【正文】 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)。設(shè)計(jì)中將齒形帶直接安裝在雙孔梁上面，如圖31所示，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且具有互換性。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)。(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(guò)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。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。圖23 雕刻機(jī)控制總體方案 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。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。鍵的標(biāo)記為：鍵 GB/T 10962003。鍵的工作長(zhǎng)度L=14鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。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）。表25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504030①根據(jù)d=10mm從表24中查得鍵的截面尺寸為寬度b=4mm。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。對(duì)于采用常見(jiàn)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。表24 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。一般輪轂的長(zhǎng)度可取為，這里d為軸的直徑。鍵的截面尺寸按軸的直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選定。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。選擇深溝球軸承計(jì)算軸頸上的徑向載荷： d D B Cr C061800 10 19 5 1800 930查表4，軸承的負(fù)荷系數(shù)=，軸承的轉(zhuǎn)速n=100r/min,[]=1500h,ε=3,計(jì)算：=2000h1500h 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。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。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 減速比51 引線4線軸徑8MM 機(jī)身長(zhǎng)度47MM減速箱機(jī)身長(zhǎng)度L1:43MM 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 （33）—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(jiàn)表23。已知支撐軸質(zhì)量1kg，激光器質(zhì)量2kg，那么總質(zhì)量就為7kg。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(guò)程中的慣性力，所以驅(qū)動(dòng)力F可參照公式： (35)式中：——各支承處的摩擦阻力()；——啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力()，其大小可按公式(3—2)估算： (36)式中：——底座支撐所有部件的總質(zhì)量(kg)；——啟動(dòng)過(guò)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。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 減速比51 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。已知支撐軸質(zhì)量1kg，激光器質(zhì)量2kg，那么總質(zhì)量就為7kg。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(guò)程中的慣性力，所以驅(qū)動(dòng)力F可參照公式： (31)式中：——各支承處的摩擦阻力()；——啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力()，其大小可按公式(3—2)估算： (32)式中：——底座支撐所有部件的總質(zhì)量(kg)；——啟動(dòng)過(guò)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。傳動(dòng)方案如圖22所示。 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。(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。(4)流體傳動(dòng)分為液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。(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)。(1)鋼絲繩傳動(dòng)可用于遠(yuǎn)距離動(dòng)力傳遞。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(guò)載；制造及安裝要求嚴(yán)格，成本較高。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已比較完善，應(yīng)用很廣泛。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)。滑動(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30％～40％)磨損快，傳動(dòng)精度低等。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(guò)預(yù)緊完全消除間隙。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。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(jiàn)表22。 常見(jiàn)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，甚至更高；傳動(dòng)效率高，高精度齒輪傳動(dòng)效率可達(dá)到η=；結(jié)構(gòu)緊湊。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。由于雕刻精度要求很高，所以采用直流電機(jī)控制。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。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)。在這里，不對(duì)這些電機(jī)系統(tǒng)作一一介紹。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。2 .氣壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有：1) 通過(guò)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?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(méi)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、慣性小；6) 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。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。根據(jù)零件的情況完成的雕刻要求。共有2個(gè)自X由度(2個(gè)移動(dòng)自由度)，示意圖如圖21所示。 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。 第二章 激光雕刻機(jī)總體設(shè)計(jì) 雕刻機(jī)的任務(wù)要求和基本結(jié)構(gòu) 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；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)。 PLC初步選擇本設(shè)計(jì)的制動(dòng)雕刻機(jī)動(dòng)作過(guò)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。3．PLC的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過(guò)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)。(5)通信聯(lián)網(wǎng)PLC的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程I／O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。(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。(3)閉環(huán)過(guò)程控制過(guò)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。 PLC的特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)1．PLC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I／O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。 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(guò)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(guò)輸出接口控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作?，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。 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]。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。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。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。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。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112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。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(guò)不懈的努力，靠過(guò)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。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。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)。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]。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)。目前也主要應(yīng)用在模具雕刻行業(yè)。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)。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，1992～1997年預(yù)算增長(zhǎng)幅度約為 14%，其中70%用于材料加工。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。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(guò)研究成果充分顯示激光加工的優(yōu)越性并