激光雕刻机设计及主要零件工艺设计

江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）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 日江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）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；江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）ABSTRACTSuitable 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 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 transmission 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 disadvantages 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 mechanism 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 controlled 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 efficiency, thus CNC laser cutting in Chinas manufacturing industry is playing a huge advantage.Keywords:PLC;Laser engraving machine;Structural design;process design;江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪论 .11.1 激光雕刻及相关技术概述 .11.1.1 激光雕刻技术 .11.1.2 激光雕刻机的国内外发展状况 .11.1.3 激光雕刻机自动控制技术 .41.2 PLC 控制技术概述 .41.2.1 PLC 系统的基本结构 .51.2.2 PLC 的特点、应用领域和发展趋势 .51.2.3 PLC 初步选择 .6第二章 激光雕刻机总体设计 .72.1 雕刻机的任务要求和基本结构 .72.1.1 雕刻机的任务要求和技术参数 .72.1.2 雕刻机的基本结构和自由度分析 .82.2 雕刻机驱动方案设计 .92.2.1 典型驱动方案比较 .92.2.2 雕刻机驱动方案确定 .102.3 激光雕刻机传动方案设计 .102.3.1 常见的传动机构 .102.3.2 各部分传动方案设计 .122.3.3 电机选择 .13江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）2.3.4 轴的校核 .152.3.5 轴承的结构设计 .162.3.6 键的选择 .172.4 控制系统总体方案 .192.5 本章小结 .19第三章 激光雕刻机机械结构设计 .203.1 机械结构设计 .203.1.1 底座模块 .203.1.2 支架模块 .213.1.3 激光器模块 .213.1.4 舵机模块 .233.1.5 雕刻机总体结构 .243.2 本章小结 .25第四章 激光雕刻机主要零件工艺制定 .264.1 雕刻机垫板工艺 .264.2 雕刻机光滑轴块工艺 .314.3 雕刻机短轴工艺 .394.4 本章小结 .43第五章 激光雕刻机 PLC 控制系统设计 .445.1 PLC 控制系统设计步骤 .445.2 PLC 机型的选择 .455.3 PLC 控制系统硬件设计 .46江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）5.3.1 硬件设计总体方案 .465.3.2 PLC 输入输出设备确定 .475.4 本章小结 .47第六章 总结 .486.1 全文工作总结 .486.2 进一步设想 .48附录 .49参考文献 .50致 谢 .53江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）1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、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。激光三维精雕系统江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）2（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 1/3 4。 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开发和工业江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）3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。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，江西理工大学（2015 届）本科生毕业设计（论文）4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