1、标牌三轴雕刻机设计齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）1摘 要标牌三轴雕刻机是典型的机电一体化设备，可用于三维图形和文字处理，并已被广泛应用在旅游纪念品，标志，徽章，模具制作等行业，可加工的材料的范围也是很广，涉及金属材料和非金属材料，具有较广阔的市场前景。通过对国内外雕刻机的发展现状问题做了简要分析，得出国际上已经成熟但国内有待发展雕刻机技术的结论。本课题在广泛调研的基础上完成了标牌三轴雕刻机机械系统的设计。机械系统设计包括总体布局、加工原理、主轴与主传动系统、进给系统以及整个雕刻机的结构设计。它严格按照参数（精度，精度，误差等），指标计算和检查，致力使设备精度高、外形美观、体积小、操作方便。
2、在本次设计过程中对齿轮的计算和各零部件的设计与选材最为重要；并且重点运用了机械设计方面的知识，另外还运用了辅助绘图工具 AutoCAD、solidworks 等。本设计既是产品开发周期中的关键环节，有贯穿于产品开发过程的始终。设计决定了实现产品功能和目标的方案，结构和选材。制造方法以及产品运行，使用和维修方法。现代机械产品的要求比对传统机械产品高的多，因而只有将现代设计理论深入用到产品开发和改进过程中，方法和技术才能满足社会对现代机械产品越来越紧迫的要求，提高其市场竞争能力。关键词：雕刻机；机电一体化；高精度；体积小 齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）2AbstractThe three ax
3、is engraving machine is a kind of typical electromechanical products, and can be used in 3d graphics and text processing, souvenirs, plates, badges, mould manufacturing industries has been widely used in the processing of material, can range is very wide also, metal material and nonmetal material, h
4、ave wide prospect of market. This subject to domestic development situation of engraving machine makes a brief analysis of the international engraving machine has matured on the development of domestic needs but conclusion.This topic in widely based on the research of the finished the three axis eng
5、raving machine design. Mechanical system design including overall layout, processing principle, main shaft and main transmission system, feeding system and the carving machine structure design. Keep with high precision, high efficiency, machine tool, small size, simple operation etc. In this design
6、process of the gear calculations and the design and selection of components is most important; and focus on the use of the mechanical design knowledge, in addition to the use of the auxiliary drawing tools AutoCAD, solidworks etc.The design of both the product development cycle the key, there are th
7、roughout the product development process has always been. Design decision to implement product features and objectives of programs, structure and material selection. Manufacturing method and product operation, use and maintenance methods. Modern mechanical product requirements not traditional mechan
8、ical products is much higher, and thus in the process of product development and improvement only comprehensive in-depth use of modern design theory, methods and techniques to meet the modern society increasingly demanding mechanical products, improve its market competitiveness.Keywords: engravers；m
9、echatronics；high precision ； small size齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）3第 1章 标牌三轴雕刻机的概述1.1雕刻机的起源世界上第一台手动雕刻机于 1938年在法国嘉宝问世，紧接着嘉宝生产出世界上第一台真正的可缩放比例手动雕刻机。之后美国日本和法国等国家也开始研发。20 世纪 90年代随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机快速发展，微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机加工完成了从 2D到 3D的变革，雕刻机的基本要求一般都为功能完善、性能稳定、价格合理，此外就是造型美观了。1.2雕刻机及其发展现状
10、 雕刻从加工原理上是钻铣组合加工，雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床。机电一体化产品当中，雕刻机是典型的一例，其技术是随着数控技术的发展而逐渐得到发展的。类似于通用的数控机床，雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作，实现雕刻加工的自动化。使用时在计算机上用相应软件进行设计，计算机将图像信息转化为代码发送至雕刻机控制器，再由控制器把这些代码转化成为驱动伺服电机或步进电机的信号(脉冲)，控制雕刻机完成三轴方向的走刀。加工时对应不同的材质在雕刻机高速旋转的雕刻头上安装不同的刀具，然后将加工材料固定在工作台上的进行切削，计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字即可被
11、雕刻出，实现自动化雕刻作业。雕刻机由主运动系统，进给系统，控制系统，辅助系统等组成。其中主运动系统主要由主轴系统组成，是加工的直接执行部分；进给系统包含电机，丝杠等零件，实现加工过程中刀具的进给；控制系统直接与计算机连接，读入所编程序即可按照预设轨迹加工；辅助系统实现照明等辅助功能的实现。与传统的仿形雕刻、手工雕刻，它具有生产效率高、成品率高、加工精度高、对零件的适应性强等显著优势；通过使用雕刻 CAD/CAM专用软件系统，加工程序代码能够快速生成及修改。目前，雕刻机的主要有激光雕刻机、机械雕刻机两种，机械雕刻机又分螺齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）4旋传动、齿条传动两种传动方式。机械雕刻机
12、根据所加工物件如金属（模具、章等）、水晶、木材、有机玻璃、人造石等标牌或胸牌，建筑模型，展示、展览模型，陶瓷、模坯、玉石、工艺品、摆件、挂件工艺品等的不同又有不同的分类。标牌三轴雕刻机便是其中一种专门加工铭牌的雕刻机。按照预定程序自动加工，不需要人工干预，消除了操作者人为产生的失误和误差。能精确计算出生产加工费用和加工的时间，有利于现代化生产与管理能够放便，有利于生产过程的科学管理和信息化管理。生产效率高、劳动强度低、劳动条件好，不需要进行繁杂的重复性手工操作，且一般在安全防护、自动冷却、自动润滑装置，操作者的劳动条件可得到很大改善。因此，雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效
13、率手段，也是当今雕刻机的发展主流，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装演等众多领域。雕刻机作为一种典型的数控产品,它的适应性、灵活性好，能适应当前市场竞争中对产品更新换代的要求，解决多品种、单件小批量生产的自动化问题，在传媒制造、模具设计、建材雕刻等行业中有着广阔的市场前景。但雕刻机的价格均比较高为了提高其普及率，设计开发一个经济简练的机械运动系统是具有很重要的理论意义和实用价值的。 第二章 方案设计2.1总体设计雕刻机的坐标系统采用右手法则，直角笛卡儿坐标系统。基本坐标轴为X,Y,Z直角坐标。雕刻机工作台主要有两种：第一种是移动龙门式。工作台不动，龙门架及刀具移动，优点：结构较稳
14、定，适合加工较重的工件，承载能力好。第二种是固定龙门式。龙门架不动，工作台及刀具移动。这种方式将龙门架与底座固定在一起，Y齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）5轴移动为固定工件的台面移动。由于工件随工作台移动，所以不能加工太重工件、而且雕刻机有一定尺寸，虽然制作容易然而稳定性较差。标牌的加工对机械部分结构要求小而轻便、加工物件质量是较轻。保证整个系统的机械钢性前提下，为简化设计结构、缩短产品的设计和制造时间，节约成本，本雕刻机主体采用固定龙门式设计。固定龙门、封闭式移动台面，可有效提高加工精度，并减少飞屑传动装置的影响。在结构中，机械主要部分是雕刻机骨架、底座、立柱、工作台、机头和主轴组件。采用
15、的雕刻方式：雕刻刀具只做高速旋转和 Z轴方向进刀、退刀运动，而 Y轴带动工作台带动工件作 Y轴方向进给运动，而 X轴带动工作台作X轴方向进给运动，这两个方向的基本运动方式如下：由步进电机转动丝杠，带动刀具和工件的相对移动，从而实现 X,Y,Z轴方向进给运动。在 X,Y,Z方向上导向件为直线导轨。2.2主轴和主传动方案2.2.1主轴为简化传动链，雕刻主轴采用专用雕刻电机直接与刀具相连。2.2.2主传动方案考虑到标牌类雕刻机加工材质较软但精度要求较高，主传动系统采用螺旋传动。螺旋传动是靠螺旋与螺纹牙面旋合实现回转运动与直线运动转换的机械传动。它可以将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。它的
16、优点是准确、平稳、结构紧凑、转动均匀等。齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）6（1）按螺母与螺杆的运动方式，通常将螺旋传动分为四种运动方式：螺杆转动并作往复移动，螺母固定不动，如图(a)，此结构的主要支承为固定螺母，它的特点是结构简单，但占据较大的空间。常用于螺旋千斤顶、螺旋压力机等。螺杆做直线移动螺母转动，如图(b)，螺母转动要设置轴承，螺杆设置防转机构均使结构复杂，且螺杆行程占据尺寸故应用较少。螺杆固定不动，螺母作旋转运动并沿直线移动，如图(c)，两端支承结构较简单，但精度不高。一些钻床工作台采用了这种方式。螺杆转动，如图(d)螺母做直线运动，这种运动方式占据空间尺寸小，适合于长行程的螺杆传
17、动。螺杆两端的轴承和螺母防转机构使其结构较复杂。车床刀架移动机构、丝杠多采用这种运动方式。(a) (b)(c) (d)(c) (d)图 3.1 运动方式本次设计的标牌三轴雕刻机是运用了上图（a）的运动方式，即螺母固定不动螺杆转动。（2）螺旋传动按照用途不同可分为三种类型。传力螺旋以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇性工作，工作速度较低，通常要求具有自锁能力，下图 3.2螺旋压力机均为传力螺旋。齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）7传导螺旋以传递运动为主，这类螺旋常在较长的时间内连续工作且工作速度较高，传动精度要求较高.调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置，一般不经常转
18、动，要求能自锁，有时也要求很高精度，如带传动张紧装置、机床卡盘和精密仪表微调机构的螺旋等。本次设计的标牌三轴雕刻机就是运用了传导螺旋这种传动类型。按照螺旋副摩擦性质的不同，螺旋传动又可分为滑动摩擦螺旋传动（简称滑动螺旋）、滚动摩擦螺旋传动（简称滚动螺旋）和静压滑动螺旋传动（简称静压螺旋）。静压螺旋传动是螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑的螺旋传动。静压螺旋传动摩擦系数小，传动效率可达 99%,无磨损和爬行现象,无反向空程,轴向刚度很高,不自锁,具有传动的可逆性,但螺母结构复杂,而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。这种螺旋采用牙
19、较高的梯形螺纹。在螺母每圈螺纹中径处开有36 个间隔均匀的油腔。同一母线上同一侧的油腔连通，用一个节流阀控制。油泵将精滤后的高压油注入油腔，油经过摩擦面间缝隙后再由牙根处回油孔流回油箱。当螺杆未受载荷时，牙两侧的间隙和油压相同。当螺杆受向左的轴向力作用时，螺杆略向左移，当螺杆受径向力作用时，螺杆略向下移。当螺杆受弯矩作用时，螺杆略偏转。由于节流阀的作用，在微量移动后各油腔中油压发生变化，螺杆平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少
20、;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力 F相当大，而转矩 T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低，一般为3040%，能够自锁。而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。传动螺纹，按牙型的不同可分为矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿型螺纹。齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）8矩形螺纹牙型为正方形，牙型角其传动效率较其他螺纹高，但0牙跟强度弱，螺旋副磨损后，间隙难易修复和补偿，传动精度降低。梯形螺纹的牙型为等腰梯形。牙型角 。内外螺纹以锥面贴紧不03易松动。与矩形螺纹相比，传动
21、效率略低，但工艺性好，牙根强度高对中性好。如用剖分螺母，还可以调整间隙。锯齿型螺纹为不等腰梯形螺纹，工作面的牙侧角为 ，非工作面的牙03侧角为 。外螺纹旋合后，大径处无0间隙，便于对中。这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高、梯形螺纹牙型根强度高的特点，但只能用于单向德螺纹连接或螺旋传动中，如螺旋压力机。滚动螺旋也称滚珠丝杠，用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动。滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在 90%以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造
22、精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有 24 个反向器，将螺母中滚珠分别联成图 滚动螺旋图 矩形螺纹图 梯形螺纹图 锯齿型螺纹齐鲁工业大学本科毕业生设计（论文）924 个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧滚动螺旋传动特点：传动效率高，传动精度高，起动阻力矩小，传动灵活平稳，工作寿命长。滚
23、动螺旋传动应用于机床、汽车、拖拉机、航空军工等制造业。滚动螺旋传动按滚珠循环方式分为：内循环：滚珠始终和螺杆接触，两个封闭循环回路有两个反向器，三个封闭循环回路有三个反向器。特点：流动性好，效率高，经向尺寸小。外循环：分离，工艺性好，分为螺旋式，插管式，挡珠式。此次标牌三轴雕刻机的设计采用滚动螺旋即滚珠丝杠传动。滚珠丝杠的轴端支承有以下四种:(1)“固定固定”型：适用于高转速、高精度的场合。该形式两端分别分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承担。也可以使两端的轴承副承受反 向预拉伸力，从而提高传动刚度。在定位要求很高的场合，甚至可以根据受力情况和丝杠热变形趋势精确设定目标行程补偿量，进一步提高定位精度。“固定固定”型有时也被 片面地叫做“双推双推”，实际上由于径向力的存在几乎很少能用两个推力轴承作为固定端。由于此形式结构较复杂，调整较难，因此一般仅在定位要求很高时采用。(2)“固定游动”型：
