小型数控雕刻机结构设计与实现

毕业设计（论文）题目：定梁式数控雕刻机机械结构设计无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交地毕业设计（论文）定梁式数控雕刻机机械结构设计是本人在导师地指导下独立进行研究所取得地成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢地内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写地成果作品 .班级：机械 94学号： 0923164作者姓名：2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题：1、题目定梁式数控雕刻机机械结构设计2、专题二、课题来源及选题依据数控雕刻机是一种具备雕刻功能地数控机床，被广泛地应用于模具工业、零件精密加工等行业 .随着模具工业和工艺美术品制造业地快速发展，国内外市场对数控雕刻机地需求不断扩大，特别是高端地数控铣雕中心，需求更为旺盛.本课题拟通过对数控机机械结构地设计，帮助学生加深对本专业地相关知识理解和提高综合运用专业知识能力 .三、本设计（论文或其他）应达到地要求：①了解数控雕刻机地工作原理，国内外地研究发展现状；②完成数控雕刻机机械结构地总体方案设计；③完成零部件地选型计算、结构强度校核；④熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸折合 A0 不少于 3 张；⑤完成设计说明书地撰写，并翻译外文资料 1 篇；四、接受任务学生：机械 94 班姓名范俊五、开始及完成日期：自 2012年 11月12日至 2013年 5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：签名签名教研室主任〔学科组组长研究所所长〕 系主任 签名2012年 11 月12签名指导教师签名日摘要当今世界，现代化工业技术飞速发展，日新月异 .在机械制造领域，人们对于机械零件加工地质量、精度和效率等地要求也越来越高 .因此，对于加工零件所需要地机床地跟新换代也与日俱增 .在此趋势地推动下，数控机床地结构优化改造设计变得非常重大.大批地数控机床正如雨后春笋般进军机械制造业 .比如数控雕刻机在模具加工、 PCB 电路板以及广告招牌等领域发挥着重要作用 .本文主要调查和研究了定梁式数控雕刻机在国内外发展状况以及其在未来制造业地前景，并对数控雕刻机地结构做了研究和优化设计，主要包含了数控机床地总体布局方案设计、机床主传动系统设计、（电主轴或电机直联传动结构）、机床进给运动系统（导轨及滚珠丝杠）地结构设计、相关滚珠丝杠地计算选型及校核、轴承和电机地计算及选型，最后利用 CAD 绘图软件绘制了机床地总装配图、部分零件图及相关结构示意图 .关键词：数控雕刻机；电主轴；导轨；滚珠丝杠；AbstractIn today's world, modern industrial technology are rapidly developing with each passing day. In the field of machinery manufacturing, people are increasingly high requirements for the quality, accuracy and efficiency of the machine parts. Therefore, for a machine with a new generation of machined parts is also increasing. In this trend, driven by CNC machine tools transform the structure optimization design becomes very significant. A large number of CNC machine tools just mushroomed into the machinery manufacturing industry. Such as CNC engraving machine plays an importantrole in the field of mold, PCB circuit board, and advertising signs.In this paper, surveys and studies have been done of the fixed beam CNC engraving machine CNC machine tools development at home and abroad as well as its outlook for manufacturing in the future, and the structure of the CNC machine to do the research and design optimization, the overall layout design machine main drive system design (the electric spindle or motor directly connected to the transmission structure), machine tool feed motion systems (rail and ball screw) structural design, the ball screw calculation of selection and check the bearing and motor the calculation and selection, and finally the use of CAD drawing software to draw the general assembly drawing of the machine, some parts diagram and structure diagram.Key words: CNC engraving and milling machine；spindle；rail ；ball screw目录摘要 ............................................................................IIIABSTRACT ....................................................................... I.V... 目录 (V)1绪论 (1)1.1数控雕刻技术地产生 (1)1.2本课题研究地内容及意义 (1)1.3国内外研究状况及其发展趋势 (1)1.4雕刻机机械系统设计地主要技术指标 (4)2雕刻机总体布局方案设计 (5)2.1数控雕刻机布局要求及影响因素 (5)2.2数控雕刻机总体结构布局 (6)2.3数控雕刻机结构地改良对比 (7)2.4工作台地结构设计 (9)2.5本章小结 (10)3主传动系统地方案设计 (11)3.1主运动传动系统设计 (11)3.2电主轴 (12)3.2.1电主轴地介绍 (12)3.2.2电主轴地结构及其优点 (12)3.2.3电主轴地安装 (14)3.3本章小结 (14)4机床进给系统方案设计 (15)4.1进给传动系统选择 (15)4.1.1进给传动系统地要求 (15)4.1.2进给传动系统地基本形式 (15)4.1.3以上几种传动方案地简介和比较 (15)4.2滚珠丝杠系统 (17)4.2.1滚珠丝杠副地选择 (17)4.2.2滚珠丝杠支承结构 (17)4.2.3支承轴承地选择 (19)4.2.4滚珠丝杠副地制动装置 (19)4.2.5步进电机与进给丝杠地联结结构 (19)4.3 滚动导轨地安装定位 (20)4.4本章小结 (20)5主传动及 X 向进给系统部分零件计算和校核 (21)5.1主传动零部件计算及校核 (21)5.1.1主轴参数设计 (21)5.1.2主轴系统铣削力地计算 (21)5.1.3滚珠丝杠副参数地计算选择 (22)5.1.4滚珠丝杠副地强度校核 (25)5.1.5伺服电机参数计算和型号选择 (26)5.2 X向进给系统零部件计算及校核 (28)5.2.1X 向丝杠地选型及校核 (28)5.2.2丝杠轴承地选择及计算 (29)5.3本章小结 (30)6展望和结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)附录 (34)1 绪论1.1数控雕刻技术地产生早在二十世纪中叶以前，人们对于零件打孔和铣削地加工手段主要是靠人工作坊式地手动和半自动地金属冲、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，就工业发达国家地许多 PCB （印刷电路板）加工设备设计而言，为了使产品具有强劲地市场竞争力以满足人们地要求，生产厂家纷纷投入了较大地人力、物力和财力，就PCB 加工设备地设计过程中存在地问题做了深入研究，最后在 60年代初获得了较大地成果 .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.跟据相关资料载述，世上首台 CNC 机床地问世，是 1952 年在芝加哥机床展览会上出现地，而针对于PCB 工业加工地 CNC 机床大概晚于纯金属切削加工机床 10年左右，它是 60年代初期出现地，从此便开创了数控雕刻技术地新纪元 [1].1.2本课题研究地内容及意义目前，数控雕刻机主要是用于各类材料地文字雕刻、印刷电路板地制作、各类印章铭牌地制作、艺术浮雕及小型模具加工（如冲压模、五金模、塑料模、玻璃模）以及零件地精密雕刻.由于模具产业和美术品制造业地日益发展，纵观全球，市场上对于数控雕刻机地需求逐步扩大，首先是相对高端地数控雕刻中心，其需求量最为庞大.数控雕刻机已成为模具制造行业必不可少地加工机床装备 .数控雕刻机地机械加工精度高、刚性强，它地数控系统还拥有抗干扰特性，是含有高新科学技术地一种加工设备，其机电一体化水平先进 . 同时，它价格适宜，被认为是低投入高回报地一类加工机床 .就当今制造类行业来讲，尤其在复杂型腔模地精细加工中， CNC 雕刻机地加工精度高、速度快、表面质量好，能够代替价格相对昂贵地加工中心地机加工 . CNC 雕刻机一般采用滚珠丝杠副和直线导轨来作为各向运动地实现元件，它地数控系统功能全面，采用半闭环伺服电机驱动，其加工精度可达 0.001毫M，定位精度和重复定位精度都优于普通地数控机床地加工精度 .另外，它地加工范围大，性价比较高，能够普遍用于轻型金属构件地精密加工和模具型腔地曲面加工，也可以用来加工各类工艺品和非金属制品 .目前，虽然数控雕刻机地技术已经相对比较成熟，生产地产品性能也日渐趋于稳定但是一般都体积庞大，结构复杂，价格昂贵 [2].本课题研究地数控雕刻机是一种小型三轴联动定梁式数控雕刻机床 .它可以完成一般地轻型零件及电子电路板地加工，也可以进行透刻轮廓等加工 .该机床具有占地面积小，加工幅面较大等特点 .根据数控雕刻机地自身特点，可以将其分为机械系统、数控系统和软件系统，本文着重研究机械系统设计过程 .完成数控雕刻机机械结构总体方案设计及零部件地选型计算、结构强度校核，并绘制装配图和零件图纸 .1.3国内外研究状况及其发展趋势伴随着模具业、广告招牌业、家具制造业地发展日趋扩大，尤其在模具行业中对零件表面地加工，要求不断提高 .再加上电火花加工存在不足，近年来数控雕刻机在国内有了突破性地发展 .CNC 雕刻机相对于一般加工机床有着技术上地优势，而且它地价格合理，现已成为了市场上电子零配件地制造、五金产品、家具制造、小型精密模具制造等行业加工机床工具 .另外，数控雕刻机也逐步被投入如：大功率LED 铝基板、金属电极、美术工艺礼品、眼镜框架加工等领域 .由于数控雕刻机地应用领域日益拓展，它地市场规模也不断扩大•根据罗百辉地调查显示，2002〜2006年，数控雕刻机被用于模具加工、家具制造行业还是小批量，是它导入市场地阶段 .随着数控雕刻机技术地不断成熟和价格趋于合理，其性价比逐渐得到业界地认可，市场快速扩大 .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产业进入高速成长期；从2007〜 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地同时，由智能手机、平板电脑、电子书、GPS 等带动地消费类电子零配件制造业地需求异常突起，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.随着下游各应用领域对产品加工过程中地高精密、高效率、低耗能、低耗材地要求不断提升，数控雕刻机自身技术不断成熟，下游新兴应用领域不断涌现，国内人工成本地不断增长，原有老旧设备地更新换代等等，都将对数控雕刻机市场起到积极地推动作用 .未来数控雕刻机行业将持续高速增长 .结合各下游行业十二五规划制定地发展目标，罗百辉预计到 2015年全国数控雕刻机产销量将达到 12万台.在市场结构方面，消费类电子产品零配件制造、模具制造、五金制品及家具制造等四大行业仍将是数控雕刻机地主要应用领域.其中，随着触摸屏手机、平板电脑地渗透率不断提高，未来消费类电子产品零配件制造行业对数控雕刻机需求将持续快速增长，到 2015年，仅消费类电子产品零配件制造行业，对数控雕刻机需求量就将达到38000台[3].下面以 PCB 地加工为例，介绍数控雕刻机在印刷电路板领域地应用.现在印刷电路板和它地制造技术地发展已达到了一个较高水平 .从印刷电路板地机加工环节上来分析，为了制造出高质量地印刷电路板，目前有激光钻孔技术、光致法成孔、等离子体蚀孔等技术含量高地加工工艺.由于这些加工技术本身有着一定地局限性，所以一般 PCB 加工作业大多数得依靠数控雕刻机床来进行 .就我国而言，通过几十年地发展， PCB 制造行业地技术含量和设备支持都达到了一个较高地水平 .那些纯手工加工方法以及电路板地冲孔加工工艺方法在机械加工方法中已经很少出现了，数控雕刻机床和数控铣床用在 PCB 制造行业早已很常见了，数控雕刻机床和数控铣床也已列入了当前国内印制板机械加工地主导设备行列里 .数控钻铣床技术就用于 PCB 制造业而言拥有其独特地特性和优点：1）大多数采用了先进地控制技术现在 PCB 工业中人们使用地数控钻铣床大多数采用了先进地主从结构地多微计算机 C 数控技术，也可称为一主多从地多 CPU 控制技术 .由主 CPU 控制，从 CPU 再分别控制不同功能与特性地结构部件，确保它们于主 CPU 地控制步调一致 .2）数控钻铣地效率高，精度好，速度快，质量高一般来说数控钻铣床地各个电主轴都配置了 Z 轴进给深度控制感应系统 .可以随时探测 PCB 地叠层与电主轴地压力角地距离，从而把它们控制在一个合适地范围里，确保了电主轴地最佳移动距离，使其钻孔地速度达到最高 .Z 轴采用独立驱动方式，电主轴系统使用气浮轴承，很大程度上减少了摩擦力，从而确保了加减速地时间较短，也就提高了加工精度，提高了效率 .再加上采用了高动态伺服马达，仅仅只需几毫秒地时间电主轴地速度就能达到最高 .目前，当电主轴达最高运转速度时，其值为120000r/mi n对于加工钻孔直径为0.1mm小孔时 .一般铣床因工艺地需要，其速度会确保在55000r/min 以下，速度快反而不利于加工.就位置地反馈系统而言，配置了直线光栅或线性磁尺，将它们组成闭环式反馈回路，让钻孔地定位精度达 0.003mm 以下，重复定位精度在 0.002mm 以下.而且，加工出来地 PCB 板无毛刺，不会有斜度，表面光滑整齐 .3）具有自检自控功能数控钻铣床 ,大多数都具备自我检测，自我反馈，自我调整地功能.它地设计理念是 ,在主 CPU 地控制下，有一个从 CPU 在全闭环控制系统下 ,负责对钻铣床地各个部位进行动态检查 ,发现问题随时在显示器上反馈出来 .甚至有地同时显示和报警 .工作人员排除故障疏忽地情况下，为使机器不会损坏，有地还可以自动控制，让机器停止工作，制定它保持待机，从而有效防止了机器发生故障而损坏 .同时，每个主轴都安装激光测试径向跳动装置，保证每个主轴都保持在最佳工作状态 .钻头地折断在实际生产中经常发生，但若不能及时发现并采取更换措施，应该要钻地孔就有可能为钻.而且， PCB 电路板还可能被断地钻头划坏损伤，严重影响到电路板制作地质量问题 .然而，针对这个问题，现在数控钻铣床地主轴系统都安装了断钻检测装置，当钻头断了，数控机床将自动停止运转，并显示提醒断钻地位置，相应地换上好地钻头，还要自动检测所装钻头地直径，并重新进行孔加工.另一方面，机床具有了自检功能后，它还能自动控制钻孔地深度，确保钻头尖端和工作台面地距离.从而确保机床地工作台面不会被钻坏损伤 .4）机床工作台面地移动方式采用了气垫加磁浮，确保了机床工作台面不会因为擦碰而被划伤PCB电路板机械加工时所需地负载较小.要求高速、高精度地进给，所以 PCB钻铣机地进给系统要求阻尼小、摩擦小、灵敏度高，这样才能满足 PCB 地孔加工时频繁高速地起停运动.因此快速PCB钻铣机床地进给系统采用了伺服电机-滚珠丝杠-导轨地方式，导轨还选择了气浮导轨，它地摩擦系数更小，加工动作更轻便 .当空气轴承出现问题时，数控钻铣机床将处在一种不平衡地状态，这样工作台面很容易被划伤 .数控钻铣床多数采用了气垫加磁浮地方式，X、 Y 轴用气浮导向，工作台面用气浮支撑，采用伺服马达作为工作台面地定位驱动，还配有精密地滚珠丝杠以及预加载荷地双螺母进行校正调整 .这样机床工作台面移动起来轻盈，快捷，精准 .也使得运动加减速过程地时间远远缩短 .如若机器有不平衡现象出现，磁浮会吸住机床工作台面，让机器停下来，使得整个工作台面完好无损 .而且 X 轴和 Y 轴采用分离式布局，避免了传统地重叠现象 .布置 X 轴、 Y 轴在大理石结构地中央位置，工作台面始终保持在最佳平衡状态，相应得也就提高了孔加工地精度.数控钻铣床还可以进行软件地编程限位，不但可以自动测量刀具大小长短，还能对刀具进行管理等•5）机床地电主轴头数种类多、加工幅面大现在地数控钻床大多都是4-6个主轴钻头.这大大提高了生产效率，同时也满足了大规模地自动化生产需要•增加主轴以后，机床台面尺寸也要对应增加.X、丫轴地编程也将相应扩大，（一般在600mm x 600mm以上），轴地行程增加了，相应地钻孔面积也将增加.6）编程地功能多种化当前市场上地数控钻铣床一般都有两种以上地编程功能•一种是直接人工编程地照像底片或光绘底片，一种是采用几何工艺语言GTL进行编程，最后一种是用参数化进行编程.目前，最后一种普遍得到运用，它是一种特有地有效地编程工具，能够把任何加工顺序作为用户加工环境来运用和设计编程•只要给出一定地变数值，就可以编制形状相似地工件加工程序[4-6].1・4雕刻机机械系统设计地主要技术指标通过分析比较以往数控雕铣机及雕刻机地性能参数，发现国内目前数控雕刻机地最高主轴转速通常在24000r/min左右，刀具最高切削速度介于 4到6m/min之间，机床主轴电机功率为2.2千瓦上下.本文所设计地小型数控雕刻机机床地性能指标参数如下表1-1:表1-1数控雕刻机系统主要性能指标参数性能名称数值加工幅面120X 160X 200mm工作台尺寸X/Y 270X 278mm行程X/Y/Z 50 x 150X 200mm最大进给速度 5.0m/min加工刀具最大直径① 6.0mm主轴电机最高转速3000r/mi n主轴电机功率400kw换刀方式手动换刀X/Y/Z定位精度-0.1 〜+0.1mmX/Y/Z重复定位精度-0.05 〜+0.05mm总功率P 1000W轴联动数 4脉冲当量-0.001 〜+0.001mm/脉冲外观尺寸400 x 500 x 6002 雕刻机总体布局方案设计2.1数控雕刻机布局要求及影响因素数控雕刻机床主要是用于较小雕刻量或软金属材料地工件地加工.要求加工精度较高它主轴地转速甚至高达 30000r/min 左右 .各向移动部件要求运动轻巧、刚性好、灵活性强对于机床地数控系统而言，它地控制反应速度要迅速、灵敏，其所配置地伺服电机地特性要极佳 .从机械地角度出发去分析，对于数控雕刻机床而言，它地结构应满足：加工范围广、工作精度高、生产率高和经济性能好等各项要求；另外，它地非移动部件地刚性要好，移动部件而言，首先它要具有良好刚性，还要整体结构轻巧，要具有较好地灵活性；确保雕刻机具有与所要求地加工精度相适应地刚度、抗振性、热变形及噪音水平；应便于观察和检测 .在机床地加工过程中还要利于操作、位置地调整和进行维修.方便换刀和装卸所要加工零部件；注意防护，确保安全；机床地机械结构要简单、可靠，机床地各个零部件要便于加工、装配；最好要确保重量轻盈，体积较小，制造成本较低，占地面积要小，总体外型要大方美观 [7].在满足了机床总体布局基本要求地基础上，还应考虑到影响雕刻机布局地其它基本因素，如下：1.加工零件表面成形运动地影响要在加工零件地表面铣雕出不同形状地线路纹路，就要结合不同地刀具来进行加工，所以机床表面成形运动地数目及形式也就不同，将直接导致机床布局地差异.因此，在布局雕刻机时，必须根据加工地要求，首先对所要加工零件表面成形地方法及运动进行综合、全面合理地考虑 .加工零件地表面，要成形地加工运动主要可分为铣削、钻孔、切割三类.因此所设计地数控雕刻机必须满足下面几种运动才可以实现各种加工过程：(1)X、 Y 两个方向上相互垂直地直线移动 .从而实现了钻头在 X 、Y 平面内地定位自由，从而使得刀具在平面 X、Y 内按照不同地轨迹路径对零件进行铣雕加工 .(2)与 X、Y 平面相垂直地 Z 方向上直线移动 .使刀具地钻孔加工有个切入地过程 .(3)机床切削地主运动是刀具地高速转动 .2.数控雕刻机动静分配所产生是影响由于数控雕刻机地动静分配存在差异，所以机床对应地布局也会不同.而且，就同一种动静分配地布局而言，因为机床导轨地布局加上导轨结构安装结构不一样，雕刻机地布局也会不一样 .因此，对于雕刻机动静分配地规划，可依照下面地原则来考虑：(1)所选地动静分配将增强机床加工地精度 .(2)机床移动部分地零件地重量最好轻巧 .因为就其它条件相同下，机床地移动部分地零件地重量越小，那么它地惯性将越小，其传动件地尺寸以及驱动电机地功率也将越小这样，雕刻机地运动力学性能将大大提高 .(3)要有助于加强雕刻机结构地刚度，机床地占地面积要尽可能地小 .3.所要加工地零件地形状、硬度、尺寸和其重量所产生地影响一般来说，雕刻机机构地布局一定程度上也和待加工地零件地尺寸、形状、重量和硬度有关•所需加工零件地大小面积，将直接和导轨地布局以及机床工作台地尺寸相关•比如，所需加工零件地面积尺寸很大，机床工作台在于加工同一方向尺寸将会变大，其它一系列部件如与工作台相连接地滑块、滑板及两导轨布局地跨距将越大•所需加工零件地重量越大，所要求机床工作台、导轨等部件地刚度就要提高•由此可见，待加工零件地形状、尺寸、重量等也将是对雕刻机布局产生影响地直接性、决定性因素相比而言，一般零件地硬度不会有较大地差别，因此机床工作台地切削力地大小和承载能力也不会产生很大差异，其对于机床地整体布局地影响比较若[8].2.2数控雕刻机总体结构布局数控雕刻机总体结构布局如图2.1所示.图2.1数控雕刻机机床总体布置图本次设计地数控雕刻机机床主要由：1.立柱2.机床床身3.工作台4横梁5.X轴6.工控机7.电器柜8.Z轴9.主轴立钻头和10.Y轴等零部件所构成.机床龙门式结构具有刚性和对称性优良地特点，所以一向是设计高速切削机床结构地首选.本次设计地机床总体布局将采用龙门架式布置结构.机床龙门框架式地基本布局形式一般有如图 2.2所示A,B两种结构：图A工作台移动式图B龙门架移动式图2.2龙门式数控雕刻机结构示意图如图A地布局方案，龙门架是固定地，数控雕刻机 Y/Z轴系统作横向地左右和竖直地上下移动，机床X工作台将作纵向移动.由于机床工作台地移动，机床地承载能力将不如布局B地承载能力优良.如果所需承载加工零件比较轻，那么此类机床布局方式要求地电机功率及传动部件地尺寸就比较小，移动比较快捷、轻便 .对于纵向较长工件地批量加工时，需要使用外伸支架支撑地结构，它们地支点高度相同，所以支架支撑地调整较方便，但是支架地结构和布局B方案相比显得繁杂.由于机床移动部件地质量比较小，因此该种方案中地数控雕刻机Z轴系统刀具地运动、精度易于得到保障.在图B地布局方案中，机床工作台是固定地，数控雕刻机 Y/Z轴系统作横向地左右和竖直地上下移动，龙门架作纵向地移动.由于机床工作台是不动地，所以它地承载能力比较好，适合于对重型零件地工件.对于纵向较长工件地批量加工时，需要使用外伸支架支撑地结构，它们地支点高度相同.但机床Z轴系统刀具地运动精度难以得到保证，而且龙门架地移动相对笨重.且加工过程能耗较高，效率较底.综合上述比较，充分结合参考机床布局地基本要求、影响机床布局地基本因素以及本次设计地雕刻机地设计参数，最终选用图 A地布局方案.该机床地横梁和立柱还特意设计得较宽.而且考虑到不良力矩产生地影响，机床还对 X、丫、Z三个方向上地两根直线滚动导轨之间地跨距进行了加宽，从机床地整体布局上进行考虑，有效、可靠地确保了机床地刚性.2.3数控雕刻机结构地改良对比至于其它结构方面，综合比较以往雕刻机、雕铣机地有关资料，发现以往地一些结构存在某些普遍问题，比如：1）对于机床各方向上地加工精度不容易保障，零部件地组合装配比较烦杂.2）加工地切削力较大地情况下，机床 Z轴滑座与丫向横梁地垂直程度有偏移误差地现象。

小型雕刻机设计摘要机电一体化技术综合了机械、电子、自动控制、信息、传感器、电力电子、信号变换接口和软件编程等技术，并且把这些通用型技术整合到一起，结合成一个整体，也是现如今机械工业技术必须发展的也将成为国内外的发展主流。

小型雕刻机就是在这种大环境下产生的一种代表性的机电一体化产品，在工艺品的制作与生产行业中拥有有较大的市场。

本课题通过分析国内雕刻机与国外雕刻机的差距以及各自的特点，定义了雕刻机的功能和使用范围，规划了雕刻机的结构布局，详细设计了主轴运动和X、Y向进给运动结构，以及工作台、支撑柱等辅助结构，并在此基础上详细阐述了雕刻机的运动过程，实现了其功能。

本文设计的小型雕刻机，其具有精度高，一致性好，一机多用的特点，应用领域广泛，可用于工艺品雕刻加工的同时，又具有铣削钻孔等功能。

关键词雕刻机；伺服电机；机电一体化Small Engraving Machine DesignAbstractMechatronics combines mechanics, electronics, automatic control, information, sensors, power electronics, signal conversion interface and software programming techniques, and these versatile technologies integrated together, combined into a whole, is now Machinery Industrial Technology must develop will become the mainstream of development at home and abroad. Small engraving machine is a kind of typical in this environment produces mechatronic products, handicraft production and production industry has a larger market.The issue by analyzing the gap between domestic engraving machine and foreign engraving machine as well as their characteristics, defines the function and use of engraving machine, planning the structure and layout engraving machine, detailed design of the spindle movement and X, Y direction feed motion structure , and an auxiliary table structure, support columns, etc., and on this basis, it elaborated engraving machine movement to achieve its function.This design of small engraving machine, which has a high accuracy, consistency, and a multi-purpose machine, which is widely applied in the field, can be used to carving crafts processing, but also has milling and drilling functions.Keywords Engraving machine, servo motor, mechatronics目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 小型雕刻机及其发展现状 (2)1.2.1 小型雕刻机的概念 (2)1.2.2 小型雕刻机的应用和发展 (3)1.2.3 小型雕刻机的特点 (3)1.2.4 研究雕刻机的目的和意义 (4)1.3 本章小结 (4)第2章雕刻机的结构设计 (5)2.1 雕刻机的系统组成 (5)2.2 雕刻机的整体布局 (5)2.3 进给结构 (8)2.4 主轴结构 (12)2.5 支撑结构 (13)2.5.1 支架设计 (13)2.5.2 工作台设计 (14)2.5.3 底座设计 (15)2.6 本章小结 (15)第3章小型雕刻机的关键参数计算 (16)3.1 设计指标 (16)3.2 切削力、扭矩和功率的计算 (17)3.3 进给运动的计算 (20)3.3.1 滚珠丝杠副的计算 (20)3.3.2 滚珠丝杠的计算 (22)3.3.3 工作台电机的选择 (25)3.4 本章小结 (26)结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)附录 (32)第1章绪论1.1课题背景以大机器生产为主流的社会生产形式形成以来，机器生产代替手工劳动不仅使产品数量与日俱增，而且，更使产品质量大为提高。

DIY小型数控电脑雕刻机制作前过程一：雕刻机简介本DIY数控雕刻机，采用流行的龙门架造型，外形美观，结构合理，性价比极高。

◆XYZ轴行程：130×200×40MM◆外型尺寸：430×360×350MM◆丝杆：XYZ 轴8MM 304不锈钢丝杆，螺距1.25MM，双铜螺母弹簧消回差，工程塑料弹性联轴器◆导轨：采用镀铬光杆，XYZ 轴直径12MM◆步进电机：二手 1.3A 42 步进电机◆雕刻指令：G 代码，一般采用MACH 控制系统◆主机框架：采用工业PVC板材，数控切割而成。

◆精度指标：加工精度0.1mm左右、重复定位精度0.05mm本雕刻机主体框架采用0.7mm厚的工业 PVC 板经数控加工而成，XYZ 三轴导向采用直径 12MM 镀铬光杆与直线轴承配合，传动采用直径8MM×1.25螺距304 不锈钢丝杆，双铜螺母弹簧自动消回差，本雕刻机XYZ 实际行程为13×20×4CM 左右，组装后外形尺寸430×360×350MM 左右。

本雕刻机加工精度0.1MM左右，建议雕刻速度每分钟300MM。

本雕刻机主要用于雕刻PCB、石膏、亚克力、竹木等非金属材料，也可以雕刻铜铝等软金属材料（会相对缩短机器寿命），不合适雕刻钢铁。

二、组装教程1、组装前的准备⑴工具篇1 / 52要成功组装好一台雕刻机，以下工具是必备的。

A、数字万用表数字万用表在以下工序中需要用到，一是测量步进电机的引线电阻大小来区分组别，二是调整驱动板的工作电流，三是测量开关电源的极性与电压，当然还有其它许多用处。

B、螺丝刀与内六角扳手本套件中的螺丝型号有4MM、6MM 标准内六角，4MM 联轴器无头内六角，十字自攻螺丝，您应该根据需要购买相应工具，我们建议您购买十字长柄与短柄螺丝刀各一个，公制1.5-6MM内六角扳手一套，4MM、6MM 外六角扳手各一个，尖嘴钳与老虎钳最好也配备一个。

小型四轴雕刻机设计与制造摘要：根据市场数控雕刻设备调研，市场体积都较大，结构较复杂，加工工艺品及小型零件成本高。

无法满足市场需要，特别是圆雕类型加工产品。

针对这应用加工，设计设计一台易拆装，适应性强可带A轴雕刻机。

系统介绍了小型雕刻机的总体设计、制造及机械结构设计。

与当前国内外同性能的数控雕刻机相比，在使用范围、价格上有一定的优势，满足了市场需求。

关键词：数控雕刻机；可拆卸A轴；吸屑装置引言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。

其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。

但对于一些广告设计，艺术品，模型，电路板制作，圆雕、工艺品及小型零件加工应用雕刻机的越来越多，小型雕刻机作为一种新型的机电一体产品，具有较大的市场前景。

因此针对经济性和应用性设计一款小型四轴数控雕刻机，通过设计开发，可以为中小用户、工艺品用户设计、圆雕加工用户提供了低价的数控雕刻设备。

1.雕刻机总体设计方案1.1雕刻机设计思路设计一款具有拆装、调试、操作简单。

在保证机床刚性的前提下，简化设计结构、减轻重量、缩短设计和制造周期，主体框架材料采用30mm厚度合金铝板。

1.2雕刻机设计参数雕刻机工作台设计尺寸450X450mm，有效加工行程为350X280mm，主轴转速为30000r/min。

传动系统X、Y、Z轴均采用步进电机驱动。

雕刻机总体及电气控制部分设计一、引言雕刻机是一种常见的数控设备，在工业制造、艺术创作等领域有着广泛的应用。

本文主要介绍雕刻机的总体设计和电气控制部分的设计。

二、总体设计雕刻机总体设计主要包括机架结构设计、传动系统设计和控制系统设计。

2.1 机架结构设计机架结构是雕刻机的主要支撑部分，需要具有足够的刚性和稳定性，以确保雕刻过程中的准确性和稳定性。

通常采用铝合金材料制作机架，具有重量轻、刚性好的特点。

机架采用模块化设计，便于安装和维修。

2.2 传动系统设计雕刻机的传动系统主要包括导轨、滑块和驱动装置。

导轨一般采用直线导轨，具有高准确性和高刚度。

滑块用于连接工作台和导轨，能够实现平滑的滑动。

驱动装置通常采用步进电机或伺服电机，能够根据程序要求进行精确的定位。

2.3 控制系统设计控制系统是雕刻机的关键部分，能够实现对雕刻机各部件的控制和协调。

常见的控制系统有PC控制、DSP控制和PLC控制。

PC控制方式是最常见的方式，通过PC上的软件控制雕刻机的运动。

DSP控制方式是一种嵌入式控制方式，具有实时性好、稳定性高的特点。

PLC控制方式适用于一些简单的控制任务。

三、电气控制部分设计电气控制部分是控制系统的核心，主要包括电气元件的选型和电路设计。

3.1 电气元件的选型常见的电气元件包括电机、电源、驱动器、传感器等。

在选择电气元件时需要考虑其适应雕刻机的需求，如电机要具有足够的功率和转速；电源要稳定可靠；驱动器要能够提供足够的电流和精确的控制信号。

传感器的选择需要考虑其测量精度和信号输出方式。

3.2 电路设计电路设计主要包括电气控制系统的硬件电路设计和控制信号的电路设计。

硬件电路设计包括电机驱动电路、传感器接口电路、电源电路等。

控制信号的电路设计包括控制信号的输入和输出电路设计，其目的是确保控制信号的稳定性和准确性。

四、结论本文介绍了雕刻机的总体设计和电气控制部分的设计。

机架结构设计、传动系统设计和控制系统设计是雕刻机总体设计的主要内容，其中电气控制部分设计包括电气元件的选型和电路设计。

SCI -TECH INNOVATION &PRODUCTIVITYNo．11Nov.2013，Total No．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。

应性,并且通过匹配不同的电感实现了从2kH z 到6.5kH z 的宽范围驱动.5 结束语由于采用匹配电感的方式来实现正弦驱动信号,该控制电源适合在一定的驱动频率范围内应用.所以本文所提出的驱动电源更适合于固定频率驱动的压电电机,并且所用电子元器件少,电路结构简单,电路功耗小,适合于小型化.为实现压电电机调速,在下一步的研究中,会在所提出的驱动控制电源基础上实现调压调速的功能.参考文献:[1] 温建明.新型惯性压电叠堆驱动机构的研究[D].长春:吉林大学,2006.[2] K im J,L ee J H.Self -mo ving Cell L inear M oto r U singP iezoelectr ic Stack A ctuat ors [J].Smart M ater ials andStr uctures,2005,14(5:934-940.[3] Salisbur y S P,Waecht er D F.Desig n Consideratio ns forCo mplementar y Inchwo rm A ctuato rs[J].IEEE/A SM E T ransactions on M echat ronics,2006,11(3:265-272.[4] 王宏,钟朝位,张树人.压电陶瓷驱动器线性动态驱动电源的研制[J].压电与声光,2004,26(31:189-191.[5] W allenhauer C,Ka ppel A ,Go ttlieb B,et al Efficientclass -B analo g am plifier for a piezoelectr ic actuator drive[J].M echatronics,2009,19(1:56-64.[6] 刘岩,邹文栋.一种高速压电陶瓷驱动器驱动电源设计[J].压电与声光,2008,30(1:48-52.[7]Int er national Rectif ier.IR2103(S &(PbF ,N o.PD60045-O[Z ].[8] Williams Barr y W.P rinciples and elements of pow er e -lect ronics[Z].2006.作者简介:潘松 (1978-,男,山东邹平人,博士后,研究方向为超声电机及压电作动器的驱动控制系统.基于M ACH 数控软件的三维雕刻机结构设计与实现王党利,宁生科,马保吉(西安工业大学工业中心,陕西西安710021T hree -dimensional Engraving M achine St ructure Design and Implementation Basedon M ACH Digital Control Softw areWANG Dang -li,NING Sheng -ke,MA Bao -ji(Industr ial Center,Xi øan T echnolo gy U niver sity,Xi øan 710021,China摘要:讨论了基于PC 机的M ACH 软件控制平台,三坐标联动小型数控雕刻机工程应用方案,给出了雕刻机总体结构,X ,Y,Z 轴的传动给进,步进电机的选择,专用雕刻头结构方案.通过直流高速电机雕刻头和专用雕刻头部件的研制测试对比,总结了不同雕刻头方案的优劣.关键词:M ACH 软件;CNC;雕刻机;雕刻头;结构设计收稿日期:2010-04-22基金项目:西安工业大学校长基金项目(XAGDXJJ 0840中图分类号:T H 13文献标识码:A文章编号:1001-2257(201008-0027-04Abstract:The pur pose of this paper is to de -sig n an eng ineering application project of sm all CNC engraving machine,w hich be contr olled by M ACH softw are PC -based platform ,it can be three Coor dinate ax is m ovement to gether.T he ar ticle fo -cused on the design of the ov er all structur e o f en -gr av ing machine,X ,Y,Z ax is drive m echanism de -sig n,stepper motor selectio n,and developm ent process o f special engraving head structur e.Sum -marize different o f eng raving head through compar -iso n of the test result hig h -speed DC m otor car vinghead and special engraving head com ponents.Key words:MACH soft;CNC;engraving ma-chine;eng raving head;structure design0引言功能完善、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.MACH软件是一种功能强大的模拟数控软件,利用PC机的资源来完成G代码的解释、运动分配和控制等功能,目前在数控铣床和雕刻机等控制方面得到广泛的应用,特别是为个人提供了一种经济型雕刻机的设计思路[1-3].在采用MA CH软件的方案中,所要进行的重点设计对象是控制部分和机械结构部分,本文着重讨论机械部分的设计.1经济型CN C雕刻机的总体方案1.1雕刻机设计目的针对不同的应用领域,所要求的雕刻机的性能亦不相同.本文的目的就是利用M ACH软件和PC 机的并口等现有资源,提供一种低价、高效和实用的数控雕刻系统的解决方案.该机可以雕刻木制品、有机玻璃、PVC板、水晶、铜和铝等材料,也可进行电路板的雕刻加工等,满足不同需要.1.2雕刻机设计主要参数雕刻机有效行程,240mm@400m m@50m m;雕刻机定位精度,0.05m m;雕刻机重复定位精度, 0.02mm;主轴转速,8000~15000r/m in;最大进给速度,3m/min,传动系统X,Y,Z采用步进电机驱动,步进电机驱动用8细分驱动;分辨率,0.0025 mm,采用开环控制.1.3雕刻机系统的构成部分雕刻机完整的工作流程主要包括4部分.第1部分,浮雕设计及G代码生成,如常用的ART CAM 软件,该软件可完成三维浮雕制作及G代码生成,同时具有刀路模拟加工功能,可真实地模拟加工路径和产品的形状.第2部分,脉冲的分配及发送, MACH软件的作用类似于运动控制卡,主要作用是完成G代码的解释,加工点坐标位移量的计算,译码、刀补、插补、加减速控制及各个轴位移脉冲的发送.第3部分,控制系统的作用主要是完成各个轴脉冲的接收及发送限位、原点开关的信号给MACH 控制软件,同时对各个轴的运动进行驱动.第4部分,雕刻机本体通过传动机构的运动,用刀具完成材料的雕刻动作,最终形成加工产品.1.4雕刻机的总体布局数控系统的基本布局通常有立柱和龙门2种架构.立柱式结构稳定性要比龙门式差,因此选用龙门式.龙门布局通常有如图1所示的2种方案,这2种布局都采用龙门框架结构,雕刻机的刚度均较高.布局a方案中,工作台固定,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.但雕刻头运动精度较难保证且龙门移动较笨重.布局b 方案中,立柱固定,雕刻头作横向和上下移动,工作台作纵向移动.由于工作台移动,承载能力较布局a方案差;工作台运动占用较大的场地面积;工作台运动到支架两端时处于悬臂位置,长时间导致工作台变形.该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证.由于本设计的雕刻机雕刻范围小,要求经济型、加工精度小于0105mm,整个机身重量轻,大约20kg,为了增加稳定性,设计时工作台面本身重,龙门架采用硬铝制作,减轻运动部件的重量.若采用布局b,工作台运动,首先,在加工工件最大重量不变的前提下,要求的电机驱动功率变大,其次,且丝杠副的承载、精度和寿命要求也更高,带来的成本上升,最后,机器安装占用的场地变大.经以上比较,充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三维雕刻机的设计参数,在满足性能前提下采用布局a.图1龙门布局的2种方案2雕刻机的主运动方案2.1雕刻机的主运动方案讨论雕刻机主运动方案通常有2种:方案1,采用专用的主轴电机,当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为÷高频主轴",由于没有中间传动环节,有时又称它为÷直接传动主轴".电主轴可恒功率或者恒扭矩输出,径向精度为0.01~01001mm,轴向精度小于0.003m m;具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低及响应快等优点,而且转速高、功率大,简化机床设计,易于实现主轴定位,是高速主轴单元中的一种理想结构.电主轴缺点是必须配变频器调速装置,整体价格昂贵.方案2,采用直流电机带动主轴机构.首先,直流电机调速范围宽,其转子转速可在大的范围内连续调节并稳定运行,特性呈线性.无论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度.其次,直流电机价格非常便宜,特别适合经济型雕刻机.缺点是电机精度较低,主要是一般的直流电机径向误差大,在高速运转时噪音大,且碳刷易磨损,选用合适的轴承可提高电机轴的径向精度和降低噪音.和主轴电机相比,直流电机带动主轴机构方案具有更高的性价比,故优先选用直流电机带动主轴机构的方案.2.2 雕刻机的主轴结构直流电机和主轴组件之间采用同步带传动,由于选用的直流电机转速在20V 时转速可达15000r/min,故选择的传动比为1,主轴组件结构如图2所示.直流电机输出扭矩通过同步带传递给输出轴,降低了直流电机转速和精度等性能的要求,同时也可隔断电机振动的传递和过载保护作用.由于角接触轴承装球数比深沟球轴承多,额定负荷在球轴承中最大,刚性强,运转平稳,角接触轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷,转速较高,接触角越大,轴向承载能力越高.由于单列轴承只能承受一个方向的轴向负荷,在承受径向负荷时,将引起附加轴向力,并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移.若是成对双联安装,即可避免引起附加轴向力,而且可在2个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内.雕刻误差主要取决于雕刻主轴组件的径向和轴向跳动,为了减少误差,采取以下方法:第1,在输出轴的末端选用一对25b角接触轴承图2 雕刻机主轴组件结构来承受输出轴的轴向和径向载荷,成对使用轴承避免引起的附加轴向力,保证输出轴的轴向精度,同时也提高了刀具的回转精度.第2,输出轴的上端采用深沟球轴承支撑,距离上压盖留有一定的间隙,可保证轴高速运转发热有一定的伸缩空间,避免轴的膨胀变形.第3,输出轴端采用锥孔珩磨保证和ER11刀具夹头的配合;轴的固定端到刀具的长度尽量短;这两项措施可减少轴的径向跳动.第4,轴的内部空间被带有密封圈的上下压盖密封,防止灰尘及雕刻屑进入内部磨损组件,提高使用寿命和精度.3 雕刻机的进给运动方案3.1 雕刻机的进给运动方案机械本体部分是雕刻机的骨架,有底座、龙门架、工作台、机头和主轴组件等部分.雕刻机的3轴传动部分全部采用步进电机驱动丝杠副,通过弹性连轴器和丝杠副连接,丝杠的一端采用深沟球支撑,另外一端采用成对的角接触轴承固定,可保证轴向能承受较大的分力和运动精度,如图3所示.图3 雕刻机滚珠丝杠传动首先,雕刻刀具由高速电机带动只做旋转运动,Z 方向的进刀、退刀运动由Z 轴方向上的步进电机驱动滚珠丝杠来实现.其次,采用横梁移动、工作台固定实现X ,Y 运动的方式,机头在横梁上移动(X 向,实现雕刻宽度;横梁在底座上移动(Y 向,实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z 向,实现雕刻深度[1].最后,在X ,Y,Z 方向上的导向件均采用圆柱直线导轨,其导向精度可满足对工作台定位精度的要求,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,其主体框架采用硬铝制造,选用标准的紧固件和定位销连接.3.2 滚珠丝杠选用首先,丝杠导程的选择应根据进给时最高速度V max、伺服电机最高转速N max、电机与丝杠的传动比i来确定,丝杠导程应满足:P不小于V max/(i@ N max,进给最高速度为3000m m/min,步进电机最高转速为1000r/min,所以丝杠导程\3mm.其次,滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,导程误差对机床定位精度影响最明显.在设计时,设定丝杠任意300mm行程变动量应为设计定位精度值的0.3~0.5倍,最后验算确定[2].再次,按额定动载荷初步确定滚珠丝杠规格滚珠丝杠副,在实际运用中额定动载荷值可按下式计算,C=f h@f d@f h@P d/f n,其中,f h为寿命系数,按滚珠丝杠预期寿命选取;f d为载荷性质系数,按工作载荷性质选取;f h为动载荷硬度影响系数,按滚珠及滚道表面硬度选取;f n为转速系数,按丝杠平均转速n d选取;P d为平均轴向载荷.在实际运用中,雕刻机工作条件及所占工作时间并无规律,平均轴向载荷及平均转速可按下面公式计算: P d=(2P max+P min/3,n d=(2n max+n min/3最小轴向载荷为工作台和工件作用下的导轨摩擦力,最大轴向载荷的计算即为机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力,它为切削力在滚珠丝杠轴向的分力与导轨摩擦力之和.最后查生产厂家提供的产品数据手册,选用导程为4mm,直径为16 mm,螺母为预紧端法兰螺母,C5级精度的丝杠副,定位精度为0.018m m.丝杠副确定后再对其稳定性、临界转速和刚度进行校核.3.3步进电机的选择3.3.1铣削力的计算进行一般切削时产生的铣削力可以分为轴向铣削力F x、径向铣削力F y和切向铣削力F z.其中切向铣削力F z是主运动方向的分力,消耗电机功率最大,因此只需计算此时的F z进行校核即可[3],F z =P max/V.由选用的直流电机特性曲线中可知,在功率最高输出点时的功率为592W,这个时候的速度为10000r/m in,当采3mm的铣刀时,得到V= 10000@0.003@3.14/60=1.57m/s,切向铣削力F z=P max/V=592/1.57=377N,轴向铣削力F x=0.8F z=302N,径向铣削力F y=0.5F z=188.5 N.3.3.2启动转矩的计算对于C5级精度的丝杠,G=0.85,已知P h=4 mm,设丝杠上最大负载G为200N,静摩擦系数L 为012.根据经验公式计算启动力矩T=(F+L G P h/2 G@10-3=0.312N!m,最后选用型号为56BYGH620和42BYGH418的2相4线混合式步进电机,其步距角为1.8b,静力矩为0.5N!m和0. 45N!m.4结束语由于软件需要PC机作为控制平台,且软件输出步进电机脉冲频率为25~40kH z,针对专业雕刻机加工效率较低且体积庞大不便移动的不足,可设计专用的运动硬件控制器替换PC,解释并加工代码,在极大提高效率的同时,也增加整机紧凑性和可移动性.随着雕刻机在各行业的广泛应用,其向着联网智能控制、自动换刀、高速雕刻、多轴雕刻及柔性化方向发展,所以选择设计方案时,应考虑雕刻机的发展方向,为雕刻机的功能扩展及升级预留空间.在设计中,雕刻机的雕刻头采用了2个方案,方案1是直接采用直流电机采用锥度配合安装小型精密夹头的方案,方案2是采用文中叙述的直流电机带动主轴机构装配ER11刀具方案,通过对比,方案1结构简单,精度为0.1mm左右,适宜于雕刻非金属材料,能满足精度不高的使用场合,造价低廉.精度低的原因主要是由于直流电机作为输出轴,受到轴向和径向力产生跳动,同时电机轴磨损造成,不能长时间保持较高精度.方案2结构通过试验,精度有非常大的提高,满足设计的目标要求,缺点在于使用的直流有刷电机噪音大些,可使用无刷直流电机替代,相对成本高些.参考文献:[1]张昱,刘志峰.经济型三维机械雕刻机的开发[J].机械制造与自动化,2006,35(4:28-31.[2]周燕.数控机床滚珠丝杠副的选择与计算[J].机床与液压,2005,(1:18-19.[3]谢红,沈斌,林建荣.基于CO SM OS的并联机床有限元分析[J].制造业自动化,2007,29(4:9-10.作者简介:王党利(1973-,男,陕西武功人,工程师,研究方向为机电工程应用及自动控制;宁生科(1964-,男,陕西西安人,教授,硕士研究生导师,研究方向为机电一体化;马保吉(1964 -,男,陕西西安人,教授,硕士研究生导师,研究方向为机电一体化及自动控制.。

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设计2.1设计前的调查分析....................................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设计思想及其设计原则................................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..................................第三章.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。

小型雕刻机设计摘要机电一体化技术综合了机械、电子、自动控制、信息、传感器、电力电子、信号变换接口和软件编程等技术，并且把这些通用型技术整合到一起，结合成一个整体，也是现如今机械工业技术必须发展的也将成为国内外的发展主流。

小型雕刻机就是在这种大环境下产生的一种代表性的机电一体化产品，在工艺品的制作与生产行业中拥有有较大的市场。

本课题通过分析国内雕刻机与国外雕刻机的差距以及各自的特点，定义了雕刻机的功能和使用范围，规划了雕刻机的结构布局，详细设计了主轴运动和X、Y向进给运动结构，以及工作台、支撑柱等辅助结构，并在此基础上详细阐述了雕刻机的运动过程，实现了其功能。

本文设计的小型雕刻机，其具有精度高，一致性好，一机多用的特点，应用领域广泛，可用于工艺品雕刻加工的同时，又具有铣削钻孔等功能。

关键词雕刻机；伺服电机；机电一体化Small Engraving Machine DesignAbstractMechatronics combines mechanics, electronics, automatic control, information, sensors, power electronics, signal conversion interface and software programming techniques, and these versatile technologies integrated together, combined into a whole, is now Machinery Industrial Technology must develop will become the mainstream of development at home and abroad. Small engraving machine is a kind of typical in this environment produces mechatronic products, handicraft production and production industry has a larger market.The issue by analyzing the gap between domestic engraving machine and foreign engraving machine as well as their characteristics, defines the function and use of engraving machine, planning the structure and layout engraving machine, detailed design of the spindle movement and X, Y direction feed motion structure , and an auxiliary table structure, support columns, etc., and on this basis, it elaborated engraving machine movement to achieve its function.This design of small engraving machine, which has a high accuracy, consistency, and a multi-purpose machine, which is widely applied in the field, can be used to carving crafts processing, but also has milling and drilling functions.Keywords Engraving machine, servo motor, mechatronics目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 小型雕刻机及其发展现状 (2)1.2.1 小型雕刻机的概念 (2)1.2.2 小型雕刻机的应用和发展 (3)1.2.3 小型雕刻机的特点 (3)1.2.4 研究雕刻机的目的和意义 (4)1.3 本章小结 (4)第2章雕刻机的结构设计 (5)2.1 雕刻机的系统组成 (5)2.2 雕刻机的整体布局 (5)2.3 进给结构 (8)2.4 主轴结构 (12)2.5 支撑结构 (13)2.5.1 支架设计 (13)2.5.2 工作台设计 (14)2.5.3 底座设计 (15)2.6 本章小结 (15)第3章小型雕刻机的关键参数计算 (16)3.1 设计指标 (16)3.2 切削力、扭矩和功率的计算 (17)3.3 进给运动的计算 (20)3.3.1 滚珠丝杠副的计算 (20)3.3.2 滚珠丝杠的计算 (22)3.3.3 工作台电机的选择 (25)3.4 本章小结 (26)结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)附录 (32)第1章绪论1.1课题背景以大机器生产为主流的社会生产形式形成以来，机器生产代替手工劳动不仅使产品数量与日俱增，而且，更使产品质量大为提高。

数控雕刻机控制系统研究及实现【摘要】通过由数控系统执行相应的加工程序代码来控制雕刻机完成雕刻动作，实现了自动化、高效率和高精度的雕刻加工。

其既可以应用于金属模具等复杂零件的精密加工，也可以应用于其它非金属加工，如广告传媒、建筑装潢等众多领域，大大的促进了雕刻工业的发展。

【关键词】数控雕刻机;控制系统;研究探讨1.数控雕刻机数控雕刻机就是CNC技术和雕刻工艺相结合的产物。

作为一类特殊的数控机床，他通过数控系统执行相应的加工程序代码来控制雕刻机完成雕刻动作。

能方便快捷地在各种软性材料（有机玻璃、双色板、多层板、板材、亚可力、木材、橡胶等）和硬性材料（黄紫铜、铝、不锈钢、钦合金等）上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形、文字及三维立体浮雕。

实现了自动化、高效率和高精度的雕刻加工。

第一，自动化程度高。

整个雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的，无需人工操作。

第二，产品的尺寸精度高，一致性好。

雕刻过程是由计算机控制完成，以达到很高的精度，表面质量批量加工时，产品具有很好的一致性。

第三，拓展了雕刻领域。

通过执行各种相应的加工代码配合多种刀具，数控雕刻机即可完成浮雕、各种复杂曲面的雕刻加工，提高了雕刻效率。

2.数控雕刻机控制系统原理雕刻机的数控系统是一种轨迹控制系统。

从本质上讲，是以各运动轴的位移量为控制对象，使各运动轴协调运动的自动控制系统其基本过程为：首先通过雕刻软件将待加工的图形数字化，并生成加工路径信息，通过某种数据传输方式将加工路径信息传输给控制系统然后控制系统根据加工路径信息进行相应的运算及处理，生成控制命令并发送给各运动轴，使某、Y、Z三坐标轴、雕刻机主轴以及辅助动作协调运动，实现刀具与被加工工件的相对运动，自动完成加工。

由此即可雕刻出在雕刻软件中设计的平面、文字或立体图形，实现了自动化的雕刻加工3.数控雕刻机控制系统硬件设计硬件是系统运行的基础，是实现系统控制功能的必要载体，控制系统的优劣直接影响雕刻机的加工性能、工件的加工精度等诸多方面。

【参赛】DIY微型CNC（数控雕刻机）本帖最后由 1971sam 于 2011-12-20 09:18 编辑【参赛】DIY微型CNC，取名“得力微刻”，DIY爱好者的好帮手为更好说明过程，本帖有点长，同好者请耐心阅读，谢谢！我设计并山寨的全铝机身微型CNC：设计新颖、造型独特、做工精良，轻便灵活......相当得力！感谢同城坛友libingabc的指导、磁动力论坛以及大海作坊、模型论坛。

还有神奇的淘宝现将制作思路和过程全程分享给喜欢雕刻机的坛友。

欢迎拍砖。

其实我也不想自己捣鼓，全程相当费工。

可是看到的DIY和淘宝里卖的产品，均不能让人满意，许多论坛里的作品几乎是贴贴图片，并没有详细而系统的阐述，于是决心自己捣鼓......本人来自福建省漳州市，自2011年5月被雕刻机中毒以后，历时三月山寨了第一款雕刻机，用于学习精雕软件JDPaint5.20，效果还行。

有一天，同城电子烧友看到此机，大喜并大诉PCB板制作苦衷，于是商量一下，重新设计一款行程适合、轻便灵活的迷你雕刻机，主要用途为PCB及刻字、面板等比较初级的配件。

恰好大海作坊介绍有一款日鬼的迷你雕刻机，十分精致，就以这款为山寨蓝本，结合自己第一台机的缺点加以改进。

经过一个多月的设计模拟，最终定案。

因此我才有“设计提升山寨”的提倡。

当然，这也只是我山寨的第二台雕刻机，并不见得很完善，在此希望高人们提供宝贵经验，使之日趋简约、实用。

一：该机特点：1：具有独特的机身一体化的手提把，完全体现轻松、灵活的微型桌面化设计理念2：取消步进电机垫块，直接固定于机身，有效防止扭力损失，强度好而且美观3：精确定位的行程设计，在机身不加大的前提下，充分提高有效工作行程4：三轴防撞设计，使用知名的欧姆龙点触行程开关,设置机械原点和软件限位，有效防止操作中不慎所致的意外破坏5：固定龙门、全封闭式移动台面，有效提高加工精度，并完全避免飞屑对丝杠、光轴的影响。

6: 外径45mm电位器旋钮直接做的微调，无需更改，只需将丝杠加工时车成Φ6mm即可，取材方便，旋转轻松。

数控雕刻机设计毕业论文一、引言数控雕刻机是一种运用数控技术进行雕刻加工的机器设备，具有高精度、高稳定性和高效率的特点。

随着社会的快速发展，数控雕刻机在装饰、艺术、制造等领域的应用越来越广泛。

本篇论文旨在设计一台功能全面，性能稳定的数控雕刻机，以满足不同工作需求。

二、设计目标1. 高精度：设计一台具有高精度的数控雕刻机，使其能够精确地加工复杂的雕刻工艺。

2. 高速度：通过优化设计和改进加工技术，提高数控雕刻机的加工速度，以提高工作效率。

3. 稳定性：设计一台稳定性好的数控雕刻机，使其在长时间运行过程中能够保持较好的加工稳定性，减少故障率。

4. 操作简便：在设计过程中，考虑操作人员的使用习惯，优化雕刻机的用户界面，使其操作更加简便，减少操作难度。

5. 安全性：采用各种安全措施和保护装置，确保数控雕刻机的操作过程中不会对操作人员造成伤害。

三、设计原理1. 结构设计：（1）选用坚固耐用的机床底座，以提高整机的稳定性和减少振动。

（2）采用高精度的导轨和滚珠丝杠传动系统，以提高数控雕刻机的定位精度和运动平滑度。

（3）设计合理的工作台面积和夹持装置，以适用于不同尺寸和形状的工件。

2. 运动系统设计：（1）选用高精度的步进电机和伺服电机，以实现数控雕刻机在不同几何形状下的精确定位和运动。

（2）使用编码器或光电开关监测运动状态，以实时反馈和调整运动参数，保证加工精度。

3. 控制系统设计：（1）采用PLC或CNC控制器来控制数控雕刻机的运动和加工过程。

（2）设计用户友好的人机界面，便于操作人员使用和操作。

（3）设计自动化的加工流程，通过预设程序实现自动加工和批量加工。

四、设计流程1. 确定数控雕刻机的工作要求和技术指标。

2. 根据设计目标和原理，确定数控雕刻机的结构和运动系统。

3. 设计数控雕刻机的控制系统和用户界面。

4. 进行零部件的选材和设计，并进行相关的计算和模拟分析。

5. 制造和组装数控雕刻机的各个部件。

6. 进行实际测试和调试，验证数控雕刻机的性能和可靠性。

小型数控立式铣床机械结构设计李武波(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640)摘　要:介绍了一种小型数控立式铣床的总体布局、主传动系统、主轴组件以及伺服进给系统等主要机械结构设计,并分析了机床的功能及其应用范围。

该机床能够满足于教学上使用,有利于提高学生对数控铣床的认识。

关键词:数控铣床;机械结构设计;进给系统中图分类号:T G659 文献标志码:BMechanical Structure Design of Sm all2sized CNC V ertical Milling MachineL I Wubo(College of Mechanical&Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510640,China) Abstract:This paper introduces the major mechanical structure design of a small2sized CNC vertical milling machine, such as the overall layout,main drive system,principal axis components and servo2feed system.And then the f unctions and applications of the machine were analyzed.The machine can meet the requirements in teaching application,and is helpf ul to improve the students’knowledge of CNC milling machine.K ey w ords:CNC machine tools,Mechanical structure design,Servo2feed system 数控机床作为一种高自动化、高柔性、高精度、高效率的机械加工设备,决定了它在现代制造业中占有越来越重要的作用。

自由度小型雕刻机设计与制作设计方案我们设采用雕刻方式：雕刻刀具只做高速旋转和Z轴方向进刀、退刀运动，而丫轴带动工作台带动工件作丫轴方向进给运动，而X轴带动Z轴作X轴方向进给运动，这两个方向的基本运动方式如下：由步进电机转动螺杆，带动刀具和工件的相对移动、从而实现X,Y,Z轴方向近给运动。

在X,Y,Z方向上导向件直线导轨，其导向活动围满足加工工件的要求。

3系统结构雕刻机有电气控制部分和机械结构部分三部分组成，电器结构部分主要有控制计算机，信号接口部分与驱动控制部分。

计算机主要负责图形设计，位移计算, 控制信号输出，在整个系统中起到大脑的作用。

信号接口部分负责将电脑传来的信号进行分配，将信号分配给各个驱动电路（包括变频器，可以控制主轴转速）C 还可以控制主轴状态，例如如果主轴上安装是激光切割器，就可以完成激光切割的控制。

同时又接受限位开关，对刀开关的信号，把信号反馈给电脑。

在整个系统中相当于神经的作用。

驱动电路将信号放大，结合驱动芯片将位移信号输出给步进电机。

起执行器的作用。

机械部分主要有龙门架，工作台，丝杆，联轴器，导轨等部分组成。

4步进电机选用4.1步进电机特点及驱动方法位移驱动电机选用步进电机，考虑到系统为开环控制，选用57型步进电机，扭矩较大，在此负荷状态下一般不会造成失步。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

1绪论1.1课题的背景及目的什么是数控机床？在介绍数控机床之前我们先了解一下普通机床。

车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法，所谓机械加工，就是把毛坯零件加工成所需要的形状，它包含尺寸精度和几何精度两个方面，能完成以上功能的设备都称为普通机床。

所谓数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数字控制，它是一种装有计算机数字控制系统的机床，数控系统能够处理加工程序，控制机床自动完成各种加工运动和辅助运动[1]。

随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日益提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。

因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化要求。

由于数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果，具有高柔性、高精度与高度自动化的特点，因此采用数控加工手段，解决了机械制造业中常规技术难以解决，甚至无法解决的单件、小批量，特别是复杂造型面零件的加工。

应用数控加工技术是机械制造业的一次技术革命，特别是数控特种加工的发展，使机械制造业的发展进入了一个新的阶段，提高了机械制造业的制造水平，为社会提供了高质量、多品种及高可靠性的机械产品。

同时它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动。

人类文明的发展、科技的进步已和数控机床的研究、应用产生了密不可分的关系。

由于社会的需求，造就了一批从事设计、开发和使用数控加工机床的高级人才。

经过50多年的发展，现代数控技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、交通运输、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等众多领域获得了越来越普遍的应用，并已取得了巨大的经济利益。

数控技术，尤其是数控特种加工技术的不断进步与创新，使整个制造业乃至整个社会都发生了和正在发生着翻天覆地的变化。

数控技术可以从某个角度折射出一个国家的科学水平和综合国力[1][2]。