本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目名稱： 激光雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真題目類型： 機(jī)電一體化設(shè)計類 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 年 級： 指導(dǎo)教師： 2011 年 3 月 5 日一、 選題背景、研究意義及文獻(xiàn)綜述1、 選題背景建國五十年來，我國的機(jī)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(chǔ)和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國機(jī)械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術(shù)含量的新作品，已成為當(dāng)前機(jī)械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點(diǎn)。機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計算機(jī)和自動控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，也是我國機(jī)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(shù)出現(xiàn)的早，開發(fā)和應(yīng)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(shù)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(dá)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(jì)建設(shè)的需要，開發(fā)出有自己特色，符合中國人習(xí)慣的雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)及其軟件。因此，本課題有重要意義。其次，從實(shí)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(shù)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(qiáng)。因此，開發(fā)一套可以進(jìn)一步改進(jìn)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(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)意義。最后，本課題涉及機(jī)械制圖、計算機(jī)軟件應(yīng)用等眾多知識，將這些理論知識和實(shí)際制圖、程序編制起來，對個人思維、工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(xùn)練都起到了十分重要的作用.3、文獻(xiàn)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(biāo)記。打標(biāo)的效應(yīng)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(dǎo)致表層物質(zhì)的化學(xué)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(shè)備在市場上需求量很大。1938 年世界第一臺手動雕刻機(jī)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(jī)。隨后美國、日本和法國等國也開始研制。20 世紀(jì) 90 年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動微型計算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)帶動整個高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機(jī)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(lǐng)域的應(yīng)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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高單色性，可在光化學(xué)領(lǐng)域?qū)σ恍┫嗑嗪芙哪芗壸鬟x擇激發(fā)，進(jìn)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(yīng)用于加工制造業(yè)（大到航天器、飛機(jī)、汽車工業(yè)，小到微電子、信息、生物細(xì)胞分離等微技術(shù)） 。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近 20 年來，激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)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(shù)，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(xì)察看，這些玻璃、水晶制品周圍全然沒有供“刻刀” 進(jìn)出的開口，就這一點(diǎn)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(shí)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(diǎn)光斑的大小有關(guān)，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(dāng)聚焦，可以使激光的能量密度在進(jìn)入玻璃及到達(dá)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(diǎn)，在玻璃內(nèi)部雕出預(yù)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(diǎn)陣雕刻和矢量切割：點(diǎn)陣雕刻點(diǎn)陣雕刻酷似高清晰度的點(diǎn)陣打印。激光頭左右擺動，每次雕刻出一條由一系列點(diǎn)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(diǎn)陣雕刻。矢量切割與點(diǎn)陣雕刻不同，矢量切割是在圖文的外輪廓線上進(jìn)行。我們通常使用此模式在木材、亞克粒、紙張等材料上進(jìn)行穿透切割，也可在多種材料表面進(jìn)行打標(biāo)操作。一臺雕刻機(jī)的性能,主要由雕刻速度,雕刻強(qiáng)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(qiáng)度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻機(jī)面板調(diào)節(jié)速度，也可利用計算機(jī)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(jī)先進(jìn)的運(yùn)動控制系統(tǒng)可以使您在高速雕刻時，仍然得到超精細(xì)的雕刻質(zhì)量雕刻強(qiáng)度雕刻強(qiáng)度指射到于材料表面激光的強(qiáng)度。對于特定的雕刻機(jī)速度，強(qiáng)度越大，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻機(jī)面板調(diào)節(jié)強(qiáng)度，也可利用計算機(jī)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(qiáng)度越大，相當(dāng)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(jìn)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(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)可雕刻以下材料：木制品、有機(jī)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(jī)的應(yīng)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(biāo)b主要應(yīng)用領(lǐng)域：各種標(biāo)牌銘牌、工藝禮品、有機(jī)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(jī)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(jī)能夠加工各種類型的材料，對于很多企業(yè)，激光雕刻機(jī)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(jī)現(xiàn)有產(chǎn)品現(xiàn)狀的調(diào)研及市場分析；2.激光雕刻機(jī)各個部件的分析設(shè)計、激光雕刻機(jī)的機(jī)械設(shè)計；3.利用 ADAMS 軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析。擬解決的主要問題:1.對現(xiàn)有的雕刻機(jī)的產(chǎn)品及市場進(jìn)行調(diào)研；2.雕刻機(jī)的總體方案、結(jié)構(gòu)的確定；3.激光雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；4.步進(jìn)電機(jī)的選擇；5.對設(shè)計的激光雕刻機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真分析；三、 研究步驟、方法1.學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外研究的產(chǎn)品技術(shù)；2.查找相關(guān)資料并閱讀，并最終確定結(jié)構(gòu)方案；3.根據(jù)設(shè)計要求和原始資料進(jìn)行初步設(shè)計；4.設(shè)計激光雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分；5.利用 Unigraphics NX 軟件繪制雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件；6.利用 ADAMS 軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析；研究工作進(jìn)度：(1)2011 年 2 月 21 日-2011 年 3 月 13 日（1-3 周）：收集整理項(xiàng)目相關(guān)資料；認(rèn)真領(lǐng)會設(shè)計任務(wù)，調(diào)研、查閱 15 篇以上的文獻(xiàn)。(2)2011 年 3 月 14 日-2011 年 3 月 20 日（4 周）：收集、分析、整理文獻(xiàn)資料，寫文獻(xiàn)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(xué)習(xí) UG 軟件的設(shè)計使用，并能進(jìn)行基本的機(jī)械模塊設(shè)計。(4)2011 年 3 月 28 日-2011 年 4 月 10 日（6-7 周）：分析激光雕刻機(jī)的機(jī)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(jìn)行激光雕刻機(jī)運(yùn)動分析。(6)2011 年 5 月 2 日-2011 年 5 月 15 日（11-12 周）：檢查整理設(shè)計圖紙，在實(shí)驗(yàn)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(guān)資料，進(jìn)行答辯。四、主要參考文獻(xiàn)1趙松年，張奇鵬機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計北京：機(jī)械工業(yè)出版社,19972Saeed B.Niku 著.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論分析、系統(tǒng)及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，20043安杰斯利.機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理：理論、方法和算法.機(jī)械工業(yè)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孫魁武 ,張馳 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