大幅面数控雕刻机的结构设计

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 (1)

1.1 课题的研究背景及意义 (1)

1.2 国内外雕刻机的研究成果及发展趋势 (2)

1.2.1 国外雕刻机的发展现状 (2)

1.2.2 国内雕刻机的发展现状 (4)

1.2.3 雕刻机功能及使用范围 (5)

1.2.4 雕刻机的总体发展趋势 (7)

1.3 主要研究内容 (8)

第二章大幅面数控雕刻机机械机构的总体方案设计 (9)

2.1 大幅面数控雕刻机的设计方案 (9)

2.1.1 大幅面数控雕刻机的设计原则 (9)

2.1.2 大幅面数控雕刻机的技术要求 (10)

2.1.3 机械设计的总体方案 (11)

2.2 大幅面数控雕刻机的模型及工作原理 (12)

2.2.1 大幅面数控雕刻机的坐标系统与机械构成 (12)

2.2.2 大幅面雕刻机的工作原理 (17)

2.3 本章小结 (18)

第三章电机的选择 (19)

3.1 确定设计参数 (19)

3.1.1 铣削力、扭矩和功率的计算 (19)

3.2 电动机选择 (21)

3.2.1 电动机的类型 (22)

3.2.2 主轴电机的选择 (22)

3.2.3 X轴向进给机构电动机的选型 (23)

3.3 本章小结 (25)

第四章机械设计部分 (26)

4.1 机床底座设计 (26)

4.2 进给系统设计 (28)

4.2.1 滚珠丝杠副的设计计算 (28)

4.2.2 滚珠丝杆的校核 (32)

4.2.3 Y轴方向进给齿轮齿条设计 (36)

4.3 本章小结 (37)

第五章基于ANSYS的有限元分析 (38)

5.1 ANSYS Workbench简介 (38)

5.2 立柱的静力学分析 (38)

5.2.1 支撑立柱的静力学分析 (38)

5.2.2 机床底座应力应变 (39)

5.3 机床的模态分析 (39)

5.4 本章小结 (41)

第六章大幅面数控雕刻机误差分析 (42)

6.1 误差及其分类 (42)

6.2 导轨副的爬行误差 (42)

6.3 丝杠副螺母的位置误差 (43)

6.4 本章小结 (45)

第七章结论与展望 (46)

7.1 研究结论 (46)

7.2 大幅面雕刻机研究的展望 (46)

致谢 (47)

参考文献 (48)

第一章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

雕刻工艺是一种具有古老传统传承的加工方法，传统的雕刻加工在首饰雕刻和工艺品雕刻两方面都展现着雕刻工作者的高超的手工技艺和深厚的艺术功底。在当代社会，传统的手工雕刻方式以其生产效率低下、劳动强度庞大的缺点，而不能满足人类日益增长的物质需要。于是，为了迎合市场需求，雕刻行业未来的发展方向是将精湛的雕刻加工工艺与现代化的加工生产形式相结合。现代用于生产制造的铣床和数控加工中心，能够替代手工进行雕刻，提高了雕刻效率，但是在加工铜、铝等材质较软的金属时这类机床的应用受到了限制[1]。虽然高速的计算机数控加工中心机床可以克服上述的缺点，但是因其价格较高，一般的小型企业用户难以接受。伴随着CNC技术、零件加工技术和机床总体装配技术的提高，数控雕刻机的研制得到了空前发展[2]。在刀具转速、加工材质较软的金属材料、被加工件的表面质量及性价比等方面，数控雕刻机的优势要比传统的计算机数控设备明显得多，因此在现代制造加工业已经具有了不可替代的重要性。

自九十年代中期雕刻机登入中国市场以来，国产设备，以小功率、小幅面雕刻为主，无法对材料进行大功率、大幅面加工。这就导致企业的生产受到了很大程度的限制，因此适合于大幅面加工的数控雕刻机的研制已刻不容缓。鉴于此，研制大幅面数控雕刻机将具有重要意义。论文将以现有的大幅面加工机械为原型，设计一种大幅面的数控雕刻装置。本文能从以下几个方面体现该研究的意义：

1．雕刻机技术在国外发展的较早，经过长时间的应用研究，技术已经比较成熟。但是，在我国雕刻机技术最先引进于发达国家，研发人员经过长时间的理论分析与实验研究还没有掌握雕刻机的核心技术，致使雕刻机技术在我国发展的步伐较为缓慢。雕刻机的商品化、市场化程度还有待提高，对雕刻机核心技术的开发是我国研究人员面临的主要问题[3]。

2．纵观国外数控产品的发展情况可以得出，只有具有高速度、高精度、高效率的多功能数控机床才能在真正意义上占领市场[4]。因此，需要科研人员自主研发高端的雕刻软件。

3．幅面超大化。现有的雕刻机基本上对加工件都有幅面的限制要求，在轨道客车内饰板这样大幅的工件上加工雕刻是雕刻机技术的瓶颈。以往的大幅面工件需要技术高超的工匠手工来完成。因此大幅面数控雕刻机的设计从根本上解决了这类问题。

4．市场应用广泛。随着人们日益提高的物质文化水平，消费者更注重产品的视觉效应，因此雕刻机的应用领域得到空前的扩张。应消费者需求，轨道客车内饰板的加工企业亟需在满足轨道客车质量的基础上，完善内饰板的艺术加工即在内饰板上雕刻赏心悦目的图案或厂商要求的广告语。同时传统的木材加工，也广泛使用雕刻机进行雕刻设计，具有操作简洁、无污染、效率高、低投入、高回报等优势。