激光加工机床设计A、X轴

南京林业大学本科毕业设计（论文）题目激光加工机床设计（A、X轴）学院南方学院专业机械设计制造及其自动化学号N090301312学生姓名秦松指导老师杨雨图职称讲师二零一三年五月二十九号2013南京林业大学毕业设计论文I摘要本次设计的目的是设计大功率激光加工机床，本毕业课题从激光加工的特点出发，根据数控机床的设计思路，参考典型机床铣床结构而设计的四轴联动的激光加工机床。按照课题要求，主要是对激光加工机床的机械部分进行了设计与分析，包括方案的论证和部分零部件的设计、强度计算和分析等等。该设计方案经济合理，结构简单，拆装方便。激光加工机床主要由进给机构、旋转机构、激光器和控制系统四部分组成。机床中的X轴、Y轴和Z轴均采用了直线进给机构传动，由电机与滚珠丝杠直接相连，传动简单，精度高，定位准确，且安装简介维护方便。旋转轴A轴采用了回转工作台的结构形式，利用三爪卡盘进行工件的定位和夹紧，利用手摇机构，回转工作台可沿Y轴轴向旋转90，从而实现了不同位置的加工。根据激光加工机床的功能和结构特点，主要进行了以下设计（1）直线进给机构中滚珠丝杠副的选取和设计；（2）直线进给机构中滚动直线导轨的选取和校核；（3）旋转工作台中蜗杆传动机构的设计以及校核；（4）旋转工作台中旋转轴的设计和校核；此外，还简单介绍了PMAC控制软件中的使用和原理。关键词激光技术；工作台；回转轴；运动控制单元2013南京林业大学毕业设计论文IIABSTRACTREFERRINGTOTHETYPICALSTRUCTUREOFMACHINESANDREQUIREMENTS,THEFOURAXISLASERMACHINEISDESIGNEDTHEMECHANICALPARTSOFTHELASERPROCESSINGMACHINEISMAINLYDESIGNED,INCLUDINGIDENTIFICATIONANDARGUMENTATIONOFTHEDESIGNS,THEDESIGNSOFSOMEPARTSANDCOMPONENTS,STRENGTHCALCULATIONANDSOONTHESTRUCTUREOFTHEMACHINEISSIMPLE,ECONOMICALANDEASILYREASSEMBLEDTHELASERPROCESSINGMACHINEISMAINLYCOMPOSEDOFFOURPARTSOFTHEFEEDINGMECHANISM,THEROTATINGMECHANISM,LASERSANDCONTROLSYSTEMSTHEXAXIS,YAXISANDZAXISUSELINEARFEEDINGINSTITUTIONSTRANSMISSION,MOTORANDBALLSCREWAREDIRECTLYCONNECTED,ITISHIGHPRECISION,ACCURATEPOSITIONINGANDINSTALLATIONTHEINSTALLATIONISINTRODUCTIONANDTHEMAINTENANCEISCONVENIENTINORDERTOACHIEVEADIFFERENTLOCATIONPROCESS，THETHREEJAWCHUCKISUSEDTOLOCATEANDCLAMPTHEAXISOFROTATIONWITHTHEHANDINSTITUTIONS，THERADIALPARTCANROTATE90ACCORDINGTOTHEFUNCTIONALANDSTRUCTURALCHARACTERISTICSOFTHELASERPROCESSINGMACHINE,THEDESIGNISASFOLLOWS1SELECTANDDESIGNTHELINEARFEEDINGMECHANISMOFTHEBALLSCREWPAIR2SELECTANDCHECKTHELINEARFEEDINGMECHANISMOFROLLINGLINEARGUIDE3DESIGNANDVERIFICATETHEWORMDRIVEMECHANISMINTHEAXISOFROTATION4DESIGNANDCHECKTHEROTATINGWORKBENCHINTHEAXISOFROTATIONINADDITION,IALSOBRIEFLYINTRODUCEDTHEAPPLICATIONANDPRINCIPLEOFTHEPMACCONTROLSOFTWARE2013南京林业大学毕业设计论文IIIKEYWORDSLASERTECHNOLOGY；WORKTOP；ROTARYAXIS；MOVEMENTCONTROLUNIT2013南京林业大学毕业设计论文IV目录摘要IABSTRACTII目录IV第1章绪论111激光加工技术1112激光加工智能化2113激光加工柔性化212激光加工的发展3121激光概念3122激光技术的发展历程3123激光加工技术的发展趋势4123激光加工技术的分类613选题目的及意义7第2章直线进给工作台设计方案的拟定与论证921设计内容922工作台进给运动方案的选择923X进给方向的设计11231工作台的基本参数11232滚珠丝杠支撑方式的选择14233滚珠丝杠的选择14234轴承的选择与安装21235滚动直线导轨选择23236伺服电动机的选择25237联轴器的选择28238工作台防护罩的选择29239螺栓的强度校核3024伺服电动机的选择322013南京林业大学毕业设计论文V第3章机床床身、壳体设计3331A轴的壳体设计3432机床床身总体装配设计36第4章激光机床开放式数控系统控制3941开放式数控系统的内涵3942开放式数控系统的主要结构形式4043激光机床硬件结构设计41第5章机床技术经济性分析46第6章毕业设计总结47参考文献492013南京林业大学毕业设计论文1第1章绪论11激光加工技术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、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。111激光加工先进生产系统先进制造技术是以提高中和效益为目的，以人为本，以计算机技术作为支柱，综合的应用信息、材料、能量、环境等高新技术以及现代系统管理技术，研究并优化传统制造过程作用于产品整个寿命周期的所有适用技术的总称。由定义看出，先进制造技术有如下特点1）先进制造技术是一门动态技术。2）先进制造技术目的明确，是提高制造业的综合效益，赢得激烈的国际市场的有利竞争力。3先进制造技术是靠新手段对传统制造技术进行改造、充实。特别是利用先进的制造技术研究传统工艺的形成原理，建立了数学模型，进行的传统工艺方法的优化。2013南京林业大学毕业设计论文2112激光加工智能化激光加工和数控技术的融合，机器人的技术和人工的智能的引入，这些高新技术的交叉和相互作用，让激光加工先进生产系统具备智能制造的特点。工业激光的系统工艺参数的计算机数字控制，机器人在数控系统的控制下实现了机械执行系统的功能，完成了激光加工过程中必须要求的激光光束与被加工工件之间的相对运动，人工智能的模式识别技术与机器人数控技术的结合使机器人智能化与激光数控的集成实现了激光加工系统的智能控制。113激光加工柔性化柔性制造系统（FMS）是当今制造领域速度发展和利用的高新技术之一。经过了30多年的发展，已经进入了完全实用化阶段。它的问世，克服了传统刚性自动化生产线只能适用大量生产的局限性，展示了对中小批量、多品种生产适应性，提高制造过程中的柔性和质量，提高了设备的利用效率，缩短了产品的周期等等优点。本着柔性制造系统的特点和要求，对计算机数控系统的选择可以有传统形式的CNC系统（如西门子、法纳克数控系统），也可以采用PC运动控制单元结构的开放式数控系统。后者在功能上实现了用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化、内置高性能PLC及多媒体技术集成，体系结构上的集成化。因此，对于激光加工机床的控制系统，我们可以选择开放式数控系统。2013南京林业大学毕业设计论文312激光加工的发展121激光概念激光理论基础起源于大物理学家爱因斯坦，1917年爱因斯坦提出一套全新的技术理论光与物质相互作用。这个理论是说在组成物质的原子中，有许多不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，就会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时就将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在这种状态下，就能出现一个弱光激发出一个强光的现象。就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。受到激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程。当这一电磁波照射物质时，该物质分子和原子与电磁波发生相互作用，结果，物质吸收或者发射电磁波，形成了光的吸收和辐射，受到激辐射产生的能级跃迁和粒子数反转形成了激光。1964年按照我国著名的科学家钱学森建议将“辐射的受激发射光放大”改称“激光”；把那些光受激发射称为“激光器”，把激光给出了一个确切的定义。122激光技术的发展历程1958年，美国科学家肖洛（SCHAWLOW）和唐思（TOWNES）发现一种神奇的现象他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体分子会发出鲜艳的、始终会聚强光。根据这现象，他们提出“激光原理“，就是物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，就会产生这种不发散的强光激光。他们发表了重要论文，从而获得1964年的诺贝尔物理学奖。1960年5月15日，美国加利福尼亚州大学休斯实验室的科学家梅曼宣布获得波长为06943微米的激光，是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼博士也因而成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。2013南京林业大学毕业设计论文41960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，梅曼的方案是，利用高强闪光灯管，来照射红宝石。因为红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到辐射时，会发出一种红光。在一块表面镀反光镜的红宝石表面钻一个孔，让红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使它达到比太阳表面还高的温度。前苏联科学家尼古拉巴索夫在1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常P层、N层和形成双异质结的有源层构成。特点是尺寸小、P合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。看来，作为20世纪科学技术发展主要标志与现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到了世界先进国家的高度重视。激光加工是国内外激光应用中的最大的项目，是对传统产业改造的重要手段，激光技术应用范围非常广泛，激光加工技术有广阔发展前景。123激光加工技术的发展趋势激光加工是国外激光应用中最大项目，是对传统产业改造的重要手段，主要是KW级到10KW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现了对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等功能。激光加工应用到了领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到了70和20，表面处理了则不到10。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50）和切割（15）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到7080。我国激光加工中以切割为主占10，其中98以上CO2激光器，功率在15KW2KW范围，以2013南京林业大学毕业设计论文5热处理为主的约占15，多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这技术的经济性和社会效益都很高，有很大的市场前景。在汽车工业，激光加工技术充分发挥其先进、快速、灵活地加工特点。在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省样板及工装设备，大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料以及复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而且不产生破损；激光焊接在汽车工业已成为标准工艺，日本TOYOTA将激光用于车身面板的焊接，把不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行了冲压。然而激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但是在汽车工业中仍应用广泛，比如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出了激光快速成形技术。这项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出了金属模具。到80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥越来越大的作用。认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。存在的主要问题是科研成果转化为商品能力差，许多有市场前景成果停留在实验室的样机阶段；“十五”主要工作是促进激光加工产业的发展，保持了激光器年产值20的平均增长率，实现了年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术上，重点完成了电子、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；是为信息、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。主要研究内容（1）激光加工用大功率CO2和固体激光器及准分子激光器的引进机型研究，提2013南京林业大学毕业设计论文6高了国产机水平；同时开发和研制专用的配套的激光加工机床，提高了激光器产品在生产线上稳定运行的周期，力争在国内建立较全面的加工用激光器生产基地。（2）建立激光加工设备的参数的检测手段，并进行了方法研究。（3）激光切割技术的研究。对现有的激光切割系统进行了二次开发和产业化，提供性能好的、价格便宜的23轴数控CO2切割机，并开展了相应的切割工艺的研究，使得该工艺广泛用于材料加工、汽车、航天及造船等领域。“集成化激光智能制造及柔性加工系统”是我国自行研制开发成功的具有自主知识产权首套高度集成化、功能跨度大、创新程度高的智能化、柔性化激光加工的制造系统。与国际同类型集成化系统相比，该技术装备系统集约度高，性能价格比优异，加工精度高，应用范围广，并具有自主开发和功能拓展能力，中/英文控制操作平台系统更加适用于中国的工业用户。技术性能指标达到国际同类系统先进水平，在机械、电子、航空、医疗等领域具有广阔的应用前景。该装备系统已应用于上海大众汽车有限公司（汽车冲压模具激光强化技术及装备）、北方发动机研究所（激光热负荷实验及激光焊接/切割系统）和军工某厂（激光焊接系统）。123激光加工技术的分类随着激光加工技术的不断的发展，激光加工整机性能逐渐提高。激光加工技术已经和计算机技术、检测技术、自动化技术等紧密结合起来，激光加工机的自动化程度不断的提高，检测手段的日趋完备并建立了多条激光加工生产线。激光加工技术应用的越来越广，加工形式的多种多样，从其本质来讲，激光加工实质是激光与2013南京林业大学毕业设计论文7材料（包括金属和非金属）的相互作用，这个观点出发，我们把激光加工分为了以下各种类型1激光表面工程。激光表面工程包括激光改性、激光强化、激光涂覆、激光合金化和激光清除。2激光材料去除。目前，在生产中常用的激光材料去除过程有激光烧蚀、激光打孔、激光切割和激光雕刻等技术。13选题目的及意义20世纪以光科学与工程技术研究为基础的发展项目，已经在世界范围内为人类发展做出了巨大的贡献。21世纪光电子技术进一步发展，激光技术成为世界各国竞争的焦点之一。随着20世纪工业革命的快速发展，工业技术给人类带来发展同时也带来了污染。我们现在面临着环境的污染、生态的破坏和资源短缺等危机，新的技术必须得到发展，尽早的取代旧的技术，推广无污染、低消耗的绿色制造技术。随着资源紧缺以及科技进步，随之孕育而生的激光加工机床势必也会得到广泛应用。为适应科技及社会的发展需要，激光技术早晚会得到普及，本次毕业设计我将对激光技术和机床有关知识进行学习，运用机电一体化系统的设计基本理论知识设计一台4轴激光加工机床。数控激光加工机床是激光束高亮度高功率、高方向性特性一种技术应用。其基本原理是把具有足够功率或能量激光束聚焦焦点光斑直径可小于001MM后，照射到材料适当部位，材料接受了激光照射能量后，在1011S内便会开始将光能转2013南京林业大学毕业设计论文8变为了热能，被照的部位迅速升温。激光焊接是用激光作为热源对材料进行加热，使材料熔化而联接的工艺方法。激光可对高熔点材料进行焊接，不仅能焊接同种材料，而且可以焊接不同的材料，甚至还可以焊接金属与非金属材料。数控激光加工的机床X，Y，Z坐标的驱动，同样采用了DCAC伺服电机，滚珠丝杠螺母副，滚动导轨等等。只是这里的工件较轻，“切割”负载比较小，进给速度一般也可接近开苏进给速度。数控激光加工的机床的工作原理与两坐标的数控（轮廓）铣床，数控冲床（点位）很相似。2013南京林业大学毕业设计论文9第2章直线进给工作台设计方案的拟定与论证21设计内容通过对激光加工机床基本结构的掌握以及对数控技术基本原理方面的了解、电气系统基本原理和伺服系统基本原理了解，综合所得的调查资料，确定了激光加工机床总体设计方案，并完成了直线进给部分（X轴、Y轴、Z轴）、旋转轴（A轴）部件以及机床总体的装配设计。22工作台进给运动方案的选择在数控机床的运动里，主运动和伺服进给运动是机床的基本成形运动。机床执行件比如主轴、工作台或刀架是通过各种形式的机床传动装置，按照事先编好的程序获得了相应的运动，因此，传动装置的结构与性能直接关系数控机床工作质量。总体来说，数控机床的结构较普通机床相对简单，但是精度要求更高；但是主轴的结构则相对复杂。数控机床进给传动是通过伺服进给传动系统实现。这个系统是由电气伺服系统和机械传动装置两部分构成的。进给运动是靠数字控制直接对象，无论点位控制还是连续的控制，被加工的工件最终坐标精度和轮廓精度都受到了进给运动的传动精度、灵敏度以及稳定性等的影响。因此，对进给传动的要求如下传动精度高与定位精度进给调速范围宽响应速度快2013南京林业大学毕业设计论文10数控机床常用传动系统一般由减速装置、丝杠螺母副、预加载双齿轮齿条机构及静压蜗轮蜗杆机构等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支撑部件、旋转支撑部件、轴系及架体等机组成。这种传动方式工作可靠，但是相对于数控机床来说，它的传动精度和响应速度都不能够很好达到要求，另外，本次设计数控机床的进给运动轴间距比较大，采用了齿轮传动，就会使结构变得复杂，而且精度降低了；虽然这个装置结构较复杂，成本偏高，但是本次设计的数控机床属于精密的数控机床，所以选择滚珠丝杠螺母副作为它的进给传动装置。数控机床进给传动系统的机械传动装置常用有两种组成方案，如图21所示。图21机械进给传动方案图中，方案A采用负载能力强的伺服电动机，通过联轴器能够直接连接丝杠带动工作台进行运动，传动链短，刚度也大，传动精度比较高，是现代数控机床进给传动的主要形式。有的数控机床为了细化脉冲的当量，以便保证以及提高进给的精度；为了改变加在电机上的负载的扭矩，以实现和电动机输出转矩的最佳匹配时，可以采用带有减速或者齿轮传动的装置方案B。2013南京林业大学毕业设计论文11本次设计的激光加工的机床X、Y、Z方向的直线进给传动形式均采用方案A，就是采用了伺服电机直接驱动滚珠丝杠副运动。这种方案不但结构简单，有效的提高各轴组件传动的刚度。23X进给方向的设计231工作台的基本参数1工作台外形尺寸及重量估算根据设计要求轴类零件加工，满足径向尺寸200MM，轴向尺寸L500MM。X方向工作行程1200MM；估计X工作台外形尺寸长宽高1200MM800MM80MM；采用矩形（带型槽）工作台。结构如图22所示，2013南京林业大学毕业设计论文12图22X工作台结构简图2对X轴工作台进行强度校核根据X的工作台外形和结构特点，将它简化成了两端支撑的梁结构，如图23所示。根据材料力学里弯曲强度校核的知识，对X工作台进行了强度的校核，并确定其最终的外形尺寸。图23梁结构弯矩图2013南京林业大学毕业设计论文13根据弯曲强度公式（21）82MAXQLM22MAX01501580508QLMLLNMKNM式中，为工作台承载重量。L初步估计旋转轴A轴重约为300KG,工件重量约为200KG，取G10N/KG，则5000NQL最大弯曲压应力（22）62MAXAXMAXCBHMW式中，为铸铁的许用压应力。160CMP由公式22，可知，MAX6510MHBP式中，为工作台的宽度。80BM最大弯曲拉应力，（23）62MAXAXMAXTBHMW式中，为铸铁的许用拉应力。MPAT30根据公式23，可知，MAX61230MHBP2013南京林业大学毕业设计论文14式中，为工作台的宽度。80BM根据以上的强度分析，故取用H80,能够满足强度要求。232滚珠丝杠支撑方式的选择滚珠丝杠常用的支撑方式有三种（1）一端轴向的固定，一端自由（FO）常用在短丝杠和竖直安装的丝杠；（2）一端固定，一端简支FS，常用在较长的卧式安装丝杠；（3）两端固定FF常用在丝杠或高转速、被要求在高精度、高刚度的地方。这种方式丝杠可以预拉伸。图24常用支撑方式示意简图233滚珠丝杠的选择1滚珠丝杠的工作原理以及结构形式滚动螺旋传动也可以被称为滚珠丝杠副传动,它是在螺杆与螺母之间放入滚珠,当螺杆和螺母转动的时候，滚珠沿着螺旋滚道滚动。这样螺杆与螺母之间成为滚动的2013南京林业大学毕业设计论文15摩擦，提高传动效率和传动的精度。滚珠丝杠螺母副是回转运动和直线运动相互转换的新型传动装置，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接了起来，使得滚珠能作周而复始的循环运动。管道的两端还起着挡珠的作用，以防止滚珠从滚道掉出。滚珠丝杠副的传动效率高达8598，是普通的滑动丝杠副24倍。滚珠丝杠副摩擦角小于1，因此不会自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须要有制动装置。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么本质差别。可以消除反向间隙并施加预载，有助提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门的工厂制造。数控机床进给系统所使用滚珠丝杠一定要具有可靠的轴向间隙消除机构、合理安装结构和有效防护装置。滚珠丝杠能源消耗是普通丝杠2/3,因此可由小转矩获得高轴向负载。同时，还使直线运动转换成了回转运动。滚珠丝杠扭矩传递均匀、运动平稳，由于是点接触，静摩擦很小，不像普通的丝杠那样产生爬行。因此采用了这种丝杠能够实现精确、灵敏的运动，通过调节两螺母之间的距离可以精确控制预载荷，而利用了预载荷，很容易获得高平稳性。滚珠丝杠的滚动表面是经过淬火的控制和调质，具有很高的耐磨性，初始硬度可长期保持，而且没有明显的磨损。2滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副除了对本身单一方向传动精度有要求以外，对它的轴向间隙也是有要求的，为了保证其反向传动精度。滚珠丝杠副轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引发的螺母位移和螺母原有的间隙总和。通常采用了双螺母2013南京林业大学毕业设计论文16预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高了滚珠丝杠副的精度。根据所设计机床的重复精度2002005005005005006610152061258金属型7070707015015015015045625352）机械加工工艺性在设计箱体的时候，要注意机械加工工艺性要求，尽可能的减少加工面积和刀具的调整次数，加工表面和非加工表面的时候必须严格区分开等等。综上所述，由于是非主要设计的内容，在此仅初步确定了各工作台的结构以及基本尺寸，仅供参考。2013南京林业大学毕业设计论文3531A轴的壳体设计A轴是一个既可以沿X轴向进行的旋转，又可以沿Y轴向进行转动可倾式回转工作台，具体结构形式是依照烟台机械厂生产的可倾式回转工作台和参考文献740有关机床床身的设计结构选择相关要求和铸件的壁厚的要求（表41），并且要保证X工作台之间的配合关系，确定了该床身的最终结构，详见A轴设计图。主要结构参数长宽高450MM600MM490MM。图42A轴的壳体结构设计中应注意的几个地方2013南京林业大学毕业设计论文36（1）轴承座应该有足够的壁厚当轴承座孔采用凸缘式轴承端盖的时候，因为安装轴承盖螺钉的需要，所确定的轴承座壁厚应该有足够的壁厚。（2）采用了凸壁式箱体结构来提高轴承座的刚度（3）手摇机构箱体和回转机构箱体连接处，要考虑密封。对于接合面的几何精度和表面粗糙度应该有一定要求。一般是要精刨到表面粗糙度值小于，重MRA61要的还需刮研（如结构处）。32机床床身总体装配设计所设计的激光加工机床的总体结构借鉴了立式摇臂钻床的结构特点，并结合自身的结构要求，设计了如下结构，图45所示。图43总体装配结构旋转轴A轴X轴激光器Y轴Z轴2013南京林业大学毕业设计论文37主要结构参数长宽高2740MM1750MM2565MM。机床的总体高度的选择是本着人站立的时候，不和Y方向工作台发生碰撞的原则下所确定的是；在设计承载Y和Z的方向工作台横梁结构时，考虑到利用悬臂梁的结构的特点，在支撑根部采取了增加尺寸结构，以保证承载的平稳牢固；为了配合Z方向的最大行程的要求，在X的方向工作台床身的下方加了一个支撑座箱体，同时，X的方向工作台应该安放在Y方向工作台大约中心偏右的位置，为了防止X方向工作台在移动的过程中与支撑柱体发生碰撞。一般情况是采用毛毡圈对螺母进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的23倍，而且内孔做成了螺纹的形状，使之紧密包住丝杠，并装入了螺母或者套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡圈，还采用了耐油橡皮或者尼龙材料。为了避免和这种摩擦阻力矩，还可以采用靠较硬质塑料制成的非接触式迷宫圈的密封，内孔做成了与丝杠螺纹滚道相反形状，并留有了一定的间隙。因为本次设计的机床，负荷不能太大，而且依据机床结构的特点，以及加工材料怕油特点，我们决定使用润滑脂进行轴承的润滑。因为润滑脂比润滑油稠得多，油脂强度较高，能承受较大载荷，而且不容易流失、密封装置较简单、一次加脂可以用较长时间，不必添加或者更换，所以润滑脂的应用也是非常广泛的。对于X、Y、Z工作台各丝杠上轴承的润滑，因为考虑到了换脂期的缩短，所以应该选用粘附性能较好，稠度较大，具有良好的机械安定性油脂。而对于旋转工作台A的润滑的措施，则要保证两对蜗杆传动的润滑方式相同，防止因为一个用脂润滑，一个用油润滑，而使得两种不同的润滑介质互融。2013南京林业大学毕业设计论文38为使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境，轴承必须具有适当密封装置，以防止润滑剂的流失和灰尘、水气或者其它污物进入了轴承。2013南京林业大学毕业设计论文39第4章激光机床开放式数控系统控制41开放式数控系统的内涵开放式的数控系统的设计目的是要建立一个开放式体系结构，使系统构筑于一个开放平台之上，具有模块化的组织结构。组成系统的各功能模块可以来源于不同供应商并且相互兼容，用户可以根据需要可进行选配和集成，更改或者扩展系统的功能以迅速适应不一样的应用需求。开放式数控系统具有以下特征1可互操作性通过提供标准化的接口、通信的协议和交互的机制，使不同的功能模块能以标准应用程序接口运行在系统平台之上，并获得平等相互操作、相互之间协调工作的能力。2可移植性系统功能软件和设备无关，就是应用了统一的数据格式、交互的模型和控制的机理，通过一致设备接口，使得各功能模块能运行在不同供应商提供的软硬件平台上。以PC微机为基础的开放式CNC系统，借助WINDOWS软件开发平台，让开发工作量大大减少，从而很容易实现多轴、多通道控制，具有实时三维实体图形显示和自动编程等功能。这类开放式数控系统可以实现三种不同层次的开放以及利用1CNC可直接或通过网络运行各种软件包括刀具轨迹检验软件、工厂管理软件、通讯软件和多媒体软件均可运行在控制器上，这大大改善了CNC的图形显示、动态仿2013南京林业大学毕业设计论文40真、编程和诊断功能。2用户可以根据开放的用户操作界面灵活定制适用于特殊操作要求和操作步骤的界面，使其具有自身的特色且更加友好。42开放式数控系统的主要结构形式目前,国内外所开发的开放式数控系统主要是以下三种结构形式1专用CNCPC型就是在传统的非开放式的专用数控系统中嵌入PC主板，使得整个系统可以共享一些计算机软硬件资源，PC完成部分系统管理等非实时控制任务，从而实现辅助编程、分析、监控和编排工艺等功能，CNC部分负责完成插补计算、伺服控制以及UO控制等一些需要实时控制的任务。这种结构形式的数控系统其开放性只是在PC部分，它的专业数控部分仍处于封闭状态，不能实现NC内核的开放，此类结构形式只能为一般为主流数控系统厂商所采用。2PC运动控制单元型这种基于开放式运动控制单元的系统结构是基于通用微机为平台，通过标准插件形式的开放式运动控制单元为控制核心。PC机实现数控程序编辑、人机界面管理、外部通讯等功能，运动控制单元负责机床的运动控制和逻辑控制。这种运动控制单元是通过美国DELTATAU公司PMAC2APC/104运动控制卡多轴运动单元PROGRAMMABLEMULTIAXESCONTROLLER从而作为典型代表，它拥有自身CPU，同时又有开放包括通信端口、存储结构在内的大部分地址空间，具有灵活性好、性能稳定、可共享计算机所有资源等特点，此类结构形式的开放式数控系统被许多熟悉计算机应用研究的单位所采用，特别是一些高校以及一些研究所。而且本次所用的控制系统就是此种类型。2013南京林业大学毕业设计论文413纯PC型就是全软件形式的PC机数控系统，因为存在着操作系统的实时性、标准统一性以及系统稳定性等等问题，目前这类系统还是处于探索的阶段，还未能作为产品，可是它代表了数控系统的发展方向。该模式开放性的数控系统实现了人机接口的完全开放和系统内核的部分等开放的功能，用户可以按照一定的规范将自己特有的软硬件功能模块加到预留的内核接口上，符合系统开发商以及机床制造商的要求。43激光机床硬件结构设计可编程的多轴运动控制单元是新世纪的控制器典范，功能强大，能满足实时和多轴控制的要求，具有较快的运算速度和较强的处理能力，能够实现两个级别的开放度1人机接口和非实时控制部件的定制和参数化；2实时控制部件的参数化。因而，本课题采用伺服运动控制单元和PC微机作为系统基本硬件平台，从而对螺纹车床数控系统进行开发。本次毕业设计课题所应用的数控系统采用的是“PC伺服运动控制单元”的硬件结构形式，其硬件结构框图如图61所示。通过ISA标准总线将伺服运动控制单元嵌入PC机。由图51可见，基于PMAC的开放式激光数控系统硬件部分主要由PC机、PMAC伺服运动控制器、双端口RAM、通用数字I/O功能模块、控制面板MCP功能模块和伺服运动控制模块等组成。下面对激光机床控制系统的各功能模块分别予以介绍。如图61所示，2013南京林业大学毕业设计论文42图61数控系统硬件结构图1PC机PC微机完备的软硬件环境是本系统开发的基础，其固有的CPU,BIOS、存储器、串/并行口、中断控制器以及标准扩展槽等硬件设备为系统提供了良好的开发平台，使得系统设计开发任务标准化、简单化。在功能上，PC微机主要负责完成系统管理等非实时控制任务，而PMAC则充分利用自身高速运算特性和强大的处理能力集中完成实时控制任务，从而满足了本数控系统多轴、高精度的数控控制要求。2PMAC伺服运动控制单元它采用了MOTOROLA56000系列DSP器作为它自己的CPU，通过专门的PROMRAMEAROM和IC门阵列电路组成，它硬件原理如图62。全部控制部件完成控制系统所需要的并行通讯、程序译码解释、插补计算、伺服控制等适用于机床的功能，完成信号、伺服状态以及其它可配置的输入输出等功能。其中并行通讯部分的主要任务是接收主机发来的各种控制指令和将伺服电机的各种运2013南京林业大学毕业设计论文43行状态、位置信息等返回给主机主要由PMAC内部的8259PIC，通过ISA总线与主机IRQ相淘来管理各级中断，实现任务的处理。图62PMAC硬件原理图在伺服运动过程中，PMAC伺服运动控制单元可接收05V的数字正交编码器信号，所有DSPGATEICDSP门可联接4个编码器，PMAC利用DAC模拟输出实现对伺服运动的控制，所以PMAC配备了伺服信号转接板来实现与驱动器的联接，在本系统中就是为ACC8S。它利用扁平电缆与PMAC的JMACH口相连接除了提供高精度的模拟输出外，还可以实现增量编码器信号、等相关输入输出捕捉信号的输入以及电源的连接。PSPMACPROGRAMMABLEMULTIAXISCONTROLLER可编程多轴运动控制器，是美国DELTATAUDATASYSTEM公司于推出的PC机平台上的运动控制器,是一个完全开放系统。它采用了高性能信号数字处理器DSP5600作为CPU,是世界上功能最强大运动控制器之一。通过硅谷计算机硬盘超高精度伺服磁道写入，再到高级CNC机械控制，以及机器人、硅晶片处理、激光切割等广大领域，3通用数字I/O功能模块主要由地址译码电路、光藕以及输出端口驱动的电路等组成,与系统一起实现开关量信号输沁输出功能。2013南京林业大学毕业设计论文44因为有相应的PLC软硬件功能模块的支持，这功能模块主要是用来完成主轴和各伺服轴的起停、正反转以及其它一些动作信号输入并且输出控制，该地址译码电路主要是为了PLC检测和控制模块软件取址以及提供硬件基础，内置的光电隔离部分则能有效地将计算机的数字量通道和外部过程模拟量通道隔离起来，大大减少了外部因素的干扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。4双端口存储器这存储器是一种新型存储器，具有两组但又是个独立的数据总线、地址总线和控制总线这3条总线，每一个端口都可独立地对同一存储单元进行读写操作。所以，利用双端口RAM就能大大地提高数控系统的响应能力和加工精度，与此同时也方便了用户的编程和开发。5控制面板功能模块本系统控制面板全部是由自己设计，委托别人加工，自己组装起来的，利用3根25芯的信号电缆与系统I/O功能模块ACC34A联接，再由PLC控制，完成系统的输入输出控制功能，控制面板主要分布冷却、润滑、JOG/增量、AUTO、回参考点、启动、停止、主轴/进给轴倍率、急停等一系列功能键。6伺服运动模块伺服运动这个模块保证控制系统能与机床电气侧等相关部件协调工作，该系统XZ两根伺服轴采用日本安川永磁同步交流伺服驱动器驱动和配套的交流伺服电机这个技术来执行，主轴电机采用的是双速交流异步电动机。因为交流伺服驱动器本身是一个DSP和门阵列控制系统，所以可以单独完成位置、速度信息的处理以及故障诊断等等功能一整套的交流伺服系统工作时，通过PMAC伺服运动控制单元提供控制指令雌置控制脉冲，驱动器接收了指令后，该控制电机运转。2013南京林业大学毕业设计论文45第5章机床技术经济性分析该激光加工机床和普通数控加工机床相比较，有如下的4个主要优点（1）激光加工机床是靠激光这种特殊介质对工件进行切割、熔覆和焊接等一系列流程，所以这个加工技术是一种无须接触、没有磨损、低噪音、节省被加工材料的绿色加工的技术。但是相对应的普通数控加工系统，因为是要切削加工，所以加工过程中的切削和切削液等废弃物都会对周围环境造成污染。普通数控机床经过长时间的使用，刀具磨损也是相当严重的一个问题；激光加工仅对气体有一定的要求。相较之下，激光加工机床的损耗就远远小于普通的数控机床。（2）激光加工机床的结构设计相对简单，例如本次设计的机床，直线进给机构均采用与伺服电机直联的形式，而且使用滚珠丝杠副进行传动，传动效率也高，大大得降低了机床的生产成本。普通的数控机床设计相对复杂，根据对一般数控机床的设计要求，不仅要有丝杠传动副，还要有减速装置、各种换刀装置，这不仅使得了机床的生产成本变多，也加重了机床的维护等的工作量。（3）现有的激光加工技术可以实现焊接、切割和熔覆等等用途，对工件进行再利用，从而节省了加工材料，并且加工工艺性好，加工精度高，加工质量也好。综上所述，激光加工机床采用可运动控制单元的机床结构更简单实用，加工也更为灵活多样，加工质量也高，不但可以实现金属快速成型，降低生产的成本。在现在这个科技高度