激光雕刻機機械運動平臺的設計

摘要：本文介紹激光雕刻機運動平臺的運動過程，通過對加工工況的分析，計算出伺服電機，絲杠，聯軸器，在此基礎上完成主要零部件的參數選用，系統完成了對承載平臺，立柱，箱體，絲杠等主要零部件的結構設計，實際使用證明方案可行性。

關鍵詞：激光雕刻機 運動平臺

激光雕刻機機械傳動平臺是利用計算機控制、電氣傳動、伺服驅動和傳感器等技術實現制造裝備的自動化，完成先進制造工藝和流程的信息化，采用標記方法激光雕刻出各種文字，符號和圖案等，它對產品的質量跟蹤及防偽有特殊的意義。

機器傳動方案設計實驗臺是基于機器的組成原理設計的，為方便布置各種機構和零部件，選擇兩個相互垂直的裝配平面。水平裝配面主要用來拼裝傳動部分，垂直裝配面用來拼裝執行構件，對運動形式復雜的機器，可以在水平平臺配置兩個或多個垂直平面，各平面之間通過傳動軸連接，在水平平臺上，可以進行傳動部分的設計和拼裝，實驗臺提供常用的各種零件、部件，如平帶、V帶、滾子鏈、直齒輪、斜齒輪、錐齒輪、蝸桿傳動等，還提供了牙嵌離合器、圓盤摩擦離合器、常用各種連軸器和帶式制動器等，以及用來固定的螺紋連接件[1]。

在機器執行機構的運動為連續轉動時，可直接在水平平臺上進行機器傳動方案的設計和拼裝，在執行機構的運動是回轉運動、直線運動或曲線運動等多種運動形式時，可以在垂直平面拼接出各種執行機構，通過錐齒輪實現兩個平面的運動傳遞。

1 激光雕刻機水平運動平臺的參數選擇

1.1 基本參數 加工時間：8min；加工區尺寸：軸向長100mm，直徑50mm；圓柱側面面積：1.5708*104mm2；加工方式：螺旋線加工；加工速度：激光光斑直徑0.1mm，燒蝕點直徑設為0.25mm，旋轉平臺每轉1圈軸向移動0.25mm，那么旋轉平臺轉速應為：N=100mm/（0.25mm*8

min）=50r/min。

軸向進給速度Vf=（0.25mm/r）*（50r/min）=12.5mm/min

=0.2083mm/s；加工精度：軸向精度（代表了線性精度）：<0.1mm；旋轉精度：<0.2度；承載質量：水平運動平臺為主要承重機構，承載了工件、自動夾具、電控旋轉平臺、電控旋轉平臺用伺服電機和立柱的總重量，設計為8kg。

1.2 運動平臺基本組成和結構 由機構設計可知，水平運動平臺由1根絲杠、2根導軌、1個運動平臺、相應箱體和其他相關零件組成，考慮到驅動的電機和聯軸器[2]。

2 電機的選擇

2.1 轉速選擇 取絲杠導程Ph=4mm，則與絲杠相連的電機轉速為：N=12.5/4=3.125r/min。由此可見，與絲杠相連的電機轉速很低，為保證電機的低速性能，選用伺服電機驅動水平運動平臺，而不能使用步進電機驅動水平運動平臺運動。要求伺服電機的額定轉速應大于4r/min，一般的伺服電機都滿足要求[3]。

2.2 轉矩選擇 最大負載力矩應小于電機額定轉矩，即：

其中，最大進給力Fmax包括切削力、摩擦力和產生工作加速度的外力。激光雕刻過程中的切削力可忽略不計，考慮機床穩定工作時工作加速度為零，因而產生工作加速度的外力亦為零，只需考慮摩擦力。水平工作臺承載重量在8kg左右，其與滑動導軌和滾珠絲杠的摩擦系數可取為 ？滋=0.1，Fmax=7.84N，絲杠導程Ph=4mm，滾珠絲杠效率？濁=0.9，所以：

2.3 轉動慣量匹配 根據電機轉動慣量匹配原則，負載轉動慣量主要包括絲杠、軸承和聯軸器折算到電機軸上的轉動慣量以及水平工作臺和負載水平運動時折算到電機軸上的轉動慣量。在選擇計算過程時，可預取適當放大的各量參數，以保證安全，計算得0.005*10-3kgm2≤JM≤0.020*10-3kgm2。

伺服系統是以機械運動的驅動設備-電動機為控對象，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統[4]，綜上所述知伺服電機在額定轉速、導程、額定轉矩和轉動慣量滿足上述條件范圍內選型。

3 其他部件選擇

3.1 絲杠種類選擇 機床用絲杠主要有滑動絲杠、靜壓絲杠和滾動絲杠三種。基于數控機床進給伺服機構對高進給速度、高定位精度、高平穩性和快速響應的要求以及經濟成本的考慮，選擇滾珠絲杠作為水平運動平臺用絲杠。

絲杠螺紋長度應大于最大行程加螺母長的一半，最大行程為150mm，螺母長35mm，則絲杠螺紋長度應大于167.5mm，可取絲杠螺紋長為170mm。

由于絲杠長200mm，屬于短軸，支點跨距較小，水平運動平臺為低速輕載運動，溫升低，膨脹小，選用滾動軸承兩端單向固定方式對絲杠進行軸向定位，承擔單向軸向力和雙向徑向力的滾動軸承主要有角接觸球軸承和圓錐滾子軸承兩類，而常見的圓錐滾子軸承內徑都最小為15mm，因此選用角接觸球軸承支撐絲杠，又考慮到工作臺在支撐端中間，為減小支點跨距，提高支撐剛度，采用正安裝方式安裝滾動軸承。

3.2 聯軸器確定 由于波紋管聯軸器具有高疲勞強度，傳遞扭矩不大而質輕，低慣量，大量用于伺服控制電機的輸出。針對所構造系統的具體情況，選用波紋管聯軸器。

3.3 導軌的選擇 本系統所設計的是低速輕載，對導軌的強度、剛度和耐磨性要求都不高，但對運動精度有一定要求。因此，在選擇導軌時應主要考慮導軌的結構簡單和良好的加工工藝性，盡可能花最小的成本解決機床的承載問題。基于這些原因，選用雙圓柱形組合導軌，導軌直徑取10mm。對選取的雙圓柱形組合滑動導軌進行校核。

4 水平運動平臺主要工作部件設計

設計的激光雕刻機承載平臺由平板和滑塊兩部分組成，其外還重點研究了水平承載平臺的設計、立柱的設計、箱體的設計以及運動平臺總裝，繪制了承載平臺滑塊零件圖、承載平臺裝配圖、承載平臺平板零件圖、立柱裝配圖、水平運動平臺裝配圖、底座零件圖、箱體零件圖和總裝配圖等[5]。

5 總結

設計的激光雕刻機機械運動平臺參考借鑒了很多的參考資料，也是現在較為廣泛的一種技術，設計的系統滿足了激光雕刻機機械運動平臺的使用，驗證了設計方案的可行性，在實際的工作中發現問題，我們在以后的設計中將進一步完善，以提高其使用性能和使用價值。

參考文獻：

[1]孟憲源，姜琪.機械構型與應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]夏長植，居榮華，張一寧.FTDK5416雕刻機機械結構的改進設計[J].包裝與食品機械，2002，20（1）：34-36.

[3]張后來，李紅梅.基于ZPETC的雕刻機直流伺服控制系統設計[J].微電機，2012，45（6）：61-64.

[4]閔惠芬，蔣偉.伺服系統在數控中的應用[J].機械制造與自動化，2007，36（2）：10-13.

[5]潘超，左健民，汪木蘭.直線電動機在數控機床中應用的特殊性問題研究[J].機床與液壓械，2007，35（10）：55-59.