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XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
開 題 報(bào) 告
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
專 業(yè) 機(jī)械電子工程
班 級(jí)
指導(dǎo)教師
2016年2月29日
課題題目及來(lái)源：
題目：小型雕刻機(jī)設(shè)計(jì)
題目來(lái)源： 自擬
課題研究的意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
課題研究的意義：
建國(guó)五十年來(lái)，我國(guó)的機(jī)械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，初步滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)機(jī)械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國(guó)以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術(shù)含量的新產(chǎn)品，已成為當(dāng)前機(jī)械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點(diǎn)。
機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來(lái)，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來(lái)了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是我國(guó)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。
國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r：
隨著近年來(lái)我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，小型雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)機(jī)遇有效地促進(jìn)了我國(guó)小型雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國(guó)的小型雕刻機(jī)起步經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，己形成了多個(gè)國(guó)品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機(jī)、北京糟雕公司生產(chǎn)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。上述各類型雕刻機(jī)本體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制器大多借鑒國(guó)外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)為主，可獲得中等控制精度，但價(jià)格比較便宜，因此整機(jī)的性價(jià)比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)高精度的雕刻加工，目前我國(guó)尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛高度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性，但價(jià)格昂貴往往倍于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場(chǎng)合。
課題研究的主要內(nèi)容和方法，研究過程中的主要問題和解決辦法：
課題研究的內(nèi)容：
為了解決在生產(chǎn)中人工雕刻的失誤和降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度，采用的控制系統(tǒng)是51類型單片機(jī)，來(lái)完成相應(yīng)的控制工作。通過對(duì)小型雕刻機(jī)工作流程及工作原理的介紹和分析，控制系統(tǒng)是以AT89C52單片機(jī)為核心的下位機(jī)系統(tǒng)，和以MATLAB下的GUI界面下的上位機(jī)軟件系統(tǒng)。
針對(duì)目前小型雕刻機(jī)存在的問題和對(duì)市場(chǎng)需要的調(diào)研，設(shè)計(jì)并開發(fā)以基于圖像處理技術(shù)的適用于機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)包含有這樣幾個(gè)部分，分別是機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分、控制電路部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和上位機(jī)控制處理軟件。操作人員先通過對(duì)軟件界面中驅(qū)動(dòng)項(xiàng)的設(shè)定，再將所設(shè)定的信息參數(shù)由串口傳輸給控制電路，再由控制電路對(duì)電動(dòng)部分發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)部分控制機(jī)械系統(tǒng)按照規(guī)定動(dòng)作運(yùn)行。
基于小型雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)需要解決以下問題：
1．建立完善的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能完成項(xiàng)目要求的所有動(dòng)作，并有良好的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。
2．建立達(dá)到精度要求的傳動(dòng)及控制軟硬件系統(tǒng)，能滿足用戶的需要。
3．使系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性、精度和易用性，基本實(shí)現(xiàn)小型雕刻機(jī)。
課題研究的主要方法：
（1） 搜集資料，了解并掌握STC89C52單片機(jī)的工作原理和各模塊的功能。
（2） 確定設(shè)計(jì)大體思路，撰寫開題報(bào)告，按照要求完成具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容。
（3） 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，熟悉相關(guān)軟件MATLAB，確定設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。按要求完成完整的設(shè)計(jì)計(jì)劃及預(yù)期達(dá)到的結(jié)果，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)及計(jì)算。
（4） 對(duì)所設(shè)計(jì)的小型雕刻機(jī)進(jìn)行樣機(jī)的搭建與調(diào)試。
（5） 對(duì)設(shè)計(jì)說明書初稿進(jìn)行相關(guān)格式修改，對(duì)設(shè)計(jì)圖紙并進(jìn)行修改。
研究過程中的主要問題和解決的方法：
機(jī)械結(jié)構(gòu)作為小型雕刻機(jī)的硬件部分，對(duì)小型雕刻機(jī)的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。下面對(duì)小型雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。
1、雕刻機(jī)總體布局的基本要求
雕刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn):
（1）首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等等各種要求;
（2）確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率;
（3）確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；
（4）應(yīng)便于觀察加工過程，便于操作、調(diào)整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理，注意防護(hù)，確保安全；
（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，合理可靠，便于加工和裝配。
2、影響雕刻機(jī)布局的基本因素
在滿足總體布局的基本要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)考慮影響雕刻機(jī)布局的基本因素:
（1）表面形成運(yùn)動(dòng)的影響
不同形狀的加工表面往往采用不同的刀具來(lái)加工，從而表面形成運(yùn)動(dòng)的形式和數(shù)目就不同，并導(dǎo)致布局的差異。相同形狀的加工表面，由于工件的技術(shù)要求和生產(chǎn)率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成運(yùn)動(dòng)來(lái)加工，從而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成運(yùn)動(dòng)直接決定了雕刻機(jī)布局的形式，是影響雕刻機(jī)布局的決定性因素。因而，在布局雕刻機(jī)時(shí)，必須根據(jù)加工要求，全面、綜合地考慮工件的表面形成方法及運(yùn)動(dòng)，以期作出具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的布局設(shè)計(jì)。
（2）雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)分配的影響
工件表面形成方法及運(yùn)動(dòng)相同，而雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)不同。對(duì)于同一種運(yùn)動(dòng)分配的布局，由于導(dǎo)軌的布置和其它結(jié)構(gòu)形式的不同，也將使雕刻機(jī)的布局出現(xiàn)變化。在分配雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1) 移動(dòng)部件的重量應(yīng)盡量輕。在其它條件相同的情況下，移動(dòng)部件的重量越小，所需電機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸也越小
2) 應(yīng)有利于提高加工精度
3）應(yīng)有利于提高雕刻機(jī)剛度，縮小占地面積
4）工件的尺寸重量和形狀的影響
工件的表面形成運(yùn)動(dòng)及雕刻機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)分配基本相同，而工件尺寸、重量和形狀不同，雕刻機(jī)的布局也會(huì)有很大差異。另外，還應(yīng)考慮雕刻機(jī)性能要求的影響，如振動(dòng)、噪聲、熱變形、剛度和抗振性，操縱方便形的影響，模塊化設(shè)計(jì)法的影響等。通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，雕刻機(jī)基本布局形式通常有下圖所示的兩種方案：
圖2.2 雕刻機(jī)的布局簡(jiǎn)圖
圖1 雕刻機(jī)的布局形式
這兩種布局都采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，雕刻機(jī)的剛度均較高。
布局(1)方案中，工作臺(tái)固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，立柱作縱向移動(dòng)。該方案便于變形為不同縱向長(zhǎng)度的雕刻機(jī)。由于工作臺(tái)不動(dòng)，承載能力好，適合加工較重的工件。在使用外伸支架支撐縱向長(zhǎng)工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便。但雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較難保證且立柱移動(dòng)較笨重。
布局(2)方案中，立柱固定，雕刻頭作橫向和上下移動(dòng)，工作臺(tái)作縱向移動(dòng)。由于工作臺(tái)移動(dòng)，承載能力較布局(1)方案差。若設(shè)計(jì)所承載的工件較輕，這種布局方式所需電動(dòng)機(jī)功率和傳動(dòng)件的尺寸較小，移動(dòng)較輕便。在使用外伸支架支撐縱向長(zhǎng)工件進(jìn)行批量加工時(shí)，支點(diǎn)高度相同，故支架支撐調(diào)整方便，但支架結(jié)構(gòu)較布局(1)方案略顯復(fù)雜。該方案的最大優(yōu)勢(shì)在于雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較易保證。
經(jīng)以上比較，充分考慮到布局的基本要求、影響布局的基本因素及三坐標(biāo)數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可采用布局(2)的方案。
雕刻機(jī)工作原理如圖所示：
圖2 雕刻機(jī)工作原理圖
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指導(dǎo)教師審查意見：
課題選擇可以使學(xué)生充分運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，符合學(xué)生專業(yè)發(fā)展方向，對(duì)于提高學(xué)生的基本技能有幫助。該學(xué)生前期資料查閱充分，對(duì)課題理解較好。研究方法和研究計(jì)劃基本合理，難度合適，學(xué)生能夠在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成該課題的設(shè)計(jì)。同意該課題進(jìn)入下一階段，同意進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。
指導(dǎo)教師簽字：
20 年 月 日
指導(dǎo)委員會(huì)意見審核意見：
組長(zhǎng)簽字：
20 年 月 日