毕业论文-激光雕刻机结构设计及运动仿真

激光雕刻机结构设计及 运动仿真 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的熔化和气化的物理变性， 来 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，一般无需固定。 具有 加工精度高，速度快，应用领域广范 等特点 。 本文设计了一种基于 XY 工作台的激光雕刻机 的机械 结构， X-Y 工作台是许多机电一 体化设备的基本部件，模块化的 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。本文用solidworks 软件完成激光雕刻机结构的三维建模，并且用 ADAMS 仿真软件进行运动仿真。 近年来随着计算机图像处理、计算机图形学等在激光加工领域的交叉渗透，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、节省能源、公害小、远距离加工、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，本文有非常重要 的研究意义。 关键词： 激光雕刻 ， XY 数控 工作台 ，运动仿真 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 II Abstract Laser engraving process use CNC technology as basic, and use laser as processing media, Processing materials under the laser instantaneously melting and gasification of physical degeneration, to achieve the purpose of processing. Laser process has no touch with the surface of materials, not affected by mechanical motion influence, the surface will not deformation, doesnt need to be fixed. It has the characteristics of processing accuracy, high speed, can be used in extensive domain. This article designed a laser engraving machine based on the XY tables structure, XY table is a lot of the basic parts of electromechanical integration equipment, modular CNC XY table, usually by rail seat, move the slider, table, Ball screw pair, and the servo motor and other components composition. In this paper, I used solidworks software to complete the three-dimensional modeling of laser engraving machines structure , and used ADAMS simulation software with Motion Simulation. In recent years, along with the computer image processing, computer graphics in the cross-penetration of laser processing fields, and because of its processing object wide, little deformation, high precision, fast carving, convenient operation, saving energy, pollution small, distant distance processing, automation and other significant advantages, its getting more and more important role to improve product quality and productivity, machining process automation, eliminate pollution and reduce the material consumption. Thus, this article has very important study significance. Key words: Laser engraving， CNC XY Table， Motion Simulation III 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 激光雕刻的基本现状及发展背景 . 1 1.1.1 激光雕刻的基本现状 . 1 1.1.2 激光雕刻的发展背景 . 3 1.2 选题意义 . 4 第二章 激光雕刻机总体结构设计 . 6 2.1 激光雕刻的原理 . 6 2.2 确定总体方案 . 6 2.3 机械传动部件的选择 . 7 2.2.1 丝杠螺母副的选用 . 7 2.2.2 伺服电动机的选用 . 7 2.2.3 导轨的选用 . 8 2.2.4 联轴器的选用 . 8 2.2.5 轴承的选用 . 8 2.3 本章小结 . 9 第三章 机械结构部件的选型与计算 . 10 3.1 丝杠的选型设计 . 10 3.2 伺服电机选型 . 16 3.3 联轴器的选型 . 20 3.4 本章小结 . 20 第四章 结构三维建模 . 21 4.1 SOLIDWORKS 简介 . 21 4.2 激光雕刻机主要零件三维视图 . 22 4.3 激光雕刻机装配图 . 28 4.4 本章小结 . 30 第五章 运动学分析机仿真 . 31 5.1 ADMAS 简介 . 31 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 IV 5.2 模型的建立 . 31 5.3 模型的直线运动分析 . 32 5.3.1 模型为匀速运动仿真分析 . 32 5.3.2 模型为变速运动仿真分析 . 36 5.4 本章小结 . 39 第六章 结论与展望 . 40 6.1 结论 . 40 6.2 技术经济分析 . 40 6.3 对进一步研究的展望 . 41 参考文献 . 42 致 谢 . 44 声 明 . 45 附 录 . 46 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 1 第一章 绪论 1.1 激光雕刻的基本现状及发展背景 激光雕刻 14是激光加工领域的一个重要分支，它是综合了光、机、电技术，利用激光束照射材料表面，材料吸收光束能量导致汽化，形成刻点，随着激光束相对工件的移动，从而在工件上进行雕刻的 方法。近年来随着计算机图像处理、计算机图形学等在激光加工领域的交叉渗透，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、节省能源、公害小、远距离加工、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，在当今国内外有很多研究机构正在进行这方面的研究工作。 1.1.1 激光雕刻的基本现状 自从激光器开始应用以来，激光器在不同应用领域中发挥着重要的作用，其在机械加工上应用于标记是一项举足轻重的技术。激光雕刻同激光标记技术相类似，而 且由于激光雕刻具有的审美性，因此，近年来发展迅速。 激光雕刻技术主要包括 YAG 激光雕刻和 CO2 激光雕刻，它们有着不同的组成和应用领域。 YAG 激光雕刻机主要由 YAG 激光器、雕刻软件、自动控制系统和机械部分组成，主要应用于金属雕刻； CO2 激光雕刻机通常是由二氧化碳激光器、专用激光雕刻软件、自动控制系统和精密机械组成，属于低价位的高科技激光产品，同时由于 CO2 激光波长为 10.6 m，正好处于 “ 大气窗口 ”， 大气对它的吸收较小，因此广泛应用于印章、奖牌奖杯制作、礼品及广告等行业，如在牛角、塑料、有机材料、 木头、橡胶等材料上方便地刻制各类印章，雕刻、切割各类标牌；在竹板或木头上雕刻各类文字、图形等。另外， CO2 激光易于制成大功率激光器，对于输出同样功率的激光， CO2 激光器比其它诸如 YAG 激光器等要小得多，所以在精密加工等方面有很大的应用前景。 从八十年代中期诞生二氧化碳激光雕刻机以来，激光雕刻机经历了不断的发展。第一代二氧化碳激光雕刻机是用激光作为光笔，用脚踏开关控制光笔工作，可以用来复制曲线图像和人像，是一种简单的原始的二氧化碳激光雕刻机，成本低廉，操作有人为因素，控制精度不高。第二代二氧化碳激光雕刻机 是用单板机控制光斑在 XY 平台上逐行扫描，在原稿亮处激光器关闭，原稿暗处激光器打激光雕刻机结构设计及 运动仿真 2 开，从而加工出黑白图形如图 1-1 所示。 图 1-1 第二代 CO2 激光雕刻机的原理图 到目前为止，已经发展到了第三代，第三代二氧化碳激光雕刻机分为两大分支，一种是计算机控制的二氧化碳激光雕刻机如图 1-2 所示，另一种是基于嵌入式控制的二氧化碳激光雕刻机如图 1-3 所示。其中电机的选择主要是直流伺服和步进电机两种，前者定位精度高，是现在及今后的发展趋势。 计算机控制的激光雕刻机，每台雕刻机都需要配备一台计算机，它通常是采用计 算机串口、并口，或在计算机的 PCI 插槽上插入控制卡，外接控制电机的控制柜，由于计算机的存储量很大，因此这种系统不受存储量的限制，可以雕刻复杂的图像、图形、文字等，而且由于这种计算机控制系统是专机专用，使得系统稳定。 图 1-2 第三代基于计算机控制的 CO2 激光雕刻机的原理图 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 3 图 1-3 第三代基于嵌入式控制的 CO2 激光雕刻机的原理图 嵌入式系统控制的激光雕刻机采用嵌入式技术，拥有独立的微处理器、独立控制主板、电源板等，具有实用、可靠和稳定的特点，可以实时进行雕刻。其控制部分的硬件包括：图 像接口板、驱动控制接口板 (均插入 PC 机总线槽 )、步进电机驱动器和电源。图像接口板用来控制图像的摄取及传送，由电荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)来的图像信号经视放和高速 A/D 转换，变成数字量送给存储器，微机的数据总线、地址总线和有关控制信号通过缓冲接口与地址译码，分别和存储体及地址电路相连，实现处理器与图像接口板的数据交换。驱动控制接口板是微机和激光雕刻设备联络的枢纽，它的作用是在嵌入式系统编程控制下，为电机和激光器开关提供控制。但是这种激光雕刻机由于受外界存储器的限制， 无法存储大量图像，使得它适合雕刻一些简单的小范围的图形图像。 目前，国内外激光加工行业中有很多公司正在致力于这方面的研究。在国外主要是美国的宙斯、威特、悍马等公司；国内则主要是以楚天激光、深圳大族等公司为主，他们生产的设备属于领先水平。 1.1.2 激光雕刻的发展背景 激光雕刻机的发展主要是源于传统机械雕刻技术的缺陷，得益于激光雕刻的优势。 表 1-1 显示了传统机械雕刻与激光雕刻的不同。从表中可以看出，激光雕刻有无法比拟的优势 。 (1)激光雕刻是一种非接触性加工手段，对材料不产生机械挤压或机械应力，不存在刀具磨 损问题，易损件为零。因此，从长远角度看，有利于生产成本的降激光雕刻机结构设计及 运动仿真 4 低。 (2)激光光束很细，使加工材料消耗小。 (3)由于激光的能量强度可以达到很高，可对高熔点、高强度的合金材料、金刚石等非金属脆硬材料进行加工。 (4)激光雕刻运用光电学作用，对环境无任何污染，而且占地小，操作条件简便。 (5)能加工图像图形文字等，且加工产品精细美观，具有较高的审美价值。 表 1-1 传统机械雕刻与激光雕刻的不同 激光雕刻机 传统雕刻机 加工方式 以聚焦后的激光融化或气化工件 以旋转式刀具切削工件 控制方式 控制功率、速度、 DPI 等加工参数 控制 转速、进给率、上下刀速度等加工参数 材料固定方式 非接触式加工，大部分材料直接摆放 就行 夹具、真空吸附等各种方式固定工作物 耗材 主要耗材是镜片，只要保养妥善，使用寿命相对较长 主要耗材是刀具，因为是接触式加工，刀具的耗损量很大 雕刻特性 可雕刻矢量或点陈文件：雕刻时间只与工作面积成正比 以矢量方式进行雕刻：雕刻时间与工作面积和工作内容成正比 1.2 选题意义 首先，由于国外的雕刻技术出现的早，开发和应用的时间比较长，它们发展也比较成熟。而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，本课题有重要意义。 其次，从实际上来看，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适合激光雕刻机结构设计及 运动仿真 5 的。本课题的研究具有较高的实际意义和经济意义。 并且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、 程序编制起来，对个人思维、工程经验进行了一次长期的、有效的锻炼。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。 最后，激光技术是二十世纪与原子能，半导体及计算机齐名的四项重大发明之一，十多年来，以激光雕刻机，激光切割机为基础的激光技术在我国得到了迅速的发展，现在已经广泛用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域，取得了很好的经济效益，对国民经济及社会发展将发挥越来越重要的作用。由于激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，它已渗透到各个学科领域，形成了新的 学科。例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 6 第二章 激光雕刻机总体结构设计 2.1 激光雕刻的原理 34 激光雕刻的原理是按照电脑绘制的图形 ,将超过材料熔 (沸 )点阈值的高能量的细小激光光束 ,照射在工件表面上 ,其能量能够在瞬间使材料温度急剧上升 ,到达熔 （ 沸 ） 点 ,熔 （ 汽 ） 化成极小的白点 ,在材料表面雕刻出预定的形状 ,而材料的其余部分则保持 原样 。 它属于激光加工行业的一个分支 ， 与激光切割、打孔有着密切的关系 。 激光雕刻机是一种光、机、电一体化设备 ,它的基本功能是通过激光笔将计算机输出的文字、图形刻写在金属、陶瓷、塑料等材料表面 ,做成各种纪念品、装饰品、广告牌等 。 由于激光光束能量及激光束位置可以得到精确控制 ,从而可以在不同的材料上取得不同的雕刻效果 ， 尤其是在需要雕刻的物体很小 (最小可达0.01mm2)、 形状复杂 ， 或者在脆弱的元件上进行精致的雕刻时 。 它与普通雕刻相比 ， 具有速度快、无切削力、切缝窄、无刀具磨损、不需要模具、适应于复杂形状、精确度高、便 于自行设计图案、产品品质高且节省材料等优点。 2.2 确定总体方案 激光雕刻机的机械部分是两自由度 的 XY 数控工作台，它由两个相同的单个自由度工作台组成，它们之间是垂直放置的，并且 加以紧固。 X-Y 工作台如图 2-1 所示，是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵 横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。 由于数控激光雕刻机的激光源是固定不动的， 所以待加工工件在加工过程中的位移是由 X-Y 两自由度数控工作台提供的。 将一个方向的工作台架设到另外 一个方向上，就形成了 X 和 Y， 2 个方向的工作台，例如将 Y 方向工作台固定在 X 方向的工作台上。反之亦然。单一自由度（其中一个方向的）工作台的移动是依靠 AC 交流伺服电机作为动力源，将旋转的能量通过联轴器传递给滚珠丝杠副，滚珠丝杠副通过滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母的配合而将交流伺服电机的能量转化成为直线方向上的位移。在此基础上垂直搭建另外一个工作台，从激光雕刻机结构设计及 运动仿真 7 而形成了另一个方向的位移实现 X-Y 水平直线两自由度。 图 2-1 XY 工作台样例 2.3 机械传动部件的选择 2.2.1 丝杠螺母副的选用 导向系 统是保证平台运行直线度的关键部件， 同时也承担外界施加给工作台的绝大部分垂向负载。要求摩擦系数小、传动刚度高、运行平稳、微动特性良好、可做高速的往返运动等。 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足正负0.02mm 的定位精度，滑动丝杠副不能满足精度要求，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，提高反向定位精度。 2.2.2 伺服电动机的选用 为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流 伺服电机作为执行电动机。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。但随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机越来越多地应用于数字控制系统中。 伺服电机可使控制速度 ， 位置精度非常准确。将 电压 信号转化为 转矩 和转速以驱动控制对象 。 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 8 由于交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机， 所以本设计 初选电机为安川伺服电机。 2.2.3 导轨 的选用 本设计选用直线滑动导轨：两根平行的圆柱。作为工作台导向系统，其上有滑块和两根光杠作为支撑，保证工作台能够承受较大径向载荷。 由于滚珠丝杠的主要作用是将旋转运动转变为直线运动，并不起到支撑作用，故由工作台自重及工件重量产生的径向压力不应由滚珠丝杠承担，所以设计了与滚珠丝杠平行等高的两根光杠来起到对滑块及工作台的支撑作用，直径为 14。 2.2.4 联轴 器的选用 联轴器的型式 至今尚无标准的分类方法，一般可将联轴器分为三类： 普通联轴器，它可分为刚性联轴器和弹性联轴器两种，刚性联轴器又可分为固定式和可移式的，而弹性联轴器可分为金属弹性元件的和非金属弹性元件的两种。这类联轴器只有在被联接的机器停机时，用拆卸方法才能将两轴分开。 安全联轴器，当所传递的扭矩超过限定值时，其中的联接件被折断、分离或 打滑，使传动中断或限制扭矩的传递，保护机器的重要机件不受损坏。 特殊联轴器用非机械方式直接联接的联轴抵如用液力传动、气压传动或电磁 操纵的联轴器。 经过分析与比较 ，本次设计中 电机轴与滚珠丝杠采用夹紧螺丝固定螺纹式联轴器连接。夹紧螺丝固定螺纹式联轴器为非标件，其主体采用不锈钢材料（铝合金），具有以下特点： （ 1）一体成形的金属弹性联轴器； （ 2）零回转间隙； （ 3）弹性作用补偿径向，轴向，角向偏差； （ 4）夹紧螺丝固定； （ 5）铝合金及不锈钢材料。 2.2.5 轴承 的选用 本设计滚珠丝杠支撑采用角接触球轴承，角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。 选用洛阳众悦精密轴承公司的角接触球轴承 7201 型号。 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 9 2.3 本章小结 本章主要介绍了激光雕刻机工作原理，并且确定了总体方案，就是设计一个基于 XY 工作台的激光雕刻机。分析了伺服电机、滚珠丝杠、导轨、联轴器、轴承等零部件的功能，确定自己设计所用的类型。 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 10 第三章 机械结构部件的选型与计算 3.1 丝杠的选型设计 5,8,10,12,14,15 已知 : 工作台重量 NW 100 ，工作台最大行程 mmLk 200 ，工作台导轨的摩擦系数：动摩擦系数 1.0 ，静摩擦系数 2.00 ，快速进给速度min/9max mV ，定位精度 m25 ，重复定位精度 m10 ，要求寿命 20000 小时，电机最大转速 m in/3000m ax rn 。 表 3-1 校核数据 工作方 式 纵向切削力)(NPxi 垂 向切削力)(NPzi 进给速度 min)/(mVi 工作时间百分比 (%) 丝杠轴向载 荷 )(NFi 丝杠转速 min)/(rni 工作进 给 0 0 6 80 100 120 快速进 给 0 0 9 20 100 180 （ 1） 确定滚珠丝杠副导程 maxmaxniVPh (3-1) hP ： 滚珠丝杠符的导程 mm maxV ： 工作台最高移动速度 min/m maxn ：电机最高转速 min/r i ： 电机与滚珠丝杠副直联时 取 由表 3-1 所示 min/9max mV m in/3000m ax rn 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 11 代入 式（ 3-1） 得 mmPh 3 取 圆整得 mmPh 5 （ 2） 确定当量转速与当量载荷 各种工作方式下，丝杠转速 hii pvn (3-2) in ： 丝杠转速 min/r 2,1i iv ：进给速度 min/m 2,1i 查表 3-1 所示 6,9 21 vv 代入 式（ 3-2） 得 120,180 21 nn 各种工作方式下，丝杠轴向载荷 zixii PWPF 1 (3-3) 代入 式（ 3-3） 得 NFi 100 当量转速 1 0 01 0 0 2211 tntnnm (3-4) mn ： 当量转速 min/r 21,tt ： 工作时间百分比 查表 3-1 所示 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 12 80,20 21 tt 代入 式（ 3-4） 得 132mn 当量载荷 3 22321131 100100mmm ntnFntnFF (3-5) mF ： 当量 载荷 N 代入 式（ 3-5） 得 NFm 100 （ 3） 预期额定动载荷 按预期工作时间估算： cawmmham fffFnLC 100603 (3-6) amC ： 预期额定动载荷 轻微冲击（ 如表 3-2 所示 ）取 3.1wf 工作时间取 20000hL 精度等级（ 如表 3-3 所示 ）取 9.0af 可靠性 97%（ 如表 3-4 所示 ）取 44.0cf 代入 式（ 3-6） 得 NCam 1600 表 3-2 负荷性质 fw 负荷性质 无冲击 轻微冲击 伴有冲击或震动 fw 11.2 1.21.5 1.52 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 13 表 3-3 精度系数 fa 精度等级 1， 2， 3 4， 5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.7 表 3-4 可靠性系数 fc 可靠性 90 95 96 97 98 99 fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载 NF 100max 计算： maxFfC eam (3-7) 表 3-5 预加负荷系数 fe 预加负荷类型 轻预载 中预载 重预载 Fe 6.7 4.5 3.4 轻载荷（如表 3-5 所示） 取 7.6ef 代入式（ 3-7）得 NCam 670 取以上结果的最大值，所以 得 NCam 1600 （ 4） 确定允许的最小螺纹底径 估算丝杠允许的最大轴向变形量 根据公式 ： 14131 m(3-8) 25141 m(3-9) 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 14 m ：最大轴向 变形量 考虑到重定位精度为 m 101 ,定位精度为 m 252 ,取二者的最小值， 带入式（ 3-8）、式（ 3-9） 可以得出 mm 3 估算最小螺纹底径 由于丝杠采取一端固定，一端自由的支撑形式，所以有： mkmmLFELFd 002 0 7 8.010102 (3-10) 其中 E 为杨氏弹性模量， 25 /101.2 mmNE 静摩擦力 ： NWF 201002.0100 (3-11) 将数据带入公式 （ 3-10） 得： mmd m 8.22 （ 5） 传动系统刚度校核 丝杠的抗压刚度 ： 2.0 101.24 01 6.0 52 LAEK s （ 3-12） )/(0 0 8.2 1 1 mN 丝杠副内滚珠与滚道的接触刚度： )/(350 mNKc 轴承的接触刚度： )/(1500 mNK B 螺母座的刚度： )/(1000 mNK H 由于丝杠采用 固定 -支撑 的固定方式，所以根据公式： 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 15 HcsBe KKKKK1112 11 (3-13)带入式（ 3-13） 可得出 丝杠拉压刚度 ：)/(98.111 mNK e (3-14) 丝杠的扭转刚度 丝杠的扭转刚度 ： mNxGJK pT/96.21125032161024.844(3-15) 运动部件重量换算到丝杠轴上的转动惯量 ： 222210122.0102kgmLWJ(3-16) 丝杠上传动件的转动惯量 ： 33-1068.7 kgmJ z 丝杠的转动惯量 ： 2512-44102327 8 5 038.0101632kgmldJs扭转震动的固有频率 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 16 m in/18 0m in/33 831021068.710120 553532rrJsJJKWzWtT(3-17) 综上所述， 根据计算得出的预期额定动载荷 amC 、导程 hP 和选定的滚珠丝杠类型确定规格代号。 (6)确定滚珠丝杠副的规格代号 型号 ： 汉江滚珠丝杠厂 DFU 1605-4 公称直径： 16 导程 ： 5 螺纹长度： 330 丝杠全长： 380 3.2 伺服电机选型 加在电机轴上的负载惯量的大小，将直接影响电机的灵敏度以及整个伺服系统的精度。当负载惯量 5 倍以上时，会使转子的灵敏度受影响，电机惯量 JM和负载惯量 JL 必须满足： 51 MLJJ (3-18) 由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的部件的惯量， 并按一定的规律将其相加得到。 （ 1） 、滚珠丝杠的转动惯量 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 17 35124411021038.01632 7 8 0014.332mkgLdrJ(3-19) （ 2）、 工作台的转动惯量 22 2 LWJ(3-20) 工作重量 kgW 10 ，代入式（ 3-20）得： 2222 1012 2.010 mkgJ 所以电机的惯量 带入式（ 3-18）得 ： 2222 101102.0 mkgJmkg M (3-21) （ 3）、确定电机的额定转矩 工作台加速和加工力所引起的当量力矩 ： 21 spmspmThFM (3-22) 其中 sp 丝杠的传动效率 9.08.0 代入式（ 3-22） 得 mNM mT .088.02005.09.0100 丝杠加速度： max2 ahspsp (3-33) )/(8 4 0.18 2srad 丝杠加速所需要的转矩： 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 18 spMasp JT (3-34) 电机惯量 MJ 取 22101 mkg 由丝杠加速度引起的当量力矩 ： TtTM aaspmsp 4(3-35) 由式 (3-33) (3-34)代入式（ 3-35） 可得： NmM m sp 07536.0 所以滚珠丝杠传动机构的总当量力 矩 公式为 ： m spmTms MMM (3-36) 代入式（ 3-36） 可得： NmM ms 16336.0 电机轴的加速度： spspM ihai m a x2 (3-37) 代入式（ 3-37）可得： sradM /840.18 电机的加速转矩 代 入式（ 3-38）得 ： NmJT MMma 1884.0, (3-38) 由电机加速度引起的当量力矩： T tTM aaMMam 4, (3-39) 代入式（ 3-39） 得： NmM Mma 0 7 5 3 6.0, 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 19 作用在电机轴上 的当量力矩： Mmamsm MMiM , (3-40) 代入式（ 3-40） 可得： NmM m 2569.0 所以电机的额定转矩应为： mM MM 25.10 (3-41) 故 代入式（ 3-41）得： NmM om 514.0385.0 (3-42) （ 4）、 确定电机的额定功率 电机的额定转速： vspoM vihn60 (3-43) 代入式（ 3-43） 可得： m in/1200rnoM 电机的额定功率： OMOMOM MP (3-44) OMOM n602 (3-45) 最后 代入（ 3-44） 得电机的额定功率： KWKWPOM 0 6 5.00 4 8.0 (3-46) （ 5）、 由以上数据选伺服电机 电机型号： SGMAH02A 额定功率： 0.2KW 额定转速： 3000r/min 最大转速： 5000r/min 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 20 额定扭矩： 0.637N M 最大扭矩： 1.91N M 3.3 联轴器的选型 联轴器的具体型号的选取主要依赖于电机轴和滚珠丝杠轴端的尺寸。 联轴器与电机链接采用平键传递扭拒及螺丝紧固，由于属于小型 /微型系统，故链接采用传统常见形式。 载荷计算：公称转矩 mNnPT637.030002.095509550根据计算及尺寸要求 本设计采用了 广州菱科自动化设备有限 公司 LK2 系列联轴器，既夹紧螺丝固定螺纹式联轴器。型号 为 SLK2-C150-1214M，公称转矩为 7.5Nm，如图 3-1 所示。 图 3-1 夹紧螺丝固定螺纹式联轴器 3.4 本章小结 本章主要是对数控激光雕刻机的机械部分，即 XY 数控工作台进行设计。 工作台 涉及到 AC 交流伺服电机，滚珠丝杠副，联轴器零件的相关设计计算、选型及 校核。 根据设计要求，选择出符合要求的零部件。 激光雕刻机结构设计及 运动仿真 21 第四章 结构三维建模 4.1 Solidworks 简介 4.1.1 SolidWorks 的发展和荣誉 SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，由于技术创新符合 CAD 技术的发展潮流和趋势， SolidWorks 公司于 两年间成为CAD/CAM 产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得 SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999 年获得全球微机平台 CAD 系统评比第一名；从 1995 年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从 1999 年起， 美国 权威的 CAD 专业杂志CADENCE 连续 4 年授予 SolidWorks 最佳编辑奖，以表彰 SolidWorks 的创新、活力和简明。至此， SolidWorks 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它， 设计师 大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。 由于使用了 Windows OLE 技术、直观式设计技术、先进的 parasolid 内核（由剑桥 提供）以及良好的与 第三方软件 的集成技术， SolidWorks 成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的 SolidWorks 软件使用许可约28 万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品 /消费品、离散制造等分布于全球 100 多个国家的约 3万 1 千家企业。在教育市场上，每年来自全球 4， 300 所教育机构的 近 145， 000名学生通过 SolidWorks 的培训课程。 据世界上著名的人才网站检索，与其它 3D