CNC雕刻机机构设计简介
雕刻机毕业设计(一)
雕刻机毕业设计（一）引言概述该文档将介绍雕刻机毕业设计的相关内容。
雕刻机是一种广泛应用于制造业的工具，具有精确、高效的特点。
本毕业设计旨在设计和实现一台具有特定功能和性能的雕刻机。
本文将从设计概念、技术要点和性能参数等方面进行详细介绍。
正文一、设计概念1.1 确定需求：分析市场需求和应用场景，明确目标功能。
1.2 制定设计目标：确定设计的整体思路和目标，如性能指标、外观设计等。
1.3 确定设计流程：制定设计的具体步骤和流程，确保设计过程的顺利进行。
1.4 安全性考虑：考虑到使用过程中的安全性问题，并采取相应的措施。
二、技术要点2.1 雕刻机结构设计：设计雕刻机的整体结构和各个部件的布局。
2.2 电路设计：设计驱动电路、运动控制电路等，实现雕刻机的各项功能。
2.3 控制系统设计：设计雕刻机的控制软件和相应的用户界面，实现易用性和灵活性。
2.4 精度优化：通过优化结构和控制系统，提高雕刻机的加工精确度。
2.5 材料选择：选择适合雕刻机使用的材料，确保设计的稳定性和可靠性。
三、性能参数3.1 加工精度：确定雕刻机的加工精确度和重复性。
3.2 加工速度：评估雕刻机的加工速度和效率。
3.3 工作范围：确定雕刻机的工作范围，包括X、Y、Z轴的移动范围。
3.4 载重能力：评估雕刻机的最大载重能力，以适应不同工件的加工需求。
3.5 耐用性：评估雕刻机的使用寿命和稳定性。
四、小点1...五、小点2...六、小点3...七、小点4...八、小点5...总结通过本文的介绍，我们了解了雕刻机毕业设计的整体思路和步骤。
确定设计概念、关注技术要点、指定性能参数，这些都是成功完成雕刻机毕业设计的关键。
同时，我们也要注重安全性和优化设计，以确保雕刻机的性能和使用寿命。
希望这些内容能够对读者在雕刻机毕业设计中的决策和操作提供帮助。
小型数控雕刻机结构设计与实现
位精度为 ０ ５ ． ０ ｍｍ；重复定位精度为 ０ ２ Ｔ 主轴最 ．５ ｌ ０ ｍｌｌ
高转速 为 ２ ０ ／ ｎ ４０ ０ ｍｉ；最大进给速度 为 ３ ｒ ｍ／ ｉ， ａ ｒ ｎ
传动系统 、Ｚ 轴均采用步进 电机驱动。 、ｙ
求有 良好的回转精度 、结构 刚度 、抗振性 、热 稳定性 及 精度 的保持 性 。
雕刻机 的主轴组件部分 ，如 图 ５ 示，通过 Ｚ向 所 滑块固定在 Ｚ向丝杠 的支架上 ，采用上述交流 电机带 动主轴机构 。
ｚ向进给 电机 主 轴 电机
联轴器 定 位螺 母
１采 用 高速直 流 电机 ） 利用 换 向器来 自动 改变 线 圈中 的 电流 方 向 ，从
变速 电动 机 来承 担 。雕 刻机 主 传动 为主 轴 的旋转运 动 ，主轴承承 受的轴 向载荷较大 ，径 向载荷稍小 ，精 度 要求较 高 。针对 雕刻 机 的工作 需求 对于 主轴 电机
有 以下两 种选 择 。
等载荷 ，完成表 面的成形运动 。主轴组件 由主轴 电机 和支架及其安装在主轴上 的传动件、密封件等组成，要
要 。针对不 同的应用领域，介绍 了一种低价、高效和实用 的数控雕刻系统的设计方案。并对结构简 单、加 ： 精度
较 高 、成 本 低 廉 的小 型 数 控 雕 刻 机 进 行 了 分析 。系 统 地 介 绍 了小 型 数 控 雕 刻机 的 总体 布 局 、主 运 动 传动 系统 、主 轴 结 构 、进 给 运 动 系 统 等 主 要 机 械 结 构 设 计 。 与 当 前 国 内外 同 性 能 的 数 控 雕 刻 机 相 比 ，在 价 格 上 具 有 一定
五轴联动数控雕刻机结构设计
五轴联动数控雕刻机结构设计在数控雕刻机的设计中，五轴联动结构是目前较为常见的设计方案之一。
它可以实现对工件的多角度切削和精细加工，广泛应用于各种工业生产领域。
本文将主要介绍五轴联动数控雕刻机的结构设计和相关技术。
五轴联动数控雕刻机是一种高精度的加工设备，它可以在三维空间内沿着任意轴线进行加工，具有以下特点：1.高精度：五轴联动数控雕刻机具有较高的机床刚性和运动精度，可以保证加工精度和表面质量。
2.高效率：五轴联动数控雕刻机可以在一次装夹的情况下完成多个加工面，提高了生产效率。
3.广泛适用：五轴联动数控雕刻机可以加工各种难加工的工件，如曲面、复杂零件等。
4.易于操作：五轴联动数控雕刻机采用计算机控制和程序编写，具有灵活性和易操作性。
1.机床底座：机床底座是整个数控雕刻机的主要承重部分，它需要具有足够的刚性和稳定性，以保证加工精度和表面质量。
底座材料通常为优质铸铁、钢铁等。
2.主轴箱体：主轴箱体是数控雕刻机的核心部分，它包括主轴、伺服电机、减速器等部分。
主轴箱体需要具有较大的承载能力和刚性，以能够承受高速转动的主轴和高速切削力。
3.工作台：工作台是安装工件的平台，它需要具有足够的刚性和平整度，以保证工件的精确定位和加工精度。
在五轴联动数控雕刻机中，工作台可以沿着X、Y、Z三个方向移动，并且可以绕着A、C两个轴旋转。
4.五轴联动部分：五轴联动部分是数控雕刻机的核心部分，它由数控系统控制，可以实现对工件的多角度切削和精细加工。
五轴联动部分通常包括A轴、C轴、AB轴、BC轴等各个轴的伺服电机、减速器、轴承等部分。
5.数控系统：数控系统是五轴联动数控雕刻机的控制核心，它负责控制机床各个部分的运动和加工过程。
数控系统通常由计算机、控制卡、数控软件等部分组成，可以直接对加工程序进行编程和调整。
五轴联动数控雕刻机的工作原理是由数控系统对五个轴的运动进行控制，从而实现对工件的多角度切削和精细加工。
具体工作流程如下：1.准备工作：将工件固定在工作台上，并进行定位、检测等工作。
CNC控制面板的软硬件和结构设计
CNC控制面板的软硬件和结构设计CNC控制面板是由软件和硬件组成的，硬件为软件的运行提供了支持环境。
CNC控制面板中实时性要求较高的任务就是插补和位控，即在一个采样周期中必须完成控制策略的计算，而且还要留有一定的时间去做其他的事。
CNC控制面板的插补器既可面向软件也可面向硬件。
CNC控制面板系统的硬件结构从电路板结构来分，有大板式和模块化结构两种。
从而使用的微机及结构来分，有单微机和多微机结构。
为了实现机床的控制任务，还必须设置一些输入，输出装置，这些装置通常称为外部设备，它们通过相应的接口空与数控机床连接，实施信息交换与控制。
CNC控制面板结构设计
●独特的欧式风格设计、亚克力按钮材质，透明水晶式按键，具有防水、防油，使用寿命长等优点
●立体框架结构，操作区域清淅的色彩搭配方案，美观大方；按钮可从正面直接更换，可根据CNC机种进行自由排布，适用范围广
●高度集成化电路，模块化设计，输入、输出接口与系统接口配套，连接方便
●矩阵扫描电路，为客户节省大量I/O点，面板（含手轮）共使用输入18个点，输出16个点，加密采用随机码形式，操作方便快捷
●正面防水防油设计（防护等级IP65）
●进口数字式编码波段开关，性能可靠稳定，施耐德按钮开关，做工精细且性能稳定
●支持联机调试，便于查错
●提供标准接口方案和范列程序，面板更新换代方便。
CNC数控系统的基本结构
△Li=F△t (i=1，2，…)
则当t→0时，折线段之和接近曲线L,即
当F为常数时，由于△ t对于一个数控系统而言恒为常数， 故△Li的长度也为常数，只不过其斜率与在L上的位置有关。
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第一节 概述
2.插补运算 在计算出△Li后，必须将其分解为x轴及Y轴移动分量△xi
另一方面，CNC系统的硬件和软件大多是采用模块化的结 构，使系统的扩充、扩展变得较方便和灵活。不仅如此，按 模块化方法组成的CNC系统基本配置部分(软件和硬件)是通 用的，不同的数控机床(如车床、铣床、磨床、加工中心、 特殊机床)只要配置相应的功能模块(软件和硬件)，就可满足 这些机床的特定控制功能。这种通用性对数控机床的培训、 学习以及维护维修也是相当方便的。
LCD(液晶显示屏)，通过软件可实现字符和图形的显示，以 方便用户的操作和使用。在CNC系统中这类功能有:菜单结 构的操作界面;零件加工程序的编辑环境;系统和机床参数、 状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。
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第一节 概述
四、CNC系统的主要优点
1.数控功能丰富 由于CNC系统中的计算机具有较强的计算能力，因此，使
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第一节 概述
9.主轴功能 数控系统的主轴的控制功能，主要有以下几种: ·切削速度(主轴转速):刀具切削点切削速度的控制功能，
单位为m/min (r/min); .恒线速度控制:刀具切削点的切削速度为恒速控制的功能，
如端面车削的恒速控制;
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第一节 概述
4.灵活性和通用性 与早期的硬线数控系统相比，CNC系统在功能的修改和扩
CNC雕刻机平面并联机构的运动学设计
Jo u rn a l o f H uaq i ao U n ive r s ity N a t u ra l Sc i en ce J u l 文章编号100025013 (2002) 0320293207雕刻机平面并联机构的运动学设计CNC郑亚青刘雄伟( 华侨大学机电与自动化学院, 泉州362011)摘要提出一种新型三坐标CN C 雕刻机的概念设计1 该雕刻机采取平面并联机构实现X, Y 方向进给运动, 而安装在该机构末端的串联主轴实现Z 向进给运动1 针对该平面并联机构, 研究基于总体灵活度的运动学设计方法, 指出运动学设计问题可归结为以全局运动性能指标最大为目标的单目标、有约束的优化设计问题. 同时, 利用随机方向法搜索到一个最优解, 通过实例分析进行验证. 结果表明, 提出的方法是可行的, 可用于样机的开发1关键词平面并联机构, 运动学, 雕刻机, 计算机数控中图分类号T H 112 ∶T G 659 ∶T H 113 文献标识码 A平面闭链五杆机构, 是最简单的双自由度平面并联机构1 对于它在混合机械系统中的应用, 文献〔1〕深入地分析了其全局运动性能, 文献〔2, 3〕利用其实现精确轨迹和函数的输出1 但在轻型数控机床中的应用, 上述研究并没有深入分析其运动性能1 在运动学设计方面, 文献〔4, 5〕研究了兼顾工作空间面积和可控灵活度的设计方法1 针对文献〔6〕CN C 双摇臂雕刻机的不足之处, 本文提出了基于平面并联五杆机构的三坐标C N C 雕刻机设计方案, 研究一种基于总体灵活度的运动学设计方法1 该方法将运动学设计问题归结为, 以全局运动性能指标最大为目标的单目标有约束的优化设计问题, 并利用随机方向法搜索到一个最优解.1总体设计图1 为基于平面并联机构C N C 雕刻机, 图2 为其三维C A D模型原理图1 驱动杆L 1 和图1基于平面并联机构的C N C 雕刻机图2 平面并联机构原理图收稿日期基金项目2002202217 作者简介郑亚青(19742) , 女, 助教福建省博士课题基金资助项目华 侨 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 294 2002 年 L 4 在固定端A 和 E , 分别由各自的伺服电机驱动, 并经谐波减速器减速. 另一端分别与连杆L 2 和 L 3 相连, L 2 和 L 3 的另一端铰合在 C 点, 并在 C 点安装 Z 轴. 驱动电机安装在顶部, 通过丝 杠带动主轴上下运动, 实现雕刻机的三坐标运动. 其结构特点是M 1 , M 2 两个驱动伺服电机固 定. 这不仅有利于设计减速系统, 而且雕刻机的刚度将比文献〔6〕的双摇臂结构的刚度大大提 5- 1) + 5×1= 2〔7〕.高 1 由图 2 可以看出, 该平面并联机构的自由度为 F = 3× (5- 2 运动学设计原理211 位置逆解模型位置逆解问题: 已知并联机构结构尺度参数 L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L 5 , 以及终端位置 ( 即刀具中心) C 的位置 (x , y ) , 求两个驱动杆 L 1 , L 4 的转角 Η1 和 Η2 1 求解位置逆解有 2 个目的 1(1) 已知 C AM 模型后, 通过粗插补为伺服控制提供输入. ( 2) 为基于全局运动性能指标的尺度综合提 供数学模型 1 下面对实现 X , Y 方向进给运动的平面并联机构进行运动学分析, 其机构简图如 图 2 所示 1 刀具中心 C 的位置 (x , y ) , 可表示为x = - L 5 + L 1 co s Η1 + L 2 co s Η3 = L 4 co s Η2 + L 3 co s Η4 ,(1)y = - L 1 s i n Η1 + L 2 s i n Η3 = L 4 s i n Η2 + L 3 s i n Η4.由式 (1) 可推导出(2) x + L 5 - L 1 co s Η1 = L 2 co s Η3 , y - L 1 s i n Η1 = L 2 s i n Η3. 由式 (2) , 可得L 2 2 2 2 1 + (x + L 5 ) + L 2 - 2L 1 (x + L 5 ) co s Η1 - 2yL 1 s i n Η1 = y - 0. 2yL 1 , C = L 2 + 1 (x + L 5 ) 2 + y 2 - L 2 , 则有令 A = - 2L 1 (x + L 5 ) , B = - 2 A co s Η1 + B s i n Η1 + (3) C = 0. 令 T = tg Η1 则 s i n Η= 2 2 2 2 2T 1- - B ± B + A - T . 代入式 ( 3) , 可得 T = C . 则 Η , co s Η= 1 1 1 1+ T 2 1+ T 2 2 C - A= 2a rc t g T 或 Η1 = Π+ 2a rc t g T , 所以 Η1 共有四组解 1 同理, 可求出 Η2 , Η3 和 Η4 1 因为并联机构的 位置逆解是唯一的, 取哪一组解取决于并联机构的安装模式和初始位置 1 对于图 1 所示的安 装模式, 经推导验证, 并联机构的初始位置发生改变时, 末端执行器 C 处于不同的区域, 这时 位置逆解也不一样 1 若仅考虑使末端执行器 C 处于 y > 0 区域的初始位置, 则可以分为 3 个区L 2 2 2 2 1 + (x + L 5 ) + y - y L 2 域. ( 1 ) 区 域 1 ( x ≥ 0 , y > 0 ) . Η1 = ar c s i n + a r cco s , (x + L 5 ) 2 + y 2 (x + L 5 ) 2 + y 2y 2L 1 L 2 2 2 2 4 + x + y - L 3 y Η2 = a r c s i n - a r cco s , Η3 = a r c s i n - x 2 + y 2 x 2 + y 2 2L 4 ) 2 2 ( x + L 5 + y L 2 2 + (x + L 2 ) + y - L 1 2 2 2 2 2 2 2 L 3 + x + y - L 4 y , Η4 = a r c s i n + . ( 2 ) 区 域 2 ( x ≤ a r cco s a r cco s 2 2 2 2 x + y 2L 3 x + y 2L 2 (x + L 5 ) 2 + y 2L 2 1 + (x + L 5 ) + y - 2 2 2 y L 2 - L 5 , > 0 ) . Η1 = a r c s i n + + Π , Η2 = y a r cco s (x + L 5 ) 2 + y 2 (x + L 5 ) 2 + y 22L 1 2 2 2 2 L 4 + x + y - y L 3 y a r c s i n - a r cco s + Π , Η = a r c s i n - 3 x 2 + y 2 x 2 + y 2 2L 4 ) 2 2 ( x + L 5 + y第 3 期 郑亚青等: C N C 雕刻机平面并联机构的运动学设计 295L 2 2 2 2 2 2 2 2 (x + L 5 ) + y - 2 + L 1 L 3 + x + y - L 4 y + Π. ( 3 ) 区 域 a r cco s + Π, Η4 = a r c s i n + a rcco s 2 2 2 2 x + y 2L 3 x + y (x + L 5 ) 2 + y 22L 2 L 2 2 2 2 1 + (x + L 5 ) + y - y L 2 3 ( - L 5 < x < 0 , y > 0 ) . Η1 = a r c s i n + a r cco s , Η2 =(x + L 5 ) 2 + y 2 (x + L 5 ) 2 + y 2y 2L 1 2 2 2 2 L 4 + x + y - L 3 y - + Π , Η 3 = - a r c s i n a r cco s a r c s i n x 2 + y 2 x 2 + y 2 2L 4 ( ) 2 2 x + L 5 + y L 2 2 2 2 2 + (x + L 5 ) + y - L 1 a r cco s , Η4 = a r (x + L 5 ) 2 + y 22L 2 2. 2 全局运动性能分析Go s se l i n 值除以工作空间的面积〔5〕1 假定 Γ 表示全局运动性能指标(4) (5)1 = ∫W B = W d W . k d W , A 上式中, k 为工作空间W 内给定位置时的雅可比条件数, d W 为工作空间的微面积, B 空间的面积 1 雅可比条件数定义为k = ‖J ‖‖J - 1 ‖. 为工作 (6)k 是并联机构的一种局部性能, 仅反映工作空间内某一特定位置的机构运动控制精度 1k 值越 (J N J T ) ] , N = I ƒn , I 为二阶 大, 表示精度越低 1 而 J 为并联机构的雅可比矩阵, ‖J ‖= t r 单位矩阵, n 为方阵 J 的维数 1Γ 反映了在整个工作空间内并联机构的总体运动控制精度 1 由 于 k ≥1, 故 0< 1ƒk ≤1, 0< Γ< 1. Γ 值越大, 表示并联机构越能实现精确的控制 1 图 2 的平面并Ηα x α j 1 j 2 j 3 j 41 联机构, J 由速度正解方程 = J 求出 1 令 J = , 则 tg Η3 l 4 ( t g Η4 co s Η2 - s i n Η2 ) y α Ηα 4 5x tg Η4 l 1 ( t g Η3 co s Η1 - s i n Η1 ) 5x j 1 = = , j 2 = = , 5Η1 tg Η4 + tg Η3 l 1 ( s i n Η1 - tg Η3 co s Η1 ) 5Η2 5y 5Η2 tg Η4 + tg Η3l 4 ( s i n Η2 - tg Η4 co s Η2 ) 5y j 3 = = , j 4 = = , 5Η1 tg Η4 + tg Η3 tg Η4 + tg Η31 | j 1 j 4 - j2 j3 | = 2| k 1 - k 2 | ( ) = (k 3 + k4 ) . 7k 2 × ( j 2 + j 2 + j 2 + j 2 ) 1 2 3 4 式 ( 7) 中, k 1 = tg Η4 ( tg Η3 co s Η1 - s i n Η1 ) ( s i n Η2 - tg Η4 co s Η2 ) , k2 = tg Η3 ( tg Η4 co s Η2 - s i n Η2 ) ( s i n Η1 - tg Η3 co s Η1 ) , k 3 = ( l 4 ƒl 1 ) ( 1 + tg 2 Η4 ) ( s i n Η1 - tg Η3 co s Η1 ) 2 , k 4 = ( l 4 ƒl 1 ) ( 1 + tg 2 Η3 ) ( s i n Η2 -tg Η4 co s Η2 ) 2. 由式(4) , (5) , (6) , 可以得到平面并联机构的全局运动性能指标 Γ1 由于式 (7) 是复 合函数, 故全局运动性能 Γ 的求解, 只能用离散的方法求得 1213 基于最优全局运动性能指标 Γ 的工作空间综合基于最优 Γ 的工作空间综合, 是基于平面并联机构的 CN C 雕刻机运动学设计的核心内 容. 其目的是以实现运动终端位置能力 (运动范围) , 确保全局最佳运动控制精度目标, 确定所 有杆 L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L 5 的长度, 以及工作台的位置 121311 工作空间面积W 的确定 若不考虑转角 Η3 和 Η4 的限制, 图 2 所示的平面并联机构运华 侨 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 296 2002 年 动终端 C 可达工作空间可视为支链 L 1 , L 2 和支链 L 3 , L 4 运动终端的工作空间W 1 和W 2 的交集W = W 1 ∩W 2 , 如图 3 所示. 这里,W = Q 1 ∪Q 2 1 各杆长发生变化时, 工作空间的形状也随之 变化. 由于铰链转角 Η3 和 Η4 受到 Η1 和 Η2 的限制, 工作空间的边界难以解析表达. 本文采用一种数值近似M o n t e 2C a r l o 方法〔8〕来确定工作空间的面积. 其工作空间计算有 5 个步骤. ( 1) 用边长 l l = 2×m a x (L 3+ L 1 + L 2 ) 的一个矩形 ( 其中心与平面并联机构的笛卡儿坐标系原点生重合) , 来定义全部可能的工作空间. ( 2) 从 矩 形 中 随 机 选 择 大 量 的 点 ( 点 的 数 量 为n t o ta l = l l 2 (个) ). (3) 测试所选的每个点是否落在工作空间内 1 这可通过用平面并联机构的位置逆解方程式 ( 1) 来实 现. 若 每 个 点 的 坐 标 值 ( x , y ) 代 入 式 ( 1) 图 3 平面并联机构的可达工作空间 后, 得出的转角 Η1 , Η2 , Η3 , Η4 都是实数, 则该点就落在工作空间内; 否则, 该点就落在其外. (4) 计算落在工作空间的内的点数 n i n . ( 5) 工程空间的面 n i n积为W = l l 2. n t o t a l 21312 工作空间综合 设计目标是对该构型的雕刻机, 进行基于最优 Γ 的工作空间综合. 它 能满足并联机构运动终端的工作范围 (mm ) , 为矩形 L x ×L y , 工作台相对于雕刻机的位置应关 于X = - L 5 ƒ2对称, 且在坐标系的第一、第二象限. 同时, 确定其底边与Y = (m a x ( |L 1 - L 2 | , |L 3 - L 4 | ) + 5) (mm ) 重合. 其设计思路是, 定义杆长系数 a , b , c , d , Α, 确定一个杆长初值 L 0 , 输 入 L x , L y , 并预选一组杆长系数 (a 0 , b 0 , c 0 , d 0 , Α0 ). 对该机构以全局运动性能指标 Γ 最大为目标, 进行优化设计, 得到一组优化的杆长系数 (a 3 , b 3 , c 3 , d 3 , Α3 ). 接着, 确定具有优化杆长的平面并联机构工作空间. 然后, 测试矩形 L x ×L y 是否落在工作空间内. 否则, 返回增大初值 L 0 , 重新计算工作空间及再次测试矩形 L x ×L y 是否落在工作空间内, 直至满足要求为止. 下面 详细分析该优化设计问题 1 其目标函数 Γ→m a x , 设计变量为 a , b , c , d , Α, 而约束函数有 2 个. ( 1) 要求驱动杆 L 1 , L 4 是无条件曲柄, 在整个工作空间内无奇异点存在 1 不妨假设 a = L 2 ƒL , b = L 3 ƒL , c = L 4 ƒL , d = l ƒL , L 1 ƒL 5 = Α, L 1 + L 5 = l , L = (L 1 + L 2 + L 3 + L 4 + L 5 ) ƒ4. 由文献〔1〕可 0. ( 2) 考虑 知, 各杆长须满足如下条件, 即 a + b + c + d = 4. 0, 0< a , b , c < 2. 0, 0< d < 1. 0, Α> 到实际的应用场合, 各杆长度应避免相差太大, 故 a , b , c , d , Α的值尽量接近 1 为了优化方便, 缩小 a , b , c , d , Α的取值范围即为 0. 5< d < 1. 0, 0. 6< a , b , c , d , Α< 1. 6. 该问题且有 5 个设计 变量 X = (a , b , c , d , Α) , 两个约束条件的单目标优化设计问题 1 该约束优化问题可表示为g 1 (X ) = g i (X ) = g 2 (X ) = g j (X ) = g 3 (X ) = a + b + c + d = 4. 0i - d - 1. 6 < 0 ( i = a , b , c ) m i n f (X ) = m i n ( 1 ) = n i n 1. 0 < 0 0 0Γn i n 1 2 ( j = a , b , c ) 0. 6 - j < 0. 5 - d < i = 1 k i 的最优解. 式中 k i 值见式 ( 5). 由于该目标函数是较复杂的复合函数, 故这里采用对目标函数 的性态无特殊要求的随机方向法来求解 1 它有原理简单、解法直接、程序设计简单、使用方便第3 期郑亚青等: C N C 雕刻机平面并联机构的运动学设计297 和算法的收敛速度较快等优点〔9〕1 用随机方向法进行工作空间综合的程序框图, 如图4 所示1图4 随机方向法进行工作空间综合的程序框图华侨大学学报(自然科学版)298 2002 年3设计实例设基于平面并联机构C N C 雕刻机主轴的运动范围(mm ) 为400×400, 工作台相对于雕刻机的位置应在坐标系的第一、第二象限1 要求以全局运动性能指标Γ最大为目标, 对平面并联机构进行优化设计, 确定各个杆的杆长L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L 5 及工作台相对于雕刻机的位置1 ( 1) 已知L x = 400 mm , L y = 400 mm. ( 2) 根据图4 所示的随机方向搜索优化算法程序, 取L 0 = 405 mm , X 0 = 1. 4, 1. 2, 0. 8, 0. 6, 1. 1 , n =k = 6, Ε= 0. 21, Α0 = 0. 02, f 0 = 2. 186 3 ( Γ= 0. 4547). 在计算机上用M a t l ab 优化工具箱编程运行, 共迭代100 次, 求得约束最优解. X 3 = 1. 011f (X 3 ) = 1. 289 0) , Γ3 = 0. 775 8. 那么, 则各个杆的2, 1. 000 0, 1. 000 0, 0. 988 8, 1. 500 0 ,杆长分别为L 1 = 240. 28 mm , L 2 = 409. 54 mm , L 3 = 405. 00 mm , L 4 = 409. 53 mm , L 5 = 160.18 mm.绘制出的平面并联机构的可达工作空间, 如图5 所示. 机构相对于工作台的极限位置, 如图6 所示. 通过位置逆解方程式(1) , 求出平面并联机构的四个极限位置(D ) , 计算结果如表1所示.图5 平面并联机构的可达工作空间图6 机构相对于工作台的极限位置表1 平面并联机构的极限位置表D ƒm mΗ1 ƒ( °) Η2 ƒ( °) Η3 ƒ( °) Η4 ƒ( °)(120, 170) (120, 570) (- 280, 570)122. 186 379. 809 5136. 875 8- 20. 331 634. 094 077. 792 0- 4. 671 354. 524 782. 203 1129. 896 4122. 128 7154. 531 1( - 280, 170) 257. 063 082. 590 0 99. 277 1 214. 882 54结束语基于平面并联机构的C N C 雕刻机, 具有可实现平动和转动的解耦控制工作空间大, 以及刚度较大等优点1 它同时可将运动学设计问题, 视为以全局运动性能指标最大为目标的单目标、有约束的优化设计问题. 用随机方向法搜索到一组杆长系数最优解, 即a=1. 011 2, b= 1. 0, c= 1. 0, d = 0. 988 8, Α= 1. 5, 其全局运动性能指标Γ可达0. 775 81 设计实验例证表明, 该第 3 期 郑亚青等: C N C 雕刻机平面并联机构的运动学设计 299 最优解是可行的, 可用于样机的开发 1参 考 文 献周双林, 邹慧君, 姚燕安等 1 混合输入五杆机构运动性能的分析 [J ] 1 机械设计与研究, 2001, 17 ( 1) : 31～ 33程光蕴, 贺慧农 1 两自由度连杆机械精确实现平面轨迹的研究 [J ] 1 东南大学学报 ( 自然科学版) , 1990, 20(3) : 7～ 11孔建益, F u n k W , 吴干城 1 具有一个受控原动件的五杆机构精确实现给定传动比的研究 [J ]1 武汉冶金科 技大学学报 (自然科学版) , 1997, 20 (2) : 189～ 193G r o sse l in C M , A n ge l s J . T h e op t i m u m k i n em a t i c de s ign o f a p lan a r 32DO F p a r a l le l m an i p u la t o r s [J .A S M E J . o f M ech a n ica l D e s ign , 1988, 110 (1) : 35～ 40 G r o sse l in C M , A n ge l s J . A g l o b a l p e r fo rm an ce in dex fo r th e k in em at i c op t i m iza t i o n o f ro b o t i c m an i p u la 2 1 2 3 4 5 to r s [J . A S M E J. o f M ech a n ica l D e s ign , 1991, 113 (3) : 220～ 226 刘雄伟, 谢明红, 庄有土等. CN C 双摇臂雕刻机直线插补运动的计算机仿真 [A ] 1 中国机械工程学会生产 工程分会主编. 全国生产工程第 8 届学术大会暨第 3 届青年学者学术会议论文集 [C . 威海: 机械工业出 版社, 1999. 599～ 6026 7 8 M c 2C a r t h y J M . Geom e t r i c de s ign o f lin k a ge s [M . N ew Yo rk : S p r i n ge r 2V e r l ag In c . , 2000. 5～ 6 A lc i a t o reD , N g C . D et e r m in in g m an i p u la t o r w o rk sp a ce bo u n da r i e s u sin g th e m o n t e ca r l o m e t ho d an d lea s t squa r e s seg m en ta t i o n [J . A S M E R o b o t i c s K in em a t i c s D yn a m ic s an d Co n t r o ls , 1994. 72: 141～ 146 叶元烈 1 机械优化理论与设计 [M ]1 北京: 中国计量出版社, 2000. 60～ 639 K in e m a t i c s of P lana r Pa r a lle l M an ipula tor f o r Com puterNu m er ica l Con tro l of En g ra v in g M a c h in eZh e n g Y a q i n g L iu X io n g w e i(Co llege o f E lec t r om ech. E ng. & A u to. , H uaq iao U n iv . , 362011, Q uanzho u )A bstra c t A co n cep tua l de sign is advan ced fo r th e u se o f a no ve l 32ax is CN C en g r av in g m ach in e , i n w h i c h th e feed m o t i o n s in th e x an d y d irec t i o n s a re rea lized by a f ive 2ba r p lan a r p a ra lle l m an i p u la t o r w h ile th a t i n th e z d irec t i o n is rea lized by a se r ie s m a in sh af t m o un t ed o n th e en d o f th e m an i p u la t o r . T h e au tho r s i n ve s t i 2 ga te th e k in e m a t ic s o f th e p lan a r p a ra lle l m an i p u la t o r ba sed o n th e g lo ba l dex te r ity . an d po i n t o u t th a t th e k i n em a t ic s can be rega r ded a s a co n st ra in ed op t i m a l de sign p ro b lem w ith a sin g le o b jec t ive , w h ich m a k e s th eg lo ba l k in e m a t ic s p e rfo rm an ce i n dex to be m ax i m a l. A n d m o reo ve r , an op t i m a l so lu t i o n is sea rch e d o u t by th e m e t ho d o f ran dom d irec t i o n s an d ve r if ied by a ca se study . T h e re su lt i n d ica te s th a t th e p rop o sed k i n e m a t 2 ic s is fea s ib le an d can be ap p lied to th e deve l opm en t o f sam p le m ach i n e .Keywords p lan a r p a r a l le l m an i p u la t o r , k in e m a t i c s , en g r av i n g m ach in e , com p u te r n u m e r i ca l co n t r o l。
雕刻机总体及电气控制部分设计
雕刻机总体及电气控制部分设计一、引言雕刻机是一种常见的数控设备，在工业制造、艺术创作等领域有着广泛的应用。
本文主要介绍雕刻机的总体设计和电气控制部分的设计。
二、总体设计雕刻机总体设计主要包括机架结构设计、传动系统设计和控制系统设计。
2.1 机架结构设计机架结构是雕刻机的主要支撑部分，需要具有足够的刚性和稳定性，以确保雕刻过程中的准确性和稳定性。
通常采用铝合金材料制作机架，具有重量轻、刚性好的特点。
机架采用模块化设计，便于安装和维修。
2.2 传动系统设计雕刻机的传动系统主要包括导轨、滑块和驱动装置。
导轨一般采用直线导轨，具有高准确性和高刚度。
滑块用于连接工作台和导轨，能够实现平滑的滑动。
驱动装置通常采用步进电机或伺服电机，能够根据程序要求进行精确的定位。
2.3 控制系统设计控制系统是雕刻机的关键部分，能够实现对雕刻机各部件的控制和协调。
常见的控制系统有PC控制、DSP控制和PLC控制。
PC控制方式是最常见的方式，通过PC上的软件控制雕刻机的运动。
DSP控制方式是一种嵌入式控制方式，具有实时性好、稳定性高的特点。
PLC控制方式适用于一些简单的控制任务。
三、电气控制部分设计电气控制部分是控制系统的核心，主要包括电气元件的选型和电路设计。
3.1 电气元件的选型常见的电气元件包括电机、电源、驱动器、传感器等。
在选择电气元件时需要考虑其适应雕刻机的需求，如电机要具有足够的功率和转速；电源要稳定可靠；驱动器要能够提供足够的电流和精确的控制信号。
传感器的选择需要考虑其测量精度和信号输出方式。
3.2 电路设计电路设计主要包括电气控制系统的硬件电路设计和控制信号的电路设计。
硬件电路设计包括电机驱动电路、传感器接口电路、电源电路等。
控制信号的电路设计包括控制信号的输入和输出电路设计，其目的是确保控制信号的稳定性和准确性。
四、结论本文介绍了雕刻机的总体设计和电气控制部分的设计。
机架结构设计、传动系统设计和控制系统设计是雕刻机总体设计的主要内容，其中电气控制部分设计包括电气元件的选型和电路设计。
移动龙门式小型数控雕刻机Z轴和X轴的机构设计
目录摘要 (1)关键词 (1)1前言 (2)1.1雕刻机概述 (2)1.1.1雕刻机起源 (2)1.2数控雕刻机及其发展现状 (3)1.2.1数控雕刻机 (3)1.2.2研制雕刻机的目的和意义 (4)1.2.3数控雕刻机的特点 (4)1.2.4数控雕刻机的应用领域 (5)1.2.5我国数控雕刻机的发展现状 (5)2雕刻机的机械结构 (6)2.1雕刻机的工作原理 (6)2.2整体结构 (7)2.2.1雕刻机总体布局的基本要求 (7)2.2.2 影响雕刻机布局的基本因素 (7)2.2.3 坐标系的确定 (8)2.2.4三维雕刻机的机械结构 (9)2.3进给系统 (9)2.4进给系统 (13)3三坐标数控雕刻机的机械系统的设计 (14)3.1 设计参数的确定 (14)3.2 切削力、切削扭矩和切削功率计算 (14)3.2.1铣削力、扭矩和功率的计算 (14)3.2.2钻削力、扭矩和功率的计算 (15)3.3 主运动系统的设计计算 (16)3.3.1主运动系统传动链的组成 (16)3.3.2 主轴电动机的设计计算 (17)3.4进给运动系统的设计计算 (18)3.4.1 进给系统传动链的组成 (19)3.4.2滚珠丝杠副的设计计算 (19)3.4.3工作台进给电动机的设计计算 (22)3.4.4 工作台直线导轨副的设计计算 (23)3.5插补法 (23)4结论 (25)4.1总结 (25)4.2数控雕刻机的发展展望 (26)参考文献 (26)致谢 (27)移动龙门式小型数控雕刻机Z轴和X轴的机结构设计摘要：随着微电子技术和微型计算机的飞速发展，数控雕刻机的应用越来越广泛。
机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体。
本文简要的介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外雕刻机的特点说明雕刻机的功能和使用范围；详细的分析了雕刻机的总体布局和结构方案，以及主运动和进给运动系统的选择，以及“三维雕刻”插补法的选择，分析和实现过程，实现雕刻系统的初步优化。