气体保护式激光加工实验装置设计大学论文

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：Laserprocessingisoftenaccompaniedbyhightemperature,andareoftenexposedtotheair,theworkpieceincontactwiththeoxygenintheairoxidationreaction,reducethemechanicalpropertiesofmetalsandevendamagethemetal.Especiallyforthemoreactivemetals,suchasmagnesium,aluminum,orburneasilyhappenedintheairoxidation,lasersurfaceprocessingrequirestrictisolationairorgasprotection.Preventoxidationhasalwaysbeentheemphasisanddifficultyinmetalprocessingindustryresearch,theoxidationofmetalprocessinghavegreateffectonthemechanicalpropertyofmetal,seriouswhencanleadtoproductscrap,increaseinvestmentinthemetalprocessingindustry,economy.Topreventtheoxidationreactionofmetalprocessing,isbeneficialtotheimprovementoftheperformanceofthemetalmechanics,improvetheproductqualityandsavetheeconomiccosts,morehighqualityproducts.Toobtainthehighqualityproducttoputintoproductioninthesociallife,improvepeople'slivingstandardandqualityoflife.Thispaperdesignedavacuumorgascanbewordtypelasermachiningexperimentdeviceisdesigned,mainlycompletedthemachineoverallstructuredesign,structuredesignandcalculationoftheXaxisandYaxis,selectionofballscrew,linearrollingguideandintensityanalysis;Withsteppingmotorasfeeddriveofdrivesystemanditstransmissionmechanismanalysisanddesigncalculation.KeywordsMetalprocessing,lasercuttingmachinetools,XYtable,Singlechipmicrocomputer目录TOC\o"1-3"\h\u8626第一章绪论 （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QUOTEFr1=755.56N；轴向力Fa1=509.5NQUOTE；轴颈直径d1=32mmQUOTE；转速QUOTEn3=120r/min；要求寿命QUOTE；温度系数QUOTE；润滑方式：脂润滑；基本额定动载荷QUOTECr=23800N；基本额定静载荷QUOTECor=32500N；极限转速QUOTEnmax=6300r/min；寿命系数QUOTE=3.33。查表可得判断系数QUOTEe1=0.973；轴向载荷系数QUOTE,QUOTEX=1,Y=0；载荷系数QUOTEfp=1.2；当量动载荷QUOTE轴承寿命QUOTE。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10×8×25QUOTE；4、5、6位置键尺寸QUOTE8×7×15。3.5.2键的校核材料选用：Q235钢；许用压强QUOTE；k=0.5hQUOTE；键校核公式：QUOTE（3-14）键的校核：QUOTEk2=0.5h,；QUOTE；（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1300mm×1200mm×800mm。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：=1\*GB3①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。=2\*GB3②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。=3\*GB3③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20～30%。=4\*GB3④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，2500-4Y向选用GGB20AB2P，21100-4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1μm/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）=92×0.025/2×tg（2.91+0.14）=0.062N·mM2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，0.1—0.3Ph—导程，4cmFao——预紧力，有：Fao=Fao1+Fao2取Fao1=0.04×Ca=0.04×1600=640NFao2为轴承的预紧力，轴承型号为6004轻系列，预紧力为Fao2＝130N。故根据式（5.3）：M2=0.098N·m齿轮传动比公式为：i=φ×Ph/(360×δp)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为：（5.4）=360×M×δp/φ×η×Ph式中:δp=lμm/STEP=0.0001cm/STEP；M=M1+M2=0.16Nφ=0.36o/STEPq=0.85Ph＝0.4cmη＝0.953则根据式（5.4）：Tq=360×0.16×0.0001/(3.6×0.85×0.4)=0.4N·m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=0.46N·m6.1.3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0.8N·m，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。M2M1方式定时器输出波形0 0单方波01连续方波10单脉冲11连续脉冲图6-58155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，