激光加工机床设计(Y、Z轴)

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  1、2013南京林业大学毕业设计(论文)南京林业大学本科毕业设计（论文）题 目：激光加工机床设计（Y、Z轴）学 院：南方学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学 号：n090301313 学生姓名： 沙栩民 指导老师： 杨雨图 职 称： 讲师 二零一三年 五月二十五号IV摘要由于激光车床的先进性、精确性，激光车床是现代加工行业中不可或缺的机床，具有广阔的前景。本毕业设计的目的是对激光加工机床（Y、Z轴）的分析加工，通过对激光加工的特点的分析，以及数字控制机床的设计思路，利用三维实体建模软件Autocad2012对激光加工机床的（Y、Z轴）机械部分进行了设计，论文包括激光车床的发展现状、方案的论证和部分

  2、零部件的设计、强度计算等。激光加工机床（Y、Z轴）由旋转机构、进给机构和控制管理系统三部分所组成。激光加工机床中Y、Z轴采用了直线进给传动，通过电机与滚珠丝杠直接相连，传动简单，精度高，定位准确，且安装维护方便。根据激光加工机床的功能、结构等特点，主要进行了以下设计：（1）直线进给机构中滚珠丝杠副的设计；（2）直线进给机构中滚动直线）激光加工机床轴承的设计与校核；（4）激光加工机床旋转轴的设计和校核；此外，还粗略地介绍了AUTOCAD绘图软件的使用。关键词：激光技术；工作台；进给机构；三维建模AbstractBecause of advances in laser machine, p

  8、2.2激光技术的发展历史21.2.3激光加工技术的分类41.3 选题目的及意义5第二章 直线进给工作台设计的具体方案的拟定与论证72.1设计内容72.2工作台进给运动方案的选择72.4 Y进给方向的设计82.4.1工作台的基本信息参数82.4.2滚珠丝杠的选择92.4.3丝杠支承形式和轴承的选择112.4.4滚动直线工作台防护罩的选择162.4.8螺栓的强度校核172.5 Z进给方向的设计182.5.1工作台的基本信息参数182.5.2滚珠丝杠的选择182.5.3丝杠支承形式和轴承的选择192.5.4滚动直线第三章 机床床身、壳体设计223.1 Y方向床身设计233.2 Z方向床身设计233.3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265.1开放式数控系统的内涵265.2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342013南京林业大学毕业设计(论文)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来切割、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大范围的应用于汽车、轮船、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济

  10、重要部门，对提升产品质量、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，激光加工技术获得了很大进展，使用范围扩大。数万瓦的激光加工器用在所有材料的超高速切割、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和自动化水平。激光器输出的激光经过透镜聚焦在工件上，其焦点处的温

  11、度高达1万摄氏度以上，任何材料都会气化融化。激光加工是利用这种光能的热效应对材料来焊接、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大范围的应用于金属和非金属材料的加工中，大幅度减少了加工时间，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

  12、，CO2激光器中，主要的物质由氦气，氮气 CO，三种气体组成。其中氮气基本功能在CO激光器中起到了能量传递作用，为CO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。CO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CO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

  13、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Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation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地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起的产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进的技术和方法，获得了空前的效益和成果，促进了生产力的发展。

  14、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激光技术的发展历史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格外的重视。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、激光加工设施和激光加

  15、工对材料学的研究，促使激光加工得到了快速的提升，并获得了巨大的经济效益与社会效益。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普遍的应用，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做改造的示范工程；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

  16、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）建立激光加工设施参数的检测的新方法，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）激光表面处理技术探讨研究。开展CADCAM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）激光焊接技术探讨研究。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

  17、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发展要求、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个国家级加工技术探讨研究中心，进行激光加工工艺技术探讨研究，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

  18、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，应用场景范围广，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领先水平，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

  19、技术的持续不断的发展，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逐步的提升，检验测试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幅度的提升了工艺流程的自动化程度。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很多类型：1)激光表面工程。激光表面工程包括：激光强化、激光

  20、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，在加工材料表明产生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，是一种高单位体积内的包含的能量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年代大多数都用在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

  21、基础的发展项目，已经为人类的发展做出了巨大的贡献。21世纪光电子技术逐步发展，激光技术变成全球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大家的重视,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世纪工业革命的加快速度进行发展，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来加工；激光头与工件不接触，无加

  22、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

  23、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来加工的机床，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

  24、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

  25、本原理、电气系统基础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的具体方案，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字控制机床的运动中，主运动及其伺服进给运动是机床的基本成形运动。机床执行件是通过种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字控制机床的工作质量。总体来说，数字控制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。 数字控制机床的进给传动是通过伺服进给传动系统实现的。该系统由物理运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

  26、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、精度和稳定能力等的影响。因此，对进给传动的要求如下： 消除传动间隙进给调速范围宽 响应速度快 传动精度与定位精度高速度的稳定性高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，它基础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。伺服系统的基础要求是：(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及良好的抵抗外部负载干扰等。数字控制机床伺服进给系统的

  27、设计，要根据对机床加工精度的要求，选择正真适合的控制形式（开环控制、半闭环控制或闭环控制），进而选择相应的伺服电机和传动机构，最后对系统的性能做全面地分析计算。数字控制机床进给传动系统的物理运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，能够使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

  28、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。这种方案结构相对比较简单，有效的提高了各轴组件的传动刚度。 2.4 Y进给方向的设计2.4.1工作台的基本信息参数1.工作台外观尺寸及重量估算。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)：900mm40mm450mm；采用矩形工作台。 由于Y工作台的承载值远小于X工作台，故不对其结构可以进行强度校核。重量估算：Y矩形工作台重量=体积材料比重，即900450407.8；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

  29、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

  30、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，

  31、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；结构相对比较简单、拆装方便，当轴受热伸长时，轴承游隙减小，易引起轴承卡死，因此要格外的注意轴承游隙的调整。并还有串联安装的，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轴承安装说明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

  32、，初步选用7207C型号的轴承。其中，其中，内径外径宽=357217，额定动载荷=23.5KN额定静载荷=17.5KN，平均载荷。按参考文献8中9.4节中的相关计算，轴承的寿命：；。按照2年6h300天1班计算（轴承保修2年），轴承的预计寿命为，满足条件，所选轴承符合标准要求。2.4.4滚动直线导轨选择考虑到机床设计的经济性，Y轴也采用GGB-AA型滚动直线所示。具体的结构选择计算如下：已知作用在滑座上的载荷：，取滑座的个数M=4，单向行程长度（根据工作台行程和丝杠结构设计决定的），往返次数约5次/min，每天开机6h，一年按300天计算，5年寿命以上，该导轨的额定上班时间寿命为

  33、，由得，M=4，所以每根导轨上使用两个滑座，由于滑座的速度低于15m/min，工作时候的温度在100C以下，导轨的硬度为HRC60，无明显冲击和振动，每根导轨上滑座配置数为2个，则由得，查参考文献7 表3.17-54，选用GGB-AA型-25 滚动直线导轨。Y方向滚动直线导轨长度按照丝杠导程和工作台尺寸并考虑行程余量和工作台结构等因素，取用。2.4.5伺服电动机的选择电机的选择原则是：结构相对比较简单，安装便捷，经济实用。根据机床的要求，本次设计所使用的电机均为安川SGMAH型号电机。该种电机带负载能力强，传递的扭矩大，能满足较高的精度要求，并且价格实惠公道，在一般的数控机床中得到了广泛应用。其外形结构如图2.

  34、8和图2.9所示，图2.8 安川SGMAH型号电机外形图图2.8 系列（标准型）安川SGMAH/SGMPH型号电机结构图选用安川SGMAH型号电机。伺服电机的工作原理是根据电压的变化控制转速稳定，伺服电机主要是靠脉冲来定位的，当伺服电机接受一个脉冲电流，就会旋转一个脉冲的对应角度，以此来实现唯一，因为伺服电机具有发出脉冲电流的功能，每当旋转一个角度都会发出对应数量的脉冲，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，因此系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样就能够精确的控制电机的转动，精确的定位能够达到0.001mm。1.直流伺服电机分为无刷和有刷电机。无刷电机重量轻，力矩稳定，出力

  35、大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，体积小。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机可用在所有环境，免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命。有刷电机调速范围宽，成本低，结构相对比较简单，控制容易，启动转矩大要维护但维护方便，产生电磁干扰，对环境有要求。因此它能够适用于对成本敏感的普通工业和民用场合。2.交流伺服电机也是无刷电机，分为异步和同步电机，目前运动控制中一般都使用同步电机，它的功率范围大，能做到很大的功率，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电

  36、磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值作比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度。对于数字控制机床而言，因为动态性能要求比较高，所以用电动机力矩主要是用不断产生加速度的，而负载力矩占得比重小，一般都小于电动机力矩的10%30%，所以通常按上式计算选择电动机，要使快速启动启动力矩小于电动机的最大转矩，其中为电动机输出转矩的最大值根据负载转矩，式中，为摩擦系数；，为直线运动部分质量；，为滚珠丝杠节距；为机械效率。考虑到机床设计的经济性问题，故选用与X工作台相同型号的电动机，即SGMGH-09ACA-61型电机。2.4.6联轴器的

  37、选择在数字控制机床的进给传动系统中,滚珠丝杠由电机带动旋转轴并通过丝杠螺母副实现各个坐标方向的进给运动，而联接电机轴和滚珠丝杠的部件就是联轴器。不同结构和材料的联轴器的承载能力差别很大。在重载工作状况下，不宜选用轻型传动的联轴器，以免过分加大联轴器的尺寸和重量。通常在选择联轴器的型号时，一般都是以联轴器所需传递的计算转矩小于或等于所选联轴器的额定转矩为准则。为了能够更好的保证传动精度，消除回转误差，应采取一定的措施消除扭矩方向上联轴器的联结间隙。根据参考文献7中13章联轴器的选用原则：该机床为连续工作，故取工作情况系数K=1.5，（参考文献7 表3.13-2），驱动功率，工作转速，则有联轴器的公称转矩，考虑到电机

  38、轴的直径，故选用ML2型梅花弹性联轴器。2.4.7工作台防护罩的选择根据机床的工作情况，采用伸缩板式防护罩装置，该装置用于水平导轨时（Y方向等同于水平导轨形式），由于防护罩的各层盖板均由钢板制作而成，耐热性好，强度高、刚性好，常规使用的寿命长，多用于大型和精密机床。在滚动导轨中采用两侧的保护措施，如图2.13所示，图中，1为工作台，28为防护罩，9为专用支架，10为床身，11为支承图2.12 伸缩板式防护罩结构图防护罩采用的是依次伸缩式，其特点是：只有当前一个防护板和后一个防护板的翻边或挡板相遇时才能使后者运动。根据参考文献2表6.2-98有关伸缩式防护罩的尺寸关系和机床Y工作台的结构选取参数：已知Y工

  39、作台床身宽度为450mm，则依次伸缩时，防护罩压缩后长度为120180mm，伸开时长度为5501500mm。确定防护罩的各段尺寸： （2.15）式中， ， ， , 则有，2.4.8螺栓的强度校核固定滚珠丝杠轴承支座与箱体所用的螺栓是采用普通螺栓连接的，由于预紧力的作用，将在接合面间产生摩擦力来抵抗工作载荷（图2.11）。这时，螺栓仅承受预紧力的作用，而预紧力不受工作载荷的影响，在联接承受工作载荷后仍保持不变。预紧力的大小，根据接合面不产生滑移的条件确定。图2.10 承受横向载荷的普通螺栓连接螺栓危险截面的拉伸条件可写为 （2.12）式中，-螺栓所受的预紧力，单位为N；-螺栓的许用挤压应力；S-

  40、安全系数；这种靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓连接，要求保持较大的预紧力，即，使联接接合面不滑移的预紧力。式中，F是滚珠丝杠的； ，为内六角圆柱头螺钉的公称面直径； 螺栓的许用挤压应力； S=5；（查参考文献10表5-10）综上所述，选用的内六角圆柱头螺钉安全。2.5 Z进给方向的设计2.5.1工作台的基本信息参数1.工作台外观尺寸及重量估算根据Z方向工作行程(500mm)以及与Y方向联动等因素考虑，则Z工作台尺寸即为 Y方向的工作台面尺寸(长宽高)：900mm450mm40mm；由于Z工作台的承载值远远小于X工作台，（重量估算：激光头成套设备重量为500N）故对其不进行强度校核。2.5.2滚珠丝杠的

  41、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。 （2.16）考虑到安全性问题，取用安全系数为则有, 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 （2.17）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,代入式子得 考虑到机床设计的经济性问题，

  42、加之Z工作台承载较X工作台小得多，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。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。2.5.3丝杠支承形式和轴承的选择考虑到机床设计的经济性，Z轴丝杠轴承的支承形式和轴承的规格型号等均与X工作台所选相同。2.5.4滚动直线导轨选择考虑到机床设计的经济性，Z轴也采用GGB-AA型滚动直线所示。已知作用在滑座上的载荷：，取滑座的个数M=2，单向行程长度（根据工作台行程和丝杠结构设计决定的），往返次数约10次/min，每天开机6h，一年按300天计算，5年寿命以上。该导轨的额定上班时间寿命为，由

  43、得，M=2，所以每根导轨上使用一个滑座，由参考文献12 表2-152-18确定，则由式子得， （2.18）式中，。查参考文献12 表3.17-54，选用GGB-AA型-T25 滚动直线导轨。Z方向滚动直线导轨长度按照丝杠导程和工作台尺寸并考虑行程余量和工作台结构等因素，取用。2.5.5伺服电动机的选择选用安川SGMAH型号电机。根据负载转矩，式中，为摩擦系数；，为直线运动部分质量；，为滚珠丝杠节距；为机械效率。考虑到机床设计的经济性问题，故选用与X工作台相同型号的电动机，即SGMGH-09ACA-61型电机。2.5.6联轴器的选择根据参考文献7选用联轴器的原则，该机床为连续工作，故取工作情况系

  44、数K=1.5，（查参考文献7表3.13-2），驱动功率，工作转速，则联轴器的公称转矩为，考虑到电机轴的直径，故选用ML2型梅花弹性联轴器。35第三章 机床床身、壳体设计床身的设计同于设计箱体结构，要保证箱体有足够的刚度、可靠的密封和良好的工艺性。（1）箱体的刚度为了尽最大可能避免箱体在工艺流程中产生不允许的变形，从而引起轴承座的中心线的歪斜，传动产生偏载，影响机床的正常工作，在设计箱体时，首先应保证轴承座的刚度。为此应使轴承座有足够的壁厚，并加设支撑肋板或在轴承座处采用凸壁式箱体结构。（2）箱体的密封为了能够更好的保证箱体和箱体接合面的密封，对接合面的几何精度和表面粗糙度应有一定的要求。一般要精刨到表面粗糙度值小

  45、于，重要的需刮研。（3）箱体结构的工艺性设计箱体结构，必须对其制造工艺技术要求和过程有清楚的了解，才能使设计的箱体有良好的工艺性。箱体结构工艺性对箱体制造质量、成本检修维护等有直接影响，因此设计时应十分重视。1）铸造工艺性 在设计铸造箱体时，应力求壁厚均匀，过渡平缓，金属无局部积聚，起模容易等。由于采用了灰铸铁材料，则其最小壁厚：HT150：；HT200：（此表及有关数据说明摘自参考文献2）。该机床床身和壳体采用砂型铸造；为保证液态金属流动通畅，铸件壁厚不可过薄，最小壁厚见表4-1；为避免缩孔或应力裂纹，薄厚壁之间应采用平缓的过渡结构；为避免金属积聚，两壁间不宜采用锐角连接（特殊情况除外）；设计铸

  46、件应考虑起模方便。铸件沿起模方向应有1：101：20的斜度；铸件应尽可能的避免出现狭缝，因这时砂型强度差，易产生废品；表4.1 铸件壁厚铸造方法铸件尺寸灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁砂型2061258金属型501504562.53.52）机械加工工艺性 在设计箱体时，要注意机械加工工艺性要求，尽可能减少加工面积和刀具的调整次数，加工表面和非加工表面必须严格区分开等。综上所述，由于是非主要设计内容，在此仅初步确定了各工作台的结构和基本尺寸，尽供参考。3.1 Y方向床身设计承前所述，根据Y方向工作台的滚动直线、所选用的防护罩的尺寸的因素，确定Y方向工作台床身的总长度，具体的结构及形式按照机床设计手册有关机床床身设计结构选择的有关要求和铸件的壁厚的要求（表4-1），确定该床身的最终结构。主要结构参数：长宽高=1750mm300mm450mm。3.2 Z方向床身设计承前所述，由于激光加工机床的特殊结构要求， Z方向工作台与Y方向工作台是连接在一起的，所以Z方向的“床身”就是Y方向的工作台。确定该床身的最终结构。主要结构参数：长宽高=900mm40mm450mm。3.3机床床身总体装配设计所设计的激光加工机床的总体结构借鉴了立式摇臂钻床的结构特点，并结合自己的结构要求，设计了如下结构，图4.5所示。Z轴Y轴

  48、旋转轴A轴X 轴激光器 图4.3 总体装配结构主要结构参数：长宽高=2740mm1750mm2565mm。机床的总体高度的选择是本着人站立时，不与Y方向工作台发生碰撞的原则下所确定的；在设计承载Y和Z方向工作台的横梁结构时，考虑到利用悬臂梁的结构特点，在支撑的根部采取了增加尺寸的结构，以保证承载的平稳牢固；为了配合Z方向最大行程的要求，在X方向工作台床身的下方加一个支撑座箱体，同时，X方向工作台应安放在Y方向工作台大约中心偏右的位置，防止X方向工作台在移动的过程中与支撑柱体发生碰撞。第四章 润滑与密封滚动直线导轨、滚珠丝杠副和其它的滚动摩擦传动元件一样，要避免化学活性物质和磨料微粒的进入，就认

  49、为这些元件几乎工作在是在不产生磨损的情况下。但是如果在滚道上落入了杂物，不仅会妨碍滚珠的运转，而且会飞速增加磨损。对于预紧变形量和制造误差以微米计算的滚珠丝杠传动副来说，这种磨损十分敏感。因此采取比较有效的密封保护措施和保持润滑油的清洁就显得十分重要。 一般用毛毡圈对螺母进行密封，毛毡圈的厚度是螺距的2-3倍，内孔做成螺纹的形状，使内孔紧密的包住丝杠，然后装入套筒或螺母两端的槽孔内。密封圈除了采用耐油橡皮之外，还能够使用柔软的毛毡圈或者尼龙材料。由于丝杠和密封圈非间接接触，所以防尘效果较好，但是也增加了滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。为了尽最大可能避免摩擦阻力矩，能够使用非接触式迷宫圈密封，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反

  50、的形状，并留有一定的间隙。 因为本次设计的机床，负荷不大，根据机床结构的特点，以及加工材料怕油的特点，我们决定使用润滑脂润滑轴承。润滑脂比润滑油稠得多，油脂强度高，能承受较大的载荷，密封装置简单、不易流失、一次加脂能够正常的使用较长的时间，不必添加或更换，所以润滑脂的应用也是十分普遍的。对于Y、Z工作台各丝杠上轴承的润滑，因为考虑到换脂期的缩短，所以应该选用粘附性能好，稠度较大，拥有非常良好机械安定性的油脂。而对于旋转工作台A的润滑措施，则要保证两对蜗杆传动的润滑方式相同，防止因一个用脂润滑，一个用油润滑，而使得两种不同的润滑介质互融。为了使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境，轴承一定要有适当的密封

  51、装置，以防止润滑剂的流失和灰尘、水气或其它污物进入轴承。 第五章 激光机床开放式数控系统控制5.1开放式数控系统的内涵设计开放式数控系统目的是为了建立一个开放式体系结构，使得系统构筑于一个开放的工作平台，有模块化的组织架构。组成系统的各功能模块来源于不同的相互兼容的供应商，用户依据自己需要进行选配和更改，集成或扩展系统的功能以便迅速适应不一样的应用需求。开放式数控系统具有以下特征：(1) 可配置性 CNC系统的功能模块灵活配置，方便修改，既能增加软硬件功能模块以便构成功能更强的系统，也可裁减其功能适应低端使用。(2)可移植性 系统的功能软件与设备无关，通过一致的设备接口，使各功能模块能在不同供

  52、应商提供的软硬件平台之上运行。(3)可互操作性 通过提供交互机制、通信协议和标准化接口，使不同功能模块能以标准的应用程序接口在系统平台运行，并获得平等的相互操作、相互之间协调工作的能力。(4)可互补性 指构成系统的各软、硬件功能模块的供应不受单一供应商的控制，可根据其可靠性、功能和性能要求相互替换，从而不影响系统整体的协调运行。具有上述特征的开放式数控系统，符合国际电气和电子工程师协会关于开放式数控系统的定义，即能够在多种平台上运行，可以和其它系统互操作，并能给用户更好的提供统一风格的交互方式.以PC微机为基础的开放式CNC系统，借助于Windows软件开发平台，使得开发工作量减少，而且很容易实现

  53、多通道、多轴控制，具有实时三维实体图形显示和自动编程等功能。这类开放式数控系统能实现三种不同层次的开放：(1)用户可以根据开放的用户操作界面，灵活定制特殊操作要求和操作步骤的界面，使其具有自身的特色且更加友好经济。(2) CNC可直接或通过网络运行各种软件包括多媒体软件、工厂管理软件、通讯软件和刀具轨迹检验软件均可在控制器上运行，这大大改善了CNC的动态仿真、编程图形显示、和诊断功能。(3)NC内核的深层次通过二次开发工具开放，把应用软件加到标准CNC内核中。CNC系统内核提供己定义的标准接口，最终用户或者机床制造商把自己特有的软件模块加到该预留内核接口上，通过编译循环，将知识、经验、诀窍等

  54、专用工艺集成到CNC系统中去，形成独特的个性化数控机床。5.2激光机床硬件结构设计本课题的数控系统采用“PC+伺服运动控制单元”的硬件结构形式，其硬件结构框图如下所示。基于PMAC的开放式激光数控系统硬件部分主要由PC机、通用数字I/O功能模块、PMAC伺服运动控制器、双端口RAM、控制面板功能模块和伺服运动控制模块等组成。通过ISA标准总线将伺服运动控制单元放入PC机。PC机负责完成人机交互功能和数控系统的配置，通过利用PC机现有的软硬件资源，用户能够获得良好的人机交互环境，并可集成网络和多媒体功能：PMAC作为从CPU部分完成数据采集、伺服计算、轨迹插补以及PLC逻辑监控实时控制任务，在基

  55、本总线通讯方式的基础上，主从CPU之间通过双端口RAM(DPRAM)实现快速数据交换，从而完成实时、可靠的通讯来协调整个数控系统，共同完成加工任务。下面对激光机床控制系统的各功能模块分别予以介绍。如图6.1所示，图6.1 数控系统硬件结构图(1 PMAC伺服运动控制单元 。其中并行通讯部分的主要任务在于将伺服电机的各种运行状态、接收主机发来的各种控制指令以及位置信息等返回给主机.它采用Motorola5 6000系列DSP数字信号处理器作为其CPU，由专门的PROM. RAM. EAROM以及IC门阵列电路等组成，其硬件原理如图。(2) PC机 PC微机完备的软硬件环境是本系统开发的基础。在功

  56、能上，PC微机主要负责完成系统管理等非实时控制任务，而PMAC则充分利用自身高速运算特性和强大的处理能力集中完成实时控制任务，从而满足了本数控系统多轴、高精度的数控控制要求。本系统开发过程中充分利用了PC微机的软硬件资源，其微处理器与PMAC的DSP芯片构成了一种主从CPU的结构形式，两者通过共享双端口存储器来完成相互间的通讯和快速数据传输，并由逻辑控制电路来解决主从CPU对双端口RAM访问冲突难题。图6.2 PMAC硬件原理图在本系统中即为ACC-8S。它通过扁平电缆与PMAC的JMACH口相连接.除了提供高精度的模拟输出外，还实现增量编码器信号、相关输入输出捕捉信号的输入以及电源的连接等。

  57、在伺服运动过程中，PMAC伺服运动控制单元可接收0-5v的数字正交编码器信号，每个DSPGATE IC(DSP门)可联接4个编码器，PMAC通过DAC模拟输出实现对伺服运动的控制，所以PMAC配备了伺服信号转接板来实现与驱动器的联接，。(3)通用数字I/O功能模块主要由地址、光耦、译码电路以及输出端口驱动电路等组成,与系统一起输出开关量信号。PMAC的I/O接口电路板每组提供8个普通用途的数字输入和输出，本系统采用的ACC-34A辅件一共有四组I/O接口电路，即一共有64个光电隔离的分立I/O点，每组8位I/O接口电路都要有单独的24V电源供电以及数字接地端(GND)，输出端口采用标准集电极开

  58、路输出，低电平有效。在相应PLC软硬件功能模块的支持下，该功能模块主要用来完成其它一些动作信号输入输出、正反转以及控制主轴和各伺服轴的起停，其地址译码电路主要为PLC检测和控制模块软件取址提供硬件基础，内置的光电隔离部分有效地将外部过程模拟量通道和计算机的数字量通道隔离起来，大大减少了外部因素的干扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。(4) 伺服运动模块 伺服运动模块保证了控制系统与机床电气侧相关部件协调工作，本系统主轴电机采用双速交流异步电动机。因为交流伺服驱动器是一个DSP和门阵列控制系统，所以能够单独完成速度信息的处理、位置以及故障诊断等.整个交流伺服系统工作时，由PMAC伺服运动控制单元

  59、提供控制指令雌置控制脉冲)，驱动器接收指令后，控制电机运转。 (5) 双端口存储器该存储器是一种新型的存储器，具有两组独立的数据总线、控制总线和地址总线，每一个端口可独立地对同一存储单元进行读写操作。在本控制系统中，双端口RAM主要用于与PMAC快速的数据和命令通讯，当双端口RAM向PMAC写数据时，双端口RAM能够在实时状态下快速地将位置指令数据或程序信息进行下载；当从PMAC中读取数据时，它可以快速地获取包括电机的位置、速度、跟随误差等在内的各种数据信息。因而，利用双端口RAM大大地提高了数控系统的响应能力和加工精度，同时也方便了用户的编程和开发。第六章 机床技术经济性分析该激光加工机床较

  60、普通数控加工机床，有如下优点：（1）激光加工机床是利用激光对工件进行切割、焊接、熔覆等工作，所以该种加工技术是一种无磨损、低噪音、经济的绿色加工技术。而相对应的普通数控加工系统，因为是切削加工，所以加工过程中的切削和切削液等都会对周围环境造成污染。此外，普通数控机床经过长时间使用，刀具磨损严重；但激光加工仅对气体有一定的要求。相比之下，激光加工机床的损耗小于普通数控机床。（2）激光加工机床的结构设计相对简单，如本次设计的机床，直线进给机构采用与伺服电机直联的形式，并且使用滚珠丝杠副进行传动，传动效率高，大大降低了机床的生产成本。普通数控机床设计相对复杂，根据一般数控机床的设计要求，不仅有丝杠传

  61、动副，还有减速装置、各种换刀装置，这不仅加重了机床的生产成本，还加重了机床的维护等的工作量。（3）现有的激光加工技术能轻松实现焊接、切割和熔覆等，可对工件进行再利用，节省了加工材料，并且加工工艺性好，加工精度高，加工质量好。综上分析，激光加工机床采用可运动控制单元、设计的机床结构更为简单实用，加工更为灵活多样，加工质量高，可以实现金属快速成型，降低了生产成本。在当今的加工制造业中得到了广泛的应用。设计小结本文主要介绍了激光加工机床机械部分的设计过程。课题从激光加工的特点出发，根据数控机床的设计思路，参考典型机床结构而设计的四轴联动的激光加工机床。按照课题要求，文中主要对激光加工机床的机械部分进行了详细设计，包括方案的论证和部分零部件的设计、强度计算和分析等。根据激光加工的精度要求，直线进给工作台部分采用了较为先进的滚珠丝杠传动，并与电机直联，节省空间，安装维护方便； 激光加工机床主要由进给机构、旋转机构、激光器和控制管理系统四部分组成。机床中的Y轴和Z轴均采用了直线进给机构传动，由电机与滚珠丝杠直接相连，传动简单，精度高，定位准确，且安装简介维护方便。根据激光加工机床的功能和结构特点，主要进行了以下设计：（1）直线进给机构中滚珠丝杠副的设计；（2）直线进给机构中滚动直线）激光加工机床轴承的设计与校核；（4）激光加工机床旋

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