激光雕刻机结构设计及运动仿真

本科毕业设计（论文）开题报告题目名称： 激光雕刻机结构设计及运动仿真题目类型： 机电一体化设计类 学生姓名： 专 业： 测控技术与仪器 学 院： 机械工程学院 年 级： 指导教师： 2011 年 3 月 5 日一、 选题背景、研究意义及文献综述1、 选题背景建国五十年来，我国的机械工业虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。但随着世界科学技术的迅速发展，我国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此，在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新作品，已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的焦点。机电一体化技术是机械技术和电子技术的有机结合，它包括机械、电子、计算机和自动控制技术。它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优化。近年来，世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产系统向柔性化、智能化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业发展的必由之路。2、研究意义首先，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的。本课题的研究具有较高的实际意义和经济意义。最后，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.3、文献综述激光雕刻是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记。打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而刻出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图形、文字。目前，激光雕刻设备在市场上需求量很大。1938 年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950 年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。20 世纪 90 年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。自 1960 年第一台激光器问世以来，激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。激光的高单色性，可在光化学领域对一些相距很近的能级作选择激发，进行重金属的同位素分离；激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业（大到航天器、飞机、汽车工业，小到微电子、信息、生物细胞分离等微技术） 。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近 20 年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业。雕刻本是一门古老的艺术，一般雕刻工艺都是从外刻起，从材料外部雕出所希望的形状，而激光却可以像孙悟空一样“深入腹地” 去施展手脚。仔细察看，这些玻璃、水晶制品周围全然没有供“刻刀” 进出的开口，就这一点而言，激光比孙悟空还要高明，孙猴子往人家肚子里钻时也要有缝隙才行呢！激光雕刻原理其实也很简单。 激光要能雕刻玻璃，它的能量密度必须大于使玻璃破坏的某一临界值，或称阈值，而激光在某处的能量密度与它在该点光斑的大小有关，同一束激光，光斑越小的地方产生的能量密度越大。这样，通过适当聚焦，可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破坏阈值，而在希望加工的区域则超过这一临界值，激光在极短的时间内产生脉冲，其能量能够在瞬间使水晶受热破裂，从而产生极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃或水晶的其余部分则保持原样完好损。 激光雕刻按雕刻方式不同可分为点阵雕刻和矢量切割：点阵雕刻点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。激光头左右摆动，每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线，然后激光头同时上下移动雕刻出多条线，最后构成整版的图象或文字。扫描的图形，文字及矢量化图文都可使用点阵雕刻。矢量切割与点阵雕刻不同，矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。我们通常使用此模式在木材、亚克粒、纸张等材料上进行穿透切割，也可在多种材料表面进行打标操作。一台雕刻机的性能,主要由雕刻速度,雕刻强度和光斑大小而决定.雕刻速度雕刻速度指的是激光头移动的速度，通常用 IPS（英寸/ 秒）表示，高速度带来高的生产效率。速度也用于控制切割的深度，对于特定的激光强度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在 1%到 100%的范围内，调整幅度是 1%。悍马机先进的运动控制系统可以使您在高速雕刻时，仍然得到超精细的雕刻质量雕刻强度雕刻强度指射到于材料表面激光的强度。对于特定的雕刻机速度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻机面板调节强度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在 1%到 100%的范围内，调整幅度是 1%。强度越大，相当于速度也越大。切割的深度也越深光斑大小光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻。大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻，但对于矢量切割，它是最佳的选择。新设备的标准配置是 2.0 英寸的透镜。其光斑大小处于中间，适用于各种场合。 一般雕刻机可雕刻以下材料：木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、可丽耐、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属。激光雕刻机的应用范围:a主要加工方式：普通雕刻、激光三维立体雕刻、膜类和板材切割、人像/图案雕刻、激光打标b主要应用领域：各种标牌铭牌、工艺礼品、有机玻璃制品、橡胶制品、装饰用立体字、建筑模型、制鞋/成衣打样、各类印章、其他广告制品等c主要加工材料：有机玻璃、双色板、布料、皮革、木材、纸类、橡胶、高密度板/发泡板、玻璃器皿、塑料及其他非金属制品。激光雕刻机能够加工各种类型的材料，对于很多企业，激光雕刻机无疑是一个多功能的加工利器。二、 研究的基本内容，拟解决的主要问题研究内容：1.激光雕刻机现有产品现状的调研及市场分析；2.激光雕刻机各个部件的分析设计、激光雕刻机的机械设计；3.利用 ADAMS 软件进行机构运动分析。拟解决的主要问题:1.对现有的雕刻机的产品及市场进行调研；2.雕刻机的总体方案、结构的确定；3.激光雕刻机的机械结构设计；4.步进电机的选择；5.对设计的激光雕刻机进行运动仿真分析；三、 研究步骤、方法1.学习和借鉴国内外研究的产品技术；2.查找相关资料并阅读，并最终确定结构方案；3.根据设计要求和原始资料进行初步设计；4.设计激光雕刻机机械结构部分；5.利用 Unigraphics NX 软件绘制雕刻机的机械结构部件；6.利用 ADAMS 软件进行机构运动分析；研究工作进度：(1)2011 年 2 月 21 日-2011 年 3 月 13 日（1-3 周）：收集整理项目相关资料；认真领会设计任务，调研、查阅 15 篇以上的文献。(2)2011 年 3 月 14 日-2011 年 3 月 20 日（4 周）：收集、分析、整理文献资料，写文献综述：外文资料的整理、翻译 2 万字符左右的外文资料；并作开题报告。(3)2011 年 3 月 21 日-2011 年 3 月 27 日（5 周）：学习 UG 软件的设计使用，并能进行基本的机械模块设计。(4)2011 年 3 月 28 日-2011 年 4 月 10 日（6-7 周）：分析激光雕刻机的机械构成和主要部件。(5)2011 年 4 月 11 日-2011 年 5 月 1 日（8-10 周）：基于 ADAMS软件进行激光雕刻机运动分析。(6)2011 年 5 月 2 日-2011 年 5 月 15 日（11-12 周）：检查整理设计图纸，在实验中不断修改完善。(7)2011 年 5 月 16 日-2011 年 5 月 27 日（13-14 周）：撰写毕业论文，提交相关资料，进行答辩。四、主要参考文献1赵松年，张奇鹏机电一体化系统设计北京：机械工业出版社,19972Saeed B.Niku 著.机器人学导论分析、系统及应用.电子工业出版社，20043安杰斯利.机器人机械系统原理：理论、方法和算法.机械工业出版社，20044 Zhengtao Yu, et aI, “Des ign on laser engraving control system based on computer,“ Application of Electronic Technique, no. 12, pp. 9-10, 2000.5 Yong Chen, Hui Li, Yongkui Sun and Zhih e Gu, “The control system of three-axes high speed engraving machine based on embedded system ,“ Proceedings of 2008 IEEE International Confe rence on Mechatronics and Automation, pp. 803-807, August 2008.6Hamidreza Karbasi,“COMPUTER SIMULATION OF LASER MATERIAL REMOVAL:MEASURING THE DEPTH OF PENETRATION IN LASER ENGRAVING“,Conestoga College Institute of Technology and Advanced Learning, School of Engineering and Information Technology,Paper(P103).7孙魁武 ,张驰 ,王子贵;计算机与数控技术(下册),武汉:华中工学院出版社，1987:232.8赵英伟 ,计算机控制激光二维复杂图形扫描加工,河北工业大学硕士论文，2002:23.9朱广志 ,陈培峰 ,周卓尤,程昌盛,邹雪芬;双棒串接Nd 3+:YAG激光器的研究J.激光杂志,2003,24(2):293l.10余本海,郑启光,童杏林,秦应雄.两种典型双棒串接Nd: YAG激光器谐振腔的分析J. 华中科技大学学报(自然科学版 ),2003,31(4):96- 98.11王海林,周卓尤,曹红兵,黄维玲.双棒串接Nd: YAG 激光器的稳定性研究J.光电子.激光,2003 14( 2):149-152.12史晓强.低碳钢板的激光切割J. 激光技术,1998,22(6): 343-345.13杨遇春.YAG固体激光器与激光材料加工J.激光与红外,1997, 27(6):327-329.14彭丹丹.高速高精度数控雕刻机控制技术的研究D.合肥: 合肥工业大学,2005.15吴祖育,秦鹏飞.数控技术M. 上海:上海科学技术出版社,2000.16谈勇 .高速高精度雕铣机数控系统的研制D.合肥: 合肥工业大学, 2004.四、 系（教研室）评议意见评议人： 年 月 日