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I 摘 要 激光切割的適用對象主要是難切割材料 如高強度 高韌性材料以及精密 細小和形狀復雜的零件 因而數(shù)控激光切割在我國制造業(yè)中正發(fā)揮出巨大的優(yōu) 越性 本文設計了一臺單片機控制的數(shù)控激光切割機床 主要完成了 機床整體 結構設計 Z 軸 XY 軸的結構設計計算 滾珠絲杠 直線滾動導軌的選擇及其 強度分析 以步進電機為進給驅動的驅動系統(tǒng)及其傳動機構的分析設計計算 以 89C51 為主控芯片的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 系統(tǒng)初始化設計及系統(tǒng)軟件方 案設計和步進電機的控制程序設計 關鍵詞 CNC 激光切割機床 結構 設計 II ABSTRACT Laser cutting machine tool was usually used for the hard cutting material such as high strength material high precision ductile materials and smart and complicated components So CNC laser cutting has been playing an important role in China s manufacturing industry This paper describes the design of a SCM controlled CNC laser cutting machine tools More attention was paid on the overall machine design Z axis XY axis in the design ball screw and the choice of linear motion guide and intensity analysis the drive system into which stepper motor was put and the analysis of the drive system design 89C51 chip was mainly used for the design of hardware circuit the design of system initialization and the design of stepper motor s controlling program Key words CNC laser cutting machine tools architecture design 攀枝花學院 Panzhihua University 本科畢業(yè)設計 論文 文獻綜述 院 系 機電工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 工業(yè)計算機方向 學生姓名 童 俊 學 號 200310621016 2007 年 4 月 10 日 本科生畢業(yè)設計 論文 文獻綜述評價表 畢業(yè)設計 論文 題 目 300X400 數(shù)控激光切割機設計 綜述名稱 激光加工的技術水平以及應用 評閱教師姓名 喬水明 職稱 講師 評 價 項 目 優(yōu) 良 合格 不合 格 綜述結構 01 文獻綜述結構完整 符合格式規(guī)范 02 能準確如實地闡述參考文獻作者的論點和實驗結果 03 文字通順 精練 可讀性和實用性強綜述內(nèi)容 04 反映題目所在知識領域內(nèi)的新動態(tài) 新趨勢 新水平 新原理 新技術等 05 中 英文參考文獻的類型和數(shù)量符合規(guī)定要求 格式符合規(guī)范 參考文獻 06 圍繞所選畢業(yè)設計 論文 題目搜集文獻 成績 綜合評語 評閱教師 簽字 年 月 日 文獻綜述 數(shù)控激光加工的技術水平以及應用 摘 要 作為 20 世紀科學技術發(fā)展的主要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術的支 柱之一 激光技術 Laser Technology 和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進國家的 高度重視 數(shù)控化和綜合化把激光器與計算機數(shù)控技術 先進的光學系統(tǒng)以及 高精度和自動化的工件定位相結合 形成研制和生產(chǎn)加工中心 已成為激光加 工 Laser Processing 發(fā)展的一個重要趨勢 關鍵詞 數(shù)控 激光加工 Laser Processing 水平 應用 前 言 激光被譽為二十世紀最重大的科學發(fā)現(xiàn)之一 它剛一問世就引起了材料 科學家的高度重視 1971 年 11 月 美國通用汽車公司率先使用一臺 250W CO2 激光器進行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗研究 并于 1974 年成 功地完成了汽車轉向器殼內(nèi)表面 可鍛鑄鐵材質(zhì) 激光淬火工藝研究 淬硬部 位的耐磨性能比未處理之前提高了 10 倍 這是激光表面改性技術的首次工業(yè) 應用 多年以來 世界各國投入了大量資金和人力進行激光器 激光加工設備 和激光加工對材料學的研究 促使激光加工得到了飛速發(fā)展 并獲得了巨大的 經(jīng)濟效益和社會效益 如今在中國 激光技術已在工業(yè) 農(nóng)業(yè) 醫(yī)學 軍工以 及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應用 并且正逐步實現(xiàn)激光技術產(chǎn)業(yè)化 國家 也將其列為 九五 攻關重點項目之一 一 激光技術 Laser Technology 概述 激光加工技術是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料 包括金屬與非 金屬 進行切割 焊接 表面處理 打孔及微加工等的一門加工技術 激光加 工技術是涉及到光 機 電 材料及檢測等多門學科的一門綜合技術 它的研 究范圍一般可分為 1 激光加工系統(tǒng) 包括激光器 導光系統(tǒng) 加工機床 控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng) 2 激光加工工藝 包括切割 laser beam cutting 焊接 Laser Welding 表面 處理 打孔 打標 劃線 微調(diào)等各種加工工藝 目前已成熟的激光加工技術包括 激光快速成形技術 激光焊接技術 激 光打孔技術 激光切割技術 激光打標技術 激光去重平衡技術 激光蝕刻技 術 激光微調(diào)技術 激光存儲技術 激光劃線技術 激光清洗技術 激光熱處 理和表面處理技術 二 激光加工技術的應用 激光加工應用領域中 CO2 激光器以切割和焊接應用最廣 分別占到 70 和 20 表面處理則不到 10 而 YAG 激光器的應用是以焊接 標記 50 和切割 15 為主 在美國和歐洲 CO2 激光器占到了 70 80 我國激光加工中以切割為主的占 10 其中 98 以上的 CO2 激光器 功率在 1 5kW 2kW 范圍內(nèi) 而以熱處理為主的約占 15 大多數(shù)是進行激光處理汽 車發(fā)動機的汽缸套 這項技術的經(jīng)濟性和社會效益都很高 故有很大的市場前 景 在汽車工業(yè)中 激光加工技術充分發(fā)揮了其先進 快速 靈活地加工特點 如在汽車樣機和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機 不僅節(jié)省了樣板及工 裝設備 還大大縮短了生產(chǎn)準備周期 激光束在高硬度材料和復雜而彎曲的表 面打小孔 速度快而不產(chǎn)生破損 激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標準工藝 日 本 Toyota 已將激光用于車身面板的焊接 將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板 焊接在一起 然后再進行沖壓 雖然激光熱處理在國外不如焊接和切割普遍 但在汽車工業(yè)中仍應用廣泛 如缸套 曲軸 活塞環(huán) 換向器 齒輪等零部件 的熱處理 在工業(yè)發(fā)達國家 激光加工技術和計算機數(shù)控技術及柔性制造技術 相結合 派生出激光快速成形技術 該項技術不僅可以快速制造模型 而且還 可以直接由金屬粉末熔融 制造出金屬模具 到了 80 年代 YAG 激光器在焊接 切割 打孔和標記等方面發(fā)揮了越來 越大作用 通常認為 YAG 激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度 但在切割速度上受到限制 隨著 YAG 激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而被 突破 YAG 激光器已開始擠進 kw 級 CO2 激光器切割市場 YAG 激光器特別 適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件 如鋰電池 心臟起搏器 密封 繼電器等 YAG 激光器打孔已發(fā)展成為最大的激光加工應用 目前 國外激光打孔主要應用在航空航天 汽車制造 電子儀表 化工等 行業(yè) 激光打孔的迅速發(fā)展 主要體現(xiàn)在打孔用 YAG 激光器的平均輸出功率 已由 5 年前的 400w 提高到了 800w 至 1000w 打孔峰值功率高達 30 50kw 打孔用的脈沖寬度越來越窄 重復頻率越來越高 激光器輸出參數(shù)的提高 很 大程度上改善了打孔質(zhì)量 提高了打孔速度 也擴大了打孔的應用范圍 國內(nèi) 目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及 手表寶石軸承的生產(chǎn)中 YAG 激光器的重復頻度已達 2000 次 秒 二極管 陣列泵浦的 Nd YAG 激光器的平均維修時間已從原來的幾百小時提高到 1 2 萬小時 隨著激光與材料的相互作用的進一步研究 激光加工技術也必將廣泛的應 用在柔性制造系統(tǒng)上 實現(xiàn)激光加工的柔性系統(tǒng)化主要指激光加工頭能靈活機 動地引導激光束到達零件的待加工位置 從激光加工機床所能加工零件的復雜 程度看 又分平面二維和空間三維激光加工 大功率激光三維加工是未來激光 加工的方向的發(fā)展方向 為了實現(xiàn)激光加工的靈活性 三維激光必須采用運動 光學系統(tǒng) 大功率三維 YAG 激光加工系統(tǒng)通常采用機器人 或機器手 配合光導 纖維進行光束傳輸 由機器人挾持著激光頭完成各種運動 激光則通過光導纖 維傳送到激光加工頭處 到達工件表面 這種加工系統(tǒng)中 光束的傳輸和聚焦 特性不受加工位置的影響 三 目前激光加工技術研究開發(fā)的重點可歸納為 1 新一代工業(yè)激光器研究 目前處在技術上的更新時期 其標志是二極管泵浦 全固態(tài)激光器的發(fā)展及應用 2 精細激光加工 在激光加工應用統(tǒng)計中微細加工 1996 年只占 6 1997 年 翻了一倍達 12 1998 年已增加到 19 3 加工系統(tǒng)智能化 系統(tǒng)集成不僅是加工本身 而是帶有實時檢測 反饋處理 隨著專家系統(tǒng)的建立 加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢 激光技術在我國經(jīng)過 30 多年的發(fā)展 取得了上千項科技成果 許多已用于生 產(chǎn)實踐 激光加工設備產(chǎn)量平均每年以 20 的速度增長 為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術改 造 提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題 如激光毛化纖技術正在寶鋼 本鋼等大型 鋼廠推廣 將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進口的狀態(tài) 激光標記機與 激光焊接機的質(zhì)量 功能 價格符合國內(nèi)目前市場的需求 市場占有率達 90 以上 四 存在的主要問題 1 科研成果轉化為商品的能力差 許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機 階段 2 激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少 技術落后 可靠性差 國外不僅 二級管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過程中 而且二級管激光器也被應用 而我國二極管泵浦的全固態(tài)激光器還處在剛開始研究開發(fā)階段 3 對加工技術的研究少 尤其對精細加工技術的研究更為薄弱 對紫外波激光 進行加工的研究進行的極少 4 激光加工設備的可靠性 安全性 可維修性 配套性較差 難以滿足工業(yè)生 產(chǎn)的需要 結束語 激光束具有單色性好 能量密度高 空間控制性和時間控制性良好等 一系列優(yōu)點 目前它已廣泛應用于材料加工等領域 激光加工的行業(yè)包括汽車 制造 航天航空 電子 化工 包裝 醫(yī)療設備等 與計算機數(shù)控技術相結合 激光加工技術已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的關鍵技術 擁有普通加工技術所不能比 擬的優(yōu)勢 例如激光加工為非接觸式加工 速度快 無噪聲 可實現(xiàn)各種復雜 形狀的高精度加工目的 且無通常意義上的 刀具 磨損 無需更換 刀 頭 可以預見 隨著激光技術的發(fā)展與完善 在經(jīng)濟建設和國防建設中將發(fā) 揮巨大作用 由上述文字我們可以發(fā)現(xiàn)激光加工與柔性制造系統(tǒng)有很好的相容 性 把兩者結合起來形成激光柔性加工系統(tǒng) 在彼此相互配合良好的條件下肯 定會收到非凡的效果并取得良好的收益 參 考 文 獻 1 朱曉春 主編 數(shù)控技術 機械工業(yè)出版社 2001 2 藍 信 鉅 等 編 著 激 光 技 術 科 學 出 版 社 2005 3 司 徒 忠 主 編 機 械 工 程 專 業(yè) 英 語 武 漢 理 工 大 學 出 版 社 2001 7 4 激光 加 工 國 家 工 程 研 究 中 心 主 管 部 門 國 家 教 育 部 5 楊洗陳 李會山等 激光再制造技術及其工業(yè)應用 天津工業(yè)大學激光技術研究所 6 劉雅靜 特種加工方法的內(nèi)容和趨勢 北京航空航天大學工程訓練中心先進制造部