【正文】 把 步進(jìn) 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?激光雕刻機(jī)激光器 的直線運(yùn)動(dòng)，只是傳動(dòng)效率相對(duì)來說有所降低。 各 部分 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 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。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。 (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。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。 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。其特點(diǎn)是：體積小，傳遞動(dòng)力較大，傳動(dòng)效率可高達(dá) 0． 95～ 0． 97；傳動(dòng)比大，從 l/7～ 7；江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 是一種無滑動(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，若無張緊裝置，不宜用于方向變換的傳動(dòng)中。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)。 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。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。 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)。 江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 表 22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。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；無過載保護(hù)功能。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。 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、無間隙和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。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)。 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)。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。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。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。 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。 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。 Y X 江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 雕刻機(jī)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 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。 (1)激光器 的左右移動(dòng) X； (2)激光器的前后移動(dòng) Y； 圖 21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)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 ： 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(lán)紫光， (8)波長： γ= 405nm， (9)額定 功率 ： 200mW~250mW /450~500mW， 各部分技術(shù)參數(shù)如表 21所示： 江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 表 21 雕刻機(jī) 主要技術(shù)參數(shù) 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。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； 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； 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； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，合理可靠，便于加工和裝配。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。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)： ① 向小型化、微型化和大型化、多功能兩個(gè)方向發(fā)展： ② 過程控制功能不斷增強(qiáng)； ③大力開發(fā)智能型 I／ o模塊； ④ 與個(gè)人計(jì)算機(jī)日益緊密結(jié)合； ⑤ 編程 語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化； ⑥ 通信與聯(lián)網(wǎng)能力不斷增強(qiáng)。 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)。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?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。 (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)行江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 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。 2． PLC 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。 圖 11 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 11所示。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。早期的可編程控制器主要用來代替繼電器實(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?？删幊绦蚩刂破?(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)。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)。 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”。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。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。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]。更重要的是，這兩大發(fā)明均申請(qǐng)了專利。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接觸、不會(huì)劃傷江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 工件表面 ,保證了工件的加工質(zhì)量。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。 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。其中，尤其以光 纖激光器最為關(guān)注。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]。有幾個(gè)商家代理該類設(shè)備，但尚無樣機(jī)，其售價(jià)在 100萬元以上。美國激光加工應(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) 60～70%，美國激光加工機(jī)床產(chǎn)業(yè)在世界上也位居前列，美國通用汽車公司應(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]。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(chǎng)中名列第一。例如，德國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。目前在德國很多工科大學(xué)都開設(shè)激光加工課程并建立激光應(yīng)用研究所，其主要研究內(nèi)容是江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 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。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(shù)和工藝入手，而不是從開發(fā)硬件入手。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(jī)床制造等方面的重要技術(shù)，迅速發(fā)展了本國的激光加工技術(shù)能力。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。 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)域由國家選定發(fā)展目標(biāo)，集國家和私人財(cái)團(tuán)的力量加速發(fā)展激光加工技術(shù)。 2021 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 10%[2,3]。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。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。 我國雕刻機(jī)市場(chǎng)上，有諸多的國內(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，與國外的日本牧野、森精機(jī)以及美國哈斯的競(jìng)爭(zhēng)。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。激光三維精雕系統(tǒng)（英文名字： 3D laser engraving 江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 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。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。但由于機(jī)械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻無法實(shí)現(xiàn)。國內(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。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。競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。 激光雕刻機(jī) 的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 一、國內(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)。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)。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和機(jī)器特長的一種擬人的電 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)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。 雕刻機(jī) 應(yīng)用水平是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。process design。Laser engraving machine。 speed engraving machine motion control accuracy and analysis, Laser engraving machine drive design. Comparison of several mon transmission engraving machine, and then determine the transmission scheme of each module according to the specific requirements of laser engraving machine. (2),The mon tra