SolidWorks激光雕刻机三维的建模
SolidWorks激光雕刻机三维的建模
1 引言
1．1 概述
众所周知，雕刻最早都是采用手工雕刻，它是一种原始工匠型的劳动，是雕刻师“高智能和高技能”的综合活动。雕刻成品是否成为珍品完全取决于雕刻师对艺术的理解、对材料的感觉、雕刻技巧的发挥和孜孜不倦的精神，这不是普通人所能胜任的，也正是由于如此难能可贵，“雕刻”成为一种艺术、一种文化和一种精神的象征[1]。随着社会需求的不断发展，手工雕刻虽然成本低，但造型变化少，无论从生产效率和精度上都难于适应工业生产的需要。因此，我们设计了一种简易的激光雕刻机来适应时代的发展需要。
1．2 激光雕刻原理
激光雕刻是利用高能量密度的激光束对目标作用，使目标表面发生物理或化学的变化，从而获得可见图案的打标方式[2]。打标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。
激光雕刻相比传统雕刻来说更高效，更快捷。加工精度更高且适用的加工材料范围也更广泛。激光雕刻是一种崭新的加工技术，广泛应用于很多行业。具有高效率、适用面广和投资回报率快等优点。
1．3 研究背景
激光雕刻的发展主要是源于传统机械雕刻技术的缺陷，得益于激光雕刻的优势。表1-1显示了传统机械雕刻与激光雕刻的不同。从表中可以看出，激光雕刻有无法比拟的优势。
（1）激光雕刻是一种非接触性的加工手段，对材料不产生机械挤压或机械应力，不存在刀具磨损问题，易损零件为零。因此，从长远角度看，有利于生产成本的降低。
（2）激光光束很细，使加工材料消耗小。
（3）由于激光的能量强度可以达到很高，可对高熔点、高强度的合金材料、金刚石等非金属脆硬材料进行加工。
（4）激光雕刻运用光电学作用，对环境无污染，而且占地小，操作条件简便。
（5）能加工图像图形文字等，且加工产品精细美观，据有较高的审美价值。
表1-1传统机械雕刻与激光雕刻的不同
激光雕刻机 传统雕刻机
加工方式 以聚焦后的激光融化或气化工作 以旋转式刀具切削工件
材料固定方式 非接触式加工，大部分材料直接摆放就行 夹具、真空吸附等各种方式固定加工工件
耗材 主要耗材是镜片，只要保养妥善，使用寿命相对较长 主要耗材是刀具，因为是接触式加工，刀具耗损量很大
控制方式 控制动率、速度、DPI等加工参数 控制转速、进给率、上下刀速度等加工参数
雕刻特性 可雕刻矢量或点陈文件：雕刻时间只与工作面积成正比 以矢量方式进行雕刻：雕刻时间与工作面积和工作内容成正比
1．4 国内、外的研究现状
1.4.1 国内的研究现状
由于国外的雕刻技术出现得早，开发和应用的时间比较长，他们发展也比较成熟。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[3]。国内市场的所有激光设备都停留在激光平面雕刻阶段，尚无法进行激光三维雕刻。在精雕领域，国内传统机械精雕设备做得最好的是光岳激光，其在解决精细模具雕刻方面赢得了巨大的市场和成功。但由于机械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻无法实现。一部分领域，不得不借助高超的手工工艺，进行手雕或者修模工作。在激光模具雕刻方面主要是利用功率较强的激光打标机销往模具制造行业，目前销售态势良好。但由于其雕刻技术只能雕刻平面文字和图案，离激光三位雕刻还有一段距离，所以其目前在该领域还不能大展身手。目前国内生产厂家没有专业的机械雕刻机的开发研制部门，大部分雕刻机都是根据国外以前的雕刻机模仿制造，在技术上不够成熟。
1.4.2 国外的研究现状
激光三维精雕模具是指通过高能量激光束在模具材料上或者铜电极上雕刻出您需要的二维或三维形状[4]。激光三维精雕系统（英文名字：3D laser engraving system）
是激设备家族里的又一新成员，是激光技术进步的又一重要标志，是模具制造业的利器。同时它与水晶内雕机有本质的区别，水晶内雕机的三维概念是一定密度的点云造成感觉上的立体图像，而且只能应用在水晶工艺品上。而激光三维精雕机是通过精确的CAD软件技术实现的三维立体实体空间的雕刻，因而它不仅可以应用在一般产品精加工领域，还可以应用的模具制造领域。
国外，已经有设备商开发出相应的激光三维模具雕刻系统与应用，可以雕刻出任何三维或3D立体的模具，其精度超高，相信在未来将成为模具行业的发展趋势。 1．5 发展趋势
(1)高速、 高精度激光雕刻机因为大功率激光器光束模式的改善及32位微机的
应用，为激光雕刻设备的高速、高精度创造了有利前提。
(2)厚板雕刻和大尺寸工件雕刻的大型激光雕刻机可用于激光雕刻激光器功率增
大，激光雕刻正从轻产业薄板的钣金加工向着重产业厚板雕刻方向发展。
(3)三维立体多轴数控激光雕刻机，为了满足汽车、航空等产业的立体工件雕刻的需要，目前已发展了各种各样的五轴或六轴三维激光雕刻机，数控轴数达到九轴，加工速度快，精度高。在提高前辈国家的汽车出产线上，激光雕刻机器人的应用愈来愈多。目前，三维激光雕刻机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展，器应用范围将会愈来愈大。
(4)激光雕刻单元自动化和无人化为了提高生产率和节省劳动力，目前激光雕刻技术正向着激光雕刻单元（FMC）和无人化、自动化方向发展[5]。发展这种单元自动化系统，必须依靠于先进的自动控制、网络控制技术及计算机生产辅助系统技术等。
1．6 选题意义
雕刻机的根源是机床，机床又是制造机器的机器，人类步向文明的过程中，工业的生产和国家社会的建设，无一不需要这称为工作母机的机床。因而，参与设计小型雕刻机，有助于了解机床的历史与发展，牢记其对推动人类文明进程所作出的不可比拟的贡献。
雕刻机有许多不同领域的应用，其结构也有相应的设计，本课题针对诸多不同方案提出各种合理有效的理论结构设计，选择其中一种进行三维建模、分析计算和运动学分析为同类数控设备的结构分析、设计及改进打下一定的基础。
当今，数控领域的技术日趋成熟，小型雕刻机的应用也逐渐渗透到各行各业当中，
而能根据需求定制合理有效的产品是对企业或是个人最大的贡献，因此，小型雕刻机的修改或改装在一定程度上为具有一定能力的群体或个人提供实际参考。
2 激光雕刻机总体设计方案
2．1 确定总体设计方案
由于本课题是设计一种能够在球形工件表面进行雕刻的简易激光雕刻机，因此采用以下方案要求进行设计。方案机构如图2-2所示。
（1）按照尽量减少电机数量，且机构简单，结构紧凑的原则选择两个电机的方案。
（2）最终方案为两自由度机构，主运动为伺服电机的转动，进给运动为电控旋转台的转。
（3）为保证加工精度，加工表面始终在激光焦点处，要求加工过程中工件球心静止。
（4）电控旋转台与伺服电机中心线交点与球心重合。
（5）加工轨迹：按纬线加工。
（6）加工路径如图2-1所示。
图2-1加工路径
（7）旋转工作台应该结构紧凑，便于安装和拆卸。
图2-2总体方案机构简图一
由于考虑到成本和工件本身误差较大的因素，设计了比较简单的夹具。如果工件精度较高，可考虑使用三爪卡盘，其定心功能比较好。
主运动支架可以将支架的水平板设计成可调长短式机构。如图2-3所示。由于支架竖直板表面有电控旋转台轴心刻线，安装工件时先调节水平支架使球形工件与竖直板轴心刻线接触，此时可保证球心与两电机轴交点重合[6]。夹紧工件后，再调节水平板，使工件离开竖直板表面，然后固定支架水平板。
图2-3 总体方案机构简图二
综合比较以上两个方案，方案二可保证球心与两电机轴交点重合。最终选择方案二。
2．2 功能设计
机械部分按照功能划为三个模块：
（1）夹具
（2）主运动支架
（3）电控旋转台
夹具实现定位加紧功能；
主运动支架实现主运动连续加工以及工件定心功能；
由于电控旋转台是本台激光雕刻机的核心部件，现详细描述其功能设计：
（1）该电控旋转台主要实现主运动支架的分度功能，即电控台每次转动使主运动支架旋转一个小角度，以实现分度功能。
（2）每次的旋转角度要求比较精确。
（3）采用伺服电机控制。
（4）该电控旋转台实现转动分度时只对角度有要求，对速度和加速度没有特别要求。所以对旋转台的额定转矩没有特殊要求。
（5）该电控旋转台的负载（主运动支架）有径向配重，所以静转矩很小。工作时的转矩主要由旋转台启动时的加速度产生。
（6）旋转台工作平面竖直放置，所以负载对旋转台没有轴向力，但有径向力和弯矩。
1 引言
1．1 概述
众所周知，雕刻最早都是采用手工雕刻，它是一种原始工匠型的劳动，是雕刻师“高智能和高技能”的综合活动。雕刻成品是否成为珍品完全取决于雕刻师对艺术的理解、对材料的感觉、雕刻技巧的发挥和孜孜不倦的精神，这不是普通人所能胜任的，也正是由于如此难能可贵，“雕刻”成为一种艺术、一种文化和一种精神的象征[1]。随着社会需求的不断发展，手工雕刻虽然成本低，但造型变化少，无论从生产效率和精度上都难于适应工业生产的需要。因此，我们设计了一种简易的激光雕刻机来适应时代的发展需要。
1．2 激光雕刻原理
激光雕刻是利用高能量密度的激光束对目标作用，使目标表面发生物理或化学的变化，从而获得可见图案的打标方式[2]。打标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。
激光雕刻相比传统雕刻来说更高效，更快捷。加工精度更高且适用的加工材料范围也更广泛。激光雕刻是一种崭新的加工技术，广泛应用于很多行业。具有高效率、适用面广和投资回报率快等优点。
1．3 研究背景
激光雕刻的发展主要是源于传统机械雕刻技术的缺陷，得益于激光雕刻的优势。表1-1显示了传统机械雕刻与激光雕刻的不同。从表中可以看出，激光雕刻有无法比拟的优势。
（1）激光雕刻是一种非接触性的加工手段，对材料不产生机械挤压或机械应力，不存在刀具磨损问题，易损零件为零。因此，从长远角度看，有利于生产成本的降低。
（2）激光光束很细，使加工材料消耗小。
（3）由于激光的能量强度可以达到很高，可对高熔点、高强度的合金材料、金刚石等非金属脆硬材料进行加工。
（4）激光雕刻运用光电学作用，对环境无污染，而且占地小，操作条件简便。
（5）能加工图像图形文字等，且加工产品精细美观，据有较高的审美价值。
表1-1传统机械雕刻与激光雕刻的不同
激光雕刻机 传统雕刻机
加工方式 以聚焦后的激光融化或气化工作 以旋转式刀具切削工件
材料固定方式 非接触式加工，大部分材料直接摆放就行 夹具、真空吸附等各种方式固定加工工件
耗材 主要耗材是镜片，只要保养妥善，使用寿命相对较长 主要耗材是刀具，因为是接触式加工，刀具耗损量很大
控制方式 控制动率、速度、DPI等加工参数 控制转速、进给率、上下刀速度等加工参数
雕刻特性 可雕刻矢量或点陈文件：雕刻时间只与工作面积成正比 以矢量方式进行雕刻：雕刻时间与工作面积和工作内容成正比
1．4 国内、外的研究现状
1.4.1 国内的研究现状
由于国外的雕刻技术出现得早，开发和应用的时间比较长，他们发展也比较成熟。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[3]。国内市场的所有激光设备都停留在激光平面雕刻阶段，尚无法进行激光三维雕刻。在精雕领域，国内传统机械精雕设备做得最好的是光岳激光，其在解决精细模具雕刻方面赢得了巨大的市场和成功。但由于机械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻无法实现。一部分领域，不得不借助高超的手工工艺，进行手雕或者修模工作。在激光模具雕刻方面主要是利用功率较强的激光打标机销往模具制造行业，目前销售态势良好。但由于其雕刻技术只能雕刻平面文字和图案，离激光三位雕刻还有一段距离，所以其目前在该领域还不能大展身手。目前国内生产厂家没有专业的机械雕刻机的开发研制部门，大部分雕刻机都是根据国外以前的雕刻机模仿制造，在技术上不够成熟。
1.4.2 国外的研究现状
激光三维精雕模具是指通过高能量激光束在模具材料上或者铜电极上雕刻出您需要的二维或三维形状[4]。激光三维精雕系统（英文名字：3D laser engraving system）
是激设备家族里的又一新成员，是激光技术进步的又一重要标志，是模具制造业的利器。同时它与水晶内雕机有本质的区别，水晶内雕机的三维概念是一定密度的点云造成感觉上的立体图像，而且只能应用在水晶工艺品上。而激光三维精雕机是通过精确的CAD软件技术实现的三维立体实体空间的雕刻，因而它不仅可以应用在一般产品精加工领域，还可以应用的模具制造领域。
国外，已经有设备商开发出相应的激光三维模具雕刻系统与应用，可以雕刻出任何三维或3D立体的模具，其精度超高，相信在未来将成为模具行业的发展趋势。 1．5 发展趋势
(1)高速、 高精度激光雕刻机因为大功率激光器光束模式的改善及32位微机的
应用，为激光雕刻设备的高速、高精度创造了有利前提。
(2)厚板雕刻和大尺寸工件雕刻的大型激光雕刻机可用于激光雕刻激光器功率增
大，激光雕刻正从轻产业薄板的钣金加工向着重产业厚板雕刻方向发展。
(3)三维立体多轴数控激光雕刻机，为了满足汽车、航空等产业的立体工件雕刻的需要，目前已发展了各种各样的五轴或六轴三维激光雕刻机，数控轴数达到九轴，加工速度快，精度高。在提高前辈国家的汽车出产线上，激光雕刻机器人的应用愈来愈多。目前，三维激光雕刻机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展，器应用范围将会愈来愈大。
(4)激光雕刻单元自动化和无人化为了提高生产率和节省劳动力，目前激光雕刻技术正向着激光雕刻单元（FMC）和无人化、自动化方向发展[5]。发展这种单元自动化系统，必须依靠于先进的自动控制、网络控制技术及计算机生产辅助系统技术等。
1．6 选题意义
雕刻机的根源是机床，机床又是制造机器的机器，人类步向文明的过程中，工业的生产和国家社会的建设，无一不需要这称为工作母机的机床。因而，参与设计小型雕刻机，有助于了解机床的历史与发展，牢记其对推动人类文明进程所作出的不可比拟的贡献。
雕刻机有许多不同领域的应用，其结构也有相应的设计，本课题针对诸多不同方案提出各种合理有效的理论结构设计，选择其中一种进行三维建模、分析计算和运动学分析为同类数控设备的结构分析、设计及改进打下一定的基础。
当今，数控领域的技术日趋成熟，小型雕刻机的应用也逐渐渗透到各行各业当中，
而能根据需求定制合理有效的产品是对企业或是个人最大的贡献，因此，小型雕刻机的修改或改装在一定程度上为具有一定能力的群体或个人提供实际参考。
2 激光雕刻机总体设计方案
2．1 确定总体设计方案
由于本课题是设计一种能够在球形工件表面进行雕刻的简易激光雕刻机，因此采用以下方案要求进行设计。方案机构如图2-2所示。
（1）按照尽量减少电机数量，且机构简单，结构紧凑的原则选择两个电机的方案。
（2）最终方案为两自由度机构，主运动为伺服电机的转动，进给运动为电控旋转台的转。
（3）为保证加工精度，加工表面始终在激光焦点处，要求加工过程中工件球心静止。
（4）电控旋转台与伺服电机中心线交点与球心重合。
（5）加工轨迹：按纬线加工。
（6）加工路径如图2-1所示。
图2-1加工路径
（7）旋转工作台应该结构紧凑，便于安装和拆卸。
图2-2总体方案机构简图一
由于考虑到成本和工件本身误差较大的因素，设计了比较简单的夹具。如果工件精度较高，可考虑使用三爪卡盘，其定心功能比较好。
主运动支架可以将支架的水平板设计成可调长短式机构。如图2-3所示。由于支架竖直板表面有电控旋转台轴心刻线，安装工件时先调节水平支架使球形工件与竖直板轴心刻线接触，此时可保证球心与两电机轴交点重合[6]。夹紧工件后，再调节水平板，使工件离开竖直板表面，然后固定支架水平板。
图2-3 总体方案机构简图二
综合比较以上两个方案，方案二可保证球心与两电机轴交点重合。最终选择方案二。
2．2 功能设计
机械部分按照功能划为三个模块：
（1）夹具
（2）主运动支架
（3）电控旋转台
夹具实现定位加紧功能；
主运动支架实现主运动连续加工以及工件定心功能；
由于电控旋转台是本台激光雕刻机的核心部件，现详细描述其功能设计：
（1）该电控旋转台主要实现主运动支架的分度功能，即电控台每次转动使主运动支架旋转一个小角度，以实现分度功能。
（2）每次的旋转角度要求比较精确。
（3）采用伺服电机控制。
（4）该电控旋转台实现转动分度时只对角度有要求，对速度和加速度没有特别要求。所以对旋转台的额定转矩没有特殊要求。
（5）该电控旋转台的负载（主运动支架）有径向配重，所以静转矩很小。工作时的转矩主要由旋转台启动时的加速度产生。
（6）旋转台工作平面竖直放置，所以负载对旋转台没有轴向力，但有径向力和弯矩。
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