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1、精选优质文档-倾情为你奉上江 西 理 工 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：激光雕刻机设计及主要零件工艺设计专题题目：学 院：机电工程学院专 业：机械工程及自动化班 级：机械113班学 号：40学 生：钱伟伟指导教师： 宋小军 职称：讲师时间：2015年6月10日摘 要激光雕刻的适用对象主要是精密细小和形状复杂的零件，本文设计了一台由PLC控制的激光雕刻机床，主要完成了： （1）雕刻机的基本结构和自由度分析，机床整体结构设计，X、Y轴的结构设计计算、传动轴、直线导轨的选择及其强度分析；对雕刻机的运动速度和控制精度进行分析，激光雕刻机传动方案设计。几种雕刻机常用的传动机构比较，然后再根
2、据激光雕刻机的具体要求确定各个模块的传动方案。 （2）对常见的传动机构：齿轮传动机构、丝杠螺母传动、链传动机构，齿形带传动机构等进行比较，结合各自的优缺点确定雕刻机的传动机构，包括雕刻机激光器X方向移动方案，Y方向移动方案。 （3）步进电机的选型以及以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算。 （4）对雕刻机的一些主要零件，如垫板、光轴滑块、短轴进行工艺分析与制定，进一步熟悉其加工的具体过程。 （5）了解PLC控制系统的类型及功能，以及PLC机型的选择、对被控对象激光器的运动进行分析，明确激光器的移动要求，制定电气控制系统方案。 总结：本文设计的激光雕刻机可以对木材，纸张，钢材等
3、材料进行精密雕刻，大大缩短了雕刻时间，提高了生产效率，因而数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。关键词：PLC；激光雕刻机；结构设计；工艺设计；专心-专注-专业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
4、 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 transmissio
5、n 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 di
6、sadvantages 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 mech
7、anism 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 contro
8、lled 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 efficie
9、ncy, thus CNC laser cutting in Chinas manufacturing industry is playing a huge advantage.关键词：自动喷漆；机械手；机械结构设计；控制系统设计。Keywords:PLC;Laser engraving machine;Structural design;process design;目 录 7 8 附录49 参考文献50 致 谢53第一章 绪论1.1激光雕刻及相关技术概述1.1.1激光雕刻技术雕刻机技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术，其本质是感知、
10、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。雕刻机应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。国际标准化组织(ISO)对雕刻机的定义是这样的：“雕刻机是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。工业雕刻机是雕刻机的主要研究类型，它并不是简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上来说，雕刻机是机器进化过程的产物，是工业以及
11、非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业雕刻机由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在二维空间完成各种作业的机电一体化自动设备，适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着重要的作用。1.1.2激光雕刻机的国内外发展状况一、国内研究现状：目前，随着激光雕刻设备在应用技术、工艺上的开发推广，激光平面打标、雕刻设备的制造销售已呈现良好的上升态势。国内从事激光设备开发、制造、销售的公司，以及代理国外激光设备的公司迅速增加。竞争也日趋激烈。但是，国内
12、市场的所有激光设备都停留在激光平面雕刻阶段，尚没有一家公司或科研单位能拿出一台激光三维雕刻系统。一些精细的三维模具雕刻仍然依靠电脑机雕，或者是手雕。但是机雕和手雕都有极大的弱点和局限，制约了一些精细工艺的发展。国内已有几家激光科研机构在对激光三维精雕机进行研究。在精雕领域，国内传统机械精雕设备做得最好的是北京精雕，其在解决精细雕刻模具方面赢得了巨大的市场和成功。但由于机械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻无法实现。一部分领域，不得不借助高超的手工工艺，进行手雕或修模工作。在激光雕刻模具方面，则有桂林星辰激光，其主要是利用功率较强的激光打标机销往模具制造行业，目前销售态势良好。但由于其雕刻技术只
13、能雕刻平面文字与图案，离激光三维雕刻还有一段距离，所以目前其在该领域还不能大展身手。激光三维精雕系统（英文名字：3D laser engraving system）是激光设备家族里的又一新成员，是激光技术进步的又一重要标志，是模具制造业的利器。激光三维精雕模具是指通过高能量激光束在模具材料上或者铜电极上雕刻出您需要的二维或三维形状。同时它与目前水晶内雕机有本质的区别，水晶内雕机的三维概念是一定密度的点云造成感觉上的立体图像，而且只能应用在水晶工艺品上。而激光三维精雕机是通过精确的CAD软件技术实现的三维立体实体空间的雕刻，因而它不仅可以应用在一般产品精加工领域，还可以应用的模具制造领域。 我国
14、雕刻机市场上，有诸多的国内外品牌，经过多年的发展，形成了北京精雕、南京四开等品牌，与国外的日本牧野、森精机以及美国哈斯的竞争。这些公司无论是在设计、制造，还是其雕刻质量，都具有非常成熟的的技术，但对于中小型企业及个人来说，其产品高昂的价格在一定程度上阻碍了雕刻机技术的应用推广。这也正是目前小型雕刻机迅速在中小型企业和个人之间得以发展的原因之一。雕刻机在印刷领域的广泛应用，使得雕刻机雕刻头的研究也变得广泛起来。张策1在杭州包装工程上发表的文章中介绍了常用的电雕系统雕刻头的结构原理和特点，包括转动式和直动式电磁铁，同时概述了正在研究的压电陶瓷雕刻头。二、国外研究研究现状：国际上工业发达国家都把激光
15、加工技术作为提高生产效率和竞争能力的手段之一，将激光加工技术列为重点发展的高技术产业，希望能在光技术全盛时代的 21 世纪初期处于领先地位。2000 年，激光在工业应用方面飞速前进，激光系统设备市场销售额突破30亿美元，其中工业激光超过 10 亿美元，比上年增加 23%，激光在金属加工市场应用领域比上年增长10%2,3。目前全球有超过 4000 家的激光加工站，按其销售量分，美国、日本和欧洲约各占 1/34。 日本激光加工技术的发展特点是，建立工业界、大学和官方的联合开发体制，在一些重要领域由国家选定发展目标，集国家和私人财团的力量加速发展激光加工技术。1978 年日本通产省设立超高性能激光复
16、合生产系统研究项目，1985 年又设立了激光柔性加工系统大型研究项目。仅几年时间，日本激光加工技术就进入世界先进行列。90年代末，日本又开发出了半导体激光泵浦的大功率固体激光器及新型高性能装置。大量引进技术是日本激光产业高速发展的重要原因之一，例如日本通过巨款收购居世界第三位的美国鲁莫尼克斯公司，获得了多轴激光加工机床制造等方面的重要技术，迅速发展了本国的激光加工技术能力。 德国大量投资于商品化激光加工机的生产线。德国激光加工业成功的发展战略是，先从研究开发激光加工技术和工艺入手，而不是从开发硬件入手。德国从 70 年代就开始建立了 6 个专门的激光应用研究所，集中力量专门从事激光加工技术研究
17、开发和工业应用。目前在德国很多工科大学都开设激光加工课程并建立激光应用研究所，其主要研究内容是激光技术在各工业部门的应用，特别强调研究要面向企业与工业部门的需求。除承担国家的科研项目外，还承接航空航天、汽车、造船等工业部门提出的各种激光加工课题，通过研究成果充分显示激光加工的优越性并解决工业生产中的许多难题，不断拓展激光加工市场。例如，德国奥迪汽车的底板所需的钢板宽度超过市场供应的最大宽度，采用其它方法焊接会破坏镀锌层，导致防锈性能和冲击性能恶化，而采用激光焊接不降低钢板韧性，可在焊接后冲压成型5；德国奔驰汽车厂用激光焊接车门，与过去传统方法相比，变形明显减小、焊缝平整，节约大量的打磨和整型时
18、间，每辆汽车节约工时 70 min，成本降低 70 马克。随着激光加工技术在德国各工业部门的推广应用，一些制造大功率激光器的厂家迅速建立并逐步壮大。如德国西门子公司买下美国光谱物理公司在德国的分公司，建成洛芬辛纳公司，现在该公司已成为世界上最大的工业激光器厂商，销售额在世界激光器市场中名列第一。美国激光应用已达到很高的水平，对激光应用方面的投资也在逐年增加，19921997年预算增长幅度约为 14%，其中70%用于材料加工。美国激光加工应用最多的工业部门有：航空、航天、电子、汽车等，直接或间接从事航空航天工业的 3000 多家公司均采用了激光加工技术，美国空军材料研究所应用 6KW 二氧化碳激
19、光切割铝合金，节约加工费 6070%，美国激光加工机床产业在世界上也位居前列，美国通用汽车公司应用激光切割系统切割排气管，消除了过去采用传统方法切割，管子变形，且切口毛刺多的弊病6。国外，现在已经有设备商开发出相应的激光三维雕刻系统与应用，并已将销售触角伸入国内。有几个商家代理该类设备，但尚无样机，其售价在100万元以上。如加拿大VIRTEK公司研制的FOBA.G-SERIES，目前也主要应用在模具雕刻行业。相信三维雕刻会是激光雕刻的一个很重要的发展方向7。激光加工技术从最初的Nd:YAG激光器、2CO激光器，发展到大功率二极管模块、半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器、飞秒激光器等各种新兴技术
20、。其中，尤其以光纤激光器最为关注。传统激光行业中的大部分主要厂商都在2007年宣布进军光纤激光器市场，有的甚至推出了具体产品，这是行业内发生的一个重大事件8。 日本牧野9在FANUC数控系统的基础上进行了二次开发，控制系统增加了独特的功能，不仅缩短了工时，也保证了工件在高速加工的条件下精确的形状精度。此外，开发的高速主轴和CAD/CAM具有热变形小、振动小以及适合小刀具加工的特点。而北京的精雕10针对小刀具，同样开发了专业的高速电主轴以及精雕专用的数控系统JD45，并且，有效集成了CAD/CAM软件JDPaint，能够直接将零件表面加工成镜面级的表面质量。不仅如此，集光、机、电于一体的激光雕刻
21、机则预示着雕刻技术的当代以及未来的发展方向。激光雕刻机不仅精度高、加工效率高和切缝窄且光滑11，激光光笔更是与工件无接触、不会划伤工件表面,保证了工件的加工质量。对于雕刻机在传统的木工领域内，吴善旺12历经3年，通过不懈的努力，靠过硬的能力自主研发用于四轴木工立体雕刻机刻系统，并开发了专用的软件。更重要的是，这两大发明均申请了专利。他发明的用于雕刻人体塑像、佛像、仿古雕刻、夹具、石头等的大型旋转立体雕刻机、多头旋转雕刻机、小型1-12头旋转数控雕刻机，解决了高难度产品建模、工艺品加工行业的难题。电脑雕刻行业的发展，正是向着以市场细分为导向，规模化，系统操作人性化、简洁化发展13。1.1.3激光
22、雕刻机自动控制技术一个完善的雕刻机系统，必须由一个完善的机械系统和相应的控制系统组成。一个完善的机械系统是雕刻机完成各种任务工作的必要条件：激光器工作台能把激光器移动到工作区域中任意的预定位置，并且保持任意的预定姿态，末端控制器能完成诸如X方向、Y方向移动等操作。雕刻机控制器的功能是控制机械系统的运动和操作，以满足工作要求。在各种工作中，雕刻机的运动主要表现为末端操作器沿着预定的路径移动并保持预定的姿势，在运动中或在预定的某些位置上完成工作规定的操作。为了实现雕刻机的上述各种功能，每个雕刻机都配有相应的控制器。雕刻机控制器14由一组硬件和软件组成，相当于雕刻机的“大脑”。作为雕刻机系统不可分割
23、的一部分，雕刻机控制系统的工作原理、结构和雕刻机的功能、精度要求都有密切关系。随着计算机科学和自动化水平的不断提高，人们在各种领域内大量采用计算机控制系统。计算机控制系统的应用使得科学研究、工农业生产、工艺实践的效率大大提高，同时也大幅度提高了产品和成果的质量。可编程序控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)是应控制领域的要求而出现的，具有功能强、可靠性高、容易维护、应用灵活、体积小能耗低等优点，适用于开关量逻辑控制、运动控制、顺序控制和过程控制，可以进行数据处理15，可以组成控制网络，是具有完整控制功能和数据处理功能的工业控制计算机。1.2 PLC控制
24、技术概述PLC(可编程控制器)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置16。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展，现代可编程控制器的功能已经超过了逻辑控制的范围。现代的PLC不仅能够完全胜任对大量的开关量信号的逻辑控制功能，还具有了很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID控制等模拟量信号的处理能力。同时现代PLC的联网通信能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控制系统，实现工厂自动化管理。1.2.1 PLC系统的基本结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制
25、的控制程序，通过输入接口采集现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作。图1-1 PLC系统的基本结构PLC系统主要由中央处理单元(CPU模块)、信号输入腧出模块、电源和编程器等部分组成，如图1-1所示。1.2.2 PLC的特点、应用领域和发展趋势1PLC的特点作为一种新型的工业自动控制装置，PLC具有以下特点：(1) 高可靠性和强抗干扰能力；(2) 丰富的IO接口模块；(3)绝大多数PLC模块化结构，灵活性好；(4) 编程简单易学；(5) 系统安装简单，维修方便。2PLC的主要应用领域由于PLC自身的特点和优势，在工业控制中PLC已得到了广泛的应用，包括机械、冶金、化
26、工、电力、运输、建筑等众多领域，应用范围也在不断扩大。PLC主要应用领域包括以下几个方面：(1)逻辑控制逻辑控制是PLC最基本的应用，它可以取代传统的继电器控制装置，如机床电气控制、各种电机控制等，可实现组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控制等功能。(2)运动控制PLC使用专用的运动控制模块，可对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，实现单轴、双轴和多轴位置控制，并使运动控制和顺序控制功能有机结合在一起。(3)闭环过程控制过程控制是对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过其模拟量I/O模块，及数据处理和数据运算等功能，实现对模拟量的闭环控制。(4)数据处理现代PLC具
27、有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可以完成数据的采集、分析和处理等操作。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传送到其他智能装置，或将它们打印制表。(5)通信联网PLC的通信包括主机与远程IO之间的通信、多台PLC之间的通信17、PLC与其他智能设备(如计算机、变频器、数控装置等)之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制式的分布式控制系统。3PLC的发展趋势经过几十年的迅速发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，其足迹已遍及国民经济的各个领域，形成了能够满足各种需要的PLC应用系统。随着市场需求的不断提高，PLC的发
28、展体现以下趋势：向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展：过程控制功能不断增强；大力开发智能型Io模块；与个人计算机日益紧密结合；编程语言趋向标准化；通信与联网能力不断增强。1.2.3 PLC初步选择本设计的制动雕刻机动作过程就是顺序运动，雕刻机运行时按照控制任务一步一步完成加载待加工图片，激光器的X向、Y向移动、雕刻等动作，所以采用PLC作为控制器非常合适。因为所学PLC型号为三菱FX2N，所以本毕业设计采用三菱FX2N系列PLC。 第二章 激光雕刻机总体设计2.1 雕刻机的任务要求和基本结构 1、首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求；2、确保实现既定工艺方法所要
29、求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率；3、确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平；4、应便于观察加工过程，便于操作、调整和维修，便于输送、装卸工件和清理，注意防护，确保安全；5、结构简单，合理可靠，便于加工和装配。2.1.1 雕刻机的任务要求和技术参数本次设计的是激光雕刻机，它能够雕刻木材板、彩色纸质卡片，切断彩色纸质卡片、泡沫论文等，实现X、Y方向上的移动；用该样机完成简单图形的雕刻工作，此激光雕刻机有较好的可靠性,安全性，合理性和经济性。根据以上对激光雕刻机的了解，通过参照实际雕刻
30、机的大体尺寸，设定该雕刻机的基本参数为：(1) 最大雕刻速度：50mm/s(2) 额定功率：200mW250mW /450500mW，(3) 物理尺寸(LWH)：620mm 620mm140mm，.(4) 工作区 (XY)：300mm350mm，(5) 分辨率：0.1mm(6) 可支持图片格式：JPG，PNG，BMP，GIF，DXF，(7) 激光类型：蓝紫光，(8) 波长：= 405nm，(9) 额定功率：200mW250mW /450500mW，各部分技术参数如表2-1所示： 表2-1 雕刻机主要技术参数2.1.2雕刻机的基本结构和自由度分析本设计的激光雕刻机的基本结构分为三个结构模块，主要
31、包括：底座、舵机、支架、激光器等部分。共有2个自X由度(2个移动自由度)，示意图如图2-1所示。Y(1)激光器的左右移动X；(2)激光器的前后移动Y； 图2-1雕刻机的自由度示意图该激光雕刻机的雕刻对象是木板，钢板等主要材料，其中2个移动自由度使雕刻机本身能够保证激光器到达加工区域任意点位置。根据零件的情况完成的雕刻要求。2.2 雕刻机驱动方案设计2.2.1 典型驱动方案比较目前常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动、电机驱动等多种方式，各种驱动方式有其自身的特点，在工业中液压和气压驱动应用很广泛，有些机床则同时采用多种驱动方式，这都视不同雕刻机的特点和要求所定。下面对这些驱动方式的特点进行比
32、较，从中选出适合激光雕刻机的驱动方式。1. 液压驱动液压驱动的特点主要包括：1) 驱动力和驱动力矩较大，移动时产生的力可达100公斤；2) 速度反应性较好。因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化，所以当不考虑油液的温度变化时，被驱动系统的滞后也几乎没有，而且液压机构的适量轻、惯性小，因此它的速度反应性较好；3 )调速范围较大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；4) 传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；5) 在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小；6) 定位精度比气动高，但比电机低；7) 液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响；8
33、) 油液中如果混入气体，将降低传动机构的刚性，影响定位精度(产生爬行)；9）油液的温度和粘度变化影响传动性能。液压驱动机械手多用于要求臂力较大而运动速度较低的工作场合。2 .气压驱动气动驱动的特点有：1) 通过调节气流，就可实现无级变速；2）由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机械手动作速度快：3) 压缩空气可从大气中吸取，故动力源获得方便、价格低廉，而且废气处理方便；4)由于压缩空气的粘度小，因此在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一；故压缩空气可以集中供应，远距离输送；5)压缩空气的压缩性较大，因此使机械手的运动平稳性较差，定位精度较低，而且压缩空气排
34、到大气中时噪声较大，另外还须考虑润滑和防锈等；6)压缩空气的工作压力较低，致使机械手结构较大。因此，气压驱动的机械手，常用于臂力小于30公斤、运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件较恶劣的场合。3. 电机驱动电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。各种电机系统的工作原理有很大的区别，性能上也存在着较大的差异。在这里，不对这些电机系统作一一介绍。只是把电机驱动与液压和气压驱动做一个比较，从中得到结论。从文献中可知，电机驱动激光雕刻机可避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动要高；电机系统
35、将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大提高；另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机18，可达到非常高的位姿准确度，这些都是电机驱动的优点。2.2.2 雕刻机驱动方案确定在该雕刻机系统中，采用比较多的是直流电动机。因为它可以达到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反两个方向连续旋转运动平滑。因此，雕刻机激光器的X、Y向的移动都采用直流电动机。由于雕刻精度要求很高，所以采用直流电机控制。2.3 激光雕刻机传动方案设计为了提高雕刻机的运动速度和控制精度，要求雕刻机的传动机构具有结构紧凑、体
36、积小、质量轻、无间隙和响应速度快的特点。传动机构的种类很多，按性能可分为固定速比式和无级变速式；按运动方式又可分为回转一回转、回转一直线、直线回转、直线一直线。下面首先介绍几种雕刻机常用的传动机构，然后再根据激光雕刻机的具体要求确定各个模块的传动方案。2.3.1 常见的传动机构1齿轮传动机构齿轮传动的优点是：瞬时传动比恒定，工作平稳性较高；传动比变化范围大，可用于增速或减速；速度范围大，节线速度可以从v1500h 即高于预期计算寿命，该深沟球轴承61800满足设计要求。2.3.6键的选择(1)键的选择键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强