300X400數(shù)控激光切割機(jī)設(shè)計(jì)
激光被譽(yù)為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問世就引起了材料科學(xué)家的高度重視。1971年11月，美國通用汽車公司率先使用一臺(tái)250W CO2激光器進(jìn)行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗(yàn)研究，并于1974年成功地完成了汽車轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)表面（可鍛鑄鐵材質(zhì)）激光淬火工藝研究，淬硬部位的耐磨性能比未處理之前提高了10倍。這是激光表面改性技術(shù)的首次工業(yè)應(yīng)用。多年以來，世界各國投入了大量資金和人力進(jìn)行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對材料學(xué)的研究，促使激光加工得到了飛速發(fā)展，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如今在中國，激光技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用，并且正逐步實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國家也將其列為“九五”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目之一。“十五”的主要工作是促進(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值20％的平均增長率，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值200億元以上；在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加工技術(shù)，重點(diǎn)完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行改造的示范工程；為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器。數(shù)控化和綜合化把激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動(dòng)化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。
1.2現(xiàn)實(shí)意義
激光切割機(jī)是光、機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，激光切割機(jī)的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低產(chǎn)品成本，減輕工人負(fù)擔(dān)，對制造業(yè)來說，可以說是一場技術(shù)革命。激光切割的適用對象主要是難切割材料，如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件。激光切割技術(shù)、激光切割機(jī)床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。因此研究和設(shè)計(jì)數(shù)控激光切割有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。微機(jī)控制技術(shù)正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。
1.3設(shè)計(jì)任務(wù)
本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)單片機(jī)（89C51主控芯片）控制激光切割機(jī)床，主要設(shè)計(jì)對象是XY工作臺(tái)部件及89C51單片機(jī)控制原理圖。而對激光切割機(jī)其他部件如冷水機(jī)、激光器等不作為設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，只作一般了解。單片機(jī)對XY工作臺(tái)的縱、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.001mm/ pluse。工作臺(tái)部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)、工作臺(tái)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。
1.4總體設(shè)計(jì)方案分析
參考數(shù)控激光切割機(jī)的有關(guān)技術(shù)資料，確定總體方案如下：采用89C51主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。
2 機(jī)械部分XY工作臺(tái)及Z軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
激光切割機(jī)對Z軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時(shí)檢測和控制切割表面的不平度，通過伺服電機(jī)和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點(diǎn)在切割板材的表面位置。由于激光焦點(diǎn)至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量，因此，要求Z軸的檢測精度高于0.010mm：同時(shí)，隨動(dòng)速度應(yīng)大于5m/min。隨動(dòng)速度太快會(huì)造成切割頭上下震蕩，太慢又造成切割頭跟不上的現(xiàn)象。目前。對加工板材的檢測主要有電容、電感、電阻、激光、紅外等幾種方式。電感式和電阻式屬于傳感器，激光、紅外及電容式屬于非接觸式傳感器。電容式傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測過程中不發(fā)生摩擦阻力，最適于金屬板材和高速切割加工，而激光和紅外位移傳感器對加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場合的切割加工(如強(qiáng)磁場、強(qiáng)干擾環(huán)境)。所以在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)注意檢測精度和對切割材料的適應(yīng)性，同時(shí)安裝時(shí)還需要注意采取抗干擾措施。
割頭具有多種先進(jìn)的智能和附加功能，如自動(dòng)調(diào)整激光噴嘴距離、自動(dòng)清潔噴嘴、同軸噴水機(jī)構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動(dòng)、切割嘴擺動(dòng)等。這些功能機(jī)構(gòu)的增加,不可避免地增加了切割頭的重量，成切割頭的動(dòng)態(tài)性能不好,隨動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來說，普通數(shù)控激光切割機(jī)Z軸拖動(dòng)重量在5kg以上時(shí)，應(yīng)采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機(jī)的Z軸拖動(dòng)重量在2kg以上就必須施加重力平衡設(shè)施，特別是在高速飛行光路設(shè)計(jì)中,這一點(diǎn)尤為重要。目前Z軸上的重力平衡設(shè)施使用較多的是采用氣缸托動(dòng)方式(圖2.1)。該方式重量輕、體積小、易安裝，還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡力。
6傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的分析
激光切割機(jī)XY工作臺(tái)其實(shí)為一進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度可根據(jù)不出現(xiàn)摩擦自振或保證微量進(jìn)給靈敏度的條件來確定。
結(jié) 論
通過對數(shù)控激光切割機(jī)的整體設(shè)計(jì)，確定了一臺(tái)合理的立式機(jī)床結(jié)構(gòu)。
1、根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)出了一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的XY軸工作臺(tái)，同時(shí)對工作臺(tái)進(jìn)行了受力分析、設(shè)計(jì)計(jì)算，對滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率、強(qiáng)度等也進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算，對直線滾動(dòng)導(dǎo)軌如何選型進(jìn)行了深度分析，確定步進(jìn)電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了慣性負(fù)載計(jì)算、剛度討論等，分別來驗(yàn)證了其合理性。
2、利用單片機(jī)（本設(shè)計(jì)采用了89C51為主控芯片），設(shè)計(jì)出了一個(gè)比較合理的數(shù)控硬件電路與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相匹配的數(shù)控軟件連接，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)XYZ方向的運(yùn)動(dòng)。
3、在設(shè)計(jì)中對機(jī)床數(shù)控部分的`I/O進(jìn)行了擴(kuò)展，并對鍵盤和顯示器進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，對程序進(jìn)行了初始化。
4、基本完成了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)，按此設(shè)計(jì)的切割機(jī)可以滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。
經(jīng)過3個(gè)月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有指導(dǎo)教師的督促指導(dǎo)以及同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。
我要感謝所有的老師，為我們打下機(jī)械專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。
最后無錫交通學(xué)校對我的栽培。
參 考 文獻(xiàn)
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