金屬薄板激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PAGE24金屬薄板激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)STRUCTUREDESIGNOFLASERCUTTINGMACHINEFORMETALSHEET

摘要激光切割工藝作為一種新興技術(shù)正在被人們所熟知并且不斷掌握以及開發(fā)，從而在技術(shù)生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。激光切割機(jī)就是其應(yīng)用的典型例子，為了早日實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)科研一體化，激光切割機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)得到了越來越深的探索與研究。本文結(jié)合激光切割工藝特點(diǎn)和龍門式切割機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了金屬薄板激光切割機(jī)，該切割機(jī)的切割對象是較薄的金屬板材。其基本構(gòu)架可以實(shí)現(xiàn)橫梁、切割臂、激光切割頭分別沿X、Y、Z三軸的移動(dòng)。另外，本文還設(shè)計(jì)了激光光路以達(dá)到切割金屬板的時(shí)候無需移動(dòng)工件的目的。所設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)在進(jìn)行切割工作移動(dòng)時(shí)，它的激光器發(fā)射的激光跟著激光頭移動(dòng)，這樣一來，所提供的激光能量會極其穩(wěn)定，大大降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，切割的效率也會得到很大的提升，生產(chǎn)操作也會變得簡便。本次對激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：基本構(gòu)架的設(shè)計(jì)、激光器的選擇、激光光路的設(shè)計(jì)、激光切割頭的設(shè)計(jì)、保護(hù)裝置以及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。同時(shí)，還對絲杠的要求以及電機(jī)的選擇等進(jìn)行了仔細(xì)的檢驗(yàn)與校核。關(guān)鍵詞激光切割工藝；切割機(jī)；激光光路；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AbstractAsanemergingtechnology,thelasercuttingprocessiswellknownandconstantlymasteredanddeveloped,andthusiswidelyusedintechnicalproduction.Lasercuttingmachineisatypicalexampleofitsapplication.Inordertorealizetheintegrationofproductionandscientificresearchassoonaspossible,theproductiontechnologyoflasercuttingmachinehasbeenmoreandmoredeepexplorationandresearch.Thispapercombinesthecharacteristicsoflasercuttingprocessandthestructureofthegantrycuttingmachine,anddesignsametalthinplatelasercuttingmachine.Thecuttingobjectofthecuttingmachineisathinmetalplate.Thebasicstructurecanrealizethemovementofbeam,cuttingarmandlasercuttingheadalongthethreeaxesofX,YandZrespectively.Inaddition,thisarticlealsodesignedthelaserlightpathtoachievethepurposeofcuttingthemetalplatewithoutmovingtheworkpiece.Whenthedesignedlasercuttingmachinemovesduringthecuttingwork,thelaserlightemittedbythelasermovesalongwiththelaserhead.Inthisway,theprovidedlaserenergywillbeextremelystableandtheproductioncostwillbegreatlyreduced.Atthesametime,theefficiencyofcuttingwillalsobegreatlyimproved,andproductionoperationswillalsobecomesimpler.Thedesignofthelasercuttingmachineismainlydividedintothefollowingparts:thedesignofthebasicframe,thechoiceofdrivingmode,thechoiceoflaser,thedesignofthelaserlightpath,theprotectiondeviceandthedesignoftheguiderail.Atthesametime,carefulexaminationandverificationwerealsoconductedontherequirementsofthescrewandtheselectionofthemotor.Keywordslasercuttingtechnologycuttingmachinelaserlightpathstructuredesign目錄摘要 IIAbstract III1緒論 11.1激光 11.2激光加工材料的原理 21.3激光切割工藝 31.3.1激光切割工藝原理 31.3.2激光切割工藝優(yōu)點(diǎn) 41.3.3激光切割工藝應(yīng)用領(lǐng)域 41.4激光切割機(jī)國內(nèi)外發(fā)展概況 51.4.1國外激光切割機(jī)發(fā)展概況 51.4.2國內(nèi)激光切割機(jī)發(fā)展概況 61.5本文設(shè)計(jì)的主要思路 72切割機(jī)總體設(shè)計(jì) 82.1切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.2切割機(jī)設(shè)計(jì)方案確定 82.2.1基本架構(gòu)確定 82.2.2驅(qū)動(dòng)電源 82.2.3軸向傳動(dòng)構(gòu)架選擇 82.2.4激光光路設(shè)計(jì) 92.2.5驅(qū)動(dòng)方式選擇 92.2.6方案圖紙的繪制 103切割機(jī)主要部分設(shè)計(jì)計(jì)算 123.1滾珠絲杠選型及檢驗(yàn)計(jì)算 123.1.1滾珠絲杠的選擇 123.1.2滾珠絲杠的相關(guān)公式 133.1.3滾珠絲杠的檢驗(yàn)計(jì)算 153.2電機(jī)的選型 194切割機(jī)其余部分的設(shè)計(jì) 214.1激光器的選擇 214.1.1激光器的分類 214.1.2氣體激光器的介紹 214.1.3二氧化碳激光器的選取 224.2激光光路的設(shè)計(jì) 234.2.1激光光路結(jié)構(gòu) 234.2.2光路反射鏡材料 244.2.3激光頭透射鏡材料 254.3保護(hù)裝置的設(shè)計(jì) 264.4導(dǎo)軌的選擇 27結(jié)論 30致謝 31參考文獻(xiàn) 32附錄 33全套設(shè)計(jì)加QQ11970985或1972163961緒論1.1激光激光是20世紀(jì)以來繼核能、電腦、半導(dǎo)體以后，人類的又一偉大發(fā)現(xiàn)，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。原子受激輻射的光，故稱“激光”。如圖1-1所示的激光。圖1-1激光光是原子中的電子接收能量后，從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級，回落的時(shí)刻放出的能量以光子的形式釋放。而激光，便是被引發(fā)出來的光子隊(duì)伍，這光子隊(duì)伍中的光子們，光學(xué)特征一樣，步調(diào)極為相同。舉個(gè)例子便是，通俗的光源，好比電燈泡發(fā)出來的光子各不相同，并且會四面八方亂跑，很不團(tuán)結(jié)，然而激光中的光子們卻是心往一處想，勁往一處使，這致使它們勢如破竹，威力巨大。激光在21世紀(jì)之所以能夠被廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)中，是因?yàn)槠渚咭韵掠?個(gè)優(yōu)秀的特點(diǎn)[1]：（1）激光的亮度特別高，可以產(chǎn)生巨大高溫，進(jìn)而激光幾乎可以加工任何材料。大家都知道，太陽的亮度很高，然而氣體激光器所發(fā)出的激光亮度遠(yuǎn)高于太陽，固體激光器就更大于太陽的亮度了。（2）激光具有良好的單色性。把激光投射在某處上，可以發(fā)現(xiàn)該處很快會發(fā)生燒蝕，并且燒蝕的部分特別的集中。這主要得益于激光的高單色性，正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，激光才會被更好的應(yīng)用于加工中。（3）激光在不同部位的相位差特別小，相位之間都有一定的聯(lián)系。這就說明其具有很高的相干性。（4）激光傳遞不發(fā)生偏移。也就是說，激光具有的很強(qiáng)的方向感使得其能夠在很長的一段距離內(nèi)有效持續(xù)地傳遞著。這就使得激光在傳遞結(jié)束時(shí)匯聚在一片很小的地方?？恐@獨(dú)一無二的特性，激光加工被很多生產(chǎn)所運(yùn)用。人們利用激光所具備的種種特性，研發(fā)出了各種激光加工設(shè)備。其中，比較典型的就是激光切割機(jī)。它的研發(fā)使得在切割板材方面的工作效率更加的高，自動(dòng)化的激光切割機(jī)更是解放了人類的雙手。這都得益于激光。1.2激光加工材料的原理利用激光加工材料的原理大致就是把激光當(dāng)成一個(gè)產(chǎn)生熱量的源頭，不斷對加工材料進(jìn)行加熱，使其達(dá)到一定的溫度，以達(dá)到所要加工的目的，如焊接與切割[2]。這個(gè)過程主要是把激光的光能轉(zhuǎn)化為我們所需要的熱能，即：被加工的材料經(jīng)過激光的照射溫度不斷升高，導(dǎo)致其部分位置發(fā)生熔化，這些熔化了的部分就能夠脫落進(jìn)而被人們所利用。期間的能量轉(zhuǎn)化就是光能到熱能的轉(zhuǎn)化。根據(jù)能量守恒定律，具有高能量的激光很有發(fā)展前景。當(dāng)然并不是所有的激光加工材料都如上面所說的那樣，特定的加工有著特定的要求。比如在進(jìn)行焊接工作時(shí)，材料需要被粘合在一起，這就需要溫度在升高的同時(shí)不能使材料脫落，等達(dá)到熔化之時(shí)即可。利用激光切割材料的時(shí)候正好和焊接是相反的，被切割材料在激光的照射下溫度升高，到一定的溫度使材料分割成兩部分即可完成所需的切割工作。激光熱處理技術(shù)并不是要求兩個(gè)材料粘合在一起，也不需要把一個(gè)材料分割成兩個(gè)部分，它的主要原理是激光使其材料內(nèi)部溫度升高從而達(dá)到內(nèi)部組織相變的目的。利用激光加工材料如圖1-2所示：圖1-2激光加工材料圖激光加工不同的材料時(shí)，材料的加熱效果和材料自身受到的影響也是不同的[3]。（1）加熱效果的差異。不同材質(zhì)的材料，如金屬與非金屬材料，表面粗糙度不同的材料等。但是加熱的原理都是相同的。材料表面被激光照耀，其中的一部分激光被材料的表面所反射掉，進(jìn)入了空氣中，另一部分激光則被材料所吸收進(jìn)而轉(zhuǎn)化為人們所需要的熱能，這一部分轉(zhuǎn)化了的熱能部分使材料本身達(dá)到了人們的預(yù)期，另一部分通過熱傳遞的方式把熱量傳遞到了材料的其余部分。因此，材料吸收激光的能力決定了其產(chǎn)生熱量的多少，一般來說，表面越光亮即表面粗糙度越低的材料所反射的激光越多，材料表面所吸收的激光能量越少，從而導(dǎo)致激光的利用率不高。因此，科研人員通常采用加大材料表面粗糙度的方式來提高激光的利用率，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)的效率。（2）材料自身受到的影響也不同。用相同亮度的激光照射不同的加工材料，因其材料的結(jié)構(gòu)不同，激光透過材料給材料造成的影響自然也是不同的。一般來說，板材的厚度對這一影響尤為突出。加工薄板與非薄板所用的激光亮度和能量不同，薄板加工用的激光器功率較低，以起到不破化薄板的內(nèi)部組織的目的。另外，加工不同材料時(shí)，為了不破化材料，激光照射的時(shí)間也應(yīng)得到控制。1.3激光切割工藝激光切割工藝在金屬和非金屬材料的加工中得到了廣泛應(yīng)用，可大大削減加工時(shí)長，下降加工成本，進(jìn)步工件質(zhì)量。脈沖激光適合于金屬材料，連續(xù)激光適合于非金屬材料。當(dāng)代的激光成為了人們所空想尋求的"削鐵如泥"的"寶劍"[4]。CO2激光切割工藝是利用激光器發(fā)射的激光束投射在材料的表面，光能轉(zhuǎn)化為熱能，材料溫度升高進(jìn)而熔化，再利用與發(fā)射的激光束同軸的輔助氣體把熔化的廢料清除，從而構(gòu)成必然外形的切縫。這項(xiàng)工藝中，激光束和被切割的工件做固定的有規(guī)律相對運(yùn)動(dòng)。從二十世紀(jì)七十年代以來，伴隨著CO2激光器及數(shù)控技術(shù)的不斷完善和成長，今日已成為產(chǎn)業(yè)上板材切割的一種進(jìn)步的加工方式。在五、六十年代作為板材下料切割的首要方式中:對中厚板采取氧乙炔火焰切割;對薄板采取剪床下料，成形龐大零件大批量的采取沖壓，單件的采取振動(dòng)剪。七十年代后，為了改良和進(jìn)步火焰切割的切口質(zhì)量，又推行了氧乙烷精密火焰切割與等離子切割。為了削減大型沖壓模具的制造周期，又發(fā)明了數(shù)控步?jīng)_與電加工手藝。各類切割下料方式都有其長短處，在工業(yè)生產(chǎn)中有必然的適用范圍。1.3.1激光切割工藝原理激光切割，簡單的來說就是利用能量的轉(zhuǎn)化，即激光的光能轉(zhuǎn)化為熱能，是材料的溫度升高進(jìn)而發(fā)生熔化，再把熔化的部分清除掉，從而使材料達(dá)到分離的目的。具體點(diǎn)就是，把高密度功率的激光束投射在被切割材料的表面，有一部分激光在材料表面發(fā)生反射現(xiàn)象，另一部分激光則被材料吸收，這時(shí)，巨大的光能轉(zhuǎn)化為了熱能，材料被加熱到成千上萬攝氏度，材料發(fā)生汽化和熔化，汽化的材料變成了氣體直接逸出空氣中，而熔化的材料被所添加的輔助氣體所吹走，于是切縫便產(chǎn)生了，從而達(dá)到了切割的目的。脈沖激光適合于金屬材料，連續(xù)激光適合于非金屬材料，后者是激光切割技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。激光切割如圖1-3所示：圖1-3激光切割圖這項(xiàng)技術(shù)采取激光束照射到鋼板的表面時(shí)所釋放出的能量來使不銹鋼熔化并蒸發(fā)。激光源普遍用的是二氧化碳激光束，該功率的程度比很多家用電暖器所需的功率還低。不光如此，激光切割工藝還有它的獨(dú)特優(yōu)勢。由于激光本身具有高方向性和高相干性，其聚焦多聚集在集中的位置，再加上激光加工工藝所用的激光是經(jīng)過透鏡和反射鏡聚焦的，這樣一來，材料的某一特定位置會被加熱到成千上萬攝氏度，這一集中的位置處的材料被汽化和熔化，通過移動(dòng)激光切割頭可以使材料的任意部分集中加熱，以達(dá)到切割的目的。另外，由于能量高度集中，能源的利用率也很高。經(jīng)加熱的部分很少把熱量傳遞到周圍，因此，經(jīng)激光切割工藝切割過的坯料一般很少需要進(jìn)行二次加工，并且一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的大型材料也可通過激光切割工藝進(jìn)行切割。1.3.2激光切割工藝優(yōu)點(diǎn)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光切割工藝以其明顯的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐中。其優(yōu)點(diǎn)如下[5]：（1）激光切割工藝具有較高的切割精度。其精度可達(dá)0.02至0.05毫米。（2）利用激光切割的材料，高密度的激光束照射在材料的表面，形成焦點(diǎn)，焦點(diǎn)很細(xì)小，并且密集成線。因此，材料的切縫會很窄，一般只有0.10至0.20毫米。（3）由于是用激光切割的材料，激光具有很高的強(qiáng)度。所以材料的切割面會很光滑。（4）激光切割的速度在每分鐘10米到70米，這速度要比普通的線切割速度快很多。（5）激光束是看不見的，激光切割頭是不和工件接觸的，因此，激光切割工藝不會損壞工件的表面，并且切割的效果優(yōu)良。（6）激光切割工藝的適用范圍很廣，不僅可以進(jìn)行金屬材料的加工，同樣也可進(jìn)行非金屬材料的加工。（7）激光切割工藝與其他加工工藝不同，其加工不需要模具。這就為加工工序減輕了很多步驟，節(jié)約了加工模具的成本，縮短了加工的時(shí)間，省時(shí)省力。經(jīng)激光切割工藝加工的產(chǎn)品如圖1-4所示：圖1-4切割件展示1.3.3激光切割工藝應(yīng)用領(lǐng)域目前適合采用激光切割的產(chǎn)品大體上可歸納為三類：（1）從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來說，不適合制造模具的金屬鈑金件，特別是表面形狀復(fù)雜，批量小，一般厚度12mm的低碳鋼和6mm厚的不銹鋼，來節(jié)省制造模具的成本與時(shí)間。已經(jīng)采用該技術(shù)的典范產(chǎn)物有:主動(dòng)電梯結(jié)構(gòu)件、起落電梯面板、機(jī)床及食糧機(jī)器外罩、各類電氣柜、開關(guān)柜、紡織機(jī)器零件、工程機(jī)器結(jié)構(gòu)件和大機(jī)電硅鋼片等。（2）裝潢、廣告、服務(wù)行業(yè)用的不銹鋼(通常厚度3mm)或非金屬材料(通常厚度20mm)的圖案、標(biāo)記和字體等。比如藝術(shù)照相冊的圖案，學(xué)校、單位、商場的標(biāo)志，車站、醫(yī)院等公共場所的中英文字體。（3）要求平均切縫的特別零件。最廣泛應(yīng)用的典范零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版，它的要求是在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽，隨后在槽中鑲嵌刀片。利用時(shí)裝在模切機(jī)上，切下各類已印刷好圖形的包裝盒。海內(nèi)近年來利用的一個(gè)新領(lǐng)域就是石油篩縫管。為了蓋住泥沙進(jìn)入抽油泵，在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的平均切縫，起割穿孔處小孔直徑不能超過0.3mm，切割技術(shù)要求高，已有很多單位投入生產(chǎn)。國外除上述應(yīng)用外，還在不斷擴(kuò)展激光切割工藝的應(yīng)用領(lǐng)域：(1)激光切割是一個(gè)由繪圖到切割工件的一個(gè)過程，提高繪圖效率能夠大大提高生產(chǎn)效率。因此國外在不斷研發(fā)新的切割繪圖軟件和繪圖機(jī)器人來提高繪圖的效率。(2)為了提升生產(chǎn)速率，鉆研開辟各類專用切割體系，質(zhì)料運(yùn)送體系，直線機(jī)電驅(qū)動(dòng)體系等，今朝切割體系的切割速率已跨越100m/min。(3)為擴(kuò)大工程機(jī)械、造船工業(yè)等的利用，切割低碳鋼厚度已跨越30mm，并特別注意鉆研用氮?dú)馇懈畹吞间摰墓に嚰夹g(shù)，以進(jìn)一步提高切割厚板的切口質(zhì)量。因此在中國擴(kuò)展CO2激光切割的產(chǎn)業(yè)利用領(lǐng)域,攻克新的應(yīng)用中一些技術(shù)困難仍然是工程技術(shù)人才的主要課題。1.4激光切割機(jī)國內(nèi)外發(fā)展概況1.4.1國外激光切割機(jī)發(fā)展概況在20世紀(jì)70年代末期，國外最初運(yùn)用激光切割技術(shù)的是薄鋼板切割。激光切割機(jī)逐漸開始發(fā)展并且興起成為一種新興產(chǎn)業(yè)是在80年代初期。因?yàn)榧す馇懈顧C(jī)的壽命可達(dá)十萬小時(shí)，并且還能加工各類材料，即便是每臺激光切割機(jī)的成本比等離子切割機(jī)要高，它的效益依然很好。激光加工技術(shù)在美國、歐盟、日本等工業(yè)大國迅速興起并且很快成為一個(gè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其應(yīng)用領(lǐng)域及規(guī)模在不斷擴(kuò)大。近些年來，全球每年激光切割機(jī)數(shù)量增長速度接近1000臺，此行業(yè)銷售總額也已經(jīng)超過了90億美元，其中美國和日本的激光切割機(jī)市場占有率大概為25%。隨著激光切割機(jī)功率的增大、加工光束穩(wěn)定性要求的提高、機(jī)械設(shè)備柔韌性的增強(qiáng)，各類無機(jī)材料、有色金屬，甚至板厚為10mm的鐵鎳材料都可以采用激光進(jìn)行加工。伴隨著激光切割機(jī)的逐漸普及，市場需求使得切割機(jī)切割效率進(jìn)一步提高，應(yīng)用層逐漸壯大。廣闊的市場決定了美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家對各類激光工藝以及激光器的研究，以達(dá)到提高激光切割機(jī)切割性能的目的。世界上著名的激光切割機(jī)生產(chǎn)企業(yè)有：德國通快、意大利普瑞瑪、美國阿瑪達(dá)以及瑞士百超等。這些著名的公司已經(jīng)連續(xù)開發(fā)出了大功率、大幅面、高速、三維立體的激光切割機(jī)，并且現(xiàn)在每一年都在推出新的產(chǎn)品。德國通快研發(fā)的L203E型號的激光切割機(jī)功能十分強(qiáng)大，不僅能夠進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)加載切割參數(shù)，用戶還可以自行對平板架進(jìn)行拆裝，這樣就大大增強(qiáng)了設(shè)備的柔性。意大利普瑞瑪公司研發(fā)的SYNCRONO激光切割機(jī)，擅長加工小孔，該切割機(jī)每分鐘能夠穿出1300個(gè)孔，特別適合加工大批量產(chǎn)品?？傮w來說，國外激光切割機(jī)正在向著多自由度、高速度、大批量以及智能化方向快速發(fā)展。1.4.2國內(nèi)激光切割機(jī)發(fā)展概況由于70年代，我國工業(yè)技術(shù)比較落后，從事工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度較低，市場競爭意識薄弱，相比于海外激光切割機(jī)的發(fā)展，我國激光切割技術(shù)研究起步較晚，激光加工技術(shù)整體水平比較落后。但是，隨著我國綜合國力的增強(qiáng)，國家對高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越重視，經(jīng)過近些年的不懈奮斗，我國的工業(yè)生產(chǎn)水平得到了不小的提高。激光加工技術(shù)被列為國家重點(diǎn)科技攻關(guān)。為此，三個(gè)國家級的激光加工中心被我國建立。我國比較著名的切割機(jī)研發(fā)公司是濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所，該研究所在1985年生產(chǎn)了我國第一臺精密激光切割機(jī)，從此拉開了我國對激光切割技術(shù)的研發(fā)的序幕。近些年，該所不斷創(chuàng)新研發(fā)，在2010年，該所第八代激光切割機(jī)LR0412大幅面地軌數(shù)控激光切割機(jī)研發(fā)成功。此激光機(jī)采用了優(yōu)化過后的龍門式總體構(gòu)架，各個(gè)方面的性能均有所提高，是我國激光切割機(jī)的佼佼者。經(jīng)過了近三十年來無數(shù)科研者的不懈努力，我國研發(fā)的激光切割機(jī)在穩(wěn)定性、實(shí)用性、加工工件尺寸范圍上技術(shù)逐漸成熟。國內(nèi)也不斷出現(xiàn)了一些著名的激光切割機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，比如深圳大族公司、武漢華工公司、南京南傳公司等。然而，在一些關(guān)鍵技術(shù)上，我國的技術(shù)水平尚不成熟，與發(fā)達(dá)國家相比，我國在結(jié)構(gòu)制造、數(shù)控軟件開發(fā)、產(chǎn)品精細(xì)程度等方面水平還很低，還需要我國廣大科研人員日日夜夜的不斷奮斗，不斷創(chuàng)新。希望我國政府再加大對激光切割技術(shù)方面的投入，早日實(shí)現(xiàn)我國科研產(chǎn)業(yè)一體化。下圖1-5為激光切割機(jī)圖[6]。圖1-5激光切割機(jī)1.5本文設(shè)計(jì)的主要思路本文設(shè)計(jì)的題目叫做金屬薄板激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該切割機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有切割梁、切割臂、切割頭等。其運(yùn)作的方式大致為，切割頭連接在豎直Z軸方向的切割臂上，能夠跟隨切割臂的上下移動(dòng)而移動(dòng)，切割臂可以在Y軸方向上水平移動(dòng)，Y軸方向的水平梁可以沿著X軸水平移動(dòng)。這樣一來，就可以達(dá)到進(jìn)行切割工作時(shí)不需要移動(dòng)切割件的目的。該切割機(jī)適用于各種金屬薄板的切割工作。主要優(yōu)勢就是切割的速度快，精度高且靈活。結(jié)合所學(xué)的知識以及通過查閱資料和書籍，本人主要對金屬薄板激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，依次完成了如下的任務(wù)：（1）對激光切割機(jī)的組成部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分別有底部支撐架、配合切割臂移動(dòng)的三個(gè)方向的梁、激光器、激光光路的設(shè)計(jì)、激光切割頭等。（2）對切割機(jī)的光路傳遞系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。（3）通過了解各部分的傳動(dòng)方式，計(jì)算確定了各絲杠的選用與校核。（4）對電機(jī)的型號進(jìn)行了分析對比，選用符合要求的型號。（5）使用CAD繪制零件圖。2切割機(jī)總體設(shè)計(jì)2.1切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)是用于金屬薄板的切割工作，要求切割機(jī)切割精度要高。切割機(jī)的底座能夠在一個(gè)長為3000mm，寬為2000mm的矩形范圍內(nèi)固定住。切割機(jī)的激光切割頭能夠在X,Y,Z方向上面自由移動(dòng)，其移動(dòng)距離均分別大于3000mm，1500mm和150mm。該切割機(jī)的X,Y,Z三個(gè)軸的精度要求分別為±0.01mm，±0.01mm，±0.005mm。要求該金屬薄板激光切割機(jī)至少使用20年。2.2切割機(jī)設(shè)計(jì)方案確定2.2.1基本架構(gòu)確定金屬薄板激光切割機(jī)的切割對象是較薄的金屬板材。它的基本構(gòu)架和龍門式切割機(jī)非常的類似，滿足了切割機(jī)的梁可以在X軸上面自由移動(dòng)、切割臂可以在Y軸上自由移動(dòng)和激光切割頭可以在Z軸上自由移動(dòng)。這樣一來，激光頭擁有3個(gè)自由度，可以進(jìn)行任意切割，自動(dòng)工作。2.2.2驅(qū)動(dòng)電源自從電的發(fā)明以來，幾乎各行各業(yè)都需要用電。沒有電源，各種電器設(shè)備都無法正常工作。作為動(dòng)力的來源，電力已經(jīng)成為當(dāng)今社會不可或缺的組成部分，成為人類賴以生存的一部分。影響電源工作狀態(tài)的因素有很多,例如，電源的電壓的大小、電流的大小和頻率、功率的大小。各個(gè)國家的用電標(biāo)準(zhǔn)都不同。此次設(shè)計(jì)的金屬薄板激光切割機(jī)采用的是我國標(biāo)準(zhǔn)的AC交流電，電壓的大小根據(jù)具體情況具體調(diào)節(jié)，但是電流頻率采用的是標(biāo)準(zhǔn)的50Hz。方便快捷[7]。2.2.3軸向傳動(dòng)構(gòu)架選擇本次設(shè)計(jì)的金屬薄板激光切割機(jī)之所以能夠自由移動(dòng)，隨意切割，是因?yàn)檫x用了滾珠絲杠的機(jī)械傳動(dòng)方式。該傳動(dòng)方式能夠使得X,Y,Z三個(gè)方向上面的機(jī)構(gòu)平穩(wěn)移動(dòng)。好比是人的骨頭對于整個(gè)人的支撐一樣，該構(gòu)架的設(shè)計(jì)是此切割機(jī)最重要的部分之一。選用滾珠絲杠的理由是，首先它的驅(qū)動(dòng)力矩非常的小，幾乎是滑動(dòng)絲杠力矩的三分之一，力矩小的好處就是省電，經(jīng)濟(jì)性較好。其次，采用滾柱絲杠的機(jī)械傳動(dòng)精度特別高。最后就是摩擦力小，進(jìn)給的速度更快，效率更高。下圖2-1就是滾珠絲杠的圖例。圖2-1滾珠絲杠2.2.4激光光路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)是利用激光來進(jìn)行切割工件的，它的切割過程是移動(dòng)切割頭，使切割頭對準(zhǔn)被切件，從而進(jìn)行切割。在這個(gè)過程當(dāng)中，被切工件是不必移動(dòng)的。激光是在激光頭里進(jìn)行傳導(dǎo)的，因此必須要設(shè)計(jì)出合理的激光光路，才能達(dá)到這一目的。這么說來，設(shè)計(jì)一套合理的激光傳導(dǎo)路線是很重要的一部分。本文所設(shè)計(jì)的激光光路如圖2-2所示：圖2-2光路系統(tǒng)傳遞路線圖2.2.5驅(qū)動(dòng)方式選擇切割機(jī)常見的三種驅(qū)動(dòng)方式是：氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)。這三種驅(qū)動(dòng)方式區(qū)別就在于所用的動(dòng)力源不同，分別是氣壓、液壓和電力[8]。氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)分別是把氣體和液體作為工作的介質(zhì)，它們的工作原理大致都是利用氣體或者液體形成壓力，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。實(shí)際上是一種能量的轉(zhuǎn)化。氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)的功率較小，穩(wěn)定性較差，精度不高。因?yàn)闅鈮候?qū)動(dòng)采用的是氣體介質(zhì)，所以價(jià)格比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，更不會污染環(huán)境。二者的共同特點(diǎn)就是設(shè)備較復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度太大。電力驅(qū)動(dòng)以清潔能源電力作為其驅(qū)動(dòng)源，既不會產(chǎn)生污染，其應(yīng)用十分的廣泛。并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，設(shè)備多種多樣，精度高，功率大的特點(diǎn)非常適合作為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方式。因此，本次激光切割機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式選擇電力驅(qū)動(dòng)。通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)需求的自動(dòng)傳動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)需求。并且環(huán)?？煽吭O(shè)備多樣，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。2.2.6方案圖紙的繪制用CAD繪制部分零件圖。首先要了解所繪制零件的尺寸大小以及所在位置。清楚零件的各個(gè)參數(shù)以及它們之間的傳動(dòng)方式。一些重要的，對切割機(jī)影響較大的尺寸參數(shù)要優(yōu)先考慮。此外，在保證質(zhì)量的同時(shí)還應(yīng)該保證美觀，做到實(shí)用性和藝術(shù)性的完美結(jié)合。本文中設(shè)計(jì)的金屬薄板激光切割機(jī)的裝配主視圖（圖2-3）和俯視圖（圖2-4）如下：圖2-3切割機(jī)主視圖圖2-4切割機(jī)俯視圖

3切割機(jī)主要部分設(shè)計(jì)計(jì)算3.1滾珠絲杠選型及檢驗(yàn)計(jì)算3.1.1滾珠絲杠的選擇絲杠作為機(jī)械上常用的傳動(dòng)元件，好的絲杠能夠使機(jī)械傳動(dòng)更加平滑順暢。本文設(shè)計(jì)的金屬薄板激光切割機(jī)要求切割精度高，而好的絲杠可以使機(jī)械加工精度提高。因此，選擇性能優(yōu)良的絲杠至關(guān)重要。選擇絲杠既要考慮其性能的好壞，又要考慮成本。要選擇一種性價(jià)比高的絲杠。市面上兩種常見的絲杠是滾珠絲杠和滑動(dòng)絲杠。滾珠絲杠因?yàn)槔锩嬗袖撝?，屬于典型的滾動(dòng)摩擦?；瑒?dòng)絲杠里面沒有鋼珠，單純的靠滑動(dòng)摩擦來轉(zhuǎn)動(dòng)。很顯然，滾動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)。因此滾柱絲杠的傳動(dòng)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滑動(dòng)絲杠的傳動(dòng)效率。下圖3-1是滑動(dòng)絲杠與滾珠絲杠分別在導(dǎo)程角不同的情況下的傳動(dòng)效率。另外滑動(dòng)絲杠的致命缺點(diǎn)就是在其滑動(dòng)的過程中會出現(xiàn)跑偏的現(xiàn)象，而選擇滾珠絲杠就可以避免這種情況，滿足了金屬薄板激光切割機(jī)對切割精度要求高的條件[9]。圖3-1滾柱絲杠與滑動(dòng)絲杠效率圖下面來選擇具體的滾珠絲杠。絲杠是在X,Y,Z三個(gè)方向上的，因此，就要考慮到此次設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)的工作范圍的大小。這里為了實(shí)際要求，滿足切割機(jī)工作范圍，又要考慮經(jīng)濟(jì)性因素。選擇比切割機(jī)行程范圍長且經(jīng)濟(jì)的絲杠。在坐標(biāo)軸X方向上，切割機(jī)的工作范圍是3000毫米，這里選用長度為4000毫米的GY4020ES-HUBR-4000A型絲杠。如圖3-2所示在坐標(biāo)軸Y方向上，切割機(jī)的工作范圍是1500毫米，這里綜合經(jīng)濟(jì)性因素考慮，選用了KURODA（黑田精工株）公司生產(chǎn)的長度為2000毫米的GY2510ES-HULR-2000A型絲杠。這種型號的絲杠與X方向上的絲杠類似。圖3-2所示X,Y軸方向上選擇較長的滾柱絲杠的好處是不用刻意把設(shè)備移動(dòng)到中間部位，可以更輕松的上料，節(jié)省了上料時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。在坐標(biāo)軸Z方向上，由于設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)適用于切割金屬薄板，故Z軸方向上所選的絲杠不需要很長。大于上料金屬薄板的厚度即可。這里選用長度為600毫米的GY1505DS-NKLR-0600A型絲杠。如圖3-3。圖3-2X,Y軸絲杠圖3-3Z軸絲杠3.1.2滾珠絲杠的相關(guān)公式下面介紹所選用的滾柱絲杠里面的一些重要公式：1.導(dǎo)程角(3-1)式中：—導(dǎo)程角(°)—絲杠長度(mm)—滾珠直徑(mm)2.推力產(chǎn)生后所需扭矩先進(jìn)行絲杠的受力分析，絲杠的受力情況如圖3-4所示：圖3-4絲杠受力分析摩擦力的大小的計(jì)算（這里推力的大小等于摩擦力的大?。?3-2)式中：—摩擦系數(shù)—物體質(zhì)量（Kg）—重力加速度（m/）驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算(3-3)式中：—驅(qū)動(dòng)力矩（N·m）—傳動(dòng)效率 3.扭矩產(chǎn)生后所獲得推力(3-4)4.最大允許壓曲負(fù)荷在使用滾柱絲杠的時(shí)候，為了避免其發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致絲杠的損壞。需要計(jì)算絲杠的最大允許壓曲負(fù)荷。保證對其施加的壓縮負(fù)荷的最大值不得大于最大允許壓曲負(fù)荷。(3-5)式中：—最大允許壓曲負(fù)荷（N）—相關(guān)系數(shù)（取=4）—楊氏模量—最小截面二次矩—絲杠支撐間距（mm）(3-6)式中：—絲杠溝谷直徑（mm）5.最大允許拉伸負(fù)荷當(dāng)所用的絲杠的長徑比大于20的時(shí)候，在使用時(shí)常常需要張緊絲杠。為了避免破化絲杠的性能，保障其正常使用，需要對其最大允許拉伸負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。必須保證張緊絲杠時(shí)施加的負(fù)荷不能超過絲杠本身的最大允許拉伸負(fù)荷。(3-7)式中：—允許拉伸負(fù)荷（N）—允許拉伸應(yīng)力（147）—絲杠溝槽直徑（mm）6.臨界轉(zhuǎn)速由于本次采用的絲杠是滾珠絲杠，在傳動(dòng)過程中，其鋼珠的滾動(dòng)速度特別快。隨著鋼珠轉(zhuǎn)速的不斷提高，它的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率會無限接近滾柱絲杠本身的頻率，從而引起共振現(xiàn)象，導(dǎo)致絲杠無法正常工作。因此，必須找到滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速，保證絲杠在滾珠臨界轉(zhuǎn)速下工作。計(jì)算絲杠臨界轉(zhuǎn)速的公式有（3-8）和（3-9）兩種，為了保險(xiǎn)起見，本次采用的是二者計(jì)算結(jié)果的最小值作為滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速。(3-8)(3-9)式中：，—臨界轉(zhuǎn)速（）—絲杠溝谷直徑（mm）—滾珠的中心直徑（mm）—相關(guān)系數(shù)（取=21.9）7.絲杠壽命每一個(gè)零件都有其自身的使用壽命。這次選用的滾珠絲杠的壽命是由其所能工作的總轉(zhuǎn)速決定的。先根據(jù)(3-10)計(jì)算出滾珠絲杠的總轉(zhuǎn)數(shù)。(3-10)式中：—總轉(zhuǎn)數(shù)（rev）—額定動(dòng)負(fù)荷（N）—負(fù)荷系數(shù)（隨速度變化而變化）—軸向負(fù)荷假設(shè)此滾珠絲杠每天工作12小時(shí)，因?yàn)榧僭O(shè)工作時(shí)間遠(yuǎn)超過實(shí)際工作時(shí)間，故，取一年為300天。那么絲杠的使用壽命計(jì)算公式如（3-11）所示：(3-11)式中：—壽命時(shí)間（年）—總轉(zhuǎn)數(shù)（rev）—單位旋轉(zhuǎn)數(shù)（）3.1.3滾珠絲杠的檢驗(yàn)計(jì)算所選用的滾珠鋼絲是否符合設(shè)計(jì)的要求，下面分別對X,Y,Z軸三個(gè)方向上的絲杠進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算。檢驗(yàn)計(jì)算的內(nèi)容為：所能承受負(fù)荷的校核、絲桿轉(zhuǎn)速的校核、力矩大小的計(jì)算以及絲杠壽命的檢驗(yàn)等。1.計(jì)算Z軸所用絲杠的力矩與檢驗(yàn)（1）絲杠上總力矩的計(jì)算絲杠的總力矩的大小分為兩種情況：一是勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)由絲杠的摩擦力矩的與驅(qū)動(dòng)力矩組成的；二是加速運(yùn)動(dòng)時(shí)由摩擦力矩、驅(qū)動(dòng)力矩還有加速扭矩組成的。首先計(jì)算其摩擦力矩。摩擦力矩是由絲杠的張緊力產(chǎn)生的，通常情況下，軸承的摩擦系數(shù)為0.005，軸承的回轉(zhuǎn)半徑r為10mm，絲杠的張緊力大小為500N。那么，此時(shí)的摩擦力矩為：。假設(shè)所用的滾珠絲杠的傳動(dòng)效率為96%，則絲杠的驅(qū)動(dòng)力矩可以根據(jù)公式（3-3）直接得：。當(dāng)其進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速產(chǎn)生的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：。絲杠的每毫米的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：。Z軸方向上的滾珠絲杠的長度為600mm，則絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：。故，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：，絲杠的角加速度為：，所以，加速扭矩為：。綜上所述，絲杠在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的力矩最小其總力矩為：，絲杠在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩最大為：。（2）檢驗(yàn)Z軸所用絲杠的負(fù)荷本文設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)Z軸方向的絲杠，上面放著激光切割頭加上其連接重物之后的總質(zhì)量大約為40千克，即m=40kg，假設(shè)運(yùn)動(dòng)時(shí)的除摩擦阻力之外的阻力為=15N，其變速的時(shí)間為0.01s，所能達(dá)到的最快速度為=5。那么：其運(yùn)動(dòng)的加速度為，當(dāng)運(yùn)動(dòng)方式為勻速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力為，為加速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力為，為減速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力為。通過比較勻速、加速、減速時(shí)的軸向力大小可知：當(dāng)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸向產(chǎn)生的負(fù)荷最大，其軸向力大小為350N。為了防止絲杠在由于變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生松懈，要是能讓絲杠一直受到拉應(yīng)力的作用即可。于是選擇大于軸向力的張緊力，為。本文選擇的Z軸GY1505DS-NKLR-0600A絲杠具體參數(shù)如下：，，，，。其中的D是外徑，d是溝槽內(nèi)徑，h是絲杠螺距，n是線數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)和公式（3-7），可以得出絲杠允許拉伸負(fù)荷為=﹥。符合要求。（3）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速把相關(guān)參數(shù)代入（3-8）和（3-9）中可得絲杠得臨界轉(zhuǎn)速如下：==70000/16=4375取二者中較小得=4375，本文所選用的電機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)速不可能大于4375由此可見，該絲杠符合對于轉(zhuǎn)速的要求。（4）檢驗(yàn)絲杠使用壽命檢驗(yàn)絲杠的壽命就要知道其至少能使用多少年，因此，無論絲杠做怎樣的無規(guī)律運(yùn)動(dòng)，這里都假設(shè)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是加速運(yùn)動(dòng)，這樣才能時(shí)絲杠的軸向力一直保持最大狀態(tài)，以得出絲杠的最短使用壽命。取=350N。根據(jù)公式（3-10）得出其一共可以轉(zhuǎn)得總轉(zhuǎn)數(shù)為轉(zhuǎn)。再根據(jù)公式（3-11）換算成年得：。因此，該絲杠的最短使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于所設(shè)計(jì)的切割機(jī)要求的20年。符合壽命要求。2.檢驗(yàn)Y軸所用絲杠（1）檢驗(yàn)Y軸所用絲杠的負(fù)荷本文設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)Y軸方向的絲杠，由于Z軸的移動(dòng)臂在Y軸上面移動(dòng)，因此，Y軸承受著整個(gè)Z軸的重量，假設(shè)其重量是Z軸的兩倍，即m=80kg，運(yùn)動(dòng)時(shí)的除摩擦阻力之外的阻力為=30N，其變速的時(shí)間為0.1s，所能達(dá)到的最快速度為=50。那么：其運(yùn)動(dòng)的加速度為=，當(dāng)運(yùn)動(dòng)方式為勻速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力為，為加速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力為，為減速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力為。通過比較勻速、加速、減速時(shí)的軸向力大小可知：當(dāng)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸向產(chǎn)生的負(fù)荷最大，其軸向力大小為700N。為了防止絲杠在由于變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生松懈，要是能讓絲杠一直受到拉應(yīng)力的作用即可。于是選擇大于軸向力的張緊力，為。所選用的Y軸絲杠GY2510ES-HULR-2000A型外徑，溝槽內(nèi)徑，絲杠螺距，線數(shù)，導(dǎo)程絲杠允許拉伸負(fù)荷由式(3-7)計(jì)算得：所以符合軸向負(fù)載要求。（2）檢驗(yàn)絲杠徑向負(fù)載已知所設(shè)計(jì)的Y軸絲杠上運(yùn)動(dòng)的是整個(gè)Z軸移動(dòng)臂，其重力，在絲杠運(yùn)動(dòng)過程中忽略其他徑向負(fù)荷影響，則所受最大徑向負(fù)載為784N，根據(jù)絲杠最大允許圧曲負(fù)載公式有：故絲杠在徑向負(fù)載上符合設(shè)計(jì)要求。（3）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速把相關(guān)參數(shù)代入（3-8）和（3-9）中可得絲杠得臨界轉(zhuǎn)速如下：=70000-25=2800取二者中較小的=1510，本文所選用的電機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)速不可能大于1510轉(zhuǎn)。由此可見，該絲杠符合對于轉(zhuǎn)速的要求。（4）檢查絲杠的使用壽命檢驗(yàn)絲杠的壽命就要知道其至少能使用多少年，因此，無論絲杠做怎樣的無規(guī)律運(yùn)動(dòng)，這里都假設(shè)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是加速運(yùn)動(dòng)，這樣才能時(shí)絲杠的軸向力一直保持最大狀態(tài)，以得出絲杠的最短使用壽命。取=700N。根據(jù)公式（3-10）得出其一共可以轉(zhuǎn)得總轉(zhuǎn)數(shù)為。再根據(jù)公式（3-11）換算成年得：。因此，該絲杠的最短使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于所設(shè)計(jì)的切割機(jī)要求的20年。符合壽命要求。3.檢驗(yàn)X軸所用絲杠（1）檢驗(yàn)X軸所用絲杠的負(fù)荷本文設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)X軸方向上的絲杠，由于Z軸和Y軸的絲杠都是在X軸上運(yùn)動(dòng)的，其質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Z軸絲杠和Y軸絲杠。假設(shè)其重量是Z軸的五倍，即m=200kg，運(yùn)動(dòng)時(shí)的除摩擦阻力之外的阻力為=70N，其變速的時(shí)間為0.1s，能達(dá)到的最快速度為=50。那么：其運(yùn)動(dòng)的加速度為=，當(dāng)運(yùn)動(dòng)方式為勻速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力為，為加速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力，為減速時(shí)，產(chǎn)生的軸向力為。通過比較勻速、加速、減速時(shí)的軸向力大小可知：當(dāng)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸向產(chǎn)生的負(fù)荷最大，其軸向力大小為1746N。因?yàn)樵赬軸方向?yàn)殡p絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，則在負(fù)載上我們?nèi)“胫?，即單根絲杠上最大軸向負(fù)載為。為了防止絲杠在由于變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生松懈，要是能讓絲杠一直受到拉應(yīng)力的作用即可。于是選擇大于軸向力的張緊力，為。所選用的X軸絲杠GY4020ES-HUBR-4000A型外徑，溝槽內(nèi)徑，絲杠導(dǎo)程絲杠允許拉伸負(fù)荷由式(3-7)計(jì)算得：所以符合軸向負(fù)載要求。（2）絲杠徑向負(fù)載的校核已知所設(shè)計(jì)的X軸絲杠上運(yùn)動(dòng)的是整個(gè)Y軸移動(dòng)梁，其重力，在絲杠運(yùn)動(dòng)過程中忽略其他徑向負(fù)荷影響，則所受最大徑向負(fù)載為1960N，由于在X軸方向?yàn)殡p絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，則在負(fù)載上我們?nèi)“胫?，即單根絲杠上最大徑向負(fù)載為，依據(jù)絲杠最大允許圧曲負(fù)載公式有：故絲杠在徑向負(fù)載上符合設(shè)計(jì)要求。（3）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速把相關(guān)參數(shù)代入（3-8）和（3-9）中可得絲杠得臨界轉(zhuǎn)速如下：==70000/15=2056取二者中較小得=830，這么說來，得要選擇一種每分鐘轉(zhuǎn)速小于830轉(zhuǎn)的電機(jī)。（4）檢驗(yàn)絲杠使用壽命檢驗(yàn)絲杠的壽命就要知道其至少能使用多少年，因此，無論絲杠做怎樣的無規(guī)律運(yùn)動(dòng)，這里都假設(shè)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是加速運(yùn)動(dòng)，這樣才能時(shí)絲杠的軸向力一直保持最大狀態(tài)，以得出絲杠的最短使用壽命。取=873N。根據(jù)公式（3-10）得出其一共可以轉(zhuǎn)得總轉(zhuǎn)數(shù)為。再根據(jù)公式（3-11）換算成年得：。因此，該絲杠的最短使用壽命長于所設(shè)計(jì)的切割機(jī)要求的20年。符合壽命要求。3.2電機(jī)的選型此次設(shè)計(jì)的金屬薄板激光切割機(jī)在工作的時(shí)候，其要求的精度要達(dá)到很高。常用的電機(jī)有三種，永磁式步進(jìn)電機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)。為了滿足切割機(jī)切割精度高的硬性要求，本文選擇了混合式步進(jìn)電機(jī)。依照下表3-1選擇符合上文滾珠絲杠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的電機(jī)[10]。電機(jī)及其尺寸如下圖3-5所示：表3-1不同電機(jī)的參數(shù)型號步距角相數(shù)電壓(V)電流(A)轉(zhuǎn)矩(N·m)額定功率（W）額定轉(zhuǎn)速(r/min)電感(mH)110BYG550A0.36°580-300310300015009.5110BYG550B0.36°580-30031530008009.590BYG550A0.36°530-30033.5150015003圖3-5電機(jī)實(shí)物圖及尺寸下面先初定了步進(jìn)電機(jī)的型號，然后根據(jù)特定型號的電機(jī)技術(shù)參數(shù)來進(jìn)行切割機(jī)的精度檢驗(yàn)，從而更加確切的確定電機(jī)型號的選擇。初定：因?yàn)閄軸絲杠最大容許轉(zhuǎn)速僅為830r/min，在X軸方向，選用型號為110BYG550B的五相步進(jìn)電機(jī)。在Y軸方向上，選用型號為110BYG550A的五相步進(jìn)電機(jī)。在Z軸方向上，選用型號為90BYG550A的五相步進(jìn)電機(jī)。其中，X,Y,Z三軸的電機(jī)的步距角都為0.36度。由=0.36°/360°×10mm=0.01mm得：X軸方向上的脈沖當(dāng)量為0.01mm。而Y軸的脈沖當(dāng)量和X軸相同，正好可以滿足X和Y軸對于精度的要求。在Z軸方向上的脈沖當(dāng)量為：=0.36°/360°×4mm=0.004mm≤0.005mm因此，初定的電機(jī)型號都可以滿足X,Y,Z軸對于精度的要求，也就是滿足金屬薄板激光切割機(jī)的精度要求。初定的選擇方案成立。

4切割機(jī)其余部分的設(shè)計(jì)4.1激光器的選擇4.1.1激光器的分類激光器（圖4-1）是一種能夠使激光產(chǎn)生并且發(fā)射的裝置。一般來說，常見的激光器都是由泵浦源、工作物質(zhì)以及諧振腔構(gòu)成的。在生活和生產(chǎn)中，激光器的應(yīng)用技術(shù)非常的成熟。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科研人員研發(fā)出了許多種類的激光器，主要有氣體激光器、固體激光器、液體激光器以及化學(xué)激光器等[11]。圖4-1激光器不同類型的激光器，其特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同。激光器發(fā)射的激光光波最長的是氣體激光器。它的工作物質(zhì)既可以是氣體，也可以是蒸汽。其激勵(lì)方式更是多種多樣，常見的有電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、光激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)等。氣體激光器也是應(yīng)用范圍最廣的激光器之一。二十世紀(jì)六十年代，世界上誕生了第一臺激光器，紅寶石激光器。該激光器屬于固體激光器，工作物質(zhì)為固體。固體激光器最大的優(yōu)點(diǎn)就是其光束質(zhì)量好、輸出功率高。缺點(diǎn)就是體積大、維護(hù)成本高、易受外界振動(dòng)以及溫度的影響。液體激光器又叫做染料激光器，是因?yàn)橐后w激光器的工作物質(zhì)是一些有機(jī)染料溶解于某些醇類化合物中所形成的液體。液體激光器常常被用來進(jìn)行光譜分析等科學(xué)研究?；瘜W(xué)激光器其實(shí)是氣體激光器中的一種特殊的激光器。它的工作原理大致是利用物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)釋放出來的能量使得工作粒子數(shù)量發(fā)生反轉(zhuǎn)?；瘜W(xué)激光器最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省電力，所以電力資源不充沛的地區(qū)常常使用化學(xué)激光器。除了上述幾種常見的激光器之外，還有很多類型的激光器。本文在此不做介紹。4.1.2氣體激光器的介紹在上文的激光器的分類中，已經(jīng)提到了氣體激光器的工作物質(zhì)是氣體或者是蒸汽。下圖4-2介紹了氣體激光器的基本結(jié)構(gòu)，兩個(gè)軸對稱的反射鏡、電源、布儒斯特窗等。在氣體激光器常用的激勵(lì)方式中，電激勵(lì)最為普遍。通過放電的條件，腔內(nèi)的電子不停的在碰撞。在碰撞的過程中，氣體粒子間發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換，能量高的一些粒子與能量低的粒子之間發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生被激發(fā)射的跳躍。最早被研發(fā)的氣體激光器是氦-氖激光器，隨后產(chǎn)生了二氧化碳激光器[12]。由于氣體的光學(xué)均勻性優(yōu)于固體和液體，因而氣體激光器發(fā)射的激光的方向性、單色性以及頻率的穩(wěn)定性要優(yōu)于固體激光器和液體激光器。但是，由于氣體的密度比固體和液體小，氣體激光器發(fā)射的激光束密度比固體激光器和液體激光器要小。氣體激光器以其結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低以及發(fā)射激光的質(zhì)量好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，是市場上銷售業(yè)績最好的一種激光器。圖4-2氣體激光器結(jié)構(gòu)圖氣體激光器也有多種類型。根據(jù)其工作物質(zhì)的不同粒子劃分，可分為原子、離子、分子、準(zhǔn)分子氣體激光器四類。下面主要介紹分子氣體激光器。分子氣體激光器是以二氧化碳、氮?dú)狻⑺魵獾戎行詺怏w作為工作介質(zhì)的激光器。這些中性氣體都有共同的特點(diǎn)，就是波長范圍非常廣。這就使得分子氣體激光器輸出的激光束分布范圍很廣，其分布范圍包括紫外到紅外。二氧化碳激光器是效率最高的分子氣體激光器，其效率大約在百分之十到百分之二十五之間。它的連續(xù)輸出功率能夠達(dá)到上萬瓦。二氧化碳激光器工作在多條振轉(zhuǎn)光譜線上，這些光譜線的中心在9.4微米到10.4微米之間。該激光器具有很多明顯的優(yōu)勢，它的輸出功率高、工作范圍廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、安全無公害。使得其被廣泛應(yīng)用于切割與焊接工作中。4.1.3二氧化碳激光器的選取激光器是根據(jù)所設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)的加工材料的特點(diǎn)來選擇的。該激光切割機(jī)的切割對象是薄的金屬板，并且要求在進(jìn)行切割工作時(shí)，不必移動(dòng)金屬板，而是激光切割機(jī)能夠自動(dòng)切割。激光器是連接在激光切割頭中，利用切割頭的自行移動(dòng)來達(dá)到自動(dòng)切割的目的。本文選擇了由武漢光谷科威晶激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HT2500型激光器。如圖4-3所示。該激光器因輸出的激光束邊緣能量低且分散，中間能量較集中的特點(diǎn)被常常用于切割工作。此次設(shè)計(jì)的切割機(jī)切割金屬薄板的厚度大致為0.6到6毫米之間，該激光器的輸出的激光功率為100到2500瓦，可以適用于該激光切割機(jī)的切割工作。又由于該激光切割機(jī)要求的切割精度高，所選用的激光器發(fā)射出的激光束具有良好的質(zhì)量，能夠滿足對于切割精度的要求。所選取的激光器具體參數(shù)如下表4-1。表4-1HT2500型氣體激光器技術(shù)參數(shù)表類別技術(shù)參數(shù)激光波長（mm）0.0106輸出功率最大值（W）2700發(fā)出激光功率（W）100-2500激光功率穩(wěn)定度4%光斑半徑（mm）7光束發(fā)散角（mrad）小于2.0光電穩(wěn)定度（mrad）小于0.2激光偏振狀態(tài)45度線偏振工作方式連續(xù)、脈沖、超脈沖脈沖頻率（Hz）20－2000最小脈寬（μs）250峰值功率（W）4800預(yù)熱時(shí)間（min）小于6圖4-3HT2500激光器4.2激光光路的設(shè)計(jì)激光光路在本次設(shè)計(jì)中承擔(dān)著傳導(dǎo)激光路線的任務(wù)，整個(gè)光路系統(tǒng)的存在才使得從激光器處發(fā)射出來的激光能而投射到激光切割頭，再聚焦在加工工件上。此外，這次的光路設(shè)計(jì)還要考慮到激光光線傳遞跟隨切割機(jī)運(yùn)作的運(yùn)動(dòng)性，因此在激光光路這方面，也是重要的設(shè)計(jì)部分之一。4.2.1激光光路結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)的激光切割機(jī)主要存在x，y，z三軸的軸向結(jié)構(gòu)，并且激光切割頭能沿三方向移動(dòng)，為了能夠良好地傳遞激光，我所設(shè)計(jì)的激光光路同樣以x，y，z三軸作為主要架構(gòu)，整個(gè)光路系統(tǒng)主要以截面為圓形的光路筒形式傳遞激光光線，分為了x，y，z三軸光路筒。由于切割機(jī)有著能沿x軸方向移動(dòng)的y軸橫梁，和能夠沿y軸方向移動(dòng)的z軸豎直臂，則在對光路的設(shè)計(jì)中，同樣要有能沿x軸方向運(yùn)動(dòng)的y軸光路筒以及能沿y軸方向運(yùn)動(dòng)的z軸光路筒。為了光路筒的順利移動(dòng)，我所設(shè)計(jì)的光路筒并非完全閉合的圓形光路筒，分別在x軸光路筒的側(cè)面和y軸的光路筒的底面留出了8mm的軸向類似線槽的空間，讓光路筒內(nèi)的反射鏡及固定裝置與連桿相接，連桿通過預(yù)留空間，與光路筒外的移動(dòng)梁（臂）連接，同時(shí)，光路筒也同樣通過連桿與移動(dòng)梁（臂）相連接，這就實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)梁（臂）移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)著光路筒以及光路筒中的反射裝置共同移動(dòng)，這就使得激光的路線能夠隨之變化，達(dá)到了完好傳遞激光的效果。而對于z軸光路筒，由于除頂部y軸光路筒外，不再有與之相連而產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)的光路筒，因此z軸方向的光路筒設(shè)計(jì)為全閉合的圓形光路筒，筒外加有軟管保護(hù)。沿y軸方向?qū)軸光路筒與z軸光路筒連接處的剖視圖如圖4-4所示。圖4-4y，z軸光路筒連接處剖視圖在光路筒的材料方面，選擇了應(yīng)用于機(jī)械制造中較為普遍的灰鑄鐵HT200（圖4-5），由于灰鑄鐵HT200強(qiáng)度、耐熱性、耐磨性均較好，減振性和鑄造性能達(dá)標(biāo)，能夠?qū)饴份^好地進(jìn)行封閉保護(hù)作用。圖4-5HT200灰鑄鐵4.2.2光路反射鏡材料因?yàn)橛杉す馄鬏敵龅募す馐?0.6um波長紅外光，不能透過光學(xué)玻璃，且功率很大，需要特別的反射或透射光學(xué)元件材料。通常制造反射鏡的材料有銅Cu、鉬Mo、硅Si和鍺Ge[13]。它們的性能對比如下表4-2示：表4-2激光反射鏡材料性能比較性能CuMoGe*Si*導(dǎo)熱系數(shù)（W·cm-1K-1）3.941.460.591.4硬度（努普）1607006901150激光脈沖（t=1.2ms）作用下的破壞閥值（J/cm2）835（t=600ms時(shí)）1.22.0**1.5***激光連續(xù)作用下得破壞閥值（Kw/cm2）＞50＞10≤1≤1熱膨脹系數(shù)（K-1）×10-62.5*帶介質(zhì)膜**帶保護(hù)介質(zhì)銀膜***帶增強(qiáng)反射介質(zhì)銀膜銅、銀、金等金屬導(dǎo)電率高，對激光具有高的導(dǎo)熱系數(shù)，且具有較高的反射率，表面吸收的激光能量更容易導(dǎo)出，溫升低，破壞閥值非常高，適宜用作于激光的反射鏡。其中又因?yàn)榧冦~(無氧鋼)因其價(jià)廉而得到廣泛應(yīng)用，因此采用研磨拋光法，制造拋光純銅反射鏡。4.2.3激光頭透射鏡材料用于激光的透射材料大致有三種半導(dǎo)體材料：鍺(Ge)、硒化鋅(ZnSe)和砷化鎵(GaAs)。ZnSe對可見光的黃、紅部分透明，而GaAs、Ge對可見光不透明。透射光學(xué)元件的失效原因主要表現(xiàn)在熱破壞和熱畸變兩個(gè)方面，它們往往都是因在高的激光功率密度下，基體材料過量地吸收光能的結(jié)果，因此一般都是以抗熱破壞和抗熱畸變的能力的高低來區(qū)分透射材料的優(yōu)劣?！愎馐际侵行膹?qiáng)，邊緣弱，加上中心部分散熱的條件比較差，因此透鏡中心部分溫度較高，易膨脹，而且中心部分突起，加上進(jìn)鏡材料具有正的折射率溫度系數(shù)，折射率隨溫度升高而增加，從而產(chǎn)生凸透鏡效應(yīng)。在不同鏡片的凸透鏡效應(yīng)中所導(dǎo)致的光學(xué)畸變也并不相同，如圖4-6所示：圖4-6不同透鏡的光學(xué)畸變透鏡的熱畸變越是小，其熱畸變品質(zhì)因素也會越高。由于Ge在這方面的品質(zhì)較弱，因此在本次設(shè)計(jì)的透射鏡中不考慮使用Ge材料，下面就用熱畸變品質(zhì)因素來比較ZnSe和GaAs兩種材料在不同使用條件下的熱畸變的不同。以此作為選擇合適我所設(shè)計(jì)的切割機(jī)激光頭使用的透射鏡材料的依據(jù)[14]。透鏡對激光的吸收有基體和表面(鍍膜層）兩部分組成。ZnSe和GaAs二種基體材料對激光的吸收系數(shù)有著顯著區(qū)別，GaAs的吸收系數(shù)為ZnAs的7倍，ZnSe吸收光能少，在這方面有顯著優(yōu)勢，但基體材料的吸收系數(shù)只影響基體所吸收的那部分光能的大小。而基體吸收和表面吸收這兩部分吸收的總光能都要通過基體導(dǎo)熱來消散，在導(dǎo)熱性方面，GaAs又比ZnSe好得多，GnAs的導(dǎo)熱系數(shù)是ZnSe的2.7倍，究竟用哪種材料制造透鏡熱畸變品質(zhì)因素較高、熱畸變較??？那就要看透鏡對激光的吸收是以哪種吸收為主了。當(dāng)以表面吸收為主時(shí)，GaAs基體較強(qiáng)的吸收不是主要的熱源，而其高導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)揮主要作用，熱畸變較小。相反地，當(dāng)對激光的吸收以基體吸收為主時(shí)，則ZnSe對激光的吸收系數(shù)小起主要作用，其熱畸變品質(zhì)因素較高。參考下圖4-7可知，當(dāng)透鏡表面鍍50％的反射膜時(shí)，只有一部分激光穿過基體，表面鍍膜層的吸收對比基體的吸收，占主導(dǎo)地位，GaAs的熱畸變品質(zhì)因素更高，GaAs比ZnSe更好，所以GaAs常作為數(shù)千瓦激光器的諧振腔輸出鏡。綜合考慮，還是選擇GaAs作為輸出激光頭的透射鏡。圖4-7鍍50％反射膜，熱畸變品質(zhì)因素與表面吸收率的關(guān)系4.3保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)任何設(shè)備都有其保護(hù)裝置。正是由于保護(hù)裝置的存在，機(jī)械設(shè)備才能更好、更安全、更持久的進(jìn)行生產(chǎn)加工。此次設(shè)計(jì)的金屬薄板激光切割機(jī)在工作的過程中，各類管道和導(dǎo)線可能出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。為了避免該現(xiàn)象的發(fā)生，下文中選取了金屬保護(hù)管和保護(hù)軟管來對切割機(jī)進(jìn)行保護(hù)工作。(1)金屬保護(hù)管的選擇除了保護(hù)各類管道免受損壞之外，選用金屬保護(hù)管還能起到防塵的作用，使切割機(jī)表面更加干凈。在此，采用了有良好的韌性、高彈性和耐磨性，保護(hù)性能比較好的JR-2型矩形金屬軟管（全封閉強(qiáng)力型）(圖4-8)：圖4-8JR-2型矩形金屬軟管其參數(shù)如下（表4-3）：表4-3JR-2型矩形金屬軟管參數(shù)內(nèi)徑（mm）外徑（mm）回轉(zhuǎn)半徑（mm）軸向拉力（kN）36×7443.6×77.911060(2)保護(hù)軟管的選擇切割機(jī)在使用的過程中，由于外力的作用，其導(dǎo)線很容易遭到損壞，于是，在此選用了保護(hù)軟管對導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)工作。選用的保護(hù)軟管型號為EW-PA14，如圖（4-9）所示。該軟管的主要材料是聚乙烯，其