.緒論1.1研究背景隨著科技的飛速發(fā)展和制造業(yè)的不斷進(jìn)步，雕刻機(jī)作為一種高精度、高效率的加工設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于藝術(shù)品制作、建筑模型、模具制造等眾多領(lǐng)域。雕刻機(jī)設(shè)計的研究背景主要基于以下幾個方面[1]：（1）市場需求增長隨著人們生活水平的提高和審美觀念的多元化，對藝術(shù)品和個性化產(chǎn)品的需求日益增長。雕刻機(jī)作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率雕刻的設(shè)備，其市場需求不斷增長。為了滿足市場需求，需要不斷優(yōu)化雕刻機(jī)設(shè)計，提高設(shè)備的性能和穩(wěn)定性[2]。（2）技術(shù)進(jìn)步推動隨著數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，雕刻機(jī)的設(shè)計水平和加工能力得到了極大的提升。新技術(shù)的引入使得雕刻機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的雕刻工藝和更高的加工精度，為雕刻機(jī)設(shè)計提供了更廣闊的發(fā)展空間[3]。（3）產(chǎn)業(yè)升級需求制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級對雕刻機(jī)設(shè)計提出了更高的要求。傳統(tǒng)的雕刻機(jī)設(shè)計已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高精度、高效率、高穩(wěn)定性的需求。因此，需要深入研究雕刻機(jī)設(shè)計，推動產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)創(chuàng)新。（4）環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展在人們對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高的情況下，如何在保證雕刻機(jī)工作性能的前提下，實現(xiàn)節(jié)能減排、減輕對環(huán)境的污染，是雕刻機(jī)械設(shè)計的一個主要發(fā)展方向。通過對雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高能耗，使用環(huán)境友好的材料，從而達(dá)到雕刻機(jī)的可持續(xù)發(fā)展。綜上所述，雕刻機(jī)設(shè)計的研究背景涵蓋了市場需求增長、技術(shù)進(jìn)步推動、產(chǎn)業(yè)升級需求和環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展等多個方面。深入研究雕刻機(jī)設(shè)計，不僅可以滿足市場需求和推動產(chǎn)業(yè)升級，還可以為制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。1.2研究意義（1）推動技術(shù)進(jìn)步：雕刻機(jī)設(shè)計涉及機(jī)械、電子、控制等多個領(lǐng)域的知識，通過本次設(shè)計，可以推動相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新，為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供有力支持。（2）促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展：雕刻機(jī)作為一種重要的加工設(shè)備，在工藝品、建筑、廣告等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。優(yōu)秀的雕刻機(jī)設(shè)計能夠提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。（3）提升藝術(shù)表現(xiàn)力：雕刻藝術(shù)作為一種古老而獨特的藝術(shù)形式，具有極高的藝術(shù)價值和表現(xiàn)力。優(yōu)秀的雕刻機(jī)設(shè)計能夠為藝術(shù)家提供更好的創(chuàng)作工具，提升他們的藝術(shù)表現(xiàn)力和創(chuàng)作水平。（4）培養(yǎng)人才：雕刻機(jī)設(shè)計是一項綜合性很強(qiáng)的工程設(shè)計項目，通過本次設(shè)計，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，為相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)提供有力支持。綜上所述，本次選題的目的和意義在于通過設(shè)計一款優(yōu)秀的雕刻機(jī)，推動技術(shù)進(jìn)步、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提升藝術(shù)表現(xiàn)力和培養(yǎng)人才，為社會的發(fā)展和進(jìn)步做出貢獻(xiàn)[5]。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，雕刻機(jī)作為重要的加工設(shè)備，其設(shè)計與制造技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。近年來，國內(nèi)的研究主要集中在提高雕刻機(jī)的精度、效率、自動化程度以及智能化水平等方面[6]。在精度方面，國內(nèi)的研究者通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、提高控制系統(tǒng)精度、采用先進(jìn)的測量技術(shù)等方式，不斷提升雕刻機(jī)的加工精度。同時，國內(nèi)的一些高校和科研機(jī)構(gòu)也在積極探索新的加工工藝和材料，以進(jìn)一步提高雕刻機(jī)的加工質(zhì)量和效率[7]。在效率方面，國內(nèi)的研究主要集中在提高雕刻機(jī)的運動速度和加工效率上。通過優(yōu)化雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)，以及改進(jìn)控制系統(tǒng)算法，國內(nèi)的研究者成功提高了雕刻機(jī)的加工效率，縮短了加工周期[8]。在自動化程度方面，國內(nèi)的研究者通過引入機(jī)器人技術(shù)、自動化夾具等裝置，實現(xiàn)了雕刻機(jī)的自動化上下料和加工過程控制，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率和降低了人工成本[9]。在智能化水平方面，國內(nèi)的一些企業(yè)開始嘗試將人工智能技術(shù)應(yīng)用于雕刻機(jī)的設(shè)計和制造過程中。通過引入智能控制系統(tǒng)、智能傳感器等設(shè)備，實現(xiàn)了對雕刻機(jī)加工過程的實時監(jiān)控和智能調(diào)整，進(jìn)一步提高了加工精度和效率[10]。1.3.2國外研究現(xiàn)狀在國外，雕刻機(jī)的研究和發(fā)展已經(jīng)相對成熟。許多國際知名企業(yè)和高校都在積極投入資源進(jìn)行雕刻機(jī)的研發(fā)和創(chuàng)新。在精度方面，國外的雕刻機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)了微米級甚至納米級的加工精度。通過采用先進(jìn)的制造工藝和材料、高精度的測量設(shè)備以及先進(jìn)的控制算法，國外的雕刻機(jī)在加工精度方面具有很高的水平[11]。在效率方面，國外的雕刻機(jī)采用了高速主軸、高速切削技術(shù)等手段，實現(xiàn)了高速、高效的加工過程。同時，通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)，以及改進(jìn)控制系統(tǒng)算法，國外的雕刻機(jī)在加工效率方面也具有很高的水平[12]。在自動化程度方面，國外的雕刻機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)了高度的自動化和智能化。通過引入機(jī)器人技術(shù)、自動化夾具等裝置，以及智能控制系統(tǒng)和傳感器等設(shè)備，國外的雕刻機(jī)在加工過程中可以實現(xiàn)自動上下料、自動調(diào)整加工參數(shù)等功能，大大提高了生產(chǎn)效率和降低了人工成本[13]。在智能化水平方面，國外的雕刻機(jī)已經(jīng)開始應(yīng)用人工智能技術(shù)。通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法，實現(xiàn)對加工過程的智能優(yōu)化和控制。這種智能化的雕刻機(jī)可以根據(jù)加工需求自動調(diào)整加工參數(shù)、預(yù)測刀具磨損等，進(jìn)一步提高加工精度和效率[14][15]。綜上所述，國內(nèi)外在雕刻機(jī)的研究和發(fā)展方面都有很大的進(jìn)展。然而，與國外相比，國內(nèi)在雕刻機(jī)的精度、效率、自動化程度和智能化水平等方面仍有待提高。因此，未來國內(nèi)的研究者和企業(yè)需要繼續(xù)加大投入力度，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)能力，以提高雕刻機(jī)的整體性能和競爭力。2.雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1雕刻機(jī)的工作原理計算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)實質(zhì)上是一個三維數(shù)控系統(tǒng)，其運作機(jī)制如圖2.1所展示。圖2.1數(shù)控雕刻機(jī)工作原理在通用微機(jī)中，有專門的設(shè)計和排字軟件，對圖文進(jìn)行精確的設(shè)計和排字。該軟件具有自動產(chǎn)生切削軌跡信息的功能，并能準(zhǔn)確、準(zhǔn)確地將刀具軌跡數(shù)據(jù)通過USB或其它數(shù)據(jù)傳送方法傳送到MCU。CNC收到這些數(shù)據(jù)后，完成了對CNC的顯示和人機(jī)對話。在實現(xiàn)了上述功能之后，利用一定的運算法則，將加工軌跡信息轉(zhuǎn)化成NC指令。該控制器再把這些命令轉(zhuǎn)換成一個信號（脈沖序列），驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，從而準(zhǔn)確地控制機(jī)床在X,Y,Z三個方向的移動。在此期間，雕刻機(jī)可執(zhí)行銑削操作，將電腦上設(shè)定好的各類平面、立體圖案，精確地雕制出來，達(dá)到雕刻工藝的自動化和精確化。2.2整體結(jié)構(gòu)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，作為其核心硬件組件，對于整個加工流程和刻字精度等核心性能指標(biāo)具有舉足輕重的影響。為確保對其有全面且深入的了解，以下將對其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的闡釋。2.2.1雕刻機(jī)總體布局的基本要求雕刻機(jī)的總體布置要符合如下幾個基本原理：一是要充分滿足加工范圍、加工精度、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益；二是在保證確定的加工方法的基礎(chǔ)上，對工件和工具的相對位置和運動軌跡進(jìn)行合理的設(shè)置，努力在經(jīng)濟(jì)合理的情況下，選擇更短的傳動鏈和更簡潔的機(jī)構(gòu)來提高傳動的精度和效率。第三，雕刻機(jī)床的剛性、抗振性、熱穩(wěn)定性和噪聲性能都要與之匹配；第四，要使工藝的觀察、操作、調(diào)節(jié)和維修變得方便，還要考慮到工件的運輸、裝卸和清理，還要注意到安全保護(hù)措施，保證操作的安全性。五是結(jié)構(gòu)的設(shè)計要簡潔、合理、可靠，方便機(jī)械加工和組裝。2.2.2影響雕刻機(jī)布局的基本因素在滿足整體布置的基本需要的基礎(chǔ)上，對機(jī)床布置的主要影響因素進(jìn)行了深入的研究。首先，成形運動對排樣過程起到了直接和決定作用。由于被加工曲面的形狀各異，通常要求使用不同的工具來加工，造成曲面成形的形態(tài)與數(shù)目上的差別，進(jìn)而引起排樣上的差異。即使是同一曲面，因其工藝需求及生產(chǎn)效率的差異，也可使用不同的工具及曲面，進(jìn)而構(gòu)成不同的曲面。所以，在進(jìn)行雕刻機(jī)平面布置時，應(yīng)全面綜合地考慮零件的成型方式及運動方式，以保證最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。其次，機(jī)床的運動分布對產(chǎn)品的設(shè)計也有很大的影響。在零件加工過程中，即使零件的加工方式及運動方式是一致的，但由于加工過程中各零件的運動分布存在差異，從而影響了機(jī)床的加工精度。另外，導(dǎo)流板的排列方式及其它結(jié)構(gòu)型式也會對平面圖有一定的影響。在進(jìn)行雕刻機(jī)運動時，要考慮到如下問題：第一，要使活動零件質(zhì)量盡可能輕，從而減少電機(jī)動力及傳動零件的體積；二是要使機(jī)床的運動分布對提高機(jī)床的精度有幫助；三是在保證機(jī)床剛性的前提下，盡量減少機(jī)床的占用空間。此外，工件的大小、重量、形狀等因素也會對機(jī)床的布置造成很大的影響。在此基礎(chǔ)上，對機(jī)床的振動、噪音、熱變形、剛度、抗振性等性能指標(biāo)也進(jìn)行了深入研究，并兼顧了操作的簡便性和模塊化設(shè)計方法。在查閱有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，得出了刻字機(jī)基本布置方式的兩大類，如圖2.2。圖2.2雕刻機(jī)的布局形式方案（1）中，工作臺維持靜態(tài)，雕刻頭可在水平方向上自由移動，而立柱則沿垂直方向進(jìn)行運動。此種構(gòu)造設(shè)計，使得雕刻工作能夠適應(yīng)不同長度的需求，具有相當(dāng)高的靈活性。鑒于工作臺固定不動，其承重能力顯著增強(qiáng)，尤其適用于處理重量較大的工件。當(dāng)使用外伸臂架來支撐較長工件時，由于各支點的高度維持恒定，極大地簡化了支架的調(diào)整流程。然而，這種布局方式可能會對雕刻頭運動的精確度產(chǎn)生一定影響，同時立柱的移動也相對較為笨拙，不夠流暢。在方案（2）中，柱桿不動，雕刻頭也可以做左右、上、下運動，工作臺做縱向運動。盡管移動工作臺會使負(fù)載容量與方案（1）相比降低，但是這樣布置需要的電機(jī)功率和在負(fù)載的工件更輕的情況下減小，從而使運動更輕。在加工長長度的工件時，如第1種方案一樣，各支點的高度都是一樣的，這樣就方便了支架的調(diào)整。雖然這種方法的支撐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是它最大的優(yōu)點是可以更容易地保證雕刻頭的移動精度。在深入研究布局的基本原則、影響布局的核心因素以及三軸數(shù)控雕刻機(jī)的具體參數(shù)后，我們精心策劃并提出了方案（2）。2.2.3坐標(biāo)系的確定雕刻機(jī)床使用的是右手規(guī)則和直角坐標(biāo)系?；A(chǔ)座標(biāo)系含有三個直角座標(biāo)：X,Y,Z。同時，在圖2.3中還引入了符號A,B,C來描述每個轉(zhuǎn)動的運動。需要指出的是，Z軸被設(shè)計成與雕刻機(jī)的主軸平行，并且與工件加載表面相垂直。這種結(jié)構(gòu)保證了精密穩(wěn)定的雕刻工藝。圖2.3右手坐標(biāo)系統(tǒng)2.2.4三維雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)三維雕刻機(jī)床經(jīng)過精密設(shè)計后，主要由如下幾個主要部件組成：(1)堅固的基座：它是整臺機(jī)器的基礎(chǔ)，它不但要承擔(dān)起機(jī)器的全部重量，還需要足夠的穩(wěn)定和堅固。底座底部配有四根支架，使其與地板保持良好的接觸，使整機(jī)能得到牢固的支承。(2)精密工作臺：此工作臺由工作臺，Y向絲杠，導(dǎo)軌，支撐件組成。在雕刻機(jī)加工中，工作臺是承載雕刻品的關(guān)鍵零件，其上設(shè)有T型凹槽，與螺桿傳動、導(dǎo)軌引導(dǎo)相匹配，保證了雕刻機(jī)的精度。(3)關(guān)鍵梁部件：該梁由x向螺桿、導(dǎo)軌和支撐件構(gòu)成，主要承擔(dān)起起吊的作用，并帶動其作精密移動。梁的強(qiáng)度對避免梁的彎曲變形非常重要，所以梁是進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬與運動模擬的重要目標(biāo)。(4)高效率鼻部：鼻部包括：鼻部，Z向螺桿，導(dǎo)向器，托架。螺桿是用來帶動主軸總成作上、下、下移動，而主軸總成則是直接帶動雕頭作高速轉(zhuǎn)動，以達(dá)到精密雕刻的目的。其次，本文從機(jī)床的工作原理入手，對上述各個部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計做了較為詳盡的闡述。2.3進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)，作為一種綜合性的機(jī)械運動控制系統(tǒng)，是機(jī)械裝備中不可或缺的核心組成部分。該系統(tǒng)涵蓋了伺服驅(qū)動電路、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)械傳動裝置以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其核心職責(zé)在于精確接收并響應(yīng)CNC系統(tǒng)所發(fā)出的送料速度及位移指令。具體來說，這一指令信號會通過伺服驅(qū)動回路進(jìn)行變換與放大，隨后在伺服驅(qū)動器與機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的協(xié)同作用下，驅(qū)動機(jī)床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行元件進(jìn)行精密的工作進(jìn)給與高速運動。這一過程中，系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，以確保加工工件的精度和效率。與普通機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)相比，數(shù)控系統(tǒng)中的伺服進(jìn)給系統(tǒng)展現(xiàn)出了根本性的差異。數(shù)控系統(tǒng)賦予了伺服進(jìn)給系統(tǒng)更高的智能化和精確性，使其能夠根據(jù)命令信號對執(zhí)行器的移動速度和位置進(jìn)行精確控制。此外，該系統(tǒng)還能夠?qū)Χ鄠€執(zhí)行器按照特定規(guī)則形成的復(fù)雜軌跡進(jìn)行精確控制，從而實現(xiàn)了更高效、更靈活的機(jī)械加工過程。以雕刻機(jī)為例，介紹了該機(jī)床的工作原理、工作原理及工作原理。在雕刻機(jī)加工時，工作臺對工件作y向進(jìn)給，而機(jī)頭則在x方向梁上作進(jìn)給。雕刻頭由直流電機(jī)帶動，以極快的速度轉(zhuǎn)動，并沿Z軸作上、下移動。這種多維協(xié)作運動的設(shè)計，實現(xiàn)了刀體與工件的相對運動的準(zhǔn)確描述。同時，本機(jī)頭部可沿x軸上的螺桿作橫向移動，該設(shè)計對雕刻制品的寬度控制具有重要意義。精密的機(jī)械構(gòu)造與電機(jī)傳動的結(jié)合，形成了雕刻機(jī)高效精確的進(jìn)給系統(tǒng)，為作品的創(chuàng)造奠定了堅實的技術(shù)保障，如圖2.4。圖2.4雕刻機(jī)X方向進(jìn)給圖雕刻機(jī)的工作臺在y軸方向上，通過絲杠的前后移動，精確控制雕刻的長度，以滿足工藝要求。具體實現(xiàn)方式如圖2.5所示。圖2.5雕刻機(jī)Y方向的進(jìn)給圖該機(jī)器是通過Z軸的上升和下降來實現(xiàn)對雕刻機(jī)的深度調(diào)整。整機(jī)傳動全部采用螺桿和螺母傳動，保證了傳動的穩(wěn)定性和可靠性。絲杠的一端與電機(jī)軸相連，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，使絲杠作直線運動。而在另一頭，則有一個軸承。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速均由控制脈沖決定。指令中的脈沖數(shù)目，也就是電動機(jī)的步伐，也就是角位移的大小。該方法可以實現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的高速調(diào)速。此外，該步進(jìn)電機(jī)還具有以下顯著特點：（1）精確的位置控制功能可以預(yù)先設(shè)定具體的脈沖數(shù)量，從而精確地控制輸出的角度。（2）靈活的無級調(diào)速功能根據(jù)發(fā)送脈沖的速度，可以靈活地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（3）正/反轉(zhuǎn)功能、急停與鎖定機(jī)制通過對系統(tǒng)內(nèi)部電平狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，可實現(xiàn)電動機(jī)的正向與反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電動機(jī)處于鎖定狀態(tài)（即電動機(jī)繞組中有電流流動，但外部未施加旋轉(zhuǎn)的電脈沖信號）時，電動機(jī)依然能夠提供穩(wěn)定的靜態(tài)力矩輸出。（4）低速運行與精確位置調(diào)控功能通過精確調(diào)控脈沖信號的頻率，可直接實現(xiàn)電動機(jī)的極低轉(zhuǎn)速運行，無需借助齒輪箱進(jìn)行速度過渡，從而有效避免了功率損失和角度位置的偏差。（5）長壽命設(shè)計相較于傳統(tǒng)的直流電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)無需借助電刷和換相器進(jìn)行換相操作，因此大幅減少了摩擦損耗，顯著提升了電動機(jī)的使用壽命。如圖2.6所示。圖2.6絲杠與電機(jī)軸的連接剛性聯(lián)軸器，如圖2.6所示，是絲桿與電機(jī)之間的關(guān)鍵連接部件，顯著提升了兩軸頭連接的穩(wěn)固性和精確度。其特性概述如下：（1）尤其適用于小型設(shè)備、瞬時慣量較小及高速旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用環(huán)境；（2）安裝后無反作用力產(chǎn)生，簡化了維護(hù)流程，便于操作；（3）在增強(qiáng)絲杠強(qiáng)度的同時，不會對跳動產(chǎn)生不良影響；（4）通過鎖緊螺栓實現(xiàn)摩擦緊固，無需采用鍵連接，提高了聯(lián)接的可靠性；（5）即使在高速旋轉(zhuǎn)條件下，仍能保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。導(dǎo)流板的主要作用是起到引導(dǎo)、支承的作用。該系統(tǒng)可保證各零件按規(guī)定的軌跡運動，并可準(zhǔn)確地控制零件間的相對定位及精度。在加工過程中，導(dǎo)軌既要承擔(dān)移動零件的自重，又要承擔(dān)被加工工件的載荷，因此，它直接關(guān)系到機(jī)床的剛度、精度和精度保持性。在雕刻機(jī)的x、y方向上，分別設(shè)置了一對圓柱形導(dǎo)軌，用于引導(dǎo)，并共同承擔(dān)頭部、桌面的重量。本發(fā)明提供了一種簡單、高精度、可實現(xiàn)精密定位的新方法。由于Z螺桿不受徑向負(fù)荷的影響，所以在加工過程中要使用兩條導(dǎo)軌來引導(dǎo)，以確保加工的精度。Z軸的定位依靠步進(jìn)電動機(jī)自身的自動鎖定。該環(huán)形導(dǎo)架由一對螺紋連接于螺桿托架上，并與導(dǎo)套構(gòu)成一可動副。見圖2.7。圖2.7絲杠和圓導(dǎo)軌的支承方式在各傳動鏈條上，螺桿、螺帽通過螺絲與工作臺、機(jī)頭、托架等部件進(jìn)行固定聯(lián)接。螺桿與螺桿的相對運動，是其實現(xiàn)的核心。更詳細(xì)地說，螺桿螺帽（1）被牢固地連接于工作臺，以保證在傳輸時的穩(wěn)定；(2)它與機(jī)頭相配合，使機(jī)頭沿著螺桿移動，從而達(dá)到對機(jī)頭位置的準(zhǔn)確調(diào)整；(3)安裝在托架上，并可使其相對于Z方向螺桿運動，從而保證整體傳動鏈條平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。該設(shè)計不僅能確保傳動精度，而且能使裝置運行穩(wěn)定可靠。2.4主軸組件雕刻機(jī)主軸組件，作為其關(guān)鍵驅(qū)動部分，主要任務(wù)是支撐和驅(qū)動工件或刀具完成旋轉(zhuǎn)切削工作。在執(zhí)行加工任務(wù)時，主軸組件不僅要承受切削產(chǎn)生的各種力量，還需維持卓越的穩(wěn)定性和精確度，以保障工件表面的加工質(zhì)量。主軸組件由主軸本體、支撐結(jié)構(gòu)以及傳動和密封元件等核心部件構(gòu)成，這些組件協(xié)同工作，確保主軸在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下維持精準(zhǔn)的位置、強(qiáng)大的剛度、出色的抗振能力和穩(wěn)定的熱特性。在雕刻機(jī)設(shè)計中，主軸部分經(jīng)由精確的Z向絲杠支架固定，借助電主軸的高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動刀具完成精準(zhǔn)的切削動作。三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計3.1設(shè)計參數(shù)的確定根據(jù)課題所提供的設(shè)計參數(shù)，并綜合考慮廣告型三維機(jī)械雕刻機(jī)的整體設(shè)計規(guī)劃，我們已初步確定了該雕刻機(jī)機(jī)械部分的核心參數(shù)，具體詳情如表3.1所列。表3.1機(jī)械設(shè)計參數(shù)表主要性能指標(biāo)項名稱標(biāo)準(zhǔn)值工作臺尺寸700mm×650mmX,Y,Z軸工作行程600mm×500mm×300mm快速移動速度10m/min主軸轉(zhuǎn)速2100-24000rpm最高切削進(jìn)給速度6m/minX/Y/Z軸運動定位精度0.01/300mmX/Y/Z軸重復(fù)定位精度0.005mm分辨率0.001mmX/Y/Z/軸滾軸絲杠導(dǎo)程5mm3.三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計3.1設(shè)計參數(shù)的確定根據(jù)課題所提供的設(shè)計參數(shù)，并綜合考慮廣告型三維機(jī)械雕刻機(jī)的整體設(shè)計規(guī)劃，我們已初步確定了該雕刻機(jī)機(jī)械部分的核心參數(shù)，具體詳情如表3.1所列。表3.1機(jī)械設(shè)計參數(shù)表主要性能指標(biāo)項名稱標(biāo)準(zhǔn)值工作臺尺寸700mm×650mmX,Y,Z軸工作行程600mm×500mm×300mm快速移動速度10m/min主軸轉(zhuǎn)速2100-24000rpm最高切削進(jìn)給速度6m/minX/Y/Z軸運動定位精度0.01/300mmX/Y/Z軸重復(fù)定位精度0.005mm分辨率0.001mmX/Y/Z/軸滾軸絲杠導(dǎo)程5mm3.2切削力、切削扭矩和切削功率計算經(jīng)過對三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)械雕刻機(jī)加工對象的深入研究，我們發(fā)現(xiàn)其主要針對非金屬材料和鋁合金材料進(jìn)行雕刻加工。這些材料展現(xiàn)出了優(yōu)越的強(qiáng)度與塑性特性。在實際操作中，采用了硬質(zhì)合金直柄立銑刀和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆對鋁板進(jìn)行銑削和鉆削操作。為了更精確地控制加工過程，我們進(jìn)行了切削力、切削扭矩和切削功率的詳細(xì)計算。根據(jù)三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)械雕刻機(jī)的加工范圍和使用功能，以及在實際生產(chǎn)過程中不同切削方式所消耗的時間，進(jìn)行了統(tǒng)計分析。基于這些數(shù)據(jù)，將切削方式劃分為四個主要類別：強(qiáng)力切削（切）、一般切削（雕）、精細(xì)切削（刻）和快速進(jìn)給。這樣的分類有助于更準(zhǔn)確地選擇適合的切削方式，以實現(xiàn)加工效率與加工質(zhì)量的最佳平衡。3.2.1銑削力、扭矩和功率的計算經(jīng)過審慎查閱由孟少農(nóng)先生主編的《機(jī)械加工工藝手冊》，我們成功獲取了表3.2左側(cè)所列示的經(jīng)驗公式。通過將這些已知參數(shù)代入公式，并遵循科學(xué)的簡化原則進(jìn)行處理，我們得出一個經(jīng)過優(yōu)化的計算公式。這個新公式僅涉及切削深度(ap)、進(jìn)給速度(vf)以及銑刀轉(zhuǎn)速(n)這三個核心變量。為確保信息的準(zhǔn)確性和一致性，我們已將這一簡化后的計算公式填寫至表3.2右側(cè)的相應(yīng)位置。表3.2銑削力、扭矩和功率計算公式的簡化計算公式和參數(shù)選定計算結(jié)果銑削力：銑削扭矩：銑削功率：經(jīng)計算與測定，得出以下參數(shù)值：CF=116，XF=1，YF=0.75，UF=0.85，qF=0.73，WF=-0.13，KF=0.25。在銑削加工中，銑削寬度表示為aw(mm)，銑削深度表示為ap(mm)。進(jìn)給速度vf通過公式afzn(mm/min)進(jìn)行計算，其中af表示每齒進(jìn)給量(mm/z)，z為銑刀齒數(shù)，n為銑刀轉(zhuǎn)速(r/min)。同時，銑削速度v通過公式πd0n/1000(m/min)計算得出，其中d0為銑刀外徑(mm)。這些參數(shù)對于銑削加工過程的控制與優(yōu)化具有重要意義。3.2.2鉆削力、扭矩和功率的計算通過查閱參考文獻(xiàn)，按上節(jié)的簡化過程，可得到僅與進(jìn)給速度vf和鉆頭轉(zhuǎn)速n有關(guān)的計算公式，如下表3.3所示。表3.3鉆削力、扭矩和功率的計算公式的簡化計算公式和參數(shù)選定計算結(jié)果鉆削力：鉆削扭矩：鉆削功率：其中:CF=600，zF=1.0，yF=0.7，CM=0.305，zM=2.0，yM=0.8，kF=k=0.25(加工鋁合金)。進(jìn)給速度vf=fn(mm/min),鉆削速度v=πd0n/1000(m/min)d0--鉆頭外徑(mm)，f-進(jìn)給量(mm)，n-鉆頭轉(zhuǎn)速(r/min)。將進(jìn)給速度Vf和鉆頭轉(zhuǎn)速n的變量代入分別計算，將得到的計算結(jié)果填入表3.4，由于鉆削功率的計算結(jié)果較小，忽略不計。表3.4鉆削力、扭矩和功率的計算切削方式工作時間百分比t%參數(shù)計算結(jié)果VfNn絲FzMPm強(qiáng)力切削10%3009000一般切削30%48015000精細(xì)切削50%60020000快速進(jìn)給10%900其中，n絲指的是絲杠的轉(zhuǎn)速，其計算公式為n絲=vf/Ph（單位：r/min）。在此公式中，vf表示進(jìn)給速度（單位：mm/min），而Ph為預(yù)選絲杠導(dǎo)程，其值為4mm。此外，n表示鉆削轉(zhuǎn)速（單位：r/min），F(xiàn)z代表鉆削力（單位：N），M為鉆削扭矩（單位：Nm），PM則表示鉆削功率（單位：kw）。3.3主運動系統(tǒng)的設(shè)計計算通過對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的電主軸進(jìn)行了詳細(xì)的研究與設(shè)計，并給出了相應(yīng)的型號及參數(shù)。為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床的特殊需要，提出了一種既能滿足一般機(jī)床主要傳動的基本要求，又能滿足下列重要條件：首先，為了確保在加工過程中，可以選擇適當(dāng)?shù)那邢饔昧?，以充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)率、精度和表面質(zhì)量，必須實現(xiàn)大范圍的調(diào)速，同時實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。特別是對帶自動換刀的數(shù)控機(jī)床，其工藝相對集中，一次裝夾就能完成多個工序，因此，要想滿足不同工藝和不同材料的需求，還必須對主要運動的調(diào)速范圍進(jìn)行進(jìn)一步的拓展。其次，為了進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，對各運動機(jī)構(gòu)的性能提出了更高的要求，即：高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、低噪聲。為此，本課題提出以提高傳動件的制造精度與剛度為目標(biāo)，采用高頻感應(yīng)熱技術(shù)對齒面進(jìn)行強(qiáng)化，以提高其抗磨損能力，以斜齒傳動保障傳動的平滑。在此基礎(chǔ)上，對主軸組件進(jìn)行了精確的支撐，并采用了適當(dāng)?shù)目缇?，以改善主軸組件的剛度?；谏鲜鲅芯浚卷椖酷槍Υ?、精精加工過程中存在的斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡、切削過程中產(chǎn)生的自激性振動等問題，提出了機(jī)床關(guān)鍵部件的靜剛度和抗振性能?？拐裉匦杂蓜恿傂耘c動力柔性兩個方面來衡量。其中，主軸組件的動剛度主要取決于其等效靜剛度、阻尼比和固有頻率。同時，為了減小加工過程中的熱變形對加工精度和傳輸效率的影響，需要在保證加工質(zhì)量的前提下，通過設(shè)計合適的配合間隙和周期潤滑等措施，使加工過程達(dá)到熱平衡。3.3.1主運動系統(tǒng)傳動鏈的組成電動機(jī)直驅(qū)主軸作為一種常見的驅(qū)動方式，已被廣泛地用于精密機(jī)床、高速加工中心和數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。在低于3000rpm的情況下，通常采用異步電動機(jī)的軸間耦合方式，通過調(diào)整電動機(jī)的磁極對數(shù)來控制速度。在轉(zhuǎn)速低于8000轉(zhuǎn)的情況下，可采用變頻調(diào)速的方式對主軸進(jìn)行直接驅(qū)動。在高速主軸上，電機(jī)與主軸可以一體化，即采用內(nèi)置電機(jī)主軸，以轉(zhuǎn)子軸作為主軸。3.3.2主軸電動機(jī)的設(shè)計計算主軸電動機(jī)是雕刻機(jī)中的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)提供足夠的動力和精確的轉(zhuǎn)速控制，以驅(qū)動雕刻刀具進(jìn)行高精度的加工。主軸電動機(jī)的設(shè)計計算涉及到多個方面的考慮，包括功率需求、轉(zhuǎn)速范圍、扭矩要求以及熱管理等。（1）功率需求計算雕刻機(jī)的功率需求取決于多個因素，包括雕刻材料的硬度、刀具直徑、雕刻速度和切削深度等。為了計算主軸電動機(jī)的功率需求，通常采用經(jīng)驗公式或?qū)嶒灁?shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和公式，可以估算出主軸電動機(jī)所需的最大功率。（2）轉(zhuǎn)速范圍確定主軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)根據(jù)雕刻機(jī)的加工需求來確定。一般來說，雕刻機(jī)需要在一個較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行工作，以適應(yīng)不同材料和加工要求的變化。因此，主軸電動機(jī)應(yīng)具備足夠的調(diào)速范圍，并能夠提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制。（3）扭矩要求分析扭矩是主軸電動機(jī)的另一個重要參數(shù)，它決定了電動機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下能夠提供的最大切削力。扭矩的大小取決于刀具的直徑、切削深度和材料硬度等因素。通過對這些因素的分析，可以確定主軸電動機(jī)所需的扭矩范圍。（4）熱管理設(shè)計主軸電動機(jī)在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，因此需要進(jìn)行有效的熱管理設(shè)計，以確保電動機(jī)的穩(wěn)定運行和延長使用壽命。熱管理設(shè)計包括散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計、冷卻方式的選擇以及溫度監(jiān)控等。合理的散熱結(jié)構(gòu)和有效的冷卻方式可以幫助電動機(jī)快速散熱，保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。綜上所述，主軸電動機(jī)的設(shè)計計算涉及到功率需求、轉(zhuǎn)速范圍、扭矩要求以及熱管理等多個方面的考慮。通過合理的計算和設(shè)計，可以確保主軸電動機(jī)滿足雕刻機(jī)的加工需求，并提供穩(wěn)定、高效的加工性能。3.4進(jìn)給運動系統(tǒng)的設(shè)計計算雕刻機(jī)床的進(jìn)給運動分為三大部分：主軸豎向位移、主軸橫向位移和工作臺往復(fù)位移。從設(shè)計角度看，三個部件的原則并沒有太大的區(qū)別，所以我們可以從某一方面進(jìn)行特定的設(shè)計，來展示整體的運動部件。本文以工作臺總成為實例，對進(jìn)給電機(jī)、同步皮帶與滑輪、滾珠絲杠和線性導(dǎo)軌等關(guān)鍵部件的設(shè)計與計算進(jìn)行了詳細(xì)論述。確定各部件的規(guī)格型號和主要參數(shù)，以適應(yīng)不同的切削要求。3.5插補(bǔ)法插補(bǔ)技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)控加工中不可或缺的一環(huán)，它通過預(yù)測和計算工具路徑上的中間點，使得機(jī)器能夠按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行精確的運動。插補(bǔ)方式多種多樣，其中最為常見的有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、拋物線插補(bǔ)和螺旋線插補(bǔ)等。這些插補(bǔ)方式各有特點，適用于不同的加工場景和需求。首先，直線插補(bǔ)是一種最為簡單和直接的插補(bǔ)方式。它的基本原理是在兩個已知點之間以直線段相連，通過計算直線上的中間點來實現(xiàn)插補(bǔ)。直線插補(bǔ)具有計算簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，因此在單片機(jī)系統(tǒng)等低成本數(shù)控設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。此外，對于采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動單元的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，脈沖增量插補(bǔ)方法尤其適合。這種插補(bǔ)方式通過控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)來精確控制工具的運動軌跡，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點。然而，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，對插補(bǔ)技術(shù)的要求也越來越高。傳統(tǒng)的脈沖增量插補(bǔ)以硬件方式進(jìn)行，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)基本的插補(bǔ)功能，但在精度和效率方面存在一定的局限性。因此，在現(xiàn)代CNC（計算機(jī)數(shù)控）系統(tǒng)中，插補(bǔ)功能越來越多地依靠軟件來實現(xiàn)。軟件插補(bǔ)具有更高的靈活性和精度，可以通過復(fù)雜的插值算法來計算中間點的位置，從而實現(xiàn)更精確的軌跡控制。在軟件插補(bǔ)中，插值算法的計算效率與精度是一個關(guān)鍵問題。常用的插值算法包括線性插值、多項式插值、樣條插值等。這些算法各有特點，適用于不同的插補(bǔ)場景。例如，線性插值計算簡單，但精度較低；多項式插值具有較高的精度，但計算復(fù)雜度較高；樣條插值則能夠在精度和計算效率之間取得較好的平衡。除了插值算法外，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)還采用了許多先進(jìn)的技術(shù)來提高插補(bǔ)的精度和效率。例如，高速處理器和大容量內(nèi)存使得CNC系統(tǒng)能夠處理更復(fù)雜的插補(bǔ)任務(wù)；高精度傳感器和反饋機(jī)制則能夠?qū)崟r監(jiān)測工具的實際位置，并進(jìn)行實時調(diào)整，以確保加工精度。總之，插補(bǔ)技術(shù)是數(shù)控加工中的重要組成部分，其精度和效率直接影響到加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的不斷提高，插補(bǔ)技術(shù)也將不斷發(fā)展和完善，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展提供有力支持。結(jié)論(1)CNC雕刻機(jī)床已被廣泛地應(yīng)用于各種行業(yè)，如模具模具，工藝品，印刷電路板，以及廣告。對數(shù)控雕刻機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)和各組成部分進(jìn)行了較為詳盡的論述。通過對目前國內(nèi)外數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢的研究，結(jié)合數(shù)控雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了本論文所研究的數(shù)控雕刻機(jī)的整體設(shè)計方法，并對主要驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了準(zhǔn)確的計算。(2)3-D機(jī)床的設(shè)計符合所有的需求，它的機(jī)器主體結(jié)構(gòu)緊湊，使用安全，使用方便，而且每個部件都具有很高的通用性，便于日常維護(hù)和維護(hù)。同時，該系統(tǒng)使用方便，實用性很強(qiáng)。(3)本文放棄了傳統(tǒng)的插補(bǔ)方法，提出了一種新的插補(bǔ)方法，并對其進(jìn)行了改進(jìn)。該方法能夠在保證插補(bǔ)速度的前提下，提高插補(bǔ)精度，使機(jī)床的加工效率和加工性能得到明顯改善。參考文獻(xiàn)[1]吳波,劉財勇.手工簡易激光雕刻機(jī)設(shè)計[J].電子制作,2023,31(23):90-93.[2]魏智,徐昊,郭資源.桌面教學(xué)用五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[