《五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)②—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)②—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（46頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

XX 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）作 者: 學(xué) 號：學(xué) 院: 專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化題 目: 五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)②—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))年 月畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要隨著社會的發(fā)展，生產(chǎn)力水平的不但提高，雕刻機(jī)被廣泛運(yùn)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(lǐng)域。雕刻從加工原理上講是一種鉆銑組合加工，雕刻機(jī)多種數(shù)據(jù)輸入模式根據(jù)需要游刃有余。電腦雕刻機(jī)有激光雕刻和機(jī)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(biāo)牌、三維工藝品等。由于功率太小而大大影響了其應(yīng)用的范圍。大功率雕刻機(jī)可以做小功率雕刻機(jī)的東西。最適合做大型切割、浮雕、雕刻。因?yàn)榈窨虣C(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛，因此有必要了解各種雕刻機(jī)的最合適的應(yīng)用范圍。目前，市場上三軸雕刻機(jī)為主，三軸以上的雕刻機(jī)多用于高端產(chǎn)品，價格昂貴。針對市場需求，本課題提出對五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。通過建模、加工零件、裝配，并借助于提供的驅(qū)動軟件，將加工代碼轉(zhuǎn)化為各軸的輸出脈沖，通過計(jì)算機(jī)并口輸出脈沖信號到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，來控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，從而實(shí)現(xiàn)各軸的運(yùn)動加工。關(guān)鍵詞 五軸雕刻機(jī)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，建模，零件加工，裝配，校正，實(shí)踐畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 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(jī)的發(fā)展歷程 11．3 雕刻機(jī)的發(fā)展趨勢 31．4 五軸雕刻機(jī)的原理和特點(diǎn) 41．5 本課題的研究內(nèi)容 41．6 本章小結(jié) 52 五軸雕刻機(jī)的實(shí)體建模 .52．1 五軸雕刻機(jī)基本運(yùn)動原理 52．2 五軸雕刻機(jī)的工作原理 52．3 五軸雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)要求 72．4 五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案分析 72．5 雕刻機(jī)的電路及電氣部分 92．6 建模設(shè)計(jì) .102.6.1 平面連桿機(jī)構(gòu) 102.6.2 凸輪機(jī)構(gòu) 102.6.3 滾珠絲杠 112.6.4 設(shè)計(jì)步驟 112．7 本章小結(jié) .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(jié) .214 五軸雕刻機(jī)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(jīng)濟(jì)性原則 244.4.4 裝配關(guān)系 244．5 裝配過程 .254．6 本次裝配的注意要點(diǎn) .324．7 本章小結(jié) .325 調(diào)整和實(shí)際加工模擬 325．1 分析結(jié)構(gòu)的合理性 .325．2 一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要調(diào)整的部分 .335．3 對五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的調(diào)整 .345．4 本章小結(jié) .34總 結(jié) .35致 謝 .36參 考 文 獻(xiàn) 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(shù)創(chuàng)新的加快，產(chǎn)品更新?lián)Q代快、周期短，生產(chǎn)多品種、中小批量的生產(chǎn)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(fù)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(chǎn)品的周期零件的更高要求越來越短，多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效、高質(zhì)量加工要求，使得傳統(tǒng)的加工設(shè)備和手段難以適應(yīng)。五軸數(shù)控機(jī)床集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工于一體，可高效、準(zhǔn)確完成復(fù)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(jī)曲軸等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)難度最大 適用范圍最廣的技術(shù)，但高精度的機(jī)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(shù)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(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)的五軸雕刻機(jī)，可應(yīng)用于加工材質(zhì)較軟 精度要求不高的零件，如木材 塑料及鋁合金等材質(zhì)零件。能適應(yīng)一些球類，曲線類的復(fù)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(shí)體零件等。1．2 五軸雕刻機(jī)的發(fā)展歷程可以追溯到遠(yuǎn)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(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可以堪稱一絕。傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝， 雕刻品的質(zhì)量完全取決于雕刻師的技藝水平， 所以生產(chǎn)的效率低、成本高， 制品的隨意性強(qiáng)、一致性差，嚴(yán)重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機(jī)的產(chǎn)生成為必然。上世紀(jì) 90 年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)、刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)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(chǎn)品的標(biāo)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(jī)在法國“嘉寶”問世，1950“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機(jī)。隨后一些歐美國家也開始研制。20 世紀(jì) 90 年代，隨著電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動微型計(jì)算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動整個高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從 2D 加工逐漸擴(kuò)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(jī)研制的基本要求。雕刻機(jī)主要有仿形雕刻機(jī)和計(jì)算機(jī)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(yīng)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(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為雕刻在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。但是機(jī)械仿形雕刻仍是一種手動雕刻，它在加工效、加工能力、計(jì)算機(jī)接口等方面存在明顯的缺陷，阻礙了雕刻技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)速度的加快，尤其是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)產(chǎn)品的形態(tài)更加豐富，變化更加迅速，對制造設(shè)備提出了新的要求。這就使以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造（CAD/CAM）技術(shù)、技術(shù)及數(shù)控技術(shù)（CNC）為核心的數(shù)控雕刻技術(shù)成了雕刻加工發(fā)展的主流。如圖 1-1 為雕刻機(jī)的發(fā)展歷程。雕刻機(jī)手動雕刻機(jī)自動雕刻機(jī)復(fù)雜曲面?zhèn)鹘y(tǒng)工藝球類零件激光雕刻系統(tǒng) 機(jī)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(jī)的發(fā)展歷程現(xiàn)在雕刻機(jī)以其低的價格和較高的生產(chǎn)加工效率，被廣泛運(yùn)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(lǐng)域。我國近年來制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇，有效地促進(jìn)了我國數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)、推廣和應(yīng)用。我國的數(shù)控雕刻機(jī)起步于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十年的發(fā)展，已形成了多個國產(chǎn)牌的雕刻機(jī)，3如上海洛克公司生產(chǎn)的“啄木鳥”數(shù)控雕刻機(jī)、北京精雕公司生產(chǎn)的“精雕”數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的“威克”數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類雕刻機(jī)的機(jī)床本體機(jī)構(gòu)簡單，控制器大多借鑒國外新技術(shù)，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(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機(jī)的性價比不是太高，適用于精度不太高的普及應(yīng)用場合。至于高精度的加工，目前國內(nèi)進(jìn)口的數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)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(chǎn)產(chǎn)品。因此這類產(chǎn)品主要運(yùn)用于制造高精度模具等場合。1．3 雕刻機(jī)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(jī)床已滿足不了人們對加工在 20 世紀(jì)60 年代，一些發(fā)達(dá)國家開始研制五軸數(shù)控機(jī)床。五軸雕刻機(jī)相對三軸雕刻機(jī)有著一次裝夾可以完成全部或大部分加工任務(wù)的優(yōu)勢。由于能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸與直線運(yùn)動軸聯(lián)動，五軸雕刻機(jī)還可以在回轉(zhuǎn)體毛坯上進(jìn)行雕刻加工，這是三軸雕刻機(jī)無法做到的。此外，五軸雕刻機(jī)還能夠提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)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(fù)雜的機(jī)床結(jié)構(gòu)一直是困擾五軸雕刻機(jī)迅速發(fā)展的瓶頸。而數(shù)控系統(tǒng)的迅速發(fā)展，已經(jīng)能滿足多軸聯(lián)動技術(shù)的要求，必將推動五軸雕刻機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展。未來五軸雕刻機(jī)方向概括如下：（1）高速高精度化：現(xiàn)在國內(nèi)雕刻機(jī)大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)，位置控制和加工精度不高。今后，雕刻機(jī)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動，通過檢測回饋信號對誤差進(jìn)行補(bǔ)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(chǎn)的需求，更加簡潔，人性化的操作界面將成為今后雕刻機(jī)的一個發(fā)展趨勢。企業(yè)能更好運(yùn)用與實(shí)際生產(chǎn)中，使員工能一人控制多臺雕刻機(jī)成為可能，便于提高企業(yè)生產(chǎn)效率。（3）多軸聯(lián)動技術(shù)：目前雕刻機(jī)主要以三軸雕刻機(jī)為主，未來將以五軸雕刻機(jī)為代表多軸聯(lián)動的數(shù)控雕刻機(jī)也是一個主要發(fā)展方向。41．4 五軸雕刻機(jī)的特點(diǎn)五軸雕刻機(jī)是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)，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(jié)構(gòu)簡單、性價比高等特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，PC 機(jī)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(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)的系統(tǒng)正逐漸過渡到以 PC 機(jī)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(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品升級換代和普通機(jī)床的技術(shù)改造上。基本特點(diǎn)如下：（1）適用性廣：它能適應(yīng)各種復(fù)雜加工，尤其是復(fù)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(jī)曲軸等。因此，它被廣泛運(yùn)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(shí)用：采用五軸聯(lián)動機(jī)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(zhì)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(shù)的不斷發(fā)展，立式加工中心本身的一些弱點(diǎn)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(jī)床加工技術(shù)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(shù)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(jī)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(jī)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(jìn)行控制驅(qū)動，使得它比手動或一般的機(jī)床生產(chǎn)簡單，在一些功能參數(shù)的設(shè)置上也變得簡單易用。通過培訓(xùn)學(xué)習(xí)，能適合不同層次的用戶的實(shí)用，對它的推廣與運(yùn)用提供了良好的平臺。1．5 本課題的研究內(nèi)容本課題的主要內(nèi)容是經(jīng)濟(jì)型五軸雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)、制作以及驅(qū)動。雕刻機(jī)由自己三維建模制作出來，然后采取合理的驅(qū)動方案以及一些設(shè)備軟件的選取來完成雕刻機(jī)最終的運(yùn)動、調(diào)試、優(yōu)化、雕刻等等。52 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作一個五軸的雕刻機(jī)首先要提出一個合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案包括一些設(shè)計(jì)要求，然后通過三維建模的方式將結(jié)構(gòu)畫出來，最后加工裝配起來。接下來的設(shè)計(jì)主要是為了能夠驅(qū)動雕刻機(jī)，這個又需要設(shè)計(jì)一個合理而且經(jīng)濟(jì)的方案。2．1 五軸雕刻機(jī)基本原理五軸雕刻機(jī)加工中心大多是 3 + 2 的結(jié)構(gòu), 即 x, y, z 三個直線運(yùn)動軸加上分別圍繞 x, y, z 軸旋轉(zhuǎn)的 a, b , c 三個旋轉(zhuǎn)軸中的兩個旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸的組合形式來分,大體上有雙轉(zhuǎn)臺式、 轉(zhuǎn)臺加上擺頭式和雙擺頭式三種形式。這三種結(jié)構(gòu)形式由于物理上的原因,分別決定了機(jī)床的規(guī)格大小和加工對象的范圍。其中,雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機(jī)床由于在加工工件時工件需要在兩個旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)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(jié)構(gòu)最為簡單,所以相對價格較為低廉,就應(yīng)用來講,這是數(shù)量最多的一類五軸數(shù)控機(jī)床。雕刻機(jī)一般由機(jī)架、工作臺、刀頭、運(yùn)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(jìn)給。五軸雕刻機(jī)的工作原理圖如圖 2-1 所示PC 機(jī)運(yùn)動控制卡接口X 軸伺服電機(jī) Y 軸伺服電機(jī) Z 軸伺服電機(jī) A 軸伺服電機(jī)B 軸伺服電機(jī)X 軸絲杠 Y 軸絲杠 Z 軸絲杠 A 軸電機(jī) B 軸電機(jī)完成雕刻圖 2-1 為五軸雕刻機(jī)的工作原理圖 電腦通過接口，直接將步進(jìn)電機(jī)的控制信號輸出給雕刻機(jī)控制器。而目前經(jīng)濟(jì)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(jī)控制箱：X 軸的步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，旋轉(zhuǎn)速度越快）A 軸的方向信號（正向或反向）B 軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，旋轉(zhuǎn)速度越快）B 軸的方向信號（正向或反向）進(jìn)步電機(jī)的使能信號（電機(jī)是啟用，或是停用，如果是停用，電機(jī)會完全松下來不會鎖死。連接電腦工作時會啟用電機(jī)） 。控制箱將這些信號處理后，輸出驅(qū)動信號直接給 X，Y，Z ，A，B 五只步進(jìn)電機(jī)。2．2 五軸雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)要求本次課題提出對五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即使五軸雕刻機(jī)實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動，能又使得五軸雕刻機(jī)在驅(qū)動軟件的驅(qū)動條件下進(jìn)行小型零件的加工，機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對雕刻機(jī)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(diǎn)：（1）五軸雕刻機(jī)能通過數(shù)控代碼，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動，確保實(shí)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(yùn)動。在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動精度和傳動效率；（2）機(jī)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(jī)床首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等各種要求；（4）機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)，便于觀察加工過程，能便于操作、調(diào)整、校正、維護(hù)和維修。2．3 五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案分析通過以上五軸雕刻機(jī)工作原理的分析，以及已給的設(shè)備，對五軸雕刻機(jī)進(jìn)行的一下兩種方案，如下圖（圖 2-2 是傳統(tǒng)五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，圖 2-3 是根據(jù)傳統(tǒng)7方案設(shè)計(jì)的新的方案）圖 2-2 傳統(tǒng)五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)方案 圖 2-3 是新型五軸雕刻機(jī)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(yùn)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(qiáng)，適合固定零件的生產(chǎn)。但它的結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)。而新型方案中，對傳統(tǒng)方案的一種改進(jìn)，它主要針對工作臺進(jìn)行調(diào)整，使得工作臺兼顧兩種運(yùn)動，將擺動運(yùn)用到擺臂上，這樣能減小對加工零件的約束性，擴(kuò)大了加工范圍，通用性更強(qiáng)，比較符合現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)需要，但這樣結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，對擺臂的受力要求提高。本次課題中的五軸雕刻機(jī)運(yùn)用新型結(jié)構(gòu)，它的主要幾何結(jié)構(gòu)由以下幾部分組：（1）底座部分作為雕刻機(jī)整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)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(dǎo)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(qū)動，導(dǎo)軌導(dǎo)向，還可以旋轉(zhuǎn)；（3）橫梁部分橫梁由 X 方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，驅(qū)動機(jī)頭動，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動仿真中是重要的分析對象；（4）機(jī)頭部分機(jī)頭部分由主軸組件、Z 方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。絲杠驅(qū)動主軸組的上下運(yùn)動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻機(jī)頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；（5）擺臂部分?jǐn)[臂部分由兩塊擺臂架組成。它與橫向運(yùn)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(jìn)行組合運(yùn)動，同時法蘭盤與旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過剛性聯(lián)軸器進(jìn)行配8合連接，從而使得旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以控制擺臂部分。2．4 建模設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用了平面機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)是一個構(gòu)建系統(tǒng)，為了傳遞運(yùn)動和動力，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間應(yīng)具有確定的相對運(yùn)動。但任意拼湊的構(gòu)件系統(tǒng)不一定能發(fā)生相對運(yùn)動，即使能夠運(yùn)動，也使能夠運(yùn)動，也不一定具有確定的性對運(yùn)動。討論機(jī)構(gòu)滿足什么條件，構(gòu)件間才具有確定的相對運(yùn)動，對于分析現(xiàn)有機(jī)構(gòu)或設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)都是很重要的。機(jī)構(gòu)是由許多構(gòu)件組成的，機(jī)構(gòu)中的每個構(gòu)架都以一定的方式與另一些構(gòu)件相連。這種連接不是固定連接，而是具有一定相對運(yùn)動的連接。因此需要考慮選擇怎樣的機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過對機(jī)構(gòu)的分析和對比，我們選用絲杠，平面機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動這種機(jī)構(gòu)。建模步驟如下（以下零件詳圖見最后附圖）：（1）根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)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(zhuǎn)電機(jī)相連。（2）根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的配合要求、實(shí)際市場的聯(lián)軸器型號以及軸承型號，將法蘭盤尺寸進(jìn)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(shí)體圖） 。圖 2-4 法拉盤 CAD 尺寸圖 圖 2-5 法蘭盤實(shí)體圖（3）根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中打孔的位置要求右圖，以及軸承、法蘭盤的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行支架的建模設(shè)定（如圖 2-7） ，這樣可以將旋轉(zhuǎn)電機(jī)與支架進(jìn)行固定，對將設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)起到基礎(chǔ)定位作用和支撐作用。圖 2-6 旋轉(zhuǎn)電機(jī)9圖 2-7 支架 CAD 尺寸圖 支架實(shí)體圖（4）在根據(jù)法蘭盤，支架和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的配合要求，以及支架的剛性要求，將支架的厚度進(jìn)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(shí)際中的加工，以及實(shí)際加工中的加工范圍，將擺臂進(jìn)行設(shè)定。如圖 2-8（a） 、 （b）所示。擺臂 CAD 尺寸圖（a） 擺臂實(shí)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(shí)際加工的工作臺，再加上支架的厚度，進(jìn)行底板的設(shè)定。如圖 2-9 所示（a）圖為底板的尺寸圖， （b）圖為底板的實(shí)體圖。（a）底板 CAD 尺寸圖 （b） 底板實(shí)體圖圖 2-9 底板10（7）接著對底板的工作臺進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)底板 的尺寸使用 T 形槽進(jìn)行加工裝配，如圖 2-10 為 T 形槽 實(shí)體圖。 圖 2-10 T 形槽實(shí)體圖（8）已有的零件進(jìn)行實(shí)際測繪，并一起繪制三維實(shí)體圖。如下圖 2-11 分別是：（a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)， （b）橫向 X 軸， （c）縱向 Z 軸。（a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)體圖 （b） 橫向 X 軸實(shí)體圖（c）縱向 Z 軸實(shí)體圖圖 2-11 實(shí)體測繪實(shí)體圖（9）為了加強(qiáng)擺臂部分的穩(wěn)定性，在兩個擺臂部分使用了加強(qiáng)板，如圖 2-12所示分別為（a）加強(qiáng)板的尺寸圖， （b）加強(qiáng)板的實(shí)體圖。11（a）加強(qiáng)板的 CAD 尺寸圖 （b） 加強(qiáng)板實(shí)體圖 圖 2-12 加強(qiáng)板（10）模零件進(jìn)行裝配，如圖 2-13。圖 2-13 五軸雕刻機(jī)裝配實(shí)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(jié)構(gòu)或機(jī)械的各組成部分，如建筑物的梁和柱、機(jī)床的軸等，統(tǒng)稱為構(gòu)件。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械工作是，構(gòu)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(jié)構(gòu)或機(jī)械的正常工作，構(gòu)件應(yīng)有足夠的能力負(fù)擔(dān)起應(yīng)當(dāng)承受的載荷。因此，它應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：（1）強(qiáng)度要求：在規(guī)定載荷作用下的構(gòu)件當(dāng)然不應(yīng)破壞。例如：沖床曲軸不可折斷，儲氣罐不應(yīng)爆炸。強(qiáng)度要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗破壞的能力。（2）剛度要求：在載荷作用下，構(gòu)件即使有足夠的強(qiáng)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(jī)床主軸變形過大，將影響加工精度。剛度要求就是指構(gòu)件應(yīng)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(xì)長桿，如千斤頂?shù)穆輻U，內(nèi)燃機(jī)的挺桿，應(yīng)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(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。若構(gòu)件橫截面尺寸不足或形狀不合理，或材料選用不當(dāng)，將不能滿足上述要求，從而不能保證工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的安全工作。相反，也不該不恰當(dāng)?shù)丶哟髾M截面尺寸或選用優(yōu)質(zhì)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(fèi)。材料的分析可以在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安全的構(gòu)件，同時又減成本將提供理論基礎(chǔ)。2.5.2 材料的選擇在材料的選擇中，考慮到材料強(qiáng)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?yàn)榉ㄌm盤與旋轉(zhuǎn)電機(jī)是通過剛性聯(lián)軸器進(jìn)行固定連接的，在強(qiáng)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(zhì)的 PVC 板，主要是因?yàn)橐准庸?，想改造也比較容易，同時這種材料的質(zhì)量比較輕，有利于減輕機(jī)床的整體重量，可以使整體結(jié)構(gòu)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(xué)溶劑性能突出；外觀靚麗，非常平整光滑；透光率達(dá) 73%以上等特點(diǎn)。根據(jù)用擺臂以及機(jī)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(nèi)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(nèi)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(qiáng)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(zhuǎn)電機(jī)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(zhuǎn)電機(jī)與法蘭盤之間的固定2．6 五軸雕刻機(jī)的裝配本章主要任務(wù)是對上述的零件進(jìn)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(jī)床結(jié)構(gòu)的工作性能。2.6.1 裝配的概念裝配是按規(guī)定的技術(shù)要求，將零件或部件進(jìn)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(jī)裝配是生產(chǎn)過程中的最后一個階段，它包括裝配、調(diào)整、檢驗(yàn)和試驗(yàn)等工作，且產(chǎn)品的最終質(zhì)量由裝配保證。產(chǎn)品的質(zhì)量是以產(chǎn)品的工作性能，使用效果和壽命等綜合指標(biāo)來評定的。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，對產(chǎn)品提出了若干項(xiàng)裝配要求，這些裝配要求應(yīng)當(dāng)在裝配過程中予以保證。所謂裝配精度，就是產(chǎn)品裝配后的實(shí)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(guān)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(jì)及的形狀精度和微觀幾何精度(如接觸面的大小和接觸點(diǎn)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(yīng)保證實(shí)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(gòu)件)均應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件要求，經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可安裝。（3）一般不允許對外購件進(jìn)行補(bǔ)充加工(圖紙有規(guī)定時例外)。（4）裝配前應(yīng)對機(jī)械零、部件進(jìn)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(jī)械零、部件在裝配過程中不允許產(chǎn)生裂紋、凹陷、壓傷和可能影響設(shè)備性能的其它損傷。（6）相同的機(jī)械零、部件應(yīng)具有互換性。必要時可按工藝文件的規(guī)定進(jìn)行修配調(diào)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(yīng)能在正常間隙下，在規(guī)定方向靈活均勻地運(yùn)動。（8） 必須仔細(xì)檢查裝配好的產(chǎn)品并保持清潔，否則使用時會造成機(jī)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(jìn)行裝配，首先將法蘭盤固定，然后進(jìn)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(jìn)行裝配，并將聯(lián)軸器進(jìn)行鎖緊，使之與聯(lián)軸器進(jìn)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(chǔ)，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(zhuǎn)電機(jī)、墊塊與支架進(jìn)行裝配，首先將支架進(jìn)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(jìn)行裝配，先將裝配體【3】進(jìn)行支撐固體，在進(jìn)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(jìn)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(nèi)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(jìn)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(jìn)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?yàn)檠b配體的支架與比擺臂配合機(jī)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(cè)向平放，然后在將裝配體【5】 、 【6】 、 【8】進(jìn)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(yīng)的位置打上同樣的孔，空的深度 10mm 左右。同時在側(cè)壁上也打上 M6 的螺紋孔，留著安放加強(qiáng)板。接著將裝配體【9】與加強(qiáng)板進(jìn)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(jìn)行裝配得到最后的機(jī)床的裝配體【12】 ，然后將旋轉(zhuǎn)電機(jī)部分的聯(lián)軸器鎖緊，結(jié)束裝配。裝配的最終成果如圖 2-28所示。圖 2-28 五軸雕刻機(jī)的裝配實(shí)體【12】（14）最后加上底板上的移動副和轉(zhuǎn)動副，這樣整個裝配過程到這里結(jié)束，得到裝配實(shí)體圖，如圖 2-29(a)為建模裝配圖， （b）為實(shí)際裝配圖。圖 2-29 （a） （b）縱觀整個裝配工藝過程，從熟悉產(chǎn)品的用途、性能、要求入手，到裝配系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)，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(guān)系，確定裝配方法、劃分裝配工序、規(guī)定工序計(jì)劃、設(shè)計(jì)工藝過程文件。整個過程不突出重點(diǎn)，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(chǎn)品質(zhì)量，突出整體裝配工藝技術(shù)的重點(diǎn)及其重要性。2.6.3 本次裝配中的注意要點(diǎn)在本次裝配中應(yīng)該要注意一下幾點(diǎn)： （1）要注意剛性聯(lián)軸器的鎖緊順序，先于法蘭盤進(jìn)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(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)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(yīng)使用套筒固定軸承外圈后進(jìn)行輕擊安裝。（3）在手鉆進(jìn)行打孔時，應(yīng)首先確定孔的位置，然后手動點(diǎn)鉆，最后在點(diǎn)鉆的位置進(jìn)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(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)的調(diào)整通過伺服電機(jī)的實(shí)際驅(qū)動，發(fā)現(xiàn)機(jī)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(jìn)。（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(hù)整體結(jié)構(gòu)。（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(cè)一端加上加上螺栓和墊片，使之與軸承相互固定。3 驅(qū)動設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)要求本課題的大體的驅(qū)動設(shè)計(jì)的方向就是選取一個合理的驅(qū)動方式來驅(qū)動雕刻機(jī)。而雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)里面又包括了各個部件的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)都是根據(jù)具體的雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)來的。213． 1 驅(qū)動方式的選擇一般對于雕刻機(jī)的驅(qū)動方式有兩種可供選擇：伺服-運(yùn)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(yùn)動控制卡通常是采用專業(yè)的運(yùn)動控制芯片或 DSP 來滿足一系列運(yùn)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(jìn)和伺服驅(qū)動器連接，驅(qū)動步進(jìn)和伺服電機(jī)完成各種運(yùn)動（單軸運(yùn)動、多軸運(yùn)動、多軸插補(bǔ)等） ，接收各種輸入信號（限位原點(diǎn)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(diào)用運(yùn)動控制卡函數(shù)庫，快速開發(fā)出軟件。運(yùn)動控制卡也因其功能強(qiáng)大、開發(fā)便利等優(yōu)勢已被廣泛運(yùn)用于切割機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、電路板鉆/銑機(jī)、超聲波焊機(jī)、絲印機(jī)、 AOI 檢測機(jī)、飛針測試機(jī)、激光焊接機(jī)、雕刻機(jī)、噴繪機(jī)、快速成型機(jī)等測量與自動化設(shè)備領(lǐng)域。針對我國主要存在的中低檔機(jī)床，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍具有相當(dāng)大的市場潛力。所以在研制經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)，降低成本，提高可靠性已經(jīng)成為大多人追求的目標(biāo)。而在 PC 并口的驅(qū)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(yùn)動控制卡的成本比較昂貴，受到實(shí)驗(yàn)室的限制所以就選擇了PC 并口來控制雕刻機(jī)。PC 并口控制采用并口輸出的方法來實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的接口。標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器放大并口輸出的脈沖和方向信號，使之驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。并口的輸入位用來檢測回零開關(guān)信號、限位開關(guān)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(jī)的正負(fù)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(jié)構(gòu)圖如圖 3-1：22圖 3-1.并口結(jié)構(gòu)圖3． 2 驅(qū)動器的設(shè)計(jì)方案由該結(jié)構(gòu)圖可以看出需要三個步進(jìn)電機(jī)，所以先要選取步進(jìn)電機(jī)的型號。根據(jù)雕刻的加工范圍、加工精度和經(jīng)濟(jì)性等要求選擇了 42BYGH121 型號的步進(jìn)電機(jī)。具體參數(shù)如下：額定電流：1A；額定電壓：12V-24V；導(dǎo)程：8mm；步距角：1.8°；脈沖當(dāng)量：0.04mm；行程：20cm；扭矩：3kg/cm。步進(jìn)電機(jī)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(jié)果見第五章的詳細(xì)介紹。另外旋轉(zhuǎn)電機(jī)的減速比是 42：1。所以每個脈沖就會使電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為360/42=8.5714°。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的加工范圍 45°-135°。以上所有電機(jī)參數(shù)見附件 A。步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)有了還需驅(qū)動器和驅(qū)動板，三個步進(jìn)電機(jī)對應(yīng)的就是三個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的要求來選擇驅(qū)動器。在本課題中選用了兩種不同的驅(qū)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(qū)動器介紹部分。驅(qū)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(jī)的硬件部分，若要能夠使雕刻機(jī)成功運(yùn)動起來就必須還要有一個軟件來給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖和方向信號。本課題主要是運(yùn)用 EMC2 軟件來發(fā)送信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。方案的設(shè)計(jì)與一些設(shè)備儀器的選取差不多已經(jīng)完成了，接下來的主要任務(wù)便是搞清楚驅(qū)動的原理及相關(guān)設(shè)備之間的連線方式。3． 3 雕刻機(jī)的驅(qū)動原理雕刻機(jī)的傳統(tǒng)的工作原理：通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部配置的專用雕刻軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和排版，并由計(jì)算機(jī)把設(shè)計(jì)與排版的信息自動傳送至雕刻機(jī)控制器中，再由控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的帶有功率的信號（脈沖串） ，控制雕刻機(jī)23主機(jī)生成各軸的雕刻走刀路徑。同時，雕刻機(jī)上的高速旋轉(zhuǎn)雕刻頭通過按加工材質(zhì)配置的刀具對固定于主機(jī)工作臺上的加工材料進(jìn)行切削，這樣即可雕刻出在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動化作業(yè)。而本課題的原理是將預(yù)先設(shè)定好的 G 代碼轉(zhuǎn)化為 EMC2 軟件能讀懂的信號，然后 EMC2 軟件通過計(jì)算機(jī)并口到驅(qū)動板將信號放大給驅(qū)動器脈沖信號，驅(qū)動器帶動步進(jìn)電機(jī)然后就是雕刻機(jī)正常運(yùn)行如圖 3-2 所示。G 代碼 驅(qū)動板驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī) 雕刻機(jī)EMC2輸出脈沖與方向圖 3-2.驅(qū)動原理圖3． 4 驅(qū)動板與驅(qū)動器3.4.1 驅(qū)動板驅(qū)動板的工作原理就是將 EMC2 軟件給的信號進(jìn)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(qū)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(hù)電器的作用。3.4.2 驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角” ）一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒有積累誤差，所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行是要有一個電子裝置進(jìn)行驅(qū)動的，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比。因此，只要控制步進(jìn)電機(jī)脈沖信號的頻率就可以對電機(jī)精確調(diào)速，而控制步進(jìn)電機(jī)脈沖的個數(shù)就可以對電機(jī)精確定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器還可以對電機(jī)的步距角進(jìn)行細(xì)分。步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了。如驅(qū)動器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時，其步距角只為“電機(jī)固有24步距角”的十分之一，也就是說：當(dāng)驅(qū)動器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖，電機(jī)就轉(zhuǎn)動 1.8°；而用細(xì)分驅(qū)動器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時，電機(jī)只轉(zhuǎn)動了 0.18°，這就是細(xì)分的基本概念。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無關(guān)。驅(qū)動器細(xì)分的優(yōu)點(diǎn)主要有：完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑。如果步進(jìn)電機(jī)有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細(xì)分驅(qū)動器是唯一的選擇。不僅如此，細(xì)分還可以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時提高了約30-40%。還能提高電機(jī)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(jī)的分辨率也是不言而喻的。3． 5 雕刻機(jī)的整體接線整體的接線就是縱觀所有儀器設(shè)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(jì)算機(jī)中的 EMC2 軟件來驅(qū)動雕刻機(jī)運(yùn)動看看。圖 3-3.整體接線圖如圖 9 所示，計(jì)算機(jī)與驅(qū)動板之間通過計(jì)算機(jī)并口連接，并由計(jì)算機(jī)控制板給驅(qū)動板提供一個 5V 的電源。然后驅(qū)動板通過四根信號線與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接在一25起，一個 24V 的電源給驅(qū)動器提供電流。最后就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與雕刻機(jī)上的各個軸的步進(jìn)電機(jī)相連以至驅(qū)動雕刻機(jī)。3． 6 雕刻機(jī)的驅(qū)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(jī)的驅(qū)動與運(yùn)動方面的優(yōu)化。本課題雕刻機(jī)的驅(qū)動與優(yōu)化都是依賴于 EMC2 軟件，而在前面就已經(jīng)介紹過了這個軟件的一些選項(xiàng)、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(qū)動雕刻機(jī)以及運(yùn)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(xiàng)勾上。在本課題中電平是