五軸雕刻機機電結構設計【含CAD圖紙+三維建模+文檔】

五軸雕刻機機電結構設計【含CAD圖紙+三維建模+文檔】,含CAD圖紙+三維建模+文檔,雕刻,機電,電機,結構設計,cad,圖紙,三維,建模,文檔 淮 陰 工 學 院畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯 學 院：機械工程學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化姓 名：趙俊學 號：1081101738外文出處：IEEE(用外文寫)Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation August 9 - 12, Changchun, China附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。指導教師評語：年月日簽名： 注：請將該封面與附件裝訂成冊。附件1：外文資料翻譯譯文基于嵌入式 Linux 的數(shù)控雕刻機的軟件架構設計 趙軍奇 李輝和龍飛鵬 航天和航空研究所 航天和航空研究所中國電子科技大學 中國電子科技大學610054，中國四川省成都市 610054，中國四川省成都市 zhaojunqiqq.com kelly.li 126.com 摘要 - 嵌入式系統(tǒng)已經被廣泛應用在工業(yè)控制等諸多領域。隨著嵌入式應用系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性不斷提高，嵌入式軟件系統(tǒng)正變得越來越復雜。對與一個特殊的控制對象來說，設計合適的嵌入式軟件架構是尤其重要的。同時，NC（數(shù)控）雕刻機的各種功能和非功能需求的不斷提高。目前，大多數(shù)的軟件架構的數(shù)控雕刻機即沒有操作系統(tǒng)的支持，也無法滿足這些要求。雖然一些有商業(yè)操作系統(tǒng)的支持的雕刻控制系統(tǒng)，但是它是昂貴的，而且也不利于企業(yè)發(fā)展具有自主知識產權的軟件。為了解決上述問題，文件中基于嵌入式Linux和DARTS方法的新軟件架構數(shù)控雕刻機被設計出來。首先是數(shù)據(jù)流圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分析，然后系統(tǒng)根據(jù)H Gamma原理被劃分成不同的任務。此外，軟件架構被提出，還分析了任務間的同步和通信性。最后，進行了實時分析。使用這種軟件架構，軟件系統(tǒng)變得簡單明了，不同的控制元件，根據(jù)不同的時間粒度可以無縫集成。通過實際應用，它被證明可以實現(xiàn)低成本的數(shù)控雕刻系統(tǒng)的各種要求。也大大提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。索引術語-ARM 嵌入式 Linux 雕刻 FPGA軟件架構一、簡介隨著規(guī)模和復雜性的嵌入式的軟件系統(tǒng)增加，軟件架構的重要性已經超越算法和數(shù)據(jù)結構的計算。設計并指定系統(tǒng)總體結構出現(xiàn)了一種新的問題 1。好的體系結構可以幫助確保系統(tǒng)滿足關鍵性能的要求同時，也能滿足可靠性、可移植性、可擴展性、領域和互操作性。壞的體系結構可以是災難性的。架構設計是從系統(tǒng)點視圖到整體系統(tǒng)的高層次設計。不同專家對軟件體系結構有他們自己的定義。畢竟，在不同的領域和環(huán)境中它是一個解決實際問題的工具，因此各類建筑模型或定義已發(fā)布。雖然不同的定義有所不同，我們可以看到系統(tǒng)的體系結構描述其總的結構的概念的核心之處有很大程度的通用性。這種結構通過了最高水平設計決策，包括諸如系統(tǒng)是由如何相互作用，相互作用的主要途徑在那里，什么是關鍵性能的部件。關鍵的一步，建筑設計是分到一些管理子系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間的接口設計。軟件架構設計不僅應考慮如何滿足系統(tǒng)的功能和性能要求，而且也要滿足無功能方面的需求，如可靠性，可擴展性，可移植性和可用性。也有不統(tǒng)一方法的軟件架構，尤其是在嵌入式系統(tǒng)中。被稱為嵌入式Linux標準Linux裁縫通過小型化處理，并可以存儲在非易失性存儲器或微控制器的容量只有幾百KB或者幾MB。它是一個特殊的Linux操作系統(tǒng)，適用于特定的嵌入式系統(tǒng)2。Linux已經成為一個成熟的，高性能，穩(wěn)定可靠，可替代傳統(tǒng)的專有嵌入式操作系統(tǒng)3 。Linux不僅擁有適應性，靈活性和穩(wěn)定性，而且還具有強網絡功能。此外，Linux是一種免費軟件開放源碼4 。目前，大多數(shù)的數(shù)控軟件架構雕刻機是沒有操作系統(tǒng)的支持和不能以滿足不同的需求。這些架構具有結構簡單，但軟件開發(fā)周期長，開發(fā)成本是昂貴的，軟件的質量不能保證以及可移植性和可擴展較差。雖然一些與商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)如Windows CE的數(shù)控雕刻系統(tǒng)，系統(tǒng)生產成本高，還有昂貴的專利費。因此，它不是良好的企業(yè)發(fā)展與獨立軟件知識產權。但是如果一個嵌入式Linux使用開源操作系統(tǒng)，生產成本可以減少因為沒有許可費是必要的，交叉開發(fā)工具鏈，也是免費的。此外，有等諸多優(yōu)點，如縮短開發(fā)時間又因為開源設備驅動程序和可重復使用應用程序，方便的開發(fā)環(huán)境配置模塊的功能，文件系統(tǒng)管理和容易解決的問題，從開源社區(qū)等5。在以上的基礎上，企業(yè)可以開發(fā)具有自主知識產權的數(shù)控軟件財產權利和其他各項要求，也可以是滿意。嵌入式Linux已成為當前在嵌入式系統(tǒng)的研究重點。二、硬件模型模型是對現(xiàn)實的抽象，它可以明確對現(xiàn)實的描述。為了獲得雕刻控制系統(tǒng)模型，系統(tǒng)的主要硬件部分抽象為圖1數(shù)控雕刻控制器的硬件與建筑的ARM和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）。控制器的主控芯片采用32位RISC（精簡指令集計算機）ARM三星公司的微處理器芯片S3C2440的基于ARM920T的結構。 它具有很高的工作效率400MHz和多種通用接口，如綜合，集成USB，UART串口CEMERA，液晶，VGA和以太網控制器等。此外，提供片上存儲器管理單元（MMU），這是用來實現(xiàn)虛擬內存管理，使Linux可以很容易地移植到ARM 。Alter 公司旋風 FPGA EPlC6 通過作為減輕負擔的主控芯片的奴隸芯片。NAND Flash 內存用于非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲。主存儲器是同步動態(tài)隨機存取存儲器 (SDRAM) 和可能包含任意位置從幾Mb到數(shù)百兆字節(jié)取決于應用程序。主要處理流系統(tǒng)的說明如下： 鍵控控制面板信息通過串行端口發(fā)送到手臂。臂然后過程和相應的控制數(shù)據(jù)發(fā)送到 FPGA 或顯示面板。FPGA 主要做前端處理工作的傳感器和控制信息 6。發(fā)送的 FPGA 的信號都是轉換，并且由適配器孤立面板，然后發(fā)送到的驅動程序，將會推動的步進電機的雕刻機，以控制切削刀具路徑。若要實現(xiàn)歸巢的雕刻和工具更改的功能，將通過適配器泛 FPGA 回飼料的雕刻機傳感器信號總之，建立在嵌入式技術上的控制器可以減少系統(tǒng)硬件規(guī)模、 促進應用程序開發(fā)、 減低成本和提高系統(tǒng)的可靠性和實時性能。三、任務劃分數(shù)據(jù)流圖（DFD）是一個重要的輔助設計工具在系統(tǒng)的開發(fā)，它允許開發(fā)人員系統(tǒng)以圖形顯示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流。DFD的描述和分析系統(tǒng)比任何更精確其他神器，特別是嵌入式實時建模7。最終的數(shù)據(jù)流圖的雕刻機系統(tǒng)（如圖所示2）任務表示順序程序執(zhí)行或在并發(fā)程序的順序部分。每個任務一個順序執(zhí)行的線程處理，因此沒有并發(fā)允許范圍內的任務。然而，整個系統(tǒng)并發(fā)是獲得有多個任務的執(zhí)行并行。已經DFD的系統(tǒng)分解初步分析。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流顯然是透露，因此，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)流之間的功能他們可以能夠識別方便。下一步是如何識別應用系統(tǒng)中的并發(fā)任務任務結構標準的DFD。在這里，飛鏢（實時系統(tǒng)設計方法）方法被用來分解成更小，更易于管理的系統(tǒng)單位與它們之間定義良好的接口。其核心主題是解決構建系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)到并發(fā)任務，并定義它們之間的接口。飛鏢采用了一套任務結構標準，這被稱為H Gomma原則確定并發(fā)任務系統(tǒng)，以及一組確定的指導方針通信和同步接口之間各項任務。任務結構標準，是一套啟發(fā)式，并發(fā)系統(tǒng)的設計中得到的經驗所得。在確定的任務主要考慮的是系統(tǒng)內的功能的異步性質。在H Gomma原則分為三個單獨的基于他們協(xié)助在任務中的使用方式的類別構建活動。首先是事件的依賴標準。事件依賴關系準則處理任務時被激活，包括設備的I/O依賴形成的Y，定期事件，控制功能和用戶界面的依賴等。第二是任務凝聚力錫安標準。該的凝聚力錫安標準提供的評估函數(shù)的異步性質的手段，從而為確定是否和/或如何的職能應到并發(fā)任務，其中包括連續(xù)的凝聚力，時空的凝聚力和功能的凝聚力相結合的基礎上。第三是任務的優(yōu)先級標準，包括時間關鍵和計算密集型8。要實現(xiàn)這個目標的系統(tǒng)構建到并發(fā)任務中，構建 H Gamma原則弧數(shù)據(jù)流圖中所示的函數(shù)的應用標準的任務?；谶@些條件，雕刻軟件系統(tǒng)可分為七個部分的弧，如下所示 （即在圖 2 中的虛線幀）。（a) 用戶界面任務： 要顯示與坐標如用戶交互信息，零件原點和過程進展以及其他狀態(tài)信息等。(b) 鍵盤處理任務： 要從控制面板，如選擇文件、 系統(tǒng)設置或參數(shù)設置、 手動移動等接收控制命令，然后進行相應的處理。(c) 文件處理任務： 從 U 盤中讀取文件，然后解釋的 G 代碼或 HPGL 代碼處理文件。結果將存儲在緩沖區(qū)中。(d) 數(shù)據(jù)處理任務： 從緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)并處理它通過控制廠內 thm，如治療小行塊 (法官大 S) 的加速和減速控制，插值處理。(e) 中斷服務任務： 時手臂從 FPGA 收到中斷信號發(fā)送 FPGA 的步進電機控制脈沖。(f) 擴展總結離子任務： 實現(xiàn)一些擴展功能。這些功能包括更新程序控制、 遙控電子控制、網絡管理和工具等，運動的模擬。（g）FPGA 處理任務： 實施實時功能，例如，將控制脈沖發(fā)送到的步進電機進行識別，接收和處理傳感器信號等。任務 (a)-(f) 在因為ARM中實現(xiàn)其強大的計算能力。(G) 的任務實現(xiàn)的FPGA 由于其實時處理的能力。四、結構設計A.軟件體系結構軟件架構通常起著關鍵作用，要求和實施之間的橋梁?；谇度胧絃inux的數(shù)控雕刻機控制器的軟件結構如圖3，每個架構的一部分，也被描述如下。BSP （板級支持包）是一個軟件開發(fā)包之間的硬件層和軟件層。它用于彌補硬件的差異，引導操作系統(tǒng)，并提供設備驅動程序。這是一個關鍵內含的編輯操作系統(tǒng)和硬件之間的接口。嵌入式Linux內核的版本是2.6，許多新的功能已被添加到支持寬嵌入式系統(tǒng)的申請表格離子。它可以定制和移植基于ARM，以滿足我們的特殊要求數(shù)控雕刻系統(tǒng)。同時，使用嵌入式Linux可以簡化系統(tǒng)設計。復雜申請一些簡單的任務，這是程序可分為嵌入式Linux管理?；谇度胧絃inux內核，根文件系統(tǒng)與選定嵌入式圖形用戶界面(GUI)該系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)管理接口也由嵌入式 Linux 支持。YAFFS的（另一個閃存文件系統(tǒng)）是采用根文件系統(tǒng)，這也是一種日志結構文件系統(tǒng)像JFFS/JFFS2。它是專為NAND Flash和適合大容量存儲設備。YAFFS的，因此設計不僅要適應NAND快閃記憶體的功能，但也是為了更好地使用NAND快閃記憶體的優(yōu)勢，以達到最佳性能。它使用的日志結構，錯誤查修正和技術，以提高NAND閃存的健壯性。YAFFS的來臨，使得低成本的NAND閃存芯片的影響伊夫和魯棒性。YAFFS的是高度可移植，可在Linux上運行。Qt/Embedded是著名的商業(yè)嵌入式GUI工具，具有巨大的跨平臺能力，可以很方便在目前流行的操作系統(tǒng)，如嵌入式Linux的應用。闕可以直接與I/O設備進行通信。此外，其面向對象的系統(tǒng)架構，使得其代碼結構化，重用和運行快。闕支持相框緩沖驅動器，可以直接寫入幀緩沖不X-服務器或支持的X庫。以這種方式，這樣可以節(jié)省內存成本和提高應用程序的運行效率9?？紤]優(yōu)點上面提一下，本文采用它作為嵌入式輕量級的GUI組件庫的基本構造工具面向工業(yè)監(jiān)控。提到的部分所提供的服務的基礎上上面的數(shù)控雕刻（除了在應用程序任務FPGA 處理任務）的胳膊上的開發(fā)。在 FPGA處理任務將由 FPGA 單獨開發(fā)開發(fā)工具。軟件系統(tǒng)是簡單而明確的分層體系結構設計，避免整體系統(tǒng)的太大、太復雜。此外的優(yōu)勢分層體系結構：不同控制組件基于不同時間可以集成粒度無縫地，同時它可以輕松同步低級別的連續(xù)動態(tài)之間的協(xié)調系統(tǒng)和高水平的離散事件系統(tǒng) 10。B.任務界面FIFO緩沖區(qū)或共享的內存可以用來任務之間進行通信。通過訪問的內存多個任務，訪問程序都必須與其他同步數(shù)據(jù)的訪問。這種紙使用文件處理任務之間進行通信的共享的內存和達達處理的任務，并通過生產者-消費者問題解決同步問題的算法。文件表示為生產者，而數(shù)據(jù)處理任務處理任務被表示為消費者。生產商過程產生數(shù)據(jù)所使用的消費者過程。允許生產者和消費者的進程運行同時，我們必須有一個可用的有界的緩沖區(qū)的可以填充由生產者并清空的項目，消費者。此緩沖區(qū)將駐留在內存中的一個區(qū)域，由生產國和消費進程共享。生產商可以生成一個項目時，消費者會消耗另一個項目。可能會導致對共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問數(shù)據(jù)不一致。生產者和消費者必須同步，因此，消費者不會嘗試使用項目，但尚未產生。為了解決同步過程中，將使用信號量。對于本項目，統(tǒng)計信號量的標準將用于空和完整，而不是二進制的信號量，將使用互斥鎖代表互斥體。生產者和消費者的身份運行單獨的線程-將移動項目，并從該緩沖區(qū)的與這些空，同步全額、 和互斥體結構.允許生產者和消費者的進程運行同時，我們必須有一個可用的有界的緩沖區(qū)的可以填充由生產者并清空的項目，消費者。此緩沖區(qū)將駐留在內存中的一個區(qū)域，由生產國和消費進程共享。生產商可以生成一個項目時，消費者會消耗另一個項目?？赡軙е聦蚕頂?shù)據(jù)的并發(fā)訪問數(shù)據(jù)不一致。生產者和消費者必須同步，因此，消費者不會嘗試使用項目，但尚未產生11。為了解決同步過程中，將使用信號量。對于本項目，統(tǒng)計信號量的標準將用于空和完整，而不是二進制的信號量，將使用互斥鎖代表互斥體。生產者和消費者的身份運行單獨的線程-將移動項目，并從該緩沖區(qū)的與這些空，同步全額、 和互斥體結構。FIFO，使得模塊內的設計解耦。FIFO界面很簡單，減少設計時間。FIFO 很少是瓶頸，以來的寬度和深度可以調整和非常適合連接自定義直接向嵌入式處理器，硬件和簡單一個短的設計周期和小代碼的大小與實施12。 乒乓球操作中引入異步 FIFO 的設計，以使 FPGA 和手臂實現(xiàn)無縫的緩沖和高速數(shù)據(jù)處理流，以確保 FPGA 的流水處理。顯示了典型的乒乓球操作方法如圖 5 13。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊1數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊2輸入的數(shù)據(jù)選擇器單元2MUX1輸出的數(shù)據(jù)選擇器單元2MUX1數(shù)據(jù)處理模塊作為后面的 FPGA乒乓球操作的處理流程是： 從ARM的輸入的數(shù)據(jù)首先分配給數(shù)據(jù)緩沖模塊我通過輸入數(shù)據(jù)選擇器單元，然后在下一次切換時，將緩沖輸入的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)緩沖模塊 2。同時，數(shù)據(jù)緩沖在數(shù)據(jù)緩沖模塊我最后一次被發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊處理通過輸出數(shù)據(jù)單位。在第三個時，輸入和輸出數(shù)據(jù)交換了又兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊。提到的步驟以上將反復和重復。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊在我們的系統(tǒng)是先進先出。數(shù)據(jù)選擇器的的開關信號單位是由 FPGA的發(fā)送中斷信號，當需要在數(shù)據(jù)。這意味著當數(shù)據(jù)緩沖中的兩個之一已處理的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的模塊，然后將發(fā)送 FPGA ARM 的外部中斷信號。因此，手臂將發(fā)送數(shù)據(jù)以 FPGA 的中斷服務程序。FPGA將緩沖區(qū)在此數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊，接收的數(shù)據(jù)。與此同時，數(shù)據(jù)處理模塊仍可處理其他數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊中的數(shù)據(jù)。乒乓球操作促進系統(tǒng)的并發(fā)性。用來達到相同的效果，對于其他任務的另一種方式是通過消息隊列，這是為操作系統(tǒng)提供協(xié)作進程手段，彼此溝通，如圖 6 中所示。消息消息發(fā)送消息接收消息消息隊列消息隊列提供了一種機制，允許進程溝通和同步他們的行動，而不共享相同的地址空間和中尤其有用分布式的環(huán)境中，溝通流程可能駐留在不同的計算機上。消息隊列設施提供至少兩個操作，發(fā)送 （消息） 和接收 （消息）。在 Linux 系統(tǒng)中，函數(shù)用于創(chuàng)建消息隊列，功能用于發(fā)送使用消息隊列和 接收的消息） 函數(shù)從消息隊列中接收消息。當任務發(fā)送消息到消息隊列，它首先判斷這是否消息隊列是完全不是。如果隊列已滿，則任務會一直等待，直到其他任務得到了來自消息消息隊列。同樣地，當任務接收從消息消息隊列，它首先判斷是否該消息隊列為空。如果消息隊列為空，則該任務會一直等待，直到其他任務已發(fā)送消息消息隊列。消息隊列有五種工作模式，其中分別是一對一，一到多、 多對一，很多人為許多和充分的雙面打印。可以是不同的工作模式選擇了不同的通信要求基于之間的任務。五、實時分析任務可以是作為實時任務分類和非實時根據(jù)不同的實時請求的任務。雕刻機有三個耦合生成 XYZ 步進電機運動，每個電機已接收兩個控制其驅動程序發(fā)出信號，其中一個是脈沖和另一種是方向。它也有三限制傳感器，以確定軸的賽車終結點。FPGA 的實時任務，例如，這樣做主要負責的是前端處理工作的傳感器和控制信息。所以，我們的系統(tǒng)中的實時任務是 FPGA 加工(非常高速 vhdl 描述的任務，綜合的電路硬件描述語言）。FPGA 是直接連接到手臂內存總線。它們之間的通信通過閱讀來實施和書面運輸指令和數(shù)據(jù)的內存地址。系統(tǒng)為用戶使用 10 內存映射方法操作 FPGA 的空間。除了地址總線、 數(shù)據(jù)總線和控制信號線，也是一個外部中斷信號從 FPGA 相連的手臂。為了得到順利操作和效率，關鍵的問題在于是否 FPGA 可以不斷將控制信號發(fā)送到驅動程序。那就是，無論是否FPGA 是缺乏控制信號。如果在這一條件，步進電機將被阻止。要解決這個問題，乒乓球操作被通過 FPGA 來處理數(shù)據(jù)。所以，之后 FPGA 已經處理了其中一個問題被轉換為，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊，手臂 ISR 是否可以響應正被其它數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊期間中斷信號處理。條件進行分析可以 FPGA 等多久通過使用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的 Linux 中斷響應延遲在最壞的情況下的模塊。曾經的影響因素在我們的系統(tǒng)了。相關的參數(shù)顯示如下： 雕刻，這表示為 v 的速度單位是米/分鐘 ；FPGA 中的數(shù)據(jù)大小的緩沖區(qū)模塊表示為 n ；步進發(fā)送脈沖的頻率電機被表示為 f，哪一個單元是 Hz ；脈搏相當于表示為 （5 ； FPGA 可以在的時間至少等待中斷響應延遲表示為T，其單位是它們之間的關系顯示如下。v = f o (mm / s) = 0.06 f o(m / min) (I)脈沖當量 （在此雕刻機 5 是0.0025 毫米。 這樣我們能(3) 繪制表格如圖，如圖中所示，我們可以知道 FPGA 可以等待ARM 中斷響應延遲為 n 的增加較多的時間。當參數(shù) n 固定時時間 T 是迅速作為雕刻 v 增加的速度下降。雖然T 的時間被固定的為了提高雕刻速度，數(shù)據(jù)緩沖區(qū) n 的大小應較大。T 的時間，F(xiàn)PGA 至少可以等待 ARM 中斷響應延遲已確認時的最大的雕刻速度 v和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小 n 固定。比較時間 T 和武裝中斷響應延遲，我們可以判斷這是否設計能滿足實時的需求。瞄準問題提到前的示例實時分析作為波紋管。如果發(fā)送的脈沖頻率步進電機受到限制 100 Hz 40000Hz 之間。，是雕刻的速度是之間，限制0.0 l Sm/min-蒂姆/分鐘。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊的大小設置為500.然后 FPGA 發(fā)送一個中斷后武裝時信號它已經處理了一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊，會有12.5ms-5000ms （即 I2500s-5000000S) 的中斷通過使用 （3） 都得到的響應延遲。然而，在 Linux 中正常中斷響應上肢短潛伏期是在 600S 內14。 如你所知，這是完全滿意實時的要求。當然，保留時間為中斷延遲也可由數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小調整。在 FPGA 的模塊。顯然，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小是有限的。如果將添加到嵌入式 Linux 實時核心大小不再滿足要求的提高雕刻速度。所以在這種情況下 RT-Linux 將會適用于因為其中斷響應延遲是僅在數(shù)萬內單位為微秒。這就是改善雙內核方法Linux 的實時性能。六、實際應用 在香港專業(yè)教育學院，這種軟件體系結構，它實際上用于雕刻機控制器。此控件的硬件平臺原型系統(tǒng)如圖 8所示。 雕刻示例所示右面，這是刻在上面所示的控制器。七、結論在本白皮書中，擬議的新的軟件體系結構基于數(shù)控雕刻機控制器嵌入Linux。它方便了應用軟件開發(fā)、削減降低開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期和增強了系統(tǒng)的可靠性和實時性能。靈活性和適應性也是系統(tǒng)的很大的改進。這種體系結構的有效已實際應用的確認。此外，其他類型雕刻機控制器，如激光雕刻，可以此外將建立很容易，只要相應的功能模塊被修改，以適應該雕刻的要求。此外可以添加相應的功能模塊到使其適用于不同類型的雕刻。各項要求如更新遠程控制方案，控制、 網絡管理與仿真下一步，將輕松滿意工具的運動。 淮 陰 工 學 院畢業(yè)設計(論文)開題報告學 生 姓 名：趙俊學 號：1081101738專 業(yè)：機械設計制造及其自動化設計(論文)題目：五軸雕刻機機電結構設計結構設計指 導 教 師:許軍 2012年2月28日 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告1結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述文 獻 綜 述一、五軸雕刻機的簡介隨著科學技術的快速發(fā)展, 普通的三軸雕刻機床已滿足不了人們對加工零件的更高要求。在20世紀60年代, 一些發(fā)達國家開始研制五軸數(shù)控機床。五軸雕刻機集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工于一體, 可高效、準確完成復雜曲面的加工, 特別是在曲軸等方面具有獨特的優(yōu)勢。由于五軸技術難度較大, 國際上通常把五軸聯(lián)動數(shù)控技術作為衡量一個國家生產設備自動化水平的重要標志。長期以來, 西方發(fā)達國家一直把五軸聯(lián)動作為重要的戰(zhàn)略物資控制出口, 發(fā)展中國家在研發(fā)和引進兩方面都碰到了很大的困難，為打破國外的技術封鎖, 需要我們自主創(chuàng)新 ! 二、工作原理五軸加工是指在一臺機床上至少有五個坐標軸，三個直線坐標和兩個旋轉坐標，而且可以在計算機數(shù)控系統(tǒng)的控制下同時協(xié)調運動進行加工。五軸聯(lián)動數(shù)控技術，是數(shù)控技術難度最大、適用范圍最廣的技術，其集計算機控制、高性能伺服驅動和精密技術于一體，主要應用于加工品質要求很高的自由曲面的高效、精密、自動加工，是目前解決葉輪、葉片、螺旋槳等復雜曲面加工的重要手段。這樣五軸聯(lián)動數(shù)控加工與一般的三軸聯(lián)動數(shù)控加工相比，主要有1)提高加工質量和效率，2)擴大工藝范圍，可以用于復雜曲面和斜空斜面的加工；同時，五軸加工也存在很多難點，需要在開發(fā)的過程中重點考慮的問題。三、機床設計1、五軸聯(lián)動現(xiàn)狀及其分析大多數(shù)高級的數(shù)控銑床的數(shù)控裝置都可控六根基本軸,即X, Y, Z三根運動軸和繞X, Y, Z 三根運動軸旋轉的A、B、C三根回轉軸。五軸聯(lián)動指的是在六根基本軸中, 機畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告床數(shù)控裝置能控制其中五根軸同時達到空間某一點, 通俗的講就是指其中五根軸能同時對某一點進行運動加工。根據(jù)機床實際情況, 五軸聯(lián)動通常是在X、Y、Z三根運動軸基礎上增加由A、B、C 三個回轉軸中任意兩個回轉軸所組合的運動, 2個回轉軸可以都配置在刀具切削頭部位( 通常稱擺動軸)或工件安裝部位(通常稱旋轉工作臺), 也可在這兩個部位上分別配置1個回轉軸。根據(jù)這些配置方式可以組合出的有效布局方案共有:雙旋轉工作臺的高速五軸機床, 它應用比較多的是銑鏜類機床。這種機床也有多個類型和品種, 較簡單的是在數(shù)控鏜銑床的工作臺上附加A /B軸轉臺, 配上相應的數(shù)控系統(tǒng), 實現(xiàn)X、Y、Z三個直線運動和A /B軸兩個旋轉運動并可聯(lián)動。這種配置由于接合層次多, 剛性差些, 因此有專門將A /B轉軸的支座與工作臺或床身做成一體的。由于受安裝工件的轉臺的尺寸和重量的制約, 這種機床僅適用于加工中小這種機床僅適用于加工中小型工件。在刀具切削頭部位和工件安裝部位, 都配置1個回轉軸。這種五軸聯(lián)動機床由于轉臺可以是A 軸、B 軸或C 軸,擺頭也是一樣, 可以分別是A軸、B軸或C 軸, 所以轉臺加上擺頭式結構的五軸聯(lián)動機床可以有各種不同的組合, 以適應不同的加工對象, 如加工汽輪發(fā)電機的葉片, 需要A 軸加上B軸, 其中A 軸需要用尾座頂尖配合頂住工件, 如果工件較長同時直徑又細, 則需要兩頭夾住并且拉伸工件來進行加工, 當然這里一個必要條件是兩個轉臺必須嚴格同步旋轉。這種型式配置的機床把旋轉軸分別放置于切削頭部位和工作臺安裝部位, 與使用雙旋轉工作臺的機床相比較, 優(yōu)點是剛性高, 工作臺的承載能力強。雙旋轉工作臺為一個串聯(lián)機構, 而且空間上受到限制, 無法設計得足夠健壯, 導致整體剛性不足, 若將旋轉軸分開在主軸頭和工作臺兩個部位,那么結構剛性的問題便得到很好的解決, 工作臺的工作臺面積與承載能力也遠大于傳統(tǒng)的雙旋轉工作臺。雙擺頭式結構的五軸聯(lián)動機床, 由于結構本身的原因: 擺頭中間一般有一個帶有松拉刀結構的電主軸, 所以雙擺頭自身的尺寸不容易做小, 一般在400 500 mm 左右, 加上雙擺頭活動范圍的需要, 所以雙擺頭結構的五軸聯(lián)動機床的加工范圍不宜太小, 而是越大越好, 一般為龍門式或動梁龍門式, 龍門的寬度在2000 3000 mm 以上為好。畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告2、機床的選擇常見五軸機床的形式有雙擺回轉臺、雙擺頭和轉臺加擺主軸共3 大類在保證整個系統(tǒng)機械剛性以及經濟性的前提下，本設計采用龍門式結構，運動方式采用龍門架移動、工作臺固定的運動方式。該布局，龍門及其上的X，Z 軸機構都要運動， 因此運動慣性較大， 要求Y 軸步進電機的功率要大， 但是工作臺穩(wěn)定，可以裝夾質量較大的金屬工件。如圖1 所示， 由主軸組件在龍門架上進行左右移動(X 向)， 實現(xiàn)雕刻寬度； 由龍門架與Y 軸滑塊固定，在工作臺上進行前后移動（Y 向），實現(xiàn)雕刻長度；由主軸組件在龍門架上進行上下移動（Z 向），實現(xiàn)雕刻深度。機床結構主要是XYZ 運動平臺+AC 旋轉平臺的組合。此結構下，五軸加工時由于A 及C旋轉加工平臺較小，不能進行較大行程的五軸加工，但A 及C旋轉加工平臺，可以很容易移開，即可進行較大行程的XYZ 三軸加工，這也是機床開發(fā)功能性及經濟性的一種表現(xiàn)。此時機床在設計上XY 方向會有較大行程。主軸部分采用直流電機鏈接鉆夾頭， 夾持刀具直接進行切削。在系統(tǒng)各個方向的傳動件上我們均采用滾珠絲杠配合圓柱導軌的方式，保證了系統(tǒng)的精度。3、控制系統(tǒng)設計數(shù)控機床由數(shù)控加工系統(tǒng)控制，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，英文名稱為（Numerical Control system），簡稱NCS，而目前控制方式，多是電腦進行控制，又簡稱CNC（ComputerNumerical Control）。其功能是根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令，來實現(xiàn)一臺或多臺機械設備動作控制，其所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和開關量。CNC 系統(tǒng)的核心是CNC 裝置。由于使用了計算機，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC 代替了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復雜的數(shù)控功能，使用、維護也方便，并具有與上位機連接及進行遠程通信的功能。四、綜述機床設計過程中, 軸的聯(lián)動設計是其核心的部分, 不僅對控制部分有較高的要求, 機畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告械部分也是非常重要的, 它不僅決定了其功能, 更決定了其精度和加工范圍。此論文對五軸聯(lián)動機械部分進行了詳細的比較與設計, 既符合經濟效益也同時滿足精度要求, 是一種比較適合于我國現(xiàn)階段數(shù)控機床發(fā)展的水平的設計思路。為數(shù)控機床軸的設計提供有普遍意義的設計方案, 為同樣進行五軸聯(lián)動設計的同行提供參考。隨著械加工技術的不斷推進, 以這種機械傳動鏈結構的五軸聯(lián)動銑頭會逐漸被以“ 零傳動”方面的五軸聯(lián)動銑頭取代, 但個人相信, 在今后幾十年中, 機械傳動鏈結構的五軸聯(lián)動數(shù)控機床, 在數(shù)控加工領域仍扮演著重要的角色, 推動我國制造加工業(yè)的發(fā)展。畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告參考文獻： 1范宏才, 盛伯浩. 多軸聯(lián)動機床A /C轉軸鏜銑頭結構 J.制造技術與機床, 2007, ( 2): 100- 103. 2杜玉湘. 五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結構和應用 J. 機械制造與研究, 2008, ( 6). 3黃炳譽, 王成勇, 秦哲. 模具高速五軸加工機床的結構特點及關鍵技術 J. 機械工程師2008, ( 5) . 4張惠敏,五軸聯(lián)動數(shù)控機床的設計(青島科技大學機電工程學院, 山東青島266061) 5 何曉東. M asterCAM 設計與應用M . 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004. 6: 151- 169. 6 王衛(wèi)兵. M asterCAM 數(shù)控編程實用教程M . 北京: 清華大學出版社, 2000. 12: 49- 200. 7 廖衛(wèi)獻. 數(shù)控車床加工自動編程M . 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002. 6: 166- 168 8 李文星，郭貴中,經濟型五軸雕刻數(shù)控機床的設計與實現(xiàn)1009-01 34(2011)(下)-Ol 24-04 9徐志明，陳金城，馮正進Windows平臺上三軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機的開發(fā)J制造技術與機床,2002(4)10王青松，傅建中面向對象的計算機數(shù)控雕刻控制軟件 J機電一體化，2000(6)11李榮泳，陳勇志，孫振忠，基于Mach3 軟件的經濟型五軸雕刻機開發(fā)，1672- 545（2011）01- 0076- 02畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）一、解決的問題本課題從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，根據(jù)機電一體化產品設計的基本原理、關鍵技術和研制原則，應用相關技術進行有機的組織和綜合，制定了研制的五軸雕刻機的機械部分總體設計方案，著重詳細地分析了雕刻機系統(tǒng)的總體布局和結構方案、數(shù)控系統(tǒng)的運動方式，以及主運動和進給運動系統(tǒng)選擇等。研究內容包括機械系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，包括主運動和進給運動的設計計算；控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，包括硬件選用、軟件結構；以及插補算法的選擇、分析和實現(xiàn)過程，實現(xiàn)了該雕刻機系統(tǒng)的初步優(yōu)化。 該課題的目的在于提高獨立自主開發(fā)機電一體化產品的能力。二、研究手段（1）查閱有關五軸雕刻機的相應文獻，了解五軸雕刻機結構設計所具備的只是和相關資料；（2）結合有關資料和實驗室中已有設備進行相關參數(shù)的設計；（3）通過三維建模，測繪，進行結構設計，并校驗；（4）完成實物設計。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告指導教師意見：1對“文獻綜述”的評語：所查閱文獻與畢業(yè)論文選題一致；所閱讀的文獻數(shù)量（包括中外文文獻資料）符合要求；所作綜述思路基本清淅，結構合理，觀點明確；2對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測：畢業(yè)論文選題符合所學專業(yè)方向和專業(yè)要求；研究內容切合社會經濟發(fā)展實際；課題有一定的深度，需要該生認真研究，通過方案設計論證，建模仿真等環(huán)節(jié)，最終可以完成實物制作。年月日 指導教師： （手寫簽名）所在專業(yè)審查意見： 負責人： （手寫簽名）年月日 感謝您試用AnyBizSoft PDF to Word。試用版僅能轉換5頁文檔。要轉換全部文檔，免費獲取注冊碼請訪問http:/www.anypdftools.com/pdf-to-word-cn.html 淮陰工學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 38 頁 共 38 頁1 引言11 課題的提出和研究意義目前，制造業(yè)面臨市場的全球化和需求的多樣化，以及技術創(chuàng)新的加快，產品更新?lián)Q代快、周期短，生產多品種、中小批量的生產比重明顯增加。同時隨著航空業(yè)、汽車市場和輕工業(yè)的快速發(fā)展，復雜形狀的零件越來越多，精度要求也不斷增加。此外，激烈的市場競爭要求產品的周期零件的更高要求越來越短，多樣化、柔性化與復雜形狀零件的高效、高質量加工要求，使得傳統(tǒng)的加工設備和手段難以適應。五軸數(shù)控機床集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工于一體，可高效、準確完成復雜曲面的加工，特別是在加工葉輪、葉片、船用螺旋槳及大型柴油機曲軸等方面具有獨特的優(yōu)勢。五軸聯(lián)動數(shù)控技術，是數(shù)控技術難度最大 適用范圍最廣的技術，但高精度的機床配合高價出售，其不菲的價格也是大多加工企業(yè)難以承受，也讓推廣五軸加工技術受到一定程度的阻礙。本課題基于五軸加工原理，開發(fā)一種經濟、適應性強的五軸雕刻機，可應用于加工材質較軟 精度要求不高的零件，如木材 塑料及鋁合金等材質零件。能適應一些球類，曲線類的復雜零件加工，另外可以更換刀頭，在條件允許的情況下，可以完成鉆、銑、切割等。同時還可以通過軟件系統(tǒng)的控制和G代碼控制配合制作出一些實體零件等。12 五軸雕刻機的發(fā)展歷程可以追溯到遠古時期，母系氏族時期的半坡氏族文化的“人面網紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時期便發(fā)明了活字印刷，這里刻的字應屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術都可以堪稱一絕。傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術性要求很高的手工技藝， 雕刻品的質量完全取決于雕刻師的技藝水平， 所以生產的效率低、成本高， 制品的隨意性強、一致性差，嚴重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機的產生成為必然。上世紀90年代至今，機械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機、刻章機再到三維雕刻機，制作工藝也日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產品的標識銘牌，可謂雕刻的使用無處不在。1938年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950“嘉寶”生產出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后一些歐美國家也開始研制。20世紀90年代，隨著電子技術的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術和微型計算機技術帶動整個高技術群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D加工逐漸擴展到5D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。雕刻機主要有仿形雕刻機和計算機數(shù)控雕刻兩大類，以完成有互換性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。仿形雕刻的出現(xiàn)為雕刻的工業(yè)應用起到了巨大的推動作用，尤其是圖案和文字的雕刻加速了相關產業(yè)的發(fā)展，為雕刻在工業(yè)領域廣泛應用奠定了扎實的基礎。但是機械仿形雕刻仍是一種手動雕刻，它在加工效、加工能力、計算機接口等方面存在明顯的缺陷，阻礙了雕刻技術在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應用。隨著工業(yè)產品開發(fā)速度的加快，尤其是計算機輔助設計的廣泛應用，工業(yè)產品的形態(tài)更加豐富，變化更加迅速，對制造設備提出了新的要求。這就使以計算機輔助設計和制造（CAD/CAM）技術、技術及數(shù)控技術（CNC）為核心的數(shù)控雕刻技術成了雕刻加工發(fā)展的主流。如圖1-1為雕刻機的發(fā)展歷程。雕刻機手動雕刻機自動雕刻機復雜曲面?zhèn)鹘y(tǒng)工藝球類零件激光雕刻系統(tǒng)機械雕刻系統(tǒng)仿形雕刻系統(tǒng)數(shù)控雕刻系統(tǒng)圖1-1為雕刻機的發(fā)展歷程現(xiàn)在雕刻機以其低的價格和較高的生產加工效率，被廣泛運用在木工業(yè)、石材業(yè)、廣告業(yè)、飾品業(yè)、家具裝潢業(yè)等行業(yè)領域。我國近年來制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機產業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機遇，有效地促進了我國數(shù)控雕刻機的生產、推廣和應用。我國的數(shù)控雕刻機起步于經濟型數(shù)控機床，隨著數(shù)控技術的進步，經過十年的發(fā)展，已形成了多個國產牌的雕刻機，如上海洛克公司生產的“啄木鳥”數(shù)控雕刻機、北京精雕公司生產的“精雕”數(shù)控雕刻機和南京科能公司生產的“威克”數(shù)控雕刻機等。上述各類雕刻機的機床本體機構簡單，控制器大多借鑒國外新技術，采用基于高檔的微控制器或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分多以步進電機細分驅動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機的性價比不是太高，適用于精度不太高的普及應用場合。至于高精度的加工，目前國內進口的數(shù)控雕刻機以一些國際知名品牌為主，如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”都是此行也得佼佼者，但價格十分昂貴。這類數(shù)控雕刻機機床本體設計剛度好、精度高，采用伺服電機驅動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高，但價格昂貴，往往數(shù)倍于國產產品。因此這類產品主要運用于制造高精度模具等場合。13 雕刻機的發(fā)展趨勢隨著時代的快速發(fā)展，普通的三軸數(shù)控機床已滿足不了人們對加工在 20世紀60年代，一些發(fā)達國家開始研制五軸數(shù)控機床。五軸雕刻機相對三軸雕刻機有著一次裝夾可以完成全部或大部分加工任務的優(yōu)勢。由于能夠實現(xiàn)回轉運動軸與直線運動軸聯(lián)動，五軸雕刻機還可以在回轉體毛坯上進行雕刻加工，這是三軸雕刻機無法做到的。此外，五軸雕刻機還能夠提高空間自由曲面的加工精度、質量和效率。但是五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)、昂貴的硬件成本以及復雜的機床結構一直是困擾五軸雕刻機迅速發(fā)展的瓶頸。而數(shù)控系統(tǒng)的迅速發(fā)展，已經能滿足多軸聯(lián)動技術的要求，必將推動五軸雕刻機技術的迅速發(fā)展。未來五軸雕刻機方向概括如下：（1）高速高精度化：現(xiàn)在國內雕刻機大多數(shù)采用步進電機驅動的開環(huán)系統(tǒng)，位置控制和加工精度不高。今后，雕刻機硬件控制部分將向半閉環(huán)、全閉環(huán)方向發(fā)展，使用伺服電機進行驅動，通過檢測回饋信號對誤差進行補償，從而提高加工精度和加工速度。（2）人性化界面：隨著規(guī)?；a的需求，更加簡潔，人性化的操作界面將成為今后雕刻機的一個發(fā)展趨勢。企業(yè)能更好運用與實際生產中，使員工能一人控制多臺雕刻機成為可能，便于提高企業(yè)生產效率。（3）多軸聯(lián)動技術：目前雕刻機主要以三軸雕刻機為主，未來將以五軸雕刻機為代表多軸聯(lián)動的數(shù)控雕刻機也是一個主要發(fā)展方向。14 五軸雕刻機的原理和特點五軸雕刻機是采用步進電機作為驅動機，多數(shù)采用開環(huán)控制的簡易數(shù)控系統(tǒng)。它具有價格低廉、結構簡單、性價比高等特點。隨著計算機技術的快速發(fā)展，PC機的性能不斷提高，硬件配置更加靈活并且軟件資源的日益豐富，價格卻不斷下降。目前經濟型數(shù)控雕刻機的系統(tǒng)正逐漸過渡到以PC機為控制核心的發(fā)展方向。由于這種系統(tǒng)性價比高，因而被廣泛地應用于機床產品升級換代和普通機床的技術改造上?；咎攸c如下：相對于三軸雕刻機和手動雕刻機，五軸雕刻機的基本特點有以下幾點：適用性廣，功能實用、性價比高、操作簡單。（1）適用性廣：它能適應各種復雜加工，尤其是復雜曲面的加工，特別是在加工葉輪、葉片、船用螺旋槳及大型柴油機曲軸等。因此，它被廣泛運用在汽車工業(yè)、航天工業(yè)、制船業(yè)，此外還有浮雕、根雕、家具市場等。（2）功能實用：采用五軸聯(lián)動機床加工模具可以很快的完成模具加工，交貨快，更好的保證模具的加工質量，使模具加工變得更加容易，并且使模具修改變得容易。在傳統(tǒng)的模具加工中，一般用立式加工中心來完成工件的銑削加工。隨著模具制造技術的不斷發(fā)展，立式加工中心本身的一些弱點表現(xiàn)得越來越明顯?，F(xiàn)代模具加工普遍使用球頭銑刀來加工，球頭銑刀在模具加工中帶來好處非常明顯，但是如果用立式加工中心的話，其底面的線速度為零，這樣底面的光潔度就很差，但使用、五軸聯(lián)動機床加工技術加工模具，可以克服上述不足。（3）性價比高：由于是五軸聯(lián)動，讓工件的裝夾變得容易。加工時無需特殊夾具，降低了夾具的成本，避免了多次裝夾，提高模具加工精度。采用五軸技術加工模具可以減少夾具的使用數(shù)量。另外，由于五軸聯(lián)動機床可在加工中省去許多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五軸聯(lián)動機床在加工中能增加刀具的有效切削刃長度，減小切削力，提高刀具使用壽命，降低成本。（4）操作簡單：由于通過數(shù)控系統(tǒng)軟件進行控制驅動，使得它比手動或一般的機床生產簡單，在一些功能參數(shù)的設置上也變得簡單易用。通過培訓學習，能適合不同層次的用戶的實用，對它的推廣與運用提供了良好的平臺。15 本課題的研究內容本文針對五軸雕刻機的結構設計，主要從以下幾個方面的內容進行分析和研究：（1）分析五軸雕刻機的結構方案，對五軸進行結構分析，根據(jù)已有伺服電機進行實體建模，并選擇好材料。（2）對建模零件進行加工，準備裝配的零件，另外根據(jù)已有零件準備好連接件。（3）根據(jù)建模模型進行實體裝配，按一定順序組裝。（4）配合驅動進行調整和校正。（5）進行實例加工。16 本章小結本章是前言部分，主要描述了五軸雕刻機的發(fā)展歷史和未來的發(fā)展趨勢，同時介紹了五軸雕刻機的基本原理和特點，以及本次課題的研究內容。2 五軸雕刻機的實體建模本章主要對五軸雕刻機的結構進行實體建模，并且分析結構的合理性以及零件材料的選擇。21 五軸雕刻機基本運動原理五軸雕刻機加工中心大多是3 + 2的結構, 即 x, y, z三個直線運動軸加上分別圍繞 x, y, z軸旋轉的 a, b , c三個旋轉軸中的兩個旋轉軸組成。這樣,從大的方面分類, 就有x, y, z , a , b ; x, y, z , a , c ; x, y, z , b, c三種形式;由二個旋轉軸的組合形式來分,大體上有雙轉臺式、 轉臺加上擺頭式和雙擺頭式三種形式。這三種結構形式由于物理上的原因,分別決定了機床的規(guī)格大小和加工對象的范圍。其中,雙轉臺結構的五軸聯(lián)動機床由于在加工工件時工件需要在兩個旋轉方向運動,所以只適合加工小型零件,如小型整體渦輪、 葉輪、 小型精密模具等,由于結構最為簡單,所以相對價格較為低廉,就應用來講,這是數(shù)量最多的一類五軸數(shù)控機床。22 五軸雕刻機的工作原理 雕刻機一般由機架、工作臺、刀頭、運動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。雕刻作業(yè)時刀頭相對工作臺沿X、Y、Z 軸進給。五軸雕刻機的工作原理圖如圖2-1所示 PC機USB數(shù)據(jù)傳輸接口單片機X軸伺服電機Y軸伺服電機Z軸伺服電機A軸伺服電機B軸伺服電機X軸絲杠Y軸絲杠Z軸絲杠A軸電機B軸電機完成雕刻圖2-1為五軸雕刻機的工作原理圖 電腦通過并口，直接將步進電機的控制信號輸出給雕刻機控制器。即電腦通過軟件（如mach2)等，從并口分別送出以下的信號給雕刻機控制箱： X軸的步進脈沖（脈沖頻率越高，速度越快） X軸的方向信號（正向或反向）Y軸的步進脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）Y軸的方向信號（正向或反向）Z軸的步進脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）Z軸的方向信號（正向或反向）A軸的步進脈沖（脈沖頻率越高，旋轉速度越快）A軸的方向信號（正向或反向）B軸的步進脈沖（脈沖頻率越高，旋轉速度越快） B軸的方向信號（正向或反向） 進步電機的使能信號（電機是啟用，或是停用，如果是停用，電機會完全松下來不會鎖死。連接電腦工作時會啟用電機）?？刂葡鋵⑦@些信號處理后，輸出驅動信號直接給X，Y，Z ，A，B五只步進電機。23 五軸雕刻機的設計要求本次課題提出對五軸雕刻機的結構設計，即使五軸雕刻機實現(xiàn)五軸聯(lián)動，能又使得五軸雕刻機在驅動軟件的驅動條件下進行小型零件的加工，機械結構作為雕刻機的硬件部分，對雕刻機的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。因此需要滿足一下幾點：（1）五軸雕刻機能通過數(shù)控代碼，實現(xiàn)五軸聯(lián)動，確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運動。在經濟合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率；（2）機床具有一定的剛性、抗振性、熱變形及噪音水平，能夠滿足加工塑料、木料等零件的要求；（3）機床首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產率和經濟性等各種要求；（4）機床結構簡單經濟，便于觀察加工過程，能便于操作、調整、校正、維護和維修。24 五軸雕刻機的結構方案分析通過以上五軸雕刻機工作原理的分析，以及已給的設備，對五軸雕刻機進行的一下兩種方案，如下圖（圖2-2是傳統(tǒng)五軸雕刻機的結構方案，圖2-3是根據(jù)傳統(tǒng)方案設計的新的方案）圖2-2傳統(tǒng)五軸雕刻機結構方案圖2-3是新型五軸雕刻機方案兩種方案相比較來說，傳統(tǒng)方案對工作臺的要求較高，它的工作臺需要兼顧三種運動，這樣對加工零件的約束性不較大，因此通用性不太好，適用性不強，適合固定零件的生產。但它的結構簡單，穩(wěn)定性強。而新型方案中，對傳統(tǒng)方案的一種改進，它主要針對工作臺進行調整，使得工作臺兼顧兩種運動，將擺動運用到擺臂上，這樣能減小對加工零件的約束性，擴大了加工范圍，通用性更強，比較符合現(xiàn)代企業(yè)的生產需要，但這樣結構相對來說比較復雜，對擺臂的受力要求提高。本次課題中的五軸雕刻機運用新型結構，它的主要幾何結構由以下幾部分組：（1）底座部分作為雕刻機整機的基礎，承擔整個機體的重量，要求穩(wěn)定堅固，底座由底下的四只腳與地面接觸；（2）工作臺部分工作臺部分由工作臺、Y方向的絲杠和導軌以及支架組成。工作臺作為雕刻工作時承載雕刻物體的部件，表面有T型溝槽，由絲杠驅動，導軌導向，還可以旋轉；（3）橫梁部分橫梁由X方向的絲杠和導軌以及支架組成。橫梁承載機頭的重量，驅動機頭動，容易彎曲變形，在結構仿真和運動仿真中是重要的分析對象；（4）機頭部分機頭部分由主軸組件、Z方向的絲杠和導軌以及支架組成。絲杠驅動主軸組的上下運動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻機頭的高速旋轉運動；（5）擺臂部分擺臂部分由兩塊擺臂架組成。它與橫向運動的Y軸以及法蘭盤相連接，而法蘭盤和軸承配合與支架進行組合運動，同時法蘭盤與旋轉電機通過剛性聯(lián)軸器進行配合連接，從而使得旋轉電機可以控制擺臂部分。25 雕刻機的電路及電氣部分 雕刻機的電路及電氣部分有：（1）電源板：電源板的作用是提供功放和前級所需要的電源，一般要考慮電流是否足夠、電壓是否穩(wěn)定與對稱（一般大功率功放均用正負電對稱供電）、紋波（濾波電容的大?。?、反應速率（在大電容上并接高速率小電容）等因素；（2）電腦接口板：起鏈接器的作用，把機構和電路連起來；（3）鍵盤LED面板：當鍵盤板與電腦主機連接時，手控板會自動鎖死，按鍵不會有動作，此時鍵盤板上手控板使能燈自動熄滅。當其與電腦斷開連接時，手控板使能指示燈亮，表示手控板可以操作。 X，Y，Z 三軸可以同時動作。碰到6只限位開關中的任何一只，在鍵盤板上對應的限位開關指示燈點亮，手控板會鎖定，不允許繼續(xù)移動。鍵盤板上有詳細的指示LED，內容豐富，包括三軸的使能、方向、脈沖及六只限位開關的狀態(tài)LED顯示。（4）步進電機驅動板：步進電機驅動板是用來放大信號，驅動步進電機的；（5）LED照明燈盤板：主要用起照明的作用；（6）雕刻機內部接線板；（7）手動控制邏輯板。26 建模設計本次設計中主要運用了平面機構，機構是一個構建系統(tǒng)，為了傳遞運動和動力，機構中各構件之間應具有確定的相對運動。但任意拼湊的構件系統(tǒng)不一定能發(fā)生相對運動，即使能夠運動，也使能夠運動，也不一定具有確定的性對運動。討論機構滿足什么條件，構件間才具有確定的相對運動，對于分析現(xiàn)有機構或設計機構都是很重要的。機構是由許多構件組成的，機構中的每個構架都以一定的方式與另一些構件相連。這種連接不是固定連接，而是具有一定相對運動的連接。因此需要考慮選擇怎樣的機構進行機構設計。2.6.1 平面連桿機構平面連桿機構中構件的運動形式多種多樣，可以實現(xiàn)給定運動規(guī)律或運動軌跡；低副以圓柱面或平面相接觸，承載能力高，制造簡便，易于獲得較高的制造精度。因此，平面連桿機構在各種機械、儀器中獲得了廣泛應用。平面四桿機構可按照連桿是曲柄還是搖桿，將其分為三種基本形式：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和搖桿機構。還有就是含有移動副的四桿機構有曲柄滑塊機構、導桿機構和要快機構等。但是連桿機構不易精確實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律，而且設計較為復雜；當構件數(shù)和運動副較多的情況下，效率較低，因此我們不采用這種機構設計。2.6.2 凸輪機構凸輪機構是一種常用的機構，在自動化和半自動化機械中應用廣泛。凸輪機構主要是有凸輪、從動件和機架三個基本構件組成。根據(jù)凸輪和從動件的不同形狀和型式，凸輪機構可分為兩類。 一個是按凸輪形狀分為盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪。其中盤形凸輪是一個繞固定軸線運動并具有變化半徑的盤形零件。移動凸輪是當盤形凸輪的回轉中心趨于無窮遠時，凸輪相對機架做直線運動。圓柱凸輪是將移動凸輪卷成圓柱體。 按從動件型式可分為尖頂從動件、滾子從動件和平地從動件。其中尖頂能與復雜的凸輪輪廓保持接觸，因而能實現(xiàn)任意語氣的運動規(guī)律。但尖頂與凸輪是點接觸，磨損快，只宜用于受力不大的低速凸輪機構。而滾子從動件為了克服尖頂從動件的缺點，在從動件的尖頂安裝了一個滾子，從而達到耐磨損，可承受較大載荷的需求。平底從動件是從動件與凸輪輪廓表面接觸的端面為一平面，它不能與從動件的平底相垂直，傳動效率高，且接觸面間易形成油膜，利于潤滑，可用于高速凸輪機構。雖然凸輪機構可以通過設計凸輪輪廓，就可以是從動件達到所需的運動規(guī)律，但凸輪輪廓與從動件間為點接觸或線接觸，易磨損，因此我們也不采用這種機構設計。2.6.3 滾珠絲杠滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆轉性和高效率的特點。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。滾珠絲杠副是用世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。滾珠絲杠副可以加予，由于予壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性（滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強）。滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小，所以可以實現(xiàn)高速進給運動。因此，我們選用這種結構。2.6.4 設計步驟通過上述三種機構的對比，我們選用絲杠，平面機構中的轉動這種機構。建模步驟如下：（1） 根據(jù)旋轉電機設備的的要求，考慮到連接問題，我們選用聯(lián)軸器將法蘭盤與旋轉電機相連。（2） 根據(jù)旋轉電機的配合要求、實際市場的聯(lián)軸器型號以及軸承型號，將法蘭盤尺寸進行定位。如下圖2-4、2-5所示（圖2.4為法蘭盤CAD尺寸圖 、圖2-5為實體圖）。圖2-4 法拉盤CAD尺寸圖圖2-5 法蘭盤實體圖（3）根據(jù)旋轉電機中打孔的位置要求（如圖2-6），以及軸承、法蘭盤的設計要求，進行支架的建模設定（如圖2-7），這樣可以將旋轉電機與支架進行固定，對將設計的結構起到基礎定位作用和支撐作用。圖2-6 旋轉電機 圖2-7 支架CAD尺寸圖 支架實體圖（4）在根據(jù)法蘭盤，支架和旋轉電機的配合要求，以及支架的剛性要求，將支架的厚度進行確定。（5）在根據(jù)支架高度和法蘭盤尺寸要求，再考慮到橫向軸在實際中的加工，以及實際加工中的加工范圍，將擺臂進行設定。如圖2-8（a）、（b）所示。擺臂CAD尺寸圖（a）擺臂實體圖（b）圖2-8（6）然后根據(jù)橫向軸的距離，Y軸的距離，和實際加工的工作臺，再加上支架的厚度，進行底板的設定。如圖2-9所示（a）圖為底板的尺寸圖，（b）圖為底板的實體圖。 （a）底板CAD尺寸圖 （b） 底板實體圖圖2-9 底板（7）接著對底板的工作臺進行設定，根據(jù)底板的尺寸使用T形槽進行加工裝配，如圖2-10為T形槽圖（a）為T形槽尺寸圖，（b）為T形槽實體圖。 （a）T形CAD圖（長度及寬） （b）T形槽實體圖圖2-10 T形槽（8）已有的零件進行實際測繪，并一起繪制三維實體圖。如下圖2-11分別是：（a）旋轉電機，（b）橫向X軸，（c）縱向Z軸。 （a）旋轉電機實體圖 （b） 橫向X軸實體圖 （c）縱向Z軸實體圖圖2-11實體測繪實體圖（9）為了加強擺臂部分的穩(wěn)定性，在兩個擺臂部分使用了加強板，如圖2-12所示分別為（a）加強板的尺寸圖，（b）加強板的實體圖。 加強板的CAD尺寸圖 加強板實體圖 圖2-12 加強板（10）模零件進行裝配，如圖2-13。圖2-13 五軸雕刻機裝配實體圖27 本章小結本章主要是考慮五軸雕刻機的結構方案，通過分析五軸雕刻機的工作運行原理，比較平面機構的運動合理性，確定結構方案。然后根據(jù)所給的部分零件，進行零件尺寸分析，確定零件的尺寸，最后進行實建模，把每個部分的零件進行裝配，形成五軸雕刻機的實體圖，為接下來的工作打下基礎，并提供了一個良好工作平臺。3 加工各個零件以及通用件選擇本章主要是對第二章的建模零件進行加工，因此需要先選擇所需要加工零件的材料。同時還要考慮零件之間的連接方式，選擇怎樣的連接件。31 零件的材料分析工程結構或機械的各組成部分，如建筑物的梁和柱、機床的軸等，統(tǒng)稱為構件。當工程結構或機械工作是，構件將受到載荷的作用。在外力作用下，固體有抵抗破壞的能力，但這種能力優(yōu)勢有限度的。而且，在外力的作用下，固體的尺寸和形狀還將發(fā)生變化，成為變形。為保證工程結構或機械的正常工作，構件應有足夠的能力負擔起應當承受的載荷。因此，它應當滿足以下要求：（1）強度要求：在規(guī)定載荷作用下的構件當然不應破壞。例如：沖床曲軸不可折斷，儲氣罐不應爆炸。強度要求就是指構件應有足夠的抵抗破壞的能力。（2）剛度要求：在載荷作用下，構件即使有足夠的強度，但若變形過大，仍不能正常工作。例如：若齒輪軸變形過大，將造成齒輪和軸承的不均勻磨損，引起噪聲。機床主軸變形過大，將影響加工精度。剛度要求就是指構件應有足夠的抵抗變形的能力。（3）穩(wěn)定性要求：有些受壓力作用的細長桿，如千斤頂?shù)穆輻U，內燃機的挺桿，應始終維持原有的直線平衡形態(tài)，保證不被壓彎。穩(wěn)定性要求就是指構件應有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。若構件橫截面尺寸不足或形狀不合理，或材料選用不當，將不能滿足上述要求，從而不能保證工程結構或機械的安全工作。相反，也不該不恰當?shù)丶哟髾M截面尺寸或選用優(yōu)質材料，這雖然滿足了上述要求，卻多使用了材料和增加的成本，造成浪費。材料的分析可以在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設計既經濟又安全的構件，同時又減成本將提供理論基礎。32 材料的選擇在材料的選擇中，考慮到材料強度、剛度、穩(wěn)定性要求，同時又考慮到材料的難易加工程度，還有價格合適的情況下，本次加工選用PVC板材和45號鋼。在所加工的零件中，法蘭盤使用的是45號鋼，主要因為法蘭盤與旋轉電機是通過剛性聯(lián)軸器進行固定連接的，在強度和剛性滿足的條件下，比較合適。另外45號鋼也比較好加工。而其他支架、擺臂、墊塊，底板則選用了PCV板， PVC板是以PVC為原料制成的截面為蜂巢狀網眼結構的板材。是一種真空吸塑膜，用于各類面板的表層包裝，所以又被稱為裝飾膜、附膠膜，應用于建材、包裝、醫(yī)藥等諸多行業(yè)。其中建材行業(yè)占的比重最大，為60%，其次是包裝行業(yè)，還有其他若干小范圍應用的行業(yè)。按照軟硬程度可分為軟PVC和硬PVC。按制作工藝可分為PVC結皮發(fā)泡板和PVC自由發(fā)泡板。PVC透明板：該產品是引進國外先進技術，選用高級進口原輔材料所生產的一種高強度、高透明塑料板材。產品顏色有白色、寶石蘭、茶色、咖啡色等多個品種。該產品高強度、高透明、耐候性好、無毒、衛(wèi)生、物理性能優(yōu)于有機玻璃。廣泛用于設備護板、內飾、飲用水槽、液位顯示等。PVC軟板（卷材）：表面光澤，柔軟。有棕色、綠色、白色、灰色等多種顏色可供選擇，該產品用料上城，制作精細，應用廣泛。性能特點柔軟耐寒、耐磨、耐酸、堿、耐腐蝕、抗撕裂性優(yōu)良，具有優(yōu)良的可焊接性，物理性能優(yōu)于橡膠等其他卷材。應用于化工，電鍍，電解槽的襯里，絕緣墊層，火車、汽車內飾及輔助材料。硬度PVC板：產品質量一流，顏色一般為灰色和白色，也可根據(jù)客戶需要生產PVC彩色硬板，其色彩亮麗，美觀大方，該產品質量執(zhí)行GB/T4454-1996，具有良好的化學穩(wěn)定性，耐腐蝕性，硬度大，強度大，強度高，防紫外線（耐老化），耐火阻燃（具有自熄性），絕緣性能可靠，表面光潔平整，不吸水，不變形，易加工等特點。該產品是優(yōu)等的熱成型材料，能替代部分不銹鋼和其他耐腐蝕性合成材料，被廣泛用于化工、石油、電鍍、水凈化處理設備、環(huán)保設備、礦山、醫(yī)藥、電子、通訊及裝潢等行業(yè)。軟PVC一般用于地板、天花板以及皮革的表層，但由于軟PVC中含有柔軟劑，容易變脆,不易保存，所以其使用范圍受到了局限。硬PVC不含柔軟劑，柔韌性好，易成型，不易脆，無毒無污染，保存時間長，因此具有很大的 開發(fā)應用價值。 PVC發(fā)泡板具有防腐、防潮、防霉、不吸水、可鉆、可鋸、可刨、易于熱成型、熱彎曲加工等特性，因此廣泛應用于家具、櫥柜、浴柜、展覽架用板、箱體芯層、室內外裝飾、建材、化工等領域用板,廣告標示、印刷、絲印、噴繪、電腦刻字、電子儀表產品包裝等行業(yè)。PVC硬塑板具有優(yōu)良的耐腐蝕性、絕緣性，并有一定的機械強度；經二次加工后可制成硫酸（鹽酸）槽（桶箱）；醫(yī)藥用空針架，化程架；公共衛(wèi)生間水箱；加工產品的模板、裝飾板、排風管道、設備襯里等各種異型制品、容器。是化工、建材、裝飾及其他工業(yè)的理想選擇材料。 力學性能：PVC有較高的硬度和力學性能。并隨分子量的增大而提高，但隨溫度的升高而下降。硬質PVC的力學性能好，其彈性模量可達1500-3000MPa。而軟質的PVC的彈性1.5-15MPa。但斷裂伸長率高達200%-450%。PVC的摩擦性一般，靜摩擦因數(shù)為0.4-0.5，動摩擦因數(shù)為0.23。熱學性能：PVC的耐熱穩(wěn)定性十分差，140即開始分解，熔融溫度為160。PVC的線膨脹系數(shù)較小，具有難燃性，氧化指數(shù)高達45以上。 電學性能：PVC是一種電性能較好的聚合物，但由于本身的極性較大，電絕緣性不如PP和PE。 介電常數(shù)，介電損耗角正切值和體積電阻率較大，耐電暈性不好，一般適于中低壓和低頻絕緣材料。 環(huán)境性能：PVC可耐大多數(shù)無機酸、堿、鹽，多數(shù)有機溶劑。適合醫(yī)藥，化工防腐材料。這次選擇了硬質的PVC板，主要是因為易加工，想改造也比較容易，同時這種材料的質量比較輕，有利于減輕機床的整體重量，可以使整體結構的穩(wěn)定性更好。同時，在性能方面還具有表面硬度高抗刮傷性優(yōu)良；表面電阻值為10的610的8次方歐姆，具有優(yōu)秀的防靜電功能， 抗沖擊及耐化學溶劑性能突出；外觀靚麗，非常平整光滑；透光率達73%以上等特點。根據(jù)用擺臂以及機床的整體重量的載荷要求，軸承則選用了常用滾動軸承6000和6001，如下圖3-1所示圖3-1 軸承參數(shù)軸承代號基本尺寸/mm基本額定動載荷Cr/KN基本額定靜載荷Cor/KNdDB6000102684.581.986001122885.102.38工作臺則用T形槽，他的材料是鋁材板，主要考慮到T槽容易安裝，對物品的裝卸帶來方便。33 連接件的選擇根據(jù)零件的配合要求，選用的主要連接件有平頭螺栓，內六角螺栓，聯(lián)軸器等，如下圖3-2、3-3所示圖3-2 是所使用螺栓的基本情況螺栓種類尺寸型號數(shù)量用途平頭螺栓M3X153縱軸與平臺的連接內六角螺栓M5X308擺臂與橫軸之間的連接平頭螺栓M4X308支架與法蘭盤的連接平頭螺栓M6X304底板與支架的鏈接平頭螺栓M6X158縱軸平臺與刀頭部分的連接、加強板和擺臂連接平頭螺栓M4X154橫軸與縱軸的連接平頭螺栓M4X554旋轉電機與支架的部分的連接平頭螺栓M5X408鋁板材與底板之間的連接平頭螺栓M5X504底板、鋁板材與防震塊直接的連接圖3-3 聯(lián)軸器的基本情況類型尺寸要求用途剛性聯(lián)軸器D26L30 10*12旋轉電機與法蘭盤之間的固定34 本章小結本章主要講述怎樣選用材料，通過對材料的分析，怎樣選擇即滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求的基本要求下，又能更好的減少成本，同時又容易加工和重新改造。另外還介紹了一些標準件和通用件的選擇。4 五軸雕刻機的裝配本章主要任務是對上述的零件進行裝配，同時需求考慮在裝配過程中出現(xiàn)的問題，還需要考慮到整個機床結構的工作性能。41 裝配的概念裝配是按規(guī)定的技術要求，將零件或部件進行配合和聯(lián)系，使之成為半成品或成品的工藝過程。整機裝配是生產過程中的最后一個階段，它包括裝配、調整、檢驗和試驗等工作，且產品的最終質量由裝配保證。產品的質量是以產品的工作性能，使用效果和壽命等綜合指標來評定的。為保證產品的質量，對產品提出了若干項裝配要求，這些裝配要求應當在裝配過程中予以保證。所謂裝配精度，就是產品裝配后的實際幾何參數(shù)、工作性能等參數(shù)與理想幾何參數(shù)、工作性能等參數(shù)的符合程度，即主要指各個相關零件配合面之間的位置精度，包括配合面之間為間隙或過盈的相對位置，以及由于裝配中零件配合面形狀的改變而需計及的形狀精度和微觀幾何精度(如接觸面的大小和接觸點的分布)。42 裝配的基本工藝要求對裝配的總要求是牢固可靠，不損傷元器件，不損傷涂覆層，不破壞元器件的絕緣性能。安裝件的位置、方向正確。具體要求如下：（1）應保證實物與裝配圖一致。（2）提交裝配的所有材料和零、部件(包括外構件)均應符合現(xiàn)行標準和設計文件要求，經檢驗合格后方可安裝。（3）一般不允許對外購件進行補充加工(圖紙有規(guī)定時例外)。（4）裝配前應對機械零、部件進行清潔處理，消除附著的雜物，以防止先期磨損和造成額外偏差。（5）機械零、部件在裝配過程中不允許產生裂紋、凹陷、壓傷和可能影響設備性能的其它損傷。（6）相同的機械零、部件應具有互換性。必要時可按工藝文件的規(guī)定進行修配調整。（7）固定連接的零、部件不允許有間隙和松動?；顒舆B接的零、部件應能在正常間隙下，在規(guī)定方向靈活均勻地運動。（8） 必須仔細檢查裝配好的產品并保持清潔，否則使用時會造成機械和電氣故障。43 裝配的方法通常裝配工藝由零件裝入、以各種方式連接、各級部件裝配、總裝配等等一系列工序和操作組成。經加工合格的零件，必要時在投入裝配前需做好各種準備工作。在裝配過程中和裝配之后，要通過檢測和調整以保證零部件的尺寸、形狀和位置關系。為保證這一切在裝配過程中應分層次、分單元進行。另外，不但要有嚴格的工藝技術要求，還要有工藝順序要求。工藝的技術要求和裝配順序由裝配工藝過程卡提供。裝配的工藝配合法和工作組織形式是根據(jù)產品的結構、零件大小、制造精度、生產規(guī)模等因素來選擇的。工藝配合法與尺寸鏈的解算密切相關。選擇工藝配合法，需找出裝配的全部尺寸鏈，結合設計要求和制造的經濟性，經過合理的技術計算，把封閉環(huán)的公差值分配給各組成環(huán)，確定各環(huán)的公差和極限尺寸。裝配的最終精度，從有關尺寸鏈的解算而獲得。工藝配合法分為四種：（1）互換裝配法：是在裝配時各配合零件不經修理、選擇或調整即可達到裝配精度的方法。其實質就是用控制零件的加工誤差的方法來保證裝配精度。（2）選配法：選配法是將尺寸鏈中組成環(huán)的公差放大到經濟可行的程度，然后選擇合適的零件進行裝配，以保證規(guī)定的精度。它按形式不同可分為三類：直接選配法、分組選配法和復合選配法，如屏蔽罩等。（3）修配法：修配法是在裝配時，根據(jù)實際測量的結果，改變尺寸鏈中某預定的修配件(修配環(huán))的尺寸，使封閉環(huán)達到規(guī)定的裝配精度的方法。如波導管與法蘭盤、軸與軸承等的配合均采用此法。（4）調整法：調整法是將尺寸鏈中組成環(huán)在按經濟加工的加工精度確定公差時，選擇其中一個或幾個適當尺寸的調節(jié)件(調節(jié)環(huán))進行調整，來保證規(guī)定的裝配精度要求。這種調整件可起到補償裝配累積誤差的作用，故亦稱補償件。如偏心軸承套、軸承端蓋、鎖緊螺母等。44 裝配作業(yè)順序分析4.4.1 作業(yè)的程序分析為了有效地完成裝配，必須做到：（1）裝配結構及裝配要求將產品進行逐層分解，使產品逐層分解為能夠獨立進行裝配的構件，直到不能分解為止;（2）研究確定同一層各零部件的裝配順序;（3）研究確定各個單元內部各構件的裝配順序。4.4.2 裝配順序的工藝性原則（1）串聯(lián)尺寸鏈：以簡單、方便為原則安排裝配順序;（2）并聯(lián)尺寸鏈：先安裝精度高的尺寸鏈，精度相同時，先裝對多數(shù)尺寸鏈是公共的尺寸鏈組成環(huán)所在的那個尺寸鏈;（3）每個尺寸鏈裝配順序：應先從基本尺寸鏈開始，先公共、后一般，先下后上，先內后外，先難后易，先重后輕，先精后一般的原則。4.4.3 裝配順序的經濟性原則（1）裝配層次，先低層后高層進行裝配;（2）裝配層多的先裝;（3）裝配復雜、精度高、時間長的最先裝。4.4.4 裝配關系裝配關系按標準可分為螺紋連接、過盈連接、鍵連接等。(1)螺紋連接：在機械結構中廣泛采用螺紋連接。螺紋連接的質量除受加工精度的影響之外，還與裝配技術有很大的關系。如擰緊螺母的次序不對，施力不均勻，將使部件變形而降低了裝配精度。對于運動部件上的螺紋連接，若緊固力不足，會使連接件的壽命大大縮短，甚至造成事故。因此對于重要的螺紋連接，必須規(guī)定預緊力的大小，對于中小型螺栓常用定扭矩法(用定扭矩扳手)或扭角法控制預緊力。(2)過盈連接：如軸、孔的配合等。方法有：壓入法(軸向)、熱脹或冷縮法(徑向)。(3)其他連接：如鉚接、焊接、粘接等。鉚接方法有擴鉚、脹鉚、用專用鉚接工具鉚等。焊接、粘接等各有要求和具體操作方法。45 裝配過程根據(jù)上述的裝配工藝要求、裝配原則、裝配方法等，將所加工的零件和所提供的構件進行如下轉配。裝配前進行零件的清洗，獲得所需的清潔度；為達到工藝上的裝配精度要求，對有關零件進行刮削；某些部件(傳動部分)應按圖紙要求在裝配前進行必要的運轉試驗，試驗合格后，再投入裝配。裝配步驟如下：（1）考慮到裝配的先后安裝順序和安裝的難易程度，首先將法蘭盤與6001軸承進行裝配，首先將法蘭盤固定，然后進行裝配，得到裝配體【1】。裝配過程如圖4-1所示。 圖4-1 裝配體【1】（2）再將剛性聯(lián)軸器與裝配體【1】進行裝配，并將聯(lián)軸器進行鎖緊，使之與聯(lián)軸器進行固定，等到裝配體【2】，裝配過程如圖4-2所示。 圖4-2 裝配體【2】(3)為了便于安裝，將裝配體，先于螺栓相連接，為于擺臂連接打下基礎，形成裝配體【3】，裝配過程如圖4-3所示。 圖4-3 裝配體【3】（4）將旋轉電機、墊塊與支架進行裝配，首先將支架進行固定，再將與之相連，得到裝配體【4】，裝配過程如下如圖4-4所示。 圖4-4 裝配體【4】（5）將裝配體【3】與裝配體【4】進行裝配，先將裝配體【3】進行支撐固體，在進行裝配，得到裝配體【5】，裝配過程如圖4-5所示圖4-5 裝配體【5】（6）在進行橫軸與擺臂的裝配，通過連接件將之連接，考慮到要與橫軸的螺栓的一致性和美觀的效果，選用內六角螺栓，裝配得到【6】，裝配過程如圖4-6所示 圖4-6 裝配體【6】（7）將另一個法蘭盤與軸承6001進行裝配，得到裝配體，同裝配體【1】圖所示。（8）將第7步中的裝配體與螺栓，支架進行裝配，得到裝配體【7】，裝配過程如圖4-7所示。 圖4-7 裝配體【7】（9）因為裝配體的支架與比擺臂配合機床的擺動，因此為了減小阻力，增加穩(wěn)定性，將與第二個支架連接的法蘭盤的另一端加上軸承6000。裝配過程如圖4-8所示 圖4-8 裝配體【8】（10）先將兩個支架放在同一水平面上，為了方便安裝，選用側向平放，然后在將裝配體【5】、【6】、【8】進行順序裝配，得到裝配體【9】裝配過程如圖4-9所示 圖4-9 裝配體【9】（11）根據(jù)尺寸要求，安裝底板，將底板先打4個M6的螺紋孔，然后在支架上對應的位置打上同樣的孔，空的深度10mm左右。同時在側壁上也打上M6的螺紋孔，留著安放加強板。接著將裝配體【9】與加強板進行連接，得到裝配體【10】，整個裝配過程如圖4-10所示。 圖4-10 裝配體【10】（12）先將底板打M5的孔，安裝上T形槽的工作臺，得到的裝配體【11】如下圖4-11所示。圖4-11裝配體【11】（13）將底板裝配體【11】與裝配體【10】進行裝配得到最后的機床的裝配體【12】，然后將旋轉電機部分的聯(lián)軸器鎖緊，結束裝配。裝配的最終成果如圖4-12所示。圖4-12 五軸雕刻機的裝配實體【12】（14）最后加上底板上的移動副和轉動副，這樣整個裝配過程到這里結束，得到裝配實體圖，如圖4-13(a)為建模裝配圖，（b）為實際裝配圖。 圖4-13 （a） （b）縱觀整個裝配工藝過程，從熟悉產品的用途、性能、要求入手，到裝配系統(tǒng)圖的設計，然后根據(jù)裝配系統(tǒng)圖描述各裝配單元的組成和相互之間的關系，確定裝配方法、劃分裝配工序、規(guī)定工序計劃、設計工藝過程文件。整個過程不突出重點，而是從小處著手，消除積累誤差，這樣可以保證裝配精度，保證加工產品質量，突出整體裝配工藝技術的重點及其重要性。46 本次裝配的注意要點在本次裝配中應該要注意一下幾點： （1）要注意剛性聯(lián)軸器的鎖緊順序，先于法蘭盤進行鎖緊，裝配的最后一步再將剛性聯(lián)軸器的另一端與旋轉電機進行鎖緊。（2）在安裝軸承時，由于是過盈配合，注意不要直接敲擊軸承，應使用套筒固定軸承外圈后進行輕擊安裝。（3）在手鉆進行打孔時，應首先確定孔的位置，然后手動點鉆，最后在點鉆的位置進行打孔，注意手鉆的鉆頭位置要與打孔平面保持垂直。攻螺紋同樣也是需要螺紋刀頭與孔的平面垂直。（4）在加工法蘭盤時，注意要與軸承配合的部分的精度要求，在上軸承時要保持接觸部分光潔。（5）最后要注意裝配中位置固定，最好在水平度比較好的位置進行安裝，這樣可以提高精度，避免裝配中出現(xiàn)比較大誤差。47 本章小結本章主要是對所加工的零件進行裝配，通過連接件將各個部分的構件進行連接和安裝。先通過了解裝配的原理、裝配的方法和裝配的工藝要求，針對建模的圖形，進行裝配工藝分析，最終獲得裝配成果。5 調整和實際加工模擬本章主要是通過五軸雕刻機的機構的運動，對整體結構進行調整和分析，使整體運動更加協(xié)調和順暢。并對其中不合理的地方進行改進，讓整體結構更加合理和穩(wěn)定，從而提高加工的精度以及保證加工的質量。51 分析結構的合理性機械結構的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關系實現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構成，一個零件通常有多個表面，在這些表面中有的與其它零部件表面直接接觸，把這一部分表面稱為功能表面。在功能表面之間的聯(lián)結部分稱為聯(lián)接表面零件的功能表面是決定機械功能的重要因素，功能表面的設計是零部件結構設計的核心問題。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的幾何形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過對功能表面的變異設計，可以得到為實現(xiàn)同一技術功能的多種結構方案。在機器或機械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結構設計中除了研究零件本身的功能和其它特征外，還必須研究零件之間的相互關系。零件的相關分為直接相關和間接相關兩類。凡兩零件有直接裝配關系的，成為直接相關。沒有直接裝配關系的相關成為間接相關。間接相關又分為位置相關和運動相關兩類。位置相關是指兩零件在相互位置上有要求，如減速器中兩相鄰的傳動軸，其中心距必須保證一定的精度，兩軸線必須平行，多數(shù)零件都有兩個或更多的直接相關零件，故每個零件大都具有兩個或多個部位在結構上與其它零件有關。在進行結構設計時，兩零件直接相關部位必須同時考慮，以便合理地選擇材料的熱處理方式、形狀、尺寸、精度及表面質量等。同時還必須考慮滿足間接相關條件，如進行尺寸鏈和精度計算等。一般來說，若某零件直接相關零件愈多，其結構就愈復雜；零件的間接相關零件愈多，其精度要求愈高機械設計的最終結果是以一定的結構形式表現(xiàn)出來的，按所設計的結構進行加工、裝配，制造成最終的產品。所以，機械結構設計應滿足作為產品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工藝性、經濟性和外觀造型等方面的要求。此外，還應改善零件的受力，提高強度、剛度、精度和壽命。因此，機械結構設計是一項綜合性的技術工作。由于結構設計的錯誤或不合理，可能造成零部件不應有的失效，使機器達不到設計精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機械結構設計過程中應考慮如下的結構設計準則。52 一般結構設計中需要調整的部分（1） 結構設計的計算與改進：對承載零部件的結構進行載荷分析，必要時計算其承載強度、剛度、耐磨性等內容。并通過完善結構使結構更加合理地承受載荷、提高承載能力及工作精度。同時考慮零部件裝拆、材料、加工工藝的要求，對結構進行改進。在實際的結構設計中，設計者應對設計內容進行想象和模擬，頭腦中要從各種角度考慮問題，想象可能發(fā)生的問題，這種假象的深度和廣度對結構設計的質量起著十分重要的作用。（2）結構設計的完善：按技術、經濟和社會指標不斷完善，尋找所選方案中的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，對照各種要求和限制，反復改進?？紤]零部件的通用化、標準化，減少零部件的品種，降低生產成本。在結構草圖中注出標準件和外購件。重視安全與勞保（即勞動條件：操作、觀察、調整是否方便省力、發(fā)生故障時是否易于排查、噪音等），對結構進行完善。（3） 形狀的平衡與美觀：要考慮直觀上看物體是否勻稱、美觀。外觀不均勻時造成材料或機構的浪費。出現(xiàn)慣性力時會失去平衡，很小的外部干擾力作用就可能失穩(wěn)，抗應力集中和疲勞的性能也弱?？傊?，調整機械結構中的過程是從內到外、從重要到次要、從局部到總體、從粗略到精細，權衡利弊，反復檢查，逐步改進。53 對五軸雕刻機結構的調整通過伺服電機的實際驅動，發(fā)現(xiàn)機床有明顯的震動，左端法蘭盤沒有完全固定，因此對上述問題做出以下改進。（1）在底板下加上防震的橡膠塊，有利于減少加工中震動，同時也有利于保護整體結構。（2）有于左端沒有軸肩，使法蘭盤完全不能固定，因此在法蘭盤的左側一端加上加上螺栓和墊片，使之與軸承相互固定。54 本章小結調整和校正在機械設計中起著舉足輕重的作用。本章通過對機器工作原理及裝配的設計要求的分析，以及實際加工調試，對部分存在的問題進行了改進，同時又將之進行實際加工，通過實際加工，證實的本次機構的可行性。結 論自從有了人類的社會活動以后，就有了雕刻這一行業(yè)，伴隨著人類社會的發(fā)展，現(xiàn)如今人們對雕刻業(yè)有了全新的認識，電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機械已是大勢所趨。電腦雕刻加工可以就是目前理想的選擇，雖然有些地區(qū)電腦雕刻加工業(yè)務量不是很多，但它是雕刻行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。雕刻加工涉及各行各業(yè)、分布很廣，有禮品業(yè)、廣告業(yè)、印章業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術模型業(yè)、機械加工、工裝模具等等，隨著人們對雕刻機的認識和掌握逐步加深，應用范圍會得到不斷擴大，應用水平也會逐步提高，雕刻加工必定會有更廣闊的前景。近年來，五軸雕刻機在工業(yè)上有這重要的地位，其相關性研究成為國內外的企業(yè)的廣泛關注，尤其是浮雕類，家具類和精密儀器類的企業(yè)。隨著科技的發(fā)展，PC機的性能逐步得到增強，使得五軸和多軸的聯(lián)動的運轉得到實現(xiàn)，對五軸雕刻機的發(fā)展更是起到推動作用。本次課題是對五軸雕刻機結構的設計，它是對傳統(tǒng)雕刻機的機構的改造，在能實現(xiàn)各種加工的同時，有著加工范圍廣，通用性強，同時采用五軸雕刻機機床加工的好處首先是可以做到復雜工件的所謂“一次裝卡, 除了裝卡面全部干完”的五面體加工效果, 有效解決因二次裝卡帶來誤差的問題; 其次是可以做到刀具的恒線速切削,從而得到較高的切削效率，以及均勻的加工粗糙度；再就是五軸雕刻機可以加工普通三軸機床因刀具 “干涉”而不能夠加工的工件,如整體葉輪、 一些高檔的模具等。但由于材料和擺臂本身結構的限制，在加工中精度不高，受力不能太大成為它明顯的劣勢。我想如果根據(jù)加工產品中對機床的受力要求，改進材料和受力，就能提高它的精度，增加它的承受能力。因此我相信在未來五軸雕刻機一定能替代三軸雕刻機，成為多軸雕刻機中的典型。致 謝本次課題及論文是在我的導師許軍老師的親切關懷和細心指導下完成的。這次畢業(yè)設計是我對大學四年所學的知識的一次大總結，并將其運用于實踐設計當中去。通過本次畢業(yè)設計使我完善了知識結構，拓寬了知識面，開闊了眼界，提高了對各科知識綜合運用的能力，同時也鍛煉和培養(yǎng)了我的基本素質，它使我更加耐心、謹慎，、細致。在這次畢業(yè)期間，許老師給予我耐心的輔導和熱情的幫助。更是親身實踐指導我使用車床、鉆床和裝配等，對于一些疑難問題許老師也很有耐心，不厭其煩的給予解答，并在百忙之中對本次論文進行了仔細的審閱和指導，并提出了極為寶貴的修改意見和建議，保證了論文的質量。是我在畢業(yè)之際為自己和學校交上了一份滿意的答卷。在此謹向許老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。另外，在加工法蘭盤時，感謝姜老師以及車床加工中心的老師傅們的幫助，在此請允許我對本次畢業(yè)設計中幫助過我的老師、同學說一句“謝謝，謝謝你們！”參 考 文 獻1 吳宗澤等.機械設