激光加工机床设计(Y、Z轴)Word文档下载推荐.doc
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激光技术；
工作台；
进给机构；
三维建模
Abstract
Becauseofadvancesinlasermachine,precisionlatheisamachinetool,laserisanintegralpartofmodernmanufacturingindustry,andhasbroadprospects.Thisgraduationdesignisthepurposeofthelasermachine（Y,Z）analysisandprocessing,throughtheanalysisofthecharacteristicsofthelasermachiningCNCmachinetools,andthedesignideas,using3DsolidmodelingsoftwareAutocad2012onlaserprocessingmachine（Y,Zaxis）mechanicalpartsofthedesign,thepaperincludeslaserlathethedevelopmentstatus,theschemeargumentationandpartsdesign,strengthcalculation.
Laserprocessingmachinetools（Y,Zaxis）iscomposedofarotarymechanism,feedmechanismandcontrolsystemthreeparts.LaserprocessingmachineY,Zaxisadoptsthelinearfeeddrive,linked,directlythroughthemotorandballscrewdriveissimple,highprecision,accuratepositioning,andconvenientinstallationandmaintenance.
Accordingtothelaserprocessingmachinefunctions,structureandothercharacteristics,mainlyforthefollowingdesign:
（1）thedesignofballscrewlinearfeedmechanism;
（2）thedesignoflinearrollingguidefeedmechanism;
（3）thedesignandverificationoflaserprocessingmachinetoolbearings;
（4）thedesignandcalibrationoflaserprocessingmachinetoolaxisofrotation;
Inaddition,alsosimplyintroducedtheuseofAUTOCADdrawingsoftware
Keywords：
Lasertechnology;
table;
feedingmechanism;
3Dmodeling
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
第一章绪论 1
1.1激光加工技术 1
1.1.1激光加工工作原理 1
1.1.2激光技术的作用 1
1.2激光加工的发展 2
1.2.1激光概念 2
1.2.2激光技术的发展历程 2
1.2.3激光加工技术的分类 4
1.3选题目的及意义 5
第二章直线进给工作台设计方案的拟定与论证 7
2.1设计内容 7
2.2工作台进给运动方案的选择 7
2.4Y进给方向的设计 8
2.4.1工作台的基本参数 8
2.4.2滚珠丝杠的选择 9
2.4.3丝杠支承形式和轴承的选择 11
2.4.4滚动直线导轨选择 12
2.4.5伺服电动机的选择 13
2.4.6联轴器的选择 15
2.4.7工作台防护罩的选择 16
2.4.8螺栓的强度校核 17
2.5Z进给方向的设计 18
2.5.1工作台的基本参数 18
2.5.2滚珠丝杠的选择 18
2.5.3丝杠支承形式和轴承的选择 19
2.5.4滚动直线导轨选择 20
2.5.5伺服电动机的选择 20
2.5.6联轴器的选择 21
第三章机床床身、壳体设计 22
3.1Y方向床身设计 23
3.2Z方向床身设计 23
3.3机床床身总体装配设计 24
第四章润滑与密封 25
第五章激光机床开放式数控系统控制 26
5.1开放式数控系统的内涵 26
5.2激光机床硬件结构设计 27
第六章机床技术经济性分析 30
设计小结 31
致谢 32
参考文献 33
附录 34
第一章绪论
1.1激光加工技术
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特点对材料进行切割、焊接、打孔及微加工等的一门新型加工技术。
激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、轮船、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到重要的作用。
1.1.1激光加工工作原理
激光加工利用高密度的激光束照射工件,使材料气化而进行穿孔、切割和焊接等的特种加工。
早期的激光加工由于功率比较小，基本用于打小孔和微型焊接。
然而等到钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光的加工机理和工艺进行了深入研究，激光加工技术得到了很大进展，使用范围扩大。
数万瓦的激光加工器用于各种材料的超高速切割、焊接和材料热处理等方面。
各种专用激光加工器的出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，提高了激光加工机的功能以及自动化水平。
激光器输出的激光经过透镜聚焦在工件上，其焦点处的温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会气化融化。
激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔等加工的。
通常用于加工的激光器主要是固体激光器和气体激光器。
1.1.2激光技术的作用
激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，大大减少了加工时间，提高工件质量，降低了加工成本。
现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。
通过计算机的控制，脉冲使CO2激光器放电，从而输出脉冲激光，形成一定的频率，一定脉宽的光束，激光束通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上以及通过光路传导反射，形成一个细微的、高密度高能量的光斑，焦斑位于待加工面附近，瞬间以高温熔化或气化被加工材料。
以CO2激光切割机为例，CO2激光器中，主要的物质由氦气，氮气CO₂，三种气体组成。
其中氮气主要功能在CO₂激光器中起到了能量传递作用，为CO₂激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。
氮气及氦气为辅助性气体、CO2是产生激光辐射的气体。
CO₂激光器的激发条件：
通过放电管，输入几十毫安或几百毫安的直流电流。
放电时，放电管中的气体内的氮分子受到电子的撞击而被激发起来。
这时受到激发的氮分子便会与CO₂分子发生碰撞，氮分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光，激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。
1.2激光加工的发展
1.2.1激光概念
激光的早期的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名LASER的音译，来自于英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母。
它的意思是"
通过受激发射光扩大"
。
激光的英文全名陈述了制造激光的主要过程：
激光的原理早在1916年被爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。
激光是在有理论和生产迫切需要的背景下诞生的，它一问世，就得到了的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。
激光可使人们有效地利用前所未有的先进技术和方法，获得了空前的效益和成果，促进了生产力的发展。
激光是继原子能、半导体、计算机之后，人类二十世纪的一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最奇异的激光”。
它的亮度约为太阳光的100亿倍。
1.2.2激光技术的发展历程
激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它一问世就得到了材料科学家的超高度重视。
1971年11月，美国通用汽车公司率先使用一台350W的CO2激光器进行了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）激光淬火工艺的研究，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”的主要工作是促进新兴激光加工产业的发展，实现年产值300亿元以上，保持激光器平均年产值15％的增长率,；
在工业生产应用中普及和推广激光加工技术，重点完成电子、汽车、造船、钢铁、石油、航空、军工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、海洋、能源、空间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、先进的自动化的工件定位以及高精度和光学系统相结合，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。
主要研究内容：
（1）建立激光加工设备参数的检测方法，并进行方法研究
（2）激光加工用大功率CO2和固体激光器及准分子激光器的引进机型研究，开发和研制专用配套的激光加工机床，提高激光器的精度效率跟稳定性，力争在国内建立全面的加工激光器的生产基地。
（3）激光表面处理技术研究。
开展CAD／CAM技术、激光表面处理工艺、材料性能及激光表面处理工艺参数监测和控制研究，使激光表面处理工艺能较大幅度的应用于生产。
（4）激光焊接技术研究。
进行激光焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程控制技术和参数监测研究，从而掌握有色金属、普通钢材及特殊钢材的焊接工艺。
（5）激光加工光束质量及加工外围装置研究。
研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、加工质量监控技术，光学系统及加工头设计和研制。
（6）支持2-3个国家级加工技术研究中心，进行激光加工工艺技术研究，重点是热处理方面和材料表面改性的研究和推广；
开展激光快速成形技术的应用，拓宽激光应用领域
高功率激光器的研制成功为激光加工技术的产生和激光加工技术的发展提供了必不可少的条件。
“集成化激光智能制造及柔性加工系统”是我国自行研制开发成功的具有自主知识产权的首套高度集成化、功能跨度大、创新程度高的智能化、柔性化激光加工制造系统。
该系统可进行多种激光柔性加工和智能制造，包括激光三维切割及焊接、激光微打孔、金属零件的激光直接成形和熔覆、模具工作表面强化及快速修复等，完全能适应现代柔性化、智能化激光制造的要求。
与国际同类型集成化系统相比，该技术装备系统集约度高，性能价格比优异，加工精度高，应用范围广，并具有自主开发和功能拓展能力，中/英文控制操作平台系统更加适用于中国的工业用户。
技术性能指标达到国际同类系统先进水平，在机械、电子、航空、医疗等领域具有广阔的应用前景。
该装备系统已应用于上海大众汽车有限公司（汽车冲压模具激光强化技术及装备）、北方发动机研究所（激光热负荷实验及激光焊接/切割系统）和军工某厂（激光焊接系统）。
1.2.3激光加工技术的分类
随着激光加工技术的不断发展，激光加工整机性能也逐渐提高。
激光加工技术已和计算机技术、检测技术、自动化技术等紧密结合起来，激光加工机的自动化程度不断提高，检测手段日趋完备并建立了多条激光加工生产线。
激光加工技术与CAD/CAM技术的结合，构成了激光加工的柔性加工系统，实现了2坐标、3坐标、5坐标的多功能数控激光加工机，可以在同一流水线上进行多种作业。
这种柔性制造系统大大提高了加工过程的自动化程度。
激光加工技术应用越来越广，加工形式多种多样，就其本质来讲，激光加工实质上是激光与材料（包括金属和非金属）的相互作用，从这个观点出发，我们把激光加工分为以下各种类型：
1）激光表面工程。
激光表面工程包括：
激光强化、激光涂覆、激光合金、激光改性、和激光清除。
合金化与激光熔覆都是通过高密度的激光束产生的快速熔凝，在加工材料表面形成与基材相互熔合的不同成分与性能的合金覆层。
2）激光材料去除。
目前，在生产中常用的材料去除过程有激光切割、激光烧蚀、激光雕刻、和激光打孔等技术。
激光切割的无皱折、精度高、切缝小、工件变形小、优于等离子切割，是一种高能量密度可控制性好的无接触加工方法。
3）激光材料连接。
激光材料连接过程有激光烧结和激光焊接。
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。
70年代主要用于焊接微小型零件和薄壁材料的精密焊接，属于热传导型。
4）激光原型制造。
1.3选题目的及意义
20世纪以工程技术与光科学研究为基础的发展项目，已经为人类的发展做出了巨大的贡献。
21世纪光电子技术进一步发展，激光技术成为世界各国竞争的焦点之一。
激光加工技术在上世纪激光问世不久就受到人们的重视,经过40多年的发展,至今已成为先进制造技术的重要组成部分。
激光技术为核心的相关产业也将成为知识经济和信息时代的重要驱动力。
随着20世纪工业革命的快速发展，工业技术给人类带来发展的同时也带来了污染。
我们现在面临着资源短缺、生态破坏和等坏境污染危机，新的技术必须尽早的取代旧的技术，推广无污染、低消耗的绿色制造技术。
激光技术的推广使用势在必行，激光技术有着众多优点：
可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料进行加工；
激光头与工件不接触，无加工工具磨损问题；
工件不易污染；
既适于大型材料加工加工,又适于精密细微加工；
激光束易受控制,易于与精密测量技术、和电子计算机相结合，实现高度自动化和很高的加工精度；
在人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工……激光加工技术可谓是低噪音、无磨损、节省被加工材料的绿色加工技术，随着资源紧缺及科技时代的进步，随之而生的激光加工机床必会得到广泛应用。
为了适应科技及社会的发展需要，激光技术早晚会得到普及，本次毕业设计我将对激光技术和机床有关知识进行学习，运用机电一体化系统的设计基本理论知识设计一台大功率激光加工机床。
数控激光加工机床是激光束高功率、高方向、高亮度的一种技术应用。
其基本原理是把激光束聚焦（焦点光斑直径可小于0.01mm）后，照射到材料适当的部位，材料在接受激光照射能量后，10-11s内便开始将光能转变为热能，被照部位迅速升温。
根据不同的光照参量，材料可以发生融化、气化、金相组织变化以及产生相当大的热应力，从而使工件材料被去除、连接、改性和分离等加工目的。
激光焊接是以激光作为热源对材料进行加热，使材料熔化而联接的工艺方法。
激光可焊接熔点材料，不仅能焊接同种材料，而且可以焊接不同的材料，甚至还可以焊接非金属与金属材料。
以激光作为工具对工件进行加工的机床，称为激光加工机床。
按功能分有激光打孔或激光切割的机床，激光焊接机；
激光热处理机。
按结构分，有龙门式，下动式和框架式架构。
下动式的激光加工机床激光头固定住，工作台带动工件作X,Y方向移动，它的光束固定，容易调整；
龙门式的激光头在横梁上做Y坐标移动，工作台带动工件作X坐标移动，适合加工尺寸较大的工件；
框架式的激光头沿横梁作Y向移动，横梁在框架上作X方向移动，适合加工不便移动的大型零件。
目前龙门式应用较多。
数控激光加工机床的X，Y，Z坐标驱动，同样采用DC（AC）伺服电机，滚珠丝杠螺母副，滚动导轨等。
只是这里的工件较轻，“切割”负载小，进给速度一般可接近开苏进给速度。
数控激光加工机床的工作原理与两坐标的数控铣床，数控冲床很相似。
第二章直线进给工作台设计方案的拟定与论证
2.1设计内容
通过对激光加工机床基本结构的掌握以及对数控技术基本原理、电气系统基本原理和伺服系统基本原理的了解，综合所得调查资料，确定激光加工机床总体设计方案，并完成直线进给部分（Y轴、Z轴）以及机床总体装配的设计。
2.2工作台进给运动方案的选择
在数控机床的运动中，主运动及其伺服进给运动是机床的基本成形运动。
机床执行件是通过各种形式的机床传动装置，按照编好的程序获得相应的运动，因此，传动装置的结构与性能关系到数控机床的工作质量。
总体来说，数控机床结构较普通机床的相对简单，但精度要求更高；
而主轴的结构则相对复杂。
数控机床的进给传动是通过伺服进给传动系统实现的。
该系统由机械传动装置和电气伺服系统两部分构成。
进给运动是数字控制的直接对象，无论连续控制还是点位控制，加工工件的最终坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动灵敏度、精度和稳定性等的影响。
因此，对进给传动的要求如下：
①消除传动间隙
②进给调速范围宽
③响应速度快
④传动精度与定位精度高
⑤速度的稳定性好
伺服系统是以机械参数（位置、加速度、速度）作为被控量的一种自动控制的系统，它基本要求是系统能够输出迅速而且精确地响应指令输入的变化。
伺服系统的基本要求是：
（1）系统的输出能够迅速地响应指令的变化；
（2）达到给定精度要求；
（3）系统在其工作范围内要稳定可靠；
（4）系统对参数变化的灵敏度要小，系统不能因参数变化而受到较大的影响；
（5）系统应具有高频噪音的能力以及良好的抵抗外部负载干扰等。
数控机床伺服进给系统的设计，要根据对机床加工精度的要求，选择合适的控制形式（开环控制、半闭环控制或闭环控制），然后选择相应的伺服电机和传动机构，最后对系统的性能进行全面地分析计算。
数控机床进给传动系统的机械传动装置常用有两种组成方案，如图2.1所示。
图2.1机械进给传动方案
图中，方案（a）采用负载能力强的伺服电动机，直接通过丝杠带动工作台进给，传动链短，刚度大，传动精度高，是现代数控机床进给传动的主要组成形式。
有的数控机床为了细化脉冲当量，以便保证和提高进给的精度；
为了改变加在电机上的负载扭矩，以实现与电动机输出转矩的最佳匹配时，可以采用带有减速或者齿轮传动等装置的方案（b）。
本次设计的激光加工机床的Y、Z方向的直线进给传动形式均采用方案（a），即采用伺服电机直接驱动滚珠丝杠副运动。
这种方案结构简单，有效的提高了各轴组件的传动刚度。
2.4Y进给方向的设计
2.4.1工作台的基本参数
1.工作台外形尺寸及重量估算。
结构如图2.2所示
图2.2Y工作台结构简图
根据Y方向工作行程：
800mm，以及运动形式等因素考虑，初步估算Y工作台面尺寸（长×
宽×
高）：
900mm×
40mm×
450mm；
采用矩形工作台。
※由于Y工作台的承载值远小于X工作台，故不对其结构进行强度校核。
重量估算：
①Y矩形工作台重量=体积×
材料比重，
即900×
450×
40×
×
7.8×
；
②激光头成套设备重量为500N。
2.4.2滚珠丝杠的选择
1.滚珠丝杠的设计与选取
由于激光加工是无“切削力”作用在工件上，即非接触加工，仅仅是重力的作用，所以取用的丝杠最大载荷与丝杠最小载荷相同，即仅为摩擦力的影响。
（2.13）
取用安全系数
则有,
平均载荷
初步确定伺服电机的最高转速，采用电机与丝杠直接相联的形式，，则根据
（2.14）
式中，
则有，丝杠的导程；
在考虑电机的额定数值和丝杠的承载等问题后，初步确定。
最大进给时，丝杠的转速为；
最小进给时，丝杠的转速为0；
则有，丝杠的平均转速
按照5年×
300天×
6小时×
1班来计算，该机床丝杠的工作寿命为15000h；
取精度系数,运动状态系数,则有,
代入得
考虑到机床设计的经济性问题，加之Y工作台承载较X工作台的小，故选用的丝杠类型和规格与X工作台的相同，即FFZD-4005-2.5型号滚珠丝杠。
根据工作台的行程、丝杠副尺寸和轴端支承件的结构尺寸等因素，取用。
2.4.3丝杠支承形式和轴承的选择
轴承安装时注意：
在安装在轴的同端的情况下，一般是预调游隙（通过隔圈或磨端面），而必须固定两个轴承。
因此，运行后，面对面和背对背都将会有游隙减少的现象。
（此问题，须通过计算“运行游隙＝出厂游隙－温度游隙－装配游隙”得到。
）
在安装在轴的两端的情况下，一般都是需要现场调整游隙，也需同时固定两个轴承、或是预留系统游隙（视轴向力方向，只有一端轴承承受轴向力，其游隙减小；
另一个只受径向力，游隙亦减小。
背对背安装时，载荷作用中心处于轴承中心线之外；
交点间跨距较大，悬臂长度较小，故悬臂端刚性较大，当轴受热伸长时，轴承游隙增大，轴承不会卡死破坏。
面对面安装时，载荷作用中心处于轴承中心线之内；
结构简单、拆装方便，当轴受热伸长时，轴承游隙减小，容易造成轴承卡死，因此要特别注意轴承游隙的调整。
当然还有串联安装的，这时载荷作用中心处于轴承中心线同一侧；
它适合轴向载荷大，需多个轴承联合承担的情况。
图2.5轴承安装示意图
本次设计的丝杠支承形式（Y轴、Z轴）均为两端固定的形式。
滚珠丝杠都使用滚动轴承支承。
从目前来看，多采用60°
接触角推力角接触球轴承进行支承，并采用面对面形式安装，以增大轴向的限制作用，如图所示
根据滚珠丝杠的轴径，考虑安装等问题，根据参考文献[7]表3-39，初步选用7207C型号的轴承。
其中，其中，内径×
外径×
宽=35×
72×
17，额定动
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