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I 摘 要 激光切割的適用對(duì)象主要是難切割材料 如高強(qiáng)度 高韌性材料以及精密 細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件 因而數(shù)控激光切割在我國(guó)制造業(yè)中正發(fā)揮出巨大的優(yōu) 越性 本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)單片機(jī)控制的數(shù)控激光切割機(jī)床 主要完成了 機(jī)床整體 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Z 軸 XY 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選擇及其 強(qiáng)度分析 以步進(jìn)電機(jī)為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)計(jì)算 以 89C51 為主控芯片的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件方 案設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)的控制程序設(shè)計(jì) 關(guān)鍵詞 CNC 激光切割機(jī)床 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 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(xué)院 Panzhihua University 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 文獻(xiàn)綜述 院 系 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 工業(yè)計(jì)算機(jī)方向 學(xué)生姓名 童 俊 學(xué) 號(hào) 200310621016 2007 年 4 月 10 日 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 文獻(xiàn)綜述評(píng)價(jià)表 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題 目 300X400 數(shù)控激光切割機(jī)設(shè)計(jì) 綜述名稱 激光加工的技術(shù)水平以及應(yīng)用 評(píng)閱教師姓名 喬水明 職稱 講師 評(píng) 價(jià) 項(xiàng) 目 優(yōu) 良 合格 不合 格 綜述結(jié)構(gòu) 01 文獻(xiàn)綜述結(jié)構(gòu)完整 符合格式規(guī)范 02 能準(zhǔn)確如實(shí)地闡述參考文獻(xiàn)作者的論點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 03 文字通順 精練 可讀性和實(shí)用性強(qiáng)綜述內(nèi)容 04 反映題目所在知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)的新動(dòng)態(tài) 新趨勢(shì) 新水平 新原理 新技術(shù)等 05 中 英文參考文獻(xiàn)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(xiàn) 06 圍繞所選畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目搜集文獻(xiàn) 成績(jī) 綜合評(píng)語(yǔ) 評(píng)閱教師 簽字 年 月 日 文獻(xiàn)綜述 數(shù)控激光加工的技術(shù)水平以及應(yīng)用 摘 要 作為 20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會(huì)光電子技術(shù)的支 柱之一 激光技術(shù) Laser Technology 和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進(jìn)國(guó)家的 高度重視 數(shù)控化和綜合化把激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù) 先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及 高精度和自動(dòng)化的工件定位相結(jié)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(gè)重要趨勢(shì) 關(guān)鍵詞 數(shù)控 激光加工 Laser Processing 水平 應(yīng)用 前 言 激光被譽(yù)為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一 它剛一問(wèn)世就引起了材料 科學(xué)家的高度重視 1971 年 11 月 美國(guó)通用汽車公司率先使用一臺(tái) 250W CO2 激光器進(jìn)行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗(yàn)研究 并于 1974 年成 功地完成了汽車轉(zhuǎn)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(shù)的首次工業(yè) 應(yīng)用 多年以來(lái) 世界各國(guó)投入了大量資金和人力進(jìn)行激光器 激光加工設(shè)備 和激光加工對(duì)材料學(xué)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(jì)效益和社會(huì)效益 如今在中國(guó) 激光技術(shù)已在工業(yè) 農(nóng)業(yè) 醫(yī)學(xué) 軍工以 及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用 并且正逐步實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化 國(guó)家 也將其列為 九五 攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目之一 一 激光技術(shù) Laser Technology 概述 激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料 包括金屬與非 金屬 進(jìn)行切割 焊接 表面處理 打孔及微加工等的一門加工技術(shù) 激光加 工技術(shù)是涉及到光 機(jī) 電 材料及檢測(cè)等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù) 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(dǎo)光系統(tǒng) 加工機(jī)床 控制系統(tǒng)及檢測(cè)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(biāo) 劃線 微調(diào)等各種加工工藝 目前已成熟的激光加工技術(shù)包括 激光快速成形技術(shù) 激光焊接技術(shù) 激 光打孔技術(shù) 激光切割技術(shù) 激光打標(biāo)技術(shù) 激光去重平衡技術(shù) 激光蝕刻技 術(shù) 激光微調(diào)技術(shù) 激光存儲(chǔ)技術(shù) 激光劃線技術(shù) 激光清洗技術(shù) 激光熱處 理和表面處理技術(shù) 二 激光加工技術(shù)的應(yīng)用 激光加工應(yīng)用領(lǐng)域中 CO2 激光器以切割和焊接應(yīng)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(yīng)用是以焊接 標(biāo)記 50 和切割 15 為主 在美國(guó)和歐洲 CO2 激光器占到了 70 80 我國(guó)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(jìn)行激光處理汽 車發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸套 這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益都很高 故有很大的市場(chǎng)前 景 在汽車工業(yè)中 激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進(jìn) 快速 靈活地加工特點(diǎn) 如在汽車樣機(jī)和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機(jī) 不僅節(jié)省了樣板及工 裝設(shè)備 還大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期 激光束在高硬度材料和復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行沖壓 雖然激光熱處理在國(guó)外不如焊接和切割普遍 但在汽車工業(yè)中仍應(yīng)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(dá)國(guó)家 激光加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù) 相結(jié)合 派生出激光快速成形技術(shù) 該項(xiàng)技術(shù)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(biāo)記等方面發(fā)揮了越來(lái) 越大作用 通常認(rèn)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(kāi)始擠進(jìn) kw 級(jí) CO2 激光器切割市場(chǎng) 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(yīng)用 目前 國(guó)外激光打孔主要應(yīng)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(dá) 30 50kw 打孔用的脈沖寬度越來(lái)越窄 重復(fù)頻率越來(lái)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(kuò)大了打孔的應(yīng)用范圍 國(guó)內(nèi) 目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)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(fù)頻度已達(dá) 2000 次 秒 二極管 陣列泵浦的 Nd YAG 激光器的平均維修時(shí)間已從原來(lái)的幾百小時(shí)提高到 1 2 萬(wàn)小時(shí) 隨著激光與材料的相互作用的進(jìn)一步研究 激光加工技術(shù)也必將廣泛的應(yīng) 用在柔性制造系統(tǒng)上 實(shí)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(jī) 動(dòng)地引導(dǎo)激光束到達(dá)零件的待加工位置 從激光加工機(jī)床所能加工零件的復(fù)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(lái)激光 加工的方向的發(fā)展方向 為了實(shí)現(xiàn)激光加工的靈活性 三維激光必須采用運(yùn)動(dòng) 光學(xué)系統(tǒng) 大功率三維 YAG 激光加工系統(tǒng)通常采用機(jī)器人 或機(jī)器手 配合光導(dǎo) 纖維進(jìn)行光束傳輸 由機(jī)器人挾持著激光頭完成各種運(yùn)動(dòng) 激光則通過(guò)光導(dǎo)纖 維傳送到激光加工頭處 到達(dá)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(shù)研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)可歸納為 1 新一代工業(yè)激光器研究 目前處在技術(shù)上的更新時(shí)期 其標(biāo)志是二極管泵浦 全固態(tài)激光器的發(fā)展及應(yīng)用 2 精細(xì)激光加工 在激光加工應(yīng)用統(tǒng)計(jì)中微細(xì)加工 1996 年只占 6 1997 年 翻了一倍達(dá) 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(shí)時(shí)檢測(cè) 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(shì) 激光技術(shù)在我國(guó)經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展 取得了上千項(xiàng)科技成果 許多已用于生 產(chǎn)實(shí)踐 激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以 20 的速度增長(zhǎng) 為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改 造 提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問(wèn)題 如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼 本鋼等大型 鋼廠推廣 將改變我國(guó)汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進(jìn)口的狀態(tài) 激光標(biāo)記機(jī)與 激光焊接機(jī)的質(zhì)量 功能 價(jià)格符合國(guó)內(nèi)目前市場(chǎng)的需求 市場(chǎng)占有率達(dá) 90 以上 四 存在的主要問(wèn)題 1 科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差 許多有市場(chǎng)前景的成果停留在實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī) 階段 2 激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少 技術(shù)落后 可靠性差 國(guó)外不僅 二級(jí)管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過(guò)程中 而且二級(jí)管激光器也被應(yīng)用 而我國(guó)二極管泵浦的全固態(tài)激光器還處在剛開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)階段 3 對(duì)加工技術(shù)的研究少 尤其對(duì)精細(xì)加工技術(shù)的研究更為薄弱 對(duì)紫外波激光 進(jìn)行加工的研究進(jìn)行的極少 4 激光加工設(shè)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(jié)束語(yǔ) 激光束具有單色性好 能量密度高 空間控制性和時(shí)間控制性良好等 一系列優(yōu)點(diǎn) 目前它已廣泛應(yīng)用于材料加工等領(lǐng)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(shè)備等 與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合 激光加工技術(shù)已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù) 擁有普通加工技術(shù)所不能比 擬的優(yōu)勢(shì) 例如激光加工為非接觸式加工 速度快 無(wú)噪聲 可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜 形狀的高精度加工目的 且無(wú)通常意義上的 刀具 磨損 無(wú)需更換 刀 頭 可以預(yù)見(jiàn) 隨著激光技術(shù)的發(fā)展與完善 在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)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(jié)合起來(lái)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(huì)收到非凡的效果并取得良好的收益 參 考 文 獻(xiàn) 1 朱曉春 主編 數(shù)控技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 2001 2 藍(lán) 信 鉅 等 編 著 激 光 技 術(shù) 科 學(xué) 出 版 社 2005 3 司 徒 忠 主 編 機(jī) 械 工 程 專 業(yè) 英 語(yǔ) 武 漢 理 工 大 學(xué) 出 版 社 2001 7 4 激光 加 工 國(guó) 家 工 程 研 究 中 心 主 管 部 門 國(guó) 家 教 育 部 5 楊洗陳 李會(huì)山等 激光再制造技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用 天津工業(yè)大學(xué)激光技術(shù)研究所 6 劉雅靜 特種加工方法的內(nèi)容和趨勢(shì) 北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心先進(jìn)制造部