更新，

机械雕刻亦在20世纪90年代获得了较大发展。如

今，雕刻机已经在各行各业中得到了广泛的应用及

发展，如木工行业、模具雕刻、紫铜和石墨电极加

工、石材雕刻等。一些小型的装饰品在生活中也是

不可或缺的，因而小型雕刻机作为一种典型的机电

一体化产品，具有较大的市场前景[1]。因此，笔者

对经济型小型三维雕刻机进行了设计，通过设计开

发，可以为中小用户，尤其是个人用户提供低价的

雕刻机。

1雕刻机的总体方案设计

1.1总体方案选择

现在市面上流行的小型雕刻机工作台有两种。

第一种见图1-a，工作台只沿横向（X）移动，刀

具沿纵向（Y）和垂直方向（Z）移动。第二种则如

图1-b所示，工作台沿横向（X）、纵向（Y）移

动，而刀具只沿垂直方向（Z）移动。图1-a工作

台结构简单、稳定性好。但工作过程中，工件会随

着工作台的移动而移动，所以对于工件的重量就会

有所限制，此种结构的雕刻机较小。图1-b虽然制

作较容易，然而稳定性要比图1-a差很多。由于本次设计对机械部件结构的要求是小而轻便，且加工

工件的质量也比较轻，因此选用结构图1-a。

笔者所设计的雕刻机由工作台、机头组件、主

轴组件、外部框架、控制系统等组成。这里主要进

行了工作台、机头组件、主轴组件部分的结构设

计。工作台的主要作用是用来装夹工件，其结构上

主要由步进电机、滚珠丝杆螺母副、导轨组成，其

步进电机接收控制系统发送的脉冲信号，带动工作

台运动。

小型雕刻机属于经济性机床，因而既要保证加

工精度，同时

还要兼顾结构简单、经济成本较低的

要求。这样，进给系统均采用步进电机开环控制系

统。同时传动结构上采用滚珠丝杠螺母副，这是因

为，滚珠丝杠螺母副具有摩擦小、传动效率高的特

点。导轨采用直线圆柱导轨，价格便宜，且其导向

精度也能完全满足要求。小型雕刻机机械系统设计

高健

摘要：介绍了国内外雕刻机的发展现状，分析了雕刻机的基本原理，确定了小型雕刻机的总体设计方案，并对小型雕刻机的机械系统进行了设计计算。机械系统设计包括总体布局、加工原理、主轴与主传动系统、进给系统以及整个雕刻机的结构设计。关键词：雕刻机；机械结构；步进电机中图分类号：TG659文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2013.11.092

收稿日期：2013－07－21；修回日期：2013－10

－21作者简介：

高健（

1962

-），女

，江苏

扬州人，工程师，主要从事机械

制造设计及其自动化方向的研究，E-mail：gaojian@tyut.edu.cn。（太原理工大学，山西太原030024）文章编号：1674-9146（2013）11－0092－02

1-a第一种工作台1-b第二种工作台

图1小型雕刻机工作台ZZ

XXYY应用技术AppliedTechnology

-092-科技创新与生产力2013年11月总第238

期图3雕刻机视图1.2进给运动方案

在整个工作过程中，刀具在电主轴带动下做高

速旋转，并且Z方向、X方向步进电机将运动传递

给丝杠螺母，使刀具沿着垂直（Z）方向做进刀、

退刀运动以及横向（X）方向的进给运动。工作台

在工作过程中仅单方向（即只做Y方向）的进给运

动，带动工件作Y方向的进给，该设计工作原理:步进电机接收脉冲信号转动，并带动丝杠转动，由

于螺母固定在工作台上，因而限制了螺母的旋转自

由度，使其只能做直线运动，从而实现工作台在某

个方向（X、Y或Z方向）的进给运动。在X、Y、

Z方向上的导轨均采用直线圆柱导轨，其导向精度

完全可满足工作台定位精度的要求，见图2。

1.3雕刻机主运动方案随着高速主轴轴承的开发，研制了高刚度，高

速电主轴，被广泛应用于各种雕刻机，纺织机械及

木工机械等高速设备中。基于电主轴有很多优点，

该设计采用安阳莱必泰机械有限公司生产的雕刻电

主轴，电主轴通过弹性夹头直接与刀具连接[2]。

2雕刻机机械结构设计

2.1雕刻机机械部分的主要参数

雕刻机机械部分的主要参数见表1。

专用软件步进电机驱动电路各轴控制信号X向步进电机

Z向步进电机Y向步进电机X向执行机构

Z向执行机构Y向执行机构

图2雕刻机工作原理图

2.2切削力、切削扭矩和切削功率计算

当进行一般切削时产生的铣削力最大，因此只

需计算此时的铣削力来进行设计计算即可。设一般

切削时：铣削深度ap=1mm，最大进给vf=3600mm/

min，n=20000r/min。查参考文献[1]铣削力、扭矩

和功率的计算公式，并代入上表中数据计算得出，

铣削力：Fz=43.93N；铣削扭矩：M=0.132N·m铣

削功率：PM=0.246kW。

2.3雕刻机主运动系统的设计计算

前面已给出主运动方案，因此根据所给主轴所

需最高转速（nmax=24000r/min）和已计算的主轴切

削功率值（Pm=0.246kW）来选择主轴电机，使得

Pe≥Pm。通过查资料，决定选用安阳莱必泰机械有

限公司的雕刻机电主轴。

2.4雕刻机进给运动系统设计计算

雕刻机的进给运动分为三部分：主轴垂直方向

运动（Z方向进给）、机头组件横向运动（X方向进

给）、工作台纵向运动（Y方向进给）。

2.5步进电机的计算和选型

通过对纵向（Y）进给步进电机的计算后，查

得混合步进电机57BYG250C的最大静转矩（N·

cm），由此可知，145.998<150，满足要求。同理可

得横向（X）进给步进电机选择混合步进电机

57BYG250C，垂直方向（Z）进给步进电机选择混

合步进电机57BYG250C。2.6直线导轨的选择

该设计选用浙江新亿特轴承有限公司的圆柱直

线导轨（光轴）系列。

2.7联轴器的选择

选用广州菱科自动化设备有限公司的LK6系列

联轴器。

通过以上的机械零件计算选型后，得出一张机

械视图，见图3。

参考文献：[1]肖诗纲.切削用量简明手册[M].北京:机械工业出版社,1993.[2]朱龙根.简明机械零件设计手册[M].北京:机械工业出版社,1997.（责任编辑王雯）表1雕刻机机械部分的主要参数主轴最高转速/（r/min）20000工作台部件

总重量/kg25最大进给速度/（mm/min）3600工件最大重量/kg20夹具最大重量/kg15工作台总行程/mm300立柱部分总重量/kg10X向总行程/mm500主轴部件总重量/kg5主轴行程/mm100导轨静摩擦系数0.15导轨动摩擦系数0.2重复定位精度/μm10使用寿命/h20000

（英文部分下转第96页）应用技术AppliedTechnology

-093-SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITYNo．11Nov.2013，TotalNo．238MechanicalSystemDesignofSmallEngravingMachine

GaoJian

（TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024China）

Abstract:Thispaperintroducedthedevelopmentstatusofdomesticandforeignengravingmachine,analyzedthebasicprinci-pleofengravingmachine,todeterminetheoveralldesignschemeofminiatureengravingmachine,andthesmallengravingmachinemechanicalsystemdesigncalculation.Theoveralllayout,workingprinciple,mainshaftandthemaintransmissionsystem,feedsystemandthecarvingmachinestructuredesignincludesthedesignofmechanicalsystem.Keywords:engravingmachine;mechanicalstructure;stepmotor及端口的关闭，提高异地机构数据共享效率和血液

质量。

4采供血机构拓展应用3GVPN技术的效果

利用VPN技术为客户组建的网络基础设施突

破了客户与社会间信息局限，实现了采供血机构信

息的高效传递，增加了客户网络功能，扩大了专用

网范围，使采供血机构业务和技术能力的大幅提

升，实现了有利于原有单个血液中心的地域性拓

展。VPN技术的利用效果与诸多优越性得以充分地

凸显。

1）确保了中心血液质量的安全。3GVPN技术

采用公用网络平台传输数据的方式，使采供血机构

的业务管理向流程化、规范化、高效化迈进一步。

特别是3GVPN技术在流动采血车组网中的实施，

可以减少人工环节，一方面杜绝了献血员资料录入

的差错，有效地避免了献血者恶意及重复献血现象

的发生，保证了病人使用血液的合格无误；另一方

面，保证了数据的私密和安全性。隧道传输模式对

传输数据的加密处理，不仅可以保证数据包的隐

秘，防止攻击者对传输数据的偷窥和篡改，还可以

避免客户对网络信息资源的非法访问、窃取、修

改、伪造、乱序、重放、插入等现象。

2）具有较强可扩展和灵活性。VPN技术的利用直接构建在公用网专线即可，操作简单、方便、

灵活，且容易管理、维护。具有高扩展性、经济

性、高可靠性等优点。VPN可以支持所有通过

Intranet和Extranet的数据流。若有新的内部网络想

加入安全连接，只需要增加一台NETGEAR的VPN

路由器就可以实现灵活自如的扩展和延伸。

3）应用成本低廉。一是节约了专线费用。

VPN利用现有的Internet就能实现数据安全的传输，

较其他专线通信方式的成本更加低廉。二是节约了

设备投资。VPN允许将一个单一的WAN网接口一

口多用，改变了原先大量的WAN接口与硬件频繁

升级现象，可以大幅度地减少在安装配置远端网络

接口所需的固定设备上的投资。三是节约了支持费

用。VPN技术与租用专线方式相比，每条连接的

费用成本只相当于后者的40%到60%。而且允许远

端的接入用户继续使用原有设备，减少了客户在现

有硬件和软件系统上的投资。

参考文献：[1]蔡海岩.VPN技术在采供血机构中的应用[J].工程技术,2010(10):15-17.[2]李颖.北京市红十字血液中心街头采血车应用3G与VPN技术[J].北京医学,2005,27(4):22-24.（责任编辑高远）

Using3GVPNTechnologytoExpandApplicationsinBloodBanks

JiJie，ZhangJian

（BloodCenterofJiangsuProvince,Yancheng224005China）

Abstract:Throughelaborating3GVPNtechnologyapplicationsinbloodbankstoexpandtheapplicationofsignificance,technicalprinciplesandsignificanteffectonbloodcollectionagenciesaimedatimprovingunderstandingoftechnology3GVPNtakentofurtherpromote3GVPNbloodbanksinthefullimplementationandcontinuetoexpandandperfectforbloodtransfusionservicesinthefieldtendtobemoreefficientandsafe.Keywords:3GVPNtechnology;bloodbankmanagementsystem;bloodbanks（上接第93页）应用技术AppliedTechnology

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基于pc机的小型雕刻机的设计【文献综述】

基于pc机的小型雕刻机的设计【文献综述】

毕业设计开题报告

机械设计制造及其自动化

基于pc机的小型雕刻机设计

1前言部分

自从有了人类的社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴随着人类社会文明的发展，如今人们对雕刻业有了全新的认识，电脑雕刻加工的兴起与发展是时代发展的需要，电脑雕刻代替机械已是大势所趋。在雕刻这一行业里，光有刻字机是产生不了多少的经济效益，所以必须增加新的业务，电脑雕刻加工就是目前理想的选择，虽然有些地区电脑雕刻加工业务量不是很多，但它是雕刻行业发展的必然趋势。

PC技术的迅速发展使其在各个工业控制领域得到广泛应用。PC技术是现代社会最重要的生产力，无论是哪个领域，对PC技术进行纯熟渗透的运用必将推动行业更快更稳的发展及普及。计算机数控雕刻技术是传统雕刻技术和现代数控技术结合的产物，它秉承了传统雕刻精细轻巧、灵巧自如的操作特点，同时利用了传统数控加工中的自动化技术，并将二者有机的结合在一起，成为一种先进的雕刻技术。所有这些技术最终都是通过CNC雕刻机转化为真正的生产能力。CNC雕刻机集计算机辅助设计技术（CAD)技术、计算机辅助制造技术（CAM技术）、数控技术（NC技术）、精密制造技术于一体，是目前最先进的雕刻设备，代表了最先进的雕刻技术，使用CNC雕刻技术和CNC雕刻机已经成为雕刻行业的一种潮流。[2]

针对不同的应用领域，所要求的雕刻机的性能各不相同。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。在各类雕刻机价格昂贵的市场情况下，通过本项目的研究，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主题部分 传统的雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量上完全取决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。雕刻机的功能取决于其使用范围。1938年世界第一台手动雕刻机在法国问世，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快速发展。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。

小型摇篮式五轴联动雕刻机的结构设计

小型摇篮式五轴联动雕刻机的结构设计

小型摇篮式五轴联动雕刻机的结构设计

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摘要：随着木材、石材、玉器及贵金属雕刻的市场需求持续增加，科学制造技术的不断发展与进步，传统的手工雕刻逐渐被自动化雕刻机器代替，基于数控系统的雕刻机已经成为木工等雕刻行业的首选工具。而传统的三轴雕刻机在工件加工时需多次装夹完成.并且精度差、速度慢、效率低，所以本文开展了基于五轴联动数控技术的雕刻机的研究与设计，该结构也为其他雕刻机的结构设计研究提供了借鉴。

本文设计了一种以龙门结构作为三轴基底，附加A摇摆轴和C旋转轴组成的混联摇篮式五轴CNC雕刻机。在同等重量和体积的前提下。本雕刻机床具有加工精度高、加工范围大、结构简单、控制便捷、性价比高等优点。该雕刻机可加工软金属及各种非金属材料的复杂曲面，尤其对于非金属精密零件等其他物品的雕刻加工很有市场前景。其电气控制方面可以采用mach3控制卡作为控制核心，驱动系统采用高精度步进电机，摇篮轴及回转轴采用皮带轮方式传动。

关键词：摇篮式；龙门结构；五轴联动雕刻机床；Mach3控制系统；步进电机

市面上出现的雕刻机产品，价格普遍非常昂贵，普通的雕刻机都是万元以上。美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，但价格更是昂贵，令一些小单位及个人用户望而却步。目前中国市场上雕刻机均以某yz三轴为主，难以加工一些复杂的曲面。但雕刻机主要进行工艺品、玉石等加工，简单的结构造型已经难以满足大众日益个性化的需求，五轴联动CNC雕刻机正是填补了这个市场。但目前市场上所提供的五轴联动CNC雕刻机大多成本很高，且以悬臂型为主，这就导致其加工面积相对较小，不易普及。

在这样的背景下，我们立足现状，面向经济发展的需求，开发出有自己特色的五轴联动CNC雕刻机来满足复杂雕刻加工的要求。我们对一种五轴联动CNC雕刻机进行了结构设计，该雕刻机包含龙门三维机架以及A、C双自由度摇篮式工作台，龙门架及刀头部分的移动采用电机带动滚珠丝杠副控制，实现沿某YZ方向移动；该工作台可实现绕着C轴的360°旋转，以及绕着A轴进行-90°～90°的摆动；该雕刻机可以结合刀头和工作台实现某轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴共五个自由度方向的联动工作。笔者的设计研究立足于国内数控雕刻机发展的现状，对于开发新型的五轴联动CNC雕刻机及其普及有着重要的意义。

小型简易雕刻机的设计开题报告

小型简易雕刻机的设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告书

课题名称 小型简易雕刻机的设计

课题来源 教师拟定 课题类型 AX 导 师

学生姓名 学 号 专 业

开题报告内容：

一、课题的背景

数控雕刻机是一种结合数控技术和雕刻工艺的专用机床，与一般的数控机床类似。它通过控制系统来识别程序代码并把程序代码转化为能够驱动步进电机运转的带有功率的信号，再由步进电机带动雕刻机在X、Y、Z轴方向上运动，最终实现雕刻的自动化。它较传统的普通雕刻机具有生产效率高、加工精度高、成品率高、可重复性好、对零件的适应性强等显著优势，因此受到许多企业的欢迎并最终成为雕刻机发展的主流，现在数控雕刻机被广泛应用于机械工业。

建国以来，我国的机械工业已经取得了较大的发展，具备了一定的基础跟规模，但与发达国家相比我国的机械工业的生产能力和技术水平还非常的薄弱，在雕刻领域，我国与发达国家相比也存在不小的差距，因此发展数控雕刻是势在必行的。通过多年的不断努力，数控雕刻机在我国得到了迅速的发展，对我国的制造业产生了巨大的影响 ，它的运用大量的减少了企业在产品制作上的时间，提高了企业的生产效率，给企业带来了巨大的经济效益，因此数控雕刻机在我国得到了广泛应用。

二、课题的意义

在国外雕刻技术出现的较早，开发和应用的时间比较长，发展得也比较成熟了，而我国我雕刻技术发展的比较晚，产品开发能力和生产技术水平都与发达国家相比有着不小的差距，因此必展数控雕刻机，开发符合中国人习惯的雕刻机结构及其软件是非常有必要的。另外现在的数控产品正在朝着高速度、高精度、高效率、多功能方向发展，技术含量也越来越高，而我国数控系统研发水平不强，许多数控系统的核心来自国外，所以研究雕刻机的数控系统也是非常有意义的。 三、课题的研究内容

1、雕刻机的总体设计，包括总体布局设计、总体结构设计、运动系统设计等。

2、雕刻机的机械系统设计，包括总装配图设计、零件设计、参数设计及验算（如步进电机、直线滚动导轨、滚动丝杆副的选择、计算和验算等）、绘制三维零件图、装配图等。

小型数控雕刻机控制系统设计

小型数控雕刻机控制系统设计

小型数控雕刻机控制系统设计

张铎;蔡晓君;周士达

【摘 要】Small CNC engraving machine uses a common open-loop

numerical control C system generally uses open loop stepper

motor,the control principle is that numeral equipment sent each feed

pulse,the power is amplified to drive a stepper motor rotates one step

angle,and then the reduction gear drives screw rotation,and through screw

and nut transmission,a corresponding displacement of the table is

accomplished.Accuracy of open-loop control system is low,the speed is

relatively low,but it is simple in structure,and easy to debug,it has been

wildly used in economical numeral con-trol C engraving

machine in the machining industry has an important position,and its

correlation study abroad has become a hot spot.%小型数控雕刻机采用常见的开环数控系统。开环数控系统通常由步进电动机控制，其原理是通过数控装置发出进给脉冲，经功率放大后，驱动步进电动机转动1个步距角，再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠和螺母副传动，使工作台产生相应的位移。开环控制系统的精度较低，速度也较低；但是其结构简单，易于调试，目前在简易型、经济型数控系统中采用。数控雕刻机在机械加工工业上有着重要的地位，其相关性研究已成为国内外的热点。