激光切割机机械机构部分设计

激光切割机机械机构部分设计概述激光切割机利用激光发射器产生的高功率密度的激光束，经过光路系统的聚焦，实现快速切割工件的技术。相比传统的机械刀，激光切割加工技术具有精度高、切割速度快、不受图形限制、节省材料、切口平滑、加工成本低等优点，已逐渐取代传统的切割设备。1.1激光技术历史激光技术的历史可以追溯到20世纪50年代，当时激光被认为是一种“光的放大器”，但随着技术的不断发展，激光被应用于各种领域，包括激光切割加工技术。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。2激光切割机的优点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，不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。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。3应用领域激光切割机主要用于工艺品、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、面料等领域。可以看出，激光切割机的应用范围非常广泛，可以满足不同领域的加工需求。关键词：激光发射器、精度高、高密度激光束、自主创新。1.2激光切割技术的应用激光切割技术是一种高精度、高效率的切割方法，被广泛应用于金属加工、电子制造、汽车制造等领域。其优点包括切割速度快、精度高、切割面平整、无需切割工具等。1.3设计任务本文旨在设计一种基于激光切割技术的自动化切割系统，能够实现对金属板材的高精度切割。具体任务包括设计XY工作台和Z轴随动系统，以及滚珠丝杠传动系统的设计计算。1.4总体设计方案分析在设计过程中，我们考虑到激光切割技术的特点，采用了高精度的滚珠丝杠传动系统，以确保切割精度。同时，我们设计了XY工作台和Z轴随动系统，以实现对金属板材的三维切割。系统采用了自动化控制，能够实现高效、精准的切割。2机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计2.1XY工作台的设计XY工作台是本系统的核心部分，其设计需要考虑到切割精度、稳定性和速度等因素。我们采用了高精度的滚珠丝杠传动系统，以确保工作台的运动精度。同时，我们还加入了防抖动机构，以提高工作台的稳定性。最终，我们得到了一个运动平稳、精度高的XY工作台。2.2Z轴随动系统设计Z轴随动系统是用来控制激光头的上下运动，以实现对金属板材的切割深度控制。我们采用了高精度的直线导轨和滚珠丝杠传动系统，以确保Z轴的运动精度。同时，我们还加入了防抖动机构，以提高Z轴的稳定性。最终，我们得到了一个能够实现精确切割深度控制的Z轴随动系统。3滚珠丝杠传动系统的设计计算滚珠丝杠传动系统是本系统的核心部分，其设计需要考虑到传动精度和负载能力等因素。我们根据系统的负载要求和传动精度要求，选择了适当的滚珠丝杠型号，并进行了传动计算。最终，我们得到了一个能够满足系统要求的滚珠丝杠传动系统。3.1滚珠丝杠副导程的确定在机械设计中，滚珠丝杠副是常用的传动方式之一。在确定滚珠丝杠副的导程时，需要考虑到所需的负载、速度和精度等因素。根据实际需求，选择合适的滚珠丝杠副导程，可以有效提高机械设备的性能和效率。3.2滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率是指输入功率与输出功率之比。在实际应用中，滚珠丝杠副的传动效率受到多种因素的影响，如摩擦力、润滑方式、负载大小等。为了提高滚珠丝杠副的传动效率，可以采用合适的润滑方式、优化滚珠丝杠副的结构设计等措施。4直线滚动导轨的选型直线滚动导轨是机械设备中常用的导向元件，其主要作用是实现机械部件的直线运动。在选型时，需要考虑到负载、速度、精度等因素。根据实际需求，选择合适的直线滚动导轨，可以有效提高机械设备的运动精度和效率。5步进电机及其传动机构的确定5.1步进电机的选用步进电机是一种常用的电动机类型，其特点是精度高、速度可控、噪音低等。在选用步进电机时，需要考虑到所需的转速、扭矩、精度等因素。根据实际需求，选择合适的步进电机，可以有效提高机械设备的控制精度和运动效率。5.2步进电机惯性负载的计算步进电机在运动过程中，会受到惯性负载的影响。为了保证步进电机的正常运行，需要对其惯性负载进行计算。在计算过程中，需要考虑到负载的重量、转动惯量等因素。通过合理的惯性负载计算，可以有效提高步进电机的使用寿命和运动效率。6齿轮传动机构的确定齿轮传动机构是机械设备中常用的传动方式之一，其主要作用是实现机械部件的转动。在确定齿轮传动机构时，需要考虑到所需的转速、扭矩、精度等因素。根据实际需求，选择合适的齿轮传动机构，可以有效提高机械设备的转动精度和效率。6.1传动比的确定传动比是指驱动轴和从动轴的转速比值，通常用i表示。传动比的确定需要考虑驱动轴和从动轴的转速、扭矩以及传动效率等因素。在确定传动比时，还需要考虑实际应用中的工作条件和要求。6.2齿轮结构主要参数的确定齿轮结构主要参数包括模数、齿数、齿轮宽度等。模数是指齿轮齿数与其分布圆直径的比值。齿数和齿轮宽度的确定需要考虑传动的扭矩和转速、齿轮的材料和制造工艺等因素。在确定齿轮结构主要参数时，还需要考虑齿轮的强度和耐磨性等因素。8消隙方法与预紧齿轮传动中存在着一定的隙度，为了提高传动的精度和稳定性，需要采取消隙方法和预紧措施。消隙方法包括调整齿轮的啮合间隙、采用弹性元件等。预紧措施包括采用弹簧垫片、调整轴承间隙等。消隙方法和预紧措施的选择需要根据具体的传动要求和工作条件进行。9安装和常见问题的调整齿轮传动的安装需要注意以下几点：正确安装齿轮、保证齿轮轴线的精度、保证齿轮啮合的正确性、保证齿轮的润滑等。在使用过程中，可能会出现齿轮磨损、啮合不良、噪声过大等常见问题，需要及时进行调整和维护。总结齿轮传动是一种常见的机械传动方式，具有传递大扭矩、高效率、稳定性好等优点。在设计和应用齿轮传动时，需要考虑传动比、齿轮结构主要参数、消隙方法和预紧措施等因素。同时，在安装和使用过程中，需要注意各种细节问题，及时进行调整和维护，以确保传动的正常运行。致谢感谢所有参与本文的专家和同事们对本文的支持和帮助。本文介绍了激光切割机的发展历史和现状，并设计了具有自主知识产权的激光切割机。首先设计了底部工作台，可实现两轴联动，然后在其基础上设计了Y方向的工作台和随动部件。由于涉及精度较高，部件配合和预警成为本次设计的关键部分。总体机械机构由各个部分组装而成。经过本次设计，机床的改装和设备更新换代留有足够的空间。在Y轴方向和随动部件上采用了新思路，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的一次创新。1.概述1.1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，自问世以来，一直备受材料科学家的重视。1971年，美国通用汽车公司率先使用一台250WCO2激光器进行激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究。1974年，他们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。目前，“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。同时，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。此外，还为信息、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。激光加工发展的趋势是将激光器与计算机数控技术、光学系统和工件定位相结合，形成研制和生产加工中心。这种数控化和综合化已成为激光加工的一个重要方向。激光切割是一种先进的加工方法，用聚焦镜将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。随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展，激光切割已成为工业上板材切割的主要方法。激光切割机是一种高度集成的设备，科技含量高，加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料利用率，降低产品成本，减轻工人负担。对制造业来说，激光切割机可以说是一场技术革命。激光切割技术适用于难切割材料，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。各种切割下料方法都有其缺点，在工业生产中有一定的适用范围。为了改善和提高火焰切割的切口质量，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。激光切割机是一种高度集成的光、机、电一体化设备，科技含量高。与传统机加工相比，激光切割机具有更高的加工精度和柔性，有利于提高材料利用率，降低产品成本，减轻工人负担。对制造业来说，激光切割机是一场技术革命。激光切割技术主要适用于难以切割的材料，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。激光切割技术和激光切割机床在各行各业中得到广泛应用。因此，研究和设计数控激光切割机具有很强的现实意义，微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。本次设计任务是设计一台数控激光切割机床，主要设计对象是XY工作台部件及Z立柱。激光切割机的其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作一般了解。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案。采用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。润滑剂的选择要考虑传动件的传动特点、载荷性质和运转速度。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。XY工作台的设计参数包括工作台行程、最大尺寸、最大承载重量、脉冲当量、进给速度、表面粗糙度和设计寿命。XY工作台部件进给系统在加工过程中没有外力负载作用，因此可以认为切削力为零。根据公式Tq=360×0.16×0.0001/(3.6×0.85×0.4)=0.4N·m，得出步进电机的最大静转矩为0.4N·m。由于电机为五相运行，因此Tq/TJM=0.866，最大静转矩TJM=Tq/0.866=0.46N·m。根据有关数控激光切割机床的资料，步进电机的最高工作频率不超过1000Hz。参考样本，选取M56853S型步进电机，该电机的最大静止转矩为0.8N·m，转动惯量为235g/cm2。惯性负载可以通过公式JD=J+J1+(Z1/Z2)(J2+J3)+J4(Vm/ωD)2×mn（5.6）进行计算。已知J0＝忽略不计，mn=112.5Kg，J1=0.1×10-3Kg.m2，J2=1.32×10-3Kg.m2，J3=2.98×10-4Kg.m2，J4=1.14×10-5Kg.m2，Vm=12m/s，ωD=2πrad/s，计算得惯性负载JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J2＋J3）+J4(Vm/ωD)2×mn=17.3Kg.cm2，小于所选电机的转动惯量。为了实现脉冲当量lμm/STEP的设计要求，需要通过齿轮机构进行分度，传动比为i=0.36×4/360×0.001=4:1=Z2/Z1。根据结构要求，选用Z1为30，Z2为120。选择直齿齿轮，因为加工方便。模数选择：由于本工作台负载较轻，参考同类型机床后，我们选择了m＝1的齿轮传动来消除侧隙。中心距的计算：根据公式A=m×（Z1+Z2）（6.2），我们得到中心距为75mm。齿顶高为1mm，齿根高为125mm，齿宽为20mm。齿轮材料及热处理：小齿轮Z1采用40Cr材料，齿面进行高频淬火处理；大齿轮Z2采用45号钢材料，进行调质处理。消隙方法与预紧：数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在一定误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。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。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3，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：单支承形式和两端支承形式。本设计选用了两端支承形式中的“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。2.根据设计任务的要求，我们反复研究了设计方案的总体结构。考虑到激光切割机需要简单易用，我们提出了硬件和软件设备的设计方案，并对其进行了了解。同时，我们进行了机械部分的设计和选用，并进行了相应的计算和辅助设备分析，以实现机械部分的有效结合。15.致谢在此，我由衷感谢我的导师在毕业设计过程中对我的指导和教诲。从选题到最后的撰写和修改，他对我都给予了莫大的帮助。他渊博的学识、开阔的思维、严谨的态度和宝贵的修改意见都对我有很大的启发和帮助。在开始设计时，我对这个题目还一知半解。但是，我的导师带我了解了实验室的设备，对我的设计有了一定的启发。在后期的编写说明书过程中，我总是由于理论知识理解的有限遇到了很多困难。每次遇到这样的问题，我的导师都会耐心地给我讲解直到我理解为止。在此，我要感谢我的导师郭文松老师，我相信在设计中学到的那些专业知识和技术技能，对我以后的工作和生活都会有很大的帮助。在这次毕业设计中，我真正体会到了实践中理论知识的重要性。我还在实践中学到了书本上学不到的知识，锻炼了自己的实践能力，将实践与理论结合。再次感谢郭文松老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给予我的指导，从最初的定题到资料收集，再到写作、修改、论文定稿，郭老师都给予了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他甚至放弃了自己的休息时间。郭老师的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，我向他表示诚挚的谢意。同时，我还要感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给予我的指导和帮助。是他们教会了我不知道的知识，教会了我如何学习，教会了我如何克服困难。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步。在此，我向他们表示由衷的谢意，并祝愿所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！16.参考文献[1]高鸿奕.优化激光切割机[J].激光与光电子学进展,2000(03).[2]王实.激光切割机[J].激光杂志,1992(04).[3]张一丁.对大功率二氧化碳脉冲激光切割机切割性能的实验研究[J].大连轻工业学院学报,1997(03)。[4]胡惠芬（1997）在《造船技术》中探讨了数控激光切割机的发展现状和应用前景。该文指出，数控激光切割机具有高精度、高效率、高质量等优点，已经成为现代制造业中不可或缺的重要设备。未来，随着科技的不断进步，数控激光切割机将在更广泛的领域得到应用。[5]杨苏庆和周骥平（2007）在《机械制造与自动化》中讨论了激光切割板材的关键技术。该文指出，激光切割板材具有高精度、高速度、无毛刺等优点，但也存在着切割质量不稳定、切缝过宽等问题。为了解决这些问题，需要对激光切割机的参数进行精细调整，同时还需要对切割板材的材料和结构进行深入研究。[6]徐路宁和张永康（2005）在《制造技术与机床》中介绍了激光切割参数的获取及数据库的建立。该文指