激光雕刻机设计及主要零件基本工艺设计.doc

江 西 理 工 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：激光雕刻机设计及重要零件工艺设计专项题目：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：钱伟伟指引教师： 宋小军 职称：讲师时间：6月10日摘 要激光雕刻合用对象重要是精密细小和形状复杂零件，本文设计了一台由PLC控制激光雕刻机床，重要完毕了： （1）雕刻机基本构造和自由度分析，机床整体构造设计，X、Y轴构造设计计算、传动轴、直线导轨选取及其强度分析；对雕刻机运动速度和控制精度进行分析，激光雕刻机传动方案设计。几种雕刻机惯用传动机构比较，然后再依照激光雕刻机详细规定拟定各个模块传动方案。 （2）对常用传动机构：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，结合各自优缺陷拟定雕刻机传动机构，涉及雕刻机激光器X方向移动方案，Y方向移动方案。 （3）步进电机选型以及以步进电机为进给驱动驱动系统及其传动机构分析设计计算。 （4）对雕刻机某些重要零件，如垫板、光轴滑块、短轴进行工艺分析与制定，进一步熟悉其加工详细过程。 （5）理解PLC控制系统类型及功能，以及PLC机型选取、对被控对象激光器运动进行分析，明确激光器移动规定，制定电气控制系统方案。 总结：本文设计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国内制造业中正发挥出巨大优越性。核心词：PLC；激光雕刻机；构造设计；工艺设计；ABSTRACT Suitable 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.核心词：自动喷漆；机械手；机械构造设计；控制系统设计。Keywords:PLC;Laser engraving machine;Structural design;process design;目 录 第一章 绪论1 1.1激光雕刻及有关技术概述11.1.1激光雕刻技术11.1.2激光雕刻机国内外发展状况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系统基本构造51.2.2 PLC特点、应用领域和发展趋势51.2.3 PLC初步选取6 第二章 激光雕刻机总体设计72.1 雕刻机任务规定和基本构造72.1.1 雕刻机任务规定和技术参数72.1.2雕刻机基本构造和自由度分析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 雕刻机驱动方案拟定102.3 激光雕刻机传动方案设计102.3.1 常用传动机构102.3.2 各某些传动方案设计122.3.3电机选取132.3.4轴校核152.3.5轴承构造设计162.3.6键选取172.4 控制系统总体方案192.5 本章小结19 第三章 激光雕刻机机械构造设计20 3.1机械构造设计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 雕刻机总体构造243.2 本章小结25 第四章 激光雕刻机重要零件工艺制定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控制系统设计环节445.2 PLC机型选取455.3 PLC控制系统硬件设计465.3.1 硬件设计总体方案465.3.2 PLC输入输出设备拟定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 参照文献50 致 谢53第一章 绪论1.1激光雕刻及有关技术概述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高新技术，其本质是感知、决策、行动和交互四大技术综合，是当代研究十分活跃、应用日益广泛领域。雕刻机应用水平是一种国家工业自动化水平重要标志。国际原则化组织(ISO)对雕刻机定义是这样：“雕刻机是一种自动、位置可控、具备编程能力多功能操作机，这种操作机具备几种轴，可以借助可编程操作来解决各种材料、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重要研究类型，它并不是简朴意义上代替人工劳动，而是综合了人特长和机器特长一种拟人电子机械装置，既有人对环境状态迅速反映和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精准度高、抗恶劣环境能力。从某种意义上来说，雕刻机是机器进化过程产物，是工业以及非产业界重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少自动化设备。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、能在二维空间完毕各种作业机电一体化自动设备，适合于多品种、变批量柔性生产。它对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改进劳动条件和产品迅速更新换代起着重要作用。1.1.2激光雕刻机国内外发展状况一、国内研究现状：当前，随着激光雕刻设备在应用技术、工艺上开发推广，激光平面打标、雕刻设备制造销售已呈现良好上升态势。国内从事激光设备开发、制造、销售公司，以及代理国外激光设备公司迅速增长。竞争也日趋激烈。但是，国内市场合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。某些精细三维模具雕刻依然依托电脑机雕，或者是手雕。但是机雕和手雕均有极大弱点和局限，制约了某些精细工艺发展。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，国内老式机械精雕设备做得最佳是北京精雕，其在解决精细雕刻模具方面赢得了巨大市场和成功。但由于机械刀雕先天局限，仍有诸多高精端雕刻无法实现。一某些领域，不得不借助高超手工工艺，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，其重要是运用功率较强激光打标机销往模具制造行业，当前销售态势良好。但由于其雕刻技术只能雕刻平面文字与图案，离激光三维雕刻尚有一段距离，因此当前其在该领域还不能大展身手。激光三维精雕系统（英文名字：3D laser engraving system）是激光设备家族里又一新成员，是激光技术进步又一重要标志，是模具制造业利器。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二维或三维形状。同步它与当前水晶内雕机有本质区别，水晶内雕机三维概念是一定密度点云导致感觉上立体图像，并且只能应用在水晶工艺品上。而激光三维精雕机是通过精准CAD软件技术实现三维立体实体空间雕刻，因而它不但可以应用在普通产品精加工领域，还可以应用模具制造领域。 国内雕刻机市场上，有诸多国内外品牌，通过近年发展，形成了北京精雕、南京四开等品牌，与国外日本牧野、森精机以及美国哈斯竞争。这些公司无论是在设计、制造，还是其雕刻质量，都具备非常成熟技术，但对于中小型公司及个人来说，其产品高昂价格在一定限度上阻碍了雕刻机技术应用推广。这也正是当前小型雕刻机迅速在中小型公司和个人之间得以发展因素之一。雕刻机在印刷领域广泛应用，使得雕刻机雕刻头研究也变得广泛起来。张策1在杭州包装工程上刊登文章中简介了惯用电雕系统雕刻头构造原理和特点，涉及转动式和直动式电磁铁，同步概述了正在研究压电陶瓷雕刻头。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手段之一，将激光加工技术列为重点发展高技术产业，但愿能在光技术全盛时代 21 世纪初期处在领先地位。 年，激光在工业应用方面飞速迈进，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，比上年增长 23%，激光在金属加工市场应用领域比上年增长10%2,3。当前全球有超过 4000 家激光加工站，按其销售量分，美国、日本和欧洲约各占 1/34。 日本激光加工技术发展特点是，建立工业界、大学和官方联合开发体制，在某些重要领域由国家选定发展目的，集国家和私人财团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重要因素之一，例如日本通过巨资收购居世界第三位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重要技术，迅速发展了本国激光加工技术能力。 德国大量投资于商品化激光加工机生产线。德国激光加工业成功发展战略是，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应用。当前在德国诸多工科大学都开设激光加工课程并建立激光应用研究所，其重要研究内容是激光技术在各工业部门应用，特别强调研究要面向公司与工业部门需求。除承担国家科研项目外，还承办航空航天、汽车、造船等工业部门提出各种激光加工课题，通过研究成果充分显示激光加工优越性并解决工业生产中许多难题，不断拓展激光加工市场。例如，德国奥迪汽车底板所需钢板宽度超过市场供应最大宽度，采用其他办法焊接会破坏镀锌层，导致防锈性能和冲击性能恶化，而采用激光焊接不减少钢板韧性，可在焊接后冲压成型5；德国奔驰汽车厂用激光焊接车门，与过去老式办法相比，变形明显减小、焊缝平整，节约大量打磨和整型时间，每辆汽车节约工时 70 min，成本减少 70 马克。随着激光加工技术在德国各工业部门推广应用，某些制造大功率激光器厂家迅速建立并逐渐壮大。如德国西门子公司买下美国光谱物理公司在德国分公司，建成洛芬辛纳公司，当前该公司已成为世界上最大工业激光器厂商，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水平，对激光应用方面投资也在逐年增长，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 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，消除了过去采用老式办法切割，管子变形，且切口毛刺多弊病6。国外，当前已有设备商开发出相应激光三维雕刻系统与应用，并已将销售触角伸入国内。有几种商家代理该类设备，但尚无样机，其售价在100万元以上。如加拿大VIRTEK公司研制FOBA.G-SERIES，当前也重要应用在模具雕刻行业。相信三维雕刻会是激光雕刻一种很重要发展方向7。激光加工技术从最初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，特别以光纤激光器最为关注。老式激光行业中大某些重要厂商都在宣布进军光纤激光器市场，有甚至推出了详细产品，这是行业内发生一种重大事件8。 日本牧野9在FANUC数控系统基本上进行了二次开发，控制系统增长了独特功能，不但缩短了工时，也保证了工件在高速加工条件下精准形状精度。此外，开发高速主轴和CAD/CAM具备热变形小、振动小以及适合小刀具加工特点。而北京精雕10针对小刀具，同样开发了专业高速电主轴以及精雕专用数控系统JD45，并且，有效集成了CAD/CAM软件JDPaint，可以直接将零件表面加工成镜面级表面质量。不但如此，集光、机、电于一体激光雕刻机则预示着雕刻技术当代以及将来发展方向。激光雕刻机不但精度高、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,保证了工件加工质量。对于雕刻机在老式木工领域内，吴善旺12历经3年，通过不懈努力，靠过硬能力自主研发用于四轴木工立体雕刻机刻系统，并开发了专用软件。更重要是，这两大创造均申请了专利。她创造用于雕刻人体塑像、佛像、仿古雕刻、夹具、石头等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、工艺品加工行业难题。电脑雕刻行业发展，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。1.1.3激光雕刻机自动控制技术一种完善雕刻机系统，必要由一种完善机械系统和相应控制系统构成。一种完善机械系统是雕刻机完毕各种任务工作必要条件：激光器工作台能把激光器移动到工作区域中任意预定位置，并且保持任意预定姿态，末端控制器能完毕诸如X方向、Y方向移动等操作。雕刻机控制器功能是控制机械系统运动和操作，以满足工作规定。在各种工作中，雕刻机运动重要体现为末端操作器沿着预定途径移动并保持预定姿势，在运动中或在预定某些位置上完毕工作规定操作。为了实现雕刻机上述各种功能，每个雕刻机都配有相应控制器。雕刻机控制器14由一组硬件和软件构成，相称于雕刻机“大脑”。作为雕刻机系统不可分割一某些，雕刻机控制系统工作原理、构造和雕刻机功能、精度规定均有密切关系。随着计算机科学和自动化水平不断提高，人们在各种领域内大量采用计算机控制系统。计算机控制系统应用使得科学研究、工农业生产、工艺实践效率大大提高，同步也大幅度提高了产品和成果质量。可编程序控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)是应控制领域规定而浮现，具备功能强、可靠性高、容易维护、应用灵活、体积小能耗低等长处，合用于开关量逻辑控制、运动控制、顺序控制和过程控制，可以进行数据解决15，可以构成控制网络，是具备完整控制功能和数据解决功能工业控制计算机。1.2 PLC控制技术概述PLC(可编程控制器)是以微解决器为基本，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等当代科技而发展起来一种新型工业自动控制装置16。初期可编程控制器重要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术发展，当代可编程控制器功能已经超过了逻辑控制范畴。当代PLC不但可以完全胜任对大量开关量信号逻辑控制功能，还具备了很强数学运算、数据解决、运动控制、PID控制等模仿量信号解决能力。同步当代PLC联网通信能力大大增强，可以构成功能完善分布式控制系统，实现工厂自动化管理。1.2.1 PLC系统基本构造PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合产物，它按照顾客程序存储器中预先编制控制程序，通过输入接口采集现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作。图1-1 PLC系统基本构造PLC系统重要由中央解决单元(CPU模块)、信号输入腧出模块、电源和编程器等某些构成，如图1-1所示。1.2.2 PLC特点、应用领域和发展趋势1PLC特点作为一种新型工业自动控制装置，PLC具备如下特点：(1) 高可靠性和强抗干扰能力；(2) 丰富IO接口模块；(3)绝大多数PLC模块化构造，灵活性好；(4) 编程简朴易学；(5) 系统安装简朴，维修以便。2PLC重要应用领域由于PLC自身特点和优势，在工业控制中PLC已得到了广泛应用，涉及机械、冶金、化工、电力、运送、建筑等众多领域，应用范畴也在不断扩大。PLC重要应用领域涉及如下几种方面：(1)逻辑控制逻辑控制是PLC最基本应用，它可以取代老式继电器控制装置，如机床电气控制、各种电机控制等，可实现组合逻辑控制、定期控制和顺序逻辑控制等功能。(2)运动控制PLC使用专用运动控制模块，可对直线运动或圆周运动位置、速度和加速度进行控制，实现单轴、双轴和多轴位置控制，并使运动控制和顺序控制功能有机结合在一起。(3)闭环过程控制过程控制是对温度、压力、流量等持续变化模仿量闭环控制。PLC通过其模仿量I/O模块，及数据解决和数据运算等功能，实现对模仿量闭环控制。(4)数据解决当代PLC具备数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可以完毕数据采集、分析和解决等操作。这些数据可以与存储在存储器中参照值进行比较，也可以用通信功能传送到其她智能装置，或将它们打印制表。(5)通信联网PLC通信涉及主机与远程IO之间通信、多台PLC之间通信17、PLC与其她智能设备(如计算机、变频器、数控装置等)之间通信。PLC与其她智能控制设备一起，可以构成“集中管理、分散控制式分布式控制系统。3PLC发展趋势通过几十年迅速发展，PLC功能越来越强大，应用范畴也越来越广泛，其足迹已遍及国民经济各个领域，形成了可以满足各种需要PLC应用系统。随着市场需求不断提高，PLC发展体现如下趋势：向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展：过程控制功能不断增强；大力开发智能型Io模块；与个人计算机日益紧密结合；编程语言趋向原则化；通信与联网能力不断增强。1.2.3 PLC初步选取本设计制动雕刻机动作过程就是顺序运动，雕刻机运营时按照控制任务一步一步完毕加载待加工图片，激光器X向、Y向移动、雕刻等动作，因此采用PLC作为控制器非常适当。由于所学PLC型号为三菱FX2N，因此本毕业设计采用三菱FX2N系列PLC。 第二章 激光雕刻机总体设计2.1 雕刻机任务规定和基本构造 1、一方面必要满足如加工范畴、工作精度、生产率和经济性等等各种规定；2、保证明现既定工艺办法所规定工件和刀具相对位置与相对运动。在经济、合理条件下，尽量采用较短传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率；3、保证雕刻机具备与所规定加工精度相适应刚度、抗振性、热变形及噪音水平；4、应便于观测加工过程，便于操作、调节和维修，便于输送、装卸工件和清理，注意防护，保证安全；5、构造简朴，合理可靠，便于加工和装配。2.1.1 雕刻机任务规定和技术参数本次设计是激光雕刻机，它可以雕刻木材板、彩色纸质卡片，切断彩色纸质卡片、泡沫论文等，实现X、Y方向上移动；用该样机完毕简朴图形雕刻工作，此激光雕刻机有较好可靠性,安全性，合理性和经济性。依照以上对激光雕刻机理解，通过参照实际雕刻机大体尺寸，设定该雕刻机基本参数为：(1) 最大雕刻速度：50mm/s(2) 额定功率：200mW250mW /450500mW，(3) 物理尺寸(LWH)：620mm 620mm140mm，.(4) 工作区 (XY)：300mm350mm，(5) 辨别率：0.1mm(6) 可支持图片格式：JPG，PNG，BMP，GIF，DXF，(7) 激光类型：蓝紫光，(8) 波长：= 405nm，(9) 额定功率：200mW250mW /450500mW，各某些技术参数如表2-1所示： 表2-1 雕刻机重要技术参数2.1.2雕刻机基本构造和自由度分析本设计激光雕刻机基本构造分为三个构造模块，重要涉及：底座、舵机、支架、激光器等某些。共有2个自X由度(2个移动自由度)，示意图如图2-1所示。Y(1)激光器左右移动X；(2)激光器先后移动Y； 图2-1雕刻机自由度示意图该激光雕刻机雕刻对象是木板，钢板等重要材料，其中2个移动自由度使雕刻机自身可以保证激光器到达加工区域任意点位置。依照零件状况完毕雕刻规定。2.2 雕刻机驱动方案设计2.2.1 典型驱动方案比较当前惯用驱动方式重要有液压驱动、气压驱动、电机驱动等各种方式，各种驱动方式有其自身特点，在工业中液压和气压驱动应用很广泛，有些机床则同步采用各种驱动方式，这都视不同雕刻机特点和规定所定。下面对这些驱动方式特点进行比较，从中选出适合激光雕刻机驱动方式。1. 液压驱动液压驱动特点重要涉及：1) 驱动力和驱动力矩较大，移动时产生力可达100公斤；2) 速度反映性较好。由于被驱动件速度快慢取决于油液容积变化，因此当不考虑油液温度变化时，被驱动系统滞后也几乎没有，并且液压机构适量轻、惯性小，因而它速度反映性较好；3 )调速范畴较大，并且可以无级调速，易于适应不同工作规定；4) 传动平稳，能吸取冲击力，可以实现较频繁而平稳换向；5) 在产生相似驱动力条件下，液压驱动比其她驱动方式体积小、重量轻、惯性小；6) 定位精度比气动高，但比电机低；7) 液压系统泄漏对机构工作稳定性有一定影响；8) 油液中如果混入气体，将减少传动机构刚性，影响定位精度(产生爬行)；9）油液温度和粘度变化影响传动性能。液压驱动机械手多用于规定臂力较大而运动速度较低工作场合。2 .气压驱动气动驱动特点有：1) 通过调节气流，就可实现无级变速；2）由于压缩空气粘性小，流速大，因而气压驱动机械手动作速度快：3) 压缩空气可从大气中吸取，故动力源获得以便、价格低廉，并且废气解决以便；4)由于压缩空气粘度小，因而在管路中压力损失也很小，普通其阻力损失不到油液在油路中损失千分之一；故压缩空气可以集中供应，远距离输送；5)压缩空气压缩性较大，因而使机械手运动平稳性较差，定位精度较低，并且压缩空气排到大气中时噪声较大，此外还须考虑润滑和防锈等；6)压缩空气工作压力较低，致使机械手构造较大。因而，气压驱动机械手，惯用于臂力不大于30公斤、运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件较恶劣场合。3. 电机驱动电机驱动系统按电机功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。各种电机系统工作原理有很大区别，性能上也存在着较大差别。在这里，不对这些电机系统作一一简介。只是把电机驱动与液压和气压驱动做一种比较，从中得到结论。从文献中可知，电机驱动激光雕刻机可避免电能变为压力能中间环节，效率比液压和气压驱动要高；电机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大提高；此外，电动机依照运营距离及电机脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机18，可达到非常高位姿精确度，这些都是电机驱动长处。2.2.2 雕刻机驱动方案拟定在该雕刻机系统中，采用比较多是直流电动机。由于它可以达到很大力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反两个方向持续旋转运动平滑。因而，雕刻机激光器X、Y向移动都采用直流电动机。由于雕刻精度规定很高，因此采用直流电机控制。2.3 激光雕刻机传动方案设计为了提高雕刻机运动速度和控制精度，规定雕刻机传动机构具备构造紧凑、体积小、质量轻、无间隙和响应速度快特点。传动机构种类诸多，按性能可分为固定速比式和无级变速式；按运动方式又可分为回转一回转、回转始终线、直线回转、直线始终线。下面一方面简介几种雕刻机惯用传动机构，然后再依照激光雕刻机详细规定拟定各个模块传动方案。2.3.1 常用传动机构1齿轮传动机构齿轮传动长处是：瞬时传动比恒定，工作平稳性较高；传动比变化范畴大，可用于增速或减速；速度范畴大，节线速度可以从vO.1m/s到200m/s，甚至更高；传动效率高，高精度齿轮传动效率可达到=0.99；构造紧凑。其缺陷是：运转中有噪声、冲击和振动，并产生动载荷；无过载保护功能。由于传动轴相对位置和运动方向不同，齿轮传动种类诸多，详细参见表2-2。表2-2齿轮传动分类2丝杠螺母传动丝杠螺母传动分为静压式、滑动式和滚珠式等。雕刻机传动用丝杠具备构造紧凑、间隙小和传动效率高等特点，其中最惯用是滚珠丝杠。滚珠丝杠传动是在丝杠螺母间放入适量滚珠，使丝杠和螺母间滑动摩擦变为滚动摩擦螺旋传动。滚珠丝杠传动长处是：摩擦小、效率高、寿命长，普通状况下，其机械效率在90以上；由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差很小，无论是在低速还是高速时，摩擦扭矩几乎不变，因而敏捷度高，传动平稳；可通过预紧完全消除间隙。其缺陷是；不能自锁，必要增设制动或自锁装置；构造比较复杂，成本高。滑动丝杠传动构造简朴，便于制造，易于自锁，因而成本较低，但其重要缺陷是摩擦阻力大，传动效率低(普通为3040)磨损快，传动精度低等。静压丝杠螺母传动由于丝杠螺母间有刚性油膜，可用于传动精度高、定位精度高以及传动效率规定较高雕刻机中。3链传动机构链传动用于传递平行轴间回转运动，或把回转运动转换成直线运动。链传动种类较多，在雕刻机中重要使用精密套筒滚子链传动。这种传动机构已比较完善，应用很广泛。其特点是：体积小，传递动力较大，传动效率可高达095097；传动比大，从l/77；是一种无滑动挠性传动，平均传动比不变；可实现轴间距大传动；瞬时速比波动；磨损后链条易伸长，若无张紧装置，不适当用于方向变换传动中。4齿形带传动机构齿形带传动中把带和带轮接触面都制成相应齿形，靠齿啮合传递功率19，这种传动特点是：传动时无滑动，传动比精确，传动平稳；速比范畴大可达i=10；初始拉力小，轴及轴承不易过载；制造及安装规定严格，成本较高。5其他惯用传动方式在雕刻机传动机构中，惯用尚有钢丝绳传动机构、连杆传动机构及流体传动等。(1)钢丝绳传动可用于远距离动力传递。由于其体积小，质量轻，在雕刻机中得到了广泛应用。(2)连杆机构特点是用简朴机构可得到较大位移，而凸轮机构具备设计灵活、可靠性高和形式多样等特点。(3)气压传动比起其她传动运动精度较差，但由于容易达到高速，因此多数用在完毕简易作业搬运雕刻机上。(4)流体传动分为液压传动和气压传动。液压传动由液压泵、液压马达或液压缸构成，可得到高扭矩惯性比。(5)钢带传动适合于有限行程传动，其特点是传动比精准、传动件质量小、惯性小、传动参数稳定、柔性好、不需润滑、强度高。2.3.2 各某些传动方案设计1.雕刻机X方向移动方案雕刻机激光器X方向移动运动，选用同步齿形带传动，传动时无滑动，传动比精确，传动平稳；速比范畴大可达i=10；初始拉力小，轴及轴承不易过载。 考虑到安装位置规定，将步进电机和法兰安装在双孔梁上。步进电机输出扭矩和转速通过联轴器传送到传动轴上面，再通过传动轴上面同步带带轮，再通过同步带传送到双孔梁上面，最后再通过双孔梁传动到激光器上面，这样就把步进电机旋转运动转变为激光雕刻机激光器直线运动，只是传动效率相对来说有所减少。传动方案如图2-2所示。图2-2 X方向传动方案2. 雕刻机Y方向移动方案雕刻机Y方向水平移动，跟雕刻机X方向传动方案同样，通过使用同步齿形带，将步进电机旋转运动转变为激光器水平移动，这里就不再赘述。2.3.3电机选取1.底座电机选取激光器做水平直线运动时，一方面要克服摩擦阻力和启动过程中惯性力，因此驱动力F可参照公式： (3-1)式中：各支承处摩擦阻力()；启动过程中惯性力()，其大小可按公式(32)估算： (3-2)式中：底座支撑所有部件总质量(kg)；启动过程中平均加速度()，是速度增量与水平移动速度所用时间比值。依照激光器移动速度，速度从静止加速到工作速度增量为，所用时间，因此。已知支撑轴质量1kg，激光器质量2kg，法兰质量0.5kg，支撑板0.5kg，那么总质量就为7kg。依照公式(3-2)计算： 式中为摩擦系数，取为0.1依照公式(3-1)，驱动力折算到步进电机功率为式中为传动效率取80。因此底座步进电机功率是：依照计算出功率，步进电机选用42BYGH47型电机,该电机技术参数如下：额定电压12V扭矩4.4KG 减速比51电流1.68A 引线4线轴径8MM 机身长度47MM减速箱机身长度L1:43MM2立式电机选取 电机也重要是按照功率选取。激光器做移动时，除了要克服摩擦阻力和启动过程中惯性力外，尚有克服安装在法兰上其她部件重力。激光器做水平直线运动时，一方面要克服摩擦阻力和启动过程中惯性力，因此驱动力F可参照公式： (3-5)式中：各支承处摩擦阻力()；启动过程中惯性力()，其大小可按公式(32)估算： (3-6)式中：底座支撑所有部件总质量(kg)；启动过程中平均加速度()，是速度增量与水平移动速度所用时间比值。依照激光器移动速度，速度从静止加速到工作速度增量为，所用时间，因此口。已知支撑轴质量1kg，激光器质量2kg，法兰质量0.5kg，支撑板0.5kg，那么总质量就为7kg。依照公式(3-2)计算： 式中为摩擦系数，取为0.1依照公式(3-1)，驱动力折算到步进电机功率为式中为传动效率取80。因此底座步进电机功率是：依照计算出功率，步进电机选用42BYGH47型电机,该电机技术参数如下：额定电压12V扭矩4.4KG 减速比51电流1.68A 引线4线轴径8MM 机身长度47MM减速箱机身长度L1:43MM2.3.4轴校核 查机械设计实用手册知，轴扭转强度条件为 （3-3）扭转切应力，；T 轴所受扭转，；轴抗扭截面系数，；n 轴转速，r/min；P 轴传递功率，kW；d 计算截面处轴直径，mm； 许用扭转切应力，见表2-3。表2-3 轴惯用几种材料及值轴材料Q235-A、20Q275、35（1）45、/15 2520 3525 4535 55149 126135 112126 103112 97由上式可得轴直径 （3-4）式中，查表3-1.对于实心轴，则然后，本设计中取材料45#，则查表3-1取，P=0.75kw，n=1500r/min则有=9.06mm，而本设计中d=10mm，故满足校核规定。2.3.5轴承构造设计依照分析，轴上某些承受一定径向载荷，以选深沟球轴承安装较为合理。因而，查机械设计实用手册表4.2-57，初步选定深沟球轴承61800，预期计算寿命Lh=1500h。1、选取深沟球轴承计算轴颈上径向载荷查表4.2-57可知：