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第2章 雕刻机的结构设计
2.1 雕刻机的系统组成
小型雕刻机工作原理是一个三维控制系统，工作原理如图2-1所示：
图2-1小型雕刻机工作原理
在计算机内安装专用的图形和文字设计排版软件，将这些需要加工的文字或图案信息分析处理自动整合出加工路径，然后再通过计算机USB将生成的工件加工路线信息传递给控制系统，然后控制系统接收工件加工路径数据，再把所要加工的形状整合出来显示在计算机屏幕上，若用户满意完，就用特定的算法将这些信息转化为控制信息，由于电机是靠脉冲信号控制的所以还要控制器把这些信息转化为驱动电机的信号，通过控制电机的旋转角度和旋转速度来控制雕刻机X轴、Y轴和Z轴的走刀。同时，雕刻机的电主轴进行铣削，即可雕刻出预想的图案或文字[14]。
2.2 雕刻机的整体布局
机械结构作为小型雕刻机的硬件部分，直接决定了雕刻机的工作生产能力以及加工效果。正因为如此，对小型雕刻机的机械结构，必须根据下面要求进行恰当设计。
1. 首先必须满足雕刻机结构的稳定性；其次满足电机一体化的工作范
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围与加工精度，以提高生产效率，乃至确保经济性等多种要求。
2. 确保小型雕刻机结构必须满足其加工精度，确保雕刻机结构的刚度、抗震性和抗热变形等稳定。
3. 雕刻机的结构必须适应加工过程的直观可视，操作方便，调整和维修方便，运送和装卸工件方便。
4. 结构简约，布局合理，方便装配，便于操作与具有较强的安全性等[15]
。
雕刻机不仅要满足总体布局的基本要，还要满足其他外界影响雕刻机布局的因素：
1.注意表面的形成运动影响。
通常情况下，需要采用不同的刀具与不同的加工方式对雕刻对象进行不同的处理，这样，在工件表面形成的运动方式和运动路线就不同，而出现不同的工作布局方式。如果出现类似外形的工作表面，那么也一定会有对技术和生产效率等不同的要求，为此，对应不同的加工工件表面和不同的加工加工方式选用不同种类的刀具。由此可见，雕刻机的布局形式也受到工件表面形状的影响，而且小型雕刻机的布局形式也是为加工工件表面二设计的。
2.注意雕刻机运动布局分配的影响。
雕刻机伺服电机驱动控制机头加工工件的雕刻路线相同及加工相同的工件，但是在这种情况下有时也会出现雕刻机头分配不同的运动路线的情况，这种情况也会影响雕刻机的布局，使雕刻机出现不同的布局。故此，在设计雕刻机运动分配的时候，必须做到以下几点：移动部件的重量要相对较轻，因为一般情况下，减轻了移动部件的重量，就降低了电机提供的功率以及传动件的尺寸也越小；应有利于提高加工精度；应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积 [16-17]。
另外雕刻机本身性质要求对工件影响也很大，如工作时自身产生的运动、刻刀与工件摩擦产生的噪声、集体发热还会导致热变形以及自身刚度和抗震性的影响。经过查看相关书籍以及上网查询资料得知雕刻机布局形式通常采用如图2-2所示的两种方案：
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（a）工作台固定式 （b）立柱固定式
图2-2雕刻机的布局形式
上述这两种情况的布局方式都是仿照龙门结构形状的框架结构，两种形式的共同特点在于结构的刚度都比较高。而其不同点在于在方案(a)布局中，是把工作台与机架固定在一起，雕刻机头在电机的作用下根据要求作左右和上下移动，支架在Z向电机的作用下作前后移动。这种工作台固定形式的的优点在于对雕刻机纵向长度不同的工件加工都能适应，而且由于工作台直接与机架固定，所以承重能力较好。另外，在批量加工较长工件时，若要支撑点高度相同，可以调整支架便于达到目的。但，雕刻头运动过程中振动幅度较大所以难以保证加工精度。
方案(b)中布局，与方案（a）最大的不同就是把立柱固定，雕刻头在电机的作用下根据工作需要作左右和上下移动，工作台在Z向电机的作用下作前后移动。由于这种设计是把立柱固定工作台承载着加工工件移动，所以承载能力与布局(a)方案相比较差。如果是用于加工较轻的工件，采用方案（b）这种设计所需轴向力和传动件的尺寸较小，且移动方便。如果是进行批量加工外伸支架支撑纵向长工件，支点高度相同，所以支架支撑调整方便，但支架结构与 布局(a)方案相比会稍微复杂。而这种设计方案的最大优点就在于雕刻头前后运动时震动较小，能保证加工精度[18-20]。
通过比较两种方案，显而易见，根据雕刻机加工的工件须偏小又充分考虑到结构的稳定性原则、结构的基本要求、影响结构布局的基本因素，可采用布局(b)的方案。
小型雕刻机的机械几何结构，由以下几部分组成:
1.底座部分，支撑和固定小型雕刻机，承担整个雕刻机的重量，要求稳定坚固。底座的四角又与地面连接进一步提高雕刻机的稳定性。
2.工作台部分，由T型槽台、Y轴方向的丝杠和导轨组成，由丝杠
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驱动，导轨导向，是用来放置并固定工件的， T形槽工作台作为工作台，其特点是精度稳定不易变形、耐磨性好。
3.横梁部分，由X向的丝杠和导轨组成。光轴导轨除了导向作用之外还起到承载机头重量的作用，丝杠的旋转运动带动机头运动。
4.机头部分，由主轴结构和Z方向的丝杠和导轨组成。电机驱动丝杠转动，丝杠的旋转运动带动主轴结构运动，主轴结构在工作时电主轴作高速铣削运动。
2.3 进给结构
进给结构是由伺服电机、执行机构和机械传动结构组成。其作用是接收控制系统发出的指令按照这些指令运行驱动雕刻机走刀，可以根据按照合成信号精确地控制指令的执行单元的速度和位置，以及执行轨迹的几个执行结构的运动轨迹。
下面是小型雕刻机进给结构的机械部分和电机部分。小型雕刻机进给运动方式如下：
把工件固定在工作台上，由于雕刻机的布局工作台移动立柱固定的形式所以工件随着工作台做Y方向的进给运动，机头在X方向电机和丝杠的驱动下做进给运动，与此同时电主轴做高速铣削运动，并且在Z方向做上下运动。雕刻机就是这样雕刻出预想的文字和图案。
在丝杠的驱动下和在光轴导轨的导向作用下机头沿X方向的左右运动，如图2-3所示：
图2-3 雕刻机X方向进给图
在丝杠的驱动下和在光轴导轨的导向作用下工作台沿Y方向前后运动，如图 2-4所示：
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