【文章內(nèi)容簡介】 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。 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。 江西理工大學（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設計（論文） 7 第二章 激光雕刻機總體設計 雕刻機 的任務要求和基本結構 首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和 經(jīng)濟性等等各種要求； 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； 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； 應便于觀察加工過程，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，確保安全； 結構簡單，合理可靠，便于加工和裝配。 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(zhì)卡片，切斷彩色紙質(zhì)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： (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 21所示： 江西理工大學（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設計（論文） 8 表 21 雕刻機 主要技術參數(shù) 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 由度 (2個移動自由度 )， 示意圖如圖 21所示。 (1)激光器 的左右移動 X； (2)激光器的前后移動 Y； 圖 21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。 Y X 江西理工大學（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設計（論文） 9 雕刻機驅動方案設計 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(chǎn)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(diào)速范圍較大，而且可以無級調(diào)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)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)、無刷江西理工大學（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設計（論文） 10 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。 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。 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(zhì)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。 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 v，甚至更高；傳動效率高，高精度齒輪傳動效率可達到η =；結構緊湊。其缺點是：運轉中有噪聲、沖擊和振動，并產(chǎn)生動載荷；無過載保護功能。 由于傳動軸的相對位置和運動方向不同，齒輪傳動的種類很多，具體參見表 22。 江西理工大學（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設計（論文） 11 表 22齒輪傳動的分類 2．絲杠螺母傳動 絲杠螺母傳動分為靜壓式、滑動式和滾珠式等。 雕刻機 傳動用的絲杠具有結構緊湊、間隙小和傳動效率高等特點，其中最常用的是滾珠絲杠。 滾珠絲杠傳動是在絲杠螺母間放入適量的滾珠，使絲杠和螺母間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的螺旋傳動。滾珠絲杠傳動的優(yōu)點是：摩擦小、效率高、壽命長，一般情況下，其機械效率在 90％以上；由于是滾動摩擦，動、靜摩擦系數(shù)相差很小，無論是在低速還是高速時，摩擦扭矩幾乎不變，因此靈敏度高，傳動平穩(wěn)；可通過預緊完全消除間隙。其缺點是；不能自鎖，必須增設制動或自鎖裝置；結構比較復雜，成本高。 滑動絲杠傳動結構簡單，便于制造，易于自鎖，因此成本較低，但其主要缺點是摩擦阻力大，傳動效率低 (一般為 30％～ 40％ )磨損快，傳動精度低等。 靜壓絲杠螺母傳動由于絲杠螺母間有剛性的油膜，可用于傳動精度高、定位精度高以及傳動效率要求較高的 雕刻機 中。 3．鏈傳動機構 鏈傳動用于傳遞平行軸間的回轉運動，或把回 轉運動轉換成直線運動。鏈傳動的種類較多，在 雕刻機 中主要使用精密套筒滾子鏈傳動。這種傳動機構已比較完善，應用很廣泛。其特點是：體積小，傳遞動力較大，傳動效率可高達 0． 95～ 0． 97；傳動比大，從 l/7～ 7；江西理工大學（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設計（論文） 12 是一種無滑動的撓性傳動，平均傳動比不變；可實現(xiàn)軸間距大的傳動；瞬時速比波動；磨損后鏈條易伸長，若無張緊裝置，不宜用于方向變換的傳動中。 4．齒形帶傳動機構 齒形帶傳動中把帶和帶輪的接觸面都制成相應的齒形，靠齒的嚙合傳遞功率 [19]，這種傳動的特點是：傳動時無滑動，傳動比準確，傳動平穩(wěn)；速比范圍大可達 i=10；初始拉力小，軸及軸承不易過載；制造及安裝要求嚴格，成本較高。 5．其它常用傳動方式 在 雕刻機 傳動機構中，常用的還有鋼絲繩傳動機構、連桿傳動機構及流體傳動等。 (1)鋼絲繩傳動可用于遠距離動力傳遞。由于其體積小，質(zhì)量輕，在 雕刻機 中得到了廣泛的應用。 (2)連桿機構的特點是用簡單的機構可得到較大的位移，而凸輪機構具有設計靈活、可靠性高和形式多樣等特點。 (3)氣壓傳動比起其他傳動運動精度較差，但由于容易達到高速，所以多數(shù)用在完成簡易作業(yè)的搬運 雕刻機 上。 (4)流體傳動分為液壓傳動和氣壓傳動。液壓傳動由液壓泵、 液壓馬達或液壓缸組成，可得到高扭矩慣性比。 (5)鋼帶傳動適合于有限行程的傳動，其特點是傳動比精確、傳動件的質(zhì)量小、慣性小、傳動參數(shù)穩(wěn)定、柔性好、不需潤滑、強度高。 各 部分 傳動方案設計 X方向移動方案 雕刻機 的 激光器 X方向移動 運動，選用 同步齒形帶 傳動，傳動時無滑動，傳動比準確，傳動平穩(wěn)；速比范圍大可達 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 電機和 法蘭 安裝在 雙孔梁 上。 步進 電機的輸出扭矩和轉速經(jīng)過 聯(lián)軸器傳送到傳動軸上面，再通過傳動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 傳動到 激光器 上 面 ，這樣就把 步進 電機的旋轉運動轉變?yōu)?激光雕刻機激光器 的直線運動，只是傳動效率相對來說有所降低。傳動方案如圖 22所示。 江西理工大學（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設計（論文） 13 圖 22 X方向的 傳動方案 2. 雕刻機 Y 方向移動方案 雕刻機 Y方向的 水平移動，跟 雕刻機 X方向 的傳動方案一樣，通過使用 同步齒形帶 ，將步進 電機的旋轉運動轉變?yōu)?激光器 的水平移動，這里就不再贅述。 電機選擇 激光器 做水平直線運動時，首先要克服摩擦阻力和啟動過程中的慣性力，所以驅動力F 可 參照公式 ： mgF F F?? (31) 式中： mF —— 各支承處的摩擦阻力 (N )； gF —— 啟動過程中的慣性力 (N )，其大小可按公式 (3— 2)估算： gF Ma? (32) 式中： M —— 底座支撐所有部件的總質(zhì)量 (kg)； a —— 啟動過程中的平均加速度 ( 2/ms)，是速度增量與水平移動速度所用的時間的比值。 根據(jù) 激光器移動 的速度 /v m s? ，速度從靜止加速到工作速度的增量為 /ms ，江西理工大學（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設計（論文） 14 所用時間 ? ，所以 20 .0 5 0 .5 /0 .1va m st? ? ?。 已知 支撐軸質(zhì)量 1kg， 激光器 質(zhì)量 2kg， 法蘭 質(zhì)量 ， 支撐板 ，那么 總質(zhì)量就為 7kg。根據(jù)公式 (32)計算： NMF ???? NMF ????? ? 式中 ? 為摩擦系數(shù)，取 為 根據(jù)公式 (31)，驅動力 NFFF ????? 折算到 步進 電機的功率為 FVp=? 式中 ? 為傳動效率取 80％ 。 所以 底座步進 電機的功率是： WFVP ???? ? 根據(jù)計算出的功率，