气体保护式激光加工实验装置设计--毕业设计论文.doc

摘要：激光加工往往伴随着超高的温度，且通常是暴露在空气中，工件与空气中的氧气接触发生氧化反应，降低金属的力学性能甚至是损害金属。特别是对于比较活泼的金属如镁、铝等，在空气中极易发生氧化或者燃烧，进行激光表面处理时需要严格的隔离空气或者是气体保护。 防止氧化一直以来都是金属加工行业研究的重点及难点，金属加工时的氧化对金属的力学性能产生很大的影响，严重时可能导致产品报废，加大了金属加工行业的经济投入。预防金属加工时的氧化反应现象，有益于金属力学性能的提高，提高产品的质量，节省经济成本，得到更加优质的产品。获得优质的产品投入于社会生活生产当中，提高人民的生活水平和生活质量。本文设计了一台可以真空或气体保护式激光加工实验装置设计，主要完成了：机床整体结构设计，X轴、Y轴的结构设计计算、丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算。关键词 激光切割机床，XY工作台，激光加工，金属加工ABSTRACT：Laser processing is often accompanied by high temperature, and are often exposed to the air, the workpiece in contact with the oxygen in the air oxidation reaction, reduce the mechanical properties of metals and even damage the metal.Especially for the more active metals, such as magnesium, aluminum, or burn easily happened in the air oxidation, laser surface processing require strict isolation air or gas protection.Prevent oxidation has always been the emphasis and difficulty in metal processing industry research, the oxidation of metal processing have great effect on the mechanical property of metal, serious when can lead to product scrap, increase investment in the metal processing industry, economy.To prevent the oxidation reaction of metal processing, is beneficial to the improvement of the performance of the metal mechanics, improve the product quality and save the economic costs, more high quality products.To obtain the high quality product to put into production in the social life, improve peoples living standard and quality of life.This paper designed a vacuum or gas can be word type laser machining experiment device is designed, mainly completed the machine overall structure design, structure design and calculation of the X axis and Y axis, selection of ball screw, linear rolling guide and intensity analysis;With stepping motor as feed drive of drive system and its transmission mechanism analysis and design calculation.Key words Metal processing, laser cutting machine tools, XY table ,Single chip microcomputer 目录第一章 绪论41.1激光技术概述4 1.2激光切割技术的应用41.3设计任务51.4总体设计方案分析5第二章 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计82.1 XY工作台的设计82.1.1主要设计参数及依据82.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析82.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量82.2 Z轴随动系统设计9第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算113.1 滚珠丝杠副导程的确定113.2 滚珠丝杠副的传动效率113.3 丝杠的设计与校核123.3.1 设计要求123.3.2 丝杠受力情况分析133.3.3 计算初选轴径133.3.4 丝杠各段轴径的确定133.3.5 轴的受力分析143.3.6 轴的校核183.4 轴承的设计与校核193.4.1 轴承的选择193.4.2 轴承的校核193.5 键联接的设计与校核193.5.1 键的选型193.5.2 键的校核19第四章 工作台箱体的设计214.1 箱体的结构选择214.2 箱体的壁厚选择和计算21 4.2.1 箱体的校核21第五章 直线滚动导轨的选型22第六章 步进电机及其传动机构的确定246.1 步进电机的选用246.1.1 脉冲当量和步距角246.1.2步进电机上起动力矩的近似计算246.1.3确定步进电机最高工作频率256.3步进电机惯性负载的计算25第七章 步进电机接口电路及驱动26参 考 文 献28第一章 绪论1.1激光技术概述激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971年11月，美国通用汽车公司率先使用一台250W CO2激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于1974年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。“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；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；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。数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。1.2激光切割技术的应用 激光切割是用聚焦镜将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。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又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,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范围。 激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。 激光切割的适用对象主要是难切割材料，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、激光切割机床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。1.3设计任务本次设计任务是设计了一台可以真空或气体保护式激光加工实验装置设计，主要完成了：机床整体结构设计，X轴、Y轴的结构设计计算、丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算。1.4总体设计方案分析参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案如下：采用89C51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，来驱动步进电机带动丝杠转动，实现进给。其原理示意图1-1。X向工作台控制器驱动器步进电机步进电机驱动器Y向工作台图1-1 系统总体原理图微机控制线路图参考MCS51系列单片机控制XY工作台线路图。步进电机参照RORZE株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度,同时驱动器也选用RORZE的配套驱动器产品。滚珠丝杠的生产厂家很多，本设计参照了汉江机床厂、南京工艺装备制造厂的样本资料，力求从技术性能、价格状况、通用互换性等各方面因素考虑，最后选用南京工艺装备厂的FFZD系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。本设计弃用Z80，而选用单片机。单片机体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了Z80。比较后选用89C51为主芯片。在使用过程中89C51虽有4K的FLASH（E2PROM），但考虑实际情况需配备EPROM和RAM，并要求时序配备。选晶体频率为6MHz，89C51读取时间约为3t，则t480ns ,常用EPROM读取时间约为200450ns。89C51的读取时间应大于ROM要求的读取时间。89C51的读写时间约为4T，则TR660ns，TW=800ns，常用RAM读写时间为200ns左右，均满足要求。根据需要，扩展I/O接口8155，因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采用LED显示器。键盘采用非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采用光电隔离电路。第二章 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计2.1 XY工作台的设计2.1.1主要设计参数及依据如有需要全套毕业设计论文和cad图纸，请加qq1225519602.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析因激光切割机床为激光加工,其激光器与工件之间不直接接触,因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。一般来说,数控切割机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台尺寸(长宽高度)为:30029030mm，材料为HT200，估重为325N (W1)。设X向平台座尺寸(长宽高度)为:80030019mm，材料为HT200，估重为450N（W2）。设Y向平台座尺寸(长宽高度)为:80030019mm，材料为HT200，估重为450N（W3）。另外估计其他零件的重量约为250N (W4)。加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。则下托座导轨副所承受的最大负载W为:W=W1+W2+W3+G325+450+450+11762401N2.2 Z轴随动系统设计激光切割机对Z轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄及质量，因此，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于5m/min。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特殊场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。所以在选择传感器时，应注意检测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。 割头具有多种先进的智能和附加功能，如自动调整激光喷嘴距离、自动清洁喷嘴、同轴喷水机构、切割头转动、切割嘴摆动等。这些功能机构的增加,不可避免地增加了切割头的重量，成切割头的动态性能不好,随动机构反应不灵敏。一般来说，普通数控激光切割机Z轴拖动重量在5kg以上时，应采用重力平衡设施。而高性能数控激光切割机的Z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。目前Z轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式(图2-1)。该方式重量轻、体积小、易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。 图2-1 Z轴随动机构第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算（一） 根据机床的受力情况及结构尺寸，参照南京工艺装备厂的产品系列，选用FFZD内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下： X向： FFZD 2504-3/490500Y向： FFZD 2504-3/5001100（二） 因X向的滚珠丝杆比Y向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算X向丝杆的相关数据，Y向根据X向的结果相同选用即可满足要求。（三） 具体计算如下。3.1 滚珠丝杠副导程的确定如有需要全套毕业设计论文和cad图纸，请加qq1225519603.2 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为: （3.2）式中滚珠丝杠的螺纹升角当量摩擦角 根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表3-1），前面已经定v=1m/s，材料选择灰铸铁HRC45。 所以：=400，tg=0.0025 ；因为=arctg（Ph/d） 式中:Ph导程，4mmd丝杠公称直径，25mm则根据式（3.3）：2.91则根据式（3.2）得：0.953。表3-1 当量摩擦系数f和当量摩擦角齿圈材料锡 青 铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度HRC45其它HRC45HRC45其它相对速度 s m/sfffff0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136175094343433092352172001431361221161020550480450.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206515435094173433092522352172001471401291221090.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310127587245435094003433092522352172001430.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0551027587245435094003433090.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.07010459057586515495094344003.3 丝杠的设计与校核3.3.1 设计要求丝杠用于工作台的XY向移动。轴末端加工成键。轴靠轴承支撑固定。轴材料采用45钢调质。各个轴端轴向尺寸如下图（3-1）所示。3.3.2 丝杠受力情况分析各轴段扭矩大小分别为：T1=117783Nmm；T2=6366.6Nmm；T3=19100Nmm；T4=23875Nmm；T5=11141.4Nmm。图3-2轴结构简图3.3.3 计算初选轴径 3.3.5 轴的受力分析轴上所有力分布如下图所示：图3-3轴受力示意图受力平衡条件方程： （3-3） （3-4）+=0 （3-5）-=0 （3-6）变形协调方程： （3-7） （3-8）其中 （3-9） （3-10）; （3-11） （3-12） 为材料截面的极惯性矩（为简化计算过程，设各个轴径极惯性矩I均相同）。则有：=+=0 =0 联立方程+1640.8+316.7+795.8+=0+=-1979.5N联立方程=+845=509.5N3.3.6 轴的校核根据上节内容绘制如下弯矩图图3-4轴弯矩图确定危险截面为最小轴径处，复合弯矩大小为，该段轴径为30mm，键槽宽度b=8mm，入轴深度t=4mm，抗弯截面系数W=2.29，许用弯曲应力=110MPa。=98.7MPa （3-13）3.4 轴承的设计与校核3.4.1 轴承的选择根据转速及载荷初选圆锥滚子轴承，根据轴径选取具体轴承型号：选取圆锥滚子轴承329/32。3.4.2 轴承的校核径向力 Fr1=755.56N；轴向力Fa1=509.5N ；轴颈直径d1=32mm ；转速 n3=120r/min；要求寿命 ；温度系数 ；润滑方式：脂润滑；基本额定动载荷 Cr=23800N；基本额定静载荷 Cor=32500N；极限转速 nmax=6300r/min；寿命系数=3.33。查表可得判断系数e1=0.973；轴向载荷系数,X=1,Y=0；载荷系数fp=1.2；当量动载荷轴承寿命。轴承寿命要求合格。3.5 键联接的设计与校核3.5.1 键的选型键尺寸10825；4、5、6位置键尺寸8715。3.5.2 键的校核材料选用：Q235钢；许用压强；k=0.5h；键校核公式： （3-14）键的校核：k2=0.5h,； （3-15）键强度要求合格。第四章 工作台箱体的设计4.1 箱体的结构选择根据工作台的最大工作空间和加工环境确定真空室的外形和尺寸。箱体选择卧式长方体，长方体的长宽高分别是1300mm1200mm800mm。箱体材料要求满足如下条件：（1）空间气密性好，不渗漏，不存在多孔性的渗漏源。 （2）饱和蒸汽足够底，不至影响系统的真空度。（3）材料的吸气尽量小，并且易于去除。（4）化学稳定性好，不易被氧化或腐蚀。（5）温度稳定性好，即在工作温度范围内，其真空性能和机械性能不至变坏。（6）加工容易，易于计算。通过以上要求箱体选择OCr18Ni94.2 箱体的壁厚选择和计算在箱体壁厚的选择上除了根据公式确定外，还必须考虑结构、材料、受力状态和制造多方面的要求，使设计合理、安全。箱体选择长方体，上下开门，上箱体留有观察室，左右两侧留有进气口和出气口。内部装有二维工作平台用支架。综合以上各方面的因素，去箱体壁壁厚为8mm。下面进行校核。 4.2.1 箱体的校核箱体的临界压力随箱体计算长度的减少而提高，其值由下式算出：由上式可得设计壁厚：式中：P-临界压力，Pa; -材料在工作温度下的弹性模量，Pa -箱体的理论壁厚，mm -箱体的中性面长度为设计安全取箱体的外面长度），mm经上式校核8mm壁厚满足条件真空式结构。 第五章 直线滚动导轨的选型导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。型号：选用GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图4-1。具体型号：X向选用GGB20BA2P，2 500-4 Y向选用GGB20AB2P，2 1100-4 图5-1 直线滚动导轨无锡职业技术学院毕业设计说明书第六章 步进电机及其传动机构的确定6.1 步进电机的选用6.1.1 脉冲当量和步距角已知脉冲当量为1m/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为0.36o/STEP（二倍细分）。6.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 电机起动力矩： （5.1）式中: M为滚珠丝杠所受总扭矩Ml为外部负载产生的摩擦扭矩，有: （5.2）=920.025/2tg（2.91+0.14）=0.062NmM2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： （5.3）式中: K预紧时的摩擦系数，0.10.3 Ph导程，4cmFao预紧力，有：Fao=Fao1+Fao2取Fao1=0.04Ca=0.04 1600=640NFao2为轴承的预紧力，轴承型号为6004轻系列，预紧力为Fao2130N。故根据式（5.3）： M2=0.098 Nm齿轮传动比公式为：i= Ph /(360p)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： （5.4）=360Mp /Ph 式中: p =lm/STEP=0.0001cm/STEP； M= M1+ M 2= 0.16N=0.36o/STEPq=0.85Ph0.4cm0.953则根据式（5.4）：Tq=3600.160.0001/(3.60.850.4)=0.4 Nm 因Tq/TJM=0.866(因为电机为五相运行)。则步进电机最大静转矩TJM=Tq/0.866=0.46 Nm6.1.3确定步进电机最高工作频率参考有关数控激光切割机床的资料,可以知道步进电机最高工作频率不超过1000Hz。根据以上讨论并参照样本,确定选取M56853S型步进电机，该电机的最大静止转矩为0.8 Nm，转动惯量为235g/cm26.3步进电机惯性负载的计算由资料知，激光切割机的负载可以认为是惯性负载。机械机构的惯量对运动特性有直接的影响。不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在开环系统中对运动的平稳性也有很大的影响。 M2 M1方 式定时器输出波形0 0单方波0 1连续方波1 0单脉冲1 1连续脉冲图6-5 8155定时器方式及输出波形第七章 步进电机接口电路及驱动本设计选用五相步进电机M56853S，工作方式为2细分工作方式，并选择2CK输入工作方式。步进电机由驱动器RD-0534M驱动。而单片机控制驱动器启动和停止及正反转。驱动步进电机的脉冲按顺序供给电机各相，脉冲发生由驱动器内部自动产生，并且具有各种系统保护。RD-0534M驱动器的主要控制端有：顺时方向控制端CW；逆时方向控制端CCW；运行方式控制端4PIN，所需联接控制信号由2#8155PB口控制。X、Y向步进电机各用两个驱动器控制，电机以五相方式工作。由于RD-0534M驱动器具有良好的工作性能，并且又具有较强的保护功能，所以系统工作比较稳定。满足生产的实际需要。无锡职业技术学院毕业设计说明书致 谢经过2个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个第一次做毕业设计的应届生来说，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的督促指导以及同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢指导老师，老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导，老师严谨的治学态度、平易近人的作风和认真负责的工作态度也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。 参 考 文 献1 张学仁.数控电火花线切割加工技术. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，20002 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社出版，20023 郑玉华.典型机械（电）产品构造. 北京：北京科学出版社，20064 陈婵娟.数控机床设计. 北京：化学工业出版社，20065 李秉操等.单片机原理及其在工业控制中的应用. 陕西：陕西电子编辑部，19916 文秀兰等.超精密加工技术与设备. 北京：化学工业出版社，20067 RORZE株式会社.RORZE综合手册.19968 胡传昕.特种加工手册. 北京：北京出版社，20019 林其俊.机床数控系统. 北京：中国科学技术出版社，199110 王爱玲.现代数控机床结构与设计. 北京：兵器工业出版社，199911 赵万生.电火花加工技术. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，200012 徐灏.新编机械设计师手册. 北京：机械工业出版社版，200613 余承业等.特种加工新技术. 北京：北京国防工业出版社，199514 冯辛安.机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社，199915 刘书华.数控机床与编程. 北京：机械工业出版社，200116 S.卡尔帕基安，S.R.施密德.制造工程与技术（机加工）（英文版）及学习辅导（上册）. 北京：机械工业出版社 ,199817 Patton W.J. Mechanical Power Transmission. New Jersey: Printice-Hall,1980无锡职业技术学院毕业设计说明书