|
一． 机构的传动原理圈及说明
1. 总体结构
现在市面上流行的小型雕刻机工作台主要有两种。第一种如图1所示工作台只作Y方向的移动，而刀具作X方向和Z方向的移动。第二种则如图2所示工作台作X,Y方向的移动，而刀具只作Z方向的移动。
结构1的优点是制作容易，结构稳定。但由于工件随工作台移动，所以不能加工太重的工件，而且雕刻机尺寸不能太大。结构2虽然制作也较容易，然而稳定性要比结构1差很多。由于本次设计对机械部件结构的要求就是要小而轻便，加工工件的质量也是比较轻，因此选用结构1。
在该结构中，机械本体部分是雕刻机的骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分。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，缩短产品的设计和制造的周期，其主体框架采用铝合金制造，防护件用塑料件制造，用标准的紧固件和定位销连接。
2．进给运动方案
我们设计采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋转和Z方向的进刀、退刀运动，而X-Y工作台带动工件作X,Y方向的进给运动，这两个方向的基本运动方式如下:由步进电机的转动带动丝杠的转动，带动了工作台的移动，从而实现某个方向(X或Y方向)的进给运动。在X，Y方向上的导向件采用直线导轨，其导向精度可满足对工作台定位精度的要求。
3．雕刻机主运动方案
雕刻机主运动方案通常有两种方案:直接采用专用的雕刻头或采用直流电机带动主轴机构。专用的雕刻头的优点在这里不在复述，但必须配以与之配套的变频调速装置，价格相对昂贵。因此，从经济性的角度出发，经济型的雕刻机则不宜采用。由于直流电机具有以下特点:
(l)调速范围宽
其转子转速可在宽广的范围内连续调节并稳定运行。
(2)特性呈线性
不论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。即在整个调节范围内，转速随转矩的变化关系或是转速随控制电压的变化关系都是线性的。
(3)快速反应
在输入控制信号的作用下，转子能迅速地反应动作，时间常数小。
故优先选用直流电机带动主轴机构的方案。直流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。
二． 元件的选择
1．滚珠丝杠副的选择
本设计采用深圳市赛瑞德精工机械技术有限公司提供的G系列滚珠丝杠副 （滚珠内循环 固定反向器 单螺母）。其具体性能指标如下表：
|
丝杠代号 |
公称直径 |
基本导程 |
丝杠外径 |
丝杠底径 |
循环圈数 |
|
d0 |
Ph |
d1 |
d3 |
n |
|
G2004-3 |
20 |
4 |
19.3 |
17.3 |
3 |
|
额定载荷N |
刚度N/um |
螺母安装尺寸 |
油杯口 |
|
动载荷C0 |
静载荷C0a |
Kc |
D |
L |
B |
D1 |
D4 |
Φ1 |
Φ2 |
h |
M |
|
5836 |
16127 |
327 |
60 |
40 |
11 |
36 |
48 |
5.8 |
10 |
6 |
M6 |
X，Y,Z轴的丝杠精度等级为4，螺纹长度分别为为300mm，350mm，150mm。丝杠总长分别为：375mm,425mm,225mm。
滚珠丝杠副轴头尺寸如下：
|
丝杠公称直径d0 |
固定端轴径尺寸 |
支持端轴径尺寸 |
|
d1 |
M |
d2 |
l1 |
l2 |
l3 |
d3 |
d4 |
l4 |
l5 |
l6 |
|
20 |
15 |
M15X1 |
12 |
20 |
41 |
12 |
15 |
14.3 |
14 |
12.1 |
1.15 |
|
固定端轴承型号 |
支持端轴承型号 |
|
7202 |
6201 |
2．步进电机的选择
（1）铣削力的计算
当进行一般切削时产生的铣削力最大，因此只需计算此时的铣削力进行校核即可。取一般切削时：铣削深度ap=1mm,进给速度Vf =1200mm/min,n=15000r/min。根据经验公式计算铣削力：
F=42.76apVf0.75 n-0.62=22.45N
（2）启动转矩的计算
对于4级精度的丝杠，η=0.85。已知Ph=4mm,设丝杠上最大负载G为500N,静摩擦µ为0.2,根据经验公式计算启动力矩：
T=(F+µG) Ph/(2Лη)×10－3＝0.0918N·M
（3）步进电机的选择
根据所需转矩,结合所查资料决定采用杭州日升电气设备有限公司的57BYG250C步进电机作为本次设计所需的驱动电机。
该电机的外观：
技术参数如下：
|
型号 |
相数 |
相电流 |
步距角 |
保持转矩 |
空载起动频率 |
空载运行频率 |
转动惯量 |
重量 |
|
57BYG250C |
2 |
1.5A |
1.8° |
1.0N.M |
2KPPS |
2020KPPS |
0.23KG·CM² |
1KG |
外形尺寸如下：
其中L=76mm。
3．圆柱直线导轨的选择
选用浙江新亿特轴承有限公司的圆柱直线导轨（光轴）系列，其外观及结构如下图:
X,Y,Z三轴所需导轨长度分别为375mm,425mm,225mm。
4．联轴器的选择
选用广州菱科自动化设备有限公司的LK6系列联轴器YL1。外观如下图：
其结构如下图
基本参数如下表（mm）：
|
规格 |
Ød1,Ød2
轴径 |
ØD |
L |
L1 |
F |
E |
性能参数 |
|
扭矩 |
偏心角度 |
最高转速 |
螺丝（M） |
材料 |
|
LK6－25 |
6.35
12 |
25 |
34 |
12.3 |
4.5 |
15 |
1.7
N·M |
2º |
6000
r/min |
M4 |
进口
专用
材料 |
5．主轴电机的选择
主轴电机选用安阳莱必泰机械有限公司的雕刻机电主轴。
其外观及结构图如下：
其参数如下表：
|
主轴型号Spindle type |
转速Speed
(r/min) |
电机 Motor |
外形尺寸 Dimensions(mm) |
变频器Conv
Kw |
润滑Lub |
冷却Cool |
Bearings type |
|
KW |
V |
A
Hz |
D |
D1 |
D2 |
Joint of nose |
L |
L1 |
L2 |
|
ADX60-24Z/0.25 |
24000 |
0.25 |
220 |
1.2 |
400 |
60 |
55 |
- |
ER11 |
162 |
6 |
23 |
0.5 |
grease |
water |
1×7002C/P4
1×7000C/P4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6．机械性能参数的计算
分辨率：4/200=0.02(mm/step)
最高进给速度：5000*4/200=100(mm/s)
机械精度：16/300=0.053（mm）
小型雕刻机的总体设计
一．项目背景与问题描述
1．雕刻机现状
1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从2D——2.5D——3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。
国外的雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，但价格非常昂贵。不管大小都在10万元各人民币以上。近几年国内的雕刻机，北京“精雕”、上海“啄木鸟”在国内也有一定的市场，但价格也不菲。
2．问题描述
雕刻机的应用在各行各业中的应用已日益广泛，然而国内市面上出现的雕刻机，虽然性能较好，但价格也非常昂贵。普通的雕刻机都是万元以上，令一些小单位及个人用户望而却步。
针对不同的应用领域，所要求的雕刻机的性能亦不相同。本项目的目的就是利用PC机的并口等现有资源，提供一种低价，高效，简便的数控雕刻系统的解决方案。通过本项目的研究，可以为中小用户，尤其是个人用户提供低价的雕刻机，从而拓宽现有雕刻机的用户群，普及国内雕刻机。
二．功能需求分析
本项目是为个人及小团体用户提供的一种价格低廉，性能适中的雕刻机。因此，它应具有个人及小团体用户所需要的大部分功能。具体如下：
（1） 能够制作线路间距在3mm以上，长宽在25×20cm内的电路板。
（2） 能够制作空间在25×20×10cm内的软材料模型及模具。
（3） 能够进行广告刻字。
（4） 提供简易的操作界面。
（5） 有安全保护措施。
（6） 精度在0.1mm以内。
三．概念设计与模块功能定义
1．设计思想
小型雕刻机的基本设计思想主要有以下几点：
（1）应用PC机的强大计算功能，将译码、刀补、插补、加减速控制等放在PC上解决。最后PC上形成的是各向步进电机的控制脉冲。
（2）应用PC机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲，以控制工作台的移动。
（3）步进电机的驱动采用集成的驱动芯片。
（4）通过限位开关以及各运动方向的使能开关来保证雕刻机的安全工作。
2．设计原则
小型雕刻机的基本设计原则主要有以下几点：
（1） 在要求的性能指标下，对于各应用部件尽量选择成品以降低成本。
（2） 产品设计得尽量的轻而小，电源符号市电要求。
3．总体方案选择
（1）雕刻机工作方式的选择
运动方式一般有两种形式:一种是刀具既转动又进行三个方向的运动，另外一种方式是刀具只进行转动和垂直方向的上下运动，而工作台进行水平两个方向上的移动。在这次设计中，选择了第二种方式来进行雕刻。若采用第一种方式，则会因为三个方向的运动部件都集中在垂直升降机构上，容易造成整个机构重心过高，如果机构底座质量不足以承受雕刻过程
中产生的振动，那就会影响雕刻的效果。而且这样会造成整个机构体积过于庞大，不利于安装、搬运和维护。
（2）主要直线传动元件的选择
直线传动元件一般有两种:同步带和丝杠。因为同步带传动平稳，传动精度较高，目前的针式打印机和部分机械雕刻系统均采用同步带作为直线运动原件。对于数控机床而言，直线传动机构都采用丝杠，因为丝杠传动精度高。因此，在本项目中，采用丝杠为直线运动元件，可达到预期的目的。而且丝杠作为标准件，只需按标准型号及尺寸进行设计和选用即可。
（3）PC机与机械传动机构的信号通讯方式的选择
要开发通讯部分，就要进行硬件的开发，就是要在计算机与外设之间架设一座桥，进行物理连接。要开发硬件，总的来说有两种途径:一条是自己动手开发标准的计算机接口卡，另一条途径是在现有的计算机硬件设备的基础上，稍加改进而利用已有的标准接口卡进行通讯。在第一种方法中，需要自己设计接口电路，劳动量大，且在使用时要占用PC机的一个扩展槽;若使用第二种方法，不但设计简单、危险性小，而且节省计算机插槽空间。因此本设计采用PC机的并口进行上下位机的通讯。
（4）总体方案的说明
综合上面对各种方案的讨论，我们确定的雕刻机的总体方案可简述如:
用户采用我们研制的软件导入在CAD软件中产生的G代码后，该软件将对G代码进行译码、刀补处理、速度预处理、插补运算，获得包含X-Y-Z三个方向配合运动需控制字节的数据文件，即为雕刻数据，然后将控制字节逐个向打印口输出，这样与打印口相连的X-Y-Z三个方向的步进电机就分别可以得到动作信号，从而带动各自的执行机构产生动作。
我们设计采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋转和Z方向的进刀、退刀运动，而X-Y工作台带动工件作X, Y方向的进给运动。刀具与工件的运动合成就可以得到所需图案的轮廓。(工作原理图见图3-1)
本机的主要组成部分是:专用软件，X-Y 二维工作台及其驱动放大电路、雕刻刀升降机构(Z向)及其驱动放大电路，以及雕刻刀。
图3-1
（5）设计参数的确定
根据各类个人用户对雕刻机的需求，以及参考一些现有商品，初步确定了以下一些设计参数：
|
项目 |
参数 |
单位 |
|
主轴最高转速 |
20000 |
r/min |
|
最大雕刻尺寸 |
250*200*100 |
mm |
|
分辨率 |
0.02 |
mm/step |
|
精度 |
0.1 |
mm |
4．功能模块的划分和定义
雕刻机的功能模块包括软件模块、机械模块和电气模块。
（1）软件模块
主要是在Windows操作系统环境下研制一软件，具有读入g代码、译码、刀补预处理、速度预处理、插补等功能，并最终通过PC机的并行口(即打印口)向步进电机输出控制信号，这是整个系统的关键部分，软件好坏直接影响着最终的雕刻效果。
（2）机械模块
主要是执行机构的设计，它是接收放大后的控制信号，实现具体的雕刻动作的机构，它的设计必须考虑到既要实现功能，又要尽可能地小巧轻便。
（3）电气模块
连接PC机输出和机械执行机构的必要通道，它的主要作用是放大PC机产生的控制信号，使其能驱动机械执行机构实现雕刻动作，这对于能否将控制信号及时、准确地放大并发送至步进电机至关重要。电路的可靠性、稳定性与可持续性是在设计中必须注意的三项指标。
主要内容是步进电机驱动设计、主轴电机的控制、限位开关的反馈、电源的设计等。
四．小结
以上我们对小型雕刻机的设计背景、功能需求进行了详细地分析，提出了本次设计的基本思想和基本原则，对雕刻方式、传动元件等方案的选择进行了简要的讨论，并且按照小型雕刻机的总体工作流程进行了功能模块的划分。后面我们将对各个功能模块进行具体的讨论。
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