便攜式激光切割機(jī)設(shè)計(jì)

黃瀟蘋 趙瑩 朱濤

摘 要：五十多年來(lái)，激光加工技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。激光加工技術(shù)加速了對(duì)傳統(tǒng)加工業(yè)的改造，從而提供了現(xiàn)代工業(yè)加工技術(shù)的新手段，對(duì)工業(yè)發(fā)展影響很大。特別是激光切割已成為當(dāng)前工業(yè)加工領(lǐng)域應(yīng)用最多的激光加工方法，可占整個(gè)激光加工業(yè)的70%以上。

關(guān)鍵詞：激光加工技術(shù);工業(yè)發(fā)展;激光切割技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.032

1 激光技術(shù)的主要介紹

由激光為主要技術(shù)基礎(chǔ)的激光切割技術(shù)是一種現(xiàn)代的技術(shù)，通常在金屬和非金屬材料的處理中使用，激光切割技術(shù)最主要的優(yōu)點(diǎn)就是可以大大減少處理時(shí)間，從而可以減少切割處理的成本，并且還可以提高切割工件的質(zhì)量。

此外，激光切割具有以下特點(diǎn)：首先它具有比較寬的切割范圍，再者激光切割技術(shù)有比較高的切削速度，激光切割機(jī)的熱影響區(qū)小而且能夠處理的范圍靈活性大，另外還具有清潔，安全，無(wú)污染等特點(diǎn)。本文主要研究激光切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，特別是實(shí)現(xiàn)X、Y、Z機(jī)械部分。隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，對(duì)各類的精度、速度要求越來(lái)越高，通過(guò)激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能讓人們換一種角度去體會(huì)科技的發(fā)展以及當(dāng)代社會(huì)的需求。

2 國(guó)內(nèi)外研究與開(kāi)發(fā)

國(guó)外激光切割技術(shù)的發(fā)展如下：在20世紀(jì)70年代和80年代，美國(guó)，德國(guó)，日本等國(guó)已經(jīng)在大量的研究激光切割工藝。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)需要總結(jié)他國(guó)的激光切割工藝，建立屬于自己的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，從而開(kāi)始研究高性能激光切割系統(tǒng)。 20世紀(jì)90年代初，國(guó)外引進(jìn)了一些高性能激光切割系統(tǒng)，具有自動(dòng)設(shè)定加工參數(shù)的功能。由于中國(guó)的激光加工技術(shù)研究起步較晚，基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度不是很高，而且市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)薄弱。但是，由于國(guó)家在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的高度重視，經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，我們?nèi)〉昧丝上驳某煽?jī)，中國(guó)激光切割技術(shù)的發(fā)展主要分為三個(gè)階段：第一階段：早在20世紀(jì)70年代中期，中國(guó)在國(guó)內(nèi)各地合作開(kāi)展了激光切割實(shí)驗(yàn)。到20世紀(jì)70年代末，為成都飛機(jī)工廠安裝了中等功率（500W左右）激光用于切割飛機(jī)部件。 1976年，由中科院和長(zhǎng)春第一汽車制造廠轎車分廠聯(lián)合開(kāi)發(fā)的CO2激光機(jī)成功應(yīng)用于“紅旗”牌轎車的蓋板切割。第二階段：從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，上海，株洲和天津推出了全套大功率（1500W）激光切割系統(tǒng)，并將新的激光切割技術(shù)引入中國(guó)。中國(guó)從而進(jìn)入了全面工業(yè)制造領(lǐng)域。第三階段： 20世紀(jì)90年代以后，激光切割發(fā)展的第三階段，開(kāi)始開(kāi)發(fā)中高功率，快速流動(dòng)CO2激光系統(tǒng)（包括激光，切割機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)）。

3 激光切割技術(shù)工作原理與應(yīng)用

在超過(guò)激光閾值的激光功率密度的前提下，激光束的能量在切割過(guò)程中所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，比如熱能等化學(xué)反應(yīng)，可以全部被切割材料所吸收，從而引起激光作用的溫度點(diǎn)急劇上升。達(dá)到溫度高點(diǎn)后，激光切割的材料開(kāi)始逐漸蒸發(fā)并形成一個(gè)小孔。當(dāng)激光光束相對(duì)于工件開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，切割材料最終會(huì)被切開(kāi)，并且狹縫處的熔渣會(huì)被某種輔助氣體吹走。上文提到激光切割由于其切割范圍寬，切割速度快，切口窄，切割質(zhì)量好，熱影響區(qū)小，加工靈活性高，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)。所以目前來(lái)看的話，激光切割技術(shù)是激光技術(shù)在工業(yè)中的主要應(yīng)用技術(shù)，已成為工業(yè)加工領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的激光加工方法。激光切割可分為汽化切割，熔融切割，氧氣輔助熔融切割和可控?cái)嗔亚懈?，其中氧氣輔助熔融切割是最廣泛使用的。從工業(yè)應(yīng)用的角度來(lái)看，最具代表性的是汽車行業(yè)的應(yīng)用。汽車底板的激光固定焊接，汽車頂板的激光焊接，車身蓋的三維輪廓的激光切割等。在激光切割過(guò)程中，激光切削效率較高，所以可以降低成本等。

4 激光切割機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容

4.1 激光切割機(jī)的主要研究?jī)?nèi)容

（1）首先要確定激光切割的主運(yùn)動(dòng)要求和激光切割機(jī)的機(jī)械部件的位置精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)X，Y，Z軸的精確運(yùn)動(dòng)。（2）再者需要確定激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)演示臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)。（3）對(duì)激光切割機(jī)的主要執(zhí)行運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)切割材料的選擇和驅(qū)動(dòng)設(shè)備選擇從而可以使其用于激光切割機(jī)示范平臺(tái)的每個(gè)組件。再通過(guò)選擇激光切割機(jī)的電動(dòng)機(jī)，分析其電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)可行性。

4.2 擬優(yōu)化解決的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)輕量化、輕便化，提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能。（2）進(jìn)行激光切割機(jī)的電動(dòng)機(jī)科學(xué)選擇，充分綜合考慮其電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性。保證整個(gè)激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能。（3）綜合分析整個(gè)激光切割機(jī)的機(jī)構(gòu)主運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能更加穩(wěn)定快速的運(yùn)動(dòng)。（4）對(duì)切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)材料和配件的理性選擇，使其整個(gè)激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)都符合結(jié)構(gòu)的合理性和經(jīng)濟(jì)性的綜合分析。

5 激光切割機(jī)的研究思路、方法和步驟

設(shè)計(jì)內(nèi)容必須在盡可能節(jié)約材料成本的前提下，做到嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)和合理。充分考慮其合理性以及經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)機(jī)構(gòu)的總裝配圖，從而可以合理的設(shè)計(jì)出激光切割機(jī)的各個(gè)零部件。通過(guò)大量的計(jì)算機(jī)計(jì)算和機(jī)械強(qiáng)度校核等對(duì)其整個(gè)切割機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析以及對(duì)整個(gè)切割機(jī)的材料選材進(jìn)行合理的分析以及購(gòu)材。再采用UG以及CAD畫(huà)圖軟件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。用CAD畫(huà)圖軟件盡可能將各個(gè)零部件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以及加工。最后，使其整個(gè)切割機(jī)的機(jī)制的設(shè)計(jì)和加工，使其機(jī)械結(jié)構(gòu)的組裝和調(diào)試都趨于正常。具體步驟如下：

（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)，收集有關(guān)的資料。初步了解激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用。（2）初步草繪其激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)演示臺(tái)的結(jié)構(gòu)，裝配圖。（3）設(shè)計(jì)并制定出所有激光切割機(jī)機(jī)構(gòu)演示臺(tái)機(jī)構(gòu)部件的尺寸，通過(guò)計(jì)算選取標(biāo)準(zhǔn)化零件以及外購(gòu)件。（4）設(shè)計(jì)并分析機(jī)光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)演示臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。（5）用UG軟件畫(huà)出激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)演示臺(tái)的總裝配圖和零件圖。（6）將UG圖轉(zhuǎn)化成CAD圖并制作激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)演示臺(tái)各部件的加工圖。（7）組裝激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)演示臺(tái)并檢查運(yùn)動(dòng)。（8）將整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)動(dòng)調(diào)試。

參考文獻(xiàn)：

[1]張黎驊，呂小榮.機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011（06）.

[2]葉建斌，戴春祥.激光切割技術(shù)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012（07）.

[3]吳讓大.高功率激光切割設(shè)備與工藝[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2010（08）.

[4]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)（上、下冊(cè)）-2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008（07）.