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. 江 西 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文） 題 目：激光雕刻機設計及主要零件工藝設計 專題題目： 學 院：機電工程學院 專 業(yè)：機械工程及自動化 班 級：機械113班 學 號：40 學 生：錢偉偉 指導教師： 宋小軍 職稱：講師 時間：2015年6月10日 摘 要 激光雕刻的適用對象主要是精密細小和形狀復雜的零件，本文設計了一臺由PLC控制的激光雕刻機床，主要完成了： （1）雕刻機的基本結構和自由度分析，機床整體結構設計，X、Y軸的結構設計計算、傳動軸、直線導軌的選擇及其強度分析；對雕刻機的運動速度和控制精度進行分析，激光雕刻機傳動方案設計。幾種雕刻機常用的傳動機構比較，然后再根據(jù)激光雕刻機的具體要求確定各個模塊的傳動方案。 （2）對常見的傳動機構：齒輪傳動機構、絲杠螺母傳動、鏈傳動機構，齒形帶傳動機構等進行比較，結合各自的優(yōu)缺點確定雕刻機的傳動機構，包括雕刻機激光器X方向移動方案，Y方向移動方案。 （3）步進電機的選型以及以步進電機為進給驅動的驅動系統(tǒng)及其傳動機構的分析設計計算。 （4）對雕刻機的一些主要零件，如墊板、光軸滑塊、短軸進行工藝分析與制定，進一步熟悉其加工的具體過程。 （5）了解PLC控制系統(tǒng)的類型及功能，以及PLC機型的選擇、對被控對象激光器的運動進行分析，明確激光器的移動要求，制定電氣控制系統(tǒng)方案。 總結：本文設計的激光雕刻機可以對木材，紙張，鋼材等材料進行精密雕刻，大大縮短了雕刻時間，提高了生產效率，因而數(shù)控激光切割在我國制造業(yè)中正發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。 關鍵詞：PLC；激光雕刻機；結構設計；工藝設計； . ABSTRACT Suitable for laser engraving are mainly small and precision parts of complex shape, we design a laser engraving machine controlled by a PLC completed a major: (1),The basic structure of the engraving machine and freedom analysis, the overall structure of the machine design, X, Y axis design calculations, drive shaft, linear guide rail select and strength analysis; speed engraving machine motion control accuracy and analysis, Laser engraving machine drive design. Comparison of several common transmission engraving machine, and then determine the transmission scheme of each module according to the specific requirements of laser engraving machine. (2),The common transmission: gear drive mechanism, screw nut drive, chain drive mechanism, belt drive mechanism were compared, with their advantages and disadvantages to determine the engraving machine transmission mechanism, including the X direction laser engraving machine program , Y direction scheme. (3),Analysis and design and the selection of the stepper motor with the stepper motor for the feed drive of the drive system and the transmission mechanism of calculation. (4),Carving some of the major components, such as plate, axis slider minor process analysis and formulation, more familiar with the specific process of its processing. (5),To understand the type and function of PLC control system, as well as the choice of models PLC, laser controlled object motion analysis, a clear request to move the laser, the development of electrical control system solutions. Summary: This design laser engraving machine can be wood, paper, steel and other materials for precision engraving, carving greatly reducing the time and improve production efficiency, thus CNC laser cutting in Chinas manufacturing industry is playing a huge advantage. 關鍵詞：自動噴漆；機械手；機械結構設計；控制系統(tǒng)設計。Keywords:PLC;Laser engraving machine;Structural design;process design; . 目 錄 第一章 緒論 1 1.1激光雕刻及相關技術概述 1 1.1.1激光雕刻技術 1 1.1.2激光雕刻機的國內外發(fā)展狀況 1 1.1.3激光雕刻機自動控制技術 4 1.2 PLC控制技術概述 4 1.2.1 PLC系統(tǒng)的基本結構 5 1.2.2 PLC的特點、應用領域和發(fā)展趨勢 5 1.2.3 PLC初步選擇 6 第二章 激光雕刻機總體設計 7 2.1 雕刻機的任務要求和基本結構 7 2.1.1 雕刻機的任務要求和技術參數(shù) 7 2.1.2雕刻機的基本結構和自由度分析 8 2.2 雕刻機驅動方案設計 9 2.2.1 典型驅動方案比較 9 2.2.2 雕刻機驅動方案確定 10 2.3 激光雕刻機傳動方案設計 10 2.3.1 常見的傳動機構 10 2.3.2 各部分傳動方案設計 12 2.3.3電機選擇 13 2.3.4軸的校核 15 2.3.5軸承的結構設計 16 2.3.6鍵的選擇 17 2.4 控制系統(tǒng)總體方案 19 2.5 本章小結 19 第三章 激光雕刻機機械結構設計 20 3.1機械結構設計 20 3.1.1底座模塊 20 3.1.2支架模塊 21 3.1.3激光器模塊 21 3.1.4舵機模塊 23 3.1.5 雕刻機總體結構 24 3.2 本章小結 25 第四章 激光雕刻機主要零件工藝制定 26 4.1 雕刻機墊板工藝 26 4.2 雕刻機光滑軸塊工藝 31 4.3 雕刻機短軸工藝 39 4.4本章小結 43 第五章 激光雕刻機PLC控制系統(tǒng)設計 44 5.1 PLC控制系統(tǒng)設計步驟 44 5.2 PLC機型的選擇 45 5.3 PLC控制系統(tǒng)硬件設計 46 5.3.1 硬件設計總體方案 46 5.3.2 PLC輸入輸出設備確定 47 5.4 本章小結 47 第六章 總結 48 6.1 全文工作總結 48 6.2 進一步設想 48 附錄 49 參考文獻 50 致 謝 53 . 第一章 緒論 1.1激光雕刻及相關技術概述 1.1.1激光雕刻技術 雕刻機技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多門學科而形成的高新技術，其本質是感知、決策、行動和交互四大技術的綜合，是當代研究十分活躍、應用日益廣泛的領域。雕刻機應用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。國際標準化組織(ISO)對雕刻機的定義是這樣的：“雕刻機是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務。工業(yè)雕刻機是雕刻機的主要研究類型，它并不是簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上來說，雕刻機是機器進化過程的產物，是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。工業(yè)雕刻機由機械本體、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在二維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動設備，適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定和提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著重要的作用。 1.1.2激光雕刻機的國內外發(fā)展狀況 一、國內研究現(xiàn)狀： 目前，隨著激光雕刻設備在應用技術、工藝上的開發(fā)推廣，激光平面打標、雕刻設備的制造銷售已呈現(xiàn)良好的上升態(tài)勢。國內從事激光設備開發(fā)、制造、銷售的公司，以及代理國外激光設備的公司迅速增加。競爭也日趨激烈。但是，國內市場的所有激光設備都停留在激光平面雕刻階段，尚沒有一家公司或科研單位能拿出一臺激光三維雕刻系統(tǒng)。一些精細的三維模具雕刻仍然依靠電腦機雕，或者是手雕。但是機雕和手雕都有極大的弱點和局限，制約了一些精細工藝的發(fā)展。國內已有幾家激光科研機構在對激光三維精雕機進行研究。在精雕領域，國內傳統(tǒng)機械精雕設備做得最好的是北京精雕，其在解決精細雕刻模具方面贏得了巨大的市場和成功。但由于機械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻無法實現(xiàn)。一部分領域，不得不借助高超的手工工藝，進行手雕或修模工作。在激光雕刻模具方面，則有桂林星辰激光，其主要是利用功率較強的激光打標機銷往模具制造行業(yè)，目前銷售態(tài)勢良好。但由于其雕刻技術只能雕刻平面文字與圖案，離激光三維雕刻還有一段距離，所以目前其在該領域還不能大展身手。激光三維精雕系統(tǒng)（英文名字：3D laser engraving system）是激光設備家族里的又一新成員，是激光技術進步的又一重要標志，是模具制造業(yè)的利器。激光三維精雕模具是指通過高能量激光束在模具材料上或者銅電極上雕刻出您需要的二維或三維形狀。同時它與目前水晶內雕機有本質的區(qū)別，水晶內雕機的三維概念是一定密度的點云造成感覺上的立體圖像，而且只能應用在水晶工藝品上。而激光三維精雕機是通過精確的CAD軟件技術實現(xiàn)的三維立體實體空間的雕刻，因而它不僅可以應用在一般產品精加工領域，還可以應用的模具制造領域。 我國雕刻機市場上，有諸多的國內外品牌，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了北京精雕、南京四開等品牌，與國外的日本牧野、森精機以及美國哈斯的競爭。這些公司無論是在設計、制造，還是其雕刻質量，都具有非常成熟的的技術，但對于中小型企業(yè)及個人來說，其產品高昂的價格在一定程度上阻礙了雕刻機技術的應用推廣。這也正是目前小型雕刻機迅速在中小型企業(yè)和個人之間得以發(fā)展的原因之一。雕刻機在印刷領域的廣泛應用，使得雕刻機雕刻頭的研究也變得廣泛起來。張策[1]在《杭州包裝工程》上發(fā)表的文章中介紹了常用的電雕系統(tǒng)雕刻頭的結構原理和特點，包括轉動式和直動式電磁鐵，同時概述了正在研究的壓電陶瓷雕刻頭。 二、國外研究研究現(xiàn)狀： 國際上工業(yè)發(fā)達國家都把激光加工技術作為提高生產效率和競爭能力的手段之一，將激光加工技術列為重點發(fā)展的高技術產業(yè)，希望能在光技術全盛時代的 21 世紀初期處于領先地位。2000 年，激光在工業(yè)應用方面飛速前進，激光系統(tǒng)設備市場銷售額突破30億美元，其中工業(yè)激光超過 10 億美元，比上年增加 23%，激光在金屬加工市場應用領域比上年增長10%[2,3]。目前全球有超過 4000 家的激光加工站，按其銷售量分，美國、日本和歐洲約各占 1/3[4]。 日本激光加工技術的發(fā)展特點是，建立工業(yè)界、大學和官方的聯(lián)合開發(fā)體制，在一些重要領域由國家選定發(fā)展目標，集國家和私人財團的力量加速發(fā)展激光加工技術。1978 年日本通產省設立超高性能激光復合生產系統(tǒng)研究項目，1985 年又設立了激光柔性加工系統(tǒng)大型研究項目。僅幾年時間，日本激光加工技術就進入世界先進行列。90年代末，日本又開發(fā)出了半導體激光泵浦的大功率固體激光器及新型高性能裝置。大量引進技術是日本激光產業(yè)高速發(fā)展的重要原因之一，例如日本通過巨款收購居世界第三位的美國魯莫尼克斯公司，獲得了多軸激光加工機床制造等方面的重要技術，迅速發(fā)展了本國的激光加工技術能力。 德國大量投資于商品化激光加工機的生產線。德國激光加工業(yè)成功的發(fā)展戰(zhàn)略是，先從研究開發(fā)激光加工技術和工藝入手，而不是從開發(fā)硬件入手。德國從 70 年代就開始建立了 6 個專門的激光應用研究所，集中力量專門從事激光加工技術研究開發(fā)和工業(yè)應用。目前在德國很多工科大學都開設激光加工課程并建立激光應用研究所，其主要研究內容是激光技術在各工業(yè)部門的應用，特別強調研究要面向企業(yè)與工業(yè)部門的需求。除承擔國家的科研項目外，還承接航空航天、汽車、造船等工業(yè)部門提出的各種激光加工課題，通過研究成果充分顯示激光加工的優(yōu)越性并解決工業(yè)生產中的許多難題，不斷拓展激光加工市場。例如，德國奧迪汽車的底板所需的鋼板寬度超過市場供應的最大寬度，采用其它方法焊接會破壞鍍鋅層，導致防銹性能和沖擊性能惡化，而采用激光焊接不降低鋼板韌性，可在焊接后沖壓成型[5]；德國奔馳汽車廠用激光焊接車門，與過去傳統(tǒng)方法相比，變形明顯減小、焊縫平整，節(jié)約大量的打磨和整型時間，每輛汽車節(jié)約工時 70 min，成本降低 70 馬克。隨著激光加工技術在德國各工業(yè)部門的推廣應用，一些制造大功率激光器的廠家迅速建立并逐步壯大。如德國西門子公司買下美國光譜物理公司在德國的分公司，建成洛芬辛納公司，現(xiàn)在該公司已成為世界上最大的工業(yè)激光器廠商，銷售額在世界激光器市場中名列第一。 美國激光應用已達到很高的水平，對激光應用方面的投資也在逐年增加，1992～1997年預算增長幅度約為 14%，其中70%用于材料加工。美國激光加工應用最多的工業(yè)部門有：航空、航天、電子、汽車等，直接或間接從事航空航天工業(yè)的 3000 多家公司均采用了激光加工技術，美國空軍材料研究所應用 6KW 二氧化碳激光切割鋁合金，節(jié)約加工費 60～70%，美國激光加工機床產業(yè)在世界上也位居前列，美國通用汽車公司應用激光切割系統(tǒng)切割排氣管，消除了過去采用傳統(tǒng)方法切割，管子變形，且切口毛刺多的弊病[6]。 國外，現(xiàn)在已經(jīng)有設備商開發(fā)出相應的激光三維雕刻系統(tǒng)與應用，并已將銷售觸角伸入國內。有幾個商家代理該類設備，但尚無樣機，其售價在100萬元以上。如加拿大VIRTEK公司研制的FOBA.G-SERIES，目前也主要應用在模具雕刻行業(yè)。相信三維雕刻會是激光雕刻的一個很重要的發(fā)展方向[7]。激光加工技術從最初的Nd:YAG激光器、2CO激光器，發(fā)展到大功率二極管模塊、半導體泵浦全固態(tài)激光器、光纖激光器、飛秒激光器等各種新興技術。其中，尤其以光纖激光器最為關注。傳統(tǒng)激光行業(yè)中的大部分主要廠商都在2007年宣布進軍光纖激光器市場，有的甚至推出了具體產品，這是行業(yè)內發(fā)生的一個重大事件[8]。 日本牧野[9]在FANUC數(shù)控系統(tǒng)的基礎上進行了二次開發(fā)，控制系統(tǒng)增加了獨特的功能，不僅縮短了工時，也保證了工件在高速加工的條件下精確的形狀精度。此外，開發(fā)的高速主軸和CAD/CAM具有熱變形小、振動小以及適合小刀具加工的特點。而北京的精雕[10]針對小刀具，同樣開發(fā)了專業(yè)的高速電主軸以及精雕專用的數(shù)控系統(tǒng)JD45，并且，有效集成了CAD/CAM軟件JDPaint，能夠直接將零件表面加工成鏡面級的表面質量。不僅如此，集光、機、電于一體的激光雕刻機則預示著雕刻技術的當代以及未來的發(fā)展方向。激光雕刻機不僅精度高、加工效率高和切縫窄且光滑[11]，激光光筆更是與工件無接觸、不會劃傷工件表面,保證了工件的加工質量。對于雕刻機在傳統(tǒng)的木工領域內，吳善旺[12]歷經(jīng)3年，通過不懈的努力，靠過硬的能力自主研發(fā)用于四軸木工立體雕刻機刻系統(tǒng)，并開發(fā)了專用的軟件。更重要的是，這兩大發(fā)明均申請了專利。他發(fā)明的用于雕刻人體塑像、佛像、仿古雕刻、夾具、石頭等的大型旋轉立體雕刻機、多頭旋轉雕刻機、小型1-12頭旋轉數(shù)控雕刻機，解決了高難度產品建模、工藝品加工行業(yè)的難題。電腦雕刻行業(yè)的發(fā)展，正是向著以市場細分為導向，規(guī)?；到y(tǒng)操作人性化、簡潔化發(fā)展[13]。 1.1.3激光雕刻機自動控制技術 一個完善的雕刻機系統(tǒng)，必須由一個完善的機械系統(tǒng)和相應的控制系統(tǒng)組成。一個完善的機械系統(tǒng)是雕刻機完成各種任務工作的必要條件：激光器工作臺能把激光器移動到工作區(qū)域中任意的預定位置，并且保持任意的預定姿態(tài)，末端控制器能完成諸如X方向、Y方向移動等操作。雕刻機控制器的功能是控制機械系統(tǒng)的運動和操作，以滿足工作要求。在各種工作中，雕刻機的運動主要表現(xiàn)為末端操作器沿著預定的路徑移動并保持預定的姿勢，在運動中或在預定的某些位置上完成工作規(guī)定的操作。為了實現(xiàn)雕刻機的上述各種功能，每個雕刻機都配有相應的控制器。雕刻機控制器[14]由一組硬件和軟件組成，相當于雕刻機的“大腦”。作為雕刻機系統(tǒng)不可分割的一部分，雕刻機控制系統(tǒng)的工作原理、結構和雕刻機的功能、精度要求都有密切關系。隨著計算機科學和自動化水平的不斷提高，人們在各種領域內大量采用計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的應用使得科學研究、工農業(yè)生產、工藝實踐的效率大大提高，同時也大幅度提高了產品和成果的質量?？删幊绦蚩刂破?Programmable Logic Controller，簡稱PLC)是應控制領域的要求而出現(xiàn)的，具有功能強、可靠性高、容易維護、應用靈活、體積小能耗低等優(yōu)點，適用于開關量邏輯控制、運動控制、順序控制和過程控制，可以進行數(shù)據(jù)處理[15]，可以組成控制網(wǎng)絡，是具有完整控制功能和數(shù)據(jù)處理功能的工業(yè)控制計算機。 1.2 PLC控制技術概述 PLC(可編程控制器)是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置[16]。早期的可編程控制器主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制，隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)代可編程控制器的功能已經(jīng)超過了邏輯控制的范圍。現(xiàn)代的PLC不僅能夠完全勝任對大量的開關量信號的邏輯控制功能，還具有了很強的數(shù)學運算、數(shù)據(jù)處理、運動控制、PID控制等模擬量信號的處理能力。同時現(xiàn)代PLC的聯(lián)網(wǎng)通信能力大大增強，可以構成功能完善的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化管理。 1.2.1 PLC系統(tǒng)的基本結構 PLC是微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物，它按照用戶程序存儲器中預先編制的控制程序，通過輸入接口采集現(xiàn)場信息，執(zhí)行邏輯或數(shù)值運算，進而通過輸出接口控制各種執(zhí)行機構動作。 圖1-1 PLC系統(tǒng)的基本結構 PLC系統(tǒng)主要由中央處理單元(CPU模塊)、信號輸入腧出模塊、電源和編程器等部分組成，如圖1-1所示。 1.2.2 PLC的特點、應用領域和發(fā)展趨勢 1．PLC的特點 作為一種新型的工業(yè)自動控制裝置，PLC具有以下特點： (1) 高可靠性和強抗干擾能力； (2) 豐富的I／O接口模塊； (3)絕大多數(shù)PLC模塊化結構，靈活性好； (4) 編程簡單易學； (5) 系統(tǒng)安裝簡單，維修方便。 2．PLC的主要應用領域 由于PLC自身的特點和優(yōu)勢，在工業(yè)控制中PLC已得到了廣泛的應用，包括機械、冶金、化工、電力、運輸、建筑等眾多領域，應用范圍也在不斷擴大。PLC主要應用領域包括以下幾個方面： (1)邏輯控制 邏輯控制是PLC最基本的應用，它可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，如機床電氣控制、各種電機控制等，可實現(xiàn)組合邏輯控制、定時控制和順序邏輯控制等功能。 (2)運動控制 PLC使用專用的運動控制模塊，可對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進行控制，實現(xiàn)單軸、雙軸和多軸位置控制，并使運動控制和順序控制功能有機結合在一起。 (3)閉環(huán)過程控制 過程控制是對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過其模擬量I/O模塊，及數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)運算等功能，實現(xiàn)對模擬量的閉環(huán)控制。 (4)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送、轉換、排序和查表等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理等操作。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值進行比較，也可以用通信功能傳送到其他智能裝置，或將它們打印制表。 (5)通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信包括主機與遠程I／O之間的通信、多臺PLC之間的通信[17]、PLC與其他智能設備(如計算機、變頻器、數(shù)控裝置等)之間的通信。PLC與其他智能控制設備一起，可以組成“集中管理、分散控制"式的分布式控制系統(tǒng)。 3．PLC的發(fā)展趨勢 經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展，PLC的功能越來越強大，應用范圍也越來越廣泛，其足跡已遍及國民經(jīng)濟的各個領域，形成了能夠滿足各種需要的PLC應用系統(tǒng)。隨著市場需求的不斷提高，PLC的發(fā)展體現(xiàn)以下趨勢： ①向小型化、微型化和大型化、多功能兩個方向發(fā)展：②過程控制功能不斷增強；③大力開發(fā)智能型I／o模塊；④與個人計算機日益緊密結合；⑤編程語言趨向標準化；⑥通信與聯(lián)網(wǎng)能力不斷增強。 1.2.3 PLC初步選擇 本設計的制動雕刻機動作過程就是順序運動，雕刻機運行時按照控制任務一步一步完成加載待加工圖片，激光器的X向、Y向移動、雕刻等動作，所以采用PLC作為控制器非常合適。因為所學PLC型號為三菱FX2N，所以本畢業(yè)設計采用三菱FX2N系列PLC。 第二章 激光雕刻機總體設計 2.1 雕刻機的任務要求和基本結構 1、首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產率和經(jīng)濟性等等各種要求；2、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動。在經(jīng)濟、合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率；3、確保雕刻機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；4、應便于觀察加工過程，便于操作、調整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理，注意防護，確保安全；5、結構簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 2.1.1 雕刻機的任務要求和技術參數(shù) 本次設計的是激光雕刻機，它能夠雕刻木材板、彩色紙質卡片，切斷彩色紙質卡片、泡沫論文等，實現(xiàn)X、Y方向上的移動；用該樣機完成簡單圖形的雕刻工作，此激光雕刻機有較好的可靠性,安全性，合理性和經(jīng)濟性。根據(jù)以上對激光雕刻機的了解，通過參照實際雕刻機的大體尺寸，設定該雕刻機的基本參數(shù)為： (1) 最大雕刻速度：50mm/s (2) 額定功率：200mW~250mW /450~500mW， (3) 物理尺寸(LWH)：620mm 620mm140mm，. (4) 工作區(qū) (XY)：300mm350mm， (5) 分辨率：0.1mm (6) 可支持圖片格式：JPG，PNG，BMP，GIF，DXF， (7) 激光類型：藍紫光， (8) 波長：γ= 405nm， (9) 額定功率：200mW~250mW /450~500mW， 各部分技術參數(shù)如表2-1所示： 表2-1 雕刻機主要技術參數(shù) 2.1.2雕刻機的基本結構和自由度分析 本設計的激光雕刻機的基本結構分為三個結構模塊，主要包括：底座、舵機、支架、激光器等部分。共有2個自 X 由度(2個移動自由度)， 示意圖如圖2-1所示。 Y (1)激光器的左右移動X； (2)激光器的前后移動Y； 圖2-1雕刻機的自由度示意圖 該激光雕刻機的雕刻對象是木板，鋼板等主要材料，其中2個移動自由度使雕刻機本身能夠保證激光器到達加工區(qū)域任意點位置。根據(jù)零件的情況完成的雕刻要求。 2.2 雕刻機驅動方案設計 2.2.1 典型驅動方案比較 目前常用的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動等多種方式，各種驅動方式有其自身的特點，在工業(yè)中液壓和氣壓驅動應用很廣泛，有些機床則同時采用多種驅動方式，這都視不同雕刻機的特點和要求所定。下面對這些驅動方式的特點進行比較，從中選出適合激光雕刻機的驅動方式。 1. 液壓驅動 液壓驅動的特點主要包括： 1) 驅動力和驅動力矩較大，移動時產生的力可達100公斤； 2) 速度反應性較好。因為被驅動件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當不考慮油液的溫度變化時，被驅動系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機構的適量輕、慣性小，因此它的速度反應性較好； 3 )調速范圍較大，而且可以無級調速，易于適應不同的工作要求； 4) 傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向； 5) 在產生相同驅動力的條件下，液壓驅動比其他驅動方式體積小、重量輕、慣性?。? 6) 定位精度比氣動高，但比電機低； 7) 液壓系統(tǒng)的泄漏對機構的工作穩(wěn)定性有一定的影響； 8) 油液中如果混入氣體，將降低傳動機構的剛性，影響定位精度(產生爬行)； 9）油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。 液壓驅動機械手多用于要求臂力較大而運動速度較低的工作場合。 2 .氣壓驅動 氣動驅動的特點有： 1) 通過調節(jié)氣流，就可實現(xiàn)無級變速； 2）由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅動的機械手動作速度快： 3) 壓縮空氣可從大氣中吸取，故動力源獲得方便、價格低廉，而且廢氣處理方便； 4)由于壓縮空氣的粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到油液在油路中損失的千分之一；故壓縮空氣可以集中供應，遠距離輸送； 5)壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機械手的運動平穩(wěn)性較差，定位精度較低，而且壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大，另外還須考慮潤滑和防銹等； 6)壓縮空氣的工作壓力較低，致使機械手結構較大。因此，氣壓驅動的機械手，常用于臂力小于30公斤、運動速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場合。 3. 電機驅動 電機驅動系統(tǒng)按電機的功能可分為直流電機驅動系統(tǒng)、交流異步電機驅動系統(tǒng)、無刷直流電機驅動系統(tǒng)、開關磁阻電機驅動系統(tǒng)和多態(tài)電機驅動系統(tǒng)等。各種電機系統(tǒng)的工作原理有很大的區(qū)別，性能上也存在著較大的差異。在這里，不對這些電機系統(tǒng)作一一介紹。只是把電機驅動與液壓和氣壓驅動做一個比較，從中得到結論。 從文獻中可知，電機驅動激光雕刻機可避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅動要高；電機系統(tǒng)將電動機、測速機、編碼器、減速器及制動器組裝在一次加工的殼體中，使得整個電機系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大提高；另外，電動機根據(jù)運行距離及電機的脈沖當量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計算機[18]，可達到非常高的位姿準確度，這些都是電機驅動的優(yōu)點。 2.2.2 雕刻機驅動方案確定 在該雕刻機系統(tǒng)中，采用比較多的是直流電動機。因為它可以達到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反兩個方向連續(xù)旋轉運動平滑。因此，雕刻機激光器的X、Y向的移動都采用直流電動機。由于雕刻精度要求很高，所以采用直流電機控制。 2.3 激光雕刻機傳動方案設計 為了提高雕刻機的運動速度和控制精度，要求雕刻機的傳動機構具有結構緊湊、體積小、質量輕、無間隙和響應速度快的特點。傳動機構的種類很多，按性能可分為固定速比式和無級變速式；按運動方式又可分為回轉一回轉、回轉一直線、直線——回轉、直線—一直線。下面首先介紹幾種雕刻機常用的傳動機構，然后再根據(jù)激光雕刻機的具體要求確定各個模塊的傳動方案。 2.3.1 常見的傳動機構 1．齒輪傳動機構 齒輪傳動的優(yōu)點是：瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)性較高；傳動比變化范圍大，可用于增速或減速；速度范圍大，節(jié)線速度可以從v1500h 即高于預期計算壽命，該深溝球軸承61800滿足設計要求。 2.3.6鍵的選擇 (1)鍵的選擇 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型應根據(jù)鍵連接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求來取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸（一般以鍵寬表示）與長度L。鍵的截面尺寸按軸的直徑d由標準中選定。鍵的長度L一般可按輪轂的長度而定，即鍵長等于或略短于輪轂的長度；而導向平鍵則按輪轂的長度及其滑動距離而定。一般輪轂的長度可取為，這里d為軸的直徑。所選的鍵長亦符合標準規(guī)定的長度系列。 表2-4 普通平鍵和普通楔鍵的主要尺寸 軸的直徑d 鍵寬 軸的直徑d 鍵寬 鍵的長度系列L (2)鍵連接強度計算 本設計中采用的是平鍵連接，主要起傳遞傳遞轉矩作用。查《機械設計》知，平鍵連接傳遞轉矩時，連接中各零件的情況如右圖。對于采用常見的材料組合和按標準選取尺寸的普通平鍵連接（靜聯(lián)接），其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷（右圖中沿a-a面剪斷）。因此，通常只按工作面的擠壓應力進行強度校核計算。 假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強度條件為 [3-5] 式中：T-傳遞的轉矩（），； k-鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為鍵的高度； l-鍵的工作長度，圓頭平鍵l=L-b,平頭平鍵l=L，這里L為鍵的公稱長度；b為鍵的高度；d-軸的直徑； []-鍵、軸、輪轂三者最弱材料的許用擠壓應力單位，見表2-5； [P]-鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用壓力單位，見表2-5。 表2-5鍵連接的許用擠壓應力、許用壓力 許用擠壓應力、許用壓力 連接工作方式 鍵或轂、軸的材料 載荷性質 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 [] 靜聯(lián)接 鋼 鑄鐵 [P] 動連接 鋼 50 40 30 ①根據(jù)d=10mm從表2-4中查得鍵的截面尺寸為寬度b=4mm。高度h=4mm。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長L=14mm（比輪轂寬度小些）。 ②鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，由《機械設計手冊》查表3-3查得許用擠壓應力[]=，取其平均值，[]=110MPa。鍵的工作長度L=14鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。由上面公式可得： 可見連接的擠壓強度滿足要求。鍵的標記為：鍵 GB/T 1096-2003。 2.4 控制系統(tǒng)總體方案 采用PLC可編程序控制器作為控制系統(tǒng)的控制中樞，控制電機實現(xiàn)激光器的X方向的水平往復運動和激光器Y方向的水平往復運動。 本課題從系統(tǒng)總體的角度而言，它應該包括硬件和軟件兩大部分。控制系統(tǒng)的總體方案如圖2-3所示。 圖2-3 雕刻機控制總體方案 2.5 本章小結 本章根據(jù)激光雕刻機的任務要求，從雕刻機本體結構和控制方法對比分析入手，初步擬定了雕刻機的技術參數(shù)、運動形式、驅動方案、傳動方案、控制系統(tǒng)方案等。 第三章 激光雕刻機機械結構設計 3.1機械結構設計 3.1.1底座模塊 1．結構設計 (1)設計要求：底座是直接連接、支承其它機構部件。一般情況下，實現(xiàn)激光器沿X軸方向水平移動、沿Y軸方向水平移動等的驅動裝置或傳動件都安裝在底座上。激光器的運動愈多，底座的結構和受力愈復雜。底座既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機構，可沿地面或架空軌道運行。本設計中機身采用固定式的。 (2)結構設計：本設計中，底座固定不動，激光器可沿X軸方向水平移動，其動力靠步進電機帶動同步齒形帶提供，同步齒形帶以傳動時無滑動，傳動比準確，傳動平穩(wěn)；速比范圍大；初始拉力小，軸及軸承不易過載，精度高而保證了激光器運動的靈活性和定位的準確性。底座的上面安裝的是舵機支架，其主要任務是支撐傳動軸和同步帶輪實現(xiàn)激光器的水平移動(沿X軸方向移動)。激光器水平移動的快慢和正反向控制，可由控制器調節(jié)步進電機的轉速和轉向來實現(xiàn)。按照第2章總體設計的驅動和傳動方案，激光器水平移動機構采用直流步進電機驅動經(jīng)套筒式聯(lián)軸器與傳動軸相連接，采用同步齒形帶傳動。設計中將齒形帶直接安裝在雙孔梁上面，如圖3-1所示，不僅結構緊湊，而且具有互換性。 底座的三維模型如圖3-1所示： 圖3-1 底座 3.1.2支架模塊 1)設計要求：多用途支架同樣是雕刻機的關鍵支撐部件。它的作用是支承傳動軸和同步帶輪，并使同步帶來回轉動，從而帶動激光器的運動，主要運動包括激光器的沿X軸方向的水平移動以及激光器Y軸方向的水平移動，支架上還要安裝一些傳動、驅動機構。從機身的受力情況看，它在工作中直接靜荷。 2)結構設計：支架的設計思想和底座大致相同，其三維模型如圖3-2所示： 圖 3-2支架 3.1.3激光器模塊 設計要求：激光器的作用是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件[20]，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。 1）激光汽化切割 利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內達到材料的沸點，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。 激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。 2）激光熔化切割 激光熔化切割時，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。 激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。 3）激光氧氣切割 激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。 4）激光劃片與控制斷裂 激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描[21]，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。 控制斷裂是利用激光刻槽時所產生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產生局部熱應力，使材料沿小槽斷開。 特點： 激光切割與其他熱切割方法相比較，總的特點是切割速度快、質量高。具體概括為如下幾個方面。 ⑴ 切割質量好 由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質量。 ① 激光切割切口細窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達0.05mm。 ② 切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無需機械加工，零部件可直接使用。 ③ 材料經(jīng)過激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高，切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現(xiàn)較為規(guī)則的長方形。切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。 ⑵ 切割效率高由于激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多臺數(shù)控工作臺，整個切割過程可以全部實現(xiàn)數(shù)控。操作時，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現(xiàn)三維切割。 ⑶ 切割速度快 用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定，既可節(jié)省工裝夾具，又節(jié)省了上、下料的輔助時間。 ⑷ 非接觸式切割 激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。 ⑸ 切割材料的種類多 與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應性。 根據(jù)設計要求可選擇激光頭技術參數(shù) 品牌： 日亞 規(guī)格： TO-18/5.6mm 波長： 650nm 功率： 250mW 電壓： 3.3V--5V DC 電流： 小于300mA 3.1.4舵機模塊 1．結構設計 1)設計要求：舵機是雕刻機的關鍵支撐部件。它的作用是支承轉軸和同步帶輪，并使同步帶來回轉動，從而帶動激光器的運動，主要運動包括激光器的沿X軸方向的水平移動以及激光器Y軸方向的水平移動，舵機上還要安裝一些傳動、驅動機構。從機身的受力情況看，它在工作中直接靜荷。 2)結構設計：舵機的設計思想和底座大致相同，用42BYGH47帶動同步帶沿X、Y軸方向運動。三維模型如圖3-3所示： 圖3-3舵機 3.1.5 雕刻機總體結構 激光雕刻機的主要零部件包括：底座、舵機、支架和帶輪等。每個運動部件由一個小的機械系統(tǒng)組成，主要有同步齒形帶、軸承、鍵、步進電機等裝置，另外還有一些附屬裝置，如連接架、定位板等等。主要部件三維模型如圖3-4，3-5,3-6,3-7所示：裝配圖如圖3-8所示： . 圖3-5定位板 圖3-4法蘭 圖3-7雙孔梁 圖3-6支架 圖3-8激光雕刻機裝配圖 3.2 本章小結 本章對激光雕刻機的機械結構進行了設計．對步進電機進行了選擇計算，完成了雕刻機的機械部分設計。