激光雕刻機(jī)設(shè)計(jì)及主要零件工藝設(shè)計(jì)

.江 西 理 工 大 學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）題 目：激光雕刻機(jī)設(shè)計(jì)及主要零件工藝設(shè)計(jì)專題題目：學(xué) 院：機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化班 級(jí)：機(jī)械113班學(xué) 號(hào)：40學(xué) 生：錢偉偉指導(dǎo)教師： 宋小軍 職稱：講師時(shí)間：2015年6月10日摘 要激光雕刻的適用對(duì)象主要是精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)由PLC控制的激光雕刻機(jī)床，主要完成了： （1）雕刻機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和自由度分析，機(jī)床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，X、Y軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、傳動(dòng)軸、直線導(dǎo)軌的選擇及其強(qiáng)度分析；對(duì)雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度進(jìn)行分析，激光雕刻機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)。幾種雕刻機(jī)常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較，然后再根據(jù)激光雕刻機(jī)的具體要求確定各個(gè)模塊的傳動(dòng)方案。 （2）對(duì)常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行比較，結(jié)合各自的優(yōu)缺點(diǎn)確定雕刻機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括雕刻機(jī)激光器X方向移動(dòng)方案，Y方向移動(dòng)方案。 （3）步進(jìn)電機(jī)的選型以及以步進(jìn)電機(jī)為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)計(jì)算。 （4）對(duì)雕刻機(jī)的一些主要零件，如墊板、光軸滑塊、短軸進(jìn)行工藝分析與制定，進(jìn)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(jī)型的選擇、對(duì)被控對(duì)象激光器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，明確激光器的移動(dòng)要求，制定電氣控制系統(tǒng)方案。 總結(jié)：本文設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)可以對(duì)木材，紙張，鋼材等材料進(jìn)行精密雕刻，大大縮短了雕刻時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，因而數(shù)控激光切割在我國(guó)制造業(yè)中正發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：PLC；激光雕刻機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工藝設(shè)計(jì)；.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(guān)鍵詞：自動(dòng)噴漆；機(jī)械手；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(guān)技術(shù)概述11.1.1激光雕刻技術(shù)11.1.2激光雕刻機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.1.3激光雕刻機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)41.2 PLC控制技術(shù)概述41.2.1 PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)51.2.2 PLC的特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)51.2.3 PLC初步選擇6 第二章 激光雕刻機(jī)總體設(shè)計(jì)72.1 雕刻機(jī)的任務(wù)要求和基本結(jié)構(gòu)72.1.1 雕刻機(jī)的任務(wù)要求和技術(shù)參數(shù)72.1.2雕刻機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和自由度分析82.2 雕刻機(jī)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)92.2.1 典型驅(qū)動(dòng)方案比較92.2.2 雕刻機(jī)驅(qū)動(dòng)方案確定102.3 激光雕刻機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)102.3.1 常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)102.3.2 各部分傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)122.3.3電機(jī)選擇132.3.4軸的校核152.3.5軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)162.3.6鍵的選擇172.4 控制系統(tǒng)總體方案192.5 本章小結(jié)19 第三章 激光雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20 3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)203.1.1底座模塊203.1.2支架模塊213.1.3激光器模塊213.1.4舵機(jī)模塊233.1.5 雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)243.2 本章小結(jié)25 第四章 激光雕刻機(jī)主要零件工藝制定264.1 雕刻機(jī)墊板工藝264.2 雕刻機(jī)光滑軸塊工藝314.3 雕刻機(jī)短軸工藝394.4本章小結(jié)43 第五章 激光雕刻機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)445.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟445.2 PLC機(jī)型的選擇455.3 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)465.3.1 硬件設(shè)計(jì)總體方案465.3.2 PLC輸入輸出設(shè)備確定475.4 本章小結(jié)47 第六章 總結(jié)486.1 全文工作總結(jié)486.2 進(jìn)一步設(shè)想48 附錄49 參考文獻(xiàn)50 致 謝53.第一章 緒論1.1激光雕刻及相關(guān)技術(shù)概述1.1.1激光雕刻技術(shù)雕刻機(jī)技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)，其本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。雕刻機(jī)應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)雕刻機(jī)的定義是這樣的：“雕刻機(jī)是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)雕刻機(jī)是雕刻機(jī)的主要研究類型，它并不是簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(lái)說，雕刻機(jī)是機(jī)器進(jìn)化過程的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。工業(yè)雕刻機(jī)由機(jī)械本體、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在二維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)設(shè)備，適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著重要的作用。1.1.2激光雕刻機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r一、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：目前，隨著激光雕刻設(shè)備在應(yīng)用技術(shù)、工藝上的開發(fā)推廣，激光平面打標(biāo)、雕刻設(shè)備的制造銷售已呈現(xiàn)良好的上升態(tài)勢(shì)。國(guó)內(nèi)從事激光設(shè)備開發(fā)、制造、銷售的公司，以及代理國(guó)外激光設(shè)備的公司迅速增加。競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。但是，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的所有激光設(shè)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(tái)激光三維雕刻系統(tǒng)。一些精細(xì)的三維模具雕刻仍然依靠電腦機(jī)雕，或者是手雕。但是機(jī)雕和手雕都有極大的弱點(diǎn)和局限，制約了一些精細(xì)工藝的發(fā)展。國(guó)內(nèi)已有幾家激光科研機(jī)構(gòu)在對(duì)激光三維精雕機(jī)進(jìn)行研究。在精雕領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)械精雕設(shè)備做得最好的是北京精雕，其在解決精細(xì)雕刻模具方面贏得了巨大的市場(chǎng)和成功。但由于機(jī)械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻無(wú)法實(shí)現(xiàn)。一部分領(lǐng)域，不得不借助高超的手工工藝，進(jìn)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(qiáng)的激光打標(biāo)機(jī)銷往模具制造行業(yè)，目前銷售態(tài)勢(shì)良好。但由于其雕刻技術(shù)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(lǐng)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(shè)備家族里的又一新成員，是激光技術(shù)進(jìn)步的又一重要標(biāo)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(shí)它與目前水晶內(nèi)雕機(jī)有本質(zhì)的區(qū)別，水晶內(nèi)雕機(jī)的三維概念是一定密度的點(diǎn)云造成感覺上的立體圖像，而且只能應(yīng)用在水晶工藝品上。而激光三維精雕機(jī)是通過精確的CAD軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維立體實(shí)體空間的雕刻，因而它不僅可以應(yīng)用在一般產(chǎn)品精加工領(lǐng)域，還可以應(yīng)用的模具制造領(lǐng)域。 我國(guó)雕刻機(jī)市場(chǎng)上，有諸多的國(guó)內(nèi)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(guó)外的日本牧野、森精機(jī)以及美國(guó)哈斯的競(jìng)爭(zhēng)。這些公司無(wú)論是在設(shè)計(jì)、制造，還是其雕刻質(zhì)量，都具有非常成熟的的技術(shù)，但對(duì)于中小型企業(yè)及個(gè)人來(lái)說，其產(chǎn)品高昂的價(jià)格在一定程度上阻礙了雕刻機(jī)技術(shù)的應(yīng)用推廣。這也正是目前小型雕刻機(jī)迅速在中小型企業(yè)和個(gè)人之間得以發(fā)展的原因之一。雕刻機(jī)在印刷領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得雕刻機(jī)雕刻頭的研究也變得廣泛起來(lái)。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(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)式和直動(dòng)式電磁鐵，同時(shí)概述了正在研究的壓電陶瓷雕刻頭。二、國(guó)外研究研究現(xiàn)狀：國(guó)際上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都把激光加工技術(shù)作為提高生產(chǎn)效率和競(jìng)爭(zhēng)能力的手段之一，將激光加工技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，希望能在光技術(shù)全盛時(shí)代的 21 世紀(jì)初期處于領(lǐng)先地位。2000 年，激光在工業(yè)應(yīng)用方面飛速前進(jìn)，激光系統(tǒng)設(shè)備市場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域比上年增長(zhǎng)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(guó)、日本和歐洲約各占 1/34。 日本激光加工技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)是，建立工業(yè)界、大學(xué)和官方的聯(lián)合開發(fā)體制，在一些重要領(lǐng)域由國(guó)家選定發(fā)展目標(biāo)，集國(guó)家和私人財(cái)團(tuán)的力量加速發(fā)展激光加工技術(shù)。1978 年日本通產(chǎn)省設(shè)立超高性能激光復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)研究項(xiàng)目，1985 年又設(shè)立了激光柔性加工系統(tǒng)大型研究項(xiàng)目。僅幾年時(shí)間，日本激光加工技術(shù)就進(jìn)入世界先進(jìn)行列。90年代末，日本又開發(fā)出了半導(dǎo)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(jìn)技術(shù)是日本激光產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的重要原因之一，例如日本通過巨款收購(gòu)居世界第三位的美國(guó)魯莫尼克斯公司，獲得了多軸激光加工機(jī)床制造等方面的重要技術(shù)，迅速發(fā)展了本國(guó)的激光加工技術(shù)能力。 德國(guó)大量投資于商品化激光加工機(jī)的生產(chǎn)線。德國(guó)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(shù)和工藝入手，而不是從開發(fā)硬件入手。德國(guó)從 70 年代就開始建立了 6 個(gè)專門的激光應(yīng)用研究所，集中力量專門從事激光加工技術(shù)研究開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用。目前在德國(guó)很多工科大學(xué)都開設(shè)激光加工課程并建立激光應(yīng)用研究所，其主要研究?jī)?nèi)容是激光技術(shù)在各工業(yè)部門的應(yīng)用，特別強(qiáng)調(diào)研究要面向企業(yè)與工業(yè)部門的需求。除承擔(dān)國(guó)家的科研項(xiàng)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(chǎn)中的許多難題，不斷拓展激光加工市場(chǎng)。例如，德國(guó)奧迪汽車的底板所需的鋼板寬度超過市場(chǎng)供應(yīng)的最大寬度，采用其它方法焊接會(huì)破壞鍍鋅層，導(dǎo)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(guó)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(shí)間，每輛汽車節(jié)約工時(shí) 70 min，成本降低 70 馬克。隨著激光加工技術(shù)在德國(guó)各工業(yè)部門的推廣應(yīng)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(guó)西門子公司買下美國(guó)光譜物理公司在德國(guó)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(chǎng)中名列第一。美國(guó)激光應(yīng)用已達(dá)到很高的水平，對(duì)激光應(yīng)用方面的投資也在逐年增加，19921997年預(yù)算增長(zhǎng)幅度約為 14%，其中70%用于材料加工。美國(guó)激光加工應(yīng)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(shù)，美國(guó)空軍材料研究所應(yīng)用 6KW 二氧化碳激光切割鋁合金，節(jié)約加工費(fèi) 6070%，美國(guó)激光加工機(jī)床產(chǎn)業(yè)在世界上也位居前列，美國(guó)通用汽車公司應(yīng)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(guó)外，現(xiàn)在已經(jīng)有設(shè)備商開發(fā)出相應(yīng)的激光三維雕刻系統(tǒng)與應(yīng)用，并已將銷售觸角伸入國(guó)內(nèi)。有幾個(gè)商家代理該類設(shè)備，但尚無(wú)樣機(jī)，其售價(jià)在100萬(wàn)元以上。如加拿大VIRTEK公司研制的FOBA.G-SERIES，目前也主要應(yīng)用在模具雕刻行業(yè)。相信三維雕刻會(huì)是激光雕刻的一個(gè)很重要的發(fā)展方向7。激光加工技術(shù)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(dǎo)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(shù)。其中，尤其以光纖激光器最為關(guān)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(jìn)軍光纖激光器市場(chǎng)，有的甚至推出了具體產(chǎn)品，這是行業(yè)內(nèi)發(fā)生的一個(gè)重大事件8。 日本牧野9在FANUC數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)，控制系統(tǒng)增加了獨(dú)特的功能，不僅縮短了工時(shí)，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(dòng)小以及適合小刀具加工的特點(diǎn)。而北京的精雕10針對(duì)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(jí)的表面質(zhì)量。不僅如此，集光、機(jī)、電于一體的激光雕刻機(jī)則預(yù)示著雕刻技術(shù)的當(dāng)代以及未來(lái)的發(fā)展方向。激光雕刻機(jī)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(wú)接觸、不會(huì)劃傷工件表面,保證了工件的加工質(zhì)量。對(duì)于雕刻機(jī)在傳統(tǒng)的木工領(lǐng)域內(nèi)，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(jī)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(qǐng)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(zhuǎn)立體雕刻機(jī)、多頭旋轉(zhuǎn)雕刻機(jī)、小型1-12頭旋轉(zhuǎn)數(shù)控雕刻機(jī)，解決了高難度產(chǎn)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(chǎng)細(xì)分為導(dǎo)向，規(guī)?；?，系統(tǒng)操作人性化、簡(jiǎn)潔化發(fā)展13。1.1.3激光雕刻機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)一個(gè)完善的雕刻機(jī)系統(tǒng)，必須由一個(gè)完善的機(jī)械系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。一個(gè)完善的機(jī)械系統(tǒng)是雕刻機(jī)完成各種任務(wù)工作的必要條件：激光器工作臺(tái)能把激光器移動(dòng)到工作區(qū)域中任意的預(yù)定位置，并且保持任意的預(yù)定姿態(tài)，末端控制器能完成諸如X方向、Y方向移動(dòng)等操作。雕刻機(jī)控制器的功能是控制機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和操作，以滿足工作要求。在各種工作中，雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為末端操作器沿著預(yù)定的路徑移動(dòng)并保持預(yù)定的姿勢(shì)，在運(yùn)動(dòng)中或在預(yù)定的某些位置上完成工作規(guī)定的操作。為了實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的上述各種功能，每個(gè)雕刻機(jī)都配有相應(yīng)的控制器。雕刻機(jī)控制器14由一組硬件和軟件組成，相當(dāng)于雕刻機(jī)的“大腦”。作為雕刻機(jī)系統(tǒng)不可分割的一部分，雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)和雕刻機(jī)的功能、精度要求都有密切關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)化水平的不斷提高，人們?cè)诟鞣N領(lǐng)域內(nèi)大量采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工藝實(shí)踐的效率大大提高，同時(shí)也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。可編程序控制器(Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC)是應(yīng)控制領(lǐng)域的要求而出現(xiàn)的，具有功能強(qiáng)、可靠性高、容易維護(hù)、應(yīng)用靈活、體積小能耗低等優(yōu)點(diǎn)，適用于開關(guān)量邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、順序控制和過程控制，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理15，可以組成控制網(wǎng)絡(luò)，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(jì)算機(jī)。1.2 PLC控制技術(shù)概述PLC(可編程控制器)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置16。早期的可編程控制器主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)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?，F(xiàn)代的PLC不僅能夠完全勝任對(duì)大量的開關(guān)量信號(hào)的邏輯控制功能，還具有了很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、運(yùn)動(dòng)控制、PID控制等模擬量信號(hào)的處理能力。同時(shí)現(xiàn)代PLC的聯(lián)網(wǎng)通信能力大大增強(qiáng)，可以構(gòu)成功能完善的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化管理。1.2.1 PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)PLC是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，它按照用戶程序存儲(chǔ)器中預(yù)先編制的控制程序，通過輸入接口采集現(xiàn)場(chǎng)信息，執(zhí)行邏輯或數(shù)值運(yùn)算，進(jìn)而通過輸出接口控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。圖1-1 PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)PLC系統(tǒng)主要由中央處理單元(CPU模塊)、信號(hào)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(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)1PLC的特點(diǎn)作為一種新型的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，PLC具有以下特點(diǎn)：(1) 高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力；(2) 豐富的IO接口模塊；(3)絕大多數(shù)PLC模塊化結(jié)構(gòu)，靈活性好；(4) 編程簡(jiǎn)單易學(xué)；(5) 系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，維修方便。2PLC的主要應(yīng)用領(lǐng)域由于PLC自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)控制中PLC已得到了廣泛的應(yīng)用，包括機(jī)械、冶金、化工、電力、運(yùn)輸、建筑等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。PLC主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面：(1)邏輯控制邏輯控制是PLC最基本的應(yīng)用，它可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，如機(jī)床電氣控制、各種電機(jī)控制等，可實(shí)現(xiàn)組合邏輯控制、定時(shí)控制和順序邏輯控制等功能。(2)運(yùn)動(dòng)控制PLC使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，可對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸和多軸位置控制，并使運(yùn)動(dòng)控制和順序控制功能有機(jī)結(jié)合在一起。(3)閉環(huán)過程控制過程控制是對(duì)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(yùn)算等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)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(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值進(jìn)行比較，也可以用通信功能傳送到其他智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?5)通信聯(lián)網(wǎng)PLC的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程IO之間的通信、多臺(tái)PLC之間的通信17、PLC與其他智能設(shè)備(如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置等)之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)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)。3PLC的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展，PLC的功能越來(lái)越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，其足跡已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，形成了能夠滿足各種需要的PLC應(yīng)用系統(tǒng)。隨著市場(chǎng)需求的不斷提高，PLC的發(fā)展體現(xiàn)以下趨勢(shì)：向小型化、微型化和大型化、多功能兩個(gè)方向發(fā)展：過程控制功能不斷增強(qiáng)；大力開發(fā)智能型Io模塊；與個(gè)人計(jì)算機(jī)日益緊密結(jié)合；編程語(yǔ)言趨向標(biāo)準(zhǔn)化；通信與聯(lián)網(wǎng)能力不斷增強(qiáng)。1.2.3 PLC初步選擇本設(shè)計(jì)的制動(dòng)雕刻機(jī)動(dòng)作過程就是順序運(yùn)動(dòng)，雕刻機(jī)運(yùn)行時(shí)按照控制任務(wù)一步一步完成加載待加工圖片，激光器的X向、Y向移動(dòng)、雕刻等動(dòng)作，所以采用PLC作為控制器非常合適。因?yàn)樗鶎W(xué)PLC型號(hào)為三菱FX2N，所以本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用三菱FX2N系列PLC。 第二章 激光雕刻機(jī)總體設(shè)計(jì)2.1 雕刻機(jī)的任務(wù)要求和基本結(jié)構(gòu) 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。2.1.1 雕刻機(jī)的任務(wù)要求和技術(shù)參數(shù)本次設(shè)計(jì)的是激光雕刻機(jī)，它能夠雕刻木材板、彩色紙質(zhì)卡片，切斷彩色紙質(zhì)卡片、泡沫論文等，實(shí)現(xiàn)X、Y方向上的移動(dòng)；用該樣機(jī)完成簡(jiǎn)單圖形的雕刻工作，此激光雕刻機(jī)有較好的可靠性,安全性，合理性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)以上對(duì)激光雕刻機(jī)的了解，通過參照實(shí)際雕刻機(jī)的大體尺寸，設(shè)定該雕刻機(jī)的基本參數(shù)為：(1) 最大雕刻速度：50mm/s(2) 額定功率：200mW250mW /450500mW，(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(lán)紫光，(8) 波長(zhǎng)：= 405nm，(9) 額定功率：200mW250mW /450500mW，各部分技術(shù)參數(shù)如表2-1所示： 表2-1 雕刻機(jī)主要技術(shù)參數(shù)2.1.2雕刻機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和自由度分析本設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)的基本結(jié)構(gòu)分為三個(gè)結(jié)構(gòu)模塊，主要包括：底座、舵機(jī)、支架、激光器等部分。共有2個(gè)自X由度(2個(gè)移動(dòng)自由度)，示意圖如圖2-1所示。Y(1)激光器的左右移動(dòng)X；(2)激光器的前后移動(dòng)Y； 圖2-1雕刻機(jī)的自由度示意圖該激光雕刻機(jī)的雕刻對(duì)象是木板，鋼板等主要材料，其中2個(gè)移動(dòng)自由度使雕刻機(jī)本身能夠保證激光器到達(dá)加工區(qū)域任意點(diǎn)位置。根據(jù)零件的情況完成的雕刻要求。2.2 雕刻機(jī)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)2.2.1 典型驅(qū)動(dòng)方案比較目前常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式，各種驅(qū)動(dòng)方式有其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)中液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用很廣泛，有些機(jī)床則同時(shí)采用多種驅(qū)動(dòng)方式，這都視不同雕刻機(jī)的特點(diǎn)和要求所定。下面對(duì)這些驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)進(jìn)行比較，從中選出適合激光雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。1. 液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)主要包括：1) 驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩較大，移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力可達(dá)100公斤；2) 速度反應(yīng)性較好。因?yàn)楸或?qū)動(dòng)件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當(dāng)不考慮油液的溫度變化時(shí)，被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機(jī)構(gòu)的適量輕、慣性小，因此它的速度反應(yīng)性較好；3 )調(diào)速范圍較大，而且可以無(wú)級(jí)調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求；4) 傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向；5) 在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力的條件下，液壓驅(qū)動(dòng)比其他驅(qū)動(dòng)方式體積小、重量輕、慣性?。?) 定位精度比氣動(dòng)高，但比電機(jī)低；7) 液壓系統(tǒng)的泄漏對(duì)機(jī)構(gòu)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(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度(產(chǎn)生爬行)；9）油液的溫度和粘度變化影響傳動(dòng)性能。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手多用于要求臂力較大而運(yùn)動(dòng)速度較低的工作場(chǎng)合。2 .氣壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有：1) 通過調(diào)節(jié)氣流，就可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速；2）由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手動(dòng)作速度快：3) 壓縮空氣可從大氣中吸取，故動(dòng)力源獲得方便、價(jià)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(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送；5)壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，定位精度較低，而且壓縮空氣排到大氣中時(shí)噪聲較大，另外還須考慮潤(rùn)滑和防銹等；6)壓縮空氣的工作壓力較低，致使機(jī)械手結(jié)構(gòu)較大。因此，氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，常用于臂力小于30公斤、運(yùn)動(dòng)速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場(chǎng)合。3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按電機(jī)的功能可分為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和多態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。各種電機(jī)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(duì)這些電機(jī)系統(tǒng)作一一介紹。只是把電機(jī)驅(qū)動(dòng)與液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)做一個(gè)比較，從中得到結(jié)論。從文獻(xiàn)中可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光雕刻機(jī)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(qū)動(dòng)要高；電機(jī)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)、測(cè)速機(jī)、編碼器、減速器及制動(dòng)器組裝在一次加工的殼體中，使得整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大提高；另外，電動(dòng)機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)18，可達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度，這些都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。2.2.2 雕刻機(jī)驅(qū)動(dòng)方案確定在該雕刻機(jī)系統(tǒng)中，采用比較多的是直流電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗梢赃_(dá)到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反兩個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平滑。因此，雕刻機(jī)激光器的X、Y向的移動(dòng)都采用直流電動(dòng)機(jī)。由于雕刻精度要求很高，所以采用直流電機(jī)控制。2.3 激光雕刻機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)為了提高雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，要求雕刻機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)間隙和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類很多，按性能可分為固定速比式和無(wú)級(jí)變速式；按運(yùn)動(dòng)方式又可分為回轉(zhuǎn)一回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)一直線、直線回轉(zhuǎn)、直線一直線。下面首先介紹幾種雕刻機(jī)常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后再根據(jù)激光雕刻機(jī)的具體要求確定各個(gè)模塊的傳動(dòng)方案。2.3.1 常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，工作平穩(wěn)性較高；傳動(dòng)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v<O.1m/s到200m/s，甚至更高；傳動(dòng)效率高，高精度齒輪傳動(dòng)效率可達(dá)到=0.99；結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點(diǎn)是：運(yùn)轉(zhuǎn)中有噪聲、沖擊和振動(dòng)，并產(chǎn)生動(dòng)載荷；無(wú)過載保護(hù)功能。由于傳動(dòng)軸的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)方向不同，齒輪傳動(dòng)的種類很多，具體參見表2-2。表2-2齒輪傳動(dòng)的分類2絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)分為靜壓式、滑動(dòng)式和滾珠式等。雕刻機(jī)傳動(dòng)用的絲杠具有結(jié)構(gòu)緊湊、間隙小和傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，其中最常用的是滾珠絲杠。滾珠絲杠傳動(dòng)是在絲杠螺母間放入適量的滾珠，使絲杠和螺母間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的螺旋傳動(dòng)。滾珠絲杠傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：摩擦小、效率高、壽命長(zhǎng)，一般情況下，其機(jī)械效率在90以上；由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差很小，無(wú)論是在低速還是高速時(shí)，摩擦扭矩幾乎不變，因此靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)；可通過預(yù)緊完全消除間隙。其缺點(diǎn)是；不能自鎖，必須增設(shè)制動(dòng)或自鎖裝置；結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高?；瑒?dòng)絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，易于自鎖，因此成本較低，但其主要缺點(diǎn)是摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低(一般為3040)磨損快，傳動(dòng)精度低等。靜壓絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)由于絲杠螺母間有剛性的油膜，可用于傳動(dòng)精度高、定位精度高以及傳動(dòng)效率要求較高的雕刻機(jī)中。3鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)用于傳遞平行軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。鏈傳動(dòng)的種類較多，在雕刻機(jī)中主要使用精密套筒滾子鏈傳動(dòng)。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已比較完善，應(yīng)用很廣泛。其特點(diǎn)是：體積小，傳遞動(dòng)力較大，傳動(dòng)效率可高達(dá)095097；傳動(dòng)比大，從l/77；是一種無(wú)滑動(dòng)的撓性傳動(dòng)，平均傳動(dòng)比不變；可實(shí)現(xiàn)軸間距大的傳動(dòng)；瞬時(shí)速比波動(dòng)；磨損后鏈條易伸長(zhǎng)，若無(wú)張緊裝置，不宜用于方向變換的傳動(dòng)中。4齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒形帶傳動(dòng)中把帶和帶輪的接觸面都制成相應(yīng)的齒形，靠齒的嚙合傳遞功率19，這種傳動(dòng)的特點(diǎn)是：傳動(dòng)時(shí)無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)平穩(wěn)；速比范圍大可達(dá)i=10；初始拉力小，軸及軸承不易過載；制造及安裝要求嚴(yán)格，成本較高。5其它常用傳動(dòng)方式在雕刻機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，常用的還有鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及流體傳動(dòng)等。(1)鋼絲繩傳動(dòng)可用于遠(yuǎn)距離動(dòng)力傳遞。由于其體積小，質(zhì)量輕，在雕刻機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。(2)連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)可得到較大的位移，而凸輪機(jī)構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活、可靠性高和形式多樣等特點(diǎn)。(3)氣壓傳動(dòng)比起其他傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度較差，但由于容易達(dá)到高速，所以多數(shù)用在完成簡(jiǎn)易作業(yè)的搬運(yùn)雕刻機(jī)上。(4)流體傳動(dòng)分為液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)由液壓泵、液壓馬達(dá)或液壓缸組成，可得到高扭矩慣性比。(5)鋼帶傳動(dòng)適合于有限行程的傳動(dòng)，其特點(diǎn)是傳動(dòng)比精確、傳動(dòng)件的質(zhì)量小、慣性小、傳動(dòng)參數(shù)穩(wěn)定、柔性好、不需潤(rùn)滑、強(qiáng)度高。2.3.2 各部分傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)1.雕刻機(jī)X方向移動(dòng)方案雕刻機(jī)的激光器X方向移動(dòng)運(yùn)動(dòng)，選用同步齒形帶傳動(dòng)，傳動(dòng)時(shí)無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)平穩(wěn)；速比范圍大可達(dá)i=10；初始拉力小，軸及軸承不易過載。 考慮到安裝位置的要求，將步進(jìn)電機(jī)和法蘭安裝在雙孔梁上。步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速經(jīng)過聯(lián)軸器傳送到傳動(dòng)軸上面，再通過傳動(dòng)軸上面的同步帶帶輪，再經(jīng)過同步帶傳送到雙孔梁上面，最后再經(jīng)過雙孔梁傳動(dòng)到激光器上面，這樣就把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾窨虣C(jī)激光器的直線運(yùn)動(dòng)，只是傳動(dòng)效率相對(duì)來(lái)說有所降低。傳動(dòng)方案如圖2-2所示。圖2-2 X方向的傳動(dòng)方案2. 雕刻機(jī)Y方向移動(dòng)方案雕刻機(jī)Y方向的水平移動(dòng)，跟雕刻機(jī)X方向的傳動(dòng)方案一樣，通過使用同步齒形帶，將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す馄鞯乃揭苿?dòng)，這里就不再贅述。2.3.3電機(jī)選擇1.底座電機(jī)選擇激光器做水平直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力和啟動(dòng)過程中的慣性力，所以驅(qū)動(dòng)力F可參照公式： (3-1)式中：各支承處的摩擦阻力()；啟動(dòng)過程中的慣性力()，其大小可按公式(32)估算： (3-2)式中：底座支撐所有部件的總質(zhì)量(kg)；啟動(dòng)過程中的平均加速度()，是速度增量與水平移動(dòng)速度所用的時(shí)間的比值。根據(jù)激光器移動(dòng)的速度，速度從靜止加速到工作速度的增量為，所用時(shí)間，所以。已知支撐軸質(zhì)量1kg，激光器質(zhì)量2kg，法蘭質(zhì)量0.5kg，支撐板0.5kg，那么總質(zhì)量就為7kg。根據(jù)公式(3-2)計(jì)算： 式中為摩擦系數(shù)，取為0.1根據(jù)公式(3-1)，驅(qū)動(dòng)力折算到步進(jìn)電機(jī)的功率為式中為傳動(dòng)效率取80。所以底座步進(jìn)電機(jī)的功率是：根據(jù)計(jì)算出的功率，步進(jìn)電機(jī)選用42BYGH47型電機(jī),該電機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓12V扭矩4.4KG 減速比51電流1.68A 引線4線軸徑8MM 機(jī)身長(zhǎng)度47MM減速箱機(jī)身長(zhǎng)度L1:43MM2立式電機(jī)的選擇 電機(jī)也主要是按照功率選擇。激光器做移動(dòng)時(shí)，除了要克服摩擦阻力和啟動(dòng)過程中的慣性力外，還有克服安裝在法蘭上的其他部件的重力。激光器做水平直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力和啟動(dòng)過程中的慣性力，所以驅(qū)動(dòng)力F可參照公式： (3-5)式中：各支承處的摩擦阻力()；啟動(dòng)過程中的慣性力()，其大小可按公式(32)估算： (3-6)式中：底座支撐所有部件的總質(zhì)量(kg)；啟動(dòng)過程中的平均加速度()，是速度增量與水平移動(dòng)速度所用的時(shí)間的比值。根據(jù)激光器移動(dòng)的速度，速度從靜止加速到工作速度的增量為，所用時(shí)間，所以口。已知支撐軸質(zhì)量1kg，激光器質(zhì)量2kg，法蘭質(zhì)量0.5kg，支撐板0.5kg，那么總質(zhì)量就為7kg。根據(jù)公式(3-2)計(jì)算： 式中為摩擦系數(shù)，取為0.1根據(jù)公式(3-1)，驅(qū)動(dòng)力折算到步進(jìn)電機(jī)的功率為式中為傳動(dòng)效率取80。所以底座步進(jìn)電機(jī)的功率是：根據(jù)計(jì)算出的功率，步進(jìn)電機(jī)選用42BYGH47型電機(jī),該電機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓12V扭矩4.4KG 減速比51電流1.68A 引線4線軸徑8MM 機(jī)身長(zhǎng)度47MM減速箱機(jī)身長(zhǎng)度L1:43MM2.3.4軸的校核 查機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)知，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （3-3）扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；T 軸所受的扭轉(zhuǎn)，；軸的抗扭截面系數(shù)，；n 軸的轉(zhuǎn)速，r/min；P 軸傳遞的功率，kW；d 計(jì)算截面處軸的直徑，mm； 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，見表2-3。表2-3 軸常用幾種材料的及值軸的材料Q235-A、20Q275、35（1）45、/15 2520 3525 4535 55149 126135 112126 103112 97由上式可得軸的直徑 （3-4）式中，查表3-1.對(duì)于實(shí)心軸，則然后，本設(shè)計(jì)中取材料45#，則查表3-1取，P=0.75kw，n=1500r/min則有=9.06mm，而本設(shè)計(jì)中d=10mm，故滿足校核要求。2.3.5軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)分析，軸上部分承受一定的徑向載荷，以選深溝球軸承安裝較為合理。因此，查機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)表4.2-57，初步選定深溝球軸承61800，預(yù)期計(jì)算壽命Lh=1500h。1、選擇深溝球軸承計(jì)算軸頸上的徑向載荷查表4.2-57可知： d D B Cr C061800 10 19 5 1800 930查表4，軸承的負(fù)荷系數(shù)=1.2，軸承的轉(zhuǎn)速n=100r/min,=1500h,=3,計(jì)算：=2000h>1500h 即高于預(yù)期計(jì)算壽命，該深溝球軸承61800滿足設(shè)計(jì)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(gè)方面。鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件來(lái)選擇；鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來(lái)取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸（一般以鍵寬表示）與長(zhǎng)度L。鍵的截面尺寸按軸的直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選定。鍵的長(zhǎng)度L一般可按輪轂的長(zhǎng)度而定，即鍵長(zhǎng)等于或略短于輪轂的長(zhǎng)度；而導(dǎo)向平鍵則按輪轂的長(zhǎng)度及其滑動(dòng)距離而定。一般輪轂的長(zhǎng)度可取為，這里d為軸的直徑。所選的鍵長(zhǎng)亦符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)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(zhǎng)度系列L(2)鍵連接強(qiáng)度計(jì)算本設(shè)計(jì)中采用的是平鍵連接，主要起傳遞傳遞轉(zhuǎn)矩作用。查機(jī)械設(shè)計(jì)知，平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，連接中各零件的情況如右圖。對(duì)于采用常見的材料組合和按標(biāo)準(zhǔn)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(yán)重過載，一般不會(huì)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(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為 3-5式中：T-傳遞的轉(zhuǎn)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(zhǎng)度，圓頭平鍵l=L-b,平頭平鍵l=L，這里L(fēng)為鍵的公稱長(zhǎng)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(yīng)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(yīng)力、許用壓力許用擠壓應(yīng)力、許用壓力連接工作方式鍵或轂、軸的材料載荷性質(zhì)靜載荷輕微沖擊沖擊靜聯(lián)接鋼鑄鐵P動(dòng)連接鋼504030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(zhǎng)度系列，取鍵長(zhǎng)L=14mm（比輪轂寬度小些）。鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查表3-3查得許用擠壓應(yīng)力=，取其平均值，=110MPa。鍵的工作長(zhǎng)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(qiáng)度滿足要求。鍵的標(biāo)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(jī)實(shí)現(xiàn)激光器的X方向的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)和激光器Y方向的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本課題從系統(tǒng)總體的角度而言，它應(yīng)該包括硬件和軟件兩大部分?？刂葡到y(tǒng)的總體方案如圖2-3所示。圖2-3 雕刻機(jī)控制總體方案2.5 本章小結(jié)本章根據(jù)激光雕刻機(jī)的任務(wù)要求，從雕刻機(jī)本體結(jié)構(gòu)和控制方法對(duì)比分析入手，初步擬定了雕刻機(jī)的技術(shù)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)形式、驅(qū)動(dòng)方案、傳動(dòng)方案、控制系統(tǒng)方案等。第三章 激光雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1底座模塊1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)要求：底座是直接連接、支承其它機(jī)構(gòu)部件。一般情況下，實(shí)現(xiàn)激光器沿X軸方向水平移動(dòng)、沿Y軸方向水平移動(dòng)等的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在底座上。激光器的運(yùn)動(dòng)愈多，底座的結(jié)構(gòu)和受力愈復(fù)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(jī)構(gòu)，可沿地面或架空軌道運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中機(jī)身采用固定式的。(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)中，底座固定不動(dòng)，激光器可沿X軸方向水平移動(dòng)，其動(dòng)力靠步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步齒形帶提供，同步齒形帶以傳動(dòng)時(shí)無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)的靈活性和定位的準(zhǔn)確性。底座的上面安裝的是舵機(jī)支架，其主要任務(wù)是支撐傳動(dòng)軸和同步帶輪實(shí)現(xiàn)激光器的水平移動(dòng)(沿X軸方向移動(dòng))。激光器水平移動(dòng)的快慢和正反向控制，可由控制器調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照第2章總體設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)方案，激光器水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)套筒式聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸相連接，采用同步齒形帶傳動(dòng)。設(shè)計(jì)中將齒形帶直接安裝在雙孔梁上面，如圖3-1所示，不僅結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)要求：多用途支架同樣是雕刻機(jī)的關(guān)鍵支撐部件。它的作用是支承傳動(dòng)軸和同步帶輪，并使同步帶來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)激光器的運(yùn)動(dòng)，主要運(yùn)動(dòng)包括激光器的沿X軸方向的水平移動(dòng)以及激光器Y軸方向的水平移動(dòng)，支架上還要安裝一些傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。從機(jī)身的受力情況看，它在工作中直接靜荷。2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：支架的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)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(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的沸點(diǎn)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(qiáng)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(yù)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(yīng)，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(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(huì)沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關(guān)激光器和CO2激光器。控制斷裂是利用激光刻槽時(shí)所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，使材料沿小槽斷開。特點(diǎn)：激光切割與其他熱切割方法相比較，總的特點(diǎn)是切割速度快、質(zhì)量高。具體概括為如下幾個(gè)方面。 切割質(zhì)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(zhì)量。 激光切割切口細(xì)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(dá)0.05mm。 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(wú)需機(jī)械加工，零部件可直接使用。 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(zhǎng)方形。切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。 切割效率高由于激光的傳輸特性，激光切割機(jī)上一般配有多臺(tái)數(shù)控工作臺(tái)，整個(gè)切割過程可以全部實(shí)現(xiàn)數(shù)控。操作時(shí)，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(jìn)行二維切割，又可實(shí)現(xiàn)三維切割。 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(dá)600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達(dá)1200cm/min。材料在激光切割時(shí)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(shí)間。 非接觸式切割激光切割時(shí)割炬與工件無(wú)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(dòng)小，無(wú)污染。 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(fù)合材料、皮革、木材及纖維等。但是對(duì)于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對(duì)激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應(yīng)性。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選擇激光頭技術(shù)參數(shù) 品牌： 日亞 規(guī)格： TO-18/5.6mm波長(zhǎng)： 650nm功率： 250mW電壓： 3.3V-5V DC電流： 小于300mA3.1.4舵機(jī)模塊1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1)設(shè)計(jì)要求：舵機(jī)是雕刻機(jī)的關(guān)鍵支撐部件。它的作用是支承轉(zhuǎn)軸和同步帶輪，并使同步帶來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)激光器的運(yùn)動(dòng)，主要運(yùn)動(dòng)包括激光器的沿X軸方向的水平移動(dòng)以及激光器Y軸方向的水平移動(dòng)，舵機(jī)上還要安裝一些傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。從機(jī)身的受力情況看，它在工作中直接靜荷。2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：舵機(jī)的設(shè)計(jì)思想和底座大致相同，用42BYGH47帶動(dòng)同步帶沿X、Y軸方向運(yùn)動(dòng)。三維模型如圖3-3所示：圖3-3舵機(jī)3.1.5 雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)激光雕刻機(jī)的主要零部件包括：底座、舵機(jī)、支架和帶輪等。每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件由一個(gè)小的機(jī)械系統(tǒng)組成，主要有同步齒形帶、軸承、鍵、步進(jìn)電機(jī)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(jī)裝配圖3.2 本章小結(jié)本章對(duì)激光雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了選擇計(jì)算，完成了雕刻機(jī)的機(jī)械部分設(shè)計(jì)。