全自動三維玻璃雕刻機的設計與研究

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(chǎn)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(zhuǎn)，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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)工作臺可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)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(qū)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(chǎn)品的設計過程中，首先根據(jù)產(chǎn)品設計任務的設計輸入?yún)?shù)來選擇絲杠，導軌的行程，該產(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(cè)面定位，另一側(cè)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(zhuǎn)機構采用公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)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(qū)動同步齒形帶實現(xiàn)自轉(zhuǎn)，一對嚙合內(nèi)齒輪實現(xiàn)公轉(zhuǎn)，采用齒輪滑鍵的方式，實現(xiàn)自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)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(jīng)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(chǎn)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.