激光雕刻機結(jié)構(gòu)設計及運動仿真

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本科畢業(yè)設計（論文）開題報告題目名稱： 激光雕刻機結(jié)構(gòu)設計及運動仿真題目類型： 機電一體化設計類 學生姓名： 專 業(yè)： 測控技術與儀器 學 院： 機械工程學院 年 級： 指導教師： 2011 年 3 月 5 日一、 選題背景、研究意義及文獻綜述1、 選題背景建國五十年來，我國的機械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟和人民生活的需要。但隨著世界科學技術的迅速發(fā)展，我國機械工業(yè)的技術水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達國家相比還存在相當大的差距。因此，在我國以新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術含量的新作品，已成為當前機械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關注和改革的焦點。機電一體化技術是機械技術和電子技術的有機結(jié)合，它包括機械、電子、計算機和自動控制技術。它從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達國家競相發(fā)展機電一體化技術，以提高制造技術水平，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機電一體化技術給傳統(tǒng)的機械工業(yè)帶來了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機電一體化是當今世界機械工業(yè)技術和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，也是我國機械工業(yè)發(fā)展的必由之路。2、研究意義首先，由于國外的雕刻技術出現(xiàn)的早，開發(fā)和應用的時間比較長，它們發(fā)展也比較成熟。而我國的激光雕刻技術不管從產(chǎn)品開發(fā)水平還是從商品化、市場化程度都與發(fā)達國家有不小的差距，所以我們要立足國內(nèi)，結(jié)合國情，面向經(jīng)濟建設的需要，開發(fā)出有自己特色，符合中國人習慣的雕刻機結(jié)構(gòu)及其軟件。因此，本課題有重要意義。其次，從實際上來看，激光產(chǎn)品正向高速度、高精度、高效率、多功能方向發(fā)展，技術含量越來越高，而我國激光系統(tǒng)的核心主要來自國外，且自主研發(fā)能力不強。因此，開發(fā)一套可以進一步改進雕刻工藝和水平的專用軟件是非常適合的。本課題的研究具有較高的實際意義和經(jīng)濟意義。最后，本課題涉及機械制圖、計算機軟件應用等眾多知識，將這些理論知識和實際制圖、程序編制起來，對個人思維、工程經(jīng)驗進行了一次長期的、有效的鍛煉。對個人能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的訓練都起到了十分重要的作用.3、文獻綜述激光雕刻是用激光束在各種不同的物質(zhì)表面打上永久的標記。打標的效應是通過表層物質(zhì)的蒸發(fā)露出深層物質(zhì)，或者是通過光能導致表層物質(zhì)的化學物理變化而刻出痕跡，或者是通過光能燒掉部分物質(zhì)，顯出所需刻蝕的圖形、文字。目前，激光雕刻設備在市場上需求量很大。1938 年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950 年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本和法國等國也開始研制。20 世紀 90 年代，隨著微電子技術的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術和微型計算機技術帶動整個高技術群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。自 1960 年第一臺激光器問世以來，激光的研究及其在各個領域的應用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲及通信等領域得到了廣泛應用。激光的高單色性，可在光化學領域?qū)σ恍┫嗑嗪芙哪芗壸鬟x擇激發(fā)，進行重金屬的同位素分離；激光的高方向性和高亮度可廣泛應用于加工制造業(yè)（大到航天器、飛機、汽車工業(yè)，小到微電子、信息、生物細胞分離等微技術） 。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近 20 年來，激光制造技術已滲入到諸多高新技術領域和產(chǎn)業(yè)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工行業(yè)。雕刻本是一門古老的藝術，一般雕刻工藝都是從外刻起，從材料外部雕出所希望的形狀，而激光卻可以像孫悟空一樣“深入腹地” 去施展手腳。仔細察看，這些玻璃、水晶制品周圍全然沒有供“刻刀” 進出的開口，就這一點而言，激光比孫悟空還要高明，孫猴子往人家肚子里鉆時也要有縫隙才行呢！激光雕刻原理其實也很簡單。 激光要能雕刻玻璃，它的能量密度必須大于使玻璃破壞的某一臨界值，或稱閾值，而激光在某處的能量密度與它在該點光斑的大小有關，同一束激光，光斑越小的地方產(chǎn)生的能量密度越大。這樣，通過適當聚焦，可以使激光的能量密度在進入玻璃及到達加工區(qū)之前低于玻璃的破壞閾值，而在希望加工的區(qū)域則超過這一臨界值，激光在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生脈沖，其能量能夠在瞬間使水晶受熱破裂，從而產(chǎn)生極小的白點，在玻璃內(nèi)部雕出預定的形狀，而玻璃或水晶的其余部分則保持原樣完好損。 激光雕刻按雕刻方式不同可分為點陣雕刻和矢量切割：點陣雕刻點陣雕刻酷似高清晰度的點陣打印。激光頭左右擺動，每次雕刻出一條由一系列點組成的一條線，然后激光頭同時上下移動雕刻出多條線，最后構(gòu)成整版的圖象或文字。掃描的圖形，文字及矢量化圖文都可使用點陣雕刻。矢量切割與點陣雕刻不同，矢量切割是在圖文的外輪廓線上進行。我們通常使用此模式在木材、亞克粒、紙張等材料上進行穿透切割，也可在多種材料表面進行打標操作。一臺雕刻機的性能,主要由雕刻速度,雕刻強度和光斑大小而決定.雕刻速度雕刻速度指的是激光頭移動的速度，通常用 IPS（英寸/ 秒）表示，高速度帶來高的生產(chǎn)效率。速度也用于控制切割的深度，對于特定的激光強度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻機面板調(diào)節(jié)速度，也可利用計算機的打印驅(qū)動程序來調(diào)節(jié)。在 1%到 100%的范圍內(nèi)，調(diào)整幅度是 1%。悍馬機先進的運動控制系統(tǒng)可以使您在高速雕刻時，仍然得到超精細的雕刻質(zhì)量雕刻強度雕刻強度指射到于材料表面激光的強度。對于特定的雕刻機速度，強度越大，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻機面板調(diào)節(jié)強度，也可利用計算機的打印驅(qū)動程序來調(diào)節(jié)。在 1%到 100%的范圍內(nèi)，調(diào)整幅度是 1%。強度越大，相當于速度也越大。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鏡進行調(diào)節(jié)。小光斑的透鏡用于高分辨率的雕刻。大光斑的透鏡用于較低分辨率的雕刻，但對于矢量切割，它是最佳的選擇。新設備的標準配置是 2.0 英寸的透鏡。其光斑大小處于中間，適用于各種場合。 一般雕刻機可雕刻以下材料：木制品、有機玻璃、金屬板、玻璃、石材、水晶、可麗耐、紙張、雙色板、氧化鋁、皮革、樹脂、噴塑金屬。激光雕刻機的應用范圍:a．主要加工方式：普通雕刻、激光三維立體雕刻、膜類和板材切割、人像/圖案雕刻、激光打標b．主要應用領域：各種標牌銘牌、工藝禮品、有機玻璃制品、橡膠制品、裝飾用立體字、建筑模型、制鞋/成衣打樣、各類印章、其他廣告制品等c．主要加工材料：有機玻璃、雙色板、布料、皮革、木材、紙類、橡膠、高密度板/發(fā)泡板、玻璃器皿、塑料及其他非金屬制品。激光雕刻機能夠加工各種類型的材料，對于很多企業(yè)，激光雕刻機無疑是一個多功能的加工利器。二、 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題研究內(nèi)容：1.激光雕刻機現(xiàn)有產(chǎn)品現(xiàn)狀的調(diào)研及市場分析；2.激光雕刻機各個部件的分析設計、激光雕刻機的機械設計；3.利用 ADAMS 軟件進行機構(gòu)運動分析。擬解決的主要問題:1.對現(xiàn)有的雕刻機的產(chǎn)品及市場進行調(diào)研；2.雕刻機的總體方案、結(jié)構(gòu)的確定；3.激光雕刻機的機械結(jié)構(gòu)設計；4.步進電機的選擇；5.對設計的激光雕刻機進行運動仿真分析；三、 研究步驟、方法1.學習和借鑒國內(nèi)外研究的產(chǎn)品技術；2.查找相關資料并閱讀，并最終確定結(jié)構(gòu)方案；3.根據(jù)設計要求和原始資料進行初步設計；4.設計激光雕刻機機械結(jié)構(gòu)部分；5.利用 Unigraphics NX 軟件繪制雕刻機的機械結(jié)構(gòu)部件；6.利用 ADAMS 軟件進行機構(gòu)運動分析；研究工作進度：(1)2011 年 2 月 21 日-2011 年 3 月 13 日（1-3 周）：收集整理項目相關資料；認真領會設計任務，調(diào)研、查閱 15 篇以上的文獻。(2)2011 年 3 月 14 日-2011 年 3 月 20 日（4 周）：收集、分析、整理文獻資料，寫文獻綜述：外文資料的整理、翻譯 2 萬字符左右的外文資料；并作開題報告。(3)2011 年 3 月 21 日-2011 年 3 月 27 日（5 周）：學習 UG 軟件的設計使用，并能進行基本的機械模塊設計。(4)2011 年 3 月 28 日-2011 年 4 月 10 日（6-7 周）：分析激光雕刻機的機械構(gòu)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軟件進行激光雕刻機運動分析。(6)2011 年 5 月 2 日-2011 年 5 月 15 日（11-12 周）：檢查整理設計圖紙，在實驗中不斷修改完善。(7)2011 年 5 月 16 日-2011 年 5 月 27 日（13-14 周）：撰寫畢業(yè)論文，提交相關資料，進行答辯。四、主要參考文獻[1]趙松年，張奇鵬．機電一體化系統(tǒng)設計．北京：機械工業(yè)出版社,1997[2]Saeed B.Niku 著.機器人學導論——分析、系統(tǒng)及應用.電子工業(yè)出版社，2004[3]安杰斯利.機器人機械系統(tǒng)原理：理論、方法和算法.機械工業(yè)出版社，2004[4] 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.[6]Hamidreza Karbasi,“COMPUTER SIMULATION OF LASER MATERIAL REMOVAL:MEASURING THE DEPTH OF PENETRATION IN LASER ENGRAVING“,Conestoga College Institute of 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