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I激光雕刻机结构设计及运动仿真AbstractLaserengravingprocessuseCNCtechnologyasbasic,anduselaserasprocessingmedia,Processingmaterialsunderthelaserinstantaneouslymeltingandgasificationofphysicaldegeneration,toachievethepurposeofprocessing.Laserprocesshasnotouchwiththesurfaceofmaterials,notaffectedbymechanicalmotioninfluence,thesurfacewillnotdeformation,doesntneedtobefixed.Ithasthecharacteristicsofprocessingaccuracy,highspeed,canbeusedinextensivedomain.ThisarticledesignedalaserengravingmachinebasedontheXYtablesstructure,XYtableisalotofthebasicpartsofelectromechanicalintegrationequipment,modularCNCXYtable,usuallybyrailseat,movetheslider,table,Ballscrewpair,andtheservomotorandothercomponentscomposition.Inthispaper,Iusedsolidworkssoftwaretocompletethethree-dimensionalmodelingoflaserengravingmachinesstructure,andusedADAMSsimulationsoftwarewithMotionSimulation.Inrecentyears,alongwiththecomputerimageprocessing,computergraphicsinthecross-penetrationoflaserprocessingfields,andbecauseofitsprocessingobjectwide,littledeformation,highprecision,fastcarving,convenientoperation,savingenergy,pollutionsmall,distantdistanceprocessing,automationandothersignificantadvantages,itsgettingmoreandmoreimportantroletoimproveproductqualityandproductivity,machiningprocessautomation,eliminatepollutionandreducethematerialconsumption.Thus,thisarticlehasveryimportantstudysignificance.Keywords:Laserengraving，CNCXYTable，MotionSimulationII目录第一章绪论.11.1激光雕刻的基本现状及发展背景.11.1.1激光雕刻的基本现状.11.1.2激光雕刻的发展背景.31.2选题意义.4第二章激光雕刻机总体结构设计.62.1激光雕刻的原理.62.2确定总体方案.62.3机械传动部件的选择.72.2.1丝杠螺母副的选用.72.2.2伺服电动机的选用.72.2.3导轨的选用.82.2.4联轴器的选用.82.2.5轴承的选用.82.3本章小结.9第三章机械结构部件的选型与计算.103.1丝杠的选型设计.103.2伺服电机选型.163.3联轴器的选型.203.4本章小结.20第四章结构三维建模.214.1SOLIDWORKS简介.214.2激光雕刻机主要零件三维视图.224.3激光雕刻机装配图.284.4本章小结.30第五章运动学分析机仿真.315.1ADMAS简介.31III激光雕刻机结构设计及运动仿真5.2模型的建立.315.3模型的直线运动分析.325.3.1模型为匀速运动仿真分析.325.3.2模型为变速运动仿真分析.365.4本章小结.39第六章结论与展望.406.1结论.406.2技术经济分析.406.3对进一步研究的展望.41参考文献.42致谢.44声明.45附录.46IV激光雕刻机结构设计及运动仿真第一章绪论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10.6m，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1激光雕刻机结构设计及运动仿真开，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2激光雕刻机结构设计及运动仿真图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-coupledDevice,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3激光雕刻机结构设计及运动仿真低。(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转速、进给率、上下刀速控制方式控制功率、速度、DPI等加工参数度等加工参数材料固定非接触式加工，大部分材料直接摆放夹具、真空吸附等各种方式固方式就行定工作物主要耗材是镜片，只要保养妥善，使主要耗材是刀具，因为是接触耗材用寿命相对较长式加工，刀具的耗损量很大以矢量方式进行雕刻：雕刻时可雕刻矢量或点陈文件：雕刻时间只雕刻特性间与工作面积和工作内容成与工作面积成正比正比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4激光雕刻机结构设计及运动仿真的。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。5激光雕刻机结构设计及运动仿真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6激光雕刻机结构设计及运动仿真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2-1XY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。7激光雕刻机结构设计及运动仿真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。8激光雕刻机结构设计及运动仿真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。9激光雕刻机结构设计及运动仿真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W100N，工作台最大行程Lk200mm，工作台导轨的摩擦系数：动摩擦系数0.1，静摩擦系数00.2，快速进给速度Vmaxm，定位精度9/min25，重复定位精度10，要求寿命20000小时，电mm机最大转速nmax3000r/min。表3-1校核数据工作纵向切削力垂向切削力进给速度工作时间百丝杠轴向载荷丝杠转速方式Pxi(N)Pzi(N)Vi(m/min)分比(%)F(N)in(ri/min)工作进给00680100120快速进给00920100180（1）确定滚珠丝杠副导程VPmax(3-1)hinmaxP：滚珠丝杠符的导程mmhV：工作台最高移动速度m/minmaxn：电机最高转速r/minmaxi：电机与滚珠丝杠副直联时取由表3-1所示V9maxm/minnmax3000r/min10激光雕刻机结构设计及运动仿真代入式（3-1）得Pmmh3取圆整得Pmmh5（2）确定当量转速与当量载荷各种工作方式下，丝杠转速vn(3-2)iiphn：丝杠转速r/mini1,2iv：进给速度m/mini1,2i查表3-1所示v19,v26代入式（3-2）得n1180,n1202各种工作方式下，丝杠轴向载荷FiPW1P(3-3)xizi代入式（3-3）得Fi100N当量转速ttnnnm1(3-4)212100100n：当量转速r/minmt：工作时间百分比1,t2查表3-1所示11激光雕刻机结构设计及运动仿真t20,801t2代入式（3-4）得nm132当量载荷ntntFFF3113223m1100100n2nmm(3-5)F：当量载荷Nm代入式（3-5）得FNm100（3）预期额定动载荷按预期工作时间估算：FfC60Ln(3-6)mw3amhmff100acC：预期额定动载荷am轻微冲击（如表3-2所示）取1.3fw工作时间取L20000h精度等级（如表3-3所示）取0.9fa可靠性97%（如表3-4所示）取0.44fc代入式（3-6）得Cam1600N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fw1.5212激光雕刻机结构设计及运动仿真表3-3精度系数fa精度等级1，2，34，5710fa1.0表3-4可靠性系数fc可靠性909596979899fc10.620.530.440.330.21拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax100N计算：CfFam(3-7)ema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轻载荷（如表3-5所示）取6.7fe代入式（3-7）得Cam670N取以上结果的最大值，所以得CNam1600（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：11m(3-8)34111m(3-9)45213激光雕刻机结构设计及运动仿真：最大轴向变形量m考虑到重定位精度为110m,定位精度为225m,取二者的最小值，带入式（3-8）、式（3-9）可以得出m3m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：10FLFLd210(3-10)00k20.078mEmm其中E为杨氏弹性模量，E2.1105N/mm2静摩擦力：F0.2100200WN(3-11)01将数据带入公式（3-10）得：dmm2m2.8（5）传动系统刚度校核丝杠的抗压刚度：00165.22.110AE4Ks（3-12）L0.221100(8N/m)丝杠副内滚珠与滚道的接触刚度：Kc350(N/m)轴承的接触刚度：KB1500(N/m)螺母座的刚度：KH1000(N/m)由于丝杠采用固定-支撑的固定方式，所以根据公式：14激光雕刻机结构设计及运动仿真11111KeKKKK2BscH(3-13)带入式（3-13）可得出丝杠拉压刚度：K11198(N/m)e.(3-14)丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度：KTGJxp416328.24104250211.96N/m(3-15)运动部件重量换算到丝杠轴上的转动惯量：2LJW220.2102110kgm22(3-16)丝杠上传动件的转动惯量：Jz7.6810kgm-33丝杠的转动惯量：Jsdl432164100.38-123278502105kgm2扭转震动的固有频率15激光雕刻机结构设计及运动仿真WTJWKtJzJs31102205537.681025103(3-17)338r/min180r/min综上所述，根据计算得出的预期额定动载荷C、导程amP和选定的滚珠丝杠h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DFU1605-4公称直径：16导程：5螺纹长度：330丝杠全长：3803.2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：J1LJM5(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16激光雕刻机结构设计及运动仿真rJdL41323g5164m3120.3810(3-19)（2、工作台的转动惯量2LJ(3-20)W22工作重量W10kg，代入式（3-20）得：20.2J211010kgm222所以电机的惯量带入式（3-18）得：0.210kgmJkgm2110(3-21)2M22（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：1sphMF(3-22)mTmsp2其中sp丝杠的传动效率0.80.9代入式（3-22）得0.100005MmT0.088.Nm0.92丝杠加速度：2a(3-33)spmahsp18.840(rad/s2)丝杠加速所需要的转矩：17激光雕刻机结构设计及运动仿真TaspJ(3-34)Msp1kgm1022电机惯量JM取由丝杠加速度引起的当量力矩：4TtM(3-35)aspamspT由式(3-33)(3-34)代入式（3-35）可得：Mmsp0.07536Nm所以滚珠丝杠传动机构的总当量力矩公式为：M(3-36)msMMmTms代入式（3-36）可得：MNmms0.16336电机轴的加速度：2asp(3-37)maxMihisp代入式（3-37）可得：M18.840/rads电机的加速转矩代入式（3-38）得：TJa,mMM0.1884Nm(3-38)由电机加速度引起的当量力矩：4TtM,aMa(3-39)ma,MT代入式（3-39）得：Ma,0.07536NmmM18激光雕刻机结构设计及运动仿真作用在电机轴上的当量力矩：iMmMMmsa,m,M(3-40)代入式（3-40）可得：MNmm0.2569所以电机的额定转矩应为：M0M1.52M(3-41)m故代入式（3-41）得：Mom0.3850.514Nm(3-42)（4、确定电机的额定功率电机的额定转速：60noMv(3-43)vhisp代入式（3-43）可得：noM1200r/min电机的额定功率：P(3-44)OMMOMOM2OMn(3-45)OM60最后代入（3-44）得电机的额定功率：POM0.048KW0.065(3-46)KW（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/min19激光雕刻机结构设计及运动仿真额定扭矩：0.637NM最大扭矩：1.91NM3.3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T9550Pn0.2955030000.637Nm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。20激光雕刻机结构设计及运动仿真第四章结构三维建模4.1Solidworks简介4.1.1SolidWorks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WindowsOLE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3DCAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。4.1.2Solidworks软件特点Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误21激光雕刻机结构设计及运动仿真以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。本文主要应用三大工具栏：草图工具栏（如图4-1所示），特征工具栏（如图4-2所示），装配工具栏（如图4-3所示。图4-1solidworks草图工具栏图4-2solidworks特征工具栏工具栏图4-3solidworks特征工具栏4.2激光雕刻机主要零件三维视图工件工作台是用来使工件随工作台产生位移的媒介，工件加工过程中，被定位在此台面上。它还起到将Y方向平台连接到X方向上的作用。在solidworks18软件中使用拉伸、阵列等特征建模，如图4-4、图4-5所示。22激光雕刻机结构设计及运动仿真图4-4工作台建模步骤图4-5工件工作台模型一维导向系统安装平台用来安装各导向系统部件的支撑定位块及导轨。如图4-6、图4-7所示。在solidworks中利用拉伸、阵列等特征建模。23激光雕刻机结构设计及运动仿真图4-6支撑定位块及导轨滑块效果图图4-7XY工作台安装支撑台交流伺服电机，它为激光雕刻机提供所需动力。在solidworks中利用拉伸特征建模，如图4-8所示。24激光雕刻机结构设计及运动仿真图4-8安川交流伺服电机滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动。在solidworks中利用拉伸，扫描切除等特征完成建模。如图4-9、图4-10、图4-11、图4-12所示。图4-9滚珠丝杠建模步骤25激光雕刻机结构设计及运动仿真图4-10滚珠丝杠模型图4-11滚珠丝杠局部放大图图4-12滚珠丝杠螺母副联轴器用来连接滚珠丝杠和电机轴。26激光雕刻机结构设计及运动仿真在solidworks中利用扫描、拉伸、镜像等特征完成建模。如图4-13、图4-14所示。图4-13联轴器建模步骤图4-14夹紧螺丝固定螺纹式联轴器采用角接触球轴承用来支撑滚珠丝杠。在solidworks软件中，利用拉伸、扫描切除、旋转等特征完成建模，如图4-15所示。27激光雕刻机结构设计及运动仿真图4-15角接触球轴承4.3激光雕刻机装配图首先，新建一个装配体，然后把各个零件载入，使用各种配合特征把零件一一装配，如图4-16、图4-17、图4-18、图4-19所示。图4-16螺杆、螺母及轴承装配图28激光雕刻机结构设计及运动仿真图4-17装配体所使用的配合特征图4-18X方向工作台装配图29激光雕刻机结构设计及运动仿真图4-19激光雕刻机整体结构图4.4本章小结Solidworks软件具有强大的三维建模功能，本章主要是利用solidworks软件对激光雕刻机的各主要零部件及激光雕刻机整体进行三维建模，利用软件的草图模块、特种模块及装配模块。建模对象主要包括滚珠丝杠、交流伺服电机、联轴器、工作台等，然后再生成激光雕刻机的装配图以完成建模工作。30激光雕刻机结构设计及运动仿真第五章运动学分析机仿真5.1ADMAS简介ADMAS是英文AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems的缩写，提供了强大的建模仿真环境，能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析。与其他CAD/CAE软件相比，具有十分强大的运动学和动力学分析功能。在当今动力学分析软件市场上，拥有很大的市场份额，广泛应用于机器人、航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备和工程机械等领域。ADMAS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便的对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADMAS软件包括核心模块ADMAS/View基本环境、ADMAS/solvers(求解器)以及其他扩展模块有ADAMS/PostProcessor(仿真后处理模块)、ADAMS/Controls(控制模块)、ADAMS/Linear(系统模态分析模块)、ADAMS/Flex(柔性分析模块)、MECHANISM/Pro（Pro/E接口）、ADAMS/FEA(有限元模块)、ADAMS/Tire(轮胎模块)、ADAMS/Car(轿车模块)、ADAMS/Rail(机车模块)、ADAMS/Exchange(图形接口模块)等等，其中ADAMS/View、ADAMS/Solver以及ADAMS/PostProcessor和ECHANISM/Pro是最常用的模块。5.2模型的建立尽管ADAMS19软件中提供了三维几何建模的工具，但其功能较弱，对于复杂的三维模型需要花大量的时间来完成建模工作，且不能保证模型的尺寸精度和装配位置精度。本文利用solidworks软件完成激光雕刻机三维实体建模工作，把建好的几何模型转换和导入到ADAMS/View环境中，而后在ADAMS/View环境下对样机几何模型添加约束、载荷等，并进行仿真分析。要将solidworks中创建的三维实体模型导入到ADAMS环境中，两种软件必须具备相同的几何数据转换模块，先将solidworks的数据转换成中性(不依赖于sw系统)，然后将中性数据通过几何数据模块转换成ADAMS数据。对于31激光雕刻机结构设计及运动仿真s