- 1 -第一章 緒論1.1 課題背景激光被譽(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 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?！笆濉钡闹饕ぷ魇谴龠M(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)展的一個重要趨勢。1.2 本課題主要研究內(nèi)容激光切割的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的綜合技術(shù)。激光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質(zhì)量，特別是對于切割精度較高或厚度較大的零件，必須掌握和解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一．焦點(diǎn)位置控制技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點(diǎn)位置的簡便方法有三種：（1）打印法：使切割頭從上往下運(yùn)動，在塑料板上進(jìn)行激光束打印，打印直徑最小處為焦點(diǎn)。（2）斜板法：用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動，尋找激光束的最小處為焦點(diǎn)。（3）藍(lán)色火花法：去掉噴嘴，吹空氣，將脈沖激光打在不銹鋼板上，使切割頭從上往下運(yùn)動，直至藍(lán)色火花最大處為焦點(diǎn)。二．切割穿孔技術(shù)。任何一種熱切割技術(shù)，除少數(shù)情況可以從板邊緣開始外，一般都必須在板上穿一小孔。早先在激光沖壓復(fù)合機(jī)上是用沖頭先沖出一孔，然后再用激光從小孔處開始進(jìn)行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機(jī)有兩種穿孔的基該方法。（1）爆破穿孔：（Blast drilling），材料經(jīng)連續(xù)激光- 2 -的照射后在中心形成一凹坑，然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一孔。（2）脈沖穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化，常用空氣或氮?dú)庾鳛檩o助氣體，以減少因放熱氧化使孔擴(kuò)展，氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射，逐步深入，因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成，立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。三．噴嘴設(shè)計及氣流控制技術(shù)。激光切割鋼材時，氧氣和聚焦的激光束是通過噴嘴射到被切材料處，從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進(jìn)行放熱反應(yīng)；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。其次要研究數(shù)控機(jī)床，主要是床身的進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)械傳動系統(tǒng)，機(jī)床主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀架及自動換刀裝置等機(jī)械部件。它是在數(shù)控機(jī)床上自動地完成各種切削加工的機(jī)械部分。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為：1．激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。2．激光加工工藝。包括切割(laser beam cutting)、焊接(Laser Welding)、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)。- 3 -第二章 總體方案的擬定2.1 設(shè)計任務(wù)本次設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計一臺數(shù)控激光切割機(jī)床的 X Y Z 進(jìn)給系統(tǒng)以及切割系統(tǒng)。對于單片機(jī)、芯片，電路等部分不作為設(shè)計要求，只做一般了解。單片機(jī)對 XY 工作臺的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)以及 Z 軸垂直進(jìn)給系統(tǒng)的的脈沖當(dāng)量為。工作臺部件主要機(jī)構(gòu)為滾珠絲桿副、滾動直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)plusem/01.電機(jī)、工作臺等。設(shè)計時應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝2.2 總體方案的選擇及擬定圖 2.1 總體方案圖采用 89C51 主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由 I/O 接口輸出控制信號給驅(qū)動器，來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。其原理示意圖 2.1。- 4 -步進(jìn)電機(jī)參照 RORZE 株式會社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質(zhì)量和運(yùn)行精度 ,同時驅(qū)動器也選用 RORZE 的配套驅(qū)動器產(chǎn)品。滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設(shè)計參照了漢江機(jī)床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料，力求從技術(shù)性能、價格狀況、通用互換性等各方面因素考慮，最后選用南京工藝裝備廠的 FFZD 系列滾珠絲杠，即內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副。- 5 -第三章 激光切割系統(tǒng)的設(shè)計3.1 激光器3.1.1 激光器的組成一個常規(guī)的激光器包括三個部分：工作物質(zhì)，泵浦源和光學(xué)諧振腔。（1）工作物質(zhì)工作物質(zhì)是產(chǎn)生激光的物質(zhì)基礎(chǔ)，是激光器的核心部分，是用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激輻射的物質(zhì)體系。工作物質(zhì)的分類方式通常有兩種：一種是根據(jù)工作物質(zhì)的存在形態(tài)分類，工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體及半導(dǎo)體等；另一種是根據(jù)速率方程理論分析產(chǎn)生激光的過程所適用的能級結(jié)構(gòu)，可以分為三級能系統(tǒng)、四級能系統(tǒng)等。（2）泵浦源泵浦源（激勵源）是為了實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)提供能量的裝置。根據(jù)激勵時利用的能量形式，泵浦方式有放電激勵、光激勵、熱能激勵、化學(xué)能激勵和核能激勵等。氣體放電激勵是利用高壓電壓下，氣體分子電離導(dǎo)電，與此同時氣體分子與被電場加速的電子碰撞，吸收電子能量后躍遷到高能級，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，除此之外，還可以利用電子槍產(chǎn)生的高速電子去泵浦工作物質(zhì)，使之躍遷至高能級稱為電子束激勵。光能激勵是利用光照射工作物質(zhì)，工作物質(zhì)吸收光能后產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。熱能激勵是利用高溫加熱的方式使高能級上粒子數(shù)增多，然后突然降低氣體溫度，因?yàn)楦叩湍芗壍臒岢谠r間不同，低能級弛豫時間短，高能級弛豫時間長，從而產(chǎn)生高低能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。化學(xué)能激勵利用化學(xué)反應(yīng)過程中釋放化學(xué)能將粒子泵浦到上能級，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。核能激勵是利用核反應(yīng)過程中產(chǎn)生的核能激勵工作物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。（3）光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光的外在條件，是激光器的重要組成部分。激光所具有的高方向性，高單色性，高相干性和高亮度的特點(diǎn)，是與光學(xué)諧振腔密不可分的。光學(xué)諧振腔具有正反饋和選模的雙重作用，所謂正反饋，即初始光強(qiáng)在反射鏡間往返傳播，等效于增加激活介質(zhì)的長度，最終可保證一個確定大小的光強(qiáng)。3.1.2 激光器的分類- 6 -（1)可調(diào)諧激光器:可調(diào)諧激光器 tunable laser 是指在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器（見激光）。這種激光器的用途廣泛，可用于光譜學(xué)、光化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、集成光學(xué)、污染監(jiān)測、半導(dǎo)體材料加工、信息處理和通信等。(2)單模激光器:輸出為單橫模(一般為基模)、多縱模的激光器。具體細(xì)分為化學(xué)化學(xué)氧碘激光器和液體激光器?；瘜W(xué)氧碘激光器是一種機(jī)載激光器。機(jī)載激光器系統(tǒng)是以改型的波音 747-400F 飛機(jī)作為發(fā)射平臺（代號 YAL-1A），以產(chǎn)生高能激光的化學(xué)氧碘激光器為核心，配置跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和光束控制與發(fā)射系統(tǒng)，利用激光作為能量直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向能武器。二氧化碳激光器二氧化碳激光器是以 CO2 氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器。放電管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以 CO2 氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮?dú)?，一般還有少量的氫或氙氣）；電極一般是鎳制空心圓筒；諧振腔的一端是鍍金的全反射鏡，另一端是用鍺或砷化鎵磨制的部分反射鏡。當(dāng)在電極上加高電壓（一般是直流的或低頻交流的），放電管中產(chǎn)生輝光放電，鍺鏡一端就有激光輸出，其波長為 10.6 微米附近的中紅外波段；一般較好的管子。一米長左右的放電區(qū)可得到連續(xù)輸出功率 40～60 瓦。CO2 激光器是一種比較重要的氣體激光器（3）液體激光器：液體激光器也稱染料激光器，因?yàn)檫@類激光器的激活物質(zhì)是某些有機(jī)染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發(fā)它們發(fā)射出激光，一般采用高速閃光燈作激光源，或者由其他激光器發(fā)出很短的光脈沖。液體激光器發(fā)出的激光對于光譜分析、激光化學(xué)和其他科學(xué)研究，具有重要的意義。（4）數(shù)字激光器：數(shù)字激光器將其中一個反射鏡換成了“空間光調(diào)制器”?！翱臻g光調(diào)制器”如同一個可反光的微型液晶顯示屏，“只需通過電腦向顯示屏輸入特定圖像就能得到所需要的激光模式。其最大特點(diǎn)是不用為每束激光設(shè)計一個新激光器，只需在電腦上變換圖片，就能得到想要的光束形狀。數(shù)字激光可以創(chuàng)建幾乎任何激光模式，而在以前，每束光都需要一個單獨(dú)激光器，為此很多人需要花費(fèi)一兩年才能做到這項(xiàng)發(fā)明是激光技術(shù)的一個里程碑，在醫(yī)療領(lǐng)域，它可以用作無血手術(shù)，眼部護(hù)理和牙科。在工業(yè)領(lǐng)域，它可以幫助切割，焊接。在通信領(lǐng)域，它將極大促進(jìn)光纖通信的發(fā)展。3.2 激光切割設(shè)備3.2.1 激光切割設(shè)備的組成激光切割設(shè)備按激光工作物質(zhì)的不同，可分為固體激光切割設(shè)備和氣體激光切割設(shè)備；按激光器工作方式的不同，可分為 連續(xù)激光切割設(shè)備和脈沖激光切割設(shè)備。激光切割大都都采用 切割設(shè)備，主要由激光器，導(dǎo)光系統(tǒng)，數(shù)2CO- 7 -控運(yùn)動系統(tǒng)，割炬，氣源，水源及抽煙系統(tǒng)組成。典型的 激光切割設(shè)備的2CO基本構(gòu)成如下圖 3.1 所示：圖 3.1 激光切割設(shè)備基本構(gòu)成圖激光切割設(shè)備個結(jié)構(gòu)的作用：（1）激光電源：供給激光振蕩用的高壓電源。（2）激光振蕩器：產(chǎn)生激光的主要設(shè)備。（3）折射反光鏡：用于將激光導(dǎo)向做需要的方向。為了使光束通路不發(fā)生故障，所有反光鏡都要保護(hù)罩加以保護(hù)。（4）割炬：主要包括槍體、聚焦透鏡和切割工件。（5）切割工作平臺：用于安放被切割工件，并能按控制程序正確而精確地進(jìn)行移動，通常用伺服電機(jī)驅(qū)動。（6）割炬驅(qū)動裝置：用于按照程序驅(qū)動割炬沿 X 軸和 Z 軸方向運(yùn)動，由伺服電機(jī)和絲桿等傳動件組成。（7）數(shù)控裝置：對切割平臺和割炬的運(yùn)動進(jìn)行控制，同時也控制激光器的輸出功率。（8）操作面板：用于控制整個切割裝置的工作過程。（9）氣瓶：包括激光工作介質(zhì)氣瓶和輔助氣瓶，用于補(bǔ)充激光振蕩器的工作氣- 8 -體和供給切割的輔助氣體。（10）冷卻水循環(huán)裝置：用于冷卻激光振蕩器。激光器是利用電能轉(zhuǎn)化成光能的裝置，如 激光器的轉(zhuǎn)換效率一般為 20%，剩余的 80%能量就變換為熱量。2CO冷卻水吧多余的熱量帶走以保持振蕩器的正常工作。（11）空氣干燥器：用于向激光振蕩器和光束通路供給潔凈的干燥空氣，以保持通路和反射鏡的正常工作。3.2.2 激光切割用激光器切割用的激光器主要有 激光器和 激光器兩種。其加工性能比較如2COYAG表 3.1：表 3.1 加工性能比較表一激光器 波長 m?振蕩形式 輸出功率 效率（%）用途激光器2CO10.6 脈沖/連續(xù) 20KW 20 打孔，切割焊接，熱處理激光器YAG1.06 脈沖/連續(xù) 1.8 3 打孔，焊接切割，燒刻表 3.2 加工性能比較表二項(xiàng)目 激光器2CO激光器YAG聚焦性能 光束發(fā)散角小，以獲得基模，聚焦后光斑小光束發(fā)散角大，不易獲得單模式，聚焦后光斑大，功率密度低金屬激光的吸收率 低 高切割特性 好 較差結(jié)構(gòu)特性 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，對光路精度要求高結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，光路和光學(xué)零件簡單維護(hù)性 差 良好加工柔性 差 好（1） 激光器2CO激光器是利用封閉在容器內(nèi)的 氣體作為工作物質(zhì)經(jīng)受激振蕩后產(chǎn)2CO- 9 -生的光和放大。氣體通過施加高壓電形成輝光狀態(tài)，借助設(shè)在容器兩端的反射鏡使其在反射鏡之間的區(qū)域不斷受激勵并產(chǎn)生激光。（2） 激光器YAG激光器是借助光學(xué)泵將電能轉(zhuǎn)化為的光能量傳送到工作介質(zhì)當(dāng)中去，使之在激光棒與電弧燈周圍形成一個泵室。同時通過激光棒兩端的反光鏡，使得光對準(zhǔn)激工作介質(zhì)，對其進(jìn)行激勵以產(chǎn)生光放大，從而獲得激光。3.2.3 激光切割用割炬激光切割割炬主要由割炬體，聚焦透鏡，反射鏡和輔氣體噴嘴組成，根據(jù)《數(shù)控切割機(jī)床》，主要的參考結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖 3.2 所示：圖 3.2 激光切削裝置布局圖（1）割炬體激光切割時，割炬體應(yīng)當(dāng)滿足①割炬時應(yīng)當(dāng)噴出足夠的氣流②割炬內(nèi)氣體的噴射方向必須與反射鏡的光軸同軸- 10 -③割炬的焦距能夠方便調(diào)節(jié)④切割時，保證金屬蒸汽和切割金屬的飛濺不會損傷反射鏡割炬的移動是通過數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，割炬和工件間的相對移動有三種情況本設(shè)計采用割炬和工作臺同時運(yùn)動。（2）聚焦透鏡聚焦透鏡用于聚焦射入割炬的平行激光束，以獲得較小的光斑和較小的功率密度。透鏡通常采用能透過激光波長的材料制造。（3）反射鏡反射鏡是用來改變激光器的光束方向。對固體激光器發(fā)出的光束可以使用內(nèi)光學(xué)玻璃制造的反射鏡，而對 激光切割裝置中的反射鏡常用銅或反射率2CO較高的金屬制造。反射鏡在使用過程中，為了避免反射鏡受到光照過熱而損壞，通常用水進(jìn)行冷卻。（4）噴嘴噴嘴用于向切割區(qū)內(nèi)噴射輔助氣體，其結(jié)構(gòu)形狀對切割效率和質(zhì)量有一定的影響。噴嘴一般選用一般根據(jù)切割工件的材質(zhì)、厚度、輔助氣體壓力等在經(jīng)試驗(yàn)后確定。3.3 激光切割頭的設(shè)計割頭具有多種先進(jìn)的智能和附加功能，如自動調(diào)整激光噴嘴距離、自動清潔噴嘴、同軸噴水機(jī)構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動、切割嘴擺動等。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，成切割頭的動態(tài)性能不好,隨動機(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 軸拖動重量在 5kg 以上時，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。激光切割頭總體如下圖 3.3：- 11 -圖 3.3 激光切割頭- 12 -第四章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計4.1 XY 工作臺的設(shè)計4.1.1 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù)本設(shè)計的 XY 工作臺的參數(shù)定為：①工作臺行程：橫向 300mm縱向 360mm②工作臺最大尺寸（長×寬×高）：730×660×340mm③工作臺最大承載重量：80 kg④脈沖當(dāng)量： plusem/01.⑤進(jìn)給速度： in4⑥表面粗糙度：1.6～6.3⑦設(shè)計壽命：10 年4.1.2 XY 進(jìn)給系統(tǒng)的受力分析因激光切割機(jī)床為激光加工,其激光器與工件之間不直接接觸,因此可以認(rèn)為在加工過程中沒有外力負(fù)載作用。其切削力為零。XY 工作臺部件由工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成,各自之間均以滾動直線導(dǎo)軌副相聯(lián),以保證相對運(yùn)動精度。設(shè)下底座的傳動系統(tǒng)為橫向傳動系統(tǒng)，即 X 向，上導(dǎo)軌為縱向傳動系統(tǒng)，即 Y 向。一般來說,數(shù)控切割機(jī)床的滾動直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計,但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會影響電機(jī)的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施,其產(chǎn)生的負(fù)載波動應(yīng)控制在很小的范圍。4.1.3 初步確定工作臺尺寸及估算質(zhì)量初定機(jī)床尺寸(長×寬×高度)為:730×660×340mm設(shè)中托座尺寸(長×寬×高度)為: 30m94?估計總重量為 NkgW801?- 13 -預(yù)估工件及夾具總重量約 NkgW202?則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載 為:=1000WN4.2 Z 軸隨動系統(tǒng)的設(shè)計激光切割機(jī)對 Z 軸隨動機(jī)構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時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，隨動速度應(yīng)大于。隨動速度太快會造成切割頭上下震蕩，太慢又造成切割頭跟不上的min/5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)。切割頭具有多種先進(jìn)的智能和附加功能，如自動調(diào)整激光噴嘴距離、自動清潔噴嘴、同軸噴水機(jī)構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動、切割嘴擺動等。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，造成切割頭的動態(tài)性能不好,隨動機(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 軸拖動重量在 5kg 以上時，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。垂直進(jìn)給系統(tǒng)如圖 4.1：- 14 -圖 4.1 垂直進(jìn)給系統(tǒng)4.3 滾珠絲桿副設(shè)計計算4.3.1 滾珠絲杠的特點(diǎn)? 傳動效率高滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達(dá) 90%～98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的2～4 倍，如圖 1.1.1 所示，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運(yùn)動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（運(yùn)動可逆）。 ? 運(yùn)動平穩(wěn)滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動運(yùn)動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進(jìn)給。 ? 高精度滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運(yùn)動中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。? 高耐用性鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。- 15 -? 同步性好由于運(yùn)動平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 ? 高可靠性與其它傳動機(jī)械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 ? 無背隙與高剛性滾珠絲杠傳動系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀使鋼珠與溝槽達(dá)到最佳接觸以便輕易運(yùn)轉(zhuǎn)。若加入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性。? 減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達(dá)到更高的精度?，F(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一批又一批的高速數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。它 不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進(jìn)給系統(tǒng)提出了很高的要求：（1）最大進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)到 40 或更高；min/（2）加速度要高，達(dá)到 1 以上；g(3)動態(tài)性能要。4.3.2 主要參數(shù)①工作臺行程：橫向 300mm，縱向 360mm②全行程定位精度 =0.03mm??③矢動量 =0.01mm?④壽命：10000 小時單班制工作 10 年⑤總質(zhì)量：100 kg⑥各種切削方式的縱向切削力 ,速度 和時間比例 及其他見下表aFVq表 4.1表 4.1 切削力，速度，時間比例表切削方式 縱向切削力 )(NPxi垂直切削力 )(NPxi進(jìn)給速度 min)/(vi工作時間百分比絲桿軸向載荷 )(N絲桿轉(zhuǎn)速 min/r強(qiáng)力切削 2000 1000 0.5 10 2000 55- 16 -一般切削 1000 500 0.7 30 2000 75靜切削 500 200 1 50 600 95快速進(jìn)給 0 0 4 5 1000 370圖 4.2 圖二進(jìn)給滾珠絲杠裝配圖4.3.3 導(dǎo)程計算maxniVPh??（4.1）:工作臺最高移動速度max：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速n：傳動比i（1）電機(jī)與絲桿間為齒輪連接式， =4（取一級減速齒輪）i（2）由上表查得 min/150in,/4max1 rW??代入得 Ph6.5（3）查《機(jī)械設(shè)計手冊》取 Ph4.3.4 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷- 17 -（1）各種切削方式下，絲桿轉(zhuǎn)速 hiiPVn?（4.2）由上表查得 4,17.0,5.321?hV代入得 806?nn（2）各種切削方式下，絲桿軸向載 10/)(21zixii PwF?（4.3）:絲桿軸向載荷iF:縱向切削力xiP:垂直切削力 z由上表得 分別是)4,321(?ix N0,51,20分別是),(iPz N5,已知 wN,8021代入得 分別為)43(?iFN10,61,0（3）當(dāng)量轉(zhuǎn)速當(dāng)量轉(zhuǎn)速:mnin/r:工作時間百分比t,2110021nmtt??（4.4）數(shù)據(jù)代入得1432tttnt????i/0rm?(4)當(dāng)量載荷3 434323211 101000 ??????????? mmmmm ntFntntFntF（4.5）- 18 -代入數(shù)據(jù)得 NFm1049?4.3.5 初選滾珠絲杠副由公式《機(jī)械設(shè)計手冊》知：36 )(01wkahtmahfFcnL????（4.6）查《機(jī)械設(shè)計手冊》得 hLfff hwkaht 10,3.,5.0,1, ???代入數(shù)據(jù)可求得 KNc72984.3.6 確定允許的最小螺紋底徑(1)估算絲桿允許的最大軸向變形量① 重復(fù)定位精度)4/13(??m?② 定位精度5：最大軸變形量mm?已知重復(fù)定位精度 10定位精度 m25① ??3?② m6取兩種結(jié)果的最小值：??3?（2）估算螺紋最小底徑絲桿要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式mmmLFELd???????002 39.1（4.7）：最小螺紋底徑 mmm2- 19 -hLP10-4)1.2(）（行 程 ???靜摩擦力 0WF?已知：行程 360mm， 2.0,81?N代入數(shù)據(jù)得 mdFmL69500?4.3.7 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號（1）選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式（2）由計算出的 在《機(jī)械設(shè)計手冊》中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲桿副：mahdcP2,X 向： 504/350??FZDY 向： 8?hPNccama125420??4.3.8 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力max31FP?（4.8）其中 N210maxFp78?4.3.9 行程補(bǔ)償值與拉伸力（1）行程補(bǔ)償值 3108.???utlC式中 ankuLl2??（4.9）查《機(jī)械設(shè)計手冊》有950k- 20 -10?nL5a溫差取t?oC.2代入數(shù)據(jù)得 m?3?（2）預(yù)拉伸力295.1dtFt??代入得 Nt07?4.3.10 確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號，規(guī)格（1）軸承做承受的最大軸向載荷NFB6502450max???（4.10）（2）軸承類型兩端固定的支承形式，選用 角的圓錐滾子軸承03（3）軸承內(nèi)徑略小于 =40， ，d2max1BPF?取 0?代入數(shù)據(jù)得NFBP29①軸承預(yù)緊力：預(yù)緊力負(fù)載 BPF?②按《 機(jī)械設(shè)計手冊 》選取軸承型號規(guī)格當(dāng) 時，預(yù)加負(fù)載md17?BP所以選 32302 軸承，預(yù)加負(fù)載為 2900 NFBP290?4.3.11 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計（1）絲桿螺紋長度eusL2??- 21 -（4.11）由表查得余程 eL（2）兩固定支承距離 ，絲桿1L（3）行程起點(diǎn)離固定支承距離 05,801?Ls26e4.3.12 傳動系統(tǒng)剛度（1）絲桿抗壓剛度①絲桿最小抗壓剛度21min06.??ldks（4.12）：絲桿底徑2d：固定支承距離1l代入數(shù)據(jù)得：msNk?/782min?②絲桿最大抗壓剛度2012min)(46.???ldks（4.13）代入數(shù)據(jù)得：msNk?/90min?（2)支承軸承組合剛度①一對預(yù)緊軸承的組合剛度35max20 sin4.2?QBFzdK??（4.14）:滾珠直徑 mmQd- 22 -：滾珠數(shù)z：最大軸向工作載荷maxF軸承接觸角由《機(jī)械設(shè)計手冊》查得3306 軸承 是預(yù)加載荷的三倍axmNk?/870m?mBNK?/3750?②支承軸承組合剛度BObK2bk/③滾珠絲桿副滾珠和滾道的接觸剛度3/1').0(apcFk?（4.15）NFNkpamc 728,20,/25' ??代入數(shù)據(jù)得：c/149?4.3.13 剛度驗(yàn)算及精度選擇06,17,5.3??zdQ(1) cbskk1mini ??（4.16）代入前面所得的數(shù)據(jù)得301min?kcbskaxa?代入前面所得數(shù)據(jù)得4761min?k- 23 -10wF??已知NF160,2.,4601?：靜摩擦力0F：靜摩擦系數(shù)?：正壓力1w（2）驗(yàn)算轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的剛度已知反向差值和重復(fù)定位精度為 10；反 向 差 值0min6.Fk?.253in?（3）傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差)1(maxin0kFk???（4.17）代入得： k?5（4）確定精度:任意 360mm 內(nèi)行程變動量對系統(tǒng)而言pv30k????)8.(定 位 精 度定位精度為 30/2m?，絲桿精度取 3 級pv.1430?m.?（5）確定滾珠絲桿副的規(guī)格代號已確定型號： FZD公稱直徑：40導(dǎo)程：5螺紋長度 380，絲桿長度 510P 類精度 3 級- 24 -所選規(guī)格型號： 5042/350??FZD84.3.14 驗(yàn)算臨界壓縮載荷絲杠所受大軸向載荷 小于絲杠預(yù)拉伸力maxFF不用驗(yàn)算。4.3.15 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速7210??ccLdfn：臨界轉(zhuǎn)速cmin/：與支承有關(guān)的系數(shù)f：絲桿底徑2d：臨界轉(zhuǎn)速計算長度 mmcL由《機(jī)械設(shè)計手冊》得： 0122,4,9.1lldfc???可得 50490max??nc4.3.16 效率驗(yàn)算表 4.2 當(dāng)量摩擦系數(shù) f＇和當(dāng)量摩擦角 ρ ＇ 表格齒圈材料 錫 青 銅 無錫青銅 灰鑄鐵齒面硬度 HRC≥45 其它 HRC≥45 HRC≥45 其它相對速度 υ s m/s'f'?'f'?'f'?'f'?'f'?0.010.050.100.250.501.01.50.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0406°17′5°09′4°34′3°43′3°09′2°35′2°17′0.1200.1000.900.0750.0650.0550.056°51′5°43′5°09′4°17′3°43′3°09′2°52′0.1800.1400.1300.1000.0900.0700.06510°12′7°58′7°24′5°43′5°09′4°00′3°43′0.1800.1400.1300.1000.0900.0700.06510°2′7°58′7°24′5°43′5°09′4°00′3°43′0.1900.1600.1400.1200.1000.0900.08010°459°057°58′6°51′5°49′5°09′4°34′- 25 -2.02.53.04581015240.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0132°00′1°43′1°36′1°22′1°16′1°02′0°55′0°48′0°45′0.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0202°35′2°17′2°00′1°47′1°40′1°29′1°22′1°09′0.0550.050.0450.0400.0350.033°09′2°52′2°35′2°17′2°00′1°43′0.055 3°09′ 0.070 4°00′滾珠絲杠副的傳動效率為:??'tan?????（4.18） 式中 —滾珠絲杠的螺紋升角?—當(dāng)量摩擦角 '?根據(jù)當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角關(guān)系，前面已經(jīng)定 v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵 HRC≥45。所以： =4°05′ ， =0.0024 ；'?'tan?因?yàn)? dPh??arct?式中: —導(dǎo)程，5mmhd--絲杠公稱直徑，40mm則根據(jù)式（3.3）：039.??則根據(jù)式（3.2）得：＝0.942。?- 26 -第五章 導(dǎo)軌的選定5.1 主要要求及種類5.1.1 對導(dǎo)軌的基本要求（1）導(dǎo)軌精度高導(dǎo)軌精度是指機(jī)床的運(yùn)動部件沿導(dǎo)軌移動時的直線和它與有關(guān)基面之間的 相互位置的準(zhǔn)確性。無論在空載或切削工件時導(dǎo)軌都應(yīng)有足夠的導(dǎo)軌精度，這是對導(dǎo)軌的基本要求。（2）耐磨性能好導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌在長期使用過程中保持一定導(dǎo)向精度的能力。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免磨損，所以應(yīng)力求減少磨損量，并在磨損后能自動補(bǔ)償或便于調(diào)整。（3）足夠的剛度導(dǎo)軌受力變形會影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對位置，因此要求軌道應(yīng)有足夠的剛度。（4）低速運(yùn)動平穩(wěn)性要使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運(yùn)動輕便，低速運(yùn)動時無爬行現(xiàn)象。（5）結(jié)構(gòu)簡單，公益性好導(dǎo)軌的制造和維修要方便，在使用時便于調(diào)整和維護(hù)。5.1.2 導(dǎo)軌的技術(shù)要求（1)導(dǎo)軌的精度要求滑動導(dǎo)軌，不管是 V-平型還是平-平型，導(dǎo)軌面的平面度通常取0.01～0.015mm,長度方面的直線度通常取 0.005～0.01mm；側(cè)導(dǎo)向面的直線度取 0.01～0.015mm,側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度取 0.01～0.015mm,側(cè)導(dǎo)向面對導(dǎo)軌地面的垂直度取 0.005～0.01mm。 （2）導(dǎo)軌熱處理數(shù)控機(jī)床的開動率普遍都很高，這就要求導(dǎo)軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。為此，導(dǎo)軌大多需要淬火處理。導(dǎo)軌淬火的方式有中頻淬火、超音頻淬火、火焰淬火等，其中用的較多的是前兩種方式。- 27 -5.1.3 分類及特點(diǎn)導(dǎo)軌按運(yùn)動軌跡可分為直線運(yùn)動導(dǎo)軌和圓運(yùn)動導(dǎo)軌；按工作性質(zhì)可分為主運(yùn)動導(dǎo)軌、進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌和調(diào)整導(dǎo)軌；按接觸面的摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等三大類。（1）滑動導(dǎo)軌：是一種做滑動摩擦的普通導(dǎo)軌?；瑒訉?dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便，缺點(diǎn)是未形成完全液體摩擦?xí)r低速易爬行，磨損大，壽命短，運(yùn)動精度不穩(wěn)定?；瑒訉?dǎo)軌一般用于普通機(jī)床和冶金設(shè)備上。（2）滾動導(dǎo)軌的特點(diǎn)是：摩擦阻力小，運(yùn)動輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時不易出現(xiàn)“爬行“現(xiàn)象，故運(yùn)動均勻平穩(wěn)。缺點(diǎn)是：導(dǎo)軌面和滾動體是點(diǎn)接觸或線接觸，抗振性差，接觸應(yīng)力大，故對導(dǎo)軌的表面硬度要求高；對導(dǎo)軌的形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高。因此，滾動導(dǎo)軌在要求微量移動和精確定位的設(shè)備上，獲得日益廣泛的運(yùn)用。（3）靜壓導(dǎo)軌是利用液壓力讓導(dǎo)軌和滑塊之間形成油膜，使滑塊有 0.02-0.03mm 的浮起，從而大大減小了滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)，但其依然屬于滑動導(dǎo)軌副。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需備置一套專門的供油系統(tǒng)。5.2 導(dǎo)軌的選用直線滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對普通機(jī)床所用的滑動導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）定位精度高直線滾動導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導(dǎo)軌的 1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動靈活，可使驅(qū)動扭矩減少 90%，因此，可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級。（2）降低機(jī)床造價并大幅度節(jié)約電力采用直線滾動導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動、停止的往復(fù)運(yùn)動，可使所需的動力源及動力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低 90%，具有大幅度節(jié)能的效果。（3）可提高機(jī)床的運(yùn)動速度直線滾動導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動，提高機(jī)床的工作效率 20～30%。（4）可長期維持機(jī)床的高精度對于滑動導(dǎo)軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產(chǎn)生的運(yùn)動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小．滾動面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故- 28 -能使直線滾動導(dǎo)軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機(jī)床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開式直線滾動導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。型號：選用 GGB 型四方向等載荷型滾動直線導(dǎo)軌副，如圖 5.1。具體型號：X 向選用 46502??PAGBY 向選用 7圖 5.1 導(dǎo)軌- 29 -第六章 步進(jìn)電機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)的確定6.1 步進(jìn)電機(jī)的選用6.1.1 脈沖當(dāng)量和步距角已知脈沖當(dāng)量為 ，而步距角越小，則加工精度越高。初選為STEPm/1?（二倍細(xì)分）。STEPo/36.06.1.2 步進(jìn)電機(jī)上起動力矩的近似計算電機(jī)起動力矩：21M??（6.1）式中： 為滾珠絲桿所受總扭矩為外部負(fù)載所產(chǎn)生的摩擦力矩，有;1)tan(2/'?????dFa（6.2）mN?068. )14.039t(/49為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有：2M?2/haoPFK??（6.3）式中：K--預(yù)緊時的摩擦系數(shù)，0.1-0.3--導(dǎo)程， 5cmhP--預(yù)緊力aoF有： 21ao??- 30 -取 NCaFao 60154.0.1 ???為軸承預(yù)緊力 ,軸承型號 6004 輕系列,預(yù)緊力為 。故根據(jù) 2 NFao1302?（6.3）mM??098.2齒輪傳動比公式為: ,故步進(jìn)電機(jī)輸出軸生起動矩近似的可估)360/(phPi???計為；???iTq= hPM????/360（6.4）式中： ；STEPcmSTEmp /01./1???N62?P/3.0??85qcmh4.93.0??根據(jù)式（6.4）：mNTq ????4.0)85.63/(01.6因 。8.0/?JM（因電機(jī) 5 相運(yùn)行）則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 。TJMq?46.08./6.1.3 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率參考有關(guān)數(shù)控激光切割機(jī)床的資料，可以知道步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率不會超過 1000Hz。根據(jù)以上討論并參考樣本，確定選取 M56853S 步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)最大的靜止轉(zhuǎn)矩為 ，轉(zhuǎn)動慣量為mN?8.02/35cmg