五軸雕刻機機電結構設計②—結構設計

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XX 工 學 院畢業(yè)設計說明書（論文）作 者: 學 號：學 院: 專 業(yè): 機械設計制造及其自動化題 目: 五軸雕刻機機電結構設計②—結構設計指導者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)年 月畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要五軸雕刻機機電結構設計摘要隨著社會的發(fā)展，生產力水平的不但提高，雕刻機被廣泛運用在木工業(yè)、廣告業(yè)、石材業(yè)、制造業(yè)、等多個行業(yè)領域。雕刻從加工原理上講是一種鉆銑組合加工，雕刻機多種數(shù)據(jù)輸入模式根據(jù)需要游刃有余。電腦雕刻機有激光雕刻和機械雕刻兩類，這兩類都有大功率和小功率之分。小功率的只適合做雙色板、建筑模型、小型標牌、三維工藝品等。由于功率太小而大大影響了其應用的范圍。大功率雕刻機可以做小功率雕刻機的東西。最適合做大型切割、浮雕、雕刻。因為雕刻機的應用范圍非常廣泛，因此有必要了解各種雕刻機的最合適的應用范圍。目前，市場上三軸雕刻機為主，三軸以上的雕刻機多用于高端產品，價格昂貴。針對市場需求，本課題提出對五軸雕刻機的結構的設計方案。通過建模、加工零件、裝配，并借助于提供的驅動軟件，將加工代碼轉化為各軸的輸出脈沖，通過計算機并口輸出脈沖信號到步進電機驅動器，來控制步進電機進行調節(jié)和校正，從而實現(xiàn)各軸的運動加工。關鍵詞 五軸雕刻機，機構設計，建模，零件加工，裝配，校正，實踐畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Structural Design Of Five-axis CNC Machinery AbstractWith the development of society, levels not only improve productivity, the engraving machine is widely used in wood industry, advertising industry, marble industry, manufacturing, and other industries. Engraving from stresses is a drilling and milling on machining principle, multiple data input modes and ease of carving machine. Computer engraving machine has two types of laser engraving and mechanical engraving, these two classes of high power and low power. Low-power only for the Board, building models, small signs, such as three dimensional arts and crafts. Because the power is too small to significantly affect the scope of its application. Power carving can be a small power CNC machine. Best for large cuts, embossing, engraving. Because the machine very wide range of applications, it is necessary to understand a variety of engraving the scope of application of the most appropriate. At present, three-axis engraving machine on the market, more than three-axis CNC router for high end products, expensive. For market needs, the issues raised on the structure design of five-axis CNC. Through modeling, machining parts, Assembly, and use the driver provided by software, processing code into the shaft of the output pulses through computer parallel port output pulse to stepping motor drive to control the stepping motor to adjust and correct, in order to achieve the axis of motion processing.Keywords Five-axis CNC, Mechanism design, Modeling, Parts machining, Assembly, Calibration, Practice目 錄1 引言 .11．1 課題的提出和研究意義 11．2 五軸雕刻機的發(fā)展歷程 11．3 雕刻機的發(fā)展趨勢 31．4 五軸雕刻機的原理和特點 41．5 本課題的研究內容 41．6 本章小結 52 五軸雕刻機的實體建模 .52．1 五軸雕刻機基本運動原理 52．2 五軸雕刻機的工作原理 52．3 五軸雕刻機的設計要求 72．4 五軸雕刻機的結構方案分析 72．5 雕刻機的電路及電氣部分 92．6 建模設計 .102.6.1 平面連桿機構 102.6.2 凸輪機構 102.6.3 滾珠絲杠 112.6.4 設計步驟 112．7 本章小結 .183 加工各個零件以及通用件選擇 183．1 零件的材料分析 .183．2 材料的選擇 .193．3 連接件的選擇 .213．4 本章小結 .214 五軸雕刻機的裝配 224．1 裝配的概念 .224．2 裝配的基本工藝要求 .224．3 裝配的方法 .234．4 裝配作業(yè)順序分析 .244.4.1 作業(yè)的程序分析 244.4.2 裝配順序的工藝性原則 244.4.3 裝配順序的經濟性原則 244.4.4 裝配關系 244．5 裝配過程 .254．6 本次裝配的注意要點 .324．7 本章小結 .325 調整和實際加工模擬 325．1 分析結構的合理性 .325．2 一般結構設計中需要調整的部分 .335．3 對五軸雕刻機結構的調整 .345．4 本章小結 .34總 結 .35致 謝 .36參 考 文 獻 3711 引言1．1 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。1．2 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(wǎng)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。21938 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，3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。1．3 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。41．4 五軸雕刻機的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：（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。1．5 本課題的研究內容本課題的主要內容是經濟型五軸雕刻機的設計、制作以及驅動。雕刻機由自己三維建模制作出來，然后采取合理的驅動方案以及一些設備軟件的選取來完成雕刻機最終的運動、調試、優(yōu)化、雕刻等等。52 機械結構的設計制作一個五軸的雕刻機首先要提出一個合理的結構設計的方案包括一些設計要求，然后通過三維建模的方式將結構畫出來，最后加工裝配起來。接下來的設計主要是為了能夠驅動雕刻機，這個又需要設計一個合理而且經濟的方案。2．1 五軸雕刻機基本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。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 機運動控制卡接口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 電腦通過接口，直接將步進電機的控制信號輸出給雕刻機控制器。而目前經濟型控6制電腦可以通過軟件（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。2．2 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。2．3 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)7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8合連接，從而使得旋轉電機可以控制擺臂部分。2．4 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。通過對機構的分析和對比，我們選用絲杠，平面機構中的轉動這種機構。建模步驟如下（以下零件詳圖見最后附圖）：（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右圖，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9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 擺臂（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10（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 實體圖。 圖 2-10 T 形槽實體圖（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。11（a）加強板的 CAD 尺寸圖 （b） 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2．5 加工各個零件以及通用件選擇2.5.1 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12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。2.5.2 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，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 6～10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 2-14 所示圖 2-14 軸承參數(shù)基本尺寸/mm軸承代號d D B基本額定動載荷Cr/KN基本額定靜載荷Cor/KN6000 10 26 8 4.58 1.986001 12 28 8 5.10 2.3813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。2.5.3 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 2-15、2-16 所示圖 2-15 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 M3X15 3 縱軸與平臺的連接內六角螺栓 M5X30 8 擺臂與橫軸之間的連接平頭螺栓 M4X30 8 支架與法蘭盤的連接平頭螺栓 M6X30 4 底板與支架的鏈接平頭螺栓 M6X15 8 縱軸平臺與刀頭部分的連接、加強板和擺臂連接平頭螺栓 M4X15 4 橫軸與縱軸的連接平頭螺栓 M4X55 4 旋轉電機與支架的部分的連接平頭螺栓 M5X40 8 鋁板材與底板之間的連接平頭螺栓 M5X50 4 底板、鋁板材與防震塊直接的連接圖 2-16 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2．6 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。2.6.1 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14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)。2.6.2 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。2.6.3 裝配步驟裝配步驟如下：（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2-17 所示。15圖 2-17 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 2-18 所示。圖 2-18 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 2-19 所示。圖 2-19 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 2-20 所示。16圖 2-20 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 2-21 所示。圖 2-21 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 2-22 所示圖 2-22 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17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 2-23 所示。圖 2-23 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 2-24 所示圖 2-24 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 2-25 所示18圖 2-25 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 2-26 所示。圖 2-26 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 2-27 所示。19圖 2-27 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 2-28所示。圖 2-28 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 2-29(a)為建模裝配圖， （b）為實際裝配圖。圖 2-29 （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，20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。2.6.3 本次裝配中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。2．7 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。3 驅動設計與設計要求本課題的大體的驅動設計的方向就是選取一個合理的驅動方式來驅動雕刻機。而雕刻機結構里面又包括了各個部件的設計，這些設計都是根據(jù)具體的雕刻機結構來的。213． 1 驅動方式的選擇一般對于雕刻機的驅動方式有兩種可供選擇：伺服-運動控制卡，PC 并口控制。具體選擇哪一種就要具體分析后才能知道。運動控制卡通常是采用專業(yè)的運動控制芯片或 DSP 來滿足一系列運動控制要求的控制單元，其可通過 PCI、PC104 等總線接口安裝到 PC 和工業(yè) PC 上，可與步進和伺服驅動器連接，驅動步進和伺服電機完成各種運動（單軸運動、多軸運動、多軸插補等） ，接收各種輸入信號（限位原點信號，sensor） ，可輸出控制繼電器、電磁閥、氣缸等元件。用戶可使用 VC、VB 等開發(fā)工具，調用運動控制卡函數(shù)庫，快速開發(fā)出軟件。運動控制卡也因其功能強大、開發(fā)便利等優(yōu)勢已被廣泛運用于切割機、點膠機、激光打標機、電路板鉆/銑機、超聲波焊機、絲印機、 AOI 檢測機、飛針測試機、激光焊接機、雕刻機、噴繪機、快速成型機等測量與自動化設備領域。針對我國主要存在的中低檔機床，經濟型數(shù)控系統(tǒng)仍具有相當大的市場潛力。所以在研制經濟型數(shù)控系統(tǒng)過程中，考慮提高系統(tǒng)性能的同時，如何盡可能多地減少硬件設計，降低成本，提高可靠性已經成為大多人追求的目標。而在 PC 并口的驅動方式下，系統(tǒng)中常規(guī)的位置控制模塊由主 CPU 依靠軟件完成，降低了硬件成本，提高了可靠性。況且運動控制卡的成本比較昂貴，受到實驗室的限制所以就選擇了PC 并口來控制雕刻機。PC 并口控制采用并口輸出的方法來實現(xiàn)與外部設備的接口。標準并口具有 12個輸出位（D0-D7、C0-C3） ，5 個輸入位（S3-S7） 。由于每路步進電機驅動器需要 2個數(shù)字位（脈沖、方向）控制，五軸系統(tǒng)共占用 10 個數(shù)字輸出位。通過步進電機驅動器放大并口輸出的脈沖和方向信號，使之驅動步進電機。并口的輸入位用來檢測回零開關信號、限位開關信號以及急停輸入信號。但是由于輸入資源有限，采用將各個軸電機的正負限位和回零信號分別并聯(lián)的方法，每個并聯(lián)位各占用一個并口輸入位。具體結構圖如圖 3-1：22圖 3-1.并口結構圖3． 2 驅動器的設計方案由該結構圖可以看出需要三個步進電機，所以先要選取步進電機的型號。根據(jù)雕刻的加工范圍、加工精度和經濟性等要求選擇了 42BYGH121 型號的步進電機。具體參數(shù)如下：額定電流：1A；額定電壓：12V-24V；導程：8mm；步距角：1.8°；脈沖當量：0.04mm；行程：20cm；扭矩：3kg/cm。步進電機的最大速度與最大加速度是通過測試得出的，測試的方式與結果見第五章的詳細介紹。另外旋轉電機的減速比是 42：1。所以每個脈沖就會使電機旋轉角度為360/42=8.5714°。旋轉電機的加工范圍 45°-135°。以上所有電機參數(shù)見附件 A。步進電機已經有了還需驅動器和驅動板，三個步進電機對應的就是三個步進電機驅動器，根據(jù)步進電機的要求來選擇驅動器。在本課題中選用了兩種不同的驅動器共三個：SH-20403 兩個和 SM-202A 一個。具體參數(shù)和接線方式見第三章驅動器介紹部分。驅動板則主要是用來與 PC 連接的（通過并口） 。以上這些都是雕刻機的硬件部分，若要能夠使雕刻機成功運動起來就必須還要有一個軟件來給步進電機發(fā)送脈沖和方向信號。本課題主要是運用 EMC2 軟件來發(fā)送信號驅動步進電機。方案的設計與一些設備儀器的選取差不多已經完成了，接下來的主要任務便是搞清楚驅動的原理及相關設備之間的連線方式。3． 3 雕刻機的驅動原理雕刻機的傳統(tǒng)的工作原理：通過計算機內部配置的專用雕刻軟件進行設計和排版，并由計算機把設計與排版的信息自動傳送至雕刻機控制器中，再由控制器把這些信息轉化為能驅動步進電機或伺服電機的帶有功率的信號（脈沖串） ，控制雕刻機23主機生成各軸的雕刻走刀路徑。同時，雕刻機上的高速旋轉雕刻頭通過按加工材質配置的刀具對固定于主機工作臺上的加工材料進行切削，這樣即可雕刻出在計算機中設計的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實現(xiàn)雕刻自動化作業(yè)。而本課題的原理是將預先設定好的 G 代碼轉化為 EMC2 軟件能讀懂的信號，然后 EMC2 軟件通過計算機并口到驅動板將信號放大給驅動器脈沖信號，驅動器帶動步進電機然后就是雕刻機正常運行如圖 3-2 所示。G 代碼 驅動板驅動器 步進電機 雕刻機EMC2輸出脈沖與方向圖 3-2.驅動原理圖3． 4 驅動板與驅動器3.4.1 驅動板驅動板的工作原理就是將 EMC2 軟件給的信號進行放大，然后將該信號以脈沖和方向兩個信號形式連接到驅動器上。同時還可以降低電流，將高電壓和大電流與控制板隔離，起到一個保護電器的作用。3.4.2 驅動器步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度（稱為“步距角” ）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差，所以廣泛應用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行是要有一個電子裝置進行驅動的，這種裝置就是步進電機驅動器。它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一步距角。所以步進電機的轉速與脈沖的頻率成正比。因此，只要控制步進電機脈沖信號的頻率就可以對電機精確調速，而控制步進電機脈沖的個數(shù)就可以對電機精確定位。步進電機驅動器還可以對電機的步距角進行細分。步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了。如驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，其步距角只為“電機固有24步距角”的十分之一，也就是說：當驅動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機就轉動 1.8°；而用細分驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉動了 0.18°，這就是細分的基本概念。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。驅動器細分的優(yōu)點主要有：完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑。如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細分驅動器是唯一的選擇。不僅如此，細分還可以提高電機的輸出轉矩。尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高了約30-40%。還能提高電機的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，提高電機的分辨率也是不言而喻的。3． 5 雕刻機的整體接線整體的接線就是縱觀所有儀器設備的接線方式與原理。本章首先主要講的是整體的各部分直接的接線方式，然后再介紹每個部件各自的接線方式。等線全部接完之后，再試著用計算機中的 EMC2 軟件來驅動雕刻機運動看看。圖 3-3.整體接線圖如圖 9 所示，計算機與驅動板之間通過計算機并口連接，并由計算機控制板給驅動板提供一個 5V 的電源。然后驅動板通過四根信號線與步進電機驅動器連接在一25起，一個 24V 的電源給驅動器提供電流。最后就是步進電機驅動器與雕刻機上的各個軸的步進電機相連以至驅動雕刻機。3． 6 雕刻機的驅動據(jù)前面接線的鋪墊，本個章節(jié)主要介紹的就是雕刻機的驅動與運動方面的優(yōu)化。本課題雕刻機的驅動與優(yōu)化都是依賴于 EMC2 軟件，而在前面就已經介紹過了這個軟件的一些選項、控件的含義與用途。接下來就是主要介紹如何利用該軟件驅動雕刻機以及運動優(yōu)化。（1）EMC2 中的引腳介紹EMC2 的并口有 17 個引腳可以用。對 Stepconf Wizard 來說，是 12 個輸出引腳外加5 個輸入引腳。圖 3-4 這個界面主要是為了給每個引腳選擇不同的功能（輸出引腳有23 種功能可選，輸入引腳有 40 種功能可選，具體選哪個就要參考要和并口連接的硬件了） 。圖 3-4如果電平信號是相反的就需要把引腳的“invert”選項勾上。在本課題中電平是