三轴联动激光切雕一体机设计【含CAD图纸、说明书】
【温馨提示】压缩包内含CAD图有下方大图片预览,下拉即可直观呈现眼前查看、尽收眼底纵观。打包内容里dwg后缀的文件为CAD图,可编辑,无水印,高清图,压缩包内文档可直接点开预览,需要原稿请自助充值下载,所见才能所得,请见压缩包内的文件及下方预览,请细心查看有疑问可以咨询QQ:11970985或197216396
压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘要激光切割和雕刻加工是以数控技术为基础,激光作为加工媒介,使待加工材料在激光的照射下,被照射部位温度瞬间升高,发生熔化和气化,从而达到去除材料的目的。为了提高三轴联动激光切/雕一体机的加工精度并尽可能的降低制造成本,应用现代CAD/CAE技术来设计和分析三轴联动激光切/雕一体机的相关零部件十分必要。本课题基于既定的性能指标,设计了一种基于同步带和滚柱丝杠传动的三轴联动激光切/雕一体机的机械结构。在整个设计过程中,首先对三轴联动激光切/雕一体机的发展状况进行了调研;其次根据设定好的性能指标,对机器进行整体的设计计算,并对关键零部件进行了校核;然后使用SolidWorks建模软件对三轴联动激光切/雕一体机进行了三维建模、整机装配以及运动仿真工作;最后再利用ANSYS完成对三轴联动激光切/雕一体机关键部件的静力学分析。主要完成工作如下:1)进行了充分的市场调研,对三轴联动激光切/雕一体机的多种设计方案进行了详细的对比分析之后,确定了三轴联动激光切/雕一体机的总体方案。2)根据所学知识设计三轴联动激光切/雕一体机,并使之达到设定的性能指标。3)使用SolidWorks建模软件对三轴联动激光切/雕一体机进行了三维建模、整机装配以及运动仿真工作。4)利用ANSYS对三轴联动激光切/雕一体机的关键部件进行了静力学分析,校核了方案的可行性和合理性。最后采购相关的零部件,进行了机器的实物装配。关键词 三轴联动;激光切/雕;运动仿真;静力学分析 AbstractLaser cutting and encarving are based on numerical control technology, and laser is used as the processing medium, so that the material to be processed is irradiated by laser, the temperature of the irradiated part rises instantaneously, melting and gasification, so as to achieve the purpose of removing material. In order to improve the machining precision of the three axis linkage laser cutting / encarving machine and reduce the manufacturing cost as much as possible, it is necessary to apply modern CAD/CAE technology to design and analyze the related parts of the three axis linkage laser cutting / encarving machine.Based on the established performance index, this paper designs a mechanical structure of three axis linkage laser cutting / encarving machine based on synchronous belt and roller screw drive. In the whole design process, the development of the three axis linkage laser cutting / encarving machine is investigated. Secondly, according to the set performance index, the machine is designed and calculated as a whole, and the key parts are checked. Then the SolidWorks modeling software is used to carry out the three axis linkage laser cutting / encarving machine. Three dimensional modeling, assembly and motion simulation work, and finally the static analysis of the key components of the three axis laser cutting / carving machine is completed by using ANSYS. The main work is as follows:1) After a full market investigation and a detailed comparison and analysis of the various design schemes of the three axis linkage laser cutting / encarving machine, the overall scheme of the three axis linkage laser cutting / encarving machine is determined.2) Design a three axis linkage laser cutting / engraving machine based on the knowledge, and achieve the set of performance indicators.3) Using the SolidWorks modeling software, the 3D modeling, assembly and motion simulation of the three axis linkage laser cutting / encarving machine were carried out.4) Using ANSYS to analyze the key components of the three axis linkage laser cutting / encarving machine, the feasibility and rationality of the scheme were checked. Finally, the relevant parts were purchased, and the physical assembly of the machine was carried out.Keywords three axis linkage laser cutting / encarving motion simulation statics analysisIII目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 三轴联动激光切/雕一体机的原理11.2 三轴联动激光切/雕一体机的发展现状11.3 本课题研究的内容及意义22 三轴联动激光切/雕一体机的总体方案设计32.1 三轴联动激光切/雕一体机的总体方案32.2 激光器的选型42.2.1 激光器的发展历程42.2.2 激光器的选型43 三轴联动激光切/雕一体机传动系统设计及计算63.1 电机的选型63.1.1 X向电机的选型63.1.2 Y向电机的选型63.1.3 Z向电机的选型73.2 同步带副的设计83.2.1 X向同步带副的设计83.2.2 Y向同步带副的设计103.3 滚珠丝杠副的设计123.4 导轨的设计163.4.1 X向导轨的设计163.4.2 Y向导轨的设计173.5 联轴器的选型174 三轴联动激光切/雕一体机控制系统的设计194.1系统硬件的设计194.2系统的控制软件205 基于ANSYS的静力学分析225.1 ANSYS简介225.2 直线导轨副静力学分析225.2.1 X向横梁静力学分析225.2.2 X向直线导轨静力学分析235.3 滚珠丝杠副静力学分析256 基于SolidWorks的整机3D建模及装配276.1 同步带副的建模276.2 滚珠丝杠副的建模276.3 直线导轨的建模296.4 联轴器的建模296.5 三轴联动激光切/雕一体机的装配及干涉检验307 基于SolidWorks的运动仿真367.1 仿真的意义367.2 运动仿真368 实物装配398.1 三轴联动激光切/雕一体机的实物装配398.2 三轴联动激光切/雕一体机的加工参数40结论42致谢43参考文献44591 绪论1.1 三轴联动激光切/雕一体机的原理激光虽然也是光,但它和普通的光存在着显著的不同,激光一般只在最初极短的一段时间内依赖自发的辐射,而此后的过程则是完全通过激辐射决定的,因此激光本身的颜色十分纯正,几乎是没有发散的方向性的,三轴联动激光切/雕一体机的激光器具有极高的发光强度。三轴联动激光切/雕一体机的工作原理是利用激光器产生激光,然后利用光学镜片的反射和聚焦,最终将聚焦后的光束照射到被加工物上,光能迅速转变为热能,在极短的时间里使得被照射部位温度上升,使其发生物理变化,从而在材料的表面雕刻或切割出设定的形状,从而达到加工目的。激光制造技术是一种具有巨大发展潜力的高柔性、绿色制造技术1。作为现代特种加工技术的一种,激光加工方式并不是传统的接触式加工,而是通过激光照射的非接触式加工。这种非接触式的加工方式跟传统的接触式加工相比,由于不存在接触摩擦力,加工速度更快,也不存在加工工具的损耗,而且加工精度更高、材料变形更小。就理论而言,激光加工方式可以加工多种材料,但具体的加工参数受到激光器功率的限制2。功率高的激光器可以在极短的时间内对加工位置释放大量能量,加工材料被照射部位温度会急剧升高,被照射部位的材料会被迅速去除,达到加工目的。激光切割与雕刻技术是将激光束汇聚到待加工材料表面,利用汇聚后激光的能量将加工材料表面熔化或气化形成痕迹以达到雕刻材料表面的目的3。激光切割与雕刻是激光加工方式的一种,属于热加工方式,加工效果不但受激光功率的影响,而且与加工速度和深度等都有密切关系。激光雕刻与切割主要是在被加工材料的表面进行,可以分为位图雕刻(切割)及矢量雕刻(切割)两类。1.2 三轴联动激光切/雕一体机的发展现状激光加工领域是一个极具发展前景的领域,激光被机械从业人员称为“最快的刀”,是20世纪最为重大的发明之一。经过各国科学家的不懈努力,激光加工技术日渐成熟,发展速度极快,被广泛应用于机械制造领域。随着激光加工优势的日益凸显,包括我国在内的各个工业大国都将激光加工技术的发展视为未来发展战略的重要一环。以美国为首的西方发达工业国家是激光加工的首创者,他们的研究时间长,经验丰富,技术成熟,是激光加工领域的领导者。例如加拿大的VIRTEK公司研发出了激光三维精雕系统(3D laser engraving system),在模具制造业中发挥着极为重要的作用。我国在激光研究领域起步晚,在激光加工领域属于追赶者。虽然在近年来国家加大了对相关领域的投入,使我国在激光加工领域取得了长足的进步,但我们也要看到我国在激光精密加工领域的严重不足,相关的技术水平与国外存在着的巨大差距,这使我国在一些核心元器件的制造领域仍要受到国外厂商的掣肘,对我国的工业发展极为不利。这次中美之间爆发的大规模贸易冲突更使我们清楚的认识到核心技术受制于人的后果,国家号召相关部门与企业瞄准技术前沿,攻克技术难关。我国的相关企业也充分认识到了自身的不足,加大了相关领域的研发力度,这一点是十分值得欣慰的。相信在科研人员的努力之下,我国在激光加工领域一定会奋起直追,达到世界先进水平。1.3 本课题研究的内容及意义本课题旨在设计一台三轴联动激光切/雕一体机,三轴联动激光切/雕一体机是一台用于雕刻和切割包括玉石、亚克力、塑胶、玻璃、竹木、皮革等材料在内的各种材质的激光雕刻和切割设备。随着现代加工发展对精密化与微细化的要求越来越高,传统的机械加工方式已经无法满足现代工业发展的需求。而激光加工方式作为一种现代加工方式,光斑直径可小到微米量级,且激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合,因而激光十分适合用于精密微细加工4。三轴联动激光切/雕一体机设计的主要内容有:三轴联动激光切/雕一体机的总体方案设计、传动系统设计计算及校核、机架的设计等,并按照国家标准绘制相关图纸。本课题要求设计的主要性能参数:最大幅面为1000mm600mm,雕刻速度为400mm/s,激光功率为60W,采用同步带传动方式,最小成形字符11mm,最大切割厚度7mm。在激光加工领域内,由于我们国家在相关方面的研究积累不足,发达国家不论是在设备的研发,还是市场经验的积累,都领先我们国家,我们要意识到自身跟发达国家的差距是非常巨大的。因此,我们需要根据实际情况,把握市场需求,研制出一套实用经济的设备。因此,本课题的研究具有一定的实际意义。2 三轴联动激光切/雕一体机的总体方案设计2.1 三轴联动激光切/雕一体机的总体方案三轴联动激光切/雕一体机的结构形式多种多样,本课题要求设计的主要性能参数:最大幅面为1000mm600mm,雕刻速度为400mm/s,激光功率为60W,采用同步带传动方式,最小成形字符11mm,最大切割厚度7mm。经过反复比较,结合设计的要求,最终确定下面的设计方案:本方案中采用的是固定龙门式结构,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。三轴联动激光切/雕一体机主要由控制系统、步进电机、XY向同步带副、XYZ向导轨、Z向滚珠丝杠副、联轴器等部分组成。三轴联动激光切/雕一体机的基本结构如图2-1、2-2所示。 图2-1结构原理图 图2-2结构原理图三轴联动激光切/雕一体机的Y轴方向是由两个平行直线导轨副和同步带副构成,X轴方向由一个横梁、直线导轨副和同步带副构成,X轴方向的横梁垂直置于在Y轴方向的两个平行的直线上;Z轴方向由两个与丝杠平行的导轨构成。三轴联动激光切/雕一体机的激光器安装在X方向导轨上,并由同步传动带带动在X方向导轨上运动,由滚柱丝杠带动在Z轴方向上运动;X方向的横梁的两端分别通过滑块连接在Y方向的两个直线导轨上,并且通过同步带带动在Y方向上运动,从而完成雕刻和切割加工。2.2 激光器的选型2.2.1 激光器的发展历程激光器能发射激光的装置。激光的英文laser 这个词是由最初的首字母缩略词LASER演变而来,LASER的意思是“受激辐射光放大器”英文的单词的缩写简略。“受激辐射”的概念是研发激光器的理论依据。20世纪40年代,在电磁辐射和其他微观粒子的研究中量子力学理论被广泛应用,这为激光器的研制工作提供了充分的条件。1953年微波量子放大器的诞生,加速了激光器的研制。随后科学家又把这一原理应用到了光波频率的研究中,为激光器的问世奠定了基础。1960年,世界上第一台激光器在美国诞生,激光器的大门由此被打开。此后,各种新型的激光器层出不穷,激光器的研制也成为激光研究领域的热点。2.2.2 激光器的选型从1960年休斯顿实验室的科学家梅曼采用脉冲氙灯抽运掺铬的红宝石,制成红宝石激光器以来,激光技术的发展蒸蒸日上,因其具备较好的方向性、单色性、相干性和高亮度等特点,在工业、农业、通信、娱乐、医疗、科研和国防等领域逐步产生深远影响。激光技术日渐成为了信息时代高新技术产业链中的关键一环,并成为一股重要的驱动力量,带动了人民生活的快速变化,推动着科研水平、国民经济建设、国防安全的战略性前进5。目前市场上激光器的种类多种多样,常用激光器的分为以下几类:(1)CO2激光器CO2激光器是一种常见的气体激光器,在气体激光器中的应用最为广泛。CO2激光器中,主要的工作物质由CO2、氮气、氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体,氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用,为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用6。CO2激光器具有以下特点:1)CO2激光器是以CO2、N2和He三种气体混合在一起作为工作物质的,相对于固体工作物质而言,气体工作物质均匀性良好;2)CO2激光器的单色性好;3)CO2激光器的谱线范围非常宽;4)CO2激光器能够的输出功率较大;5)CO2激光器的泵浦方式灵活方便。(2)准分子激光器准分子激光器,一般是利用相对论电子束或者横向的快速脉冲放电实现分子的激励,准分子激光器的输出波长非常短。准分子激光器具有以下特点:1)准分子的寿命极短;2)由于其荧光谱为一连续带,故可以实现波长可调谐运转;3)由于激光跃迁的下能级(基态)的离子迅速离解,激光下能级基本为空的,极易实现粒子数反转,因此量子效率很高,接近100%,且可以高重复频率运转。(3)Nd:YAG激光器Nd:YAG激光器是应用最广泛的一种固体激光器。Nd:YAG激光器具有以下特点:1)Nd:YAG激光器的体积小,使用方便;2)Nd:YAG激光器的加工的范围广泛,广泛使用于金属行业。根据实际应用的情况知道,CO2激光器非常适合用于非金属材料的加工;而准分子激光器在精密加工领域的应用十分广泛; Nd:YAG激光器在金属材料的加工方面的优势十分明显。综合考虑实际的设计情况,本设计选择CO2激光器。此激光器的主要性能参数如表2-1所示:表2-1 激光器性能参数表关键元件激光波长功率额定电流额定电压冷却方式光斑模式CO2封离式激光管450mm60W2A12V水冷点状图2-3 CO2封离式激光管3 三轴联动激光切/雕一体机传动系统设计及计算3.1 电机的选型3.1.1 X向电机的选型由设计参数可知以下条件:X轴负载最大重量:M=10kg;最大速度:Vmax=400mm/s。 (1)计算滚动摩擦力,根据参考文献8: G=Mg (3-1) F1=1G+f (3-2)式中 1滚动摩擦因数,1=0.0030.005,此处1=0.004。计算得: G=100N (3-3) f=105=50N (3-4) F1=0.04100+50=54N (3-5)计算最大静摩擦力F2:式中 2最大静摩擦因数,2=0.3。计算得:F2=80N。根据以上计算得:F2F1 (3-6)综上所述:F=F2=80N。(2)计算转矩假设同步带轮直径为40mm: T1=FD12=1.6Nm (3-7)由计算结果可知,三轴联动激光切/雕一体机的起动转矩为T=1.6Nm。因此,选用BYG型57步进电机,额定转矩为T=1.8Nm。综上所述:选择BYG型57步进电机,满足要求。3.1.2 Y向电机的选型由设计参数可知以下条件:Y轴负载最大重量:M=20kg;最大速度:Vmax=400mm/s。 (1)计算滚动摩擦力: G=Mg (3-8) F1=1G+f (3-9)式中 滚动摩擦因数,此处。计算得: G=200N (3-10) f=105=100N (3-11) F1=0.04200+100=108N (3-12)计算最大静摩擦力:式中 2最大静摩擦因数,2=0.3。计算得:F2=160N。根据以上计算得:F2F1 (3-13)综上所述:F=F2=160N。(2)计算转矩假设同步带轮直径为40mm: T1=FD12=3.2Nm (3-14)由计算结果可知,三轴联动激光切/雕一体机的起动转矩为T=3.2Nm。因此,选用BYG型57步进电机,它的额定转矩为T=1.8Nm,因为Y轴由两台对称的电机驱动,所以BYG型57步进电机仍符合要求。综上所述:选择BYG型57步进电机,满足要求。3.1.3 Z向电机的选型(1)计算电机转速nm: nL=VmaxPh (3-15)式(3-15)中, Vmax=6m/min,导程Ph=0.005m,则可知负载转速nL=1200r/min。因为电机与联轴器的连接方式是直接连接,所以减速比R=1。所以,电机转速。(2)计算扭矩:TL=9.8mPh2R (3-16)代入上述数据可得TL=0.017Nm。(3)计算负载的转动惯量因为此处的联轴器转动惯量非常小,不影响计算结果,所以本次计算中不予考虑。 (3-17) (3-18) (3-19) (3-20) 在上述四个公式中,JL表示的是负载的转动惯量,而JL1表示的是直线运动部件折合的转动惯量,JB则表示滚珠丝杠的转动惯量,mB表示滚珠丝杠的质量,表示的是材料的密度。通过计算可得,。(4)计算电机的启动转矩当电机的速度由n1变为n2时: Ta=JL2(n2-n1)60ta (3-21)代入数据得。因此,激光雕刻机所需的最大启动转矩为。因此,选用BYG型57步进电机,它的额定转矩为T=1.8Nm,所以BYG型57步进电机仍符合要求。综上所述:选择BYG型57步进电机,满足要求。3.2 同步带副的设计3.2.1 X向同步带副的设计(1)估算传递功率P:P=FV=1004=400W (3-22) 假设电动机每天使用1624小时,查皮带工作情况系数选择表8可知KA=2.0。则设计功率Pd为: Pd=KAP=4002.0=800W (3-23)(2)选定同步带带型和节距Pb:已知小带轮的转速n11440r/min,根据带选型图3-1设计功率和转速,选取L型带,节距Pb=9.525mm。图3-1 同步带选型图8(3)根据表3-1可知,最小齿数Vmax=12,最终选取小带轮齿数为20。表3-1 最小齿数表小带轮转速n1(r/min)带型MXL XXL XL L H XH XXH9001012142222900120012121012162424120018001414121418262618003600161612162030360048001818151822(4)确定小带轮的节圆直径d1: d1=z1Pb=209.5253.14=60.64mm (3-24)(5)计算带速v: v=d1n1601000=3.1460.6414406010004.57m/s (3-25)(6)计算系统传动比i:n1=192r/minn2=192r/min i=n1n2=1(7)大带轮齿数z2=z1=20,节距Pb=9.525mm。(8)大带轮的节圆直径d2: d2=id1=60.64mm (3-26) (9)初步选取轴间间距为a0=600mm。(10)初定带的节线长度L0p及其齿数zb: L0=2a0+2d1+d2=1390mm (3-27)选择使用代号为540的L型同步带,其节线长L0p=1371.6mm,齿数zb=144个。(11)选择带轮啮合齿数zm:由设计要求可知传动比为1,因此带轮的啮合齿数等于总齿数的一半,所以带轮啮合齿数=10。(12)确定实际中心距a: a=a0+Lp-L02=600+1304-1301.622=601.19mm (3-28)(13)计算基本额定功率:P0=Ta-mv2v1000 (3-29)查表3-2得=244.46N,m=0.095kg/m。由此可知基准额定功率为: P0=(244.46-0.0950.42)0.41000=0.083kW (3-30)表3-2 宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量表带型Ta/Nm/(kg/m)MXL270.007XXL310.01XL50.170.022L244.460.095H2100.850.448XH4048.901.484XXH6398.032.473(14)计算同步带带宽 bs=bs01.14PdKzP0 (3-31) 式中 L型同步带的基准带宽Kz小带轮啮合齿数系数查得,bs0=25.4mm,Kz=1 bs=25.4mm查表选择带宽代号为100的L型同步带,选择bs=25.4mm。小带轮:z1=20,d1=60.64mm。 大带轮:z2=20,d2=60.64mm。 同步带轮宽度bf,查得bfmin=25.4mm。带轮要装有双边挡圈9。(15)同步带强度校核L型带许用工作拉力为=244.46N,带轮转矩T=1.8Nm。作用在轴上的力Fr为: Fr=Pdv103=175.05NTa (3-32)所以,同步带选用合适,满足要求。3.2.2 Y向同步带副的设计(1)估算电机额定输出功率P:P=FV=1004=400W 假设电动机每天使用1624小时,查表3-1可知KA=2.0。则设计功率Pd为: Pd=KAP=4002.0=800W (2)选定同步带带型和节距Pb:根据同步带选型图3-2来计算功率和转速,选取同步带类型为L型带,同步带节距Pb=9.525mm。(3)选取小带轮轮齿数z1:查表3-2得带轮的最小齿数为12,则选取小带轮齿数为20。(4)计算小带轮的节圆直径d1:d1=z1Pb=209.5253.14=60.64mm(5)计算带速v:v=d1n1601000=3.1460.6414406010004.57m/s(6)计算系统传动比i:n1=192r/minn2=192r/mini=1(7)大带轮齿数z2=z1i=20,节距Pb=9.525mm。(8)计算大带轮的节圆直径d2: d2=id1=60.64mm (9)初定轴间间距a0:初步选取轴间间距为a0=1000mm。(10)初定带的节线长度L0p及其齿数zb: L0=2a0+2d1+d2=2189mm 选择使用代号为900的L型同步带,其节线长L0p=2286mm。(11)确定带轮的啮合齿数zm:由设计要求可知传动比为1,因此带轮的啮合齿数等于总齿数的一半,所以带轮啮合齿数=10。(12)确定实际中心距a:a=a0+L0p-L02=1000+2286-21892=1048.5mm(13)确定基本额定功率:P0=Ta-mv2v1000 查表3-3得 =244.46N,m=0.095kg/m。同步带的基准额定功率为:P0=(244.46-0.0950.42)0.41000=0.083kw(14)计算同步带带宽: bs=bs01.14PddzP0 式中,表示L型同步带的基准带宽,Kz则代表小带轮啮合齿数系数。查表得,bs0=25.4mm,Kz=1 bs=25.4mm查表得,选择带宽代号为100的L型带,选bs=25.4mm。小带轮:z1=20,d1=60.64mm。 大带轮:z2=20,d2=60.64mm。 同步带轮宽度bf,查得bfmin=25.4mm。带轮要装有双边挡圈。(15)同步带强度校核L型带许用工作拉力为=244.46N,带轮转矩T=1.8Nm。作用在轴上的力Fr为: Fr=Pdv103=175.05NCam =668.6N由上述计算结果可知TBI1605型滚珠丝杠符合设计要求。(7)Dn值校核:Dn=Dpwnmax=(d2+Dw)nmax (3-45)式(3-45)中,Dpw为滚珠丝杠副的节圆直径,Dw为钢球直径。查机械设计手册得,Dw=3.55mm,将其代入式(3-45)中得Dn=49200nmax=3000r/min,符合设计要求。(12)系统刚度验算及精度选择1)校核滚珠丝杠的抗压刚度:Ra=165d22a (3-52)a为螺母中的点到轴承支点的距离,抗压刚度Ra是根据螺母处于不同的位置而随时改变的,最大值应在a=100mm处,最小值在a=300mm处。将a值代入式(3-51)中得Ramax=275N/m, Ramin=69N/m。2)校核固定一侧轴承的组合刚度: (3-53)式(3-53)中,dQ表示的是滚珠直径,Z表示的是滚珠个数,Famax为最大轴向载荷,而则为轴承的接触角。由机械设计手册可知,dQ=4.7625mm,Z=12,=40,Famax解得83125N,则RBO=182N/m。因为轴承的一端固定而一端支承,Rb=RBO=182N/m。3)校核滚道与滚珠之间的接触刚度: Rnu=Rnu(Ft0.1Ca) 13 (3-54)式(3-54)中,Rnu表示的是轴向接触的刚度,而Ca则表示额定动载荷。由机械设计手册可得Rnu=400N/m,Ca=7.6kN,将数据代入公式(3-54)通过计算可得Rnu =409N/m。4)计算系统刚度值:1R=1Ra+1Rb+1Rnu (3-55)将上诉求得的刚度值代入公式(3-55)可以求得,Rmax=86N/m。5)计算传动系统刚度的最小值:Rmin=1.6F0反向差值 (3-56)式(3-56)中,F0表示的是静摩擦力,而反向差值代表的就是重复定位的精度。所以可以求得传动系统刚度的最小值,所得结果满足精度要求。6)计算定位误差:k=F0(1Rmin-1Rmax) (3-57)解方程得k=0.42m。因为对于在任意300mm内行程变量的半闭环系统而言:V300p 0.8定位精度k (3-58)所以V300p 19.6m。经过查表可知精度等级为4级的滚珠丝杠副,V300p =16m19.6m,故选择滚珠丝杠副的精度等级为4级。7)选择滚珠丝杠副的型号为TBI1605-165320-P4。3.4 导轨的设计3.4.1 X向导轨的设计在三轴联动激光切/雕一体机的设计中,三轴联动激光切/雕一体机的X向的直线导轨形式采用单圆柱直线导轨。X向直线导轨的设计计算:(1)验算直线导轨的强度因为直线导轨所受到的弯矩是随着滑块的运动而不断变化的,而当滑块位于直线导轨的中间位置时,直线导轨承受的弯矩处于最大值,因此只要校核该处强度即可。最大弯矩值可以通过下列公式11计算:Mmax=Wl4 (3-59)max=MmaxWz (3-60)其中,W表示的是直线导轨所承受的载荷的大小,而则表示直线导轨的长度, 是抗弯截面系数,是固定值。查的钢材的许用正应力为=160MPa,则根据上述数据可以解得d9.7mm。(2)验算直线导轨的刚度:wmax=Fl348El (3-61)wmaxw=l500 (3-62) A=B=Fl216EI (3-63) =1200 (3-64)其中,表示的是截面最大挠度,E则代表弹性模量,为截面转角,为惯性矩。可以解得d15.9mm。根据上述计算的结果,选取X向单圆柱直线导轨的直径为d=16mm。3.4.2 Y向导轨的设计在三轴联动激光切/雕一体机的设计中, 三轴联动激光切/雕一体机的Y向的直线导轨形式采用双圆柱直线导轨。1)验算直线导轨的强度因为直线导轨所受到的弯矩是随着滑块的运动而不断变化的,而当滑块位于直线导轨的中间位置时,直线导轨承受的弯矩处于最大值,因此只要校核该处强度即可。将数据代入式(3-59)(3-60)中得d8.8mm(由于三轴联动激光切/雕一体机的Y向采用双圆柱直线导轨设计,因此所受的力应由两根导轨共同承担)。2)验算直线导轨的刚度将相关数据代入式(3-61)(3-64)得d14.9mm。通过强度校核和刚度校核的结果,选取Y向双圆柱直线导轨的直径d=20mm。3.5 联轴器的选型因为联轴器与电机之间的连接方式为直接连接,所以传动比i=1,所以所受扭力T为:T=9550Pn (3-65)式(3-65)中,P表示的是电机的输出功率;而n则表示电机转速。通过计算可得T=0.0286Nm。选取梅花联轴器SFR-40-8-10,该联轴器的最大扭力为25Nm,如图3-2所示。 图3-2梅花联轴器4 三轴联动激光切/雕一体机控制系统的设计三轴联动激光切/雕一体机的系统给部分之间关系图如图4-1所示。Z向步进电机图4-1 三轴联动激光切/雕一体机系统从图4-1中可知三轴联动激光切/雕一体机的控制系统控制着三轴联动激光切/雕一体机的整个加工过程。通过电脑中的控制软件向三轴联动激光切/雕一体机发送需要加工的图形,由控制系统进行处理然后向硬件电路发送具体加工指令,然后传动系统带动激光器进行加工,而三轴联动激光切/雕一体机的控制系统包含硬件系统和软件系统两部分12。4.1系统硬件的设计三轴联动激光切/雕一体机的硬件控制系统主要组成部分如表4-1所示。表4-1 硬件控制系统主要组成部分控制板通信模块速度模块电机驱动模块功率控制模块激光器驱动模块限位控制模块控制其他模块的运行传递数据控制运动速度驱动电机控制激光功率控制激光器的开关限位控制运行图4-2系统结构图如图4-2所示,硬件控制系统的核心部件是控制电路板,利用其接受上位机的信号,然后再由控制电路板驱动其他模块来达到控制机器加工速度、功率以及时间等变量;为了方便信号的顺畅有序传递,还设计了专门毕业设计附本三轴联动激光切/雕一体机设计THE DESIGN OF THE THREE AXIS LINKAGE LASER CUTTING / ENCARVING MACHINE学生姓名班 级学 号学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师2018年5月30日目 录毕业设计(论文)课题申报表1毕业设计(论文)指导手册10学生毕业设计(论文)中期汇报表15学生毕业设计(论文)中期情况检查表16毕业设计(论文)指导教师评阅表17毕业设计(论文)评阅教师评阅表18毕业设计(论文)答辩及综合成绩评定表19外文翻译20毕业设计(论文)课题申报表指导教师职称副教授教研室机械制造教研室申报课题名称三轴联动激光切/雕一体机设计课题类型工程设计类课题来源B.社会生产实践课题简介激光雕刻加工是利用数控技术为基础,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,达到加工的目的。激光加工特点: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。不受材料的弹性、柔韧影响,方便对软质材料的加工。加工精度高,速度快,应用领域广泛。本课题是对三轴联动激光切/雕一体机的设计。课题贴近于社会生产实践,有助于进一步加强我们对理论知识的实际应用能力。课题要求(包括所具备的条件)本课题要求设计的主要性能参数:最大幅面为1000mm600mm,雕刻速度为400mm/s,激光功率为60W,采用同步带传动方式,最小成形字符11mm,最大切割厚度7mm。据此进行设计并完成零件建模,然后利用SolidWorks完成机器3D设计、结合AutoCAD完成机器的2D总装图及零部件设计,改进了传统大型激光雕刻机应用范围窄、功能单一及成本高的缺点。课题工作量要求工作量要求:1.与课题相关的英文文献翻译不少于4000字;2.设计论文(说明书)的字数不少于15000字;3.毕业答辩图纸总量不少于3张A0图纸(其中包括计算机辅助绘图的工作量);4.参考文献不少于15篇(其中至少包含2篇英文文献)。教研室审定意见 同意室主任签字:学 院审定意见同意 教学院长签字: 毕业设计(论文)任务书学 院 (系): 机电工程学院 专 业: 机械制造及其自动化 学 生 姓 名: 学 号: 设计(论文)题目: 三轴联动激光切/雕一体机设计 起 迄 日 期: 2018年2月26日 2018 年5月26日 指 导 教 师: 教研室主任: 发任务书日期: 2018年 3月4日毕 业 设 计(论 文)任 务 书1.毕业设计的背景:激光雕刻加工是利用数控技术为基础,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,达到加工的目的。激光加工特点: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。不受材料的弹性、柔韧影响,方便对软质材料的加工。加工精度高,速度快,应用领域广泛。激光雕刻与切割加工的领域日益广泛,本课题要求设计的主要性能参数:最大幅面为1000mm600mm,雕刻速度为400mm/s,激光功率为60W,采用同步带传动方式,最小成形字符11mm,最大切割厚度10mm。据此进行设计并完成零件建模,然后利用SolidWorks完成机器3D设计、结合AutoCAD完成机器的2D总装图及零部件设计,改进了传统大型激光雕刻机应用范围窄、功能单一及成本高的缺点。2.毕业设计(论文)的内容和要求:该设计主要内容包括:三轴联动激光切/雕一体机主要零件基本参数的计算及选用、传动结构的确定、三轴联动激光切/雕一体机结构草图的绘制、三轴联动激光切/雕一体机机械关系的校核、三轴联动激光切/雕一体机零件的必要计算,绘制三轴联动激光切/雕一体机装配图及零件图等。工作量要求:1.与课题相关的英文文献翻译不少于4000字;2.设计论文(说明书)的字数不少于15000字;3.毕业答辩图纸总量不少于3张A0图纸(其中包括计算机辅助绘图的工作量);4.参考文献不少于15篇(其中至少包含2篇英文文献)。3.主要参考文献:1 史玉升.激光制造技术M.北京:机械工业出版社,2012.2 李玉青.特种加工技术M.北京:机械工业出版社,2014.3 叶建斌.激光切割技术M.上海:上海科学技术出版社,2012.4 Peter Panjan, Investigation of the laser engraving of AISI 304 stainless steel using a response-surface methodology J.Technical Gazette,2016, 23(1):201-210.5 Sefika Kasman. Impact of parameters on the process responses: A Taguchi orthogonal analysis for laser engraving J. Article Measurement,2013,8(1): 2577-2584.6 许鑫康,盛浩宏,初仲凯. 三维激光雕刻机的设计J.机械工程与自动化,2017,01:140-143.7 王立军,宁永强.大功率半导体激光器研究进展J.发光学报,2015,1:1-19.8 成大先.机械设计手册第六版M.北京:化学工业出版社,2016.9 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计第九版M.北京:高等教育出版社,2013.10 朱占元,高潮,琚宏昌.材料力学M.北京:中国建材工业出版社,2012.11王迪迪,宋新旺,陈福洋.基于ANSYS Workbench传动轴模态分析J.煤炭技术,2015,34(09):287-289.12方鹏,李健,韦辽.基于ANSYS Workbench机床主轴有限元分析J装备制造技术,2013(4):283013姜昱婵,李晓舟,王晶东.基于ANSYS Workbench精密轴系摩擦力矩测量仪水平轴系的模态分析J.工业技术创新,2015,02(4):395-399.14陈莉娟,廖传华,王重庆.激光雕刻机尾气处理设备开发J.中国化工装备,2017,03:13-15.15 CAD/CAM/CAE技术联盟.ANSYS15.0有限元分析从入门到精通M.北京:清华大学出版社,2016.4.毕业设计(论文)进度计划(以周为单位):第1周 调查研究,查询、收集资料;并分析提供的原始资料和数据,理解课题的性质。提交开题报告和英文翻译。第2周 对三轴联动激光切/雕一体机的结构及性能要求进行分析。第3周 根据机器的结构和实际应用要求确定电动机的数目及布局。第4周 设计传动系统选择合适的导轨、光轴与同步带;确定各成型零部件的结构形式然后计算其工作尺寸,用ANSYS软件分析与校核。第5周 三轴联动激光切/雕一体机布局与装配设计。第6周 设计冷却系统,包括结构形式、组成及连通方式。第7周 利用三维软件SolidWorks绘制机器总装图及各个成型零部件。第8周 绘制机器总装图。第9周 绘制零件图,包括导轨、同步带、轴承、同步带轮等。第10周 绘制零件图,包括导轨、同步带、轴承、同步带轮等。第11周 校验图纸,图纸正确无误后编写设计说明书。第12周 编写并修改设计说明书。第13周 回顾设计过程,加深理解,准备答辩。教研室审查意见: 室主任签名: 年 月 日学院审查意见: 教学院长签名: 年 月 日毕业设计(论文)开题报告课 题 名 称: 三轴联动激光切/雕一体机设计 学 生 姓 名: 学号: 指 导 教 师: 职 称: 副教授 所 在 学 院: 机电工程学院 专 业 名 称: 机械设计制造及其自动化 2018年 3月 16日说 明1根据毕业设计(论文)管理规定,学生必须撰写毕业设计(论文)开题报告,由指导教师签署意见、教研室审查,学院教学院长批准后实施。2开题报告是毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计(论文)工作前期内完成,开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计开题报告各项内容要实事求是,逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨,语言通顺,外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词,须注出全称。4本报告中,由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述,没有经过整理归纳,缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。5. 课题类型填:工程设计类;理论研究类;应用(实验)研究类;软件设计类;其它。6、课题来源填:教师科研;社会生产实践;教学;其它课题名称三轴联动激光切/雕一体机设计课题来源社会生产实践课题类型工程设计类选题的背景及意义激光雕刻加工是利用数控技术为基础,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,达到加工的目的。激光加工特点: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。不受材料的弹性、柔韧影响,方便对软质材料的加工。加工精度高,速度快,应用领域广泛。(1)本课题是对三轴联动激光切/雕一体机的设计。课题贴近于社会生产实践,有助于进一步加强我们对理论知识的实际应用能力。(2)随着科技的发展,计算机辅助工具普遍应用于机械装备的设计当中,无论是制图软件还是仿真软件,都对我们的设计有很大的帮助。本课题能锻炼我们使用AutoCAD、SolidWorks、ANSYS等机械建模及分析软件的能力。(3) 激光加工属于特种加工的一种,应用前景广泛,本课题有助于我们进一步加强对激光加工的了解,也对我们今后的就业有很大的帮助。(4) 计算机仿真可以节省很多费用,提高经济效益;同时也缩短了实验的周期,节约我们的时间。研究内容拟解决的主要问题本课题使用ANSYS完成对三轴联动激光切/雕一体机设计的结构分析,运用SolidWorks软件完成机器3D设计及相关结构分析,通过AutoCAD完成零件的装备图以及零件的设计。本设计主要解决以下问题:1. 查阅资料,了解激光加工的基本性质和实用价值,并进行分析。2. 应用力学知识结合SolidWorks软件,分析机器的结构与工艺特性,确保机器的实用性。3. 掌握电机型号的选择原则。4. 掌握基于ANSYS的力学分析方法,使用该软件分析并确定最佳零件类型,并结合加工要求设计传动系统。5. 对三轴联动激光切/雕一体机的设计依据、设计程序有充分的了解;初步确定好各机构间的配合形式。6. 对三轴联动激光切/雕一体机关键零件的设计计算与校核。7. 运用AutoCAD绘制三轴联动激光切/雕一体机的装配图以及零件图。8. 使用SolidWorks软件进行3D设计与装配,并对运动机构进行运动仿真。研究方法技术路线1. 查阅相关资料,理解课题的性质,确定机械结构;了解激光加工的性质与要求;确定三轴联动激光切/雕一体机的结构形式。2. 运用SolidWorks软件建模,对三轴联动激光切/雕一体机的结构、布局以及运动形式等进行分析;为机器的设计做好准备。3. 基于ANSYS的力学分析方法,使用该软件分析并确定最佳零件类型,设计传动系统;同时进行机器的整体布局设计,方便零件的装配与调整。4. 检验校核零件之间的装配关系,各个零件的计算与校核。5. 使用SolidWorks软件进行3D设计与装配,并对运动机构进行运动仿真。研究的总体安排和进度计划第1周 调查研究,查询、收集资料;并分析提供的原始资料和数据,理解课题的性质。提交开题报告和英文翻译。第2周 对三轴联动激光切/雕一体机的结构及性能要求进行分析。第3周 根据机器的结构和实际应用要求确定电动机的数目及布局。第4周 设计传动系统选择合适的导轨、光轴与同步带;确定各成型零部件的结构形式然后计算其工作尺寸,用ANSYS软件分析与校核。第5周 三轴联动激光切/雕一体机布局与装配设计。第6周 设计冷却系统,包括结构形式、组成及连通方式。第7周 利用三维软件SolidWorks绘制机器总装图及各个成型零部件。第8周 绘制机器总装图。第9周 绘制零件图,包括导轨、同步带等。第10周 绘制零件图,包括轴承、同步带轮等。第11周 校验图纸,图纸正确无误后编写设计说明书。第12周 编写并修改设计说明书。第13周 回顾设计过程,加深理解,准备答辩。主要参考文献1 史玉升.激光制造技术M.北京:机械工业出版社,2012.2 李玉青.特种加工技术M.北京:机械工业出版社,2014.3 叶建斌.激光切割技术M.上海:上海科学技术出版社,2012.4 Peter Panjan, Investigation of the laser engraving of AISI 304 stainless steel using a response-surface methodology J.Technical Gazette,2016, 23(1):201-210.5 Sefika Kasman. Impact of parameters on the process responses: A Taguchi orthogonal analysis for laser engraving J. Article Measurement,2013,8(1): 2577-2584.6 许鑫康,盛浩宏,初仲凯. 三维激光雕刻机的设计J.机械工程与自动化,2017,01:140-143.7 王立军,宁永强.大功率半导体激光器研究进展J.发光学报,2015,1:1-19.8 成大先.机械设计手册第六版M.北京:化学工业出版社,2016.9 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计第九版M.北京:高等教育出版社,2013.10 朱占元,高潮,琚宏昌.材料力学M.北京:中国建材工业出版社,2012.11王迪迪,宋新旺,陈福洋.基于ANSYS Workbench传动轴模态分析J.煤炭技术,2015,34(09):287-289.12方鹏,李健,韦辽.基于ANSYS Workbench机床主轴有限元分析J装备制造技术,2013(4):283013姜昱婵,李晓舟,王晶东.基于ANSYS Workbench精密轴系摩擦力矩测量仪水平轴系的模态分析J.工业技术创新,2015,02(4):395-399.14陈莉娟,廖传华,王重庆.激光雕刻机尾气处理设备开发J.中国化工装备,2017,03:13-15.15 CAD/CAM/CAE技术联盟.ANSYS15.0有限元分析从入门到精通M.北京:清华大学出版社,2016.指导教师意 见 指导教师签名: 年 月 日 教研室意见学院意见教研室主任签名:年 月 日 教学院长签名: 年 月 日毕业设计(论文)指导手册设计(论文)题目: 三轴联动激光切/雕一体机设计 学生姓名 学 号 年 级 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 所在学院 机电工程学院 毕业设计(论文)指导记录第一次指导记录: 指导地点 年 月 日第二次指导记录:指导地点 年 月 日第三次指导记录: 指导地点 年 月 日第四次指导记录: 指导地点 年 月 日 第五次指导记录: 指导地点 年 月 日第六次指导记录:指导地点 年 月 日第七次指导记录:指导地点 年 月 日第八次指导记录: 指导地点 年 月 日 第九次指导记录: 指导地点 年 月 日 第十次指导记录: 指导地点 年 月 日 第十一次指导记录: 指导地点 年 月 日 第十二次指导记录: 指导地点 年 月 日 第十三次指导记录: 指导地点 年 月 日 第十四次指导记录: 指导地点 年 月 日 第十五次指导记录: 指导地点 年 月 日 学生毕业设计(论文)中期汇报表学生姓名专 业机械设计制造及其自动化学 号设计(论文)题目三轴联动激光切/雕一体机设计毕业设计(论文)前期工作小结指导教师意见签名: 年 月 日学生毕业设计(论文)中期情况检查表 学院名称: 机电工程学院 检查日期: 年 月 日学生姓名专 业机械设计制造及其自动化指导教师设计(论文)题目 三轴联动激光切/雕一体机设计 工作进度情况该生进度符合进度表每周设计要求,按照此进度可以按期完成毕业设计任务。 是否符合任务书要求进度是 能否按期完成任务是 工作态度情况(态度、纪律、出勤、主动接受指导等)该生学习态度认真,有较强的纪律性,能较好的遵守学校和学院的各项规章制度。能按时出勤,主动接受教师指导,能就毕业设计中出现的各种问题与老师进行讨论,并提出一些自己的见解。能够通过学校数据库和互联网查阅毕业设计所需资料、工具书、软件等,通过毕业设计,该生基本知识和动手能力得到了锻炼。 质量评价(针对已完成的部分)1.激光切/雕一体机总体方案设计部分,方案设计合理,可行;2.传动系统设计及计算部分应完成,计算结果可靠,数据详实;3.床身设计及校核,基本完成,质量较好;4.已经着手绘制装配图,完成质量较好。 存在问题和解决办法1.所有的设计、计算、校核等必须依据相关教科书或工具书上公式进行。 2.绘制工程图时必须严格按照国标要求进行出图,标注等,树立标准意识。 3.有限元分析注意网格的划分与计算精度之间的关系;4.完成的部分图纸存在标注不规范情况,应当依据学校规定格式进行。 检查人签名 教学院长签名 毕业设计(论文)指导教师评阅表学院: 机电工程学院 专业: 机械设计制造及其自动化 学生: 学号: 题目: 三轴联动激光切/雕一体机设计 评价项目评价要素成绩评定优良中及格不及格工作态度工作态度认真,按时出勤能按规定进度完成设计任务选题质量选题方向和范围选题难易度选题理论意义和实际应用价值能力水平查阅和应用文献资料能力综合运用知识能力研究方法与手段实验技能和实践能力创新意识设计论文质量内容与写作结构与水平规范化程度成果与成效指导教师意见建议成绩是否同意参加答辩评语: 指导教师签名:年 月 日 毕业设计(论文)评阅教师评阅表学院: 机电工程学院 专业: 机械设计制造及其自动化 学生: 学号: 题目: 三轴联动激光切/雕一体机设计 评价项目评价要素成绩评定优良中及格不及格选题质量选题方向和范围选题难易度选题理论意义和实际应用价值能力水平查阅和应用文献资料能力综合运用知识能力研究方法与手段实验技能和实践能力创新意识设计论文质量内容与写作结构与水平规范化程度成果与成效评阅教师意见建议成绩 是否同意参加答辩 评语: 评阅教师签名:年 月 日 毕业设计(论文)答辩及综合成绩评定表学 院 机电工程学院专 业 机械设计制造及其自动化学生姓名 学 号 指导教师 设计论文题 目 三轴联动激光切/雕一体机设计 答辩时间 2018 年 5 月28日 8 时 20 分至 8 时 40 分答辩地点敬本楼A504 答辩小组成 员姓名职称答辩记录提问人提问主要内容学生回答摘要 答辩记录人签名:答辩小组意见答辩评语: 答辩成绩: 答辩小组组长签名:综合成绩评定指导教师评定成绩评阅教师评定成绩答辩成绩综合评定成绩100(30)100(30)100(40)优秀答辩委员会主任签名: 年 月 日19
收藏