激光切割机机械机构部分设计

前言激光切割机是将激光发射器发出的激光，经过光路系统，聚焦成高功率密度的激光使工件达到熔点再经过工件与工作平台的相应移动产生切缝从而实现快速切割。激光切割加工技术的不可见光代替了传统的机械刀包括早期的线切割技术，具有精度高，切割速度快，不局限于图形的限制，相比以往切割设备节省了不少材料，切口平滑，加工成本低，通过技术的不断改进将逐渐取代传统的切割设备。激光切割机在全程的工作过程中切割机机械结构与工件无接触5会造成工件表面的划伤切割速度快，切口光滑平整，一般无需后续加工，以上优点使切割区热影响小，工件变形小，切缝切口没有机械应力，无毛刺，不损伤材料，被加工板材无需相应模具，经济省时。主要用于：工艺品，家具，玻璃制品，木制品，聚氯乙烯，灯饰，广告，装饰，造纸，马克板，邮票及印章，腈纶，竹制品，手袋及鞋子，衣服和服装，面料等。通过对激光参数的调整，机器可以进行多样的雕刻和切割。这个机器具有多种优点：切口光滑，无接触切割，高速雕刻，雕刻准确、效果好。目前国外的激光切割技术全部采用数控，所以本次设计虽然只是机械结构设计，但经过相应改装，增加数控平台，编写数控软件后与国外小型激光切割机没有太大差距，这是一个自主创新设计的设备，相信进过不断的改进与大胆尝试我国的精密加工技术会走在世界前列。关键词：激光发射器；精度高；高密度激光束；自主创新1概述 1 激光技术历史 1 TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"激光切割技术的应用 1………设计任务 2 总体设计方案分析 2 2机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计. 3..…XY工作台的设计 3 Z轴随动系统设计 5.………\o"CurrentDocument"3滚珠丝杠传动系统的设计计算 6.……滚珠丝杠副导程的确定 .6..….…滚珠丝杠副的传动效率 6..….…\o"CurrentDocument"4直线滚动导轨的选型 7.………\o"CurrentDocument"5步进电机及其传动机构的确定 8步进电机的选用 8\o"CurrentDocument"步进电机惯性负载的计算 106齿轮传动机构的确定 11.传动比的确定 口\o"CurrentDocument"齿轮结构主要参数的确定 128消隙方法与预紧 129安装和常见问题的调整 总结 15 致谢 16 参考文献 17.………工程概况本文首先介绍了激光切割机的发展历史和今日概谬照国际和国内主要激光切割机设计出具有自主知识产权，参照其他成熟设计，首先设计了激光切割机的底部工作台，可实现两轴联动，其次在底部工作台的基础上设计了Y方向的工作台和一些随动部件由于该激光切割机涉及精度较高也是本次设计关键部分，重点将部件配合与预警作为结尾部分主要介绍，体激光切割机机械机构由各个部分组装而成。经过本次设计，在原有的机械机构部分上留够了足够的空间为机床的改装和设备更新换在,丫轴方向与随动部件采用了新思路，保证了激光头的可升降，在安全方面可选用多种不同功率激光头组合，整体尺寸上考虑了人机工程学，方便操作，造价便宜，材料环保是本次激光切割机设计上一次创新。1概述激光技术历史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971年11月，美国通用汽车公司率先使用一台50WCO2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0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。激光切割是用聚焦镜》鸵02激光束聚焦在材料表面使材料熔侗时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运极而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着C02激光器及数控技术的不断完善和发|目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙快火焰切割；对于薄板采用剪床下料成形复杂零件大批量的采用冲弹件的采用振动剪。七十年代电了改善和提高火焰切割的切口质量又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点工业生产中有一定的适用范围。激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广泛的应用因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义，微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。激光切割技术的应用激光切割是用聚焦镜将C02激光束聚焦在材料表面使材料熔侗时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运极而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着C02激光器及数控技术的不断完善和发膜前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙快火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲廛件的采用振动剪。七十年代后为了改善和提高火焰切割的切口质量又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期发展了数控步冲与电加工技术，各种切割下料方法都有其有缺点工业生产中有一定的适用范围。激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广泛的应用因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义，微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。设计任务本次设计任务是设计一台数控制激光切割机床主要设计对象联丫工作台部件及2立柱。而对激光切割机其他部件如冷水机激光器等不作为设计内容要求只作一般了解。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/plus0工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、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。总体设计方案分析参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案如下：采用主控芯片对数据进行计算处理，由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。x向工作台Yx向工作台Y向工作台图1-1系统总体原理图对润滑剂的要求，考虑到传动件的传动特点，载荷性质，运转速度，选用黏度较低的润滑剂，滚动轴承的轴向间隙调整方法采用垫片式齿轮等间隙调整后面将详细介绍机床的箱体部分的密封处不允许漏油，部分面上允许涂密封胶或水玻璃，但不允许塞入填料，丝杠延伸处密封涂上润滑油。箱体表面应涂漆，外伸处零件需涂油。2机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计XY工作台的设计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800mm，纵向300mm②工作台最大尺寸(长X宽X高)：800X300X300mm③工作台最大承载重量：120Kg；④脉冲当量：0.001mm/pluse⑤进给速度：60平方毫米/min；⑥表面粗糙度：0.8〜1.6；⑦设计寿命：15年。XY工作台部件进给系统受力分析因激光切割机床为激光加供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1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，留向，上导轨为纵向传动系统，艮Y向。如图2-1所示，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,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。初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台尺寸长*宽X高圉为:1200X950X70mm,材料为HT200,估重为625N(W1。设中托座尺寸长*宽X高圉为:1200X520X220mm材料为HT200,估重为250N(W2)。另外估计其他零件的重量约为50N(W3。加上工件最大重量约为20Kg(1176N)(G)。则下托座导轨副所承受的最大负期为：W=W1+W2+W3+G=665+250+250+1176=2301N

图2-1(a)图2-1(b)图2-1x,y轴随动机构设计展示Z轴随动系统设计激光切割机对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1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。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）.010mn。同时，随动速度应大于5m/min。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强磁场、强干扰环境。所以在选择传感器时，应注意检测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。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晚轴拖动重量在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图2-2）。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。图2-2Z轴随动机构3滚珠丝杠传动系统的设计计算滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式：F二F+UW

a式中F——切削力，F=0；W——工件重量加工作台重量W=2301N；U——滚动导轨上的滚动摩擦系数(约为.003-0.004)，取U=0.004则根据式(3.1)：F=0.004X2301=92N激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的Go=(0.2-0.3),Fa=18.4-27.6N对照样本参数这里的Go非常小，选定导程为I的滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为n=tg^/tgw+p') (3.2)式中w一滚珠丝杠的螺纹升角；p‘一当量摩擦角；根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系见表3-1),前面已经定v=1m/s,材料选择灰铸铁HRCN45。所以：p/=4°00,,tgp'=0.0025；因为：ip=arctg(Ph/nd) (3.3)式中:Ph―导程，4mm；d 丝杠公称直径,25mm；则根据式(3.3)：

中=2.91°则根据式（3.2）得：n=0.953。表3-1当量摩擦系测,和当量摩擦角P齿圈材料锡青铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度HRCN45其它HRCN45HRCN45其它相对速度ism/sfP/fP/fP＇f，P＇f，P＇0.010.1106°17,0.1206°51,0.18010°12，0.18010°2，0.19010°450.050.0905°09,0.1005°43,0.1407°58，0.1407°58，0.1609°050.100.0804°34'0.905°09,0.1307°24，0.1307°24，0.1407°58，0.250.0653°43,0.0754°17，0.1005°43，0.1005°43，0.1206°51，0.500.0553°09,0.0653°43,0.0905°09，0.0905°09，0.1005°49，1.00.0452°35'0.0553°09，0.0704°00，0.0704°00，0.0905°09，1.50.0402°17,0.052°52，0.0653°43，0.0653°43，0.0804°34，2.00.0352°00'0.0452°35，0.0553°09，0.0553°09，0.0704°00，2.50.0301°43,0.0402°17，0.052°52，3.00.0281°36,0.0352°00，0.0452°35，40.0241°22'0.0311°47，0.0402°17，50.0221°16,0.0291°40，0.0352°00，80.0181°02,0.0261°29，0.031°43，100.0160°55'0.0241°22，150.0140°48'0.0201°09，240.0130°45'4直线滚动导轨的选型导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种，直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：①定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小运动灵活，可使驱动扭矩减少90%,因此，可将机床定位精度设定到超微米级。②降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低％，具有大幅度节能的效果。7③可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效也30%。④可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小.滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易所以在结构上选用:开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。型号：选用GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图1。具体型号：X向选用GGB20BA2R2500-4；丫向选用GGB20AB2R21100-4。图4-1直线滚动导轨5步进电机及其传动机构的确定步进电机的选用脉冲当量和步距角已知脉冲当量为1〃m/STEP,而步距角越小，则加工精度越高。初选为36o/STEP(二倍细分)。步进电机上起动力矩的近似计算电机起动力矩：M=M1+M2式中:M为滚珠丝杠所受总扭矩;Ml为外部负载产生的摩擦扭矩；有M=Fxd/2xtg(v+p1)

1a=92X0.025/2Xtg(2.91+0.1冷=0.062N・mM2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：M2=KxFxPh/2九式中:K—预紧时的摩擦系数,0.1—0.3Ph-导程，4cm；Fao——预紧力；有：Fao=Fao1+Fao2 (5.4)取Fao1=0.04XCa=0.04X1600=640NFao2为轴承的预紧力，轴承型号方004轻系列，预紧力为Fao2=130N。故根据式(5.3)：M2=0.098N・m齿轮传动比公式为:iRXPh/(360X6p),故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为：Tq=M/山 (5.5)=360XMX6p/(pXnXPh式中：6p=lpm/STEP=0.0001cm/STEPM=M1+M2=0.16Np=0.36o/STEPq=0.85；9Ph=0.4cm；n=0.953；则根据式(5.4)：Tq=360X0.16X0.0001/(3.6X0.85X0.4)=0.4N・m因Tq/TJM=0.866因为电机为五相运行。则步进电机最大静转矩TJM=Tq/0.866=0.46Nm.确定步进电机最高工作频率参考有关数控激光切割机床的资副以知道步进电机最高工作频率不超逝00Hzo根据以上讨论并参照样本确定选取M56853s型步进电机，该电机的最大静止转矩为8N-m,转动惯量为235g/cm2步进电机惯性负载的计算惯性负载可由以下公式进行计算:JD=J+J1+(Z1/Z2)(J2+J3)+J4(V/①D)2Xm (5.6)式中：JD为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载；J0为步进电机转子轴的转动惯量；J1为齿轮Zl的转动惯量；J2为齿轮Z2的转动惯量；J3为齿轮Z3的转动惯量；mn为系统工作台质量；Vm为工作台的最大移动速率；3D为折算成单轴系统电动机轴角速度；各项计算如下：已知：J0=0忽略不计，mn=112.5Kg齿轮惯性转矩计算公式：J=p2m=p2G/g (5.7)其中：P为回转半径；G为转件的重量；滚珠丝杠的惯性矩计算公式：10

(5.8)J=nRLD/32(5.8)最后计算可得：J1=0.1X10-3Kg.m2J2=1.32X10-3Kg.m2J3=2.98X10-4Kg.m2J4=1.14X10-5Kg.m2Vm=12m/s3D=2nrad/s故惯性负载根据式5.7)得：JD=J0+J1+(Zl/Z2)(J2+J3)+J4(Vm/3D)2Xmn=17.3Kg.cm2此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯。6齿轮传动机构的确定传动比的确定要实现脉冲当量l|im/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为:i=gP/(360x6)h p式中：Ph一为滚珠丝杠导程；Q一为步距角；bp-为脉冲当量；根据前面选定的几个参数，由式6.1)得：i=0.36X4/360X0.001i=4:1=Z2/Z111

11根据结构要求选用Z1为30,Z2为120.。齿轮结构主要参数的确定①齿轮类型：选择直齿加工方便(图-1)。②模数选择：本工作台负载相当铃考同类型的机床后选择m=1齿轮传动侧隙的消除。③中心距的计算：A=mX(Z1+Z2) (6.2)=1x(30+120)/2=75mm齿顶高为1mm,齿根高为125mm齿宽为20mm。④齿轮材料及热处理：小齿轮Z1采用40Cr,齿面高频淬火；大齿轮Z2采用45号钢，调质处理。8消隙方法与预紧图6-1齿轮模型轮在制造8消隙方法与预紧图6-1齿轮模型轮在制造巨的齿侧间隙齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。12对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。双片齿轮错齿调整法：是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构两片薄齿轮1和2套装一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱，用来安装弹簧4。装配时使弹簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有两种一种是单支承形式，另一种是两端支承形式，本设计选用两端支承形式中的“双支点各单向固定”的支承方式，该形式夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧，提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴承的振动，预紧量由厂家提供。滚珠丝杠的螺杆和螺母的螺纹滚到间置有滚珠当螺杆和螺母传动时，滚珠沿螺纹滚道滚动使螺杆和螺母做相对运动时为滚动摩擦提高了传动效率和传动精度本次设计根据滚珠在滚道内的循环方式采用内循环类型，内循环镶块式是在螺母上开有侧孔，孔内镶有反向器，越过螺杆牙顶，进入相邻螺纹滚道，形成循环回路，该类型的特点是螺母的外径尺寸较小和滑动螺旋副大致相同，滚珠返回通道短，有利于减少滚珠数量，减少磨损，提高传动效率，但反向器回行槽加工要求高。齿差调隙式，在螺母的凸缘上切出齿数相差一个齿的外齿轮，把其装入螺母座调整时先取下内齿轮，将两个螺母相对螺母座同方向转动一定的齿嫩后将内齿复位固定，两个螺母之间产生相应的轴向位移，从而达到调整的目的。这种方法的特点是调整精度很高，工作可靠，但结构复杂，加工工艺和装配性能较差。9安装和常见问题的调整(1)确保激光管无破损，检查配件是否齐全，有无破损或擦伤。(2)装机地点要达到空气湿度不大于0%,且通风良好；湿度应控制在)~32℃之间，不得超出此范围，过大的湿度将导致高压放电，损毁机器；应有良好的接地装置9国。(3)如果激光输出的功率太低，使用者应通过控制面板增加输出的功率。(4)如果聚焦点没有在正确的位置，使用者应调整。(5)如果激光管老化，使用者应增加激光功率或替换激光管。(6)如果激光电源供电不充足，使用者应调整或替换激光电源。1314总结过对数控激光切割机的整体设计，确定了一台合理的立式机床结构。根据题目要求，设计出了一个结构合理的XY轴工作台，同时对工作台进行了受力分析、设计计算，对滚珠丝杠传动系统传动效率、强度等也进行了相应的计算对直线滚动导轨如何选型进行了深度分析确定步进电机及其传动机构并进行了惯性负载计算、刚度讨论等，分别来验证了其合理性。我明白学习是一个长期积累的过程，不能眼高手低，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。其次，创新才是一个人一个国家一个民族灵魂所在在当今无论是国内还是国外要想立于不败之地必须要敢创亲大胆设想，努力钻研，不要害怕失败，才能不断提高自己的创新能力。总之，不管学会的还是正在学的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种柳暗花明的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了，并且做到不但会用还要在此基础上探索出一条新的道路。本设计主要完成了如下要求：1、根据切割机机械结构部分的特点和要求设计了机床机械结构的总体方案介绍了相关的机械设备。2、根据设计任务的要求，对于设计的结构的总体方案进行了反复研究。针对激光切割机中要求操作简单，易于实现的特点，提出了设计方案中所涉及的硬件设备和软件设备，并对其进行了了解。3、对机械部分进行了设计和选用，并进行了相应计算。进行了辅助设备的分析与机械部分的有效结合。从设计的结果表明，本次设计的结果基本符合设计要求但由于本人的此次设计基于理论与大量成熟经验为参考来完成，加上知识能力储备有限，所以在本次设计中仍然存在着许多不到位的地