金属薄板激光切割机结构设计

PAGE24金属薄板激光切割机结构设计STRUCTUREDESIGNOFLASERCUTTINGMACHINEFORMETALSHEET

摘要激光切割工艺作为一种新兴技术正在被人们所熟知并且不断掌握以及开发，从而在技术生产中被广泛运用。激光切割机就是其应用的典型例子，为了早日实现生产科研一体化，激光切割机的生产技术得到了越来越深的探索与研究。本文结合激光切割工艺特点和龙门式切割机的结构，设计出了金属薄板激光切割机，该切割机的切割对象是较薄的金属板材。其基本构架可以实现横梁、切割臂、激光切割头分别沿X、Y、Z三轴的移动。另外，本文还设计了激光光路以达到切割金属板的时候无需移动工件的目的。所设计的激光切割机在进行切割工作移动时，它的激光器发射的激光跟着激光头移动，这样一来，所提供的激光能量会极其稳定，大大降低了生产成本。同时，切割的效率也会得到很大的提升，生产操作也会变得简便。本次对激光切割机的设计主要分为以下几个部分：基本构架的设计、激光器的选择、激光光路的设计、激光切割头的设计、保护装置以及导轨的设计。同时，还对丝杠的要求以及电机的选择等进行了仔细的检验与校核。关键词激光切割工艺；切割机；激光光路；结构设计

AbstractAsanemergingtechnology,thelasercuttingprocessiswellknownandconstantlymasteredanddeveloped,andthusiswidelyusedintechnicalproduction.Lasercuttingmachineisatypicalexampleofitsapplication.Inordertorealizetheintegrationofproductionandscientificresearchassoonaspossible,theproductiontechnologyoflasercuttingmachinehasbeenmoreandmoredeepexplorationandresearch.Thispapercombinesthecharacteristicsoflasercuttingprocessandthestructureofthegantrycuttingmachine,anddesignsametalthinplatelasercuttingmachine.Thecuttingobjectofthecuttingmachineisathinmetalplate.Thebasicstructurecanrealizethemovementofbeam,cuttingarmandlasercuttingheadalongthethreeaxesofX,YandZrespectively.Inaddition,thisarticlealsodesignedthelaserlightpathtoachievethepurposeofcuttingthemetalplatewithoutmovingtheworkpiece.Whenthedesignedlasercuttingmachinemovesduringthecuttingwork,thelaserlightemittedbythelasermovesalongwiththelaserhead.Inthisway,theprovidedlaserenergywillbeextremelystableandtheproductioncostwillbegreatlyreduced.Atthesametime,theefficiencyofcuttingwillalsobegreatlyimproved,andproductionoperationswillalsobecomesimpler.Thedesignofthelasercuttingmachineismainlydividedintothefollowingparts:thedesignofthebasicframe,thechoiceofdrivingmode,thechoiceoflaser,thedesignofthelaserlightpath,theprotectiondeviceandthedesignoftheguiderail.Atthesametime,carefulexaminationandverificationwerealsoconductedontherequirementsofthescrewandtheselectionofthemotor.Keywordslasercuttingtechnologycuttingmachinelaserlightpathstructuredesign目录摘要 IIAbstract III1绪论 11.1激光 11.2激光加工材料的原理 21.3激光切割工艺 31.3.1激光切割工艺原理 31.3.2激光切割工艺优点 41.3.3激光切割工艺应用领域 41.4激光切割机国内外发展概况 51.4.1国外激光切割机发展概况 51.4.2国内激光切割机发展概况 61.5本文设计的主要思路 72切割机总体设计 82.1切割机结构设计 82.2切割机设计方案确定 82.2.1基本架构确定 82.2.2驱动电源 82.2.3轴向传动构架选择 82.2.4激光光路设计 92.2.5驱动方式选择 92.2.6方案图纸的绘制 103切割机主要部分设计计算 123.1滚珠丝杠选型及检验计算 123.1.1滚珠丝杠的选择 123.1.2滚珠丝杠的相关公式 133.1.3滚珠丝杠的检验计算 153.2电机的选型 194切割机其余部分的设计 214.1激光器的选择 214.1.1激光器的分类 214.1.2气体激光器的介绍 214.1.3二氧化碳激光器的选取 224.2激光光路的设计 234.2.1激光光路结构 234.2.2光路反射镜材料 244.2.3激光头透射镜材料 254.3保护装置的设计 264.4导轨的选择 27结论 30致谢 31参考文献 32附录 33全套设计加QQ11970985或1972163961绪论1.1激光激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体以后，人类的又一伟大发现，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。原子受激辐射的光，故称“激光”。如图1-1所示的激光。图1-1激光光是原子中的电子接收能量后，从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级，回落的时刻放出的能量以光子的形式释放。而激光，便是被引发出来的光子队伍，这光子队伍中的光子们，光学特征一样，步调极为相同。举个例子便是，通俗的光源，好比电灯泡发出来的光子各不相同，并且会四面八方乱跑，很不团结，然而激光中的光子们却是心往一处想，劲往一处使，这致使它们势如破竹，威力巨大。激光在21世纪之所以能够被广泛应用于生活生产中，是因为其具以下有4个优秀的特点[1]：（1）激光的亮度特别高，可以产生巨大高温，进而激光几乎可以加工任何材料。大家都知道，太阳的亮度很高，然而气体激光器所发出的激光亮度远高于太阳，固体激光器就更大于太阳的亮度了。（2）激光具有良好的单色性。把激光投射在某处上，可以发现该处很快会发生烧蚀，并且烧蚀的部分特别的集中。这主要得益于激光的高单色性，正是因为这一点，激光才会被更好的应用于加工中。（3）激光在不同部位的相位差特别小，相位之间都有一定的联系。这就说明其具有很高的相干性。（4）激光传递不发生偏移。也就是说，激光具有的很强的方向感使得其能够在很长的一段距离内有效持续地传递着。这就使得激光在传递结束时汇聚在一片很小的地方。靠着这独一无二的特性，激光加工被很多生产所运用。人们利用激光所具备的种种特性，研发出了各种激光加工设备。其中，比较典型的就是激光切割机。它的研发使得在切割板材方面的工作效率更加的高，自动化的激光切割机更是解放了人类的双手。这都得益于激光。1.2激光加工材料的原理利用激光加工材料的原理大致就是把激光当成一个产生热量的源头，不断对加工材料进行加热，使其达到一定的温度，以达到所要加工的目的，如焊接与切割[2]。这个过程主要是把激光的光能转化为我们所需要的热能，即：被加工的材料经过激光的照射温度不断升高，导致其部分位置发生熔化，这些熔化了的部分就能够脱落进而被人们所利用。期间的能量转化就是光能到热能的转化。根据能量守恒定律，具有高能量的激光很有发展前景。当然并不是所有的激光加工材料都如上面所说的那样，特定的加工有着特定的要求。比如在进行焊接工作时，材料需要被粘合在一起，这就需要温度在升高的同时不能使材料脱落，等达到熔化之时即可。利用激光切割材料的时候正好和焊接是相反的，被切割材料在激光的照射下温度升高，到一定的温度使材料分割成两部分即可完成所需的切割工作。激光热处理技术并不是要求两个材料粘合在一起，也不需要把一个材料分割成两个部分，它的主要原理是激光使其材料内部温度升高从而达到内部组织相变的目的。利用激光加工材料如图1-2所示：图1-2激光加工材料图激光加工不同的材料时，材料的加热效果和材料自身受到的影响也是不同的[3]。（1）加热效果的差异。不同材质的材料，如金属与非金属材料，表面粗糙度不同的材料等。但是加热的原理都是相同的。材料表面被激光照耀，其中的一部分激光被材料的表面所反射掉，进入了空气中，另一部分激光则被材料所吸收进而转化为人们所需要的热能，这一部分转化了的热能部分使材料本身达到了人们的预期，另一部分通过热传递的方式把热量传递到了材料的其余部分。因此，材料吸收激光的能力决定了其产生热量的多少，一般来说，表面越光亮即表面粗糙度越低的材料所反射的激光越多，材料表面所吸收的激光能量越少，从而导致激光的利用率不高。因此，科研人员通常采用加大材料表面粗糙度的方式来提高激光的利用率，从而进一步提升生产的效率。（2）材料自身受到的影响也不同。用相同亮度的激光照射不同的加工材料，因其材料的结构不同，激光透过材料给材料造成的影响自然也是不同的。一般来说，板材的厚度对这一影响尤为突出。加工薄板与非薄板所用的激光亮度和能量不同，薄板加工用的激光器功率较低，以起到不破化薄板的内部组织的目的。另外，加工不同材料时，为了不破化材料，激光照射的时间也应得到控制。1.3激光切割工艺激光切割工艺在金属和非金属材料的加工中得到了广泛应用，可大大削减加工时长，下降加工成本，进步工件质量。脉冲激光适合于金属材料，连续激光适合于非金属材料。当代的激光成为了人们所空想寻求的"削铁如泥"的"宝剑"[4]。CO2激光切割工艺是利用激光器发射的激光束投射在材料的表面，光能转化为热能，材料温度升高进而熔化，再利用与发射的激光束同轴的辅助气体把熔化的废料清除，从而构成必然外形的切缝。这项工艺中，激光束和被切割的工件做固定的有规律相对运动。从二十世纪七十年代以来，伴随着CO2激光器及数控技术的不断完善和成长，今日已成为产业上板材切割的一种进步的加工方式。在五、六十年代作为板材下料切割的首要方式中:对中厚板采取氧乙炔火焰切割;对薄板采取剪床下料，成形庞大零件大批量的采取冲压，单件的采取振动剪。七十年代后，为了改良和进步火焰切割的切口质量，又推行了氧乙烷精密火焰切割与等离子切割。为了削减大型冲压模具的制造周期，又发明了数控步冲与电加工手艺。各类切割下料方式都有其长短处，在工业生产中有必然的适用范围。1.3.1激光切割工艺原理激光切割，简单的来说就是利用能量的转化，即激光的光能转化为热能，是材料的温度升高进而发生熔化，再把熔化的部分清除掉，从而使材料达到分离的目的。具体点就是，把高密度功率的激光束投射在被切割材料的表面，有一部分激光在材料表面发生反射现象，另一部分激光则被材料吸收，这时，巨大的光能转化为了热能，材料被加热到成千上万摄氏度，材料发生汽化和熔化，汽化的材料变成了气体直接逸出空气中，而熔化的材料被所添加的辅助气体所吹走，于是切缝便产生了，从而达到了切割的目的。脉冲激光适合于金属材料，连续激光适合于非金属材料，后者是激光切割技术的主要应用领域。激光切割如图1-3所示：图1-3激光切割图这项技术采取激光束照射到钢板的表面时所释放出的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源普遍用的是二氧化碳激光束，该功率的程度比很多家用电暖器所需的功率还低。不光如此，激光切割工艺还有它的独特优势。由于激光本身具有高方向性和高相干性，其聚焦多聚集在集中的位置，再加上激光加工工艺所用的激光是经过透镜和反射镜聚焦的，这样一来，材料的某一特定位置会被加热到成千上万摄氏度，这一集中的位置处的材料被汽化和熔化，通过移动激光切割头可以使材料的任意部分集中加热，以达到切割的目的。另外，由于能量高度集中，能源的利用率也很高。经加热的部分很少把热量传递到周围，因此，经激光切割工艺切割过的坯料一般很少需要进行二次加工，并且一些结构比较复杂的大型材料也可通过激光切割工艺进行切割。1.3.2激光切割工艺优点随着科学技术的不断发展，激光切割工艺以其明显的优点被广泛应用在生产实践中。其优点如下[5]：（1）激光切割工艺具有较高的切割精度。其精度可达0.02至0.05毫米。（2）利用激光切割的材料，高密度的激光束照射在材料的表面，形成焦点，焦点很细小，并且密集成线。因此，材料的切缝会很窄，一般只有0.10至0.20毫米。（3）由于是用激光切割的材料，激光具有很高的强度。所以材料的切割面会很光滑。（4）激光切割的速度在每分钟10米到70米，这速度要比普通的线切割速度快很多。（5）激光束是看不见的，激光切割头是不和工件接触的，因此，激光切割工艺不会损坏工件的表面，并且切割的效果优良。（6）激光切割工艺的适用范围很广，不仅可以进行金属材料的加工，同样也可进行非金属材料的加工。（7）激光切割工艺与其他加工工艺不同，其加工不需要模具。这就为加工工序减轻了很多步骤，节约了加工模具的成本，缩短了加工的时间，省时省力。经激光切割工艺加工的产品如图1-4所示：图1-4切割件展示1.3.3激光切割工艺应用领域目前适合采用激光切割的产品大体上可归纳为三类：（1）从技术经济角度来说，不适合制造模具的金属钣金件，特别是表面形状复杂，批量小，一般厚度12mm的低碳钢和6mm厚的不锈钢，来节省制造模具的成本与时间。已经采用该技术的典范产物有:主动电梯结构件、起落电梯面板、机床及食粮机器外罩、各类电气柜、开关柜、纺织机器零件、工程机器结构件和大机电硅钢片等。（2）装潢、广告、服务行业用的不锈钢(通常厚度3mm)或非金属材料(通常厚度20mm)的图案、标记和字体等。比如艺术照相册的图案，学校、单位、商场的标志，车站、医院等公共场所的中英文字体。（3）要求平均切缝的特别零件。最广泛应用的典范零件是包装印刷行业用的模切版，它的要求是在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm的槽，随后在槽中镶嵌刀片。利用时装在模切机上，切下各类已印刷好图形的包装盒。海内近年来利用的一个新领域就是石油筛缝管。为了盖住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出0.3mm宽的平均切缝，起割穿孔处小孔直径不能超过0.3mm，切割技术要求高，已有很多单位投入生产。国外除上述应用外，还在不断扩展激光切割工艺的应用领域：(1)激光切割是一个由绘图到切割工件的一个过程，提高绘图效率能够大大提高生产效率。因此国外在不断研发新的切割绘图软件和绘图机器人来提高绘图的效率。(2)为了提升生产速率，钻研开辟各类专用切割体系，质料运送体系，直线机电驱动体系等，今朝切割体系的切割速率已跨越100m/min。(3)为扩大工程机械、造船工业等的利用，切割低碳钢厚度已跨越30mm，并特别注意钻研用氮气切割低碳钢的工艺技术，以进一步提高切割厚板的切口质量。因此在中国扩展CO2激光切割的产业利用领域,攻克新的应用中一些技术困难仍然是工程技术人才的主要课题。1.4激光切割机国内外发展概况1.4.1国外激光切割机发展概况在20世纪70年代末期，国外最初运用激光切割技术的是薄钢板切割。激光切割机逐渐开始发展并且兴起成为一种新兴产业是在80年代初期。因为激光切割机的寿命可达十万小时，并且还能加工各类材料，即便是每台激光切割机的成本比等离子切割机要高，它的效益依然很好。激光加工技术在美国、欧盟、日本等工业大国迅速兴起并且很快成为一个高新技术产业，其应用领域及规模在不断扩大。近些年来，全球每年激光切割机数量增长速度接近1000台，此行业销售总额也已经超过了90亿美元，其中美国和日本的激光切割机市场占有率大概为25%。随着激光切割机功率的增大、加工光束稳定性要求的提高、机械设备柔韧性的增强，各类无机材料、有色金属，甚至板厚为10mm的铁镍材料都可以采用激光进行加工。伴随着激光切割机的逐渐普及，市场需求使得切割机切割效率进一步提高，应用层逐渐壮大。广阔的市场决定了美国、德国、日本等发达国家对各类激光工艺以及激光器的研究，以达到提高激光切割机切割性能的目的。世界上著名的激光切割机生产企业有：德国通快、意大利普瑞玛、美国阿玛达以及瑞士百超等。这些著名的公司已经连续开发出了大功率、大幅面、高速、三维立体的激光切割机，并且现在每一年都在推出新的产品。德国通快研发的L203E型号的激光切割机功能十分强大，不仅能够进行五轴联动，自动加载切割参数，用户还可以自行对平板架进行拆装，这样就大大增强了设备的柔性。意大利普瑞玛公司研发的SYNCRONO激光切割机，擅长加工小孔，该切割机每分钟能够穿出1300个孔，特别适合加工大批量产品。总体来说，国外激光切割机正在向着多自由度、高速度、大批量以及智能化方向快速发展。1.4.2国内激光切割机发展概况由于70年代，我国工业技术比较落后，从事工业生产自动化程度较低，市场竞争意识薄弱，相比于海外激光切割机的发展，我国激光切割技术研究起步较晚，激光加工技术整体水平比较落后。但是，随着我国综合国力的增强，国家对高科技产业的发展越来越重视，经过近些年的不懈奋斗，我国的工业生产水平得到了不小的提高。激光加工技术被列为国家重点科技攻关。为此，三个国家级的激光加工中心被我国建立。我国比较著名的切割机研发公司是济南铸造锻压机械研究所，该研究所在1985年生产了我国第一台精密激光切割机，从此拉开了我国对激光切割技术的研发的序幕。近些年，该所不断创新研发，在2010年，该所第八代激光切割机LR0412大幅面地轨数控激光切割机研发成功。此激光机采用了优化过后的龙门式总体构架，各个方面的性能均有所提高，是我国激光切割机的佼佼者。经过了近三十年来无数科研者的不懈努力，我国研发的激光切割机在稳定性、实用性、加工工件尺寸范围上技术逐渐成熟。国内也不断出现了一些著名的激光切割机生产企业，比如深圳大族公司、武汉华工公司、南京南传公司等。然而，在一些关键技术上，我国的技术水平尚不成熟，与发达国家相比，我国在结构制造、数控软件开发、产品精细程度等方面水平还很低，还需要我国广大科研人员日日夜夜的不断奋斗，不断创新。希望我国政府再加大对激光切割技术方面的投入，早日实现我国科研产业一体化。下图1-5为激光切割机图[6]。图1-5激光切割机1.5本文设计的主要思路本文设计的题目叫做金属薄板激光切割机的结构设计。该切割机的主要结构有切割梁、切割臂、切割头等。其运作的方式大致为，切割头连接在竖直Z轴方向的切割臂上，能够跟随切割臂的上下移动而移动，切割臂可以在Y轴方向上水平移动，Y轴方向的水平梁可以沿着X轴水平移动。这样一来，就可以达到进行切割工作时不需要移动切割件的目的。该切割机适用于各种金属薄板的切割工作。主要优势就是切割的速度快，精度高且灵活。结合所学的知识以及通过查阅资料和书籍，本人主要对金属薄板激光切割机的结构方面进行了设计，依次完成了如下的任务：（1）对激光切割机的组成部分进行了设计。分别有底部支撑架、配合切割臂移动的三个方向的梁、激光器、激光光路的设计、激光切割头等。（2）对切割机的光路传递系统进行了设计。（3）通过了解各部分的传动方式，计算确定了各丝杠的选用与校核。（4）对电机的型号进行了分析对比，选用符合要求的型号。（5）使用CAD绘制零件图。2切割机总体设计2.1切割机结构设计本文设计的激光切割机是用于金属薄板的切割工作，要求切割机切割精度要高。切割机的底座能够在一个长为3000mm，宽为2000mm的矩形范围内固定住。切割机的激光切割头能够在X,Y,Z方向上面自由移动，其移动距离均分别大于3000mm，1500mm和150mm。该切割机的X,Y,Z三个轴的精度要求分别为±0.01mm，±0.01mm，±0.005mm。要求该金属薄板激光切割机至少使用20年。2.2切割机设计方案确定2.2.1基本架构确定金属薄板激光切割机的切割对象是较薄的金属板材。它的基本构架和龙门式切割机非常的类似，满足了切割机的梁可以在X轴上面自由移动、切割臂可以在Y轴上自由移动和激光切割头可以在Z轴上自由移动。这样一来，激光头拥有3个自由度，可以进行任意切割，自动工作。2.2.2驱动电源自从电的发明以来，几乎各行各业都需要用电。没有电源，各种电器设备都无法正常工作。作为动力的来源，电力已经成为当今社会不可或缺的组成部分，成为人类赖以生存的一部分。影响电源工作状态的因素有很多,例如，电源的电压的大小、电流的大小和频率、功率的大小。各个国家的用电标准都不同。此次设计的金属薄板激光切割机采用的是我国标准的AC交流电，电压的大小根据具体情况具体调节，但是电流频率采用的是标准的50Hz。方便快捷[7]。2.2.3轴向传动构架选择本次设计的金属薄板激光切割机之所以能够自由移动，随意切割，是因为选用了滚珠丝杠的机械传动方式。该传动方式能够使得X,Y,Z三个方向上面的机构平稳移动。好比是人的骨头对于整个人的支撑一样，该构架的设计是此切割机最重要的部分之一。选用滚珠丝杠的理由是，首先它的驱动力矩非常的小，几乎是滑动丝杠力矩的三分之一，力矩小的好处就是省电，经济性较好。其次，采用滚柱丝杠的机械传动精度特别高。最后就是摩擦力小，进给的速度更快，效率更高。下图2-1就是滚珠丝杠的图例。图2-1滚珠丝杠2.2.4激光光路设计本文设计的激光切割机是利用激光来进行切割工件的，它的切割过程是移动切割头，使切割头对准被切件，从而进行切割。在这个过程当中，被切工件是不必移动的。激光是在激光头里进行传导的，因此必须要设计出合理的激光光路，才能达到这一目的。这么说来，设计一套合理的激光传导路线是很重要的一部分。本文所设计的激光光路如图2-2所示：图2-2光路系统传递路线图2.2.5驱动方式选择切割机常见的三种驱动方式是：气压驱动、液压驱动、电力驱动。这三种驱动方式区别就在于所用的动力源不同，分别是气压、液压和电力[8]。气压驱动和液压驱动分别是把气体和液体作为工作的介质，它们的工作原理大致都是利用气体或者液体形成压力，从而产生驱动力。实际上是一种能量的转化。气压驱动和液压驱动相比，气压驱动的功率较小，稳定性较差，精度不高。因为气压驱动采用的是气体介质，所以价格比较经济实惠，更不会污染环境。二者的共同特点就是设备较复杂，设计难度太大。电力驱动以清洁能源电力作为其驱动源，既不会产生污染，其应用十分的广泛。并且经济实惠，设备多种多样，精度高，功率大的特点非常适合作为本次设计的驱动方式。因此，本次激光切割机的驱动方式选择电力驱动。通过电动机带动丝杠进行传动，能够实现设计需求的自动传动，满足设计需求。并且环保可靠设备多样，经济实惠。2.2.6方案图纸的绘制用CAD绘制部分零件图。首先要了解所绘制零件的尺寸大小以及所在位置。清楚零件的各个参数以及它们之间的传动方式。一些重要的，对切割机影响较大的尺寸参数要优先考虑。此外，在保证质量的同时还应该保证美观，做到实用性和艺术性的完美结合。本文中设计的金属薄板激光切割机的装配主视图（图2-3）和俯视图（图2-4）如下：图2-3切割机主视图图2-4切割机俯视图

3切割机主要部分设计计算3.1滚珠丝杠选型及检验计算3.1.1滚珠丝杠的选择丝杠作为机械上常用的传动元件，好的丝杠能够使机械传动更加平滑顺畅。本文设计的金属薄板激光切割机要求切割精度高，而好的丝杠可以使机械加工精度提高。因此，选择性能优良的丝杠至关重要。选择丝杠既要考虑其性能的好坏，又要考虑成本。要选择一种性价比高的丝杠。市面上两种常见的丝杠是滚珠丝杠和滑动丝杠。滚珠丝杠因为里面有钢珠，属于典型的滚动摩擦。滑动丝杠里面没有钢珠，单纯的靠滑动摩擦来转动。很显然，滚动摩擦的摩擦系数要远远小于滑动摩擦的摩擦系数。因此滚柱丝杠的传动效率远远高于滑动丝杠的传动效率。下图3-1是滑动丝杠与滚珠丝杠分别在导程角不同的情况下的传动效率。另外滑动丝杠的致命缺点就是在其滑动的过程中会出现跑偏的现象，而选择滚珠丝杠就可以避免这种情况，满足了金属薄板激光切割机对切割精度要求高的条件[9]。图3-1滚柱丝杠与滑动丝杠效率图下面来选择具体的滚珠丝杠。丝杠是在X,Y,Z三个方向上的，因此，就要考虑到此次设计的激光切割机的工作范围的大小。这里为了实际要求，满足切割机工作范围，又要考虑经济性因素。选择比切割机行程范围长且经济的丝杠。在坐标轴X方向上，切割机的工作范围是3000毫米，这里选用长度为4000毫米的GY4020ES-HUBR-4000A型丝杠。如图3-2所示在坐标轴Y方向上，切割机的工作范围是1500毫米，这里综合经济性因素考虑，选用了KURODA（黑田精工株）公司生产的长度为2000毫米的GY2510ES-HULR-2000A型丝杠。这种型号的丝杠与X方向上的丝杠类似。图3-2所示X,Y轴方向上选择较长的滚柱丝杠的好处是不用刻意把设备移动到中间部位，可以更轻松的上料，节省了上料时间，提高了生产效率。在坐标轴Z方向上，由于设计的激光切割机适用于切割金属薄板，故Z轴方向上所选的丝杠不需要很长。大于上料金属薄板的厚度即可。这里选用长度为600毫米的GY1505DS-NKLR-0600A型丝杠。如图3-3。图3-2X,Y轴丝杠图3-3Z轴丝杠3.1.2滚珠丝杠的相关公式下面介绍所选用的滚柱丝杠里面的一些重要公式：1.导程角(3-1)式中：—导程角(°)—丝杠长度(mm)—滚珠直径(mm)2.推力产生后所需扭矩先进行丝杠的受力分析，丝杠的受力情况如图3-4所示：图3-4丝杠受力分析摩擦力的大小的计算（这里推力的大小等于摩擦力的大小）(3-2)式中：—摩擦系数—物体质量（Kg）—重力加速度（m/）驱动力矩的计算(3-3)式中：—驱动力矩（N·m）—传动效率 3.扭矩产生后所获得推力(3-4)4.最大允许压曲负荷在使用滚柱丝杠的时候，为了避免其发生弯曲变形，导致丝杠的损坏。需要计算丝杠的最大允许压曲负荷。保证对其施加的压缩负荷的最大值不得大于最大允许压曲负荷。(3-5)式中：—最大允许压曲负荷（N）—相关系数（取=4）—杨氏模量—最小截面二次矩—丝杠支撑间距（mm）(3-6)式中：—丝杠沟谷直径（mm）5.最大允许拉伸负荷当所用的丝杠的长径比大于20的时候，在使用时常常需要张紧丝杠。为了避免破化丝杠的性能，保障其正常使用，需要对其最大允许拉伸负荷进行计算。必须保证张紧丝杠时施加的负荷不能超过丝杠本身的最大允许拉伸负荷。(3-7)式中：—允许拉伸负荷（N）—允许拉伸应力（147）—丝杠沟槽直径（mm）6.临界转速由于本次采用的丝杠是滚珠丝杠，在传动过程中，其钢珠的滚动速度特别快。随着钢珠转速的不断提高，它的转动频率会无限接近滚柱丝杠本身的频率，从而引起共振现象，导致丝杠无法正常工作。因此，必须找到滚珠丝杠的临界转速，保证丝杠在滚珠临界转速下工作。计算丝杠临界转速的公式有（3-8）和（3-9）两种，为了保险起见，本次采用的是二者计算结果的最小值作为滚珠丝杠的临界转速。(3-8)(3-9)式中：，—临界转速（）—丝杠沟谷直径（mm）—滚珠的中心直径（mm）—相关系数（取=21.9）7.丝杠寿命每一个零件都有其自身的使用寿命。这次选用的滚珠丝杠的寿命是由其所能工作的总转速决定的。先根据(3-10)计算出滚珠丝杠的总转数。(3-10)式中：—总转数（rev）—额定动负荷（N）—负荷系数（随速度变化而变化）—轴向负荷假设此滚珠丝杠每天工作12小时，因为假设工作时间远超过实际工作时间，故，取一年为300天。那么丝杠的使用寿命计算公式如（3-11）所示：(3-11)式中：—寿命时间（年）—总转数（rev）—单位旋转数（）3.1.3滚珠丝杠的检验计算所选用的滚珠钢丝是否符合设计的要求，下面分别对X,Y,Z轴三个方向上的丝杠进行检验计算。检验计算的内容为：所能承受负荷的校核、丝杆转速的校核、力矩大小的计算以及丝杠寿命的检验等。1.计算Z轴所用丝杠的力矩与检验（1）丝杠上总力矩的计算丝杠的总力矩的大小分为两种情况：一是匀速运动时由丝杠的摩擦力矩的与驱动力矩组成的；二是加速运动时由摩擦力矩、驱动力矩还有加速扭矩组成的。首先计算其摩擦力矩。摩擦力矩是由丝杠的张紧力产生的，通常情况下，轴承的摩擦系数为0.005，轴承的回转半径r为10mm，丝杠的张紧力大小为500N。那么，此时的摩擦力矩为：。假设所用的滚珠丝杠的传动效率为96%，则丝杠的驱动力矩可以根据公式（3-3）直接得：。当其进行加速运动时，加速产生的等效转动惯量为：。丝杠的每毫米的转动惯量为：。Z轴方向上的滚珠丝杠的长度为600mm，则丝杠的转动惯量为：。故，总的转动惯量为：，丝杠的角加速度为：，所以，加速扭矩为：。综上所述，丝杠在匀速运动时所需的力矩最小其总力矩为：，丝杠在加速运动时所需要的驱动力矩最大为：。（2）检验Z轴所用丝杠的负荷本文设计的激光切割机Z轴方向的丝杠，上面放着激光切割头加上其连接重物之后的总质量大约为40千克，即m=40kg，假设运动时的除摩擦阻力之外的阻力为=15N，其变速的时间为0.01s，所能达到的最快速度为=5。那么：其运动的加速度为，当运动方式为匀速时，产生的轴向力为，为加速时，产生的轴向力为，为减速时，产生的轴向力为。通过比较匀速、加速、减速时的轴向力大小可知：当进行加速运动时，轴向产生的负荷最大，其轴向力大小为350N。为了防止丝杠在由于变速运动产生松懈，要是能让丝杠一直受到拉应力的作用即可。于是选择大于轴向力的张紧力，为。本文选择的Z轴GY1505DS-NKLR-0600A丝杠具体参数如下：，，，，。其中的D是外径，d是沟槽内径，h是丝杠螺距，n是线数。根据这些参数和公式（3-7），可以得出丝杠允许拉伸负荷为=﹥。符合要求。（3）检验转速把相关参数代入（3-8）和（3-9）中可得丝杠得临界转速如下：==70000/16=4375取二者中较小得=4375，本文所选用的电机的每分钟转速不可能大于4375由此可见，该丝杠符合对于转速的要求。（4）检验丝杠使用寿命检验丝杠的寿命就要知道其至少能使用多少年，因此，无论丝杠做怎样的无规律运动，这里都假设其运动状态是加速运动，这样才能时丝杠的轴向力一直保持最大状态，以得出丝杠的最短使用寿命。取=350N。根据公式（3-10）得出其一共可以转得总转数为转。再根据公式（3-11）换算成年得：。因此，该丝杠的最短使用寿命远远长于所设计的切割机要求的20年。符合寿命要求。2.检验Y轴所用丝杠（1）检验Y轴所用丝杠的负荷本文设计的激光切割机Y轴方向的丝杠，由于Z轴的移动臂在Y轴上面移动，因此，Y轴承受着整个Z轴的重量，假设其重量是Z轴的两倍，即m=80kg，运动时的除摩擦阻力之外的阻力为=30N，其变速的时间为0.1s，所能达到的最快速度为=50。那么：其运动的加速度为=，当运动方式为匀速时，产生的轴向力为，为加速时，产生的轴向力为，为减速时，产生的轴向力为。通过比较匀速、加速、减速时的轴向力大小可知：当进行加速运动时，轴向产生的负荷最大，其轴向力大小为700N。为了防止丝杠在由于变速运动产生松懈，要是能让丝杠一直受到拉应力的作用即可。于是选择大于轴向力的张紧力，为。所选用的Y轴丝杠GY2510ES-HULR-2000A型外径，沟槽内径，丝杠螺距，线数，导程丝杠允许拉伸负荷由式(3-7)计算得：所以符合轴向负载要求。（2）检验丝杠径向负载已知所设计的Y轴丝杠上运动的是整个Z轴移动臂，其重力，在丝杠运动过程中忽略其他径向负荷影响，则所受最大径向负载为784N，根据丝杠最大允许圧曲负载公式有：故丝杠在径向负载上符合设计要求。（3）检验转速把相关参数代入（3-8）和（3-9）中可得丝杠得临界转速如下：=70000-25=2800取二者中较小的=1510，本文所选用的电机的每分钟转速不可能大于1510转。由此可见，该丝杠符合对于转速的要求。（4）检查丝杠的使用寿命检验丝杠的寿命就要知道其至少能使用多少年，因此，无论丝杠做怎样的无规律运动，这里都假设其运动状态是加速运动，这样才能时丝杠的轴向力一直保持最大状态，以得出丝杠的最短使用寿命。取=700N。根据公式（3-10）得出其一共可以转得总转数为。再根据公式（3-11）换算成年得：。因此，该丝杠的最短使用寿命远远长于所设计的切割机要求的20年。符合寿命要求。3.检验X轴所用丝杠（1）检验X轴所用丝杠的负荷本文设计的激光切割机X轴方向上的丝杠，由于Z轴和Y轴的丝杠都是在X轴上运动的，其质量要远远大于Z轴丝杠和Y轴丝杠。假设其重量是Z轴的五倍，即m=200kg，运动时的除摩擦阻力之外的阻力为=70N，其变速的时间为0.1s，能达到的最快速度为=50。那么：其运动的加速度为=，当运动方式为匀速时，产生的轴向力为，为加速时，产生的轴向力，为减速时，产生的轴向力为。通过比较匀速、加速、减速时的轴向力大小可知：当进行加速运动时，轴向产生的负荷最大，其轴向力大小为1746N。因为在X轴方向为双丝杠进行传动，则在负载上我们取半值，即单根丝杠上最大轴向负载为。为了防止丝杠在由于变速运动产生松懈，要是能让丝杠一直受到拉应力的作用即可。于是选择大于轴向力的张紧力，为。所选用的X轴丝杠GY4020ES-HUBR-4000A型外径，沟槽内径，丝杠导程丝杠允许拉伸负荷由式(3-7)计算得：所以符合轴向负载要求。（2）丝杠径向负载的校核已知所设计的X轴丝杠上运动的是整个Y轴移动梁，其重力，在丝杠运动过程中忽略其他径向负荷影响，则所受最大径向负载为1960N，由于在X轴方向为双丝杠进行传动，则在负载上我们取半值，即单根丝杠上最大径向负载为，依据丝杠最大允许圧曲负载公式有：故丝杠在径向负载上符合设计要求。（3）检验转速把相关参数代入（3-8）和（3-9）中可得丝杠得临界转速如下：==70000/15=2056取二者中较小得=830，这么说来，得要选择一种每分钟转速小于830转的电机。（4）检验丝杠使用寿命检验丝杠的寿命就要知道其至少能使用多少年，因此，无论丝杠做怎样的无规律运动，这里都假设其运动状态是加速运动，这样才能时丝杠的轴向力一直保持最大状态，以得出丝杠的最短使用寿命。取=873N。根据公式（3-10）得出其一共可以转得总转数为。再根据公式（3-11）换算成年得：。因此，该丝杠的最短使用寿命长于所设计的切割机要求的20年。符合寿命要求。3.2电机的选型此次设计的金属薄板激光切割机在工作的时候，其要求的精度要达到很高。常用的电机有三种，永磁式步进电机、反应式步进电机、混合式步进电机。为了满足切割机切割精度高的硬性要求，本文选择了混合式步进电机。依照下表3-1选择符合上文滚珠丝杠检验数据的电机[10]。电机及其尺寸如下图3-5所示：表3-1不同电机的参数型号步距角相数电压(V)电流(A)转矩(N·m)额定功率（W）额定转速(r/min)电感(mH)110BYG550A0.36°580-300310300015009.5110BYG550B0.36°580-30031530008009.590BYG550A0.36°530-30033.5150015003图3-5电机实物图及尺寸下面先初定了步进电机的型号，然后根据特定型号的电机技术参数来进行切割机的精度检验，从而更加确切的确定电机型号的选择。初定：因为X轴丝杠最大容许转速仅为830r/min，在X轴方向，选用型号为110BYG550B的五相步进电机。在Y轴方向上，选用型号为110BYG550A的五相步进电机。在Z轴方向上，选用型号为90BYG550A的五相步进电机。其中，X,Y,Z三轴的电机的步距角都为0.36度。由=0.36°/360°×10mm=0.01mm得：X轴方向上的脉冲当量为0.01mm。而Y轴的脉冲当量和X轴相同，正好可以满足X和Y轴对于精度的要求。在Z轴方向上的脉冲当量为：=0.36°/360°×4mm=0.004mm≤0.005mm因此，初定的电机型号都可以满足X,Y,Z轴对于精度的要求，也就是满足金属薄板激光切割机的精度要求。初定的选择方案成立。

4切割机其余部分的设计4.1激光器的选择4.1.1激光器的分类激光器（图4-1）是一种能够使激光产生并且发射的装置。一般来说，常见的激光器都是由泵浦源、工作物质以及谐振腔构成的。在生活和生产中，激光器的应用技术非常的成熟。随着科学技术的不断发展，科研人员研发出了许多种类的激光器，主要有气体激光器、固体激光器、液体激光器以及化学激光器等[11]。图4-1激光器不同类型的激光器，其特点和应用领域也不尽相同。激光器发射的激光光波最长的是气体激光器。它的工作物质既可以是气体，也可以是蒸汽。其激励方式更是多种多样，常见的有电激励、化学激励、光激励、气动激励等。气体激光器也是应用范围最广的激光器之一。二十世纪六十年代，世界上诞生了第一台激光器，红宝石激光器。该激光器属于固体激光器，工作物质为固体。固体激光器最大的优点就是其光束质量好、输出功率高。缺点就是体积大、维护成本高、易受外界振动以及温度的影响。液体激光器又叫做染料激光器，是因为液体激光器的工作物质是一些有机染料溶解于某些醇类化合物中所形成的液体。液体激光器常常被用来进行光谱分析等科学研究。化学激光器其实是气体激光器中的一种特殊的激光器。它的工作原理大致是利用物质之间的化学反应释放出来的能量使得工作粒子数量发生反转。化学激光器最大的优点是节省电力，所以电力资源不充沛的地区常常使用化学激光器。除了上述几种常见的激光器之外，还有很多类型的激光器。本文在此不做介绍。4.1.2气体激光器的介绍在上文的激光器的分类中，已经提到了气体激光器的工作物质是气体或者是蒸汽。下图4-2介绍了气体激光器的基本结构，两个轴对称的反射镜、电源、布儒斯特窗等。在气体激光器常用的激励方式中，电激励最为普遍。通过放电的条件，腔内的电子不停的在碰撞。在碰撞的过程中，气体粒子间发生能量的转换，能量高的一些粒子与能量低的粒子之间发生粒子数反转，从而产生被激发射的跳跃。最早被研发的气体激光器是氦-氖激光器，随后产生了二氧化碳激光器[12]。由于气体的光学均匀性优于固体和液体，因而气体激光器发射的激光的方向性、单色性以及频率的稳定性要优于固体激光器和液体激光器。但是，由于气体的密度比固体和液体小，气体激光器发射的激光束密度比固体激光器和液体激光器要小。气体激光器以其结构简单、生产成本低以及发射激光的质量好等优势被广泛应用，是市场上销售业绩最好的一种激光器。图4-2气体激光器结构图气体激光器也有多种类型。根据其工作物质的不同粒子划分，可分为原子、离子、分子、准分子气体激光器四类。下面主要介绍分子气体激光器。分子气体激光器是以二氧化碳、氮气、水蒸气等中性气体作为工作介质的激光器。这些中性气体都有共同的特点，就是波长范围非常广。这就使得分子气体激光器输出的激光束分布范围很广，其分布范围包括紫外到红外。二氧化碳激光器是效率最高的分子气体激光器，其效率大约在百分之十到百分之二十五之间。它的连续输出功率能够达到上万瓦。二氧化碳激光器工作在多条振转光谱线上，这些光谱线的中心在9.4微米到10.4微米之间。该激光器具有很多明显的优势，它的输出功率高、工作范围广、能量转换效率高、安全无公害。使得其被广泛应用于切割与焊接工作中。4.1.3二氧化碳激光器的选取激光器是根据所设计的激光切割机的加工材料的特点来选择的。该激光切割机的切割对象是薄的金属板，并且要求在进行切割工作时，不必移动金属板，而是激光切割机能够自动切割。激光器是连接在激光切割头中，利用切割头的自行移动来达到自动切割的目的。本文选择了由武汉光谷科威晶激光技术有限公司生产的HT2500型激光器。如图4-3所示。该激光器因输出的激光束边缘能量低且分散，中间能量较集中的特点被常常用于切割工作。此次设计的切割机切割金属薄板的厚度大致为0.6到6毫米之间，该激光器的输出的激光功率为100到2500瓦，可以适用于该激光切割机的切割工作。又由于该激光切割机要求的切割精度高，所选用的激光器发射出的激光束具有良好的质量，能够满足对于切割精度的要求。所选取的激光器具体参数如下表4-1。表4-1HT2500型气体激光器技术参数表类别技术参数激光波长（mm）0.0106输出功率最大值（W）2700发出激光功率（W）100-2500激光功率稳定度4%光斑半径（mm）7光束发散角（mrad）小于2.0光电稳定度（mrad）小于0.2激光偏振状态45度线偏振工作方式连续、脉冲、超脉冲脉冲频率（Hz）20－2000最小脉宽（μs）250峰值功率（W）4800预热时间（min）小于6图4-3HT2500激光器4.2激光光路的设计激光光路在本次设计中承担着传导激光路线的任务，整个光路系统的存在才使得从激光器处发射出来的激光能而投射到激光切割头，再聚焦在加工工件上。此外，这次的光路设计还要考虑到激光光线传递跟随切割机运作的运动性，因此在激光光路这方面，也是重要的设计部分之一。4.2.1激光光路结构由于设计的激光切割机主要存在x，y，z三轴的轴向结构，并且激光切割头能沿三方向移动，为了能够良好地传递激光，我所设计的激光光路同样以x，y，z三轴作为主要架构，整个光路系统主要以截面为圆形的光路筒形式传递激光光线，分为了x，y，z三轴光路筒。由于切割机有着能沿x轴方向移动的y轴横梁，和能够沿y轴方向移动的z轴竖直臂，则在对光路的设计中，同样要有能沿x轴方向运动的y轴光路筒以及能沿y轴方向运动的z轴光路筒。为了光路筒的顺利移动，我所设计的光路筒并非完全闭合的圆形光路筒，分别在x轴光路筒的侧面和y轴的光路筒的底面留出了8mm的轴向类似线槽的空间，让光路筒内的反射镜及固定装置与连杆相接，连杆通过预留空间，与光路筒外的移动梁（臂）连接，同时，光路筒也同样通过连杆与移动梁（臂）相连接，这就实现了在移动梁（臂）移动时，带动着光路筒以及光路筒中的反射装置共同移动，这就使得激光的路线能够随之变化，达到了完好传递激光的效果。而对于z轴光路筒，由于除顶部y轴光路筒外，不再有与之相连而产生相对运动的光路筒，因此z轴方向的光路筒设计为全闭合的圆形光路筒，筒外加有软管保护。沿y轴方向对y轴光路筒与z轴光路筒连接处的剖视图如图4-4所示。图4-4y，z轴光路筒连接处剖视图在光路筒的材料方面，选择了应用于机械制造中较为普遍的灰铸铁HT200（图4-5），由于灰铸铁HT200强度、耐热性、耐磨性均较好，减振性和铸造性能达标，能够对光路较好地进行封闭保护作用。图4-5HT200灰铸铁4.2.2光路反射镜材料因为由激光器输出的激光是10.6um波长红外光，不能透过光学玻璃，且功率很大，需要特别的反射或透射光学元件材料。通常制造反射镜的材料有铜Cu、钼Mo、硅Si和锗Ge[13]。它们的性能对比如下表4-2示：表4-2激光反射镜材料性能比较性能CuMoGe*Si*导热系数（W·cm-1K-1）3.941.460.591.4硬度（努普）1607006901150激光脉冲（t=1.2ms）作用下的破坏阀值（J/cm2）835（t=600ms时）1.22.0**1.5***激光连续作用下得破坏阀值（Kw/cm2）＞50＞10≤1≤1热膨胀系数（K-1）×10-62.5*带介质膜**带保护介质银膜***带增强反射介质银膜铜、银、金等金属导电率高，对激光具有高的导热系数，且具有较高的反射率，表面吸收的激光能量更容易导出，温升低，破坏阀值非常高，适宜用作于激光的反射镜。其中又因为纯铜(无氧钢)因其价廉而得到广泛应用，因此采用研磨抛光法，制造抛光纯铜反射镜。4.2.3激光头透射镜材料用于激光的透射材料大致有三种半导体材料：锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)和砷化镓(GaAs)。ZnSe对可见光的黄、红部分透明，而GaAs、Ge对可见光不透明。透射光学元件的失效原因主要表现在热破坏和热畸变两个方面，它们往往都是因在高的激光功率密度下，基体材料过量地吸收光能的结果，因此一般都是以抗热破坏和抗热畸变的能力的高低来区分透射材料的优劣。—般光束都是中心强，边缘弱，加上中心部分散热的条件比较差，因此透镜中心部分温度较高，易膨胀，而且中心部分突起，加上进镜材料具有正的折射率温度系数，折射率随温度升高而增加，从而产生凸透镜效应。在不同镜片的凸透镜效应中所导致的光学畸变也并不相同，如图4-6所示：图4-6不同透镜的光学畸变透镜的热畸变越是小，其热畸变品质因素也会越高。由于Ge在这方面的品质较弱，因此在本次设计的透射镜中不考虑使用Ge材料，下面就用热畸变品质因素来比较ZnSe和GaAs两种材料在不同使用条件下的热畸变的不同。以此作为选择合适我所设计的切割机激光头使用的透射镜材料的依据[14]。透镜对激光的吸收有基体和表面(镀膜层）两部分组成。ZnSe和GaAs二种基体材料对激光的吸收系数有着显著区别，GaAs的吸收系数为ZnAs的7倍，ZnSe吸收光能少，在这方面有显著优势，但基体材料的吸收系数只影响基体所吸收的那部分光能的大小。而基体吸收和表面吸收这两部分吸收的总光能都要通过基体导热来消散，在导热性方面，GaAs又比ZnSe好得多，GnAs的导热系数是ZnSe的2.7倍，究竟用哪种材料制造透镜热畸变品质因素较高、热畸变较小？那就要看透镜对激光的吸收是以哪种吸收为主了。当以表面吸收为主时，GaAs基体较强的吸收不是主要的热源，而其高导热系数发挥主要作用，热畸变较小。相反地，当对激光的吸收以基体吸收为主时，则ZnSe对激光的吸收系数小起主要作用，其热畸变品质因素较高。参考下图4-7可知，当透镜表面镀50％的反射膜时，只有一部分激光穿过基体，表面镀膜层的吸收对比基体的吸收，占主导地位，GaAs的热畸变品质因素更高，GaAs比ZnSe更好，所以GaAs常作为数千瓦激光器的谐振腔输出镜。综合考虑，还是选择GaAs作为输出激光头的透射镜。图4-7镀50％反射膜，热畸变品质因素与表面吸收率的关系4.3保护装置的设计任何设备都有其保护装置。正是由于保护装置的存在，机械设备才能更好、更安全、更持久的进行生产加工。此次设计的金属薄板激光切割机在工作的过程中，各类管道和导线可能出现损坏现象。为了避免该现象的发生，下文中选取了金属保护管和保护软管来对切割机进行保护工作。(1)金属保护管的选择除了保护各类管道免受损坏之外，选用金属保护管还能起到防尘的作用，使切割机表面更加干净。在此，采用了有良好的韧性、高弹性和耐磨性，保护性能比较好的JR-2型矩形金属软管（全封闭强力型）(图4-8)：图4-8JR-2型矩形金属软管其参数如下（表4-3）：表4-3JR-2型矩形金属软管参数内径（mm）外径（mm）回转半径（mm）轴向拉力（kN）36×7443.6×77.911060(2)保护软管的选择切割机在使用的过程中，由于外力的作用，其导线很容易遭到损坏，于是，在此选用了保护软管对导线进行保护工作。选用的保护软管型号为EW-PA14，如图（4-9）所示。该软管的主要材料是聚乙烯，其