数控激光切割机床总体和垂直进给系统设计说明书

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-1-第一章绪论1.1课题背景激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971年11月，美国通用汽车公司率先使用一台250WCO2激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于1974年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值20％的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。1.2本课题主要研究内容激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量，特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件，必须掌握和解决以下几项关键技术：一．焦点位置控制技术。在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种：（1）打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最小处为焦点。（2）斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的最小处为焦点。（3）蓝色火花法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。二．切割穿孔技术。任何一种热切割技术，除少数情况可以从板边缘开始外，一般都必须在板上穿一小孔。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔，然后再用激光从小孔处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基该方法。（1）爆破穿孔：（Blastdrilling），材料经连续激光的照射后湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-2-在中心形成一凹坑，然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成一孔。（2）脉冲穿孔：（Pulsedrilling）采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化，常用空气或氮气作为辅助气体，以减少因放热氧化使孔扩展，气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉冲激光只产生小的微粒喷射，逐步深入，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿孔完成，立即将辅助气体换成氧气进行切割。三．喷嘴设计及气流控制技术。激光切割钢材时，氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处，从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。其次要研究数控机床，主要是床身的进给系统和机械传动系统，机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。1.3国内外研究现状激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为：1．激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。2．激光加工工艺。包括切割(laserbeamcutting)、焊接(LaserWelding)、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-3-第二章总体方案的拟定2.1设计任务本次设计的主要任务是设计一台数控激光切割机床的XYZ进给系统以及切割系统。对于单片机、芯片，电路等部分不作为设计要求，只做一般了解。单片机对XY工作台的纵向、横向进给系统以及Z轴垂直进给系统的的脉冲当量为plusemm/001.0。工作台部件主要机构为滚珠丝杆副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺2.2总体方案的选择及拟定图2.1总体方案图采用89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图2.1。步进电机参照RORZE株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度,同时驱动器也选用RORZE的配套驱动器产品。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-4-滚珠丝杠的生产厂家很多，本设计参照了汉江机床厂、南京工艺装备制造厂的样本资料，力求从技术性能、价格状况、通用互换性等各方面因素考虑，最后选用南京工艺装备厂的FFZD系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-5-第三章激光切割系统的设计湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-6-第四章传动系统的设计4.1XY工作台的设计4.1.1主要设计参数及依据本设计的XY工作台的参数定为：①工作台行程：横向300mm纵向360mm②工作台最大尺寸（长×宽×高）：730×660×340mm③工作台最大承载重量：80kg④脉冲当量：plusemm/001.0⑤进给速度：min/40m⑥表面粗糙度：1.6～6.3⑦设计寿命：10年4.1.2XY进给系统的受力分析因激光切割机床为激光加工,其激光器与工件之间不直接接触,因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。一般来说,数控切割机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。4.1.3初步确定工作台尺寸及估算质量初定机床尺寸(长×宽×高度)为:730×660×340mm设中托座尺寸(长×宽×高度)为:300mm390430估计总重量为NkgW800801预估工件及夹具总重量约NkgW20202则下托座导轨副所承受的最大负载W为:湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-7-W=1000N4.2Z轴随动系统的设计激光切割机对Z轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄及质量，因此，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于min/5m。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特殊场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。切割头具有多种先进的智能和附加功能，如自动调整激光喷嘴距离、自动清洁喷嘴、同轴喷水机构、切割头转动、切割嘴摆动等。这些功能机构的增加,不可避免地增加了切割头的重量，造成切割头的动态性能不好,随动机构反应不灵敏。一般来说，普通数控激光切割机Z轴拖动重量在5kg以上时，应采用重力平衡设施。而高性能数控激光切割机的Z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。目前Z轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式(图2.1)。该方式重量轻、体积小、易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。垂直进给系统如图4.1：湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-8-图4.1垂直进给系统4.3滚珠丝杆副设计计算4.3.1滚珠丝杠的特点传动效率高滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的2～4倍，如图1.1.1所示，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。运动平稳滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。高精度滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。高耐用性钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。高可靠性与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。无背隙与高刚性滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothicarch）沟槽形状使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性。减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。现代制造技术的发展突飞猛进，一批又一批的高速数控机床应运而生。它不仅要求有性能卓越的高速主轴，而且也对进给系统提出了很高的要求：（1）最大进给速度应达到40min/m或更高；（2）加速度要高，达到1g以上；(3)动态性能要。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-9-4.3.2主要参数①工作台行程：横向300mm，纵向360mm②全行程定位精度=0.03mm③矢动量=0.01mm④寿命：10000小时单班制工作10年⑤总质量：100kg⑥各种切削方式的纵向切削力aF,速度V和时间比例q及其他见下表表4.1表4.1切削力，速度，时间比例表切削方式纵向切削力)(NPxi垂直切削力)(NPxi进给速度min)/(mvi工作时间百分比丝杆轴向载荷)(N丝杆转速min/r强力切削200010000.510200055一般切削10005000.730200075静切削50020015060095快速进给00451000370图4.2图二进给滚珠丝杠装配图湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-10-4.3.3导程计算maxmaxniVPh（4.1）maxV:工作台最高移动速度maxn：电机最高转速i：传动比（1）电机与丝杆间为齿轮连接式，i=4（取一级减速齿轮）（2）由上表查得min/1500min,/4max1rnmW代入得mmPh6.5（3）查《机械设计手册》取mmPh54.3.4确定当量转速与当量载荷（1）各种切削方式下，丝杆转速hiiPVn（4.2）由上表查得4,1,7.0,5.0321hPVVV代入得800,200,160,1204321nnnn（2）各种切削方式下，丝杆轴向载10/)(21zixiiPwwPF（4.3）iF:丝杆轴向载荷xiP:纵向切削力zxP:垂直切削力由上表得)4,3,2,1(iPxi分别是NNN0,500,1000,2000)4,3,2,1(iPzi分别是NNNN0,200,500,1000已知NwNw200,80021代入得)4,3,2,1