激光数控切割机设计说明书

键入文字 目录 1 绪论 1 1 激光原理及其应用 1 1 1 1 激光原理1 1 1 2 应用特性 1 2 激光切割机定义及其应用特性2 1 2 1 激光切割机定义 2 1 2 2 激光切割机的用特性 1 3 激光切割机分类情况3 1 3 1 按激光切割机种类 1 3 2 按激光切割机的整体结构分类 1 4 激光切割机的驱动系统及切割质量4 1 4 1 激光切割机的驱动系统 1 4 2 激光切割机的切割质量 1 5 我国激光切割机行业发展历程 2 激光切割机设计综述 2 1 4X Y 工作台系统控制方式选择 7 2 2 激光部分设计 8 2 3 导光系统设计 8 3 1 滚珠丝杠的设计与计算 10 图 5 10 3 1 1 滚珠丝杠副 图 5 特性10 3 2 滚动导轨设计计算与选用16 3 3 轴承的选用18 图 1119 3 4 螺旋升降机的设计及选用20 3 4 2 螺旋升降机的功能特点20 7 负载高推 拉力可至 300 吨 20 3 4 3 螺旋升降机的应用领域20 3 5 2 计算系统转动惯量24 M 工作台 包括工件 的质量 kg24 3 5 3 惯量匹配验算26 电机轴上的总当量负载转动惯量 和电机轴自身转动惯量 的比值应控制在一定范围内 既不应太大 也不应太小 如果太大 则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性 由于工作条件 如工作台位置 的变化而引起的负载质量 刚度 阻尼等的变化 将导致系统动态特性也随之产生较大的变化 使伺 服系统综合性能变差 或给控制系统设计造成困难 如果该比值太小 说明电动机选或传动系统设计 不太合理 经济性较差 为了系统惯量达到较合理的匹配 一般应将该比值控制在下式所规定的范围 内 26 4 1 轴承座的加工工艺规程 27 4 1 1 零件的作用及其定位 27 4 1 2 零件的工艺分析 29 4 1 3 铸造工艺方案设计29 4 1 4 机械加工工艺规程设计30 4 1 5 确定切削用量及基本工时 32 4 2 上导轨座的加工工艺规程40 键入文字 4 2 1 零件的分析 40 4 2 2 工艺规程设计 40 4 2 3 确定切削用量及时间定额 43 4 3 法兰盘的加工工艺规程设计 47 4 3 1 零件结构功用分析47 4 3 2 零件技术条件分析47 4 3 3 零件结构工艺性分析 47 4 3 4 毛坯选择48 4 3 5 机加工工艺路线确定 48 4 4 其他零件的设计59 5 1 激光切割机光路的调整 60 5 2 激光切割机的维护 61 1 绪论 键入文字 1 1 激光原理及其应用 1 1 11 1 1 激光原理激光原理 激光英文全名为 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER 于 1960 年面世 是一种因刺激产生辐射而强化的光 科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质 使其原 子的电子达到受激发的高能量状态 当这些电子要回复到平静的低能量状态时 原子就 会射出光子 以放出多余的能量 而接着 这些被放出的光子又会撞击其它原子 激发 更多的原子产生光子 引发一连串的 连锁反应 并且都朝同一个方前进 形成强烈而 且集中朝向某个方向的光 因此强的激光甚至可用作切割钢板 1 1 21 1 2 激光的应用激光的应用 激光在工业上的各种应用 1 激光技术在焊机上的应用 激光能量密度高 方向性强 激光焊接就是应用激光发生器产生的光经过光学处理后 照射在待焊接材料的部位上 并产生热量以形成永久性连接的工艺过程 2 激光技术在机床工业中的应用 在测量直线度时 激光准直仪与光学准直望远镜相比有以下优点 测量结果无需进 行数学处理 测量记录结果即为机床工作台的运动误差曲线 可同时测量垂直与水平方 向的机床导轨 工作台的直线度 故大大提高了测量效率 3 光清洗技术具有如下特点 是一种干式清洗 不需要清洁液或其它化学溶液 因此没有化学清洗产生的环境 1 污染问题 并且清洁度比较理想 清除污物的范围和适用的基材范围十分广泛 2 激光清洗是一种非接触加工 可方便地实现远距离操作 如通过光导纤维传输 3 清洗有些方法不易达到的部位 并且可避免传统清洗方法的近距离操作对清洗物体表面的 机械作用力容易损伤物体表面的缺点 通过调控激光工艺参数 可以在不损伤基材表面的基础上 有效去除材料表面的 4 不同类型的污染物 使表面干净如新 此外 激光清洗还可以方便地实现自动化操作 符 合智能印刷 激光清洗设备可以长期使用 一般只需要电费和维护费用 长期使用的运行成本 5 比较低 激光清洗技术是一种 绿色 清洗工艺 对环境基本上不造成污染 6 4 激光技术在汽车工业中的应用 在汽车工业中 激光加工通常以切割为主 激光切割一般采用基模或低阶模大功率器 激光束经聚焦后具有极高的功率密度 可使材料产生汽化或熔化现象 5 光在军事上的应用 键入文字 战舰用激光测距仪 是激光在海军最成功的也是最主要的应用 他主要和电视跟 1 踪器 红外跟踪器和大型计算机组成光电火控系统 这个火控系统在小型战舰上可以作 为主要火控 在大型战舰可以作为辅助的火控系统 激光制导导弹 激光制导导弹由三部分组成 导引头 战斗部 尾翼 激光制导 2 导弹并不能发射激光 主要是接受激光 激光和导弹也不是安装在一块的 它的发射作 用于两架飞机 一架叫激光照射机 一架是导弹携带机 激光照射机常在万米高空作业 它完全避开了地面火炮 导弹 的射程 激光照射机在对地面欲打击目标进行照射后 激光制导导弹的引导头立即接收到了回射的激光 经过滤光片由聚焦透镜聚焦到探测仪 上 形成误差信号 误差信号再经计算机变成控制信号 再传送到另一飞机的执行系统 最终操纵导弹飞向打击目标 还有反坦克和反舰两种 1 2 激光切割机定义及其应用特性 1 2 11 2 1 定义定义 主要用于将板材切割成所需形状工件的激光加工机床 2 利用激光束的热能实现切 割的设备 所谓激光切割就是将激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件融化并蒸发 以 达到切割和雕刻的目的 具有精度高 切割快速 不局限于切割图案限制 自动排版节 省材料 切口平滑 加工成本低等特点 将逐渐改进或取代于传统的切割工艺设备 1 2 21 2 2 应用特性应用特性 1 采用全封闭防护 减少粉尘的污染 2 选用性能优越的伺服和丝杆传动导向结构 高精密滚珠丝杠 低噪音滚珠导轨 高精密轴承 3 激光束聚焦光斑直径小 从而加工工件的切缝窄小 4 采用专业软件可随意设计各种图形或文字即时加工 加工灵活 操作简单 方 便 5 无接触切割 切边受热影响很小 基本没有工件热变形 切割工件质量好 切 缝一般不需要二次加工 6 不受工件外形的影响 激光加工柔性好 可以加工任意图形 可以切割钣金 薄板及其他异型材 7 切割精度高 切缝平滑 切割效率高于其它激光切割机 8 可选配高度跟踪系统 实时自动对焦 克服板材不平整现象 9 可选配专业 激光功率跟随切割速度实时调整 聚焦镜将 CO2 激光束聚焦在材料表面使材料熔化 同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动 从而形成一定形状的切缝 从 二十世纪七十年代以来随着 CO2 激光器及数控技术的不断完善和发展 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 于中厚板采用氧乙炔火焰切割 对于薄板采用剪床下料 成形复杂零件大批量的采用冲压 单件的采用振动剪 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 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 在工业生产中有一定的适用范围 数控切割机的用途很广泛 简单来说就是用激光对物体进行切割 可以切割的材料有 很多 金运激光的切割机可以对亚克力 木板 布料 皮革 金属等进行切割 根据功 率幅面的大小可以用在不同的行业 布料的切割可以用在制衣 地毯 工业面料等方面 键入文字 亚克力切割机可以用在亚克力工艺品制作等方面 木板的切割可以用作模型制作 金属 的切割可以代替原始的切割做各类金属制品等 光加工设备运用在服装行业的主要产品有高速激光裁剪机 全自动激光切割机 激 光裁床 互移式双头激光裁剪机 全自动激光切割机和激光打标机等 每 种设备的不 同加 正幅面是不同的 上述设备除激光打标机外 都可以进行布料裁剪裁片 服装打 样 商标 贴布绣切割 皮革雕花钻孔 牛仔喷花 绣花等工艺的作业 而就全自动激 光切割机而言 它的平台是可以运动的 与送料装置配合起来就实现了自动加工的目的 1 3 激光切割机分类情况 1 3 11 3 1 按激光切割机种类按激光切割机种类 1 激光气化切割 在激光气化切割过程中 材料在割缝处发生气化 此情况下需要非常高的激光功率 为了防止材料蒸气冷凝到割缝壁上 材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径 该加工因而只适合于应用在必须避免有熔化材料排除的情况下 该加工实际上只用于铁 基合金很小的使用领域 该加工不能用于 象木材和某些陶瓷等 那些没有熔化状态因而不太可能让材料蒸气 再凝结的材料 另外 这些材料通常要达到更厚的切口 在激光气化切割中 最优光束 聚焦取决于材料厚度和光束质量 激光功率和气化热对最优焦点位置只有一定的影响 在板材厚度一定的情况下 最大切割速度反比于材料的气化温度 所需的激光功率密度 要大于 108W cm2 并且取决于材料 切割深度和光束焦点位置 在板材厚度一定的情况 下 假设有足够的激光功率 最大切割速度受到气体射流速度的限制 2 激光火焰切割 激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于使用氧气作为切割气体 借助于氧气 和加热后的金属之间的相互作用 产生化学反应使材料进一步加热 由于此效应 对于 相同厚度的结构钢 采用该方法可得到的切割速率比熔化切割要高 一方面 该方法和熔化切割相比可能切口质量更差 实际上它会生成更宽的割缝 明显的粗糙度 增加的热影响区和更差的边缘质量 激光火焰切割在加工精密模型和尖 角时是不好的 有烧掉尖角的危险 可以使用脉冲模式的激光来限制热影响 激光的功 率决定切割速度 在激光功率一定的情况下 限制因数就是氧气的供应和材料的热传导 率 3 激光熔化切割 在激光熔化切割中 工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去 因为材料 的转移只发生在其液态情况下 所以该过程被称作激光熔化切割 光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝 而气体本身不参于切割 激光 熔化切割可以得到比气化切割更高的切割速度 气化所需的能量通常高于把材料熔化所 需的能量 在激光熔化切割中 激光光束只被部分吸收 最大切割速度随着激光功率的 增加而增加 随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小 在激光 功率一定的情况下 限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率 激光熔化切割对于 铁制材料和钛金属可以得到无氧化切口 产生熔化但不到气化的激光功率密度 对于钢 材料来说 在 104W cm2 105 W cm2 之间 1 3 21 3 2 按激光切割机的整体结构分类按激光切割机的整体结构分类 目前市场上的数控激光切割机结构形式主要有龙门式 悬臂式及横梁倒挂式三种 键入文字 1 龙门式 龙门式结构又分为长龙门式和短龙门式 长龙门开放性好 便于操作 但因运动部 件重量较大 横梁静 动态刚度不好 所以高动态响应 高精度的激光切割机采用很少 短龙门式运动部件重量轻 横梁静 动态刚度高 配合高性能的数控系统 如西门子 840D 和 Fanuc 18i 能够实现完全意义上的双边同步驱动 因此短龙门结构是现数控激光 切割机主流结构 尤其适合于高动态特性 高精度的要求 2 悬臂式 结构简单 开放性好 能够从三个方向接近加工区域 采用单边驱动 不存在龙门 结构双边驱动的同步问题 但是悬臂结构运动部件重量较大 单点支撑的悬臂结构静 动态刚度远远不如龙门结构 难以满足高动态特性 高精度要求 所以悬臂结构激光切 割机在早期机型中采用较多 在现代机型中采用较少 3 横梁倒挂式 横梁倒挂式开放性较好 刚度介于龙门式和悬臂式之间 但是机架结构尺寸较大 设备的安装调试不如龙门式和悬臂式方便 采用很少 1 4 激光切割机的驱动系统及切割质量 1 4 11 4 1 激光切割机的驱动系统激光切割机的驱动系统 高动态响应和高精度一直是数控激光切割机的重要性能体现 激光切割机的驱动系 统对动态响应和切割精度具有决定性影响 常用的驱动方式主要有滚珠丝杠 齿轮齿条 及直线电动机三种 1 滚珠丝杠 相对滚珠丝杠于其他两种驱动方式 滚珠丝杠的惯性力矩大 难以满足系统高动态 响应要求 另外 滚珠丝杠的低阶模态频率很低 旋转过程中低阶模态有被激发而引起 振动的可能性 而采用预紧结构的丝杠以提高低阶模态频率 减小振动 理论上效果不 是很明显 笔者认为 如果通过增加阻尼的方法来加速振动衰减 效果应该比采用预紧 结构更明显 随着对激光切割机动态响应特性的要求越来越高 滚珠丝杠驱动方式的采 用越来越少 大多是在悬臂结构激光切割机上采用 2 齿轮齿条传动 齿轮齿条传动成本低 动态响应速度较高 精度虽然不及直线电动机和滚珠丝杠 但只要系统设计合理 能够满足一般使用要求 相比之下 齿轮齿条传动是一种性价比 最高的驱动方式 目前国内绝大多数激光切割机都采用这种方式 一般情况 伺服电动 机经过减速箱减速后再通过齿轮齿条传动对运动部件进行驱动 由于齿轮齿条以及减速 箱自身存在弹性变形和惯量匹配的问题 与直线电动机相比速度不能太快 加速度也不 能太高 过高的速度将会加速齿轮齿条的磨损 并产生较大的振动和噪声 单轴最高定 位速度 120m min 较为合理 运动部件作加速或减速运动的过程中 齿轮齿条副以及减 速箱内部都会产生一定的弹性变形而引起传动误差 这种传动误差与加速度大小成正比 一般情况下单轴加速度 1 0g 时 这种传动误差都是可以接受的 驱动系统合理的惯量 匹配关系至关重要 驱动系统合理的惯量比是激光切割机具有良好动态性能和切割精度 的前提和保证 根据 笔者以往的设计经验 激光切割机驱动系统的惯量比在 1 0 左右较为理想 如果没 有合理惯量比 加速度再高也毫无意义 3 直线电机驱动 直线电机驱动通过光栅实时对位置进行检测 形成闭环控制 同时由于没有中间环 节 传动精度极高 动态响应速度极快 采用直线电动机驱动的数控激光切割机 定位 速度达到 400m min 加速度达到 5g 定位精度达到 0 001mm 极大提高了切割机的加工 键入文字 效率和加工精度 目前国际上很多高端数控激光切割机都采用直线电机驱动 这是未来 的发展趋势 1 4 21 4 2 切割质量切割质量 切割质量可以从切割缺陷 过烧 挂渣 表面粗糙度 切口宽度和切口锥度三个方 面进行考察 影响激光切割质量的主要因素可以分为两类 激光切割系统性能的影响和切 割参数的影响 1 激光切割系统性能对切割质量的影响光束模式 光束的模式越低 聚焦后焦斑 尺寸越小 辐射照度越大 切口越窄 切割效率和切割面质量越好 为了获得较好的切 割质量和较高的切割效率 最好选用 TEM00 模式激光 至少不高于 TEM01 模式 模式 过高的激光无法保证切割质量 不宜采用 光束的偏振特性 激光光束的偏振特性对激光 切割质量和切割效率有很大影响 如果采用线性偏振光进行切割 当切割方向对于光束 的偏振方向发生变化时 切割前沿对激光的吸收效率也会发生变化 从而对切割产生影 响 圆偏振光的电矢量幅值在各个方向上都是相等的 切割前沿对激光的吸收比不会因 切割方向的改变而改变 所以在切割时应该采用圆偏振光 喷嘴和气流 国内自主品牌激光切割机厚板切割能力与国外高端设备差距较大 主要 原因在于我们对喷嘴和气流等方面的认识不够 在诸多对切割质量产生影响的因素中 喷嘴的气体流场是最难以定量分析的因素 尤其是对碳钢这种氧气助燃切割方式 辅助 气体氧气的流场分布情况对切割的影响就更加明显 国外很多激光切割机的生产厂家在 这方面都有技术储备 并进行了大量的研究工作 而我们国内在这方面的研究还很少 2 激光切割参数对切割质量的影响焦点位置 焦点位置对切割表面的粗糙度影响 较大 不同材料对焦点的位置要求也不同 比如切割碳钢时焦点在板材的上表面 不锈钢 焦点在板材的 1 2 左右 铝合金焦点位置接近下表面 激光功率 激光功率主要是对切口 宽度和表面粗糙度产生影响 通常情况下 割缝宽度随激光功率的增加而增加 在一定 板厚和切割速度下 有一个最佳的激光功率范围 在这个范围内切割面的粗糙度最小 偏离最佳功率范围粗糙度就会增加 进一步增加或者减小功率 就会产生过烧或者挂渣缺 陷 在一定板厚和激光功率下 有一个最佳切割速度 此时的切割表面粗糙度值最小 偏离最佳切割速度粗糙度值就会增加 进一步增加或减小切割速度 就会产生过烧或挂渣 缺陷 1 5 我国激光切割机行业发展历程 经过近 50 年的艰苦努力 我国激光切割机技术研究获得重大突破 激光切割机产业 也从无到有 成为我国科学界最活跃的领域之一 目前 全国共有 5 个国家级激光切割 机技术研究中心 10 多个研究机构 有 21 个省 市生产和销售激光切割机产品 常年有 定型产品生产和销售 并形成一定规模的单位有 200 多家 目前国内激光切割机企业主 要集中在湖北 北京 江苏 上海 和广东 含深圳 珠海特区 等经济发达省市 已基本 形成以上述省市为主体的华中 环渤海湾 长江三角洲 珠江三角洲四大激光切割机产 业群 激光切割机晶体 关键元器件 配套件 激光切割机器 激光切割机系统 应用 开发 公共服务平台已形成较完整的激光切割机产业链 这无疑也将给国内激光切割机 产业创造更大的发展空间 受金融危机的影响 我国光电各个行业已经受到不同程度的冲击 其中激光切割机 产业受到金融危机影响的程度也非常大 主要原因是激光切割机设备大多应用到工业制 造领域 而制造业领域的整体衰退大大影响了激光切割机厂商的业绩 加之国内激光切 割机技术过度依赖于欧美国家 行业分布不均匀 有些行业产能过剩 有些则生产量不 足 未来将会有更多的工厂破产 业界并购现象将陆续出现 然而 与国际上激光切割 键入文字 机加工系统相比 我国的激光切割机加工系统差距甚大 仅占全球销售额的 2 左右 所 以我国激光切割机加工设备行业仍属于朝阳产业 其盈利状况高于一般传统企业 同时 由于我国工业企业多以机械加工企业为主 因此激光切割机加工设备存在巨大的市场需 求 部分国内激光切割机加工设备制造企业仍有望在竞争中脱颖而出 2013 年及未来几年 随着国家有利政策的落实及行业技术水平的提高 中国激光切 割机产业必定会有较大发展 激光切割机技术与众多新兴学科相结合 将更加贴近人们 的日常生活 而激光切割机器研究向固态化方向发展 半导体激光切割机器和半导体泵 浦固体激光切割机器成为激光切割机加工设备的主导方向 整个激光切割机产业界并购 将盛行 各公司力争成为行业巨头 激光切割机产品也将在工业生产 交通运输 通讯 信息处理 医疗卫生 军事及文化教育等领域得到更深入的应用 进而提高这些行业的 自主创新能力 适应全球化的发展潮流 形成新的经济增长点 预估在今后三年内我国 激光切割机产业平均行业复合成长率应该不低于 20 未来 5 年 中国激光切割机产品 市场需求将超过 600 亿元 2 激光切割机综述 2 1 总体设计方案 2 1 12 1 1 数控切割机的组成数控切割机的组成 数控切割机简单讲由两个部分组成 一是数控系统 二是机床部分 三是钢板切割 排版套料软件 数控系统是数控切割机的指挥中枢 其核心是一台工业计算机 或称工业控制器 和一套数控切割专用的切割控制软件 数控系统中工业控制器的硬件配置决定了数控切 割机和数控系统的稳定性 数控系统中的切割控制软件提供了数控切割所需要的各种切 割工艺和运动控制方式 决定了数控切割机的切割效率和切割质量 机床部分是数控切割机的主体 包括机架部分的横梁导轨 齿轮齿条传动系统 减 速机 伺服电机系统 气路系统 升降系统 电气控制柜等 以及根据使用需要 选配 自动调高系统 点火系统 划线系统 冷却系统等 机床部分的制造质量和加工精度 关键零部件的选配 如减速机 伺服系统 自动调高等 都决定了数控切割机的功能配 置 机床寿命 切割质量和精度 2 1 22 1 2 设计任务设计任务 X 方向行程 300mm Y 方向行程 300mm 工作台面的参考尺寸 300 300 mm 最高运动速度 1400mm min 定位精度 0 02mm 寿命 每天 8 小时 工作 8 年 300 天 年 2 1 32 1 3 机构要求机构要求 机械系统应具备良好的伺服性能 即高精度 快速响应性和稳定性好 从而要求本 次设计传动机构满足以下几方面 1 转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下 传动机构的质量和转动惯量应尽量减小 否则 转动惯量大会对系统造成不良影响 机械负载增大 系统响应速度降低 灵敏度下降 系统固有频率减小 容易产生谐振 所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量 键入文字 2 刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力 大刚度对机械系统而言是有利的 服系统动力损失随之减小 构固有频率高 超出机构的频带宽度 使之不易产生 1 2 共振 加闭环伺服系统的稳定性 所以在设计时应选用大的刚度的机构 3 3 阻尼合适 机械系统产生共振时 系统的阻尼增大 其最大振幅就越小且衰减也快 但大阻尼 也会使系统的稳态误差增大 精度降低 所以设计时 传动机构的阻尼要选着适当 此外还要求摩擦小 提高机构的灵敏度 共振性好 提高机构的稳定性 间隙小 保证机构的传动精度 特别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹 配 总体设计如图 1 示 方向传动机构 方向传动机构 电机 步进电机 步进电机 微 机 控 制 图 图 1 2 1 4X Y2 1 4X Y 工作台系统控制方式选择工作台系统控制方式选择 X Y 工作台系统可以设计分为开环 半闭环和闭环伺服系统三种 开环的伺服系统 采用步进电机驱动 系统没有检测装置 半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电 机驱动 并在电机输出轴安装脉冲编码器 将速度反馈信号传给控制单元 闭环的伺服 系统也是采用交流或直流伺服电机驱动 位置检测装置安装在工作台末端 将位置反馈 信号传给控制单元 闭环和半闭环伺服系统价格昂贵 结构复杂 同时其可控分辨率也 很高 但在本次设计中 其位置精度 0 02mm 要求不高 考虑到成本低 维修方便 工作稳定等条件 选用步进电机伺服系统就可以满足要求 通过微机控制步进电机的驱 动 直接带动工作台运动 工作台系统总体框图如图 2 所示 键入文字 图 2 2 2 激光部分设计 图 3 1 水管 2 红光指示器 3 全反射镜 4 硅胶管 5 光栅 6 氙灯 7 激光工作物质 8 部分反射镜 9 光栅 激光束的发生过程 左右两侧的氙灯发光 照射激光工作物质 在激光工作物质中产生两种现象 离子 键入文字 能级跃迁和离子束翻转 产生激光 然后激光在全反射镜和半反射镜之间来回反射 不 断地得到加强 当接到工作指令时 光栅被打开 激光射向导光系统 在导光系统内被 转换方向和聚焦以后打到放在工作台上的工件上 进行切割 2 3 导光系统设计 图 4 导光系统 图 4 由以下几个部分组成 1 喷嘴 喷嘴的形式和喷头尺寸的选取对切割质量的影响很大 喷嘴的形式主要 有三种 平行式 收敛式和锥形式 喷嘴的形式 但目前国外有些机构应用气体动力学的 知识 研究出了收敛 扩张式喷嘴 此种类型的喷嘴应用于切割时 能有良好的切割特性 但是 由于该喷嘴复杂的内腔 加工的工艺性和精细型受到限制 使得其无法投入产业化生 产 2 聚焦透镜 聚焦透镜聚焦透镜聚焦透镜聚焦透镜 利用激光束的能量进行切割 必须把激光器射出的原始光束经过透镜聚焦 才能形成高能量密度的光斑 根据高斯光学 理论 焦点处功率密度最高 透镜焦距越长 焦点光斑越大 功率密度越低 但焦深大 焦深是指焦点两侧直径变化为 5 的两光斑距 在切割中也称有效切割范围 操作容 许度大 5 英寸透镜的有效范围大于 3 英寸透镜 这就是为什么说中长焦透镜适合于厚板 切割 并对跟踪系统的间距稳定度要求较低 但要求激光器输出功率高 反之 短焦透镜 只适合于 D3 以下的薄板切割 短焦对跟踪系统的间距稳定性有较严格的要求 但它对激 键入文字 光的输出功率要求可大大降低 3 聚焦跟踪系统 聚焦跟踪系统聚焦跟踪系统聚焦跟踪系统聚焦跟踪系统光纤激 光切割机聚焦跟踪系统一般是由聚焦切割头和跟踪传感器系统组成 切割头包括导光聚焦 水冷 吹气以及机械调整部分组成 传感器是由传感元件和放大控制部分组成 根据传感 元件的不同跟踪系统也完全不同 在此 主要有两种形式的跟踪系统 一种是电容式传感器 跟踪系统 又称非接触式跟踪系统 另一种是电感式传感器跟踪系统 又称接触式跟踪系 统 3 光切割机的主要部件设计 3 1 滚珠丝杠的设计与计算 图 5 3 1 13 1 1 滚珠丝杠副 图滚珠丝杠副 图 5 5 特性特性 1 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 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 无背隙与高刚性 滚珠丝杠传动系统采用歌德式 Gothic arch 沟槽形状 见 键入文字 图 2 1 2 2 1 3 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 7 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 40m min 或更高 2 加速度要高 达到 1g 以上 3 动态性能要好 达到较高的定位 精度 滚珠丝杠即能满足这些要求 3 1 23 1 2 选定编号选定编号 丝杠支承和受力位置如图 6 示 固定 支承 危险转速 危险轴向载荷 固定轴承到螺母间距离 轴承到螺母间距离 图 6 机械设计师手册 提供的滚珠丝杠直径 导程 长度和精度系数如下表 1 所示 表 1 键入文字 导 程 Pho公 称直径 do 456810121620 16 20 25 32 40 50 63 80 100 磨制丝杠 轧制丝杠 表 2 丝杠长度 选取的滚珠丝杠转动系统为 磨制丝杠 右旋 轴承到螺母间距离 临界长度 380mm 键入文字 固定端轴承到螺母间距离 380mm 设计后丝杠总长 500mm 最大行程 380mm 工作台最高移动速度 1 4m min 寿命定为 19200 工作小时 0 1 摩擦系数 电机最高转速 350 r min 内行程误差 0 035mm 最大行程 300mm 行程内行程误差 0 02mm 失位量 0 045mm 支承方式为 固定 支承 W 50kg 工作台重量 工件重量 g 9 8m 重力加速度 I 1 2 电机至丝杠的传动比 Fw W g 0 1 50 9 8 50 N 摩擦阻力 运转方式轴向载荷 F N 进给速度 mm min 工作时 间比例 所有运转 50 1 14000 1 100 1 轴向载荷 N F 切削阻力 N 摩擦阻力 N 从已知条件得丝杠编号 此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求 所以螺母选形为 FDG 法兰式双螺磨制丝杠 从定位精度得出精度精度不得小于 P5 级丝杠 2 2 计算选定编号 导程 max max 1400 3504 ho V P nI mm 运转方 式 进给速度 mm min 进给转速 r min 所有运 转 1400 1 350 1 平均转速 100 350350 min 100100 m q nnr 键入文字 平均载荷 33 3 3 1 350 5050 350 m m n FFN n 时间寿命与回转寿命 m 60 60 19200 350 60 403200000 hhm L LLLn n L 转次 额定动载荷以普通运动时确定取 1 4 3 6 3 6 10 403200000 50 1 4 10 517 14 amw L cFf N 得 额定动载荷 517 14N 以 Ca 值从 FDG 系列及丝杠直径和导程 丝杠长度表 表 3 表 3 键入文字 查出适合的类型为 公称直径 d0 20mm 丝杠底径 17 5mm 0 导程 4mm 0 循环圈数 3 额定动载荷为 517 14N 丝杠编号 FDG 20 4R P5 3 500 380 预紧载荷 0 05 517 14 25 86 N 0 丝杠螺纹长度 2 2 300 2 20 340mm 1 1 丝杠螺纹长度不得小于 340mm 加上螺母总长一半 37mm 从系列表中查出螺母总长 74mm 得丝杠螺纹长度 377m 在此取丝杠螺纹长度 380mm 则轴承之间的距离 1 380mm 丝杠编号 FDG20 4R P5 3 500 380 丝杠公称直径公称直径由允许工作转速与工作容许轴向载荷来推算得出 由 机械 工程师手册 相关公式得出临界转速及允许工作转速 8 0 8 0 kperkkkper nnnn 以安装形式确定取 18 9 7 2 2 27 2 7 10 10 350 400 0 3 min 18 9 10 kn knk nnk nLd nfd Lf r 可知丝杠螺母底径大于 0 3 当 mm 最高转速达到 350r min 时 系列表中 4 适合的公称直径 键入文字 12mm 上述由额定动载荷求得的公称直径 20mm 12mm 满足条件 0 0 否则公称直径还应加大 丝杠编号 FDG 20 4R P5 3 500 380 滚珠丝杠传动系统刚度 初始条件 失位量 0 045mm 滚珠丝杠系统之间各元部 件 丝杠 螺母 支承轴承 在此设为 0 04mm 此时滚珠丝杠系统各元部件单边弹性 变形量为 0 02mm 此时运动的轴向载荷 1000N 丝杠刚度 当 为最小 一般情况下计算最小刚度值 1 2 0 1 2 0 707 165 200 707 2 381 165138 400 w s S dD R L Nm 1000 1387 25 as FR m 螺母刚度 在此预紧载荷为额定动载荷的 10 螺母刚度从表中查出 R 613N m 从表中查出额定动载荷 Ca 6201N 在此 取 0 1 1 3 1 3 0 8 25 86 0 8 613 0 1 517 4 180 63 ao nu a F RR C Nm 1000 180 635 54 nuaun FR m 支承刚度 支承轴承刚度 RaL 可从轴承生产厂产品样本中的查出 在此 1020N m 1000 1020 1 m 轴向总刚度 1 1 1 1 键入文字 1 138 1 180 63 1 1020 72 66 N m 总弹性变形量 单边 7 25 5 54 1 13 79 m 20 m 检验合格 从丝杠轴向总刚度的问题上来讲 丝杠的刚度有时比螺母的刚度重要 最佳提升刚 性的方法是提高丝杠的刚度 而不是在螺母上施加太重的预紧载荷 预紧载荷最高为额定 动载荷的 10 3 2 滚动导轨设计计算与选用 3 2 13 2 1 滚动直线导轨副 图滚动直线导轨副 图 7 7 的性能特点 的性能特点 图 7 1 定位精度高 滚动直线导轨的运动借助钢球滚动实现 导轨副摩擦阻力小 动静摩擦阻力差值小 低速时不易产生爬行 重复定位精度高 适合作频繁启动或换向的运动部件 可将机床 定位精度设定到超微米级 同时根据需要 适当增加预载荷 确保钢球不发生滑动 实 现平稳运动 减小了运动的冲击和振动 2 磨损小 对于滑动导轨面的流体润滑 由于油膜的浮动 产生的运动精度误差是无法避免的 在绝大多数情况下 流体润滑只限于边界区域 由金属接触而产生的直接摩擦也是无法 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 故能使滚动直线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 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 3 适应高速运动且大幅降低驱动功率 采用滚动直线导轨的机床由于摩擦阻力小 可使所需的动力源及动力传递机构小型 化 使驱动扭矩大大减少 使机床所需电力降低 80 节能效果明显 可实现机床的高 键入文字 速运动 提高机床的工作效率 20 30 4 承载能力强 滚动直线导轨副具有较好的承载性能 可以承受不同方向的力和力矩载荷 如承受 上下左右方向的力 以及颠簸力矩 摇动力矩和摆动力矩 因此 具有很好的载荷适应性 在设计制造中加以适当的预加载荷可以增加阻尼 以提高抗振性 同时可以消除高频振 动现象 而滑动导轨在平行接触面方向可承受的侧向负荷较小 易造成机床运行精度不 良 5 组装容易并具互换性 传统的滑动导轨必须对导轨面进行刮研 既费事又费时 且一旦机床精度不良 必 须再刮研一次 滚动导轨具有互换性 只要更换滑块或导轨或整个滚动导轨副 机床即 可重新获得高精度 如前所述 由于滚珠在导轨与滑块之间的相对运动为滚动 可减少摩擦损失 通常 滚动摩擦系数为滑动摩擦系数的 2 左右 因此采用滚动导轨的传动机构远优越于传统滑 动导轨 3 2 23 2 2 滚动导轨计算与选用滚动导轨计算与选用 已知作用在导轨副上的压力 g 50 9 8 490N 导轨工作寿命 总 h T 8 300 8 19200h 单向行程长度 mls4 0 往复次数取 n 3 次 分 导轨行程长度系数 8 27641000 6034 019200210 2 3 nlTT shs 因活座数 m 4 所以每根导轨上使用 个活座 N M F 5 122 4 490 4 根据公式 3 25 6 F C T a s 得 N TF C s a 39 933 25 6 8 2764 5 122 25 6 3 3 3 3 根据 机械设计师手册 查得图 键入文字 图 8 选取 GGB16BA 型号的导轨的 7 19KN 能满足 8 年的使用要求 其具体参数如下 单根最大长度 600 额定动载荷 C kN 7 19 额定静载荷 kN 10 5 0 额定力矩 N m 76 1 76 1 88 4 3 3 轴承的选用 1 丝杠轴上的轴承受两方面的力 轴向力和径向力 丝杠所受的额定动载荷为 C 517 14N 而经计算 当量动载荷 P 100N 丝杠在轴承处的直径为 17mm 要求使用寿 命 在些选用角接触轴承 查 机械零件手册 选用 7203C hLh5000 2 计算轴承寿命 轴承寿命 因为轴承工作温度不高查相关表格 温度系数 P Cf n L t h 60 10 6 1 由于该轴承位球轴承 故寿命指数 3 键入文字 故选择该轴承是合适的 hh LhL 6 6585 100 14 5171 35060 10 3 6 图 9 图 10 键入文字 图 11 3 4 螺旋升降机的设计及选用 3 4 13 4 1 螺旋升降机的工作原理螺旋升降机的工作原理 螺旋升降机是由蜗轮蜗杆 箱体 轴承 丝杠等零部件组成 工作原理为 螺旋 升降机 电机或者手动驱动蜗杆旋转 蜗杆驱动蜗轮减速旋转 蜗轮内腔加工为内螺纹 驱 动丝杠上下移动 由于内部有蜗轮蜗杆 丝杠的减速作用 达到放大推力的作用 3 4 23 4 2 螺旋升降机的功能特点螺旋升降机的功能特点 通过驱动蜗杆旋转 实现丝杠的上下移动 达到推拉或者顶升的作用 1 自锁性能普通齿丝杠电动推杆和螺旋升降机 由于综合传动效率低 大部分有 绝对动载自锁功能 增加设备运行的安全性 滚珠丝杠电动推杆和螺旋升降机不自锁 2 精度定位综合位置精度可达 0 1mm 伺服电动缸位置精度可至 6um 3 精确控制配置编码器 通过变频器或控制器控制 实现闭环精确定位 如精度 要求不高 可配备电位计实现在线控制 4 同步性单减速电机通过机械联结同时驱动多台推杆 实现同步升降并绝对同步 5 驱动系统 直流电机 12 24V 单项交流电机 三相交流电机 无需气源 液压源 6 过载保护可配备安全离合器防过载 也可配备过载压力传感器防过载 7 负载高推 拉力可至 300 吨 8 维护简单 噪音低 可在高 低温 防腐 防爆恶劣环境正常工作 3 4 33 4 3 螺旋升降机的应用领域螺旋升降机的应用领域 螺旋升降机广泛应用于升降舞台 同步升降台 钢铁 造纸 啤酒 军工等行业 螺旋升降机作为一种现代的升降设备其使用领域很广 无论是工厂 工地 舞台 物流等行业都必须用到 丝杠升降机的发展也非常迅速 根据近几年客户的需求和建议 我们不难得出未来升降机的发展方向 其中速度 变速和安全性能是其中的要点 安全的重要性在各种设备上都非常重要 升降式舞台使用的螺旋升降机在安全要求 上将更高 为了保证表演者的安全 升降平台设计的将会更大 而使用的升降机也会更 键入文字 大 如今大型剧场所使用的升降机直径将超过 3 米 稳定性和安全性也得到了很大的提 高 如矿井所用升降机 其提升高度可达几千米 现阶段每秒几十米的提升速度满足不 了需求 那么提升速度将要进一步提升 要达到每秒几百上千米 加速幅度也要加大 一些场合使用的升降机在工作过程中 要进行变速来达到工作要求 那么变频式升降机 也将在未来有一定的市场需求 在材料的使用上 由于对螺旋升降机有高负载的需求 其材料采用的都是高精度高 硬度的铸铁 而未来升降机要求体积要越小 装配在一些微型设备上使用 那么对材料 的重量要减轻 合金钢铸造而成的升降机在质量上不逊色于铸铁 在某些方面还有所优 势 未来升降机材料使用的多样性将会根据需求而不同 那么挖掘用户需求也是一重点 在未来 研发的新型螺旋升降机应具备很高的安全性 采用先进的 PLC 控制系统进 行控制 有优秀的自动监视 报警 诊断 保护等功能 遇到过载过流 过压等故障 均能采取自动保护措施 避免和减少人身伤害和设备故障 升降机的使用安全性得到显 著提高 因为工作台必要的时候需要在 Z 轴上作一定的运动 所以相当有必要在 X Y 工作 台下方安装一个升降机 并且为手机操作和电机带动并用 3 4 43 4 4 螺旋升降机的选用螺旋升降机的选用 选用的升降机要求如下 提升重量为 X Y 工作台及工件的总重量 N mg 50 10 500 n 其中 g 10 提升速度为 1m min 计划选用优励聂夫 南京 科技有限公司的 CS 系列蜗轮丝杠升降机 通过比较 选用 CS 系列方型蜗轮丝杠 B 型结构 其结构图如下图 12 键入文字 图 12 现选用具体型号为 CS25 CS25 梯形丝杠梯形丝杠特性如表 4 F 15 KN F 10 KN F 5 KN F 2 5 KN F 1 KN 提升速 度NLNLNLNLNL 转 速 rpmN L N m KW N m K W N m K W N m K W N m K W N m K W N m K W N m K W N m K W N m K W 150 0 1 5 0 0 37 5 8 8 1 3 9 3 1 0 4 9 5 9 0 9 3 2 1 0 3 3 2 9 0 4 6 1 0 0 2 1 5 0 2 0 5 0 1 0 6 0 1 0 2 0 1 100 0 1 0 0 0 25 0 8 8 0 9 3 3 1 0 3 3 5 9 0 6 2 2 1 0 2 2 2 9 0 3 1 1 0 0 1 1 5 0 2 0 5 0 1 0 6 0 1 0 2 0 1 750 0 7 5 0 18 8 8 8 0 6 9 3 1 0 2 5 5 9 0 4 6 2 1 0 1 6 2 9 0 2 3 1 0 0 1 1 5 0 1 0 5 0 1 0 6 0 1 0 2 0 1 600 0 6 0 15 0 8 8 0 5 6 3 1 0 2 0 5 9 0 3 7 2 1 0 1 3 2 9 0 1 9 1 0 0 1 1 5 0 1 0 5 0 1 0 6 0 1 0 2 0 1 500 0 5 0 12 5 8 8 0 4 6 3 1 0 1 6 5 9 0 3 1 2 1 0 1 1 2 9 0 1 5 1 0 0 1 1 5 0 1 0 5 0 1 0 6 0 1 0 2 0 1 300 0 3 0 07 5 8 8 0 2 8 3 1 0 1 5 9 0 1 9 2 1 0 1 2 9 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 0 5 0 1 0 6 0 1 0 2 0 1 100 0 1 0 02 5 8 8 0 1 3 1 0 1 5 9 0 1 2 1 0 1 2 9 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 0 5 0 1 0 6 0 1 0 2 0 1 键入文字 50 0 0 5 0 01 3 8 8 0 1 3 1 0 1 5 9 0 1 2 1 0 1 2 9 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 0 5 0 1 0 6 0 1 0 2 0 1 表 5 2 选用数据如下 转速 1000 rpm 提升速度 N 1 00 L 0 25 F 2 5 KN 由 机械设计手册 得表 5 表 5 型号 CS CS2 5CS5CS10CS25CS50CS150CS250 丝杠Tr14 4 Tr18 4 Tr20 4Tr30 6 Tr40 7Tr60 9Tr80 10 C253137 54158 58082 5 D6080100130180200240 E486078106150166190 F507285105145165220 G38526381115131170 HM6M8M8M10M12M20M30 Jk6 9101416202530 K120253245637180 K216212942636675 L223140547883100 L12022 522 543456565 L212131515163045 N92120140195240300355 NLLift 60 Lift 68 Lift 74Lift 86 Lift 123 Lift 149 Lift 160 P627493105149200205 Q3 3 14 3 3 18 5 5 20 5 5 36 6 6 368 7 568