JX091_300×400數(shù)控激光切割機(jī)XY工作臺部件及單片機(jī)控制設(shè)計
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畢業(yè)設(shè)計調(diào)研報告
調(diào)研報告
激光被譽(yù)為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一,它剛一問世就引起了材料科學(xué)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(jìn)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(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,世界各國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)效益和社會效益。如今在中國,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,并且正逐步實現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,國家也將其列為“九五”攻關(guān)重點項目之一。
激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中,可大大減少加工時間,降低加工成本,提高工件質(zhì)量。脈沖激光適用于金屬材料,連續(xù)激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域?,F(xiàn)代的激光成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”。
激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來隨著CO2激光器及數(shù)控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進(jìn)的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中:對于中厚板采用氧乙炔火焰切割;對于薄板采用剪床下料,成形復(fù)雜零件大批量的采用沖壓,單件的采用振動剪。七十年代后,為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量,又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期,又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術(shù)。各種切割下料方法都有其有缺點,在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。CO2激光切割技術(shù)比其他方法的明顯優(yōu)點是:(1)切割質(zhì)量好。切口寬度窄(一般為0.1--0.5mm)、精度高(一般孔中心距誤差0.1--0.4mm,輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra為12.5--25μm),切縫一般不需要再加工即可焊接。(2)切割速度快。例如采用2KW激光功率,8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min;2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min,熱影響區(qū)小,變形極小。(3)清潔、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當(dāng)然就精度和切口表面粗糙度而言,CO2激光切割不可能超過電加工;就切割厚度而言難以達(dá)到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點足以證明:CO2激光切割已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法,特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速,應(yīng)用日益廣泛的一種先進(jìn)加工方法。目前,國外激光打孔主要應(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越窄,重復(fù)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(kuò)大了打孔的應(yīng)用范圍。國內(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。
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(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動,激光則通過光導(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。
九十年代以來,由于我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,企業(yè)間競爭激烈,每個企業(yè)必須根據(jù)自身條件正確選擇某些先進(jìn)制造技術(shù)以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此CO2激光切割技術(shù)在我國獲得了較快的發(fā)展。激光技術(shù)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(shè)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(shù)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(shù)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(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、價格符合國內(nèi)目前市場的需求,市場占有率達(dá)90%以上。但是我國激光技術(shù)還存在問題:1、科研成果轉(zhuǎn)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(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(yīng)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(shù)的研究少,尤其對精細(xì)加工技術(shù)的研究更為薄弱,對紫外波激光進(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。
通過對激光切割機(jī)的了解,對數(shù)控激光切割機(jī)的整體結(jié)構(gòu)作了設(shè)計,設(shè)計出了一個結(jié)構(gòu)合理的XY軸工作臺,同時對工作臺進(jìn)行了受力分析、設(shè)計計算,對滾珠絲杠傳動系統(tǒng)傳動效率、強(qiáng)度等也進(jìn)行了相應(yīng)的計算,對直線滾動導(dǎo)軌如何選型進(jìn)行了深度分析,確定步進(jìn)電機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了慣性負(fù)載計算、剛度討論等,分別來驗證了其合理性。并且利用單片機(jī)(本設(shè)計采用了89C51為主控芯片),設(shè)計出了一個比較合理的數(shù)控硬件電路與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動相匹配的數(shù)控軟件連接,由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)XYZ方向的運動。在設(shè)計中對機(jī)床數(shù)控部分的I/O進(jìn)行了擴(kuò)展,并對鍵盤和顯示器進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計,對程序進(jìn)行了初始化。基本完成了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控激光切割機(jī)的設(shè)計,按此設(shè)計的切割機(jī)可以滿足生產(chǎn)的實際需要。
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jx091_300
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