五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計【含CAD圖紙+三維建模+文檔】
五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計【含CAD圖紙+三維建模+文檔】,含CAD圖紙+三維建模+文檔,雕刻,機(jī)電,電機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計,cad,圖紙,三維,建模,文檔
淮 陰 工 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯
學(xué) 院：
機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)：
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
姓 名：
趙俊
學(xué) 號：
1081101738
外文出處：
IEEE
(用外文寫)
Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation August 9 - 12, Changchun, China
附 件：
1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評語：
年
月
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簽名：
注：請將該封面與附件裝訂成冊。 附件1：外文資料翻譯譯文
基于嵌入式 Linux 的數(shù)控雕刻機(jī)的軟件架構(gòu)設(shè)計
趙軍奇 李輝和龍飛鵬
航天和航空研究所 航天和航空研究所
中國電子科技大學(xué) 中國電子科技大學(xué)
610054，中國四川省成都市 610054，中國四川省成都市
zhaojunqi@qq.com kelly.li @ 126.com
摘要 - 嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域。隨著嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性不斷提高，嵌入式軟件系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜。對與一個特殊的控制對象來說，設(shè)計合適的嵌入式軟件架構(gòu)是尤其重要的。同時，NC（數(shù)控）雕刻機(jī)的各種功能和非功能需求的不斷提高。目前，大多數(shù)的軟件架構(gòu)的數(shù)控雕刻機(jī)即沒有操作系統(tǒng)的支持，也無法滿足這些要求。雖然一些有商業(yè)操作系統(tǒng)的支持的雕刻控制系統(tǒng)，但是它是昂貴的，而且也不利于企業(yè)發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件。為了解決上述問題，文件中基于嵌入式Linux和DARTS方法的新軟件架構(gòu)數(shù)控雕刻機(jī)被設(shè)計出來。首先是數(shù)據(jù)流圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分析，然后系統(tǒng)根據(jù)H Gamma原理被劃分成不同的任務(wù)。此外，軟件架構(gòu)被提出，還分析了任務(wù)間的同步和通信性。最后，進(jìn)行了實時分析。使用這種軟件架構(gòu)，軟件系統(tǒng)變得簡單明了，不同的控制元件，根據(jù)不同的時間粒度可以無縫集成。通過實際應(yīng)用，它被證明可以實現(xiàn)低成本的數(shù)控雕刻系統(tǒng)的各種要求。也大大提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。
索引術(shù)語-ARM 嵌入式 Linux 雕刻 FPGA軟件架構(gòu)
一、簡介
隨著規(guī)模和復(fù)雜性的嵌入式的軟件系統(tǒng)增加，軟件架構(gòu)的重要性已經(jīng)超越算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的計算。設(shè)計并指定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一種新的問題 [1]。好的體系結(jié)構(gòu)可以幫助確保系統(tǒng)滿足關(guān)鍵性能的要求同時，也能滿足可靠性、可移植性、可擴(kuò)展性、領(lǐng)域和互操作性。壞的體系結(jié)構(gòu)可以是災(zāi)難性的。架構(gòu)設(shè)計是從系統(tǒng)點視圖到整體系統(tǒng)的高層次設(shè)計。不同專家對軟件體系結(jié)構(gòu)有他們自己的定義。畢竟，在不同的領(lǐng)域和環(huán)境中它是一個解決實際問題的工具，因此各類建筑模型或定義已發(fā)布。雖然不同的定義有所不同，我們可以看到系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)描述其總的結(jié)構(gòu)的概念的核心之處有很大程度的通用性。這種結(jié)構(gòu)通過了最高水平設(shè)計決策，包括諸如系統(tǒng)是由如何相互作用，相互作用的主要途徑在那里，什么是關(guān)鍵性能的部件。關(guān)鍵的一步，建筑設(shè)計是分到一些管理子系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間的接口設(shè)計。軟件架構(gòu)設(shè)計不僅應(yīng)考慮如何滿足系統(tǒng)的功能和性能要求，而且也要滿足無功能方面的需求，如可靠性，可擴(kuò)展性，可移植性和可用性。也有不統(tǒng)一方法的軟件架構(gòu)，尤其是在嵌入式系統(tǒng)中。
被稱為嵌入式Linux標(biāo)準(zhǔn)Linux裁縫通過小型化處理，并可以存儲在非易失性存儲器或微控制器的容量只有幾百KB或者幾MB。它是一個特殊的Linux操作系統(tǒng)，適用于特定的嵌入式系統(tǒng)[2]。Linux已經(jīng)成為一個成熟的，高性能，穩(wěn)定可靠，可替代傳統(tǒng)的專有嵌入式操作系統(tǒng)[3 ]。Linux不僅擁有適應(yīng)性，靈活性和穩(wěn)定性，而且還具有強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能。此外，Linux是一種免費軟件開放源碼[4] 。
目前，大多數(shù)的數(shù)控軟件架構(gòu)雕刻機(jī)是沒有操作系統(tǒng)的支持和不能以滿足不同的需求。這些架構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，但軟件開發(fā)周期長，開發(fā)成本是昂貴的，軟件的質(zhì)量不能保證以及可移植性和可擴(kuò)展較差。雖然一些與商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)如Windows CE的數(shù)控雕刻系統(tǒng)，系統(tǒng)生產(chǎn)成本高，還有昂貴的專利費。因此，它不是良好的企業(yè)發(fā)展與獨立軟件知識產(chǎn)權(quán)。但是如果一個嵌入式Linux使用開源操作系統(tǒng)，生產(chǎn)成本可以減少因為沒有許可費是必要的，交叉開發(fā)工具鏈，也是免費的。此外，有等諸多優(yōu)點，如縮短開發(fā)時間又因為開源設(shè)備驅(qū)動程序和可重復(fù)使用應(yīng)用程序，方便的開發(fā)環(huán)境配置模塊的功能，文件系統(tǒng)管理和容易解決的問題，從開源社區(qū)等[5]。在以上的基礎(chǔ)上，企業(yè)可以開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控軟件財產(chǎn)權(quán)利和其他各項要求，也可以是滿意。嵌入式Linux已成為當(dāng)前在嵌入式系統(tǒng)的研究重點。
二、硬件模型
模型是對現(xiàn)實的抽象，它可以明確對現(xiàn)實的描述。為了獲得雕刻控制系統(tǒng)模型，系統(tǒng)的主要硬件部分抽象為圖1
數(shù)控雕刻控制器的硬件與建筑的ARM和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）。控制器的主控芯片采用32位RISC（精簡指令集計算機(jī)）ARM三星公司的微處理器芯片S3C2440的基于ARM920T的結(jié)構(gòu)。 它具有很高的工作效率400MHz和多種通用接口，如綜合，集成USB，UART串口CEMERA，液晶，VGA和以太網(wǎng)控制器等。此外，提供片上存儲器管理單元（MMU），這是用來實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理，使Linux可以很容易地移植到ARM 。
Alter 公司旋風(fēng) FPGA EPlC6 通過作為減輕負(fù)擔(dān)的主控芯片的奴隸芯片。NAND Flash 內(nèi)存用于非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲。主存儲器是同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器 (SDRAM) 和可能包含任意位置從幾Mb到數(shù)百兆字節(jié)取決于應(yīng)用程序。主要處理流系統(tǒng)的說明如下： 鍵控控制面板信息通過串行端口發(fā)送到手臂。臂然后過程和相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)發(fā)送到 FPGA 或顯示面板。FPGA 主要做前端處理工作的傳感器和控制信息 [6]。發(fā)送的 FPGA 的信號都是轉(zhuǎn)換，并且由適配器孤立面板，然后發(fā)送到的驅(qū)動程序，將會推動的步進(jìn)電機(jī)的雕刻機(jī)，以控制切削刀具路徑。若要實現(xiàn)歸巢的雕刻和工具更改的功能，將通過適配器泛 FPGA 回飼料的雕刻機(jī)傳感器信號
總之，建立在嵌入式技術(shù)上的控制器可以減少系統(tǒng)硬件規(guī)模、 促進(jìn)應(yīng)用程序開發(fā)、 減低成本和提高系統(tǒng)的可靠性和實時性能。
三、任務(wù)劃分
數(shù)據(jù)流圖（DFD）是一個重要的輔助設(shè)計工具在系統(tǒng)的開發(fā)，它允許開發(fā)人員系統(tǒng)以圖形顯示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流。DFD的描述和分析系統(tǒng)比任何更精確其他神器，特別是嵌入式實時建模[7]。最終的數(shù)據(jù)流圖的雕刻機(jī)系統(tǒng)（如圖所示2）
任務(wù)表示順序程序執(zhí)行或在并發(fā)程序的順序部分。每個任務(wù)一個順序執(zhí)行的線程處理，因此沒有并發(fā)允許范圍內(nèi)的任務(wù)。然而，整個系統(tǒng)并發(fā)是獲得有多個任務(wù)的執(zhí)行并行。
已經(jīng)DFD的系統(tǒng)分解初步分析。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流顯然是透露，因此，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)流之間的功能他們可以能夠識別方便。下一步是如何識別應(yīng)用系統(tǒng)中的并發(fā)任務(wù)任務(wù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的DFD。在這里，飛鏢（實時系統(tǒng)設(shè)計方法）方法被用來分解成更小，更易于管理的系統(tǒng)單位與它們之間定義良好的接口。其核心主題是解決構(gòu)建系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)到并發(fā)任務(wù)，并定義它們之間的接口。飛鏢采用了一套任務(wù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，這被稱為H Gomma原則確定并發(fā)任務(wù)系統(tǒng)，以及一組確定的指導(dǎo)方針通信和同步接口之間各項任務(wù)。
任務(wù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，是一套啟發(fā)式，并發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計中得到的經(jīng)驗所得。在確定的任務(wù)主要考慮的是系統(tǒng)內(nèi)的功能的異步性質(zhì)。在H Gomma原則分為三個單獨的基于他們協(xié)助在任務(wù)中的使用方式的類別構(gòu)建活動。首先是事件的依賴標(biāo)準(zhǔn)。事件依賴關(guān)系準(zhǔn)則處理任務(wù)時被激活，包括設(shè)備的I/O依賴形成的Y，定期事件，控制功能和用戶界面的依賴等。第二是任務(wù)凝聚力錫安標(biāo)準(zhǔn)。該的凝聚力錫安標(biāo)準(zhǔn)提供的評估函數(shù)的異步性質(zhì)的手段，從而為確定是否和/或如何的職能應(yīng)到并發(fā)任務(wù)，其中包括連續(xù)的凝聚力，時空的凝聚力和功能的凝聚力相結(jié)合的基礎(chǔ)上。第三是任務(wù)的優(yōu)先級標(biāo)準(zhǔn)，包括時間關(guān)鍵和計算密集型[8]。
要實現(xiàn)這個目標(biāo)的系統(tǒng)構(gòu)建到并發(fā)任務(wù)中，構(gòu)建 H Gamma原則弧數(shù)據(jù)流圖中所示的函數(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)。基于這些條件，雕刻軟件系統(tǒng)可分為七個部分的弧，如下所示 （即在圖 2 中的虛線幀）。
（a) 用戶界面任務(wù)： 要顯示與坐標(biāo)如用戶交互信息，零件原點和過程進(jìn)展以及其他狀態(tài)信息等。
(b) 鍵盤處理任務(wù)： 要從控制面板，如選擇文件、 系統(tǒng)設(shè)置或參數(shù)設(shè)置、 手動移動等接收控制命令，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。
(c) 文件處理任務(wù)： 從 U 盤中讀取文件，然后解釋的 G 代碼或 HPGL 代碼處理文件。結(jié)果將存儲在緩沖區(qū)中。
(d) 數(shù)據(jù)處理任務(wù)： 從緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)并處理它通過控制廠內(nèi) thm，如治療小行塊 (法官大 S) 的加速和減速控制，插值處理。
(e) 中斷服務(wù)任務(wù)： 時手臂從 FPGA 收到中斷信號發(fā)送 FPGA 的步進(jìn)電機(jī)控制脈沖。
(f) 擴(kuò)展總結(jié)離子任務(wù)： 實現(xiàn)一些擴(kuò)展功能。這些功能包括更新程序控制、 遙控電子控制、網(wǎng)絡(luò)管理和工具等，運(yùn)動的模擬。
（g）FPGA 處理任務(wù)： 實施實時功能，例如，將控制脈沖發(fā)送到的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行識別，接收和處理傳感器信號等。
任務(wù) (a)-(f) 在因為ARM中實現(xiàn)其強(qiáng)大的計算能力。(G) 的任務(wù)實現(xiàn)的FPGA 由于其實時處理的能力。
四、結(jié)構(gòu)設(shè)計
A.軟件體系結(jié)構(gòu)
軟件架構(gòu)通常起著關(guān)鍵作用，要求和實施之間的橋梁?；谇度胧絃inux的數(shù)控雕刻機(jī)控制器的軟件結(jié)構(gòu)如圖3，每個架構(gòu)的一部分，也被描述如下。
BSP （板級支持包）是一個軟件開發(fā)包之間的硬件層和軟件層。它用于彌補(bǔ)硬件的差異，引導(dǎo)操作系統(tǒng)，并提供設(shè)備驅(qū)動程序。這是一個關(guān)鍵內(nèi)含的編輯操作系統(tǒng)和硬件之間的接口。
嵌入式Linux內(nèi)核的版本是2.6，許多新的功能已被添加到支持寬嵌入式系統(tǒng)的申請表格離子。它可以定制和移植基于ARM，以滿足我們的特殊要求數(shù)控雕刻系統(tǒng)。同時，使用嵌入式Linux可以簡化系統(tǒng)設(shè)計。復(fù)雜申請一些簡單的任務(wù)，這是程序可分為嵌入式Linux管理。
基于嵌入式Linux內(nèi)核，根文件系統(tǒng)與選定嵌入式圖形用戶界面(GUI)該系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)管理接口也由嵌入式 Linux 支持。
YAFFS的（另一個閃存文件系統(tǒng)）是采用根文件系統(tǒng)，這也是一種日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)像JFFS/JFFS2。它是專為NAND Flash和適合大容量存儲設(shè)備。YAFFS的，因此設(shè)計不僅要適應(yīng)NAND快閃記憶體的功能，但也是為了更好地使用NAND快閃記憶體的優(yōu)勢，以達(dá)到最佳性能。它使用的日志結(jié)構(gòu)，錯誤查修正和技術(shù)，以提高NAND閃存的健壯性。YAFFS的來臨，使得低成本的NAND閃存芯片的影響伊夫和魯棒性。YAFFS的是高度可移植，可在Linux上運(yùn)行。
Qt/Embedded是著名的商業(yè)嵌入式GUI工具，具有巨大的跨平臺能力，可以很方便在目前流行的操作系統(tǒng)，如嵌入式Linux的應(yīng)用。闕可以直接與I/O設(shè)備進(jìn)行通信。此外，其面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)架構(gòu)，使得其代碼結(jié)構(gòu)化，重用和運(yùn)行快。闕支持相框緩沖驅(qū)動器，可以直接寫入幀緩沖不X-服務(wù)器或支持的X庫。以這種方式，這樣可以節(jié)省內(nèi)存成本和提高應(yīng)用程序的運(yùn)行效率[9]?？紤]優(yōu)點上面提一下，本文采用它作為嵌入式輕量級的GUI組件庫的基本構(gòu)造工具面向工業(yè)監(jiān)控。
提到的部分所提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上上面的數(shù)控雕刻（除了在應(yīng)用程序任務(wù)FPGA 處理任務(wù)）的胳膊上的開發(fā)。在 FPGA處理任務(wù)將由 FPGA 單獨開發(fā)開發(fā)工具。
軟件系統(tǒng)是簡單而明確的分層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免整體系統(tǒng)的太大、太復(fù)雜。此外的優(yōu)勢分層體系結(jié)構(gòu)：不同控制組件基于不同時間可以集成粒度無縫地，同時它可以輕松同步低級別的連續(xù)動態(tài)之間的協(xié)調(diào)系統(tǒng)和高水平的離散事件系統(tǒng) [10]。
B.任務(wù)界面
FIFO緩沖區(qū)或共享的內(nèi)存可以用來任務(wù)之間進(jìn)行通信。通過訪問的內(nèi)存多個任務(wù)，訪問程序都必須與其他同步數(shù)據(jù)的訪問。這種紙使用文件處理任務(wù)之間進(jìn)行通信的共享的內(nèi)存和達(dá)達(dá)處理的任務(wù)，并通過生產(chǎn)者-消費者問題解決同步問題的算法。文件表示為生產(chǎn)者，而數(shù)據(jù)處理任務(wù)處理任務(wù)被表示為消費者。生產(chǎn)商過程產(chǎn)生數(shù)據(jù)所使用的消費者過程。
允許生產(chǎn)者和消費者的進(jìn)程運(yùn)行同時，我們必須有一個可用的有界的緩沖區(qū)的可以填充由生產(chǎn)者并清空的項目，消費者。此緩沖區(qū)將駐留在內(nèi)存中的一個區(qū)域，由生產(chǎn)國和消費進(jìn)程共享。生產(chǎn)商可以生成一個項目時，消費者會消耗另一個項目。可能會導(dǎo)致對共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問數(shù)據(jù)不一致。生產(chǎn)者和消費者必須同步，因此，消費者不會嘗試使用項目，但尚未產(chǎn)生。為了解決同步過程中，將使用信號量。對于本項目，統(tǒng)計信號量的標(biāo)準(zhǔn)將用于空和完整，而不是二進(jìn)制的信號量，將使用互斥鎖代表互斥體。生產(chǎn)者和消費者的身份運(yùn)行單獨的線程-將移動項目，并從該緩沖區(qū)的與這些空，同步全額、 和互斥體結(jié)構(gòu).
允許生產(chǎn)者和消費者的進(jìn)程運(yùn)行同時，我們必須有一個可用的有界的緩沖區(qū)的可以填充由生產(chǎn)者并清空的項目，消費者。此緩沖區(qū)將駐留在內(nèi)存中的一個區(qū)域，由生產(chǎn)國和消費進(jìn)程共享。生產(chǎn)商可以生成一個項目時，消費者會消耗另一個項目。可能會導(dǎo)致對共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問數(shù)據(jù)不一致。生產(chǎn)者和消費者必須同步，因此，消費者不會嘗試使用項目，但尚未產(chǎn)生[11]。為了解決同步過程中，將使用信號量。對于本項目，統(tǒng)計信號量的標(biāo)準(zhǔn)將用于空和完整，而不是二進(jìn)制的信號量，將使用互斥鎖代表互斥體。生產(chǎn)者和消費者的身份運(yùn)行單獨的線程-將移動項目，并從該緩沖區(qū)的與這些空，同步全額、 和互斥體結(jié)構(gòu)。
FIFO，使得模塊內(nèi)的設(shè)計解耦。FIFO界面很簡單，減少設(shè)計時間。FIFO 很少是瓶頸，以來的寬度和深度可以調(diào)整和非常適合連接自定義直接向嵌入式處理器，硬件和簡單一個短的設(shè)計周期和小代碼的大小與實施[12]。 乒乓球操作中引入異步 FIFO 的設(shè)計，以使 FPGA 和手臂實現(xiàn)無縫的緩沖和高速數(shù)據(jù)處理流，以確保 FPGA 的流水處理。顯示了典型的乒乓球操作方法如圖 5 [13]。
數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊1
數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊2
輸入的數(shù)據(jù)選擇器單元
2MUX1
輸出的數(shù)據(jù)選擇器單元
2MUX1
數(shù)據(jù)處理模塊
作為后面的 FPGA乒乓球操作的處理流程是： 從ARM的輸入的數(shù)據(jù)首先分配給"數(shù)據(jù)緩沖模塊我"通過"輸入數(shù)據(jù)選擇器單元"，然后在下一次切換時，將緩沖輸入的數(shù)據(jù)在"數(shù)據(jù)緩沖模塊 2"。同時，數(shù)據(jù)緩沖在"數(shù)據(jù)緩沖模塊我"最后一次被發(fā)送到"數(shù)據(jù)處理模塊"處理通過"輸出數(shù)據(jù)單位"。在第三個時，輸入和輸出數(shù)據(jù)交換了又兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊。提到的步驟以上將反復(fù)和重復(fù)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊在我們的系統(tǒng)是先進(jìn)先出。數(shù)據(jù)選擇器的的開關(guān)信號單位是由 FPGA的發(fā)送中斷信號，當(dāng)需要在數(shù)據(jù)。這意味著當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖中的兩個之一已處理的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的模塊，然后將發(fā)送 FPGA ARM 的外部中斷信號。因此，手臂將發(fā)送數(shù)據(jù)以 FPGA 的中斷服務(wù)程序。FPGA將緩沖區(qū)在此數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊，接收的數(shù)據(jù)。與此同時，"數(shù)據(jù)處理模塊"仍可處理其他數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊中的數(shù)據(jù)。乒乓球操作促進(jìn)系統(tǒng)的并發(fā)性。
用來達(dá)到相同的效果，對于其他任務(wù)的另一種方式是通過消息隊列，這是為操作系統(tǒng)提供協(xié)作進(jìn)程手段，彼此溝通，如圖 6 中所示。
消息
消息
發(fā)送消息
接收消息
消息隊列
消息隊列提供了一種機(jī)制，允許進(jìn)程溝通和同步他們的行動，而不共享相同的地址空間和中尤其有用分布式的環(huán)境中，溝通流程可能駐留在不同的計算機(jī)上。消息隊列設(shè)施提供至少兩個操作，發(fā)送 （消息） 和接收 （消息）。
在 Linux 系統(tǒng)中，函數(shù)用于創(chuàng)建消息隊列，功能用于發(fā)送使用消息隊列和 接收的消息） 函數(shù)從消息隊列中接收消息。當(dāng)任務(wù)發(fā)送消息到消息隊列，它首先判斷這是否消息隊列是完全不是。如果隊列已滿，則任務(wù)會一直等待，直到其他任務(wù)得到了來自消息消息隊列。同樣地，當(dāng)任務(wù)接收從消息消息隊列，它首先判斷是否該消息隊列為空。如果消息隊列為空，則該任務(wù)會一直等待，直到其他任務(wù)已發(fā)送消息消息隊列。消息隊列有五種工作模式，其中分別是一對一，一到多、 多對一，很多人為許多和充分的雙面打印?？梢允遣煌墓ぷ髂Ｊ竭x擇了不同的通信要求基于之間的任務(wù)。
五、實時分析
任務(wù)可以是作為實時任務(wù)分類和非實時根據(jù)不同的實時請求的任務(wù)。雕刻機(jī)有三個耦合生成 XYZ 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，每個電機(jī)已接收兩個控制其驅(qū)動程序發(fā)出信號，其中一個是脈沖和另一種是方向。它也有三限制傳感器，以確定軸的賽車終結(jié)點。FPGA 的實時任務(wù)，例如，這樣做主要負(fù)責(zé)的是前端處理工作的傳感器和控制信息。所以，我們的系統(tǒng)中的實時任務(wù)是 FPGA 加工(非常高速 vhdl 描述的任務(wù)，綜合的電路硬件描述語言）。FPGA 是直接連接到手臂內(nèi)存總線。"它們之間的通信通過閱讀來實施和書面運(yùn)輸指令和數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。"系統(tǒng)為用戶使用 10 內(nèi)存映射方法操作 FPGA 的空間。除了地址總線、 數(shù)據(jù)總線和控制信號線，也是一個外部中斷信號從 FPGA 相連的手臂。為了得到順利操作和效率，關(guān)鍵的問題在于是否 FPGA 可以不斷將控制信號發(fā)送到驅(qū)動程序。那就是，無論是否FPGA 是缺乏控制信號。如果在這一條件，步進(jìn)電機(jī)將被阻止。要解決這個問題，乒乓球操作被通過 FPGA 來處理數(shù)據(jù)。所以，之后 FPGA 已經(jīng)處理了其中一個問題被轉(zhuǎn)換為，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊，手臂 ISR 是否可以響應(yīng)正被其它數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊期間中斷信號處理。
條件進(jìn)行分析可以 FPGA 等多久通過使用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的 Linux 中斷響應(yīng)延遲在最壞的情況下的模塊。曾經(jīng)的影響因素在我們的系統(tǒng)了。相關(guān)的參數(shù)顯示如下： 雕刻，這表示為 v 的速度單位是米/分鐘 ；FPGA 中的數(shù)據(jù)大小的緩沖區(qū)模塊表示為 n ；步進(jìn)發(fā)送脈沖的頻率電機(jī)被表示為 f，哪一個單元是 Hz ；脈搏相當(dāng)于表示為 （5 ； FPGA 可以在的時間至少等待中斷響應(yīng)延遲表示為T，其單位是它們之間的關(guān)系顯示如下。
v = f ·o (mm / s) = 0.06 · f ·o(m / min) (I)
脈沖當(dāng)量 （在此雕刻機(jī) 5 是0.0025 毫米。 這樣我們能
(3) 繪制表格如圖，
如圖中所示，我們可以知道 FPGA 可以等待ARM 中斷響應(yīng)延遲為 n 的增加較多的時間。當(dāng)參數(shù) n 固定時時間 T 是迅速作為雕刻 v 增加的速度下降。雖然T 的時間被固定的為了提高雕刻速度，數(shù)據(jù)緩沖區(qū) n 的大小應(yīng)較大。T 的時間，F(xiàn)PGA 至少可以等待 ARM 中斷響應(yīng)延遲已確認(rèn)時的最大的雕刻速度 v和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小 n 固定。比較時間 T 和武裝中斷響應(yīng)延遲，我們可以判斷這是否設(shè)計能滿足實時的需求。
瞄準(zhǔn)問題提到前的示例實時分析作為波紋管。如果發(fā)送的脈沖頻率步進(jìn)電機(jī)受到限制 100 Hz 40000Hz 之間。，是雕刻的速度是之間，限制0.0 l Sm/min-蒂姆/分鐘。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊的大小設(shè)置為500.然后 FPGA 發(fā)送一個中斷后武裝時信號它已經(jīng)處理了一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊，會有12.5ms-5000ms （即 I2500μs-5000000μS) 的中斷通過使用 （3） 都得到的響應(yīng)延遲。然而，在 Linux 中正常中斷響應(yīng)上肢短潛伏期是在 600μS 內(nèi)[14]。 如你所知，這是完全滿意實時的要求。當(dāng)然，保留時間為中斷延遲也可由數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小調(diào)整。在 FPGA 的模塊。顯然，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小是有限的。如果將添加到嵌入式 Linux 實時核心大小不再滿足要求的提高雕刻速度。所以在這種情況下 RT-Linux 將會適用于因為其中斷響應(yīng)延遲是僅在數(shù)萬內(nèi)單位為微秒。這就是改善雙內(nèi)核方法Linux 的實時性能。
六、實際應(yīng)用
在香港專業(yè)教育學(xué)院，這種軟件體系結(jié)構(gòu)，它實際上用于雕刻機(jī)控制器。此控件的硬件平臺原型系統(tǒng)如圖 8所示。
雕刻示例所示右面，這是刻在上面所示的控制器。
七、結(jié)論
在本白皮書中，擬議的新的軟件體系結(jié)構(gòu)基于數(shù)控雕刻機(jī)控制器嵌入Linux。它方便了應(yīng)用軟件開發(fā)、削減降低開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期和增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和實時性能。靈活性和適應(yīng)性也是系統(tǒng)的很大的改進(jìn)。這種體系結(jié)構(gòu)的有效已實際應(yīng)用的確認(rèn)。此外，其他類型雕刻機(jī)控制器，如激光雕刻，可以此外將建立很容易，只要相應(yīng)的功能模塊被修改，以適應(yīng)該雕刻的要求。此外可以添加相應(yīng)的功能模塊到使其適用于不同類型的雕刻。各項要求如更新遠(yuǎn)程控制方案，控制、 網(wǎng)絡(luò)管理與仿真下一步，將輕松滿意工具的運(yùn)動。
淮 陰 工 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學(xué) 生 姓 名：
趙俊
學(xué) 號：
1081101738
專 業(yè)：
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
設(shè)計(論文)題目：
五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計②
―結(jié)構(gòu)設(shè)計
指 導(dǎo) 教 師:
許軍
2012
年
2
月
28
日
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫
2000字左右的文獻(xiàn)綜述
文 獻(xiàn) 綜 述
一、五軸雕刻機(jī)的簡介
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展, 普通的三軸雕刻機(jī)床已滿足不了人們對加工零件的更高要求。在20世紀(jì)60年代, 一些發(fā)達(dá)國家開始研制五軸數(shù)控機(jī)床。五軸雕刻機(jī)集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工于一體, 可高效、準(zhǔn)確完成復(fù)雜曲面的加工, 特別是在曲軸等方面具有獨特的優(yōu)勢。由于五軸技術(shù)難度較大, 國際上通常把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為衡量一個國家生產(chǎn)設(shè)備自動化水平的重要標(biāo)志。長期以來, 西方發(fā)達(dá)國家一直把五軸聯(lián)動作為重要的戰(zhàn)略物資控制出口, 發(fā)展中國家在研發(fā)和引進(jìn)兩方面都碰到了很大的困難，為打破國外的技術(shù)封鎖, 需要我們自主創(chuàng)新 !
二、工作原理
五軸加工是指在一臺機(jī)床上至少有五個坐標(biāo)軸，三個直線坐標(biāo)和兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，而且可以在計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制下同時協(xié)調(diào)運(yùn)動進(jìn)行加工。五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)難度最大、適用范圍最廣的技術(shù)，其集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密技術(shù)于一體，主要應(yīng)用于加工品質(zhì)要求很高的自由曲面的高效、精密、自動加工，是目前解決葉輪、葉片、螺旋槳等復(fù)雜曲面加工的重要手段。這樣五軸聯(lián)動數(shù)控加工與一般的三軸聯(lián)動數(shù)控加工相比，主要有1)提高加工質(zhì)量和效率，2)擴(kuò)大工藝范圍，可以用于復(fù)雜曲面和斜空斜面的加工；同時，五軸加工也存在很多難點，需要在開發(fā)的過程中重點考慮的問題。
三、機(jī)床設(shè)計
1、五軸聯(lián)動現(xiàn)狀及其分析
大多數(shù)高級的數(shù)控銑床的數(shù)控裝置都可控六根基本軸,即X, Y, Z三根運(yùn)動軸和繞X, Y, Z 三根運(yùn)動軸旋轉(zhuǎn)的A、B、C三根回轉(zhuǎn)軸。五軸聯(lián)動指的是在六根基本軸中, 機(jī)
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床數(shù)控裝置能控制其中五根軸同時達(dá)到空間某一點, 通俗的講就是指其中五根軸能同時對某一點進(jìn)行運(yùn)動加工。根據(jù)機(jī)床實際情況, 五軸聯(lián)動通常是在X、Y、Z三根運(yùn)動軸基礎(chǔ)上增加由A、B、C 三個回轉(zhuǎn)軸中任意兩個回轉(zhuǎn)軸所組合的運(yùn)動, 2個回轉(zhuǎn)軸可以都配置在刀具切削頭部位( 通常稱擺動軸)或工件安裝部位(通常稱旋轉(zhuǎn)工作臺), 也可在這兩個部位上分別配置1個回轉(zhuǎn)軸。
根據(jù)這些配置方式可以組合出的有效布局方案共有:
雙旋轉(zhuǎn)工作臺的高速五軸機(jī)床, 它應(yīng)用比較多的是銑鏜類機(jī)床。這種機(jī)床也有多個類型和品種, 較簡單的是在數(shù)控鏜銑床的工作臺上附加A /B軸轉(zhuǎn)臺, 配上相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng), 實現(xiàn)X、Y、Z三個直線運(yùn)動和A /B軸兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并可聯(lián)動。這種配置由于接合層次多, 剛性差些, 因此有專門將A /B轉(zhuǎn)軸的支座與工作臺或床身做成一體的。由于受安裝工件的轉(zhuǎn)臺的尺寸和重量的制約, 這種機(jī)床僅適用于加工中小這種機(jī)床僅適用于加工中小型工件。
在刀具切削頭部位和工件安裝部位, 都配置1個回轉(zhuǎn)軸。這種五軸聯(lián)動機(jī)床由于轉(zhuǎn)臺可以是A 軸、B 軸或C 軸,擺頭也是一樣, 可以分別是A軸、B軸或C 軸, 所以轉(zhuǎn)臺加上擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機(jī)床可以有各種不同的組合, 以適應(yīng)不同的加工對象, 如加工汽輪發(fā)電機(jī)的葉片, 需要A 軸加上B軸, 其中A 軸需要用尾座頂尖配合頂住工件, 如果工件較長同時直徑又細(xì), 則需要兩頭夾住并且拉伸工件來進(jìn)行加工, 當(dāng)然這里一個必要條件是兩個轉(zhuǎn)臺必須嚴(yán)格同步旋轉(zhuǎn)。這種型式配置的機(jī)床把旋轉(zhuǎn)軸分別放置于切削頭部位和工作臺安裝部位, 與使用雙旋轉(zhuǎn)工作臺的機(jī)床相比較, 優(yōu)點是剛性高, 工作臺的承載能力強(qiáng)。雙旋轉(zhuǎn)工作臺為一個串聯(lián)機(jī)構(gòu), 而且空間上受到限制, 無法設(shè)計得足夠健壯, 導(dǎo)致整體剛性不足, 若將旋轉(zhuǎn)軸分開在主軸頭和工作臺兩個部位,那么結(jié)構(gòu)剛性的問題便得到很好的解決, 工作臺的工作臺面積與承載能力也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的雙旋轉(zhuǎn)工作臺。
雙擺頭式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機(jī)床, 由于結(jié)構(gòu)本身的原因: 擺頭中間一般有一個帶有松拉刀結(jié)構(gòu)的電主軸, 所以雙擺頭自身的尺寸不容易做小, 一般在400~ 500 mm 左右, 加上雙擺頭活動范圍的需要, 所以雙擺頭結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機(jī)床的加工范圍不宜太小, 而是越大越好, 一般為龍門式或動梁龍門式, 龍門的寬度在2000 ~ 3000 mm 以上為好。
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2、機(jī)床的選擇
常見五軸機(jī)床的形式有雙擺回轉(zhuǎn)臺、雙擺頭和轉(zhuǎn)臺加擺主軸共3 大類在保證整個系統(tǒng)機(jī)械剛性以及經(jīng)濟(jì)性的前提下，本設(shè)計采用龍門式結(jié)構(gòu)，運(yùn)動方式采用龍門架移動、工作臺固定的運(yùn)動方式。該布局，龍門及其上的X，Z 軸機(jī)構(gòu)都要運(yùn)動， 因此運(yùn)動慣性較大， 要求Y 軸步進(jìn)電機(jī)的功率要大， 但是工作臺穩(wěn)定，可以裝夾質(zhì)量較大的金屬工件。如圖1 所示， 由主軸組件在龍門架上進(jìn)行左右移動(X 向)， 實現(xiàn)雕刻寬度； 由龍門架與Y 軸滑塊固定，在工作臺上進(jìn)行前后移動（Y 向），實現(xiàn)雕刻長度；由主軸組件在龍門架上進(jìn)行上下移動（Z 向），實現(xiàn)雕刻深度。機(jī)床結(jié)構(gòu)主要是XYZ 運(yùn)動平臺+AC 旋轉(zhuǎn)平臺的組合。此結(jié)構(gòu)下，五軸加工時由于A 及C旋轉(zhuǎn)加工平臺較小，不能進(jìn)行較大行程的五軸加工，但A 及C旋轉(zhuǎn)加工平臺，可以很容易移開，即可進(jìn)行較大行程的XYZ 三軸加工，這也是機(jī)床開發(fā)功能性及經(jīng)濟(jì)性的一種表現(xiàn)。此時機(jī)床在設(shè)計上XY 方向會有較大行程。主軸部分采用直流電機(jī)鏈接鉆夾頭， 夾持刀具直接進(jìn)行切削。在系統(tǒng)各個方向的傳動件上我們均采用滾珠絲杠配合圓柱導(dǎo)軌的方式，保證了系統(tǒng)的精度。
3、控制系統(tǒng)設(shè)計
數(shù)控機(jī)床由數(shù)控加工系統(tǒng)控制，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，英文名稱為（Numerical Control system），簡稱NCS，而目前控制方式，多是電腦進(jìn)行控制，又簡稱CNC（ComputerNumerical Control）。其功能是根據(jù)計算機(jī)存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機(jī)系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令，來實現(xiàn)一臺或多臺機(jī)械設(shè)備動作控制，其所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開關(guān)量。CNC 系統(tǒng)的核心是CNC 裝置。由于使用了計算機(jī)，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC 代替了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維護(hù)也方便，并具有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的功能。
四、綜述
機(jī)床設(shè)計過程中, 軸的聯(lián)動設(shè)計是其核心的部分, 不僅對控制部分有較高的要求, 機(jī)
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械部分也是非常重要的, 它不僅決定了其功能, 更決定了其精度和加工范圍。此論文對五軸聯(lián)動機(jī)械部分進(jìn)行了詳細(xì)的比較與設(shè)計, 既符合經(jīng)濟(jì)效益也同時滿足精度要求, 是一種比較適合于我國現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床發(fā)展的水平的設(shè)計思路。為數(shù)控機(jī)床軸的設(shè)計提供有普遍意義的設(shè)計方案, 為同樣進(jìn)行五軸聯(lián)動設(shè)計的同行提供參考。
隨著械加工技術(shù)的不斷推進(jìn), 以這種機(jī)械傳動鏈結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動銑頭會逐漸被以“ 零傳動”方面的五軸聯(lián)動銑頭取代, 但個人相信, 在今后幾十年中, 機(jī)械傳動鏈結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床, 在數(shù)控加工領(lǐng)域仍扮演著重要的角色, 推動我國制造加工業(yè)的發(fā)展。
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2．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）
一、解決的問題
本課題從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，根據(jù)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和研制原則，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的組織和綜合，制定了研制的五軸雕刻機(jī)的機(jī)械部分總體設(shè)計方案，著重詳細(xì)地分析了雕刻機(jī)系統(tǒng)的總體布局和結(jié)構(gòu)方案、數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式，以及主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)選擇等。研究內(nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，包括主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的設(shè)計計算；控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，包括硬件選用、軟件結(jié)構(gòu)；以及插補(bǔ)算法的選擇、分析和實現(xiàn)過程，實現(xiàn)了該雕刻機(jī)系統(tǒng)的初步優(yōu)化。 該課題的目的在于提高獨立自主開發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品的能力。
二、研究手段
（1）查閱有關(guān)五軸雕刻機(jī)的相應(yīng)文獻(xiàn)，了解五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計所具備的只是和相關(guān)資料；
（2）結(jié)合有關(guān)資料和實驗室中已有設(shè)備進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計；
（3）通過三維建模，測繪，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并校驗；
（4）完成實物設(shè)計。
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指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語：
所查閱文獻(xiàn)與畢業(yè)論文選題一致；
所閱讀的文獻(xiàn)數(shù)量（包括中外文文獻(xiàn)資料）符合要求；
所作綜述思路基本清淅，結(jié)構(gòu)合理，觀點明確；
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
畢業(yè)論文選題符合所學(xué)專業(yè)方向和專業(yè)要求；研究內(nèi)容切合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展實際；課題有一定的深度，需要該生認(rèn)真研究，通過方案設(shè)計論證，建模仿真等環(huán)節(jié)，最終可以完成實物制作。
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指導(dǎo)教師： （手寫簽名）
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人： （手寫簽名）
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淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 38 頁 共 38 頁
1 引言
1．1 課題的提出和研究意義
目前，制造業(yè)面臨市場的全球化和需求的多樣化，以及技術(shù)創(chuàng)新的加快，產(chǎn)品更新?lián)Q代快、周期短，生產(chǎn)多品種、中小批量的生產(chǎn)比重明顯增加。同時隨著航空業(yè)、汽車市場和輕工業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)雜形狀的零件越來越多，精度要求也不斷增加。此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品的周期零件的更高要求越來越短，多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效、高質(zhì)量加工要求，使得傳統(tǒng)的加工設(shè)備和手段難以適應(yīng)。
五軸數(shù)控機(jī)床集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工于一體，可高效、準(zhǔn)確完成復(fù)雜曲面的加工，特別是在加工葉輪、葉片、船用螺旋槳及大型柴油機(jī)曲軸等方面具有獨特的優(yōu)勢。五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)難度最大 適用范圍最廣的技術(shù)，但高精度的機(jī)床配合高價出售，其不菲的價格也是大多加工企業(yè)難以承受，也讓推廣五軸加工技術(shù)受到一定程度的阻礙。
本課題基于五軸加工原理，開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)的五軸雕刻機(jī)，可應(yīng)用于加工材質(zhì)較軟 精度要求不高的零件，如木材 塑料及鋁合金等材質(zhì)零件。能適應(yīng)一些球類，曲線類的復(fù)雜零件加工，另外可以更換刀頭，在條件允許的情況下，可以完成鉆、銑、切割等。同時還可以通過軟件系統(tǒng)的控制和G代碼控制配合制作出一些實體零件等。
1．2 五軸雕刻機(jī)的發(fā)展歷程
可以追溯到遠(yuǎn)古時期，母系氏族時期的半坡氏族文化的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時期便發(fā)明了活字印刷，這里刻的字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可以堪稱一絕。
傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝， 雕刻品的質(zhì)量完全取決于雕刻師的技藝水平， 所以生產(chǎn)的效率低、成本高， 制品的隨意性強(qiáng)、一致性差，嚴(yán)重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機(jī)的產(chǎn)生成為必然。
上世紀(jì)90年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)、刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標(biāo)識銘牌，可謂雕刻的使用無處不在。
1938年世界第一臺手動雕刻機(jī)在法國“嘉寶”問世，1950“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機(jī)。隨后一些歐美國家也開始研制。20世紀(jì)90年代，隨著電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動微型計算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)帶動整個高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從2D加工逐漸擴(kuò)展到5D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。
雕刻機(jī)主要有仿形雕刻機(jī)和計算機(jī)數(shù)控雕刻兩大類，以完成有互換性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。仿形雕刻的出現(xiàn)為雕刻的工業(yè)應(yīng)用起到了巨大的推動作用，尤其是圖案和文字的雕刻加速了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為雕刻在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用奠定了扎實的基礎(chǔ)。但是機(jī)械仿形雕刻仍是一種手動雕刻，它在加工效、加工能力、計算機(jī)接口等方面存在明顯的缺陷，阻礙了雕刻技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。
隨著工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)速度的加快，尤其是計算機(jī)輔助設(shè)計的廣泛應(yīng)用，工業(yè)產(chǎn)品的形態(tài)更加豐富，變化更加迅速，對制造設(shè)備提出了新的要求。這就使以計算機(jī)輔助設(shè)計和制造（CAD/CAM）技術(shù)、技術(shù)及數(shù)控技術(shù)（CNC）為核心的數(shù)控雕刻技術(shù)成了雕刻加工發(fā)展的主流。如圖1-1為雕刻機(jī)的發(fā)展歷程。
雕刻機(jī)
手動雕刻機(jī)
自動雕刻機(jī)
復(fù)雜曲面
傳統(tǒng)工藝
球類零件
激光雕刻系統(tǒng)
機(jī)械雕刻系統(tǒng)
仿形雕刻系統(tǒng)
數(shù)控雕刻系統(tǒng)
圖1-1為雕刻機(jī)的發(fā)展歷程
現(xiàn)在雕刻機(jī)以其低的價格和較高的生產(chǎn)加工效率，被廣泛運(yùn)用在木工業(yè)、石材業(yè)、廣告業(yè)、飾品業(yè)、家具裝潢業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域。
我國近年來制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇，有效地促進(jìn)了我國數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)、推廣和應(yīng)用。我國的數(shù)控雕刻機(jī)起步于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十年的發(fā)展，已形成了多個國產(chǎn)牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的“啄木鳥”數(shù)控雕刻機(jī)、北京精雕公司生產(chǎn)的“精雕”數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的“威克”數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類雕刻機(jī)的機(jī)床本體機(jī)構(gòu)簡單，控制器大多借鑒國外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制器或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分多以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機(jī)的性價比不是太高，適用于精度不太高的普及應(yīng)用場合。至于高精度的加工，目前國內(nèi)進(jìn)口的數(shù)控雕刻機(jī)以一些國際知名品牌為主，如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”都是此行也得佼佼者，但價格十分昂貴。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計剛度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高，但價格昂貴，往往數(shù)倍于國產(chǎn)產(chǎn)品。因此這類產(chǎn)品主要運(yùn)用于制造高精度模具等場合。
1．3 雕刻機(jī)的發(fā)展趨勢
隨著時代的快速發(fā)展，普通的三軸數(shù)控機(jī)床已滿足不了人們對加工在 20世紀(jì)60年代，一些發(fā)達(dá)國家開始研制五軸數(shù)控機(jī)床。五軸雕刻機(jī)相對三軸雕刻機(jī)有著一次裝夾可以完成全部或大部分加工任務(wù)的優(yōu)勢。由于能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸與直線運(yùn)動軸聯(lián)動，五軸雕刻機(jī)還可以在回轉(zhuǎn)體毛坯上進(jìn)行雕刻加工，這是三軸雕刻機(jī)無法做到的。此外，五軸雕刻機(jī)還能夠提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率。但是五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)、昂貴的硬件成本以及復(fù)雜的機(jī)床結(jié)構(gòu)一直是困擾五軸雕刻機(jī)迅速發(fā)展的瓶頸。而數(shù)控系統(tǒng)的迅速發(fā)展，已經(jīng)能滿足多軸聯(lián)動技術(shù)的要求，必將推動五軸雕刻機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展。
未來五軸雕刻機(jī)方向概括如下：
（1）高速高精度化：現(xiàn)在國內(nèi)雕刻機(jī)大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)，位置控制和加工精度不高。今后，雕刻機(jī)硬件控制部分將向半閉環(huán)、全閉環(huán)方向發(fā)展，使用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，通過檢測回饋信號對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高加工精度和加工速度。
（2）人性化界面：隨著規(guī)?；a(chǎn)的需求，更加簡潔，人性化的操作界面將成為今后雕刻機(jī)的一個發(fā)展趨勢。企業(yè)能更好運(yùn)用與實際生產(chǎn)中，使員工能一人控制多臺雕刻機(jī)成為可能，便于提高企業(yè)生產(chǎn)效率。
（3）多軸聯(lián)動技術(shù)：目前雕刻機(jī)主要以三軸雕刻機(jī)為主，未來將以五軸雕刻機(jī)為代表多軸聯(lián)動的數(shù)控雕刻機(jī)也是一個主要發(fā)展方向。
1．4 五軸雕刻機(jī)的原理和特點
五軸雕刻機(jī)是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)，多數(shù)采用開環(huán)控制的簡易數(shù)控系統(tǒng)。它具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高等特點。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，PC機(jī)的性能不斷提高，硬件配置更加靈活并且軟件資源的日益豐富，價格卻不斷下降。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)的系統(tǒng)正逐漸過渡到以PC機(jī)為控制核心的發(fā)展方向。由于這種系統(tǒng)性價比高，因而被廣泛地應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品升級換代和普通機(jī)床的技術(shù)改造上。
基本特點如下：
相對于三軸雕刻機(jī)和手動雕刻機(jī)，五軸雕刻機(jī)的基本特點有以下幾點：適用性廣，功能實用、性價比高、操作簡單。
（1）適用性廣：它能適應(yīng)各種復(fù)雜加工，尤其是復(fù)雜曲面的加工，特別是在加工葉輪、葉片、船用螺旋槳及大型柴油機(jī)曲軸等。因此，它被廣泛運(yùn)用在汽車工業(yè)、航天工業(yè)、制船業(yè)，此外還有浮雕、根雕、家具市場等。
（2）功能實用：采用五軸聯(lián)動機(jī)床加工模具可以很快的完成模具加工，交貨快，更好的保證模具的加工質(zhì)量，使模具加工變得更加容易，并且使模具修改變得容易。在傳統(tǒng)的模具加工中，一般用立式加工中心來完成工件的銑削加工。隨著模具制造技術(shù)的不斷發(fā)展，立式加工中心本身的一些弱點表現(xiàn)得越來越明顯?，F(xiàn)代模具加工普遍使用球頭銑刀來加工，球頭銑刀在模具加工中帶來好處非常明顯，但是如果用立式加工中心的話，其底面的線速度為零，這樣底面的光潔度就很差，但使用、五軸聯(lián)動機(jī)床加工技術(shù)加工模具，可以克服上述不足。
（3）性價比高：由于是五軸聯(lián)動，讓工件的裝夾變得容易。加工時無需特殊夾具，降低了夾具的成本，避免了多次裝夾，提高模具加工精度。采用五軸技術(shù)加工模具可以減少夾具的使用數(shù)量。另外，由于五軸聯(lián)動機(jī)床可在加工中省去許多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五軸聯(lián)動機(jī)床在加工中能增加刀具的有效切削刃長度，減小切削力，提高刀具使用壽命，降低成本。
（4）操作簡單：由于通過數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行控制驅(qū)動，使得它比手動或一般的機(jī)床生產(chǎn)簡單，在一些功能參數(shù)的設(shè)置上也變得簡單易用。通過培訓(xùn)學(xué)習(xí)，能適合不同層次的用戶的實用，對它的推廣與運(yùn)用提供了良好的平臺。
1．5 本課題的研究內(nèi)容
本文針對五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要從以下幾個方面的內(nèi)容進(jìn)行分析和研究：
（1）分析五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，對五軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)已有伺服電機(jī)進(jìn)行實體建模，并選擇好材料。
（2）對建模零件進(jìn)行加工，準(zhǔn)備裝配的零件，另外根據(jù)已有零件準(zhǔn)備好連接件。
（3）根據(jù)建模模型進(jìn)行實體裝配，按一定順序組裝。
（4）配合驅(qū)動進(jìn)行調(diào)整和校正。
（5）進(jìn)行實例加工。
1．6 本章小結(jié)
本章是前言部分，主要描述了五軸雕刻機(jī)的發(fā)展歷史和未來的發(fā)展趨勢，同時介紹了五軸雕刻機(jī)的基本原理和特點，以及本次課題的研究內(nèi)容。
2 五軸雕刻機(jī)的實體建模
本章主要對五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實體建模，并且分析結(jié)構(gòu)的合理性以及零件材料的選擇。
2．1 五軸雕刻機(jī)基本運(yùn)動原理
五軸雕刻機(jī)加工中心大多是3 + 2的結(jié)構(gòu), 即 x, y, z三個直線運(yùn)動軸加上分別圍繞 x, y, z軸旋轉(zhuǎn)的 a, b , c三個旋轉(zhuǎn)軸中的兩個旋轉(zhuǎn)軸組成。這樣,從大的方面分類, 就有x, y, z , a , b ; x, y, z , a , c ; x, y, z , b, c三種形式;由二個旋轉(zhuǎn)軸的組合形式來分,大體上有雙轉(zhuǎn)臺式、 轉(zhuǎn)臺加上擺頭式和雙擺頭式三種形式。這三種結(jié)構(gòu)形式由于物理上的原因,分別決定了機(jī)床的規(guī)格大小和加工對象的范圍。其中,雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機(jī)床由于在加工工件時工件需要在兩個旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動,所以只適合加工小型零件,如小型整體渦輪、 葉輪、 小型精密模具等,由于結(jié)構(gòu)最為簡單,所以相對價格較為低廉,就應(yīng)用來講,這是數(shù)量最多的一類五軸數(shù)控機(jī)床。
2．2 五軸雕刻機(jī)的工作原理
雕刻機(jī)一般由機(jī)架、工作臺、刀頭、運(yùn)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。雕刻作業(yè)時刀頭相對工作臺沿X、Y、Z 軸進(jìn)給。五軸雕刻機(jī)的工作原理圖如圖2-1所示 PC機(jī)
USB數(shù)據(jù)傳輸接口
單片機(jī)
X軸伺服電機(jī)
Y軸伺服電機(jī)
Z軸伺服電機(jī)
A軸伺服電機(jī)
B軸伺服電機(jī)
X軸絲杠
Y軸絲杠
Z軸絲杠
A軸電機(jī)
B軸電機(jī)
完成雕刻
圖2-1為五軸雕刻機(jī)的工作原理圖
電腦通過并口，直接將步進(jìn)電機(jī)的控制信號輸出給雕刻機(jī)控制器。即電腦通過軟件（如mach2)等，從并口分別送出以下的信號給雕刻機(jī)控制箱：
X軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）
X軸的方向信號（正向或反向）
Y軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）
Y軸的方向信號（正向或反向）
Z軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）
Z軸的方向信號（正向或反向）
A軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，旋轉(zhuǎn)速度越快）
A軸的方向信號（正向或反向）
B軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，旋轉(zhuǎn)速度越快）
B軸的方向信號（正向或反向）
進(jìn)步電機(jī)的使能信號（電機(jī)是啟用，或是停用，如果是停用，電機(jī)會完全松下來不會鎖死。連接電腦工作時會啟用電機(jī)）?？刂葡鋵⑦@些信號處理后，輸出驅(qū)動信號直接給X，Y，Z ，A，B五只步進(jìn)電機(jī)。
2．3 五軸雕刻機(jī)的設(shè)計要求
本次課題提出對五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即使五軸雕刻機(jī)實現(xiàn)五軸聯(lián)動，能又使得五軸雕刻機(jī)在驅(qū)動軟件的驅(qū)動條件下進(jìn)行小型零件的加工，機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對雕刻機(jī)的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。
因此需要滿足一下幾點：
（1）五軸雕刻機(jī)能通過數(shù)控代碼，實現(xiàn)五軸聯(lián)動，確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運(yùn)動。在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動精度和傳動效率；
（2）機(jī)床具有一定的剛性、抗振性、熱變形及噪音水平，能夠滿足加工塑料、木料等零件的要求；
（3）機(jī)床首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等各種要求；
（4）機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)，便于觀察加工過程，能便于操作、調(diào)整、校正、維護(hù)和維修。
2．4 五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案分析
通過以上五軸雕刻機(jī)工作原理的分析，以及已給的設(shè)備，對五軸雕刻機(jī)進(jìn)行的一下兩種方案，如下圖（圖2-2是傳統(tǒng)五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，圖2-3是根據(jù)傳統(tǒng)方案設(shè)計的新的方案）
圖2-2傳統(tǒng)五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)方案
圖2-3是新型五軸雕刻機(jī)方案
兩種方案相比較來說，傳統(tǒng)方案對工作臺的要求較高，它的工作臺需要兼顧三種運(yùn)動，這樣對加工零件的約束性不較大，因此通用性不太好，適用性不強(qiáng)，適合固定零件的生產(chǎn)。但它的結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)。而新型方案中，對傳統(tǒng)方案的一種改進(jìn)，它主要針對工作臺進(jìn)行調(diào)整，使得工作臺兼顧兩種運(yùn)動，將擺動運(yùn)用到擺臂上，這樣能減小對加工零件的約束性，擴(kuò)大了加工范圍，通用性更強(qiáng)，比較符合現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)需要，但這樣結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，對擺臂的受力要求提高。
本次課題中的五軸雕刻機(jī)運(yùn)用新型結(jié)構(gòu)，它的主要幾何結(jié)構(gòu)由以下幾部分組：
（1）底座部分
作為雕刻機(jī)整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅固，底座由底下的四只腳與地面接觸；
（2）工作臺部分
工作臺部分由工作臺、Y方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。工作臺作為雕刻工作時承載雕刻物體的部件，表面有T型溝槽，由絲杠驅(qū)動，導(dǎo)軌導(dǎo)向，還可以旋轉(zhuǎn)；
（3）橫梁部分
橫梁由X方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，驅(qū)動機(jī)頭動，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動仿真中是重要的分析對象；
（4）機(jī)頭部分
機(jī)頭部分由主軸組件、Z方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。絲杠驅(qū)動主軸組的上下運(yùn)動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻機(jī)頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；
（5）擺臂部分
擺臂部分由兩塊擺臂架組成。它與橫向運(yùn)動的Y軸以及法蘭盤相連接，而法蘭盤和軸承配合與支架進(jìn)行組合運(yùn)動，同時法蘭盤與旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過剛性聯(lián)軸器進(jìn)行配合連接，從而使得旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以控制擺臂部分。
2．5 雕刻機(jī)的電路及電氣部分
雕刻機(jī)的電路及電氣部分有：
（1）電源板：電源板的作用是提供功放和前級所需要的電源，一般要考慮電流是否足夠、電壓是否穩(wěn)定與對稱（一般大功率功放均用正負(fù)電對稱供電）、紋波（濾波電容的大小）、反應(yīng)速率（在大電容上并接高速率小電容）等因素；
（2）電腦接口板：起鏈接器的作用，把機(jī)構(gòu)和電路連起來；
（3）鍵盤LED面板：
①當(dāng)鍵盤板與電腦主機(jī)連接時，手控板會自動鎖死，按鍵不會有動作，此時鍵盤板上手控板使能燈自動熄滅。
②當(dāng)其與電腦斷開連接時，手控板使能指示燈亮，表示手控板可以操作。
③X，Y，Z 三軸可以同時動作。
④碰到6只限位開關(guān)中的任何一只，在鍵盤板上對應(yīng)的限位開關(guān)指示燈點亮，手控板會鎖定，不允許繼續(xù)移動。
⑤鍵盤板上有詳細(xì)的指示LED，內(nèi)容豐富，包括三軸的使能、方向、脈沖及六只限位開關(guān)的狀態(tài)LED顯示。
（4）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板是用來放大信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的；
（5）LED照明燈盤板：主要用起照明的作用；
（6）雕刻機(jī)內(nèi)部接線板；
（7）手動控制邏輯板。
2．6 建模設(shè)計
本次設(shè)計中主要運(yùn)用了平面機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)是一個構(gòu)建系統(tǒng)，為了傳遞運(yùn)動和動力，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間應(yīng)具有確定的相對運(yùn)動。但任意拼湊的構(gòu)件系統(tǒng)不一定能發(fā)生相對運(yùn)動，即使能夠運(yùn)動，也使能夠運(yùn)動，也不一定具有確定的性對運(yùn)動。討論機(jī)構(gòu)滿足什么條件，構(gòu)件間才具有確定的相對運(yùn)動，對于分析現(xiàn)有機(jī)構(gòu)或設(shè)計機(jī)構(gòu)都是很重要的。機(jī)構(gòu)是由許多構(gòu)件組成的，機(jī)構(gòu)中的每個構(gòu)架都以一定的方式與另一些構(gòu)件相連。這種連接不是固定連接，而是具有一定相對運(yùn)動的連接。因此需要考慮選擇怎樣的機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計。
2.6.1 平面連桿機(jī)構(gòu)
平面連桿機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的運(yùn)動形式多種多樣，可以實現(xiàn)給定運(yùn)動規(guī)律或運(yùn)動軌跡；低副以圓柱面或平面相接觸，承載能力高，制造簡便，易于獲得較高的制造精度。因此，平面連桿機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械、儀器中獲得了廣泛應(yīng)用。平面四桿機(jī)構(gòu)可按照連桿是曲柄還是搖桿，將其分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和搖桿機(jī)構(gòu)。還有就是含有移動副的四桿機(jī)構(gòu)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和要快機(jī)構(gòu)等。但是連桿機(jī)構(gòu)不易精確實現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律，而且設(shè)計較為復(fù)雜；當(dāng)構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副較多的情況下，效率較低，因此我們不采用這種機(jī)構(gòu)設(shè)計。
2.6.2 凸輪機(jī)構(gòu)
凸輪機(jī)構(gòu)是一種常用的機(jī)構(gòu)，在自動化和半自動化機(jī)械中應(yīng)用廣泛。凸輪機(jī)構(gòu)主要是有凸輪、從動件和機(jī)架三個基本構(gòu)件組成。根據(jù)凸輪和從動件的不同形狀和型式，凸輪機(jī)構(gòu)可分為兩類。
一個是按凸輪形狀分為盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪。其中盤形凸輪是一個繞固定軸線運(yùn)動并具有變化半徑的盤形零件。移動凸輪是當(dāng)盤形凸輪的回轉(zhuǎn)中心趨于無窮遠(yuǎn)時，凸輪相對機(jī)架做直線運(yùn)動。圓柱凸輪是將移動凸輪卷成圓柱體。
按從動件型式可分為尖頂從動件、滾子從動件和平地從動件。其中尖頂能與復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，因而能實現(xiàn)任意語氣的運(yùn)動規(guī)律。但尖頂與凸輪是點接觸，磨損快，只宜用于受力不大的低速凸輪機(jī)構(gòu)。而滾子從動件為了克服尖頂從動件的缺點，在從動件的尖頂安裝了一個滾子，從而達(dá)到耐磨損，可承受較大載荷的需求。平底從動件是從動件與凸輪輪廓表面接觸的端面為一平面，它不能與從動件的平底相垂直，傳動效率高，且接觸面間易形成油膜，利于潤滑，可用于高速凸輪機(jī)構(gòu)。雖然凸輪機(jī)構(gòu)可以通過設(shè)計凸輪輪廓，就可以是從動件達(dá)到所需的運(yùn)動規(guī)律，但凸輪輪廓與從動件間為點接觸或線接觸，易磨損，因此我們也不采用這種機(jī)構(gòu)設(shè)計。
2.6.3 滾珠絲杠
滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，同時兼具高精度、可逆轉(zhuǎn)性和高效率的特點。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運(yùn)動，所以能得到較高的運(yùn)動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達(dá)到1/3以下，即達(dá)到同樣運(yùn)動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。滾珠絲杠副是用世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運(yùn)動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進(jìn)給。滾珠絲杠副可以加予，由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值，進(jìn)而得到較高的剛性（滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力，在實際用于機(jī)械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)）。滾珠絲杠由于運(yùn)動效率高、發(fā)熱小，所以可以實現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動。因此，我們選用這種結(jié)構(gòu)。
2.6.4 設(shè)計步驟
通過上述三種機(jī)構(gòu)的對比，我們選用絲杠，平面機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動這種機(jī)構(gòu)。
建模步驟如下：
（1） 根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)備的的要求，考慮到連接問題，我們選用聯(lián)軸器將法蘭盤與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相連。
（2） 根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的配合要求、實際市場的聯(lián)軸器型號以及軸承型號，將法蘭盤尺寸進(jìn)行定位。如下圖2-4、2-5所示（圖2.4為法蘭盤CAD尺寸圖 、圖2-5為實體圖）。
圖2-4 法拉盤CAD尺寸圖
圖2-5 法蘭盤實體圖
（3）根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中打孔的位置要求（如圖2-6），以及軸承、法蘭盤的設(shè)計要求，進(jìn)行支架的建模設(shè)定（如圖2-7），這樣可以將旋轉(zhuǎn)電機(jī)與支架進(jìn)行固定，對將設(shè)計的結(jié)構(gòu)起到基礎(chǔ)定位作用和支撐作用。
圖2-6 旋轉(zhuǎn)電機(jī)
圖2-7 支架CAD尺寸圖 支架實體圖
（4）在根據(jù)法蘭盤，支架和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的配合要求，以及支架的剛性要求，將支架的厚度進(jìn)行確定。
（5）在根據(jù)支架高度和法蘭盤尺寸要求，再考慮到橫向軸在實際中的加工，以及實際加工中的加工范圍，將擺臂進(jìn)行設(shè)定。如圖2-8（a）、（b）所示。
擺臂CAD尺寸圖（a）
擺臂實體圖（b）
圖2-8
（6）然后根據(jù)橫向軸的距離，Y軸的距離，和實際加工的工作臺，再加上支架的厚度，進(jìn)行底板的設(shè)定。如圖2-9所示（a）圖為底板的尺寸圖，（b）圖為底板的實體圖。
（a）底板CAD尺寸圖 （b） 底板實體圖
圖2-9 底板
（7）接著對底板的工作臺進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)底板的尺寸使用T形槽進(jìn)行加工裝配，如圖2-10為T形槽圖（a）為T形槽尺寸圖，（b）為T形槽實體圖。
（a）T形CAD圖（長度及寬） （b）T形槽實體圖
圖2-10 T形槽
（8）已有的零件進(jìn)行實際測繪，并一起繪制三維實體圖。如下圖2-11分別是：（a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)，（b）橫向X軸，（c）縱向Z軸。
（a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)實體圖 （b） 橫向X軸實體圖
（c）縱向Z軸實體圖
圖2-11實體測繪實體圖
（9）為了加強(qiáng)擺臂部分的穩(wěn)定性，在兩個擺臂部分使用了加強(qiáng)板，如圖2-12所示分別為（a）加強(qiáng)板的尺寸圖，（b）加強(qiáng)板的實體圖。
加強(qiáng)板的CAD尺寸圖 加強(qiáng)板實體圖
圖2-12 加強(qiáng)板
（10）模零件進(jìn)行裝配，如圖2-13。
圖2-13 五軸雕刻機(jī)裝配實體圖
2．7 本章小結(jié)
本章主要是考慮五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，通過分析五軸雕刻機(jī)的工作運(yùn)行原理，比較平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動合理性，確定結(jié)構(gòu)方案。然后根據(jù)所給的部分零件，進(jìn)行零件尺寸分析，確定零件的尺寸，最后進(jìn)行實建模，把每個部分的零件進(jìn)行裝配，形成五軸雕刻機(jī)的實體圖，為接下來的工作打下基礎(chǔ)，并提供了一個良好工作平臺。
3 加工各個零件以及通用件選擇
本章主要是對第二章的建模零件進(jìn)行加工，因此需要先選擇所需要加工零件的材料。同時還要考慮零件之間的連接方式，選擇怎樣的連接件。
3．1 零件的材料分析
工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的各組成部分，如建筑物的梁和柱、機(jī)床的軸等，統(tǒng)稱為構(gòu)件。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械工作是，構(gòu)件將受到載荷的作用。在外力作用下，固體有抵抗破壞的能力，但這種能力優(yōu)勢有限度的。而且，在外力的作用下，固體的尺寸和形狀還將發(fā)生變化，成為變形。
為保證工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的正常工作，構(gòu)件應(yīng)有足夠的能力負(fù)擔(dān)起應(yīng)當(dāng)承受的載荷。因此，它應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：
（1）強(qiáng)度要求：在規(guī)定載荷作用下的構(gòu)件當(dāng)然不應(yīng)破壞。例如：沖床曲軸不可折斷，儲氣罐不應(yīng)爆炸。強(qiáng)度要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗破壞的能力。
（2）剛度要求：在載荷作用下，構(gòu)件即使有足夠的強(qiáng)度，但若變形過大，仍不能正常工作。例如：若齒輪軸變形過大，將造成齒輪和軸承的不均勻磨損，引起噪聲。機(jī)床主軸變形過大，將影響加工精度。剛度要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗變形的能力。
（3）穩(wěn)定性要求：有些受壓力作用的細(xì)長桿，如千斤頂?shù)穆輻U，內(nèi)燃機(jī)的挺桿，應(yīng)始終維持原有的直線平衡形態(tài)，保證不被壓彎。穩(wěn)定性要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。
若構(gòu)件橫截面尺寸不足或形狀不合理，或材料選用不當(dāng)，將不能滿足上述要求，從而不能保證工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的安全工作。相反，也不該不恰當(dāng)?shù)丶哟髾M截面尺寸或選用優(yōu)質(zhì)材料，這雖然滿足了上述要求，卻多使用了材料和增加的成本，造成浪費。材料的分析可以在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設(shè)計既經(jīng)濟(jì)又安全的構(gòu)件，同時又減成本將提供理論基礎(chǔ)。
3．2 材料的選擇
在材料的選擇中，考慮到材料強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，同時又考慮到材料的難易加工程度，還有價格合適的情況下，本次加工選用PVC板材和45號鋼。
在所加工的零件中，法蘭盤使用的是45號鋼，主要因為法蘭盤與旋轉(zhuǎn)電機(jī)是通過剛性聯(lián)軸器進(jìn)行固定連接的，在強(qiáng)度和剛性滿足的條件下，比較合適。另外45號鋼也比較好加工。
而其他支架、擺臂、墊塊，底板則選用了PCV板， PVC板是以PVC為原料制成的截面為蜂巢狀網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的板材。是一種真空吸塑膜，用于各類面板的表層包裝，所以又被稱為裝飾膜、附膠膜，應(yīng)用于建材、包裝、醫(yī)藥等諸多行業(yè)。其中建材行業(yè)占的比重最大，為60%，其次是包裝行業(yè)，還有其他若干小范圍應(yīng)用的行業(yè)。按照軟硬程度可分為軟PVC和硬PVC。按制作工藝可分為PVC結(jié)皮發(fā)泡板和PVC自由發(fā)泡板。
PVC透明板：該產(chǎn)品是引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，選用高級進(jìn)口原輔材料所生產(chǎn)的一種高強(qiáng)度、高透明塑料板材。產(chǎn)品顏色有白色、寶石蘭、茶色、咖啡色等多個品種。該產(chǎn)品高強(qiáng)度、高透明、耐候性好、無毒、衛(wèi)生、物理性能優(yōu)于有機(jī)玻璃。廣泛用于設(shè)備護(hù)板、內(nèi)飾、飲用水槽、液位顯示等。
PVC軟板（卷材）：表面光澤，柔軟。有棕色、綠色、白色、灰色等多種顏色可供選擇，該產(chǎn)品用料上城，制作精細(xì)，應(yīng)用廣泛。性能特點柔軟耐寒、耐磨、耐酸、堿、耐腐蝕、抗撕裂性優(yōu)良，具有優(yōu)良的可焊接性，物理性能優(yōu)于橡膠等其他卷材。應(yīng)用于化工，電鍍，電解槽的襯里，絕緣墊層，火車、汽車內(nèi)飾及輔助材料。
硬度PVC板：產(chǎn)品質(zhì)量一流，顏色一般為灰色和白色，也可根據(jù)客戶需要生產(chǎn)PVC彩色硬板，其色彩亮麗，美觀大方，該產(chǎn)品質(zhì)量執(zhí)行GB/T4454-1996，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性，硬度大，強(qiáng)度大，強(qiáng)度高，防紫外線（耐老化），耐火阻燃（具有自熄性），絕緣性能可靠，表面光潔平整，不吸水，不變形，易加工等特點。該產(chǎn)品是優(yōu)等的熱成型材料，能替代部分不銹鋼和其他耐腐蝕性合成材料，被廣泛用于化工、石油、電鍍、水凈化處理設(shè)備、環(huán)保設(shè)備、礦山、醫(yī)藥、電子、通訊及裝潢等行業(yè)。
軟PVC一般用于地板、天花板以及皮革的表層，但由于軟PVC中含有柔軟劑，容易變脆,不易保存，所以其使用范圍受到了局限。硬PVC不含柔軟劑，柔韌性好，易成型，不易脆，無毒無污染，保存時間長，因此具有很大的 開發(fā)應(yīng)用價值。 PVC發(fā)泡板具有防腐、防潮、防霉、不吸水、可鉆、可鋸、可刨、易于熱成型、熱彎曲加工等特性，因此廣泛應(yīng)用于家具、櫥柜、浴柜、展覽架用板、箱體芯層、室內(nèi)外裝飾、建材、化工等領(lǐng)域用板,廣告標(biāo)示、印刷、絲印、噴繪、電腦刻字、電子儀表產(chǎn)品包裝等行業(yè)。
PVC硬塑板具有優(yōu)良的耐腐蝕性、絕緣性，并有一定的機(jī)械強(qiáng)度；經(jīng)二次加工后可制成硫酸（鹽酸）槽（桶箱）；醫(yī)藥用空針架，化程架；公共衛(wèi)生間水箱；加工產(chǎn)品的模板、裝飾板、排風(fēng)管道、設(shè)備襯里等各種異型制品、容器。是化工、建材、裝飾及其他工業(yè)的理想選擇材料。
力學(xué)性能：PVC有較高的硬度和力學(xué)性能。并隨分子量的增大而提高，但隨溫度的升高而下降。硬質(zhì)PVC的力學(xué)性能好，其彈性模量可達(dá)1500-3000MPa。而軟質(zhì)的PVC的彈性1.5-15MPa。但斷裂伸長率高達(dá)200%-450%。PVC的摩擦性一般，靜摩擦因數(shù)為0.4-0.5，動摩擦因數(shù)為0.23。
熱學(xué)性能：PVC的耐熱穩(wěn)定性十分差，140℃即開始分解，熔融溫度為160℃。PVC的線膨脹系數(shù)較小，具有難燃性，氧化指數(shù)高達(dá)45以上。
電學(xué)性能：PVC是一種電性能較好的聚合物，但由于本身的極性較大，電絕緣性不如PP和PE。 介電常數(shù)，介電損耗角正切值和體積電阻率較大，耐電暈性不好，一般適于中低壓和低頻絕緣材料。
環(huán)境性能：PVC可耐大多數(shù)無機(jī)酸、堿、鹽，多數(shù)有機(jī)溶劑。適合醫(yī)藥，化工防腐材料?！?
這次選擇了硬質(zhì)的PVC板，主要是因為易加工，想改造也比較容易，同時這種材料的質(zhì)量比較輕，有利于減輕機(jī)床的整體重量，可以使整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好。
同時，在性能方面還具有表面硬度高抗刮傷性優(yōu)良；表面電阻值為10的6～10的8次方歐姆，具有優(yōu)秀的防靜電功能， 抗沖擊及耐化學(xué)溶劑性能突出；外觀靚麗，非常平整光滑；透光率達(dá)73%以上等特點。
根據(jù)用擺臂以及機(jī)床的整體重量的載荷要求，軸承則選用了常用滾動軸承6000和6001，如下圖3-1所示
圖3-1 軸承參數(shù)
軸承代號
基本尺寸/mm
基本額定動載荷Cr/KN
基本額定靜載荷Cor/KN
d
D
B
6000
10
26
8
4.58
1.98
6001
12
28
8
5.10
2.38
工作臺則用T形槽，他的材料是鋁材板，主要考慮到T槽容易安裝，對物品的裝卸帶來方便。
3．3 連接件的選擇
根據(jù)零件的配合要求，選用的主要連接件有平頭螺栓，內(nèi)六角螺栓，聯(lián)軸器等，如下圖3-2、3-3所示
圖3-2 是所使用螺栓的基本情況
螺栓種類
尺寸型號
數(shù)量
用途
平頭螺栓
M3X15
3
縱軸與平臺的連接
內(nèi)六角螺栓
M5X30
8
擺臂與橫軸之間的連接
平頭螺栓
M4X30
8
支架與法蘭盤的連接
平頭螺栓
M6X30
4
底板與支架的鏈接
平頭螺栓
M6X15
8
縱軸平臺與刀頭部分的連接、加強(qiáng)板和擺臂連接
平頭螺栓
M4X15
4
橫軸與縱軸的連接
平頭螺栓
M4X55
4
旋轉(zhuǎn)電機(jī)與支架的部分的連接
平頭螺栓
M5X40
8
鋁板材與底板之間的連接
平頭螺栓
M5X50
4
底板、鋁板材與防震塊直接的連接
圖3-3 聯(lián)軸器的基本情況
類型
尺寸要求
用途
剛性聯(lián)軸器
D26L30 10*12
旋轉(zhuǎn)電機(jī)與法蘭盤之間的固定
3．4 本章小結(jié)
本章主要講述怎樣選用材料，通過對材料的分析，怎樣選擇即滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求的基本要求下，又能更好的減少成本，同時又容易加工和重新改造。另外還介紹了一些標(biāo)準(zhǔn)件和通用件的選擇。
4 五軸雕刻機(jī)的裝配
本章主要任務(wù)是對上述的零件進(jìn)行裝配，同時需求考慮在裝配過程中出現(xiàn)的問題，還需要考慮到整個機(jī)床結(jié)構(gòu)的工作性能。
4．1 裝配的概念
裝配是按規(guī)定的技術(shù)要求，將零件或部件進(jìn)行配合和聯(lián)系，使之成為半成品或成品的工藝過程。整機(jī)裝配是生產(chǎn)過程中的最后一個階段，它包括裝配、調(diào)整、檢驗和試驗等工作，且產(chǎn)品的最終質(zhì)量由裝配保證。
產(chǎn)品的質(zhì)量是以產(chǎn)品的工作性能，使用效果和壽命等綜合指標(biāo)來評定的。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，對產(chǎn)品提出了若干項裝配要求，這些裝配要求應(yīng)當(dāng)在裝配過程中予以保證。所謂裝配精度，就是產(chǎn)品裝配后的實際幾何參數(shù)、工作性能等參數(shù)與理想幾何參數(shù)、工作性能等參數(shù)的符合程度，即主要指各個相關(guān)零件配合面之間的位置精度，包括配合面之間為間隙或過盈的相對位置，以及由于裝配中零件配合面形狀的改變而需計及的形狀精度和微觀幾何精度(如接觸面的大小和接觸點的分布)。
4．2 裝配的基本工藝要求
對裝配的總要求是牢固可靠，不損傷元器件，不損傷涂覆層，不破壞元器件的絕緣性能。安裝件的位置、方向正確。具體要求如下：
（1）應(yīng)保證實物與裝配圖一致。
（2）提交裝配的所有材料和零、部件(包括外構(gòu)件)均應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計文件要求，經(jīng)檢驗合格后方可安裝。
（3）一般不允許對外購件進(jìn)行補(bǔ)充加工(圖紙有規(guī)定時例外)。
（4）裝配前應(yīng)對機(jī)械零、部件進(jìn)行清潔處理，消除附著的雜物，以防止先期磨損和造成額外偏差。
（5）機(jī)械零、部件在裝配過程中不允許產(chǎn)生裂紋、凹陷、壓傷和可能影響設(shè)備性能的其它損傷。
（6）相同的機(jī)械零、部件應(yīng)具有互換性。必要時可按工藝文件的規(guī)定進(jìn)行修配調(diào)整。
（7）固定連接的零、部件不允許有間隙和松動?；顒舆B接的零、部件應(yīng)能在正常間隙下，在規(guī)定方向靈活均勻地運(yùn)動。
（8） 必須仔細(xì)檢查裝配好的產(chǎn)品并保持清潔，否則使用時會造成機(jī)械和電氣故障。
4．3 裝配的方法
通常裝配工藝由零件裝入、以各種方式連接、各級部件裝配、總裝配等等一系列工序和操作組成。
經(jīng)加工合格的零件，必要時在投入裝配前需做好各種準(zhǔn)備工作。在裝配過程中和裝配之后，要通過檢測和調(diào)整以保證零部件的尺寸、形狀和位置關(guān)系。為保證這一切在裝配過程中應(yīng)分層次、分單元進(jìn)行。另外，不但要有嚴(yán)格的工藝技術(shù)要求，還要有工藝順序要求。工藝的技術(shù)要求和裝配順序由裝配工藝過程卡提供。
裝配的工藝配合法和工作組織形式是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、零件大小、制造精度、生產(chǎn)規(guī)模等因素來選擇的。工藝配合法與尺寸鏈的解算密切相關(guān)。選擇工藝配合法，需找出裝配的全部尺寸鏈，結(jié)合設(shè)計要求和制造的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過合理的技術(shù)計算，把封閉環(huán)的公差值分配給各組成環(huán)，確定各環(huán)的公差和極限尺寸。裝配的最終精度，從有關(guān)尺寸鏈的解算而獲得。
工藝配合法分為四種：
（1）互換裝配法：是在裝配時各配合零件不經(jīng)修理、選擇或調(diào)整即可達(dá)到裝配精度的方法。其實質(zhì)就是用控制零件的加工誤差的方法來保證裝配精度。
（2）選配法：選配法是將尺寸鏈中組成環(huán)的公差放大到經(jīng)濟(jì)可行的程度，然后選擇合適的零件進(jìn)行裝配，以保證規(guī)定的精度。它按形式不同可分為三類：直接選配法、分組選配法和復(fù)合選配法，如屏蔽罩等。
（3）修配法： 修配法是在裝配時，根據(jù)實際測量的結(jié)果，改變尺寸鏈中某預(yù)定的修配件(修配環(huán))的尺寸，使封閉環(huán)達(dá)到規(guī)定的裝配精度的方法。如波導(dǎo)管與法蘭盤、軸與軸承等的配合均采用此法。
（4）調(diào)整法：調(diào)整法是將尺寸鏈中組成環(huán)在按經(jīng)濟(jì)加工的加工精度確定公差時，選擇其中一個或幾個適當(dāng)尺寸的調(diào)節(jié)件(調(diào)節(jié)環(huán))進(jìn)行調(diào)整，來保證規(guī)定的裝配精度要求。這種調(diào)整件可起到補(bǔ)償裝配累積誤差的作用，故亦稱補(bǔ)償件。如偏心軸承套、軸承端蓋、鎖緊螺母等。
4．4 裝配作業(yè)順序分析
4.4.1 作業(yè)的程序分析
為了有效地完成裝配，必須做到：
（1）裝配結(jié)構(gòu)及裝配要求將產(chǎn)品進(jìn)行逐層分解，使產(chǎn)品逐層分解為能夠獨立進(jìn)行裝配的構(gòu)件，直到不能分解為止;
（2）研究確定同一層各零部件的裝配順序;
（3）研究確定各個單元內(nèi)部各構(gòu)件的裝配順序。
4.4.2 裝配順序的工藝性原則
（1）串聯(lián)尺寸鏈：以簡單、方便為原則安排裝配順序;
（2）并聯(lián)尺寸鏈：先安裝精度高的尺寸鏈，精度相同時，先裝對多數(shù)尺寸鏈?zhǔn)枪驳某叽珂溄M成環(huán)所在的那個尺寸鏈;
（3）每個尺寸鏈裝配順序：應(yīng)先從基本尺寸鏈開始，先公共、后一般，先下后上，先內(nèi)后外，先難后易，先重后輕，先精后一般的原則。
4.4.3 裝配順序的經(jīng)濟(jì)性原則
（1）裝配層次，先低層后高層進(jìn)行裝配;
（2）裝配層多的先裝;
（3）裝配復(fù)雜、精度高、時間長的最先裝。
4.4.4 裝配關(guān)系
裝配關(guān)系按標(biāo)準(zhǔn)可分為螺紋連接、過盈連接、鍵連接等。
(1)螺紋連接：在機(jī)械結(jié)構(gòu)中廣泛采用螺紋連接。螺紋連接的質(zhì)量除受加工精度的影響之外，還與裝配技術(shù)有很大的關(guān)系。如擰緊螺母的次序不對，施力不均勻，將使部件變形而降低了裝配精度。對于運(yùn)動部件上的螺紋連接，若緊固力不足，會使連接件的壽命大大縮短，甚至造成事故。因此對于重要的螺紋連接，必須規(guī)定預(yù)緊力的大小，對于中小型螺栓常用定扭矩法(用定扭矩扳手)或扭角法控制預(yù)緊力。
(2)過盈連接：如軸、孔的配合等。方法有：壓入法(軸向)、熱脹或冷縮法(徑向)。
(3)其他連接：如鉚接、焊接、粘接等。鉚接方法有擴(kuò)鉚、脹鉚、用專用鉚接工具鉚等。焊接、粘接等各有要求和具體操作方法。
4．5 裝配過程
根據(jù)上述的裝配工藝要求、裝配原則、裝配方法等，將所加工的零件和所提供的構(gòu)件進(jìn)行如下轉(zhuǎn)配。
裝配前進(jìn)行零件的清洗，獲得所需的清潔度；為達(dá)到工藝上的裝配精度要求，對有關(guān)零件進(jìn)行刮削；某些部件(傳動部分)應(yīng)按圖紙要求在裝配前進(jìn)行必要的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗，試驗合格后，再投入裝配。
裝配步驟如下：
（1）考慮到裝配的先后安裝順序和安裝的難易程度，首先將法蘭盤與6001軸承進(jìn)行裝配，首先將法蘭盤固定，然后進(jìn)行裝配，得到裝配體【1】。裝配過程如圖4-1所示。
圖4-1 裝配體【1】
（2）再將剛性聯(lián)軸器與裝配體【1】進(jìn)行裝配，并將聯(lián)軸器進(jìn)行鎖緊，使之與聯(lián)軸器進(jìn)行固定，等到裝配體【2】，裝配過程如圖4-2所示。
圖4-2 裝配體【2】
(3)為了便于安裝，將裝配體，先于螺栓相連接，為于擺臂連接打下基礎(chǔ)，形成裝配體【3】，裝配過程如圖4-3所示。
圖4-3 裝配體【3】
（4）將旋轉(zhuǎn)電機(jī)、墊塊與支架進(jìn)行裝配，首先將支架進(jìn)行固定，再將與之相連，得到裝配體【4】，裝配過程如下如圖4-4所示。
圖4-4 裝配體【4】
（5）將裝配體【3】與裝配體【4】進(jìn)行裝配，先將裝配體【3】進(jìn)行支撐固體，在進(jìn)行裝配，得到裝配體【5】，裝配過程如圖4-5所示
圖4-5 裝配體【5】
（6）在進(jìn)行橫軸與擺臂的裝配，通過連接件將之連接，考慮到要與橫軸的螺栓的一致性和美觀的效果，選用內(nèi)六角螺栓，裝配得到【6】，裝配過程如圖4-6所示
圖4-6 裝配體【6】
（7）將另一個法蘭盤與軸承6001進(jìn)行裝配，得到裝配體，同裝配體【1】圖所示。
（8）將第7步中的裝配體與螺栓，支架進(jìn)行裝配，得到裝配體【7】，裝配過程如圖4-7所示。
圖4-7 裝配體【7】
（9）因為裝配體的支架與比擺臂配合機(jī)床的擺動，因此為了減小阻力，增加穩(wěn)定性，將與第二個支架連接的法蘭盤的另一端加上軸承6000。裝配過程如圖4-8所示
圖4-8 裝配體【8】
（10）先將兩個支架放在同一水平面上，為了方便安裝，選用側(cè)向平放，然后在將裝配體【5】、【6】、【8】進(jìn)行順序裝配，得到裝配體【9】裝配過程如圖4-9所示
圖4-9 裝配體【9】
（11）根據(jù)尺寸要求，安裝底板，將底板先打4個M6的螺紋孔，然后在支架上對應(yīng)的位置打上同樣的孔，空的深度10mm左右。同時在側(cè)壁上也打上M6的螺紋孔，留著安放加強(qiáng)板。接著將裝配體【9】與加強(qiáng)板進(jìn)行連接，得到裝配體【10】，整個裝配過程如圖4-10所示。
圖4-10 裝配體【10】
（12）先將底板打M5的孔，安裝上T形槽的工作臺，得到的裝配體【11】如下圖4-11所示。
圖4-11裝配體【11】
（13）將底板裝配體【11】與裝配體【10】進(jìn)行裝配得到最后的機(jī)床的裝配體【12】，然后將旋轉(zhuǎn)電機(jī)部分的聯(lián)軸器鎖緊，結(jié)束裝配。裝配的最終成果如圖4-12所示。
圖4-12 五軸雕刻機(jī)的裝配實體【12】
（14）最后加上底板上的移動副和轉(zhuǎn)動副，這樣整個裝配過程到這里結(jié)束，得到裝配實體圖，如圖4-13(a)為建模裝配圖，（b）為實際裝配圖。
圖4-13 （a） （b）
縱觀整個裝配工藝過程，從熟悉產(chǎn)品的用途、性能、要求入手，到裝配系統(tǒng)圖的設(shè)計，然后根據(jù)裝配系統(tǒng)圖描述各裝配單元的組成和相互之間的關(guān)系，確定裝配方法、劃分裝配工序、規(guī)定工序計劃、設(shè)計工藝過程文件。整個過程不突出重點，而是從小處著手，消除積累誤差，這樣可以保證裝配精度，保證加工產(chǎn)品質(zhì)量，突出整體裝配工藝技術(shù)的重點及其重要性。
4．6 本次裝配的注意要點
在本次裝配中應(yīng)該要注意一下幾點：
（1）要注意剛性聯(lián)軸器的鎖緊順序，先于法蘭盤進(jìn)行鎖緊，裝配的最后一步再將剛性聯(lián)軸器的另一端與旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行鎖緊。
（2）在安裝軸承時，由于是過盈配合，注意不要直接敲擊軸承，應(yīng)使用套筒固定軸承外圈后進(jìn)行輕擊安裝。
（3）在手鉆進(jìn)行打孔時，應(yīng)首先確定孔的位置，然后手動點鉆，最后在點鉆的位置進(jìn)行打孔，注意手鉆的鉆頭位置要與打孔平面保持垂直。攻螺紋同樣也是需要螺紋刀頭與孔的平面垂直。
（4）在加工法蘭盤時，注意要與軸承配合的部分的精度要求，在上軸承時要保持接觸部分光潔。
（5）最后要注意裝配中位置固定，最好在水平度比較好的位置進(jìn)行安裝，這樣可以提高精度，避免裝配中出現(xiàn)比較大誤差。
4．7 本章小結(jié)
本章主要是對所加工的零件進(jìn)行裝配，通過連接件將各個部分的構(gòu)件進(jìn)行連接和安裝。先通過了解裝配的原理、裝配的方法和裝配的工藝要求，針對建模的圖形，進(jìn)行裝配工藝分析，最終獲得裝配成果。
5 調(diào)整和實際加工模擬
本章主要是通過五軸雕刻機(jī)的機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和分析，使整體運(yùn)動更加協(xié)調(diào)和順暢。并對其中不合理的地方進(jìn)行改進(jìn)，讓整體結(jié)構(gòu)更加合理和穩(wěn)定，從而提高加工的精度以及保證加工的質(zhì)量。
5．1 分析結(jié)構(gòu)的合理性
機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機(jī)械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關(guān)系實現(xiàn)的。零部件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個零件通常有多個表面，在這些表面中有的與其它零部件表面直接接觸，把這一部分表面稱為功能表面。在功能表面之間的聯(lián)結(jié)部分稱為聯(lián)接表面
零件的功能表面是決定機(jī)械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的幾何形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過對功能表面的變異設(shè)計，可以得到為實現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。
在機(jī)器或機(jī)械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中除了研究零件本身的功能和其它特征外，還必須研究零件之間的相互關(guān)系。
零件的相關(guān)分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類。凡兩零件有直接裝配關(guān)系的，成為直接相關(guān)。沒有直接裝配關(guān)系的相關(guān)成為間接相關(guān)。間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運(yùn)動相關(guān)兩類。位置相關(guān)是指兩零件在相互位置上有要求，如減速器中兩相鄰的傳動軸，其中心距必須保證一定的精度，兩軸線必須平行，
多數(shù)零件都有兩個或更多的直接相關(guān)零件，故每個零件大都具有兩個或多個部位在結(jié)構(gòu)上與其它零件有關(guān)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，兩零件直接相關(guān)部位必須同時考慮，以便合理地選擇材料的熱處理方式、形狀、尺寸、精度及表面質(zhì)量等。同時還必須考慮滿足間接相關(guān)條件，如進(jìn)行尺寸鏈和精度計算等。一般來說，若某零件直接相關(guān)零件愈多，其結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜；零件的間接相關(guān)零件愈多，其精度要求愈高
機(jī)械設(shè)計的最終結(jié)果是以一定的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)出來的，按所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工、裝配，制造成最終的產(chǎn)品。所以，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足作為產(chǎn)品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性和外觀造型等方面的要求。此外，還應(yīng)改善零件的受力，提高強(qiáng)度、剛度、精度和壽命。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的錯誤或不合理，可能造成零部件不應(yīng)有的失效，使機(jī)器達(dá)不到設(shè)計精度的要求，給裝配和維修帶來極大的不方便。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)考慮如下的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則。
5．2 一般結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要調(diào)整的部分
（1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算與改進(jìn)：對承載零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷分析，必要時計算其承載強(qiáng)度、剛度、耐磨性等內(nèi)容。并通過完善結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)更加合理地承受載荷、提高承載能力及工作精度。同時考慮零部件裝拆、材料、加工工藝的要求，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計者應(yīng)對設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行想象和模擬，頭腦中要從各種角度考慮問題，想象可能發(fā)生的問題，這種假象的深度和廣度對結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量起著十分重要的作用。
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計的完善：按技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會指標(biāo)不斷完善，尋找所選方案中的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，對照各種要求和限制，反復(fù)改進(jìn)。考慮零部件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，減少零部件的品種，降低生產(chǎn)成本。在結(jié)構(gòu)草圖中注出標(biāo)準(zhǔn)件和外購件。重視安全與勞保（即勞動條件：操作、觀察、調(diào)整是否方便省力、發(fā)生故障時是否易于排查、噪音等），對結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善。
（3） 形狀的平衡與美觀：要考慮直觀上看物體是否勻稱、美觀。外觀不均勻時造成材料或機(jī)構(gòu)的浪費。出現(xiàn)慣性力時會失去平衡，很小的外部干擾力作用就可能失穩(wěn)，抗應(yīng)力集中和疲勞的性能也弱。
總之，調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)中的過程是從內(nèi)到外、從重要到次要、從局部到總體、從粗略到精細(xì)，權(quán)衡利弊，反復(fù)檢查，逐步改進(jìn)。
5．3 對五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的調(diào)整
通過伺服電機(jī)的實際驅(qū)動，發(fā)現(xiàn)機(jī)床有明顯的震動，左端法蘭盤沒有完全固定，因此對上述問題做出以下改進(jìn)。
（1）在底板下加上防震的橡膠塊，有利于減少加工中震動，同時也有利于保護(hù)整體結(jié)構(gòu)。
（2）有于左端沒有軸肩，使法蘭盤完全不能固定，因此在法蘭盤的左側(cè)一端加上加上螺栓和墊片，使之與軸承相互固定。
5．4 本章小結(jié)
調(diào)整和校正在機(jī)械設(shè)計中起著舉足輕重的作用。本章通過對機(jī)器工作原理及裝配的設(shè)計要求的分析，以及實際加工調(diào)試，對部分存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，同時又將之進(jìn)行實際加工，通過實際加工，證實的本次機(jī)構(gòu)的可行性。
結(jié) 論
自從有了人類的社會活動以后，就有了雕刻這一行業(yè)，伴隨著人類社會的發(fā)展，現(xiàn)如今人們對雕刻業(yè)有了全新的認(rèn)識，電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機(jī)械已是大勢所趨。電腦雕刻加工可以就是目前理想的選擇，雖然有些地區(qū)電腦雕刻加工業(yè)務(wù)量不是很多，但它是雕刻行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。雕刻加工涉及各行各業(yè)、分布很廣，有禮品業(yè)、廣告業(yè)、印章業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術(shù)模型業(yè)、機(jī)械加工、工裝模具等等，隨著人們對雕刻機(jī)的認(rèn)識和掌握逐步加深，應(yīng)用范圍會得到不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平也會逐步提高，雕刻加工必定會有更廣闊的前景。
近年來，五軸雕刻機(jī)在工業(yè)上有這重要的地位，其相關(guān)性研究成為國內(nèi)外的企業(yè)的廣泛關(guān)注，尤其是浮雕類，家具類和精密儀器類的企業(yè)。隨著科技的發(fā)展，PC機(jī)的性能逐步得到增強(qiáng)，使得五軸和多軸的聯(lián)動的運(yùn)轉(zhuǎn)得到實現(xiàn)，對五軸雕刻機(jī)的發(fā)展更是起到推動作用。
本次課題是對五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，它是對傳統(tǒng)雕刻機(jī)的機(jī)構(gòu)的改造，在能實現(xiàn)各種加工的同時，有著加工范圍廣，通用性強(qiáng)，同時采用五軸雕刻機(jī)機(jī)床加工的好處首先是可以做到復(fù)雜工件的所謂“一次裝卡, 除了裝卡面全部干完”的五面體加工效果, 有效解決因二次裝卡帶來誤差的問題; 其次是可以做到刀具的恒線速切削,從而得到較高的切削效率，以及均勻的加工粗糙度；再就是五軸雕刻機(jī)可以加工普通三軸機(jī)床因刀具 “干涉”而不能夠加工的工件,如整體葉輪、 一些高檔的模具等。但由于材料和擺臂本身結(jié)構(gòu)的限制，在加工中精度不高，受力不能太大成為它明顯的劣勢。我想如果根據(jù)加工產(chǎn)品中對機(jī)床的受力要求，改進(jìn)材料和受力，就能提高它的精度，增加它的承受能力。因此我相信在未來五軸雕刻機(jī)一定能替代三軸雕刻機(jī)，成為多軸雕刻機(jī)中的典型。
致 謝
本次課題及論文是在我的導(dǎo)師許軍老師的親切關(guān)懷和細(xì)心指導(dǎo)下完成的。這次畢業(yè)設(shè)計是我對大學(xué)四年所學(xué)的知識的一次大總結(jié)，并將其運(yùn)用于實踐設(shè)計當(dāng)中去。通過本次畢業(yè)設(shè)計使我完善了知識結(jié)構(gòu)，拓寬了知識面，開闊了眼界，提高了對各科知識綜合運(yùn)用的能力，同時也鍛煉和培養(yǎng)了我的基本素質(zhì)，它使我更加耐心、謹(jǐn)慎，、細(xì)致。在這次畢業(yè)期間，許老師給予我耐心的輔導(dǎo)和熱情的幫助。更是親身實踐指導(dǎo)我使用車床、鉆床和裝配等，對于一些疑難問題許老師也很有耐心，不厭其煩的給予解答，并在百忙之中對本次論文進(jìn)行了仔細(xì)的審閱和指導(dǎo)，并提出了極為寶貴的修改意見和建議，保證了論文的質(zhì)量。是我在畢業(yè)之際為自己和學(xué)校交上了一份滿意的答卷。在此謹(jǐn)向許老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。另外，在加工法蘭盤時，感謝姜老師以及車床加工中心的老師傅們的幫助，在此請允許我對本次畢業(yè)設(shè)計中幫助過我的老師、同學(xué)說一句“謝謝，謝謝你們！”
參 考 文 獻(xiàn)
1 吳宗澤等.機(jī)械設(shè)
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