1、XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY畢業設計（論文）開題報告龍門式小型雕刻機機械結構設計院（系）機電工程學院專業 機械設計制造及其自動化班級090207姓名田甜學 號090212124導師李剛2013年3月20日一畢業設計（論文）綜述（題目背景、國內外相關研究情況及研究意義）1.1題目背景和意義隨著時代的進步，科技的發展，我們的生活節奏越來越快，許多生產方式也由以前 的手工制造發展為更適合當代社會的機械制造，機械化是大批量、高效率、高精度的象 征，雕刻機就是隨著時代的進步而產生的解決手工雕刻的費時、費力、費神的機電一體 化產品。雕刻機是一種集合了鉆、銑功能的自動化加工設備

2、。通過X、丫、Z三軸的運動控制, 可以加工出各種各樣的圖案復雜、造型奇特、成品精細的零件以及對軟質材料的加工， 廣泛應用于石材藝術雕刻、木工家具雕花、建筑裝飾雕刻、廣告模具雕刻、工藝禮品雕 刻、印章圖章雕刻等加工領域。具有加工效率高、表面光潔度好、性價比高等優點。隨著世界科學技術的迅速發展，我國機械工業的技術水平和生產能力與工業發達國 家相比還存在相當大的差距。因此，在我國以新技術改造傳統產業和開發高科技術含量 的新產品，已成為當前機械工業以至各傳統產業密切關注和改革的焦點。所以對雕刻機 的深入研究成為了當下非常重要和有意義的工作。1.2雕刻機的發展1938年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”

3、問世， 1950年“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。隨后美國、日本和法國等國也開始 研制。20世紀90年代，隨著微電子技術的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發展。 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展，從而使雕刻機產生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D 2.5D3D加工的變革，功能完善、性能穩定、造型美 觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。雕刻機是由數控龍門銑床轉型而來的，近幾年來在我國發展非常迅速，相對于手工 雕刻來說它是科技發展的一次質變，它的出現給人們帶來了巨大的方便，也給我們在工 業上的的發展帶來了很大的變化。然而在前幾年，機械化生產傳統

4、家具的廠商還沒有受 到人們的廣泛關注，始終與手工雕刻的市場有一定的差距，但隨著科技的進步，機雕的 出貨量、出貨品質以及款式等都有了大幅的提升，逐漸贏得了消費者的認可，并且逐漸 從成為市場的主流。手工雕刻雖然也很工整，但細看每個紋飾都略有差別，最大的差別 是平面部分與挖下去的部分呈斜角，缺乏圓潤感。由于機雕制品以電腦繪圖軟件描繪原 作，然后由自動雕刻機輸出，因此細節處顯得工整歸一。它的運用，大量節省了企業在 產品制作上的時間，提高了雕刻工藝及工作效率，并且現在很多行業都受益于雕刻機。 如今，經過十多年的發展，雕刻機已經被廣泛運用于各行各業之中。隨著近年來我國制造業的迅速發展，數控雕刻機產業也獲得

5、了良好的發展機遇，有 效地促進了我國數控雕刻機的生產和推廣應用。我國數控雕刻機起步經濟型數控機床， 隨著數控技術的進步，進過十多年的發展，已形成了多個國產品牌的雕刻機，如上海洛 克公司生產的啄木鳥數控雕刻機、北京槽雕公司生產精雕數控雕刻機和南京科能公司生 產的威克數控雕刻機等。上述各類雕刻機機床本體結構比較簡單，控制器大多借鑒國外 新技術，采用基于高檔的微控制或PC的數控系統，伺服部分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，因此整機的性價比高，適用于精度不太高的普 及應用場合。對高精度雕刻加工，目前我國尚以進口數控雕刻機為主，這類數控雕刻機 機床本體設計剛度好、精度高，采

6、用伺服電機驅動，加工精度高，控制系統功能全，可 靠性高，但價格昂貴，因此主要應用于模具等高精度加工場合。數控雕刻機作為制造業一個有力工具，有著非常廣闊的發展前景，隨著計算機技術、 機電技術、機械技術等各個科學技術的發展，數控雕刻機的功能將日益強大，性能將更 趨穩定。雕刻機發展趨勢總結如下：更加精密控制部分和機械部分精度的提高將極大地提高雕刻系統的精度，控制部分將向閉環伺服方向發展，通過反饋調整做到誤差補償，從而可以大幅度提高精度；機械部分將采 用更高精度的滾珠絲杠和驅動電機，同時裝配工藝的提高也將進一步提高系統的精度。更加高效高性能運動控制技術如 DSP技術、32位單片機等的發展，驅動電機性能

7、提高，刀 具性能提高，采用規范的軟件開發技術等等，都將會推動數控雕刻系統向著高速、 高效、 高可靠性的方向發展。利用移動通訊技術和網絡技術飛速的發展，數控雕刻機將朝著數字化、網絡 化的方向發展。二本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1主要內容本課題設計的主要內容有以下幾點：通過調研和參閱相關資料，全面了解龍門雕刻機的工作原理及發展；根據雕刻機的性能要求和結構特點，完成總體方案設計，包括總體結構設計， 運動方案、進給運動方案、刀具方案等設計；確定工作參數和結構參數，進行機械本體、傳動系統、驅動裝置的設計；對各要素單元主要零部件進行計算與校核，并繪制裝配圖及零件圖。2.2方案

8、設計2.2.1總體布局的基本要求雕刻機總體布局的基本要求有以下幾點：（1）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；（2）確保實現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；（3）確保雕刻機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形及噪音 水平；（4）應便于觀察加工過程，便于操作、調整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理， 注意防護，確保安全；（5）結構簡單，合理可靠，便于加工和裝配。2.2.2方案選擇龍門雕刻機的主要結構有底座、工作臺、龍門架、X向進給電動機、丫向進給電動機、Z向進給

9、電動機、主軸電動機、雕刻機機身及電氣系統部分組成。工作原理框圖如 圖1：各軸控制倍號勵執行加圖1根據設計要求和原始資料進行初步設計，查找相關資料并閱讀，發現雕刻機的運動 分配不同，雕刻機的布局也會不同。對于同一種運動分配的布局，由于導軌的布置和其 他結構形式的不同，也將使雕刻機的布局出現變化。在分配雕刻機運動時，一般應注意 以下幾點：（1）移動部件的重量應盡量輕。在其它條件相同的情況下，移動部件的重量越小, 所需電機功率和傳動件的尺寸也越小；（2）應有利于提高加工精度；（3）應有利于提高雕刻機剛度，縮小占地面積；（4）工件的尺寸重量和形狀的影響。工件的表面形成運動及雕刻機部件的運動分配基本相同

10、，而工件尺寸、重量和形狀 不同，雕刻機的布局也會有很大差異。另外，還應該考慮雕刻機性能要求的影響，如振 動、噪聲、熱變形、岡寸度和抗振性，操縱方便的影響，模塊化設計法的影響等。通過查 閱相關的文獻資料，雕刻機基本布局形式通常有如圖 2, 3所示的兩種方案：龍門移動結構龍門移動結構是指整個龍門架隨著 X軸方向進行移動，而工件是固定在工作臺上 的。這種結構在自制雕刻機中被大量使用，其結構如圖 2所示。 其優點是：由于工作臺是固定的，因此可以加工大尺寸與高重量的工件，而不必擔心與 雕刻機的能力有沖突；對X軸行進方向利用率高，可以加工到整個 X軸的行程范圍；結構非常穩定，而且平衡性好；X、Y軸上可以使

11、用相同的驅動電機，而 Z軸上由于承載的重量最小，可以使 用驅動能力小一些的電機。缺點是：X軸需要承受丫、Z軸的所有重量，因此對X軸的承重能力要求較高；對主軸的要求很高，因為主軸的噪聲與振動會傳遞給雕刻機，從而會引起整 個雕刻機的振動。X與丫軸的誤差會不斷累積。圖2固定龍門結構固定龍門結構是指整個龍門架與機架底座是固定的，工件在X軸方向隨工作臺一起運動。這種結構主要應用在對精度要求高的雕刻機上，其結構如圖3所示。其優點是：（1）X與丫軸的誤差不會累積，這樣可以提供一個較高的加工精度。缺點是：（1）工件需要隨工作臺移動；（2）工件的重量與尺寸受X軸的結構的限制；（3）X軸行程總長的一半可以被使用，

12、對 X軸的利用率低。通過對比方案一、方案二的優缺點，充分考慮到布局的基本要求、影響布局的基本 因素并結合經濟性、使用廣泛性、加工精度等因素，決定采用方案一。三本課題研究的重點及難點，前期已開展工作3.1本課題重難點3.1.1本課題重點（1）小型龍門雕刻機的總體設計，包括總體結構設計，運動方案、進給運動方案、 刀具方案等設計；龍門雕刻機的機械系統的設計計算，包括主運動系統的設計計算、進給運動 系統的設計計算及校核；用三維設計軟件設計有關零部件，并進行裝配，生成二維圖。3.1.2本課題難點首先是結構形式的確定，龍門雕刻機的設計重要的是在滿足設計要求的前提 下實現結構簡單、質量輕，因此設計的剛度、強

13、度和穩定性計算是設計研究的主要問題;運行機構的設計中驅動方式、驅動輪的位置和輪距、電機制動器等的布置形 式也是研究的重要方面，直接影響到雕刻機的性能；雕刻機裝配圖及其關鍵零件的繪制。3.2前期展開的工作前期開展的工作主要是查閱各種關于雕刻機的書籍、資料、參考文獻，通過網絡查 詢了一些制作雕刻機的過程并觀看了一些相關視頻，了解龍門雕刻機的工作原理；搜集 關于雕刻機方面的外文資料；根據雕刻機的性能要求和結構特點制定總體設計方案并確 定最終方案。四完成本課題的工作方案及進度計劃(按周次填寫)結合學校工作安排與我自身的實際情況，畢業設計的工作安排進度如下：12周，調研、查閱相關資料；34周，擬定系統總

14、體設計方案，完成開題報告并答辯；56周，完成總體方案設計，確定相關參數及系統構成，67周，翻譯外文資料；89周，完成機械本體、傳動系統及驅動裝置等系統要素的詳細設計；1011周，計算與校核；12周，撰寫中期報告；13周，完成零件圖繪制；1415周，完成裝配圖繪制；1618軸編寫設計說明書，準備畢業答辯參考文獻1 蔣瑞挺.微型雕刻機的基礎知識 .電子制作， 2012,(3):44472 蔣瑞挺 .微型雕刻機的機械設計及組裝 .電子制作， 2012,(6):6266龔志遠.小型CNC雕刻機設計.組合機床與自動化加工技術，2011,(2):100102藺麗莉，李晶，李祥文 .小型數控雕刻及結構設計與

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