毕业论文-数控激光雕刻机的设计

激光数控雕刻机的设计 I摘 要 本文主要阐述了数控激光雕刻机的硬件和软件部分的系统控制的设计。 文章介绍激光雕刻原理, 分析了当前激光雕刻机在工业上的用途， 并主要介绍了开放式数控激光雕刻机机床的系统构成。 文中介绍了其中激光器的选型, 综合考虑时空激光雕刻机在实际生活中的应用以及其控制系统的成本与性能,在本文中提出了由驱动器来驱动步进电机二维运动控制系统以及通过步进电机来带动滚珠丝杠运动的设计方案,并分析了设计中的几个关键问题。提出的控制方案均成功应用于激光雕刻机,在提高雕刻加工效率的同时,明显改善了系统稳定性。 本文涉及的雕刻机主要是通过运动控制卡控制步进电机带动丝杠传动，在由丝杠带动工作台运动。 在本次设计工作中主要的工作就是设计雕刻机的外型尺寸以及工作台X轴和Y轴方向的运动行程，通过计算对步进电机以及与之配套的驱动器的进行选择，根据步进电机的主轴转速等来确定丝杠的几何参数，最后确定其型号。控制系统的软硬件的设计主要是对运动控制卡的选择和相关线路的链接。 关键词 ：激光器，数控，激光雕刻机 数控激光雕刻机的设计 IIAbstract This article was aim to design the control system about the hardware and software of CNC laser engraving machine. The paper introduced the principle of laser engraving and analysis laser engraving machines application in industrial field in current. Laser, a part of the machine is selected in the paper. Based on application in real life and the cost of the machines control system, a theory that driver put forward the stepper motor control systems and two-dimensional movement through the stepper motor driven ball screw to Campaign was designed in this paper. Also several key issues were analysis in the paper. The control programmers are successfully used in laser engraving machine, while enhancing the efficiency of the carving process, improve the system stability. The engraving machine designed in this paper is mainly controlled by motion control card lead screw drive stepper motor driven, driven by the screw table movement. The main work in the design is to design engraving machines shape or size and the campaign trip of X-axis and Y-axis direction of table. Through the calculation to choose the stepper motor and its accompanying driver, according to Step Motor spindle speed and other parameters to determine the screw of the geometric parameters, the finalization of its models. The design of control systems software and hardware is mostly did a choice of movement control card and related lines of the link. Key words: laser ， CNC, laser engraving machine 数控激光雕刻机的设计 III目 录 第一章 前言 1 1.1 选题背景1 12研究意义3 1.3 国内外激光雕刻技术的发展状况及差异4 第二章 数控激光雕刻机的总体设计 6 2.1激光雕刻机的概述及其工作原理 6 2.2激光传输方式的设计 8 2.3 雕刻系统电机其他部件的选择10 2.4 其他部件的设计 14 第三章 数控激光雕刻机的机械设计 20 3.1 传动系统的选择20 3.2 滚珠丝杠副的选择22 3.3 进给运动系统设计36 第四章 数控激光雕刻机控制系统的设计 43 4.1 控制系统硬件的设计43 4.2 控制系统软件的设计53 第五章 结论与展望 60 5.1 设计总结60 5.2 数控激光雕刻机的发展方向60 5.3 数控激光雕刻机的技术难点62 第六章 经济性分析 64 参考文献 66 致谢 68 激光数控雕刻机的设计 - 1 -第一章 前 言 1.1 选题背景 手工雕刻是一种工匠型的劳动，它是雕刻师高智能和高技能的综合活动。雕刻成品是否成为珍品完全取决于雕刻师对艺术的理解、对材料的感觉、雕刻技巧的发挥和孜孜不倦的精神，这不是普通人所能胜任的。也正是由于如此，雕刻成为一种艺术、一种文化和一种精神的象征。 雕刻技术起源于艺术品的加工，但是由于其深厚的文化内涵和精湛的成品效果促使雕刻走入了工业生产领域。雕刻技术在进入工业生产的初期主要工作是产品形态的细节精细修整和产品的文字图案雕刻。传统的手工雕刻是以刀斧凿为工具，无论从生产效率和精度上都难于适应工业生产的需要，因为工业生产毕竟与艺术创意不一样。这样应运产生了机械仿形雕刻加工。机械仿形雕刻的出现为雕刻进入工业起到了巨大的推动作用，尤其是图案和文字的雕刻能力加速了模具产业的发展速度，为雕刻这一艺术型的工艺在工业领域中广泛使用奠定了扎实的基础。 机械仿形雕刻仍还是一种手工雕刻，它在雕刻精细产品的效率、批量成品的一致性、曲面产品的雕刻、与计算机设计技术的接口等方面明显存在着弱势，上述弱势阻碍着雕刻技术在现代工业中的应用广度。 随着工业产品的开发速度加快，尤其是计算机设计的广泛应用，工业产品的形态更加丰富，变化更加迅速，这样对制造业提出了新的要求，一批以计算机控制为基础的数控设备进入了机械加工工业。这样促使以计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术、计算机数控技术(CNC)为核心的数控雕刻技术成为了推进雕刻走入工业领域的主流。由于数控雕刻对象的特点为图案复杂、造型奇特、成品精细，决定了数控雕刻的工作方式为小刀具的高速铣削，事实上这也正是数控雕刻的专业优势，缘由是数控雕刻是在干常规大刀具无法加工的业务。正由于数控雕刻特有的专业特点，使其在模具雕刻业和广告雕刻等行业得到广泛的应用1。 数控雕刻技术是在工业领域中计算机辅助设计技术(CAD)、 计算机辅助加工技术(CAM)、计算机数控技术(CNC)、高速铣削技术(HSM)等相关技术的基础上发展起数控激光雕刻机的设计 - 2 -来的。在其发展的过程中又根据雕刻应用的特殊性综合了广告业的艺术设计和造型技术使得数控雕刻技术成为一门独特的专业技术。 激光是20世纪60 年代初期兴起的一项新技术，由于其具有单色性好， 高亮度和方向性好的特点，对各个技术领域产生了巨大的影响。而近年来的基于CNC技术 的激光雕刻机作为一种机、光、电、算相结合的高科技产品也在市场上出现，其应用相当广泛，市场需求量很大。 由于雕刻加工自身的特点，出现了一部分不同于普通数控加工的方法，如模仿书法提笔的雕刻加工。它采用了刀尖形状为大角度的锥刀，充分利用刀尖的形状、文字或图形的外形来决定三维雕刻区域的深度，使外形包络区域越宽的地方加工越深，越窄的地方加工越浅，然而普通数控加工是根据现有曲面的形状来决定加工的深度。特别是形状复杂的诸如工艺品之类的产品，难以采用普通数控加工的零件的编程与造型方法。因此，对于难以用数学模型来表达描述的曲面如何造型一直成为数控雕刻技术发展的一个关键问题，成为影响数控雕刻技术发展的一个重要原因2。 随着社会的进步和科学技术的发展，各学科之间的交叉渗透己成为学科发展的重要特色之一。对于基于图像的物体特征的识别及雕刻加工技术，以往多偏重于设备的研究，对于机器视觉等相关学科的交叉研究还远远不够，极大地影响了雕刻技术的推广应用。机器视觉是一个相当新且发展相当迅速的研究领域，并成为计算机科学的重要研究领域之一，广泛应用于各个方面，有力地促进了相关联的应用领域的发展。本研究按学科交叉原理，将机器视觉技术引入雕刻加工领域中，以基于图像的二维轮廓特征的识别及线性三维曲面重构技术作为雕刻加工技术研究的结合点和起点，该研究不仅有重要的学术价值，而且有重要的实际意义。 随着激光技术和计算机、电子及自动化技术的飞速发展及其在工业中的广泛应用，计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术己经成为制造工业的主要生产方式。另一方面由于世界市场竞争的日益激烈，为了在竞争中求生存、求发展，必须加快产品的更新换代、提高质量、降低成本，以带来更高的技术上经济上的效益，因此产生了对激光雕刻技术的巨大需求。基于图像的雕刻的数控激光雕刻系统正是激光雕刻技术应用领域的一个重要分支。它可以广泛地应用于许多广告、艺术品、建筑、石材、鞋模、高标模等行业上。 数控技术以及激光技术的发展使传统的机械设计与制造发生根本性的变化。数数控激光雕刻机的设计 - 3 -控雕刻机床是一台很有特色已具备一定加工功能的经济型数控机床。随着 AutoCAD绘图软件在机械设计及制造中的广泛应用，结合 AutoCAD的图形数据，本文针对复杂曲线加工要求，对扩展数控机床的曲线加工功能进行分析和研究5。 1.2 研究意义 由于数控激光雕刻机在雕刻中的准确性、可靠性和精确性上大大超过了机械雕刻机和电脑雕刻机，数控激光雕刻机的激光雕刻技术己经在工业雕刻和其他领域里得到了很好的发展，并取得了很好的效果。并且数控激光雕刻机是采用数控机床模式结合光学系统，雕刻切割速度快，精度高，性能稳定，整机使用寿命长。传统的激光雕刻机是采用反射镜反射的方法，将激光从激光器传输到被加工材料表面。这种雕刻机对稳定性有较高的要求，成本高，并且对几个反射镜的调节也比较困难。本系统则利用传能光纤传输 CO2激光能量进行雕刻的新方法。该方法通过耦合器将激光能量耦合到传能光纤中，通过移动光纤的输出端完成激光雕刻的任务。这种激光雕刻是一种无磨损、效率高的新工艺，解决了光学透镜存在的偏转和稳定问题，使刻线在任何地点都保持均匀，功率恒定，图形光滑，且适合大范围加工。如图1-1所示，描述了数控激光雕刻机的整体结构。 图 1-1 数控激光雕刻机的结构简图 数控激光雕刻机的设计 - 4 -1.3 国内外激光雕刻技术的发展状况及差异 在发达国家的加工业中，已逐步进入了“光加工”时代了。例如在日本，到2000年为止， 激光加工占整个加工行业的百分之十以上。 激光加工不仅技术先进，而且经济效益显著。目前，一些国际性大公司积极采用先进的激光加工技术，以提高竞争力。如西门子公司在它的一条流水线上就采用了400多台激光器，美国在2000年用于材料加工的激光器达到20000台。 在我国，激光加工市场前景广阔，预计平均以每年百分之二十到百分之三十的速度递增。激光雕刻作为激光加工技术的重要组成部分因此也得以广泛应用于众多领域。这些领包括手工艺品、电子元器件、航至、量具、汽车零部件、刃具、不锈钢制造等， 。除了这些成熟的应用之外，近年来，山于某些激光技术的进一步发展，激光雕刻取得了重要的新的突破性。这些新的突破使得激光雕刻能够在越来越多的领域中取代传统的雕刻方式，而成为常规的加工方式甚至形成了新的工业标准。尽管如此，我们在激光雕刻控制系统的可靠性、稳定性以及整体化、智能化、自动化等方面，与国外的差距仍然很大，而这也就制约了我国激光雕刻技术进一步的发展和推广。具体现在以下几个方面: 1.3.1 激光器质量 作为激光雕刻机械核心的激光器质量仍就是制约激光雕刻技术发展的关键因素之一。这是因为激光器的输出参数，例如功率、能量的稳定性、光束的质量以及器件的可靠性等都会影响着激光雕刻的成品率以及效益。因此，发展和完善激光检测技，提高激光光束质量，这是激光雕刻应用技术首先需要解决的关键问题，也是促进整个激光雕刻行业的一项重要的措施。而采用光束质量的实时在线监测并控制调整刻机械的工作状态则是保证激光雕刻质量的重要措施之一。目前，国外商品化的激雕刻装置几乎都配备了激光监视系统和可供用户参考的工艺参数和方案，而国内则无检测系统与整机配套的定型产品。激光雕刻工艺技术，激光雕刻质量的保证和提高在很大程度上是取决于成熟的激光雕刻工艺技术，即定激光雕刻的最佳工艺参数。它是随着激光技术的发展并且经过大量的应用研究与实践而逐渐积累完善起来的。可以这么说，激光雕刻技术的发展实际上就是雕刻工技术的提高。 数控激光雕刻机的设计 - 5 -1.3.2 高速传动与精密定位系统 就图像雕刻而言，目前，在国内生产开发的激光雕刻控制系统主要是单片机控制微机控制。前者虽然价格低廉，工作稳定，但是只能完成一些非常简单的图形(如线、圆弧多边形等)雕刻，即用于线画图的雕刻;后者虽然能雕刻出各种复杂的图以及图像，但是，它们大多都是以二值化形式呈现的黑白图像，目前采用的大多为步进电机驱动器，它不能进行精确定位，运动进行精密的控制。就驱动控制单元来去的重复性差，也没有对计算机控制控制台带动激光头移动并控制激光器的聚光头的开关状态可完全与黑白一二值图像的。而不能雕刻多灰度图像。 数控激光雕刻机的设计 - 6 -第二章 数控激光雕刻机的总体设计 2.1 激光雕刻机的概述及其工作过程 近年来，大型激光加工设备通常采用光束移动的方法，称为“飞动导光” 。在激光加工中“，飞动导光”系统同光束固定的导光系统相比，具有更大的灵活性、更高的加工速度以及更低的制造成本，但在这样的系统中，光束的传输距离是变化的。在这样大的传输距离下，如果采用普通的机械导光臂传输激光，激光的聚焦光斑直径、焦平面和聚焦焦深，在不同的位置将发生很大的变化，这会对激光加工质量带来严重的影响，限制了激光加工的范围。因此，市场上常见的激光加工系统加工范围普遍偏小。所以我们在此次设计中要结合以前的优点，再来把以前的不足加以补充，使之更加完美。在此次设计中我们采用图2-1所示的结构图进行设计。 图 2-1 激光雕刻系统的结构图 首先当你设计一种产品时，你应该了解其工作流程和工作原理，数控激光雕计算机 通信接口 控制器 CCD X 方向步进电机 Y 方向步进电机 激光器 数控激光雕刻机的设计 - 7 -刻机的工作原理是通过计算机接口把你所要雕刻的图样编成程序，然后通过电机的驱动器来驱动电机的运转来使工作台产生走向，同时，运动控制卡控制着激光的开关来进行激光雕刻，其激光雕刻的工作流程如图2-2所示： 图 2-2 激光雕刻系统的工作过程 图2-3所示是我们此次设计的数控激光雕刻机的实物图。 扫描图像 图文编辑 显示样稿 键修样稿 激光雕刻仪 数控激光雕刻机的设计 - 8 -图 2-3 数控激光雕刻机 2.2 激光传输方式的设计 2.2.1 激光系统的介绍 激光雕刻系统，由于采用传能光纤代替原有光路，通过耦合器将激光能量耦合到传能光纤中，经由光纤输出的激光能量对被加工材料进行雕刻。这不仅解决了现有激光雕刻设备普遍雕刻范围偏小的问题，还提高了输出激光的稳定性增加了激光能量的转换效率。 目前，激光雕刻机的激光扫描方式均为振镜扫描式和全反射镜式。数控激光雕刻系统是利用耦合器将激光耦合到传能光纤中，通过移动光纤输出端实现大幅面积的雕刻。 利用光纤传输的优越性传统的激光雕刻机是采用反射镜反射的方法，将激光从激光器传输到被加工材料表面。这种雕刻机对稳定性有较高的要求，成本高，并且对几个反射镜的调节也比较困难。 2.2.2 对现有的控制系统的光路的改进 数控激光雕刻机的设计 - 9 -本系统则利用传能光纤传输 ,CO2 激光能量进行雕刻的新方法。该方法通过耦合器将激光能量耦合到传能光纤中，通过移动光纤的输出端完成激光雕刻的任务。这种激光雕刻是一种无磨损、效率高的新工艺，解决了光学透镜存在的偏转和稳定问题，使刻线在任何地点都保持均匀，功率恒定，图形光滑，且适合大范围加工。 现在的雕刻机光路都是利用反射镜或是机械关节导光臂来实现激光的转向和聚焦的，由于多关节机械导光臂产生运动误差的积累，难以保证激光传输的准确性；另外反射镜与聚焦镜属于耗材，如果不及时保养，雕刻产生的烟尘积累就会腐蚀镜片表面的镀膜，镀膜破损的镜片不能充分反射、透射激光，反而会吸收激光产生的热量，影响雕刻效果。采用光纤及配套密封的聚焦透镜设计光路，光在光纤中传输，能防止外面因素（粉尘）污染聚焦头及反射镜，而且由于光纤中传输的激光模式非常好，聚焦后的光斑非常理想，具有半径小，圆度高，能量稳定等的特点。 图 2-4 激光耦合原理图 图示2-4为激光通过耦合器进入光纤中的原理图。由激光器（1）发出的 CO2 激光束经反射镜（2）转向 90o 后进入光学系统（3）中。把光纤（4）的入射端面对准光学系统（3）的焦点，并且保持光纤入射端的光轴与光学系统光轴重合。数控激光雕刻机的设计 - 10 -传能光纤（4）的输出端固定在运动系统的支架（5）上，控制系统使支架（5）在工作台（6）上按照雕刻图案进行运动。从图中可以看出它节省了反射镜的数量，从而避免了多个反射镜的偏转及振动引起的光束偏差，使得激光光斑在雕刻的任何位置大小一致，适合于大范围雕刻加工，而且这种用传能光纤传输 CO2 激光能量的光路系统结构简单，调整方便可行。此外，由于激光经耦合器在光纤中传输，在实现雕刻时，避免了环境的影响。 2.2.3 光纤传输激光雕刻机的构成及原理 在该系统，采用传能光纤代替机械导光臂作为光路传输 CO2 激光能量，由于传能光纤具有良好的传输性能和柔性传输的特点，解决了原有激光雕刻系统雕刻范围与雕刻质量的问题，使所开发的激光雕刻系统有了更多更广泛的应用。 我们自行设计和试制的激光雕刻系统为了能够体现了数控激光雕刻机的雕刻的性能，要求其加工范围尽可能大，但是由于目前还是实验样机，只是一种原理的展示，过大又会造成不必要的浪费，所以我们综合考虑各方面因素，通过对目前激光加工设备的市场进行广泛的调查与研究，最终把雕刻范围确定在 12001400mm。 23 雕刻系统控制电机的选择 2.3.1 步进电机的概述 （1）步进电机的主要参数有： 电机固有步距角：它表示控制系统每发出一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8） ，这个步距角称为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。在没有细分驱动器时， 用户主要靠选择不同的相数的步进电机来满足自己步距角的要求。数控激光雕刻机的设计 - 11 -使用细分驱动器后，相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 保持转矩（Holding Torque） ：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 1.2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 1.2N.m 的步进电机。 （2）步进电机主要具有以下特点： 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 8090 度完全正常。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势， 频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率称为空载启动频率，即如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生失步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速） 。 2.3.2 步进电机的细分技术 步进电机是由脉冲电压供电的，对于一个电压脉冲，转子旋转一步即旋转一个步距角。 如果每次输入脉冲切换时， 只改变对应绕组中额定电流的一部分 （1/n） ，那么对应的每步转动角只会是原有步距角的一部分(/n)。通过电流的细分即可数控激光雕刻机的设计 - 12 -实现调整步进电机步距的大小，即将电机的步距角分成 n 等份，这种步进电机的控制方式称为步进电机的细分控制24。 233 步进电机种类 步进电机按产生转矩的方式可以分为 永磁体（permanent magnet ，PM）式 可变磁阻（variable reluctance ，VR）式（也称为反应式） 混合（hybrid ，HB）式。 各种步进电机的结构。 1、PM 式步进电机用沿圆周方向磁化的圆柱形磁体作转子，周围是定子，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下，驱动转子转动，步距角大，为 7.590，产生的转矩较小，启动频率低。这种电机多用于计算机的外围设备和办公设备。 2、VR 式步进电机用齿轮状的铁心作转子，周围是电磁铁定子。定子电磁铁与转子铁心之间的吸引力驱动转子转动。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。选择适当的定子和转子的齿数差可以减小步距角，使转子旋转平稳。这种电机的步距角一般为 0.915，能够产生中等的转矩。 3、HB 式步进电机是 PM 式和 VR 式的复合形式。在永磁转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与 PM 式相同，转子和定子的形状与 VR 式相似，所以称为混合式。为了减小步距角，可以在结构上增加转子和定子的齿数。这种电机的步距角一般为 0.915，能够产生较大的转矩，所以应用较广。 234 步进电机选择方法以及选择要求 1步进电机的选择方法： 选用时必须保证步进电机输出转矩大于负载所须转矩，使电机矩 频特性有一定余量，保证运行可靠，一般来说，最大静态转矩大的电动机，负载转矩也大； 满足产品的频特性要求，即保证负载惯量和产品所要求启动频率，与步进电动机相匹配并有一定余量，使最高工作频率满足产品快速性要求； 保证使步矩角和机械系统相匹配，以得到所需脉冲当量。 2步进电动机选用要求： 数控激光雕刻机的设计 - 13 -工作中步进电机能严格跟随指令脉冲，不发生失步、振荡； 能快速启动、停止、正反转和高效运转； 能够满足各项性能指标且具有良好的动态特性。 235 本次设计对电机的选用以及其电气接口 1本次设计电机的选用： 该系统采用直流步进电动机。对于给定的电机体积，直流步进电机产生的转矩比较大，因此采用直流步进电机可以使系统结构更为紧凑，而且直流步进电机的步距角做得较小，我们知道步距角越小机械系统对应的电机一步的直线位移就越小，这样我们可以使系统得到较高雕刻分辨率。 由于步进电动机不能直接接到交流电源上工作，因此需要使用与步进电机配套的步进电机驱动器对步进电机进行控制。我们选用北京四通电机公司生产的直流步进电机，先拟订X，Y方向运动都采用 57BYGH101 型步进电机。 此外，系统选择了与电机配套的SH2024A作为步进电机驱动器，通过驱动器可以实现从整步到 64 细分 8 种步进电机的细分模式和. 种不同的输出电流模式。 2步进电机的电气接口 如图 2-5 和图2-6步进电机驱动系统的电气接口通常包括三个部分： 1与上层控制的接口：一般有脉冲 cp 和方向 DIR 的接口， 2与电机的接口：通常是输出的 3输入电源的接口： 图 2.5 控制卡与步进电机接线图 数控激光雕刻机的设计 - 14 -图 2.6 步进电机驱动系统的电气接口图 2.4 其他部件的选择 2.4.1 联轴器选择 由于电机与滚珠丝杠之间不能直接相连接，要通过联轴器来连接，电机与丝杠之间选用了天津信达科技有限公司生产的连轴器，如图3-18所示： 图 3-18 SFC-SA2/DA2 联轴器 数控激光雕刻机的设计 - 15 -SFC-SA2/DA2联轴器特性： 对应洁净室（无尘车间） 可以在洁净度CLASS10000等级的洁净室内直接使用。 超高刚性 由于扭转刚性极高，因而可以实现正确的轴旋转和超精密控制。 无背隙 由于动力传达都是依靠摩擦结合，因此没有背隙，最适合超精密控制。 超低惯性 由于高力铝合金材料的使用以及夹紧毂尺寸和轴直径相吻合的形状，因而实现了超低惯性，最适合高速运转。 其技术参数如表2-1和表2-2所示 表2-1 容许扭矩N-M 0.5-0.6 插轴孔完成精加工N-M 4-30 使用温度 -30-+100 背见隙 零 最大容许误差 偏心mm SA2:0.02 DA2:0.05-0.34 偏角 SA2:0.5-1 DA2:0.5-1(单侧） 轴向位移mm SA2: 0.05-0.45 数控激光雕刻机的设计 - 16 -表 2-2 SFC-SA2 技术参数 型号 容许 扭矩 N.m 偏心 mm 偏角 轴向 位移 mm 最高 转速 min-1扭转弹 性系数 N.m/rad 轴向弹性系数N/mm形状类型 转动 惯量 Kg.m2 质量g SFC 0.8 0.02 1 0.15 10000 1400 140 C 0.57x10-611 2.4.2 激光器的选择及其使用 2.4.2.1激光器的选择 由于传能光纤具有以下性能：1.良好柔性，易弯曲，可以满足控制光束传播方向的要求；2.传输效率高，损耗低；3.输出能量稳定；4.使用寿命长。因此，本文开发的激光雕刻系统中采用了南 京来创激光科技有限公司生产的型号为CWQ-1000的二氧化碳激光器,其事物图如图3-19所示。应用传能光纤提高了激光加工导光系统的柔性化程度和光转换效率。应用传能光纤作为激光雕刻系统的光路，代替现在较多使用的机械导光臂光路，是该系统的最大创新之处。 图 3-19 微电脑控制 CO2激光器:CWQ-1000 数控激光雕刻机的设计 - 17 -本次设计我选用南京来创激光科技有限公司生产的 CWQ-1000 型激光器，该激光器的性能参数如下： 额定输出功率: 1000W 最大输出功率: 1200W 超强脉冲功率 2 倍额定输出功率 功率可调范围 100W最大 超强脉冲 1 光束发散角 1.3 mrad 光束直径 16 mm 工作气体 He、N2、CO2 纯度 99.996% 功率消耗 32KVA 考虑到该激光器体积小，容易夹持。并且输出功率大还能用CO2 做原料有速度快，精确度，高质、重复性雕刻无接触性、灵活性、耐久性等优点。 2.4.2.2激光器的使用 微电脑控制CO2激光器用于控制激光电源，使激光管输出连续、脉冲、定时脉宽的智能型控制系统，它由电源开关、连续工作按钮、脉冲工作按钮、定时工作按钮和功率显示按钮、脉宽显示按钮、间隔时间显示按钮、确认按钮等输入按钮以及相应的指示灯和多功能显示屏组成。 一、连续工作状态 在开机状态下，按“连续”按钮，相应指示灯亮，按下“确认”后，再按下手动开关，这时激光管连续输出激光，多功能显示屏显示激光功率的百分比。 二、脉冲工作状态 在开机状态下，按“脉冲”按钮，相应指示灯亮，按下“确认”后，再按下手动开关，这时激光管输出脉冲激光，其导通时间及间断时间可通过“脉宽”按钮，“间断”按钮及“加”“减”按钮配合调整，其显示时间的单位为*10ms，如显示：100，则为：100*10ms=1s。 三、定时工作状态 在开机状态下，按“定时”按钮，相应指示灯亮，按下“确认”后，再按下手动开关，这时激光管输出给定时间的激光后自动关闭。其时间的调整可用“脉宽”按钮及“加”“减”按钮配合调整。单位为：10ms。 数控激光雕刻机的设计 - 18 -以上三种工作状态下的功率调整均可用“功率”按钮组合“加”“减”按钮加以调整，显示屏显示的功率值均为功率的百分数。 注：每调整一次参数后都应重新确认方可工作。 开关机顺序： A、开机 先开激光电源后开控制器电源。 B、关机 先关激光电源后关控制器电源。 2.4.2.3工作台的设计 1精密双坐标XY数控工作台 数控双坐标工作台采用滚珠丝杠副和滚动导轨副传动结构，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。本次设计的工作台如图3-15所示。 双坐标XY数控工作台可广泛应用于测量、激光焊接、激光切割，涂胶、插件、射线扫描、机械手、搬运、机床改造、专机制造及实用教学等领域。可根据用户实际需要选择步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机驱动。 1、SZH轻载型双坐标数控工作台 工作行程：50*50 mm - 300*300 mm 2、SZHT重载型双坐标数控工作台 工作行程：50*50 - 600*600 mm 3、SZHK加重型双坐标数控工作台 工作行程：50*50 - 1000*1000 mm 2精密工作台的选择原则 工作台分单、双坐标（DZH、DZHT、DZHK、SZH、SZHT、SZHK）共6 个系列，另有三坐标工作台等都可根据客户的要求进行设计制作。 SZH、SZHT、SZHK型双坐标工作台是由两台型号一致、工作行程相同的DZH、DZHT、DZHK型单坐标工作台叠加组合而成。组成原则是上层工作台行程一定要小于或者等于下层工作台行程。 数控激光雕刻机的设计 - 19 -图 3-15 SZH双坐标工作台 3数控双坐标工作台产品特点 WINDOWS平台，中文操作系统，使用简单方便； 最高速可达4MHz, 最大步长为268000000； 独立轴驱动、脉冲输出、恒速控制、速度控制、非对称直线加减速驱动、S曲线加减速驱动、连续插补驱动、固定线速度控制、位置控制、比较寄存器和软件限制功能、线性插补驱动、圆弧插补驱动、位模式插补驱动、输入信号滤波器、外部信号驱动、搜寻原位输入； 自动回原点功能,具有硬件限位功能； 可读回运动中实际位置（编码器输入） ； 为驱动电机提供脉冲、方向控制输出信号；可选择步进电机驱动，交流伺服驱动； 除XY轴限位，零位以外，I/O口提供8路光隔离输入及16路输出。 数控激光雕刻机的设计 - 20 -第三章 数控激光雕刻机的机械设计 3.1 传动系统的选择 3.11 滚珠丝杠结构原理 滚珠丝杠是一种高效进给丝杠，其滚珠在丝杠丝杆轴与螺母之间滚动。与传统滑动丝杠相比，本产品驱动扭矩最大仅为其三分之一，极为适合用于节省驱动电机功率。 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。滚珠丝杠传动的机构如图3-1所示。螺母上装有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为要滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 图 3-1 滚珠丝杠传动机构 滚珠丝杠副的滚珠循环方式分为内循环、外循环两种，内循环，珠在循环过程中始终与丝杠表面接触；外循环，滚珠在循环过程中，有一段离开丝杠表面。 3.1.2 滚珠丝杠副特性 数控激光雕刻机的设计 - 21 -滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。 以传动形式分为两种： （1）将回转运动转化成直线运动。 （2）将直线运动转化成回转运动。 传动效率高 滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%98%， 为传统的滑动丝杠系统的24倍，如图1.1.1所示，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动。 运动平稳 滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 高精度 滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 高耐用性 钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 高可靠性 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 无背隙与预紧 采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、轴向间隙可调整得很小，也能轻便地传动。若加入适当的预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更佳的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。 不自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 经济性差成本高 数控激光雕刻机的设计 - 22 -由于结构工艺复杂，故制造成本相对较高。 3.2 滚珠丝杠副的选择 3.2.1 滚珠丝杠副计算流程 图3-2所示为其对数控激光雕刻机的传动系统选择滚珠丝杠的过程。 图3-2 滚珠丝杠副的选择流程 数控激光雕刻机的设计 - 23 -3.2.2 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠的支承主要有以下四种，由于支承方式不同，使容许轴向载荷及容许回转转速也有所不同，客户应根据自身情况适当选择。 图3-3为 固定-固定方式，此种支承方式的特点： 图 3-3固定-固定 1丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高转速、高精度。 2结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推理轴承的预紧力。 3轴向刚度最大。 4适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装。 5适用于较长的丝杠安装。 6进行预拉伸后可减少丝杠自重变形和补偿热膨胀，使刚度更高。用于高精度高刚度的工作环境。 图 3-4 固定-支承 数控激光雕刻机的设计 - 24 -图3-4为 固定-支承方式，其支承方式的特点： 1 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度。 2 结构稍复杂。 3 轴向刚度大。 4 适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠的安装。 5 丝杠有热膨胀的余地。 推力球轴承应安置在离热源较远的一端。 图3-5为支承-支承方式 ，其结构特点： 图3-5 支承-支承 1结构简单。 2轴向刚度小。 3适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠的安装。 4对丝杠的热伸长较敏感。 5可以根据预计温升产生的热膨胀量进行预拉伸。 适用于中等转速，中精度。 图3-6为固定-自由方式，其结构特点： 数控激光雕刻机的设计 - 25 -图3-6 固定-自由 1结构简单。 2丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。 3轴向刚度较小。 4适用于较短的滚珠丝杠的安装和垂直的滚珠丝杠的安装。刚度，临界转速，压杆稳定性都较低。 适用于低转速，中精度，短轴向丝杠。 3.2.3 选取滚珠丝杠转动系统 如图3-7所示，其结构为数控激光雕刻机所选用的传动系统滚珠丝杠。其传动比设为 1，我们把雕刻过程中分为快速移动，精细雕刻，一般雕刻和强力雕刻等四种工作情况，其各自的雕刻时所用的参数，如下面的表3-1和表3-2所示。 图 3-7 滚珠丝杠传动系统说明图 W 工作台重量+工件重量 磨制丝杠(右旋) 数控激光雕刻机的设计 - 26 -轴承到螺母间距离(临界长度) ln= 1200mm 固定端轴承到螺母间距离 Lk= 1200mm 设计后丝杠总长 = 1600mm 最大行程 = 1200mm 工作台最高移动速度 Vmax= 14（m/min） 寿命定为 Lh= 24000工作小时。 = 0.1 （摩擦系数） 电机最高转速 nmax= 1800 （r/min） 定位精度： 最大行程内行程误差 = 0.035mm 300mm行程内行程误差 = 0.02mm 失位量 = 0.045mm 根据我们对以上丝杠的支承方式的概述， 在本次设计中我们选择了支承方式为(固定支承)其结构如图 所示。 图3-8 丝杠支承方式 W = 1241kg+800kg （工作台重量+工件重量） g=9.8m/sec2(重力加速度) I=1 (电机至丝杠的传动比) Fw=W g = 0.120419.8 2000 N(摩擦阻力) （3-1） 数控激光雕刻机的设计 - 27 -表3-1 运转方式 轴向载荷 进给速度(mm/min) 工作时间比例 快速移动 F1=2000 V1=14000 q1=15 精细雕刻 F2=4000 V2=1000 q2=25 一般雕刻 F3=7000 V3=600 q3=50 强力雕刻 F4=11000 V4=120 q4=10 Fa- 轴向载荷 （N） F - 切削阻力 （N） Fw- 摩擦阻力 （N） 从已知条件得丝杠编号： 此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求，所以螺母选形为：FDG（法兰式双螺磨制丝杠） 从定位精度得出精度不得小于P5级丝杠 FDG_-_X_R-_-P5-1600X_ 计算选定编号 导程 Ph0maxVnmaxI （3-2） = 14000/180007.7mm 在此为了安全性考虑：Pho =10(mm) 表3-2 运转方式 进给速度(mm/min) 进给转速(r/min) 快速移动 V1=14000 n1=1400 精细雕刻 V2=1000 n2=100 一般雕刻 V3=600 n2=60 强力雕刻 V4=120 n2=12 数控激光雕刻机的设计 - 28 -平均转速 nm= 1001qn1 + 1002qn2 + 1003qn3 + 1004qn4 （3-3） =100151400 + 10025100 + 1005060 + 1001012 266 minr平均载荷 mF =31003410033100321003144332211qnnqnnqnnqnnmmmmFFFF +（3-4） =31001026612310050266603100352661003100152661400311000700040002000 + 3902 N 时间寿命与回转寿命 Lh= 60nmL60=nL mhL （3-5） =2400026660 =383040000转次 额定动载荷 以一般雕刻时确定fW取 1.4 Ca=FmfW3106L（3-6） =39021.4310383040000639673 N 得：额定动载荷 Ca39673N 以Ca值从 FDG系列表及（丝杠直径和导程、丝杠长度表） 中查出适合的类数控激光雕刻机的设计 - 29 -型为： 公称直径： d0=40mm 丝杠底径： d0=33.9mm 导程：Pho=10mm 循环圈数：4.5 额定动载荷为：48244N。 丝杠编号： FDG 40 10R - P5 - 4.5 - 1600 _ 预紧载荷 F0a= Fmax/3=11000/3 3666 N （3-7） 丝杠螺纹长度 Lu=L1-2Le L1=Lu+2Le （3- 8） =1200+240=1280mm 丝杠螺纹长度不得小于1280mm加上螺母总长一半84mm(从系列表中查出螺母总长168mm)。 得丝杠螺纹长度 1364m。 在此取丝杠螺纹长度 L1=1400mm 则轴承之间的