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        全自動三維玻璃雕刻機的設計與研究

        2017-08-11 02:17:16張才月
        魅力中國 2016年49期

        張才月

        摘 要:全自動三維玻璃雕刻機由光學系統(tǒng),機械系統(tǒng), 電氣控制系統(tǒng),雕刻軟件系統(tǒng), 冷卻系統(tǒng),凈化過濾系統(tǒng)組成.因此全自動三維玻璃雕刻機的設計是一個復雜綜合系統(tǒng)的設計。

        關鍵詞: 光學系統(tǒng)的設計 機械結構系統(tǒng)的設計 電氣控制系統(tǒng)的設計 軟件系統(tǒng)的設計

        玻璃雕刻機就是在玻璃器皿上雕刻出各種精美,同時具有立體效果的圖案,使其呈現(xiàn)出良好的視覺藝術效果,其應用范圍很廣,如可以應用于燈具飾品,家電裝飾,家庭裝潢,藝術畫框,藝術玻璃等領域,具有廣闊的市場前景和應用范圍。

        玻璃雕刻分為砂輪雕刻,噴砂雕刻,腐蝕雕刻, 激光雕刻四種。激光雕刻由于高精度,高效率,可控性強,重復性好,無污染, 可以雕刻出復雜形狀而見長, 激光雕刻又可分為掩膜式雕刻,點陣式雕刻, 振鏡線性掃描雕刻三種方式。

        我們設計的該款產品采用振鏡線性掃描雕刻方式,通過X, Y, Z軸的直線運動加四位工件工作臺的旋轉,實現(xiàn)對各種復雜曲面的玻璃器皿進行全方位,立體精細加工,從而達到完美的藝術效果, 進而滿足產品增值,獲得消費者青睞認可的需求。

        玻璃激光雕刻機由光學系統(tǒng),機械系統(tǒng), 電氣控制系統(tǒng),雕刻軟件系統(tǒng), 冷卻系統(tǒng),凈化過濾系統(tǒng)組成。

        光學系統(tǒng)的組成部分是擴束鏡,三維動態(tài)聚焦鏡, f-θ場鏡組成. 三維動態(tài)聚焦鏡由Z軸動態(tài)聚焦單元,X軸振鏡,Y軸振鏡.機械系統(tǒng)則是由X軸,Y軸,Z軸直線運動機構,四位工件平臺旋轉機構,自動開關門機構,光學系統(tǒng),冷卻,凈化過濾系統(tǒng)安裝支撐部分,整體框架部分等組成。

        雕刻運動機構采用四軸伺服傳動系統(tǒng),包括X、Y軸工作臺、Z軸升降機構、和旋轉工作臺。通過X、Y軸工作臺和Z軸升降機構的聯(lián)動,可實現(xiàn)平板玻璃表面大范圍快速刻蝕;旋轉工作臺可實現(xiàn)回轉體曲面玻璃的雕刻。X、Y、Z三軸遠動平臺主要由直線滑軌、滾珠絲杠、伺服電機組成,通過伺服電機驅動滾珠絲杠帶動工作平臺沿X、Y軸進行運動,帶動激光器沿Z軸運動,在產品的設計過程中,首先根據(jù)產品設計任務的設計輸入?yún)?shù)來選擇絲杠,導軌的行程,該產品根據(jù)設計輸入,X軸行程500mm, Y軸行程500mm,Z軸行程150mm,根據(jù)光學器件的重量來選擇Z軸用電機功率,從經濟性,可靠性綜合角度考慮,我們選擇安川的交流伺服電機,其型號為SGMGV-03AD21,功率為0.3KW, 經負載計算,X軸電機及Y軸電機功率需要為1.01KW,最終我們選用安川的交流伺服電機SGMJV-04A3EE(功率0.4KW)加AE070減速器(速比為5)滿足其輸出扭矩要求,為了減少運動摩擦力和保證運動精度,我們選HIWIN高精度的滾珠絲桿及滾珠滑塊直線導軌X, Y, Z軸運動機構示意圖:

        其中Z軸支架受力比較大,容易變形,我們按照實際負載用有限元經計算,其變形量滿足設計要求,Z 軸支架采用鋁材焊接件, 后加工的方法處理,其最大變形量僅為6.165um,有限元計算結果圖:

        其他結構件按常規(guī)強度計算進行校核,其強度滿足設計要求。為了保證每軸機構中兩導軌平行度,采用一根導軌側面定位,另一側面采用固定塊加螺絲相頂?shù)姆椒ūWC兩導軌的平行度,確保運動平滑。

        四位工件工作臺旋轉機構采用公轉加自轉的方法,實現(xiàn)在一次不換玻璃器皿的情況下,完成對4只器皿的雕刻,提高了工作效率. 機械實現(xiàn)方式:采用電機驅動同步齒形帶實現(xiàn)自轉,一對嚙合內齒輪實現(xiàn)公轉,采用齒輪滑鍵的方式,實現(xiàn)自轉與公轉的切換,齒輪滑鍵是采用具有導向桿的直線氣缸來推動自動開關門機構采用3位5通電磁換向閥控制直線氣缸,同時門在直線滑桿的來回運動,實現(xiàn)門自動開與關,直線氣缸選用AIRTAC公司具有導向桿的氣缸,型號為RMT20X700,電磁換向閥選用AIRTAC(通徑8mm, 型號4V230C-06-BY)電磁閥,直線滑桿選用IGUS公司的直線滑桿,兩端位置控制由機械接觸式行程開關反饋控制電磁閥換向動作。

        對于光學系統(tǒng),冷卻,凈化過濾系統(tǒng)支撐及整體框架,考慮到剛性,經濟性及裝配工藝性而采用方鋼焊接(焊接后需振動退火)加裝安裝板的方式設計,安裝板采用精加工的方式,保證其位置度及平面度.冷卻系統(tǒng)則選用同飛制冷設備有限公司的MCWL-15的激光冷卻機.凈化過濾系統(tǒng)選用昆山來圣環(huán)??萍加邢薰镜腏C-11DE的凈化過濾機.電氣控制系統(tǒng)則采用合作開發(fā)的方式, 選用北京海目激光與數(shù)控發(fā)展有限公司的 UCS-SAM 控制系統(tǒng)。

        產品整體外觀及部分結構示意圖:

        結論

        全自動三維玻璃雕刻機的設計是一較為復雜系統(tǒng)的設計,涵蓋光學系統(tǒng),機械系統(tǒng),電氣控制系統(tǒng),軟件系統(tǒng)及其他的冷卻,凈化過濾系統(tǒng),在設計過程中,各系統(tǒng)外購件的選型,系統(tǒng)性能之間的匹配,成本的考慮,零件加工的工藝性,裝配工藝性均得仔細考慮。

        參考文獻

        [1]錢愛玲,夏清華.的計算機控制激光玻璃雕刻機的分析與改進.中圖分類號: 0434.12.

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