全自动三维玻璃雕刻机的设计与研究

张才月

摘 要：全自动三维玻璃雕刻机由光学系统，机械系统， 电气控制系统，雕刻软件系统， 冷却系统，净化过滤系统组成.因此全自动三维玻璃雕刻机的设计是一个复杂综合系统的设计。

关键词： 光学系统的设计 机械结构系统的设计 电气控制系统的设计 软件系统的设计

玻璃雕刻机就是在玻璃器皿上雕刻出各种精美，同时具有立体效果的图案，使其呈现出良好的视觉艺术效果，其应用范围很广，如可以应用于灯具饰品，家电装饰，家庭装潢，艺术画框，艺术玻璃等领域，具有广阔的市场前景和应用范围。

玻璃雕刻分为砂轮雕刻，喷砂雕刻，腐蚀雕刻， 激光雕刻四種。激光雕刻由于高精度，高效率，可控性强，重复性好，无污染， 可以雕刻出复杂形状而见长， 激光雕刻又可分为掩膜式雕刻，点阵式雕刻， 振镜线性扫描雕刻三种方式。

我们设计的该款产品采用振镜线性扫描雕刻方式，通过X， Y， Z轴的直线运动加四位工件工作台的旋转，实现对各种复杂曲面的玻璃器皿进行全方位，立体精细加工，从而达到完美的艺术效果， 进而满足产品增值，获得消费者青睐认可的需求。

玻璃激光雕刻机由光学系统，机械系统， 电气控制系统，雕刻软件系统， 冷却系统，净化过滤系统组成。

光学系统的组成部分是扩束镜，三维动态聚焦镜， f-θ场镜组成. 三维动态聚焦镜由Z轴动态聚焦单元，X轴振镜，Y轴振镜.机械系统则是由X轴，Y轴，Z轴直线运动机构，四位工件平台旋转机构，自动开关门机构，光学系统，冷却，净化过滤系统安装支撑部分，整体框架部分等组成。

雕刻运动机构采用四轴伺服传动系统，包括X、Y轴工作台、Z轴升降机构、和旋转工作台。通过X、Y轴工作台和Z轴升降机构的联动，可实现平板玻璃表面大范围快速刻蚀；旋转工作台可实现回转体曲面玻璃的雕刻。X、Y、Z三轴远动平台主要由直线滑轨、滚珠丝杠、伺服电机组成，通过伺服电机驱动滚珠丝杠带动工作平台沿X、Y轴进行运动，带动激光器沿Z轴运动，在产品的设计过程中，首先根据产品设计任务的设计输入参数来选择丝杠，导轨的行程，该产品根据设计输入，X轴行程500mm， Y轴行程500mm，Z轴行程150mm，根据光学器件的重量来选择Z轴用电机功率，从经济性，可靠性综合角度考虑，我们选择安川的交流伺服电机，其型号为SGMGV-03AD21，功率为0.3KW， 经负载计算，X轴电机及Y轴电机功率需要为1.01KW，最终我们选用安川的交流伺服电机SGMJV-04A3EE（功率0.4KW）加AE070减速器（速比为5）满足其输出扭矩要求，为了减少运动摩擦力和保证运动精度，我们选HIWIN高精度的滚珠丝杆及滚珠滑块直线导轨X， Y， Z轴运动机构示意图：

其中Z轴支架受力比较大，容易变形，我们按照实际负载用有限元经计算，其变形量满足设计要求，Z 轴支架采用铝材焊接件， 后加工的方法处理，其最大变形量仅为6.165um，有限元计算结果图：

其他结构件按常规强度计算进行校核，其强度满足设计要求。为了保证每轴机构中两导轨平行度，采用一根导轨侧面定位，另一侧面采用固定块加螺丝相顶的方法保证两导轨的平行度，确保运动平滑。

四位工件工作台旋转机构采用公转加自转的方法，实现在一次不换玻璃器皿的情况下，完成对4只器皿的雕刻，提高了工作效率. 机械实现方式：采用电机驱动同步齿形带实现自转，一对啮合内齿轮实现公转，采用齿轮滑键的方式，实现自转与公转的切换，齿轮滑键是采用具有导向杆的直线气缸来推动自动开关门机构采用3位5通电磁换向阀控制直线气缸，同时门在直线滑杆的来回运动，实现门自动开与关，直线气缸选用AIRTAC公司具有导向杆的气缸，型号为RMT20X700，电磁换向阀选用AIRTAC（通径8mm， 型号4V230C-06-BY）电磁阀，直线滑杆选用IGUS公司的直线滑杆，两端位置控制由机械接触式行程开关反馈控制电磁阀换向动作。

对于光学系统，冷却，净化过滤系统支撑及整体框架，考虑到刚性，经济性及装配工艺性而采用方钢焊接（焊接后需振动退火）加装安装板的方式设计，安装板采用精加工的方式，保证其位置度及平面度.冷却系统则选用同飞制冷设备有限公司的MCWL-15的激光冷却机.净化过滤系统选用昆山来圣环保科技有限公司的JC-11DE的净化过滤机.电气控制系统则采用合作开发的方式， 选用北京海目激光与数控发展有限公司的 UCS-SAM 控制系统。

产品整体外观及部分结构示意图：

结论

全自动三维玻璃雕刻机的设计是一较为复杂系统的设计，涵盖光学系统，机械系统，电气控制系统，软件系统及其他的冷却，净化过滤系统，在设计过程中，各系统外购件的选型，系统性能之间的匹配，成本的考虑，零件加工的工艺性，装配工艺性均得仔细考虑。

参考文献

[1]钱爱玲，夏清华.的计算机控制激光玻璃雕刻机的分析与改进.中图分类号： 0434.12.