CN110254101B - 一种新型超硬材料表面图文雕刻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，包括传动系统、气动系统与驱动控制系统；通过计算机控制驱动，使雕刻针按计算机编辑好的文字或图形轨迹运行，同时雕刻针在压缩空气作用下往复冲击金属工件，从而在表面形成图案或文字。利用本申请，可以实现图文雕刻自动化，能满足大批量的生产需求，能满足各种深度的要求，可以保证精度，且标识耐磨并具有永久性，能够最大限度地提高生产效率。本发明拥有广泛应用，具有良好的经济效益与社会效益。

Description

一种新型超硬材料表面图文雕刻装置
技术领域
本发明涉及一种图文雕刻装置，具体说是一种新型超硬材料表面图文雕刻装置。
背景技术
现有机加工的技术中，雕刻机是比较常用的加工设备，其操作命令采用数字或数字代码的形式来描述，工作过程是按照指令的程序自动运行，具有动作顺序的程序自动控制，位移和相对位置坐标的自动控制，速度、转速及各种辅助功能的自动控制等功能，现在雕刻机目前已经广泛应用在汽车、船舶、家电、通讯设备、模具、广告、家具等行业中，随着雕刻机应用领域不断延伸，对雕刻机的功能也日益多样化。
但在超硬材料表面进行图文雕刻，是在现实生产中比较棘手的问题。涉及到雕针材料选择、针头结构设计、运动系统以及控制系统实现等问题。
发明内容
本申请提供了一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，其性能稳定，操作简单，安全性好，易于修护；雕刻出的图文规范、美观，可以保证精度。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，包括传动系统、气动系统与驱动控制系统；
所述传动系统，包括传动装置X和传动装置Y，所述传动装置X包括X轴伺服电机、联轴器、轴承、滚珠丝杠、导轨和滑板,所述X轴伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，所述滚珠丝杠通过轴承固定在滑板上，滑板两侧设有导轨，所述导轨与工作台上下两侧相连，工作台还与滚珠丝杠上的丝杆螺母座相连；所述传动装置Y包括Y轴伺服电机、联轴器、轴承、滚珠丝杠、导轨和滑板,所述Y轴伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，所述滚珠丝杠通过轴承固定在滑板上，滑板两侧设有导轨，所述导轨与工作台左右两侧相连，工作台还与滚珠丝杠上的丝杆螺母座相连；传动装置X中的丝杆螺母座还与传动装置Y中的滑板相连，在工作台底部固定有雕刻针；
所述气动系统，包括顺序相连的空气压缩机、气源处理装置、电磁换向阀和冲击气缸，所述冲击气缸与工作台相连；
所述驱动控制系统，包括计算机、PLC系统、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器，所述计算机分别与PLC系统、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器相连，所述X轴伺服驱动器与X轴伺服电机相连，Y轴伺服驱动器与Y轴伺服电机相连，PLC系统与电磁换向阀相连。
进一步的，所述气源处理装置，包括顺序相连的分水过滤器、减压阀和油雾器。
进一步的，利用空气压缩机，将机械能转换为气压能，作为动力源提供压缩空气；利用分水过滤器分离空气中的水分并过滤杂质，减压阀调节压力至冲击气缸的使用压力，并保证压力值的稳定，油雾器使润滑油雾化，并使雾化后的润滑油随气流润滑运动部件；电磁换向阀改变气流方向，使气流到达冲击气缸指定位置；最后冲击气缸使气压能转换为机械能，对外做功，带动雕刻针在Z方向移动与冲击雕刻。
进一步的，所述电磁换向阀为直动式二位五通电磁换向阀。
进一步的，计算机将发送由需要雕刻的图文而生成的轨迹信号至X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器与PLC系统，X轴伺服驱动器将轨迹信号传输至X轴伺服电机，Y轴伺服驱动器将轨迹信号传输至Y轴伺服电机，PLC系统将轨迹信号传输至电磁换向阀。
更进一步的，计算机通过数据总线与数字I/O卡相连，当计算机发送轨迹控制指令至数字I/O卡时，轨迹控制指令通过I/O卡上某位输出电平的高低变化显示，而某位电平的变化则产生了控制相应伺服电机的脉冲信号、控制伺服电机转动的方向信号、清零信号等，这些信号作用于X轴伺服电机驱动器与Y轴伺服电机驱动器后，进而控制输出端X轴伺服电机与Y轴伺服电机的通断与转动方向。
更进一步的，计算机通过数据总线发送控制指令至数字I/O卡，I/O卡产生脉冲信号，当为高电平时，三极管导通，PLC系统执行雕刻程序，当为低电平时，三极管截断，PLC系统执行停止雕刻程序；将雕刻程序指令发送至电磁换向阀，从而控制电磁换向阀的通断。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：图文雕刻的过程自动进行，易于实现雕刻自动化；打印针的冲击频率高，雕刻速度快，能满足大批量的生产需求；打印针的作用力大，能满足各种深度的要求；雕刻出的图文规范、美观，可以保证精度；雕刻后的图文标识耐磨，具有永久性；雕刻机的性能稳定，操作简单，安全性好，易于修护。本装置可以在硬度达HRA91-95的表面清晰雕刻出图文。
附图说明
图1为本装置整体结构简图；
图2为本装置工作原理图；
图3为气动系统结构示意图；
图4为伺服电机驱动控制系统的原理图；
图5为电磁换向阀驱动控制系统的原理图；
图6为雕刻程序流程图。
图中序号说明：1.雕刻针，2.冲击气缸，3.空气压缩机，4.气源处理装置，5.电磁换向阀，6.PLC系统，7.计算机，8.X轴伺服驱动器，9.Y轴伺服驱动器，10.Y轴伺服电机，11.工作台，12.丝杆螺母座，13.导轨，14.滚珠丝杠，15.轴承，16.联轴器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施中的技术方案进行清楚、完整的描述，可以理解的是，所描述的实例仅仅是本发明的一部分实例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，具体包括：传动系统、气动系统与驱动控制系统；其工作原理为：当需要雕刻图文的金属工件运送至本装置下方并夹紧后，计算机将发送由需要雕刻的图文而生成的轨迹信号指令至X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器与PLC系统。同时，X轴伺服驱动器与Y轴伺服驱动器分别将指令传输至X轴伺服电机与Y轴伺服电机，PLC系统将指令传递给电磁换向阀。X轴伺服电机与Y轴伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠连接，带动雕刻针在导轨上移动，控制雕刻针在XY平面的位置。电磁换向阀的通断，进而控制冲击气缸的运动，从而控制雕刻针在Z轴的运动及雕刻。最后，在X轴伺服电机、Y轴伺服电机与冲击气缸共同控制下，雕刻针在金属工件表面雕刻所需的图案及文字。
传动系统的传动原理为：X轴和Y轴的伺服电机分别通过联轴器与X轴方向与Y轴方向的滚珠丝杠连接，滚珠丝杠用轴承固定于滑板，导轨位于滑板两侧，丝杆螺母座与工作台连接，工作台可在导轨上移动。X轴方向移动的部件与安装在Y轴方向移动部件的滑板连接，工作台与冲击气缸连接，冲击气缸与雕刻针连接。在伺服电机转动后，通过联轴器带动滚珠丝杠转动，工作台则可以带动雕刻针在XY平面移动。滚珠丝杠为固定式内循环滚珠丝杠。X轴方向丝杠的行程为250mm，Y轴方向丝杠的行程为200mm。滚珠丝杠采用一端固定，一端简支的支承方式，固定的一端由一对轴承约束自由度并承担负荷，简支的一端由单个轴承约束自由度。轴承，固定的一端采用一对推力角接触球轴承，型号选择JB/T 8564 760202DF，α＝60°，简支的一端采用深沟球轴承，型号为GB/T 276 6302-2Z。
伺服电机：选择三菱MR-J2S系列交流伺服电机中HC-KFS23型号，并选择与之配套的MR-J2S-20A伺服驱动器。该交流伺服电机最大转速4500r/min，额定转速3000r/min，重1.2kg，转动惯量为1.51kg·cm2，额定输出功率为0.75KW。负载与电动机的转动惯量比在15倍以下。
联轴器选择弹性套柱销联轴器，因其可用于经常正反转、启动频繁的场合。
联轴器型号为：
Figure BDA0002143897740000051
本装置因需要雕刻针上下震动，因此选用抗震性好、结构简单的导轨，本申请选择滑动导轨。
雕刻针的材料为陶瓷材料，硬度为96HRA以上，雕刻针长度为55mm，直径为3mm，针尖角度选择100°，振动频率为300Hz/s，打印深度为0.05-0.5mm。
气动系统包括空气压缩机、气源处理装置(分水过滤器、减压阀、油雾器)、直动式二位五通电磁换向阀与冲击气缸组成。气动系统的原理为：利用空气压缩机，将机械能转换为气压能，作为动力源为系统提供压缩空气；利用分水过滤器分离空气中的水分并过滤杂质；利用减压阀调节压力至气缸的使用压力，并保证压力值的稳定；利用油雾器使润滑油雾化，并使雾化后的润滑油随气流润滑运动部件；利用直动式二位五通电磁换向阀改变气流方向，使气流到达气缸等指定位置；最后利用冲击气缸使气压能转换为机械能，对外做功，带动雕刻针在Z方向移动与冲击雕刻。
能源装置为额定压力为1MPa的低压空气压缩机；执行元件为冲击气缸，使用压力为0.6MPa，缸径为25mm，活塞杆直径为10mm，活塞杆的输出力为300N，气缸行程为50mm；控制元件为直动式二位五通电磁换向阀；辅助元件为由分水过滤器、减压阀、油雾器共同组成的气源处理装置；工作介质则为除水油、过滤后的压缩空气。
伺服电机驱动控制系统的原理为：计算机通过数据总线与数字I/O卡相连，当计算机发送驱动控制指令至数字I/O卡时，指令可以通过I/O卡上某位输出电平的高低变化显示，而某位电平的变化则产生了控制电机通断的脉冲信号、控制电机转动的方向信号、清零信号等，这些信号作用于X轴与Y轴伺服电机驱动器后，驱动器就能够控制输出端X轴与Y轴伺服电机的通断与转动方向。
电磁换向阀驱动控制系统的原理为：计算机通过数据总线发送控制指令至数字I/O卡，I/O卡产生脉冲信号，当为高电平时，三极管导通，PLC执行雕刻程序，当为低电平时，三极管截断，PLC执行停止雕刻程序，将雕刻程序指令发送至电磁换向阀，从而控制电磁换向阀的通断。
气动图文雕刻机软件系统程序的功能为：能够使本装置回零；能够新建文件，在新建文件里建立需要雕刻的图文并保存；能够导入已经绘制好的CAD图文，能进行二次修改并保存；能够自主将CAD文件转化为机器能够读取得NC代码；能够发送开始雕刻指令，能够显示雕刻完成。
本装置的工作流程为：
1)连接电源，开启装置。
2)启动计算机，打开系统软件主页面。
3)点击主页面上“回零”，使装置回至零点。
4)点击“新建文件”，在新建的界面建立需要雕刻的图文并保存，或点击“打开文件”，选择已绘制好的CAD图文，导入系统，可做修改并保存。
5)将需要雕刻图文的金属工件运送至雕刻针下方并夹紧。
6)点击“开始雕刻”，计算机发送由需要雕刻的图文而生成的轨迹信号指令至X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器与PLC系统。同时，X轴伺服驱动器与Y轴伺服驱动器分别将指令传递至X轴伺服电机与Y轴伺服电机，PLC系统将信号传递给电磁换向阀。X轴伺服电机与Y轴伺服电机分别通过联轴器与滚珠丝杠连接，带动雕刻针在导轨上移动，控制雕刻针在XY平面的位置。电磁换向阀的通断，进而控制冲击气缸的运动，从而控制雕刻针在Z轴的运动及雕刻。最后，在X轴伺服电机、Y轴伺服电机与气冲击缸共同控制下，雕刻针在金属工件表面雕刻所需的图案及文字。
7)雕刻结束后，停止运动，PLC系统控制电磁换向阀使冲击气缸复位，系统软件界面显示“雕刻完成”。
8)将已雕刻的金属工件卸下，安装新工件并夹紧，点击“开始雕刻”，当显示“雕刻完成”后，重复此过程，至所有工件雕刻完毕。
9)点击“返回”，返回主页面，关闭系统软件，关闭计算机。
10)关闭装置，切断电源。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，其特征在于，包括传动系统、气动系统与驱动控制系统；
所述传动系统，包括传动装置X和传动装置Y，所述传动装置X包括X轴伺服电机、联轴器X、轴承X、滚珠丝杠X、导轨X和滑板X,所述X轴伺服电机通过联轴器X与滚珠丝杠X相连，所述滚珠丝杠X通过轴承X固定在滑板X上，滑板X两侧设有导轨X，所述导轨X与工作台上下两侧相连，工作台还与滚珠丝杠X上的丝杆螺母座X相连；所述传动装置Y包括Y轴伺服电机、联轴器Y、轴承Y、滚珠丝杠Y、导轨Y和滑板Y,所述Y轴伺服电机通过联轴器Y与滚珠丝杠Y相连，所述滚珠丝杠Y通过轴承Y固定在滑板Y上，滑板Y两侧设有导轨Y，所述导轨Y与工作台左右两侧相连，工作台还与滚珠丝杠Y上的丝杆螺母座Y相连；传动装置X中的丝杆螺母座X还与传动装置Y中的滑板Y相连，在工作台底部固定有雕刻针；
所述气动系统，包括顺序相连的空气压缩机、气源处理装置、电磁换向阀和冲击气缸，所述冲击气缸与工作台相连；
所述驱动控制系统，包括计算机、PLC系统、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器，所述计算机分别与PLC系统、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器相连，所述X轴伺服驱动器与X轴伺服电机相连，Y轴伺服驱动器与Y轴伺服电机相连，PLC系统与电磁换向阀相连。
2.根据权利要求1所述一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，其特征在于，所述气源处理装置，包括顺序相连的分水过滤器、减压阀和油雾器。
3.根据权利要求1或2所述一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，其特征在于，利用空气压缩机，将机械能转换为气压能，作为动力源提供压缩空气；分水过滤器分离空气中的水分并过滤杂质，减压阀调节压力至冲击气缸的使用压力，并保证压力值的稳定，油雾器使润滑油雾化，并使雾化后的润滑油随气流润滑运动部件；电磁换向阀改变气流方向，使气流到达冲击气缸指定位置；最后冲击气缸使气压能转换为机械能，对外做功，带动雕刻针在Z方向移动与冲击雕刻。
4.根据权利要求3所述一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，其特征在于，所述电磁换向阀为直动式二位五通电磁换向阀。
5.根据权利要求1所述一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，其特征在于，计算机将发送由需要雕刻的图文而生成的轨迹信号至X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器与PLC系统，X轴伺服驱动器将轨迹信号传输至X轴伺服电机，Y轴伺服驱动器将轨迹信号传输至Y轴伺服电机，PLC系统将轨迹信号传输至电磁换向阀。
6.根据权利要求5所述一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，其特征在于，计算机通过数据总线与数字I/O卡相连，当计算机发送轨迹控制指令至数字I/O卡时，轨迹控制指令通过I/O卡上某位输出电平的高低变化显示，而某位电平的变化则产生了控制相应伺服电机的脉冲信号、控制伺服电机转动的方向信号、清零信号，这些信号作用于X轴伺服电机驱动器与Y轴伺服电机驱动器后，进而控制输出端X轴伺服电机与Y轴伺服电机的通断与转动方向。
7.根据权利要求5所述一种新型超硬材料表面图文雕刻装置，其特征在于，计算机通过数据总线发送控制指令至数字I/O卡，I/O卡产生脉冲信号，当为高电平时，三极管导通，PLC系统执行雕刻程序，当为低电平时，三极管截断，PLC系统执行停止雕刻程序；将雕刻程序指令发送至电磁换向阀，从而控制电磁换向阀的通断。
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