小型简易雕刻机设计正文大学学位论文
摘要
小型简易雕刻机设计
摘要
数控雕刻机是一种用于雕刻加工的机电一体化机床，它能加工的材料的范围非常广，既可以加工铜、铝等金属材料，又可以加工塑料、陶瓷、石材等非金属材料，因此被广泛应用于各行各业，具有非常广阔的市场前景。数控雕刻机的使用大大提高了雕刻加工的效率，给制造业的发展提供了动力。
数控雕刻机通过其控制系统来控制步进电机和电主轴运转，步进电机再通过联轴器带动丝杠转动，丝杠再带动丝杠螺母及与其固定的各部件做直线进给运动，同时电主轴再带动刀具回转，从而实现雕刻机在X、Y、Z三个方向上的雕刻加工。
本设计采用步进电机作为各向进给运动的驱动电机，较伺服电机其控制更简单，成本更低。采用滚珠丝杠螺母副和弹性联轴器作为主要传动部件，较齿轮传动其平稳性更好、结构更紧凑，加工精度更容易保证。采用直线滚动导轨作为导向部件，较真线滑动导轨其摩擦系数更小、定位精度更高、寿命更长且不易出现爬行现象。
本设计的预期目的是通过设计来实现对基于单片机控制的数控雕刻机进行三轴联动控制，通过对数控雕刻机的机械系统的总体设计、机械系统主要零部件的设计以及控制系统的设计，最终使所设计的数控雕刻机能够完成在X、Y、Z三个方向上的雕刻加工，达到了预期目的。
关键词：雕刻机；数控机床；设计
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The Design Of Small Simple Engraving Machine
Abstract
CNC engraving machine is a mechatronics machine tool used for carving processing, it can be processed materials range is very wide, can be processing copper, aluminum and other metal materials, and processing non-metallic materials such as plastic, ceramic, stone, therefore they are widely used in all walks of life, has very broad market prospects. The use of CNC engraving machine greatly improve the efficiency of the carving process, provided the impetus to the development of manufacturing industry.
CNC engraving machine, through its control system to control the step motor and electric spindle, stepper motor through coupling drive screw rotation, again lead screw drive screw nut and its fixed parts do linear feed movement, motorized spindle drive tool rotary again at the same time, so as to realize engraving machine in X, Y, Z three directions of carving processing.
This design adopts stepper motor to feed movement as the drive motor, servo motor control is more simple, the cost is lower. The ball screw nut pair and elastic coupling as the main transmission parts, gear drive its better stability, structure is more compact, more easy to guarantee machining accuracy. With linear rolling guide as guide parts, truer line slide guide its smaller friction coefficient, positioning accuracy is higher, longer life and not easy to appear the crawling phenomenon.
The expected purpose of this design is implemented through the design of CNC engraving machine based on single chip microcomputer control the three axes linkage control, based on the general design of the CNC engraving machine mechanical system, the design of the main components of mechanical system and the design of the control system, finally make the design of the CNC engraving machine can complete in X, Y, Z three directions of carving processing, to achieve the intended purpose.
Key words: engraving machine; CNC machine tools; desig
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目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
第1章绪论 (1)
1. 1 数控雕刻机综述 (1)
1.2 研制雕刻机的目的和意义 (1)
1.3 数控雕刻机的特点 (2)
1.4 数控雕刻机的应用 (2)
1.5 我国数控雕刻机的发展现状 (3)
第2章机械系统总体设计 (4)
2.1 整体结构设计 (4)
2.1.1 总体布局的基本要求 (4)
2.1.2 雕刻机总体布局的设计 (4)
2.1.3 雕刻机的坐标系统选择 (5)
2.1.4 雕刻机的机械结构 (5)
2.2 进给系统 (6)
2.3 主传动系统 (6)
第3章机械系统主要零部件设计 (7)
3.1 主要技术参数 (7)
3.2 主要零件的设计 (7)
3.2.1 主轴电机的选择 (7)
3.2.2 步进电机的选择 (8)
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3.2.3 X轴滚珠丝杠螺母副及其支承轴承的选择 (9)
3.2.4 Y轴滚珠丝杠螺母副及其支承轴承的选择 (13)
3.2.5 Z轴滚珠丝杠螺母副及其支承轴承的选择 (17)
3.2.6 导轨副——直线滚动导轨的设计与选择 (20)
3.2.7 联轴器的选择 (22)
3.2.8 滚珠丝杠的校核 (23)
3.2.9 步进电机的校核 (26)
第4章数控系统主要零部件设计 (29)
4.1 确定机床控制系统方案 (29)
4.2 主要芯片配置 (30)
4.2.1 单片机芯片选择 (30)
4.2.2 8031单片机的主要特性及引脚 (30)
4.2.3 RAM的选用 (31)
4.2.4 EPROM的选用 (31)
4.2.5 8031单片机I/O口扩展 (31)
4.3 键盘设计 (32)
4.4 显示器设计 (33)
4.4.1显示器显示方式的选用 (33)
4.4.2显示器接口 (33)
4.5 越界报警电路 (34)
4.6步进电机接口电路及驱动 (34)
4.7 部分程序 (35)
II
总结 (37)
参考文献 (38)
附录1 外文翻译-原文部分 (39)
附录2 外文翻译-中文部分................................................... 错误！未定义书签。致谢 (51)
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第1章绪论
1. 1 数控雕刻机综述
数控雕刻机是一种采用数控技术的专用机床，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电机运转的带有功率的信号来控制电机，从而实现对雕刻加工的控制。它较传统的手动雕刻加工具有高效率、高精准性、高成品率等优点，因此受到许多企业的欢迎并最终成为雕刻机发展的主流。
数控雕刻机可以分成很多很多种，有用来加工木料的，有用来加工石材的，有用来加工玻璃的，有用来加工金属的，有用来加工陶瓷的，有用来加工塑料的，总之数控雕刻机可以根据其加工对象的不同分成非常多的类型。另外不同的雕刻机其采用的原理可能也不一样，有的是利用激光技术，有的是利用等离子技术，还有的是利用刀具的切削加工技术。除此之外不同的雕刻机根据其结构上或原理上的特点，其加工的产品也不尽相同，有专门用来刻印章的，有专门用来做模具的，有专门用来做工艺品加工的，总之根据其加工产品的不同也可以分成很多不同的类型。
数控雕刻机可以看作是一台数控钻铣床，它能够完成钻、铣等工艺，它的刀具包括各种钻头及铣刀等，根据其加工材料的不同，其所用刀具也有一定的差异。下图为一些木工雕刻机常用的刀具。
图1-1木工雕刻机的刀具
1.2 研制雕刻机的目的和意义
机电一体化技术让制造加工变得越来越方便，越来越快速准确，也越来越智能。在许多国家，他们都会投入很多的资金用于机电一体化技术的开发运用，他们的制造业生产的产品在机电一体化技术的影响下变得越来越精细，生产效率也越来越高，因此作为机电一体化机床的数控雕刻机也非常有必要进行深入的研究。
我国的雕刻技术的发展时间比较短，产品开发能力和生产技术水平还比较低，因此我们国家还需要花更多的时间进行雕刻技术的学习。另外我国数控系统研发水平不强，许多
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数控系统的核心还不够好，需要从国外进口，因此加紧开发属于我们国家自己的雕刻机数控系统是非常重要的。
1.3 数控雕刻机的特点
（1）加工精准，雕刻机雕刻过程是由控制系统控制完成的，在控制系统的控制作用下，雕刻机的雕刻加工变得更加精细和准确。
（2）加工过程稳定，产品质量好。
（3）结构紧凑，拆装方便。
（4）加工范围非常广。
（5）操作简便，略微懂一点电脑的人就能熟练使用。
（6）价格便宜。其价格比其它机床要便宜很多。
1.4 数控雕刻机的应用
数控雕刻机既可以加工木料，又可以加工石料，还可以加工金属、陶瓷等材料，因此数控雕刻机可以加工得到的产品非常多，有一些是我们生活中常见的，像市面上见到的各种各样的玉佩、玉坠、玉镯等装饰品，还有公司单位用的印章都可以用雕刻机来加工。另外在许多行业也常用数控雕刻机来加工他们的产品，像建筑行业用的建筑模型，模具制造行业生产的各式各样的模具，广告行业制作的三维广告牌都会用到数控雕刻机来加工。几种其加工的产品如下图。
浮雕装饰品建筑模型
印章工艺品模具
图1-2几种雕刻机加工的产品
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1.5 我国数控雕刻机的发展现状
建国以来，我国一直努力发展制造业，也取得了一些进步，但是仍存在一些制造工艺还达不到相应的标准的问题，所以许多设备或核心部件常常需要进口，另外我国的技术创新能力还不够强，常常是仿造多过创造。在雕刻领域，我国与一些发达国家相比要逊色很多，许多雕刻产品还不能达到精度的标准，因此还需要进一步提高自身的雕刻加工工艺水平。这些年来，我国的数控雕刻技术取得了一定的进步，生产出了一系列的自主研发的数控雕刻机，这些数控雕刻机也被广泛应用各个行业和领域，但是总体来说我国的数控雕刻机的制造水平还不够强，许多数控雕刻机的加工精度还达不到标准，因此我国需要大力提高数控雕刻机的制造水平，同时我们还应该投入更多的资金用于数控雕刻机的设计研发，把更多的精神用到数控雕刻机的机械结构的自主创新和数控系统的自主研发中去，努力提高我们自己生产的雕刻机的质量。
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4 第2章机械系统总体设计
2.1 整体结构设计
2.1.1总体布局的基本要求
（1）确保加工的精准度。
（2）确保雕刻机各部分协调工作，不会相互干扰
（3）确保能够完成预定的进给长度
（4）确保能够完成各种相关工艺。
（5）便于同时操作和观察数控机床的操作
（6）机床结构布局便于排屑
（7）机床结构简单，各部分便于拆卸组装
2.1.2雕刻机总体布局的设计
根据雕刻机布局的要求，选择采用龙门立式布局，按龙门架的移动和固定被分为两种结构形式，这两种结构如图2-1。对比两种布局，龙门移动式布局可以承受较大载荷，一般用于加工较重的工件，但加工精度比较低。而龙门固定式布局由于工作台移动，雕刻头减少了一个方向的运动，因而其运动精度较高，但由于工作台可以移动，所以只能承受较小载荷，适合加工较轻的工件。综合考虑选择龙门固定式布局，工作台完成一个方向的运动，雕刻头完成其它两个方向的运动。
图2-1雕刻机的两种结构
2.1.3 雕刻机的坐标系统选择
根据右手法则确定雕刻机的坐标系统，首先选择雕刻头上下运动的方向作为Z轴方向，以雕刻头向上运动的方向方正方向，由右手法则知，以工作台在底坐上的移动的方向作为Y轴方向，工作台靠近龙门架向前移动是正方向，反之则是负方向；以雕刻头在横梁上的移动的方向作为X轴方向，面对龙门加右移为正方向，左移为负方向。右手坐标系统如图2-2。
图2-2右手坐标系统
2.1.4 雕刻机的机械结构
（1）底座部分
作为整个雕刻机的基础，起到支撑雕刻机的作用，雕刻机所有的重量都作用到它上面，所以它必须要有一定的刚度，不会发生严重变形。
（2）工作台部分
工作台部分包括导轨、Y轴方向的丝杠以及上面的工作台这几部分。工作台的作用是支撑雕刻物体，通常把工作台设计为表面有T形沟槽的平台，它在丝杠的带动和导轨的导向下做直线运动。
（3）横梁部分
这部分结构由X轴丝杠与其两侧的导轨，以及支撑橫梁的支架组成。横梁起到支撑Z 轴部件的作用。
（4）机头部分
这部分结构由主轴组件、丝杠、支架、导轨组成，该机构的作用是实现雕刻机Z向的雕刻。
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2.2 进给系统
该数控雕刻机具有三个不同方向的进给，每个方向的进给运动都是其进给系统的一部分，这几部分加起来就组成了雕刻机的进给系统。其各向的传动过程为：驱动电路控制驱动电机运转，电机带动传动机构传递动力，最终把动力传递给执行部件，从而实现各个方向的进给。
选用步进电机作为各向的驱动电机，其具有以下优点：
（1）在外界因素影响下，其步距角变化不大。
（2）不会长期累加之前的误差，其运转一圈不会有误差留下。
（3）控制性能好，启动、停止、翻转都比较容易控制。
选择滚珠丝螺母副作为各轴进给系统的传动机构，它较齿轮传动具有更好的传动平稳性，而且结构上也较为紧凑，能够确保加工时的精度。
采用联轴器来联接电机和丝杠，这种设计可以减少误差，提高加工精度，所以选择利用联轴器使步进电机与滚珠丝杠直接相连。此时传动比为1，误差最小。
因此各轴进给系统的传动过程为：首先利用联轴器把步进电机的转矩传递给丝杠，然后丝杠再把转矩传递给螺母及与其固定的各部件，螺母及与其固定的各部件在丝杠的作用下做沿直线的进给运动。
2.3 主传动系统
主传动系统由主轴电机、主轴组件和刀具给成，数控雕刻机常采用的主传动的方式有两种，第一种是利用专用雕刻头来直接进行雕刻加工，第二种是采用直流电机把转矩传递给主轴及其连接的刀具进行加工。专用雕刻头价格比较贵，不太适合小型的简易雕刻机。如果采用第二种方法，那就需要选择直流电机来带动主轴，直流电机具有以下特点：（1）速度可调节的范围比较大：直流电机的转子可以在一个较大的范围内转动，比较容易调节、选择合适的转速。
（2）转速的机械特性的线性度良好，直流电机的转速与控制电压和转矩都是线性关系。（3）反应速度比较快：转子一接收到控制信号就能立即反应。
经综合考虑决定选用第二种方式作为主传动系统的传动方式，本设计选择电主轴作为驱动电机。
主传动系统的传动过程是：电主轴直接通过联接装置与刀具相连，从而传递转矩，实现刀具的回转。
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第3章机械系统主要零部件设计
3.1主要技术参数
该数控雕刻机的主要技术参数如表3-1所示：
表3-1主要技术参数
3.2 主要零件的设计
3.2.1主轴电机的选择
由表3-1可知，所选的电主轴应满足：转速n＞4500 r/min，功率P＞1KW。查阅相关资料初选主轴电机的型号为SDK62-60Z/1.5，参数如表3-2所示，外形如图3-1所示：
表3-2电主轴的参数
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图3-1 电主轴 3.2.2 步进电机的选择
步进电机满足以下公式：
360αδ
=h iP (3-1)
由任务书上的设计参数可知，脉冲当量δ=0.01mm ，步进电机与丝杠通过联轴器直接相连，则有传动比i=1，查阅雕刻机的相关资料可知：一般雕刻机的导程可以选择为Ph=5mm ，把已知相关数据代入式3-1中可得步进电机的步距角α=0.72°。
根据表3-1中所给的参数可知，这三个方向上的步进电机的最大额定扭矩是5 N·m ，因此这里要选用的步进电机的保持转矩应该大于5 N·m 。根据步距角及保持转矩的值可以初步确定步进电机的型号为90BYG550C —0301。具体参数如表3-3，外形如图3-2。
表3-3 步进电机参数
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图3-2 步进电机
3.2.3 X 轴滚珠丝杠螺母副及其支承轴承的选择
首先需要分析一下雕刻机的X 轴方向的丝杠的受力情况，得到X 轴丝杠的当量轴向载荷，再分别计算得到丝杠的预期额定动载荷和允许的最小螺纹底径，然后根据预期额定动载荷和允许的最小螺纹底径确定各丝杠的型号及尺寸，最后根据所选的滚珠丝杠螺母副选择合适的支承方式以及支承所用的滚动轴承。
（1）确定丝杠的当量载荷
当雕刻机空载时，X 轴丝杠所受到的轴向载荷来自于导轨的摩擦力。当雕刻机以刀具的最大转速加载时， X 轴丝杠所受到的轴向载荷来自于导轨的摩擦力和刀具沿X 轴方向的切削抗力。
1）计算X 轴导轨的摩擦力
查《机械设计手册》知：X 轴方向的导轨的受力情况如图3-3，其所受摩擦力的计算公式如下：
对X 轴导轨有：
雕刻机空载时有以下公式：
μ4=f F ??????????? ??++??? ??22222242a cW W b lW （3-2） 雕刻机以刀具的最大转速加载时有以下公式：
?????????
????? ??'-++???? ??'='212220224b 2-4a F c cW W F l lW f F v v μ （3-3） 设a=115mm ，b=200mm ，c=c 1=0，l 0=185mm ，l=140mm ，W 2=100N ，取动摩擦因数μ=0.1。