數(shù)控激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)控激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)控激光切割機(jī)切割面不規(guī)則等問題，影響了切割效果。本文對數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行了總結(jié)，分析了典型數(shù)控激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了優(yōu)化，這對數(shù)控激光切割機(jī)的應(yīng)用具有重要意義。關(guān)鍵詞：機(jī)械化程度；數(shù)控激光切割機(jī)；高精度切割；優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品整體采用開放式懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使操作者可以從3個(gè)方向接近工作區(qū)域，方便機(jī)床操作。光路采用飛行式光路設(shè)計(jì)，工件不動(dòng)，激光焦點(diǎn)在加工區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，保證加工精度。集成化設(shè)計(jì)整機(jī)占地面積小，減少用戶的場地投入。數(shù)控激光切割機(jī)概述數(shù)控激光切割機(jī)主要是通過配置不同功率的光纖激光器對各種機(jī)械零件和金屬材料進(jìn)行切割、沖孔等精密加工作業(yè)。目前，在整個(gè)切削加工機(jī)械行業(yè)，激光切割和高精度加工方法占超過70%，相比之下，其他機(jī)械切削加工的數(shù)控激光切割方法有無可比擬的優(yōu)勢，如廣泛的適用性（適用于合金鋼、機(jī)械、陶瓷、有機(jī)玻璃材料），精度高，切割速度快，切割后切割孔徑小，熱影響區(qū)小等。然而，傳統(tǒng)數(shù)控激光切割機(jī)除了受外部因素的影響外，由于自身的設(shè)計(jì)缺陷也會(huì)在切割過程中出現(xiàn)切割噪聲、切割區(qū)域質(zhì)量差等故障。因此，對數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更適合工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的使用，顯得尤為重要。1.1數(shù)控激光切割機(jī)的分類數(shù)控激光切割機(jī)主要由切割機(jī)床、光纖激光器、數(shù)控系統(tǒng)、切割頭、工作臺、伺服系統(tǒng)等部件組成。因?yàn)樗菑V泛應(yīng)用于工業(yè)，所以每個(gè)行業(yè)數(shù)控激光切割機(jī)的使用需求是不一樣的，例如，汽車行業(yè)需要數(shù)控激光切割機(jī)不僅能夠有高速、可靠、精度等優(yōu)點(diǎn)，但也有高速喂養(yǎng)、去毛刺等功能；發(fā)電設(shè)備行業(yè)需要具有規(guī)模大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。然而，大多數(shù)行業(yè)對數(shù)控激光切割機(jī)都有以下幾個(gè)方面的要求：切割精度高、切割速度快、切割裂紋小、切割表面質(zhì)量高。因此，后續(xù)的設(shè)計(jì)主要圍繞這些點(diǎn)展開。目前，根據(jù)激光生產(chǎn)原理，數(shù)控激光切割機(jī)可分為三種類型：光纖激光切割機(jī)、CO2激光切割機(jī)、YAG數(shù)控固體激光切割機(jī)。數(shù)控YAG固體激光切割機(jī)的工作原理高功率激光束聚焦在機(jī)械元件表面，在輻照后，機(jī)械元件迅速熔化甚至氣化。然后，在激光束的幫助下，在同一水平軸上形成高速的氣壓流，吹出熔化的工件，然后切割機(jī)械元件。YAG固體激光切割機(jī)的成本和后續(xù)維護(hù)成本遠(yuǎn)低于同類激光切割機(jī)，性價(jià)比高，是數(shù)控激光切割機(jī)領(lǐng)域中最成熟、最穩(wěn)定的產(chǎn)品之一。光纖激光切割機(jī)是一種新的產(chǎn)品領(lǐng)域的數(shù)控激光切割機(jī)，它類似于YAG固體激光切割機(jī)的工作原理，也使用激光融化機(jī)械部件完成切割，所不同的是，光纖激光切割機(jī)的新型光纖激光器激光束。1.2數(shù)控激光切割機(jī)的發(fā)展國內(nèi)數(shù)控激光切割機(jī)的技術(shù)一部分來源于國外，因?yàn)閲鈱τ诩す馇懈罴夹g(shù)研究較早，美國的光學(xué)公司大約在1961年就開始研究光纖激光切割領(lǐng)域。而我國的第一臺數(shù)控激光切割器是在1994年湖南大學(xué)激光研究所研發(fā)出來的。隨后中科院物理研究所在2003年3月研制出了使用數(shù)控激光技術(shù)的管材加工設(shè)備，使我國的數(shù)控激光切割技術(shù)有了一個(gè)質(zhì)的飛躍?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對數(shù)控激光切割技術(shù)的關(guān)注核心點(diǎn)都在于降低閾值、調(diào)節(jié)波長等性能方面。典型數(shù)控激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)分析近幾年來，國內(nèi)的數(shù)控激光切割機(jī)飛速發(fā)展。從設(shè)計(jì)分析的角度來看，其設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)表現(xiàn)側(cè)重點(diǎn)都有著很大的變化。下面挑一款典型的1530型數(shù)控激光切割機(jī)，分析其設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。圖11530型數(shù)控激光切割機(jī)實(shí)物圖1530型數(shù)控激光切割機(jī)的機(jī)身總重達(dá)到9t，最大加工范圍為1500mmx3000mm，工作臺的最大載重為1250kg。其底座部分為了確保加工切割精度進(jìn)行了加重設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)部分選用了龍門式雙邊設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)使其具有最佳的對稱受力條件，避免了切割機(jī)在操作時(shí)由于被切割工件的重心外懸擺動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)也避免切割機(jī)的傳動(dòng)及導(dǎo)向部件不會(huì)出現(xiàn)瞬間過載的故障。獨(dú)立的伺服軸設(shè)計(jì)也是該機(jī)器的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)之一，利用該設(shè)計(jì)可以保證激光光束從數(shù)控激光切割機(jī)的激光器出光口射出直到切割頭的長度是不變的，能夠維持原值。這樣的設(shè)計(jì)保證了激光光束焦點(diǎn)位置的恒定及穩(wěn)定性，但是由于1530型數(shù)控激光切割機(jī)被研發(fā)出來的時(shí)間較早，在那個(gè)階段，市場對于數(shù)控激光切割機(jī)的要求主要是滿足生產(chǎn)需要，功能完善即可。所以，它在很多方面不符合人機(jī)工程系的原理，忽略了人作為主體，在設(shè)計(jì)上存在很多不足。例如，該機(jī)器的落料口和入料口在開啟和關(guān)閉時(shí)需要兩個(gè)人同時(shí)操作，非常不方便；監(jiān)視窗的角度和高度都過大過高，造成使用者在操作時(shí)難以觀察機(jī)器內(nèi)部加工過程，造成人為的誤操作率上升等。新型數(shù)控激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)控激光切割機(jī)的安裝位置以及操作環(huán)境都和使用者存在著密切的交互關(guān)系，因此人們在對新型數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮到機(jī)器本身應(yīng)具有的符合生產(chǎn)實(shí)際的功能外，還要考慮到人機(jī)交互關(guān)系是否合理、安全。新型數(shù)控激光切割機(jī)模型示意圖如圖2所示。圖2新型數(shù)控激光切割機(jī)模型示意圖3.1切割機(jī)機(jī)床底座數(shù)控激光切割機(jī)床是最基本的部分機(jī)器的床，因?yàn)闄C(jī)床包括螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)都有一定的運(yùn)動(dòng)加速度，對機(jī)床將產(chǎn)生一定影響，沖擊力可使切割機(jī)床動(dòng)態(tài)位移。機(jī)床床身一旦發(fā)生位移，就會(huì)對激光器發(fā)出的激光束產(chǎn)生干擾，使其不穩(wěn)定，從而降低數(shù)控激光切割機(jī)的切割質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)新型數(shù)控激光切割機(jī)時(shí)重點(diǎn)要改進(jìn)這一點(diǎn)，以保證電機(jī)和螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，也能保證機(jī)床的穩(wěn)定性，盡量提高底座的質(zhì)量，提高其慣量?？偨Y(jié)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)床底座的重量一般是機(jī)床沖擊力的15倍。3.2隨動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)控激光切割機(jī)的隨動(dòng)機(jī)構(gòu)主要作用為檢測和控制切割機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)切割工件表面是否光滑。為了確定激光器所發(fā)射的激光光束聚焦后焦點(diǎn)是否在工件的位置，需要利用伺服電機(jī)和絲杠傳動(dòng)裝置來調(diào)整切割頭高度。而激光光束聚焦后焦點(diǎn)的位置在一定程度上對切割后的縫隙大小以及質(zhì)量高低有著很大影響，因此對隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求就非常高，檢測精度要在0.010mm左右。同時(shí)，隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的隨動(dòng)速度應(yīng)該在5m/min左右，不能太高也不能太低，太高會(huì)導(dǎo)致切割頭上下震動(dòng)，太低會(huì)導(dǎo)致切割頭跟不上。3.3運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)控激光切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)決定了切割機(jī)的性能好壞。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，首要考慮的因素為負(fù)載的慣量比值。目前，通用的電機(jī)的比值一般在1：10左右，但是為了數(shù)控激光切割機(jī)的機(jī)床驅(qū)動(dòng)參數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)最好把數(shù)控激光切割機(jī)的負(fù)載的慣量比值控制在1：3左右。結(jié)論通過以上機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們開發(fā)了一個(gè)先進(jìn)的數(shù)控激光切割機(jī)產(chǎn)品的大規(guī)模生