激光雕刻机结构设计说明书

毕 业 设 计 (论 文 )激光雕刻机结构设计A STRUCTURAL DESIGN OF LASER ENGRAVING MACHINE学 生 姓 名学 院 名 称专 业 名 称指 导 教 师图书分类号：密 级：I徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日I摘要激光雕刻加工是以数控技术为基础，以激光为加工媒介，加工材料在激光照射下瞬间熔化和气化，从而达到加工的目的。激光加工与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形。具有加工精度高，速度快，应用领域广泛的特点。本文设计了一种基于同步带传动的激光雕刻机的机械结构，同步带是许多机电一体化设备的基本部件。激光雕刻机通常由导轨座、滑块、工作台、同步带，以及步进电机等部件构成。在整个设计的过程中，利用机械制图和机械设计手册，设计出激光雕刻机的整体结构。通过 CAD 软件绘制出相应的机械图纸。近年来随着计算机图像处理，计算机图形等在激光领域的应用，而且由于其具有加工对象广、变形小、精度高、雕刻速度快、操作方便、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。因而，本文的研究有重要的应用价值。关键词 激光雕刻机；同步带；步进电机；工作台IIAbstractLaser engraving machine depends on the NC technique and laser processing media, engraves materials under laser irradiation instantaneous melting and evaporation. Laser processing is able to accomplish the machining process without touching the surface of materials, not affected by mechanical motion, not cause the surface deformation. It is characterized by high accuracy, high speed and extensive domain.The design of a mechanical structure of laser engraving machine is based on synchronous belt transmission. The synchronous belt is one of most important electromechanical integration equipments. Laser engraving machine usually consists of guide rail seat, slider, workbench, synchronous belt and a stepper motor, etc. During the whole design process, a laser engraving machine structure has been completed by the mechanical drawing and mechanical design manuals. Then the corresponding mechanical drawings have been done through CAD software. In recent years, with the development of the computer image processing, computer graphics in the laser processing fields, and due to the advantages of wide processing object, little deformation, high precision, fast carving, convenient operation, laser processing is playing a more important role to improve product quality and productivity. Laser machining is capable of process automation, eliminating pollution and reducing the material consumption. Thus, this article has very important application significance. Keywords Laser engraving machine synchronous belt a stepper motor workbench徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）I目 录摘要 .IAbstract .II目 录 .I1 绪论 .11.1 激光雕刻机研究的背景及意义 .11.2 激光雕刻机的原理及雕刻方法 .11.3 激光雕刻机的特点及发展现状 .21.4 激光雕刻机的内容和设计要求 .22 激光雕刻机总体结构设计 .42.1 激光雕刻机设计要求 .42.2 确定总体方案 .42.3 激光雕刻机的组成 .63 激光雕刻机标准件选择与计算 .83.1 X 轴向机械传动部件的选择 .83.1.1 X 轴向导轨的选择 .83.1.2 X 轴向步进电机的选择 .93.1.3 X 轴向同步带及带轮的选择 .113.2 Y 轴向机械传动部件的选择 .173.2.1 Y 轴向导轨的选择 .173.2.2 Y 轴向电动机的选择 .173.2.3 Y 轴向同步带的选择 .183.3 轴承的选择 .203.3.1 轴承的选择 .204 激光雕刻机非标准件结构设计 .224.1 轴的设计 .224.1.1 轴的简介 .224.1.2 轴的设计计算 .224.1.3 轴和轴承的配合设计 .234.2 步进电机支撑架的设计 .254.3 X 轴向横梁与导轨副的联接设计 .274.4 联轴器的设计 .284.5 X 轴向导轨副和同步带联接设计 .29总结与展望 .31研究工作总结 .31展望 .32致谢 .33徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）II参考文献 .34徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）11 绪论1.1 激光雕刻机研究的背景及意义我国激光技术已有 40 多年的发展历史，早在 1961 年中科院长春光学精密机械研究所就研制出我国的第一台红宝石型激光器，经过 40 多年的努力探索，我国激光技术研究已经获得了重大突破，激光型产业也从无到有，逐渐成为我国科学界中最活跃的领域之一。随着激光的不断发张，激光雕刻机问世了，并且已经由一代发展到二代。如今，激光雕刻机已被广泛应用于：电子电器行业、服装行业、皮革业、家具业、装饰业、工艺礼品业、广告业、包装印刷业、模型业（建筑模型、航空航海模型、木制玩具） 、工业面板的裁切、冲孔、打样、画线精密加工领域等。随着生产科技的发展，功能和性能的不断提高和改善，激光雕刻机将有更多领域的应用。由于国外的雕刻技术出现的早开发和应用的时间比较长,所以它们发展也比较成熟。我国的激光雕刻技术不管从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距，所以我们要立足国内，结合国情，面向经济建设的需要，开发出具有自己特色，符合中国人习惯的雕刻机结构及其软件。因此本课题的研究对社会科技的进步有重要意义。从实际情况来看激光产品正向高速度、高精度、高效率、多功能方向发展，技术含量越来越高，而我国激光系统的核心主要来自国外且自主研发能力不强，因此开发一套可以进一步改进雕刻工艺和水平的专用软件是非常有意义的。本课题的研究具有较高的实际意义和经济意义。本课题涉及机械制图、计算机软件应用等众多知识，将这些理论知识和实际制图、程序编制结合起来对个人思维的开拓和工程经验的积累都有重要作用，对个人能力的培养和综合素质的训练都起到了十分重要的作用。1.2 激光雕刻机的原理及雕刻方法激光雕刻原理是由于原子(分子或离子筝)跃迁产生的，而且是由自发的辐射引起。激光虽然是光，但它与普通光明显的不同是激光只在最初极短时间内依赖于自发的辐射，此后的过程是完全由激辐射决定的，因此激光本身具有十分纯正的颜色，几乎是无发散的方向性,激光雕刻机具有极高的发光强度。同时激光又具有高强度性、高方向性、高想干性，激光是通过激光器产生后由反射镜反射并通过聚集镜照射到待加工物品上，使加工的物品（表面）受到十分强大的热能而温度瞬间急剧增加，使得该点因高温而迅速的汽化或者融化，配合激光头的运行轨迹同时达到加工的目的。激光雕刻：在物体的表面进行雕刻加工，可分为位图雕刻与矢量雕刻两种类型： 位图雕刻： 先在 PHOTOSHOP 里将们所需要雕刻的图形进行挂网处理并转换成单色BMP 格式，然后在专业的激光雕刻切割软件中打开加工工件图形文件。根据所加工的材料我们进行合适的参数设置就可以了，然后点击运行，激光雕刻机就能够根据图形文件徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）2产生的点阵效果进行雕刻。 矢量雕刻：我们能够使用矢量软件如 Coreldraw，AutoCad 等排版进行设计，可以将图形导出为 PLT，DXF 以及 AI 格式,随后再用专业的激光切割雕刻软件打开所要加工工件图形文件，将图形信息传送到激光雕刻机中完成加工。1.3 激光雕刻机的特点及发展现状激光雕刻机主要由以下特点：1、加工范围广泛：二氧化碳激光差不多可可以完成对任何非金属材料进行雕刻切割的任务，并且加工的价格相对低廉。2、生产安全可靠：利用非接触式的方法进行加工，大致不会对材料产生机械挤压和机械应力。没有加工痕迹，不会伤害加工件的表面；不会使材料发生变形； 3、加工精确细致：加工的精度大约是 0.02mm 左右； 4、生产节约环保：光束与光斑的直径很小，在一般情况下，直径小于 0.5mm；在进行切割加工时，可以节省材料，保证加工安全卫生； 5、多次加工效果一致：能够保证工件同一批次的加工效果基本完全相同。 6、加工高速快捷：能够根据计算机输出的图样完成高速雕刻与切割的任务。 7、加工成本相对低廉：基本不会受加工数量的影响，相对于大批量加工服务，进行小批量加工任务激光加工也会很便宜。随着光电子技术的快速发展，激光雕刻技术应用范围越来越广泛，雕刻精度要求愈来愈高。体现激光材料加工发展水平的三个方面因素：第一为激光器技术，即应用激光加工材料的激光器件技术；第二是激光加工设备的控制系统、机械等，即激光加工的设备；第三是激光加工工艺的水平。因为激光器技术已经成为了很成熟的技术，所以能否对激光设备进行十分有效的控制以及激光加工工艺的水平成为了激光雕刻技术应用的瓶颈。激光技术是二十世纪与半导体，原子能及计算机齐名的四项发明之一，十多年来，以激光雕刻机，激光切割机为基础的激光雕刻技术在我国已经得到了迅速的发展，现在已广泛运用于各种工业生产、信息处理、通讯、医疗卫生、文化教育、军事以及科学研究等领域，并且取得了很好的经济效益，对社会发展及国民经济发展发挥愈来愈重要的作用，由于激光具有很好的想干性、单色性、方向性和高能量密度特性，它已广泛的渗透到很多学科领域，已经形成了新的学科。例如：激光信息的存储与处理、激光材料的加工、激光医学以及生物学、激光通讯工程、激光印刷雕刻、激光光谱研究、激光化学、激光核聚变、激光分离同位素、激光检测和计量以及军用的激光技术等，极大地促进了以上领域的技术进步和重大的发展。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）31.4 激光雕刻机的内容和设计要求激光雕刻机能提高雕刻的效率，使被雕刻处的表面光滑、圆润，迅速地降低被雕刻的非金属材料的温度，减少被雕刻物的形变和内应力；可广泛地用于对各种非金属材料进行精细雕刻的领域。图 1-1 激光雕刻机工作流程图由于激光雕刻机结构复杂，需要进行车体的整体设计和局部的细节设计。具体部分分为以下两类：1、结构设计：激光雕刻机中同步带、轴承、导轨的选择，非标准件的设计等。2、驱动系统：步进电机的选型。在设计过程中，对激光雕刻机现有产品现状进行调研及市场分析；激光雕刻机的机械结构的设计，包括总体结构、主运动方案、进给运动方案、刀具方案等的确定；利用机械原理和机械设计的理论知识进行激光雕刻机机械系统的设计计算，包括主运动系统的设计计算、进给运动系统的设计计算； 激光雕刻机步进电机的选择；用三维设计软件CAD 设计有关零部件，并进行装配。拟解决的主要问题：对现有的雕刻机的产品及市场进行调研分析；雕刻机的总体方案、结构的确定；激光雕刻机的机械结构设计，要求激光雕刻机结构简单、经济、具有一定的代表性；激光雕刻机的控制系统的设计；步进电动机的选择；同步带及同步带轮的选择与计算；轴承的选择；轴和轴承的配合设计等等。用制图软件绘制图形计算机系统信息传递控制系统确定激光器工作位置控制系统控制激光器雕刻完成雕刻徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）42 激光雕刻机总体结构设计2.1 激光雕刻机设计要求雕刻机总体布局的基本要求有以下几点:1、首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求；2、确保实现激光雕刻机所要求的工件和激光器的相对位置与相对运动。在经济性合理的条件下，尽量采用较短的传动装置，简化机构，提高传动的精度和传动的效率；3、确保激光雕刻机有与所要求的加工精度相适应的刚度、热变形及噪音水平；4、观察加工的过程，要求便于加工操作、调整与维修，便于输送、装卸工件与清理，注意防护，确保加工安全；5、要求结构简单，合理可靠，便于进行加工和装配。根据激光雕刻机的主要加工材料及运动状态设计，具体设计要求如下：1、设计激光器的运动速度为 200mm/s；2、雕刻范围 800 800mm；3、考虑到激光雕刻机中电机的工作状态，初步选择使用步进电机；4、传动系统可使用同步带传动；5、选择使用 100W 的激光器。2.2 确定总体方案激光雕刻机的结构设计多种多样，现在选择两个设计方案进行比较，最后确定最优的设计方案。方案一：设计龙门式框架结构，其主要组成部分有步进电动机、激光器、丝杠、光杠、工作台、立柱等，整体外观如图 2-1 所示。方案二：设计平面式雕刻机，其主要组成部分为步进电动机、导轨、同步带、支撑板、激光器、联轴器等。其外观图如图 2-2 所示。比较两个方案，分析优缺点：方案一：本方案中使用了龙门式结构，结构稳定性强，加工空间大而且使用了丝杠螺母副传动，精密传动但是其总体结构笨重，载荷重电机消耗大，不利于激光雕刻机的灵活加工。方案二：本能方案中采用了平面加工模式，激光器在同步带的带动下精确灵活的加工工件，并且运动载荷小,机构简单，造价低，适合选用。综上所述：选择使用方案二。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5图 2-1 龙门式雕刻机外观图2-2 图 激光雕刻机外观图激光雕刻机的机械部分是 XY 方向导轨，其中 Y 方向是由两个平行导轨构成，X 方向徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）6由一个导轨构成，X 方向导轨是垂直放置在 Y 方向的两平行导轨上，并加以紧固。激光雕刻机的激光源安装在 X 方向导轨上，并由同步传动带带动在 X 方向导轨上运动；X 方向的导轨两端分别紧固在 Y 方向的两个导轨上，并且分别由同步传动带带动在 Y方向导轨上运动。激光源在 XY 方向上的运动是依靠步进电动机为动力源，通过带轮的旋转将旋转的能量转化为同步传动带在 XY 直线方向上的位移，从而完成雕刻加工。2.3 激光雕刻机的组成激光雕刻机主要由控制系统，步进电机、XY 轴向支撑板、XY 轴向导轨、同步带轮、同步带、联轴器等部分组成。激光雕刻机的基本结构如图 2-3 所示。2-3 图 激光雕刻机结构示意图如 2-3 图所示，1、同步带带轮，2、轴承，3、电动机，4、联轴器，5、轴，6、支撑板，7、同步带，8、导轨，9、激光器。下面分别介绍激光雕刻机主要部分的功能：1、控制系统：根据计算机传输的图形数据信息，控制步进电机的运转，利用同步带带动激光器的XY 轴向运动，完成图形雕刻。2、步进电机：步进电机为激光雕刻机的正常运转提供动力。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）73、XY 轴向支撑板：支撑导轨、轴承支撑架以及步进电机支撑架；承载电动机，激光器等主要部件的重力，要求其结构不宜变形，能承受一定载荷。4、XY 轴向导轨：为激光雕刻机的激光器运动进行导向。5、同步带：同步带带动激光雕刻机的激光器运动。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）83 激光雕刻机标准件选择与计算3.1 X 轴向机械传动部件的选择3.1.1 X 轴向导轨的选择根据载荷重量及激光雕刻机的运转状态，本次设计初步选择使用 GGC 微型直线滚动导轨，GGC 微型直线滚动导轨结构示意图如图 3-1 所示。3-1 图 GGC 微型直线导轨副结构示意图X 轴向导轨的选择计算过程：工作台质量均匀分布，重心在中间，G 为所受载荷，外力 F 的作用中心和工作台重心重合。激光雕刻机激光器的运动可近似看作为匀速运动。运动条件：常温，平稳无冲击和振动，载荷小。导轨所受总载荷: NFG20有效行程：mLa8.每分钟往返次数：4n移动速度： i/15i/2v导轨滑块数目：m根据导轨载荷计算：两滑块受力载荷相等，即 NGF10)(21综上所述，选择 GGC 微型直线型导轨。导轨的额定动、静载荷分别为 .KNCoa58,.导轨的使用寿命计算验证：徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）9式KPCfLawcth.)(（3.1）式maxF（3.2）式3210nLah（3.3）额定寿命（Km）L实际寿命（h）激光器运动有效行程（m）a开机率2n额定载荷（KN)aC当量载荷P受力最大的滑块所受载荷（KN）maxF指数，当滚动体为滚珠时， 3硬度系数hf温度系数t接触系数cf精度系数a载荷系数wf查表得： 1tf8.0caf2.w1hfKNC5.7m03La8.计算得： FP21mx假设年工作日为 300d，两班工作制，每班工作时间为 16h，开机率为 80%。将上述数据代入上式，得 年。0hL综上所述，GGC 15 BA 微型直线导轨满足工作要求，可以选择使用。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）103.1.2 X 轴向步进电机的选择X 轴向步进电机的计算与选择：计算滚动摩擦力 1 F估算激光器的总重量 。KgM2式G（3.4） 式f1（3.5）滚动摩擦因数， ，此处 。105.3.104.1计算得： NG2fF8.4.1计算最大静摩擦力 ：2最大静摩擦因数，23.0计算得： NF162根据以上计算得：式12F（3.6） 综上所述： F162计算转矩 2 1T假设同步带轮直径 为 20mm1DmNFT.1602/11计算 X 轴传动功率 3 1P假设激光器在 X 轴向的运动速度 为 0.2m/s1vW2.3总数所述:选择 57BYGH311 步进电机。电机的具体尺寸如 3-2 图所示。 徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）11图 3-2 步进电机尺寸图步进电机 57BYGH311 的具体参数表 3-1 步进电机数据表步进角 电压 电流 相数 最大转矩 重量 转速1.8 度 3.6V 3A 2 1.5N.m 1.1Kg 360r/min3.1.3 X 轴向同步带及带轮的选择1、同步带轮的介绍同 步 带 是 综 合 了 带 传 动 、 链 条 传 动 和 齿 轮 传 动 的 优 点 而 发 展 起 来 的 新 塑 传 动 带 。 它 由带 齿 形 的 一 工 作 面 与 齿 形 带 轮 的 齿 槽 啮 合 进 行 传 动 ， 其 强 力 层 是 由 拉 伸 强 度 高 、 伸 长 小 的纤 维 材 料 或 金 属 材 料 组 成 ， 以 使 同 步 带 在 传 动 过 程 中 节 线 长 度 基 本 保 持 不 变 ， 带 与 带 轮 之间 在 传 动 过 程 中 投 有 滑 动 ， 从 而 保 证 主 、 从 动 轮 间 呈 无 滑 差 的 间 步 传 动 。图 3-3 同步带传动示意图徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）12同 步 带 传 动 （ 见 图 3-3） ， 传 动 比 较 准 确 ， 对 轴 的 作 用 力 比 较 小 ， 结 构 紧 凑 ， 耐 油 ， 耐磨 性 好 ， 抗 老 化 的 性 能 好 ， 一 般 使 用 温 度 -20 80 ， v50m/s， P300kw,i10,要 求 同 步 的传 动 也 可 用 于 低 速 的 传 动 。同 步 带 传 动 的 组 成 是 一 根 内 周 表 面 中 设 有 等 间 距 齿 形 的 环 行 带 和 具 有 相 应 吻 合 齿 形 的同 步 带 轮 。 其 具 有 链 传 动 、 带 传 动 以 及 齿 轮 传 动 各 自 的 优 点 。 运 转 时 ， 利 用 带 齿 与 带 轮 的齿 槽 啮 合 达 到 传 递 动 力 的 目 的 。 同 步 带 传 动 特 点 明 显 ， 具 有 准 确 的 传 动 比 ， 没 有 滑 差 ， 并且 可 以 得 到 恒 定 的 速 比 ， 运 动 平 稳 ， 噪 音 小 ， 传 动 比 范 围 比 较 大 ， 一 般 可 以 达 到 1:10 左 右 。允 许 的 线 速 度 可 以 达 50M/S 左 右 ， 传 递 功 率 范 围 从 几 瓦 到 百 千 瓦 。 传 动 效 率 很 高 ， 一 般 可 达98%左 右 ， 结 构 十 分 紧 凑 ， 适 合 于 多 轴 传 动 ， 不 需 要 润 滑 ， 没 有 污 染 ， 所 以 可 在 污 染 和 工作 环 境 良 好 的 场 所 中 正 常 工 作 。 激 光 雕 刻 机 广 泛 应 用 于 纺 织 、 机 床 、 烟 草 、 通 讯 工 程 、 轻化 工 、 冶 金 、 仪 表 仪 器 、 食 品 、 矿 山 、 石 油 、 汽 车 等 各 行 业 中 各 种 类 型 的 机 械 传 动 中 。 通过 使 用 同 步 带 ， 改 变 了 带 传 动 仅 仅 为 摩 擦 传 动 的 概 念 ， 扩 展 了 带 传 动 的 应 用 范 围 ， 并 且 成为 带 传 动 中 相 对 独 立 的 研 究 对 象 ， 开 辟 了 带 传 动 新 的 发 展 途 径 。2、同步带的特点(1)传 动 精 确 ， 工 作 时 没 有 滑 动 ， 保 持 恒 定 的 传 动 比 ；(2)传 动 稳 定 ， 具 有 缓 冲 和 减 振 的 能 力 ， 噪 声 小 ；(3)高 传 动 效 率 ， 可 以 达 到 0.98 左 右 ， 具 有 明 显 节 能 效 果 ；(4)保 养 维 护 方 便 ， 不 需 要 润 滑 ， 只 需 要 较 低 的 维 修 费 用 ；(5)速 比 传 动 的 范 围 大 ， 可 达 10 左 右 ， 线 速 度 可 以 达 到 50m/s 左 右 ， 能 传 递 很 大 的 功 率传 递 范 围 ；(6)可 以 用 于 长 距 离 的 传 递 ， 中 心 距 可 以 达 到 10m 以 上 。3、同步带的分类同 步 带 齿 可 以 分 为 梯 形 齿 和 弧 齿 两 种 类 型 ， 弧 齿 也 可 以 分 成 三 种 系 列 ： 平 顶 圆 弧 齿 、圆 弧 齿 和 凹 顶 抛 物 线 齿 。梯 形 齿 同 步 带 梯 形 齿 同 步 带 可 以 分 为 单 面 有 齿 和 双 面 有 齿 两 种 类 型 ， 简 称 为 单 面 带和 双 面 带 。 双 面 带 按 照 齿 的 排 列 方 式 可 以 分 为 对 称 齿 型 与 交 错 齿 型 两 种 类 型 。梯 形 齿 同 步 带 的 两 种 尺 寸 制 为 ： 节 距 制 与 模 数 制 。 我 国 采 用 的 是 节 距 制 ， 而 且 通 过 ISO 5296 制 订 了 相 应 的 同 步 带 传 动 标 准 GB/T 11361 11362-1989 与 GB/T 11616-1989。弧 齿 同 步 带 弧 齿 同 步 带 的 齿 形 除 了 有 曲 线 形 之 外 ， 它 的 结 构 和 梯 形 齿 同 步 带 大 致相 同 ， 带 节 距 基 本 一 致 ， 齿 高 、 齿 根 厚 与 齿 根 圆 角 半 径 等 都 比 梯 形 齿 的 大 。 带 齿 受 到 载 荷时 ， 有 较 好 的 应 力 分 布 状 态 ， 减 缓 齿 根 部 分 应 力 集 中 ， 在 一 定 程 度 上 提 高 齿 的 承 载 能 力 。所 以 弧 齿 同 步 带 相 比 于 梯 形 齿 同 步 带 有 较 大 的 传 递 功 率 ， 并 且 能 够 预 防 齿 啮 合 发 生 干 涉 。弧 齿 同 步 带 具 有 耐 磨 性 能 好 ， 工 作 噪 声 小 和 不 需 要 润 滑 等 优 点 ， 并 且 已 经 广 泛 的 应 用于 食 品 、 纺 织 、 汽 车 、 制 药 、 印 刷 和 造 纸 等 行 业 。4、同步带的设计准则徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）13通 过 对 同 步 带 传 动 失 效 形 式 进 行 分 析 ， 可 以 发 现 同 步 带 和 带 轮 材 料 之 间 有 较 高 的 机 械 性能 ， 有 合 理 的 制 造 工 艺 ， 带 以 及 轮 的 尺 寸 都 进 行 严 格 的 控 制 ， 并 且 要 进 行 严 格 的 安 装 ， 这 样许 多 的 失 效 形 式 就 都 可 以 避 免 。 所 以 在 进 行 正 常 工 作 时 ， 同 步 带 传 动 三 种 主 要 的 失 效 形 式 为如 下 ；同 步 带 的 承 载 绳 因 疲 劳 而 拉 断 ； 1同 步 带 发 生 打 滑 与 跳 齿 ； 2同 步 带 带 齿 发 生 磨 损 。 3根据以上分析可知，同步带传动的设计淮则为在同步带不打滑时，有着很高的抗拉强度，并且能够保证承线绳能够不被拉断。除此之外，在灰尘和杂质较多的恶劣工作条件下计算齿轮的磨性。5、同步带传动设计计算电 机 额 定 输 出 功 率 估 算 1 WAVP8.106.3确 定 计 算 功 率 2电 动 机 每 天 使 用 35 小 时 左 右 ， 查 表 3-2， =1.3。 则 计 算 功 率 为 :AKAca 048.0表 3-2 工 作 情 况 系 数 选 择 表原动机最大输出功率为额定值的 300以下 最大输出功率为额定值的 300以上交流马达直流马达特殊马达、单缸发动机直流马达、通过旋转轴或者离合器运行运行时间 运行时间使用皮带的机械实例间歇使用1 天35 小时正常使用1 天812 小时连续使用1 天1624 小时间歇使用1 天35 小时正常使用1 天812 小时连续使用1 天1624 小时展览器具、放映机、计量设备、医疗设备1.0 1.2 1.4 1.2 1.4 1.6吸尘器、缝纫机、办公设备、木工车床1.2 1.4 1.6 1.4 1.6 1.8轻载型皮带运输机、包装机械、筛子 1.3 1.5 1.7 1.5 1.7 1.9液体搅拌机、钻床、车床、螺纹加工机、圆盘锯床、刨床、洗衣机、印刷机械1.4 1.6 1.8 1.6 1.8 2.0搅拌机、皮带输送 1.5 1.7 1.9 1.7 1.9 2.1徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）14机、磨床、牛头刨床、铣床、镗床、压缩机、振动筛、纤维机械输送机（板式、盒式、斗式） 、发电机、鼓风机、风扇、升降机、纤维机械1.6 1.8 2.0 1.8 2.0 2.2离心分离机、输送机（刮板式、螺旋式） 、锤击式粉碎机、造纸机械1.7 1.9 2.1 1.9 2.1 2.3小 带 轮 转 速 计 算 3 min/25)1(20)/(12 rDvn选 定 同 步 带 带 型 和 节 距 4由 同 步 带 选 型 图 3-4 设 计 功 率 和 转 速 ， 选 取 XL 型 带 ， 节 距 Pb08.图 3-4 同步带选型图选 取 主 动 轮 齿 数 5 1z查 表 3-3 轮 最 小 齿 数 为 10， 现 在 选 取 小 带 轮 齿 数 为 14。表 3-3 最小齿数表带型小带轮转速n1（r/min ） MXL XXL XL L H XH XXH徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）15900 10 12 14 22 229001200 12 12 10 12 16 24 2412001800 14 14 12 14 18 26 2618003600 16 16 12 16 20 30 36004800 18 18 15 18 22 小 带 轮 节 圆 直 径 确 定 6=bPzd14.3085m6.2大 带 轮 相 关 数 据 确 定 7系 统 传 动 比 计 算 ： in/601rn254.1321i大 带 轮 相 关 参 数 计 算 ： 齿 数 ， 节 距012zmPb08.带 速 v 的 确 定 8 sndv /43.65.4.361maxv、 初 定 周 间 间 距 9根 据 公 式式)(2)(7.021021dad（ 3.7） 得 m.5.80现 在 初 步 选 取 轴 间 间 距 为 100mm。、 同 步 带 带 长 及 其 齿 数 确 定 10( )0L2a21d2/)36.5.4.3286.61mm选 择 使 用 代 号 为 112 的 XL 型 同 步 带 ， 其 节 线 长 。p8.带 轮 啮 合 齿 数 计 算 11有 在 本 次 设 计 中 传 动 比 为 一 ， 所 以 啮 合 齿 数 为 带 轮 齿 数 的 一 半 ， 即 =20。mz实 际 轴 间 距 的 计 算 12徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）16261.84.1020Lpa=97.87mm基 本 额 定 功 率 的 计 算 13 0P式10)(20vTPa（ 3.8） 查 基 准 同 步 带 的 许 用 工 作 压 力 和 单 位 长 度 的 质 量 表 3-4 道 =50.17N， m=0.022Kg/m。a所 以 同 步 带 的 基 准 额 定 功 率 为= =0.022KW0P10).2.75(2表 3-4 宽 度 同 步 带 的 许 用 工 作 压 力 和 单 位 长 度 的 质 量 表带型 Ta/N m/(kg/m)MXL 27 0.007XXL 31 0.01XL 50.17 0.022L 244.46 0.095H 2100.85 0.448XH 4048.90 1.484XXH 6398.03 2.473同 步 带 带 宽 计 算 14 sb式14.00pdbsz（3.9） XL 型同步带标注带宽0sb啮合齿数zd查得， ，ms5.901zd12.90.45.91bs查表得，选择带宽代号为 037 的 XL 型带，选 mbs5带轮结构和尺寸15传动带选用的同步带尺寸如下：小带轮： dmdza14.2,65.2,14徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）17大带轮： mddza85.31,6.32,022 同步带轮宽度 bf，查得 bf4.0min因为 ，所以带轮要装有双边挡圈。a1887.9同步带强度校核16XL 带抗拉力强度 ，大带轮转矩NTa7.5NT.20同步带拉力计算 aadF54.12所以，同步带选用合适，满足强度要求。6、X 轴向横梁传动带的选择根据 X 轴向横梁上的带轮直径为 15mm，功率为 3.2W,带轮的转速为 255r/min，可选择 XL 型同步带。X 轴向横梁传动带的参数： mddza6.15,7.16,0333 根据上文中同步带轮轴间距的计算方法，可算得 X 轴向横梁上两同步带轮的实际轴间距为 860mm。7、选用同步带的齿形及参数图 3-5 的 标 准 尺 寸 图表 3-5 带的标准尺寸表型 号 节 距 齿 形 角 齿 根 厚 齿 高 齿 根 圆 角 半 径 齿 顶 圆 半 径XL 5.08 50。 2.57 1.27 0.38 0.383.2 Y 轴向机械传动部件的选择3.2.1 Y 轴向导轨的选择Y 轴向运动条件：常温，平稳无冲击和振动，载荷小。估算 X 轴横梁重量 ，激光器重量 ，步进电机及其零件重量 。kgm31kgm2kgm23徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）18导轨所受的最大载荷 :maxFNgm52)(132有效行程：La8.0每分钟往返次数：4n移动速度： mi/15i/2v导轨滑块数目：综上所述，选择 GGC 微型直线型导轨。导轨的额定动、静载荷分别为 .KNCoa58,.3.2.2 Y 轴向电动机的选择Y 轴向步进电机的计算与选择：计算最大静摩擦力 1 F估算 Y 导轨上的总载荷 。NG70式fGF2（3.10） 滚动摩擦因数，此处 。13.2计算得： ,70,Nf254F483.计算转矩 2 2T假设同步带轮直径 为 15mm2D则 mNDT.2195.0/22计算 X 轴传动功率 3 1P假设激光器在 X 轴向的运动速度 为 0.2m/s1v计算得： WF6.12综上所述:选择 57BYGH311 步进电机。3.2.3 Y 轴向同步带的选择1、同步带传动设计计算电 机 额 定 输 出 功 率 估 算 1徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）19WAVP8.106.3确 定 计 算 功 率 2电 动 机 每 天 使 用 35 小 时 左 右 ， 查 表 3-1 得 到 工 作 情 况 系 数 =1.3。 则 计 算 功 率 为 :AKKAca 4.小 带 轮 转 速 计 算 3min/25)(20)/(12 rDvn选 定 同 步 带 带 型 和 节 距 4由 同 步 带 选 型 图 3.5， 根 据 设 计 功 率 和 转 速 ， 选 取 XL 型 带 ， 节 距 Pb08.选 取 主 动 轮 齿 数 5 1z查 表 3-2 知 道 小 带 轮 最 小 齿 数 为 10， 现 在 选 取 小 带 轮 齿 数 为 14。小 带 轮 节 圆 直 径 确 定 6=bPzd1.30854m6.2大 带 轮 相 关 数 据 确 定 7系 统 传 动 比 计 算 ： in/61rn254.13021i大 带 轮 相 关 参 数 计 算 ： 齿 数 ， 节 距12zmPb8.5带 速 v 的 确 定 8sndv /43.060.4.3601maxv、 初 定 周 间 间 距 9根 据 公 式式)(2)(7. 21021dad（ 3.11） 得 m.5.380现 在 初 步 选 取 轴 间 间 距 为 100mm。、 同 步 带 带 长 及 其 齿 数 确 定 10= ( )0L2a21d= 2/)36.5.4.3=286.61mm选 择 使 用 代 号 为 112 的 XL 型 同 步 带 ， 其 节 线 长 。p8.徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）20带 轮 啮 合 齿 数 计 算 11有 在 本 次 设 计 中 传 动 比 为 一 ， 所 以 啮 合 齿 数 为 带 轮 齿 数 的 一 半 ， 即 =20。mz实 际 轴 间 距 的 计 算 12 261.84.1020Lpa=97.87mm基 本 额 定 功 率 的 计 算 13 0P查 基 准 同 步 带 的 许 用 工 作 压 力 和 单 位 长 度 的 质 量 表 4-3 可 以 知 道)(20vmTPa=50.17N， m=0.022Kg/m。所 以 同 步 带 的 基 准 额 定 功 率 为= =0.022KW0P1043).2.75(2同 步 带 带 宽 计 算 14 sb式14.00pdbsz（3.12） XL 型同步带标注带宽0sb啮合齿数zd查得， ，ms5.901zd12.90.45.91bs查表得，选择带宽代号为 037