【正文】 停留在激光平面雕刻階段，尚沒(méi)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)。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。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。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。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。激光三維精雕模具是指通過(guò)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。而激光三維精雕機(jī)是通過(guò)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。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(shuō)，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。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)。 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。目前全球有超過(guò) 4000 家的激光加工站，按其銷(xiāo)售量分，美國(guó)、日本和歐洲約各占 1/3[4]。 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。 90年代末，日本又開(kāi)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。 德國(guó)大量投 資于商品化激光加工機(jī)的生產(chǎn)線(xiàn)。德國(guó)從 70 年代就開(kāi)始建立了 6 個(gè)專(zhuān)門(mén)的激光應(yīng)用研究所，集中力量專(zhuān)門(mén)從事激光加工技術(shù)研究開(kāi)發(fā)和工業(yè)應(yīng)用。除承擔(dān)國(guó)家的科研項(xiàng)目外，還承接航空航天、汽車(chē)、造船等工業(yè)部門(mén)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)。隨著激光加工技術(shù)在德國(guó)各工業(yè)部門(mén)的推廣應(yīng)用，一些制造大功率激光器的廠(chǎng)家迅速建立并逐步壯大。 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。 國(guó)外，現(xiàn)在已經(jīng)有設(shè)備商開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的激光三維雕刻系統(tǒng)與應(yīng)用，并已將銷(xiāo)售觸角伸入國(guó)內(nèi)。如加拿大 VIRTEK公司研制的 ，目前也主要應(yīng)用在模具雕刻行業(yè)。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)。傳統(tǒng)激光行業(yè)中的大部分主要廠(chǎng)商都在 2021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]。此外，開(kāi)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)。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。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(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的軟件。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。 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。 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(mǎn)足 工作 要求。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。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。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。 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]?，F(xiàn)代的 PLC不僅能夠完全勝任對(duì)大量的開(kāi)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 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(hù)程序存儲(chǔ)器中預(yù)先江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 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。 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。 (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。 (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。 (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。 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(mǎn)足 各種需要的 PLC應(yīng)用系統(tǒng)。 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。 江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 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(mǎn)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)。 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。共有 2個(gè)自 由度 (2個(gè)移動(dòng)自由度 )， 示意圖如圖 21所示。根據(jù) 零件的 情況 完成 的 雕刻 要求。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。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?。? 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。 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。 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)刷江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、開(kāi)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。在這里，不對(duì)這些電機(jī)系統(tǒng)作一一介紹。 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)。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。由于 雕刻 精度要求很高 ，所以采用直流電機(jī)控制。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類(lèi)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(xiàn)、直線(xiàn) —— 回轉(zhuǎn)、直線(xiàn) —一直線(xiàn)。 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(xiàn)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。 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(lèi)很多，具體參見(jiàn)表 22。 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)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。 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。 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(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已比較完善，應(yīng)用很廣泛。 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。 (1)鋼絲繩傳動(dòng)可用于遠(yuǎn)距離動(dòng)力傳遞。 (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)。 (4)流體傳動(dòng)分為液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。 (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。 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。傳動(dòng)方案如圖 22所示。 電機(jī)選擇 激光器 做水平直線(xiàn)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 ： mgF F F?? (31) 式中： mF —— 各支承處的摩擦阻力 (N )； gF —— 啟動(dòng)過(guò)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(dòng)過(guò)程中的平均加速度 ( 2/ms)，是速度增量與水平移動(dòng)速度所用的時(shí)間的比值。 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。 所以 底座步進(jìn) 電機(jī)的功率是： WFVP ???? ? 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 減速比 51 電流 引線(xiàn) 4 線(xiàn) 軸徑 8MM 機(jī)身長(zhǎng)度 47MM 減速箱機(jī)身長(zhǎng)度 L1:43MM 2． 立式 電機(jī)的選擇 電機(jī)也主要是按照功率選擇。 激光器 做水平直線(xiàn)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 ： mgF F F?? (35) 式中： mF —— 各支承處的摩擦阻力 (N )； gF —— 啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力 (N )，其大小可按公式 (3— 2)估算： gF Ma? (36) 式中： M —— 底座支撐所有部 件的總質(zhì)量 (kg)； a —— 啟動(dòng)過(guò)程中的平均加速度 ( 2/ms)，是速度增量與水平移動(dòng)速度所用的時(shí)間的江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 比值。 已知 支撐軸質(zhì)量 1kg， 激