1174激光雕刻机结构设计

【有全套 CAD 图】需完整 CAD+说明书请联系 QQ1175231241 海量毕业设计 课程设计，承接定制、更多设计请移步：http:/更多设计请移步：http:/ 欢迎咨询毕业设计(论文)激光雕刻机结构设计A STRUCTURAL DESIGN OF LASER ENGRAVING MACHINE学生姓名李文龙学院名称机电工程 学院 学号 20090604114专业名称机械设计制造及其自动化指导教师张磊2013 年05 月22 日 图书分类号：密 级：徐州工程学院毕业设计（论文）I徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日徐州工程学院毕业设计（论文）I摘要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熔化和气化，从而达到加工的目的。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。具有加工精度高，速度快，应用领域广泛的特点。本文设计了一种基于同步带传动的激光雕刻机的机械结构，同步带是许多机电一体化设备的基本部件。激光雕刻机通常由导轨座、滑块、工作台、同步带，以及步进电机等部件构成。在整个设计的过程中，利用机械制图和机械设计手册，设计出激光雕刻机的整体结构。通过 CAD 软件绘制出相应的机械图纸。近年来随着计算机图像处理，计算机图形等在激光领域的应用，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、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，本文的研究有重要的应用价值。关键词关键词 激光雕刻机；同步带；步进电机；工作台徐州工程学院毕业设计（论文）IIAbstractLaser engraving machine depends on the NC technique and laser processing media, engraves materials under laser irradiation instantaneous melting and evaporation. Laser processing is able to accomplish the machining process without touching the surface of materials, not affected by mechanical motion, not cause the surface deformation. It is characterized by high accuracy, high speed and extensive domain.The design of a mechanical structure of laser engraving machine is based on synchronous belt transmission. The synchronous belt is one of most important electromechanical integration equipments. Laser engraving machine usually consists of guide rail seat, slider, workbench, synchronous belt and a stepper motor, etc. During the whole design process, a laser engraving machine structure has been completed by the mechanical drawing and mechanical design manuals. Then the corresponding mechanical drawings have been done through CAD software. In recent years, with the development of the computer image processing, computer graphics in the laser processing fields, and due to the advantages of wide processing object, little deformation, high precision, fast carving, convenient operation, laser processing is playing a more important role to improve product quality and productivity. Laser machining is capable of process automation, eliminating pollution and reducing the material consumption. Thus, this article has very important application significance. Keywords Laser engraving machine synchronous belt a stepper motor workbench徐州工程学院毕业设计（论文）I目 录摘要摘要 .I IA Abstractbstract .IIII目目 录录 .I I1 1 绪论绪论 .1 11.11.1 激光雕刻机研究的背景及意义激光雕刻机研究的背景及意义 .1 11.21.2 激光雕刻机的原理及雕刻方法激光雕刻机的原理及雕刻方法 .1 11.31.3 激光雕刻机的特点及发展现状激光雕刻机的特点及发展现状 .2 21.41.4 激光雕刻机的内容和设计要求激光雕刻机的内容和设计要求 .2 22 2 激光雕刻机总体结构设计激光雕刻机总体结构设计 .4 42.12.1 激光雕刻机设计要求激光雕刻机设计要求 .4 42.22.2 确定总体方案确定总体方案 .4 42.32.3 激光雕刻机的组成激光雕刻机的组成 .6 63 3 激光雕刻机标准件选择与计算激光雕刻机标准件选择与计算 .8 83.13.1 X X 轴向机械传动部件的选择轴向机械传动部件的选择.8 83.1.13.1.1 X X 轴向导轨的选择轴向导轨的选择 .8 83.1.23.1.2 X X 轴向步进电机的选择轴向步进电机的选择 .9 93.1.33.1.3 X X 轴向同步带及带轮的选择轴向同步带及带轮的选择 .11113.23.2 Y Y 轴向机械传动部件的选择轴向机械传动部件的选择.17173.2.13.2.1 Y Y 轴向导轨的选择轴向导轨的选择 .17173.2.23.2.2 Y Y 轴向电动机的选择轴向电动机的选择 .17173.2.33.2.3 Y Y 轴向同步带的选择轴向同步带的选择 .18183.33.3 轴承的选择轴承的选择 .20203.3.13.3.1 轴承的选择轴承的选择 .20204 4 激光雕刻机非标准件结构设计激光雕刻机非标准件结构设计 .22224.14.1 轴的设计轴的设计 .22224.1.14.1.1 轴的简介轴的简介 .22224.1.24.1.2 轴的设计计算轴的设计计算 .22224.1.34.1.3 轴和轴承的配合设计轴和轴承的配合设计 .23234.24.2 步进电机支撑架的设计步进电机支撑架的设计 .25254.34.3 X X 轴向横梁与导轨副的联接设计轴向横梁与导轨副的联接设计.27274.44.4 联轴器的设计联轴器的设计 .28284.54.5 X X 轴向导轨副和同步带联接设计轴向导轨副和同步带联接设计.2929总结与展望总结与展望 .3131研究工作总结研究工作总结 .3131展望展望 .3232致谢致谢 .3333徐州工程学院毕业设计（论文）II参考文献参考文献 .3434徐州工程学院毕业设计（论文）11 绪论绪论1.1 激光雕刻机研究的背景及意义激光雕刻机研究的背景及意义 我国激光技术已有 40 多年的发展历史，早在 1961 年中科院长春光学精密机械研究所就研制出我国的第一台红宝石型激光器，经过 40 多年的努力探索，我国激光技术研究已经获得了重大突破，激光型产业也从无到有，逐渐成为我国科学界中最活跃的领域之一。随着激光的不断发张，激光雕刻机问世了，并且已经由一代发展到二代。如今，激光雕刻机已被广泛应用于：电子电器行业、服装行业、皮革业、家具业、装饰业、工艺礼品业、广告业、包装印刷业、模型业（建筑模型、航空航海模型、木制玩具） 、工业面板的裁切、冲孔、打样、画线精密加工领域等。随着生产科技的发展，功能和性能的不断提高和改善，激光雕刻机将有更多领域的应用。由于国外的雕刻技术出现的早开发和应用的时间比较长,所以它们发展也比较成熟。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，开发出具有自己特色，符合中国人习惯的雕刻机结构及其软件。因此本课题的研究对社会科技的进步有重要意义。从实际情况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有意义的。本课题的研究具有较高的实际意义和经济意义。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、程序编制结合起来对个人思维的开拓和工程经验的积累都有重要作用，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。1.21.2 激光雕刻机的激光雕刻机的原理及雕刻方法原理及雕刻方法激光雕刻原理是由于原子(分子或离子筝)跃迁产生的，而且是由自发的辐射引起。激光虽然是光，但它与普通光明显的不同是激光只在最初极短时间内依赖于自发的辐射，此后的过程是完全由激辐射决定的，因此激光本身具有十分纯正的颜色，几乎是无发散的方向性,激光雕刻机具有极高的发光强度。同时激光又具有高强度性、高方向性、高想干性，激光是通过激光器产生后由反射镜反射并通过聚集镜照射到待加工物品上，使加工的物品（表面）受到十分强大的热能而温度瞬间急剧增加，使得该点因高温而迅速的汽化或者融化，配合激光头的运行轨迹同时达到加工的目的。激光雕刻：在物体的表面进行雕刻加工，可分为位图雕刻与矢量雕刻两种类型： 位图雕刻： 先在 PHOTOSHOP 里将们所需要雕刻的图形进行挂网处理并转换成单色BMP 格式，然后在专业的激光雕刻切割软件中打开加工工件图形文件。根据所加工的材料我们进行合适的参数设置就可以了，然后点击运行，激光雕刻机就能够根据图形文件徐州工程学院毕业设计（论文）2产生的点阵效果进行雕刻。 矢量雕刻：我们能够使用矢量软件如 Coreldraw，AutoCad 等排版进行设计，可以将图形导出为 PLT，DXF 以及 AI 格式,随后再用专业的激光切割雕刻软件打开所要加工工件图形文件，将图形信息传送到激光雕刻机中完成加工。1.3 激光雕刻机的特点及发展现状激光雕刻机的特点及发展现状激光雕刻机主要由以下特点： 1、加工范围广泛：二氧化碳激光差不多可可以完成对任何非金属材料进行雕刻切割的任务，并且加工的价格相对低廉。 2、生产安全可靠：利用非接触式的方法进行加工，大致不会对材料产生机械挤压和机械应力。没有加工痕迹，不会伤害加工件的表面；不会使材料发生变形； 3、加工精确细致：加工的精度大约是 0.02mm 左右； 4、生产节约环保：光束与光斑的直径很小，在一般情况下，直径小于 0.5mm；在进行切割加工时，可以节省材料，保证加工安全卫生； 5、多次加工效果一致：能够保证工件同一批次的加工效果基本完全相同。 6、加工高速快捷：能够根据计算机输出的图样完成高速雕刻与切割的任务。 7、加工成本相对低廉：基本不会受加工数量的影响，相对于大批量加工服务，进行小批量加工任务激光加工也会很便宜。 随着光电子技术的快速发展，激光雕刻技术应用范围越来越广泛，雕刻精度要求愈来愈高。体现激光材料加工发展水平的三个方面因素：第一为激光器技术，即应用激光加工材料的激光器件技术；第二是激光加工设备的控制系统、机械等，即激光加工的设备；第三是激光加工工艺的水平。因为激光器技术已经成为了很成熟的技术，所以能否对激光设备进行十分有效的控制以及激光加工工艺的水平成为了激光雕刻技术应用的瓶颈。 激光技术是二十世纪与半导体，原子能及计算机齐名的四项发明之一，十多年来，以激光雕刻机，激光切割机为基础的激光雕刻技术在我国已经得到了迅速的发展，现在已广泛运用于各种工业生产、信息处理、通讯、医疗卫生、文化教育、军事以及科学研究等领域，并且取得了很好的经济效益，对社会发展及国民经济发展发挥愈来愈重要的作用，由于激光具有很好的想干性、单色性、方向性和高能量密度特性，它已广泛的渗透到很多学科领域，已经形成了新的学科。例如：激光信息的存储与处理、激光材料的加工、激光医学以及生物学、激光通讯工程、激光印刷雕刻、激光光谱研究、激光化学、激光核聚变、激光分离同位素、激光检测和计量以及军用的激光技术等，极大地促进了以上领域的技术进步和重大的发展。徐州工程学院毕业设计（论文）31.4 激光雕刻机的内容和设计要求激光雕刻机的内容和设计要求激光雕刻机能提高雕刻的效率，使被雕刻处的表面光滑、圆润，迅速地降低被雕刻的非金属材料的温度，减少被雕刻物的形变和内应力；可广泛地用于对各种非金属材料进行精细雕刻的领域。图 1-1 激光雕刻机工作流程图由于激光雕刻机结构复杂，需要进行车体的整体设计和局部的细节设计。具体部分分为以下两类：1、结构设计：激光雕刻机中同步带、轴承、导轨的选择，非标准件的设计等。2、驱动系统：步进电机的选型。在设计过程中，对激光雕刻机现有产品现状进行调研及市场分析；激光雕刻机的机械结构的设计，包括总体结构、主运动方案、进给运动方案、刀具方案等的确定；利用机械原理和机械设计的理论知识进行激光雕刻机机械系统的设计计算，包括主运动系统的设计计算、进给运动系统的设计计算； 激光雕刻机步进电机的选择；用三维设计软件CAD 设计有关零部件，并进行装配。拟解决的主要问题：对现有的雕刻机的产品及市场进行调研分析；雕刻机的总体方案、结构的确定；激光雕刻机的机械结构设计，要求激光雕刻机结构简单、经济、具有一定的代表性；激光雕刻机的控制系统的设计；步进电动机的选择；同步带及同步带轮的选择与计算；轴承的选择；轴和轴承的配合设计等等。 用制图软件绘制图形计算机系统信息传递控制系统确定激光器工作位置 控制系统控制激光器雕刻完成雕刻徐州工程学院毕业设计（论文）42 激光雕刻机总体结构设计激光雕刻机总体结构设计2.1 激光雕刻机设计要求激光雕刻机设计要求 雕刻机总体布局的基本要求有以下几点:1、首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求；2、确保实现激光雕刻机所要求的工件和激光器的相对位置与相对运动。在经济性合理的条件下，尽量采用较短的传动装置，简化机构，提高传动的精度和传动的效率；3、确保激光雕刻机有与所要求的加工精度相适应的刚度、热变形及噪音水平；4、观察加工的过程，要求便于加工操作、调整与维修，便于输送、装卸工件与清理，注意防护，确保加工安全；5、要求结构简单，合理可靠，便于进行加工和装配。根据激光雕刻机的主要加工材料及运动状态设计，具体设计要求如下：1、设计激光器的运动速度为 200mm/s；2、雕刻范围 800 800mm；3、考虑到激光雕刻机中电机的工作状态，初步选择使用步进电机；4、传动系统可使用同步带传动；5、选择使用 100W 的激光器。2.2 确定总体方案确定总体方案 激光雕刻机的结构设计多种多样，现在选择两个设计方案进行比较，最后确定最优的设计方案。 方案一：设计龙门式框架结构，其主要组成部分有步进电动机、激光器、丝杠、光杠、工作台、立柱等，整体外观如图 2-1 所示。方案二：设计平面式雕刻机，其主要组成部分为步进电动机、导轨、同步带、支撑板、激光器、联轴器等。其外观图如图 2-2 所示。比较两个方案，分析优缺点：方案一：本方案中使用了龙门式结构，结构稳定性强，加工空间大而且使用了丝杠螺母副传动，精密传动但是其总体结构笨重，载荷重电机消耗大，不利于激光雕刻机的灵活加工。方案二：本能方案中采用了平面加工模式，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。综上所述：选择使用方案二。徐州工程学院毕业设计（论文）5图 2-1 龙门式雕刻机外观图2-2 图 激光雕刻机外观图激光雕刻机的机械部分是 XY 方向导轨，其中 Y 方向是由两个平行导轨构成，X 方向徐州工程学院毕业设计（论文）6由一个导轨构成，X 方向导轨是垂直放置在 Y 方向的两平行导轨上，并加以紧固。激光雕刻机的激光源安装在 X 方向导轨上，并由同步传动带带动在 X 方向导轨上运动；X 方向的导轨两端分别紧固在 Y 方向的两个导轨上，并且分别由同步传动带带动在 Y方向导轨上运动。激光源在 XY 方向上的运动是依靠步进电动机为动力源，通过带轮的旋转将旋转的能量转化为同步传动带在 XY 直线方向上的位移，从而完成雕刻加工。2.3 激光雕刻机的组成激光雕刻机的组成激光雕刻机主要由控制系统，步进电机、XY 轴向支撑板、XY 轴向导轨、同步带轮、同步带、联轴器等部分组成。激光雕刻机的基本结构如图 2-3 所示。2-3 图 激光雕刻机结构示意图 如 2-3 图所示，1、同步带带轮，2、轴承，3、电动机，4、联轴器，5、轴，6、支撑板，7、同步带，8、导轨，9、激光器。下面分别介绍激光雕刻机主要部分的功能：1、控制系统：根据计算机传输的图形数据信息，控制步进电机的运转，利用同步带带动激光器的XY 轴向运动，完成图形雕刻。2、步进电机：步进电机为激光雕刻机的正常运转提供动力。徐州工程学院毕业设计（论文）73、XY 轴向支撑板：支撑导轨、轴承支撑架以及步进电机支撑架；承载电动机，激光器等主要部件的重力，要求其结构不宜变形，能承受一定载荷。4、XY 轴向导轨：为激光雕刻机的激光器运动进行导向。5、同步带：同步带带动激光雕刻机的激光器运动。 徐州工程学院毕业设计（论文）83 激光雕刻机标准件选择与计算激光雕刻机标准件选择与计算3.1 X X 轴向机械传动部件的选择轴向机械传动部件的选择3.1.1 X 轴向导轨的选择根据载荷重量及激光雕刻机的运转状态，本次设计初步选择使用 GGC 微型直线滚动导轨，GGC 微型直线滚动导轨结构示意图如图 3-1 所示。 3-1 图 GGC 微型直线导轨副结构示意图X 轴向导轨的选择计算过程：工作台质量均匀分布，重心在中间，G 为所受载荷，外力 F 的作用中心和工作台重心重合。激光雕刻机激光器的运动可近似看作为匀速运动。运动条件：常温，平稳无冲击和振动，载荷小。导轨所受总载荷:NFG20有效行程： mLa8 . 0每分钟往返次数： 4n移动速度：min/15min/12mmv导轨滑块数目： 2m根据导轨载荷计算：两滑块受力载荷相等，即NGFFF10)(2121综上所述，选择 GGC 微型直线型导轨。导轨的额定动、静载荷分别为 .KNCKNCoa5 . 8,5 . 8导轨的使用寿命计算验证：徐州工程学院毕业设计（论文）9 式KPCfffffLawacth.)(（3.1） 式maxFP （3.2） 式3210120nLLLah（3.3）额定寿命（Km）L实际寿命（h）hL激光器运动有效行程（m）aL开机率2n额定载荷（KN)aC当量载荷P受力最大的滑块所受载荷（KN）maxF指数，当滚动体为滚珠时，3硬度系数hf温度系数tf接触系数cf精度系数af载荷系数wf查表得：1tf 81. 0cf 1af 2 . 1wf 1hf KNCa5 . 7 KmK50 3 mLa8 . 0计算得：KNFFP21max10假设年工作日为 300d，两班工作制，每班工作时间为 16h，开机率为 80%。将上述数据代入上式，得年。10hL综上所述，GGC 15 BA 微型直线导轨满足工作要求，可以选择使用。徐州工程学院毕业设计（论文）103.1.2 X 轴向步进电机的选择X 轴向步进电机的计算与选择： 计算滚动摩擦力1F估算激光器的总重量。KgM2 式MgG （3.4） 式fGF11（3.5）滚动摩擦因数，此处。1005. 0003. 01004. 01计算得：NG20 Nf1052 NF08.101020004. 01计算最大静摩擦力：2F最大静摩擦因数，23 . 02 计算得：NF162根据以上计算得： 式12FF（3.6） 综上所述：NFF162计算转矩21T假设同步带轮直径为 20mm1DmNDFT.16. 02/11计算 X 轴传动功率31P假设激光器在 X 轴向的运动速度为 0.2m/s1vWFvP2 . 311总数所述:选择 57BYGH311 步进电机。电机的具体尺寸如 3-2 图所示。 徐州工程学院毕业设计（论文）11图 3-2 步进电机尺寸图步进电机 57BYGH311 的具体参数表 3-1 步进电机数据表步进角 电压 电流 相数最大转矩 重量 转速1.8 度3.6V3A2 1.5N.m 1.1Kg360r/min3.1.3 X 轴向同步带及带轮的选择1、同步带轮的介绍同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。它由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由拉伸强度高、伸长小的纤维材料或金属材料组成，以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带与带轮之间在传动过程中投有滑动，从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。图 3-3 同步带传动示意图徐州工程学院毕业设计（论文）12同步带传动（见图3-3），传动比较准确，对轴的作用力比较小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化的性能好，一般使用温度 -2080，v50m/s，P300kw,i10,要求同步的传动也可用于低速的传动。同步带传动的组成是一根内周表面中设有等间距齿形的环行带和具有相应吻合齿形的同步带轮。其具有链传动、带传动以及齿轮传动各自的优点。运转时，利用带齿与带轮的齿槽啮合达到传递动力的目的。 同步带传动特点明显，具有准确的传动比，没有滑差，并且可以得到恒定的速比，运动平稳，噪音小，传动比范围比较大，一般可以达到 1:10 左右。允许的线速度可以达50M/S 左右，传递功率范围从几瓦到百千瓦。传动效率很高，一般可达98%左右，结构十分紧凑，适合于多轴传动，不需要润滑，没有污染，所以可在污染和工作环境良好的场所中正常工作。 激光雕刻机广泛应用于纺织、机床、烟草、通讯工程、轻化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业中各种类型的机械传动中。通过使用同步带，改变了带传动仅仅为摩擦传动的概念，扩展了带传动的应用范围，并且成为带传动中相对独立的研究对象，开辟了带传动新的发展途径。2、同步带的特点 (1)传动精确，工作时没有滑动，保持恒定的传动比；(2)传动稳定，具有缓冲和减振的能力，噪声小；(3)高传动效率，可以达到0.98 左右，具有明显节能效果；(4)保养维护方便，不需要润滑，只需要较低的维修费用；(5)速比传动的范围大，可达10 左右，线速度可以达到50m/s 左右，能传递很大的功率传递范围；(6)可以用于长距离的传递，中心距可以达到10m 以上。3、同步带的分类同步带齿可以分为梯形齿和弧齿两种类型，弧齿也可以分成三种系列：平顶圆弧齿、圆弧齿和凹顶抛物线齿。梯形齿同步带 梯形齿同步带可以分为单面有齿和双面有齿两种类型，简称为单面带和双面带。双面带按照齿的排列方式可以分为对称齿型与交错齿型两种类型。梯形齿同步带的两种尺寸制为：节距制与模数制。我国采用的是节距制，而且通过 ISO 5296 制订了相应的同步带传动标准GB/T 1136111362-1989 与GB/T 11616-1989。弧齿同步带 弧齿同步带的齿形除了有曲线形之外，它的结构和梯形齿同步带大致相同，带节距基本一致，齿高、齿根厚与齿根圆角半径等都比梯形齿的大。带齿受到载荷时，有较好的应力分布状态，减缓齿根部分应力集中，在一定程度上提高齿的承载能力。所以弧齿同步带相比于梯形齿同步带有较大的传递功率，并且能够预防齿啮合发生干涉。弧齿同步带具有耐磨性能好，工作噪声小和不需要润滑等优点，并且已经广泛的应用于食品、纺织、汽车、制药、印刷和造纸等行业。4、同步带的设计准则徐州工程学院毕业设计（论文）13通过对同步带传动失效形式进行分析，可以发现同步带和带轮材料之间有较高的机械 性能，有合理的制造工艺，带以及轮的尺寸都进行严格的控制，并且要进行严格的安装，这样许多的失效形式就都可以避免。所以在进行正常工作时，同步带传动三种主要的失效 形式为如下；同步带的承载绳因疲劳而拉断；1同步带发生打滑与跳齿；2同步带带齿发生磨损。3根据以上分析可知，同步带传动的设计淮则为在同步带不打滑时，有着很高的抗拉强度，并且能够保证承线绳能够不被拉断。除此之外，在灰尘和杂质较多的恶劣工作条件下计算齿轮的磨性。5、同步带传动设计计算电机额定输出功率估算1WAVP8 .106 . 33确定计算功率2 电动机每天使用35 小时左右，查表3-2，=1.3。则计算功率为:AKWPKPAca04.143 . 108.10表3-2 工作情况系数选择表原动机最大输出功率为额定值的 300以下最大输出功率为额定值的 300以上交流马达直流马达特殊马达、单缸发动机直流马达、通过旋转轴或者离合器运行运行时间运行时间使用皮带的机械实例间歇使用1 天35 小时正常使用1 天812 小时连续使用1 天1624 小时间歇使用1 天35 小时正常使用1 天812 小时连续使用1 天1624 小时展览器具、放映机、计量设备、医疗设备1.01.21.41.21.41.6吸尘器、缝纫机、办公设备、木工车床1.21.41.61.41.61.8轻载型皮带运输机、包装机械、筛子1.31.51.71.51.71.9液体搅拌机、钻床、车床、螺纹加工机、圆盘锯床、刨床、洗衣机、印刷机械1.41.61.81.61.82.0搅拌机、皮带输送1.51.71.91.71.92.1徐州工程学院毕业设计（论文）14机、磨床、牛头刨床、铣床、镗床、压缩机、振动筛、纤维机械输送机（板式、盒式、斗式） 、发电机、鼓风机、风扇、升降机、纤维机械1.61.82.01.82.02.2离心分离机、输送机（刮板式、螺旋式） 、锤击式粉碎机、造纸机械1.71.92.11.92.12.3小带轮转速计算3min/255)15(200)/(12rDvn选定同步带带型和节距4由同步带选型图3-4 设计功率和转速，选取XL 型带，节距mmPb08. 5图 3-4 同步带选型图选取主动轮齿数51z 查表3-3 轮最小齿数为10，现在选取小带轮齿数为14。表 3-3 最小齿数表带型小带轮转速n1（r/min）MXLXXLXLLHXHXXH徐州工程学院毕业设计（论文）159001012142222900120012121012162424120018001414121418262618003600161612162030360048001818151822小带轮节圆直径确定6=bPzd1114. 308. 514mm65.22大带轮相关数据确定7 系统传动比计算：min/3601rn min/2552rn 4 . 125536021nni大带轮相关参数计算：齿数，节距2012 izzmmPb08. 5带速v 的确定8smndv/43. 010006036065.2214. 310006011maxv、初定周间间距9根据公式 式)(2)(7 . 021021ddadd（3.7） 得 mmamm02.1105 .380现在初步选取轴间间距为100mm。、同步带带长及其齿数确定10()0L220a21dd 2/ )36.3265.22(14. 31002 286.61mm选择使用代号为112 的XL 型同步带，其节线长。mmLp48.284带轮啮合齿数计算11有在本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即 =20。mz实际轴间距的计算12徐州工程学院毕业设计（论文）16261.28648.284100200LLpaa =97.87mm基本额定功率的计算130P 式1000)(20vmvTPa（3.8） 查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表 3-4 道=50.17N，m=0.022Kg/m。aT 所以同步带的基准额定功率为=0.022KW0P100043. 0)43. 0022. 017.50(2表3-4 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同步带带宽计算14sb 式14. 100pdpbbszds（3.9） XL 型同步带标注带宽0sb啮合齿数zd查得，mmbs5 . 901zd12. 9022. 0014. 05 . 914. 1bs查表得，选择带宽代号为 037 的 XL 型带，选mmbs5 . 9带轮结构和尺寸15传动带选用的同步带尺寸如下：小带轮：mmdmmdza14.22,65.22,14111徐州工程学院毕业设计（论文）17大带轮：mmdmmdza85.31,36.32,20222同步带轮宽度 bf，查得mmbf4 .10min因为，所以带轮要装有双边挡圈。mmdmma2 .181887.971同步带强度校核16XL 带抗拉力强度，大带轮转矩NTa17.50mNT.2 . 0同步带拉力计算aaTNdTF54.1222所以，同步带选用合适，满足强度要求。6、X 轴向横梁传动带的选择根据 X 轴向横梁上的带轮直径为 15mm，功率为 3.2W,带轮的转速为 255r/min，可选择 XL 型同步带。X 轴向横梁传动带的参数：mmdmmdza66.15,17.16,10333根据上文中同步带轮轴间距的计算方法，可算得 X 轴向横梁上两同步带轮的实际轴间距为 860mm。7、选用同步带的齿形及参数图3-5 的标准尺寸图表 3-5 带的标准尺寸表型号节距齿形角齿根厚齿高齿根圆角半径齿顶圆半径XL5.0850。2.571.270.380.383.2 Y Y 轴向机械传动部件的选择轴向机械传动部件的选择3.2.1 Y 轴向导轨的选择Y 轴向运动条件：常温，平稳无冲击和振动，载荷小。估算 X 轴横梁重量，激光器重量，步进电机及其零件重量。kgm31kgm22kgm23徐州工程学院毕业设计（论文）18导轨所受的最大载荷:maxFNgmgmmF552)(132max有效行程： mLa8 . 0每分钟往返次数： 4n移动速度：min/15min/12mmv导轨滑块数目： 2m综上所述，选择 GGC 微型直线型导轨。导轨的额定动、静载荷分别为 .KNCKNCoa5 . 8,5 . 83.2.2 Y 轴向电动机的选择Y 轴向步进电机的计算与选择： 计算最大静摩擦力1F估算 Y 导轨上的总载荷。NG70 式fGF2（3.10） 滚动摩擦因数，此处。13 . 02 计算得： ,NG70 ,Nf2054 NF4820703 . 0计算转矩22T假设同步带轮直径为 15mm2D则 mNDFT.2195. 02/22计算 X 轴传动功率31P假设激光器在 X 轴向的运动速度为 0.2m/s1v计算得： WvFP6 . 9122 综上所述:选择 57BYGH311 步进电机。3.2.3 Y 轴向同步带的选择1、同步带传动设计计算电机额定输出功率估算1徐州工程学院毕业设计（论文）19WAVP8 .106 . 33确定计算功率2 电动机每天使用35 小时左右，查表3-1 得到工作情况系数=1.3。则计算功率为:AK WPKPAca04.143 . 108.10小带轮转速计算3 min/255)15(200)/(12rDvn选定同步带带型和节距4由同步带选型图3.5，根据设计功率和转速，选取XL 型带，节距mmPb08. 5选取主动轮齿数51z查表3-2 知道小带轮最小齿数为10，现在选取小带轮齿数为14。小带轮节圆直径确定6 =bPzd1114. 308. 514mm65.22大带轮相关数据确定7系统传动比计算： min/3601rn min/2552rn 4 . 125536021nni大带轮相关参数计算：齿数，节距2012 izzmmPb08. 5带速v 的确定8 smndv/43. 010006036065.2214. 310006011maxv、初定周间间距9根据公式 式)(2)(7 . 021021ddadd（3.11） 得mmamm02.1105 .380现在初步选取轴间间距为100mm。、同步带带长及其齿数确定10=()0L220a21dd =2/ )36.3265.22(14. 31002 =286.61mm选择使用代号为112 的XL 型同步带，其节线长。mmLp48.284徐州工程学院毕业设计（论文）20带轮啮合齿数计算11有在本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即 =20。mz实际轴间距的计算12261.28648.284100200LLpaa =97.87mm基本额定功率的计算130P查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表 4-3 可以知道1000)(20vmvTPa=50.17N，m=0.022Kg/m。aT 所以同步带的基准额定功率为=0.022KW0P100043. 0)43. 0022. 017.50(2同步带带宽计算14sb 式14. 100pdpbbszds（3.12） XL 型同步带标注带宽0sb啮合齿数zd查得，mmbs5 . 901zd12. 9022. 0014. 05 . 914. 1bs查表得，选择带宽代号为 037 的 XL 型带，选mmbs5 . 9带轮结构和尺寸15传动带选用的同步带尺寸如下：小带轮：mmdmmdza14.22,65.22,14111大带轮：mmdmmdza85.31,36.32,20222同步带轮宽度 bf，查得mmbf4 .10min因为，所以带轮要装有双边挡圈。mmdmma2 .181887.971同步带强度校核16XL 带抗拉力强度，大带轮转矩NTa17.50mNT.2 . 0同步带拉力计算aaTNdTF54.1222所以，同步带选用合适，满足强度要求。2、Y 轴向横梁传动带的选择徐州工程学院毕业设计（论文）21根据 Y 轴向横梁上的带轮直径为 15mm，功率为 3.2W,带轮的转速为 255r/min，可选择 XL 型同步带。Y 轴向横梁传动带的参数：mmdmmdza66.15,17.16,10333根据上文中同步带轮轴间距的计算方法，可算得 Y 轴向横梁上两同步带轮的实际轴间距为 860mm。3、选用同步带的齿形及参数见图 3-4 表 3-3。3.3 轴承的选择轴承的选择3.3.1 轴承的选择轴承的受力特点：轴承主要承受径向力，只受轻微轴向载荷。轴承选择使用深沟球，型号 617，轴承形状及尺寸分别见 表 3-6 深沟球轴承尺寸表内径 d外径 D宽度 B6mm17mm6mm图 3-6 深沟球轴承示意图徐州工程学院毕业设计（论文）224 激光雕刻机非标准件结构设计激光雕刻机非标准件结构设计4.1 轴的设计轴的设计4.1.1 轴的简介1、轴的类型 （1）按轴的轴线形状分类直轴：直轴最为广泛的应用在生产加工之中：分为光轴与阶梯轴两种。曲轴：曲轴能够将旋转运动转化为往复直线运动或者是作相反的运动转换。挠性轴：挠性钢丝软轴是一种由几层钢丝层构成的软轴，它能够把扭矩和旋转运动灵活地传递到任何位置。 （2）按轴所承受载荷不同分类心轴：是用来支承转动的零件，只受弯曲作用而不传递转矩。车辆用的转动心轴；支承滑轮用的固定心轴。转轴：转轴的应用特点是既支承转动零件又传递动力，同时承受弯曲和扭转两种作用。传动轴：只受扭转作用而不受弯曲作用。2、轴的材料优质碳素钢，如 45：价廉，对应力集中不敏感，应用较广。合金钢，如 40Cr：材料承载能力强，重量较轻及耐磨性等。球墨铸铁：可代替钢制造外形复杂的曲轴和凸轮轴。徐州工程学院毕业设计（论文）234.1.2 轴的设计计算1、确定轴的类型分析可知激光雕刻机上的轴都为转轴。2、选择轴的材料 分析激光雕刻机的运动传动过程可知，激光雕刻机传动载荷，转矩均比较小，并且运动平稳无冲击，所以选择使用 45#钢。3、分析设计问题 根据结构配合满足一系列要求:设计轴向固定，周向旋转固定；按照工作能力准则进行计算校核强度。4、轴的计算 轴的最小直径的计算1 式31npcd （4.1） 轴的直径（mm）d 轴的传递功率（kw）1p 轴的转速（r/min）n 与轴的材料有关的系数，查得 45#钢，c112c 假设电动机传动到轴的效率。%95 WPp26.10%9536 . 31 mmnpcd8 . 32551026.1011233315、轴的尺寸如图 4-1.徐州工程学院毕业设计（论文）24图 4-1 轴尺寸示意图4.1.3 轴和轴承的配合设计1、轴上零件的固定 （1）轴上零件的轴向固定轴肩或轴环固定1结构相对简单，定位可靠以及能够承受较大轴向力，属于常用的类型。用轴端挡圈、轴套以及圆螺母等进行固定2轴端挡圈只能够用于轴端零件的固定。采用带有锁紧装置的固定形式，防止轴端挡圈发生松动。轴套(套筒)：一般情况下，其可以用在两个零件之间，间距较小的位置。圆螺母：一般情况下，在不能采用轴套以及轴套太长时选用圆螺母。选用圆螺母是因为其拆装方便，而且固定可靠，可以承受相对较大的轴向作用力。其它的轴向固定形式3在受轴向力不大以及为了防止零件发生轴向窜动的位置，我们可以选择使用用紧定螺钉固定、圆锥销固定以及弹性挡圈固定等形式。 （2）轴上零件的周向固定使用键进行轴周向的固定：键的使用相对十分广泛。1使用过盈配合进行轴周向的固定：使用温差法或者也如法进行装配。2徐州工程学院毕业设计（论文）25 图 4-2 轴承支架示意图2、轴的结构工艺性 （1）轴形状要求尽量简单，便于进行加工与检验，并且轴上台阶数不可以太多。 （2）轴肩处的过渡圆角半径 r 要求小于零件孔的倒角 C 或者圆角半径 R： （3）要进行磨削加工的周表面，在轴肩的位置要求加工砂轮越程槽。 （4）当在轴上车螺纹时，在螺纹尾部要求留有退刀槽。 （5）在轴端位置要求倒角，若需要在轴的两端加工中心孔。 （6）在同一轴上的轴径相差不大轴段的键槽，要求尽量采用相同规格的键槽尺寸，而且要保持在同一加工直线，这样能够保证加工方便。3、轴承和轴的配合公差标准 （1）在轴公差带和轴承内径公差带构成配合时，在一般的基孔制当中，原本属于过渡配合的公差代号都将变成过赢配合，例如 km5、m6、k5、k6、n6 等等，然而要求过赢量不能太大；在轴承内径公差带和 g5、g6、h5、h6 等构成配合时，之前的间隙配合将成为过赢配合。（2）因为公差值不和一般基准轴相同，轴承外径公差带属于一种相对特殊的公差带，并且在大多情况下，外圈是固定在外壳孔中的，由于部分轴承部件结构要求有时需要调整，所以它们的配合要求不能太紧，大多和 J6、J7、H6、H7、Js6、Js7 等构成配合。 4、轴和轴承的配合安装徐州工程学院毕业设计（论文）26 （1）轴上安装同步带轮，周向固定采用键固定，径向采用套筒固定。 （2）轴和轴承的内径之间采用过盈配合，轴向安装端盖，防止轴向的轴窜动，轴承和轴承之间也应采用该过盈配合。轴和轴承之间的配合安装如图 4-3 所示。图 4-3 轴轴承配合安装示意图4.2 步进电机支撑架的设计步进电机支撑架的设计步进电机支撑架的设计必须根据步进电机的尺寸进行设计，并且考虑设计步进电机与步进电机支架之间装配。步进电机与支架装配示意图和支架尺寸如图 4-1 和图 4-2 所示。徐州工程学院毕业设计（论文）27图 4-4 步进电机与支架装配示意图图 4-5 步进电机形状尺寸示意图徐州工程学院毕业设计（论文）284.3 X 轴向横梁与导轨副的联接设计轴向横梁与导轨副的联接设计 XZ 轴向横梁和导轨副是两个独立的部件，在两者中间设计一个联接件，起到连接的作用。联接件的形状和尺寸要按照导轨副的尺寸和横梁的形状尺寸进行设计，要保证 X轴向横梁和导轨副之间固定连接，保证运动系统正常的运行。 X 轴向横梁的尺寸如图 4-3 所示。图 4-6 波导腔体设计示意图图 4-7 XZ 轴向横梁和导轨副联接示意图徐州工程学院毕业设计（论文）29图 4-8 X 轴向横梁与导轨副的联接件尺寸示意图4.4 联轴器的设计联轴器的设计常用的联轴器基本上已经规格化和标准化，在一般情况下，只要正确的选择联轴器类型、确定联轴器的尺寸和型号。在必要的时候，要对联轴器容易损坏的薄弱部分进行负荷能力的校核计算，在转速较高时，我们还应该验算联轴器外缘的弹性元件的变形与离心力，并且进行平衡的检验等等。1、联轴器的种类相当多，根据被连接两轴的相对位置以及位置变动情况，可以分为：（1）固定式联轴器。主要用在两轴要求严格的对中以及在运转中不发生相对位移的位置，结构大多比较简单，便于制造，而且两轴在瞬时的转速相同，主要分为套筒联轴器、凸缘联轴器以及夹壳联轴器等。（2）可移式联轴器。主要用在两轴有偏斜或者在运转中有相对位移的位置，依照补偿位移的方法可以分为刚性可移式联轴器与弹性可移式联轴器两种。选择时先应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出适用的型号，最后对某些关键零件作必要的验算。2、联轴器类型的选择 徐州工程学院毕业设计（论文）30 根据以下选择要求，选择联轴器的类型： （1）机械传递转矩的性质与大小，减震和缓冲功能的要求以及发生共振的可能性等。 （2）加工与装配产生的误差，热膨胀变形、轴受力与零件间的相对运动等原因所引起的两轴轴线发生相对位移。 （3）多样的联轴器的外形尺寸与装配形式，方便装配、调整以及维修必需的工作维护空间。相对于小型的联轴器，要求大型联轴器在不需轴发生轴向移动时能够装拆。 除了以上的条件，我们还应该考虑使用的寿命，工作的条件，密封与润滑以及经济性等要求，之后再根据各种联轴器的性能，选择出一种满足生产要求的联轴器。 本次设计中轴的转速比较低和所受转矩也比较小，有轻微的冲击和震荡，所以选择使用弹性联轴器。所设计的联轴器的形状尺寸如图 4-5 所示。 图 4-9 联轴器设计示意图 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。本设计中传递的扭矩很小，可忽略不计，所以不再进行校核检验的计算和使用寿命的估算。4.5 X 轴向导轨副和同步带联接设计轴向导轨副和同步带联接设计 同步带带动激光器在 X 轴向导轨上移动，同步带和导轨之间设计联接件，保证同步带精确带动激光器完成雕刻加工。 设计的联接装配如 4-10 所示。徐州工程学院毕业设计（论文）31图 4-10 联接设计装配示意图 同步带联接件上用双排螺钉将同步带固定在连接件上，同步带联接件和激光器联接件通过螺钉固定连接，激光器联接件和导轨副同样采用螺钉联接，这样设计就保证了激光器能够随着同步带的运转在导轨上运动并精确进行雕刻加工。徐州工程学院毕业设计（论文）32总结与展望总结与展望研究工作总结研究工作总结激光雕刻机是运用计算机软件设计图稿传递给雕刻机，根据图稿数据完成雕刻的自动化机器。现在激光雕刻机已经逐渐演变为激光加工领域最成熟的技术和运用最广泛的设计机械。利用激光雕刻机，任何复杂图形都能完成雕刻。另外激光雕刻机还可以进行镂空雕刻和不穿透的盲槽雕刻，以至于雕刻出形状、色彩，深浅以及质感都不同的各种奇特图案。主要研究工作可归纳为以下几个方面：1.激光雕刻机的原理在本阶段主要做的工作是了解激光雕刻的原理，只有掌握了激光雕刻的原理才能精确的设计出激光雕刻机的各种结构设计。在设计过程中，应用了各种网络资源知识，激光雕刻机手册以及查找图书馆文献资料完成的。激光雕刻原理是由于原子(分子或离子筝)跃迁产生的，而且是由自发的辐射引起。激光虽然是光，但它与普通光明显的不同是激光只在最初极短时间内依赖于自发的辐射，此后的过程是完全由激辐射决定的，因此激光本身具有十分纯正的颜色，几乎是无发散的方向性,激光雕刻机具有极高的发光强度。同时激光又具有高强度性、高方向性、高想干性，激光是通过激光器产生后由反射镜反射并通过聚集镜照射到待加工物品上，使加工的物品（表面）受到十分强大的热能而温度瞬间急剧增加，使得该点因高温而迅速的汽化或者融化，配合激光头的运行轨迹同时达到加工的目的。2.激光雕刻机的总体方案设计根据激光雕刻机的主要加工运动特点和设计的主要要求与内容，确定出激光雕刻机的整体方案设计。总体的方案设计必须详细的表达出激光雕刻机的主要运动结构以及动力源的选择，并且保证各个部件之间运动时不发生干涉，能精确的完成雕刻加工任务。设计中可查阅相关的设计方案以及各种激光雕刻机的实物。激光雕刻机的机械部分是 XY 方向导轨，其中 Y 方向是由两个平行导轨构成，X 方向由一个导轨构成，X 方向导轨是垂直放置在 Y 方向的两平行导轨上，并加以紧固。激光雕刻机的激光源安装在 X 方向导轨上，并由同步传动带带动在 X 方向导轨上运动；X 方向的导轨两端分别紧固在 Y 方向的两个导轨上，并且分别由同步传动带带动在 Y方向导轨上运动。激光源在 XY 方向上的运动是依靠步进电动机为动力源，通过带轮的旋转将旋转的能量转化为同步传动带在 XY 直线方向上的位移，从而完成雕刻加工。3.激光雕刻机总体结构设计 激光雕刻机的中体结构设计主要包括 XY 轴向的导轨选择设计、XY 轴向步进电机选择、XY 轴同步带的设计选择以及轴承的选择。在设计选择的过程中必须严格参照机械设计手册等相关的设计手册，选择合适的型号，设计合适的结构。徐州工程学院毕业设计（论文）33导轨主要起了导向的作用，能够承载一定的载荷，按照具体的选择步骤进行选择，并且根据相关的公式进行校核，并对使用寿命进行校核；步进电机是整个激光雕刻机运行的动力源，要根据激光器运动时所受载荷计算阻力，功率以及转矩，确定相应的步进电机型号，步进电机的转矩及转速必须符合相应的要求；同步带的运动将带动激光器的精确移动，保证精确的完成雕刻加工任务，要按照同步带的选择步骤和计算步骤进行选择计算，确定同步带的齿形尺寸，选择符合的型号，最后计算出相应的同步带轮的型号；根据激光雕刻机的传动状态和受力特点，选择相应的轴承类型及其型号。4.非标准件的设计与配合安装激光雕刻机的各个结构部件之间，设计相关的零件进行配合，保证激光雕刻机的正常运行。非标准件的设计主要包括各种轴的设计和相关零件联接件的设计，设计时要要充分考虑到相关零件之间的配合，选择相关的配合公差，保证能够运行。在整个设计过程中要参照主要标准零件尺寸进行