气体保护式激光加工实验装置设计毕业论文

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 .41.2 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 .214.2.1 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。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控制器驱动器驱动器步进电机步进电机X 向工作台Y 向工作台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（E 2PROM），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