二氧化碳激光切割机设计

二氧化碳激光切割机设计

何方正 郝绘坤 【通讯作者】

山东协和学院 山东济南 250107

摘要：激光技术的应用开发被称为该世纪最为重大有价值的科学发现之一，它的问世就立刻引起了机械领域、材料界等众多科学家的重点关注。世界很多国家在激光技术领域进行激光器、激光加工设备和激光加工过程工艺对材料影响的研究，本文开展利用激光辐射作用来提高材料耐磨性能的尝试性试验研究，并进行转向器壳内层面激光淬火实验，处理后的淬火部位的耐磨性能比之前正常情况下提高，这开拓了激光表面改性技的应用前景，使其在工业、农业、医学还有日常生活方面都得到广泛应用。

关键词：二氧化碳激光器；螺旋传动系统；伺服进给系统；切割机床机构；主控系统

引言

二氧化碳激光切割设备是一种高度集成设备，其所涵盖的技术层面广泛，与机械领域中的一些传统机加工方式相比，二氧化碳激光切割机在工件的加工精度、柔性以及材料的利用率和成功率，产品成本需求，人力的付出等方面都有了一个很大程度的提高和改善，这对机械领域的制造业来说，既是一场新型技术的开拓，也是加工工艺的进步。在切割模具方面，激光切割工件时，无需模具，特定的情况下可以利用一些辅助工件来代替。若需要涉及复杂大型模具的加工切割方式，就可以明显体现出生产周期短暂和生产成本低的优势。所以，如今的激光切割已充分地应用于生产汽车机车、车辆制造、航空轮船、重工轻工、电器与通信、炼钢和冶金等工业领域中，有效地利用了其多处优点。

1 二氧化碳激光切割机设计概述

该设计的核心点在于设计一基于ARM内核(STM32)控制的嵌入式小型二氧化碳激光切割机床，根据最初拟定方案其中设计内容可以主要分为机械部分、电子部分。机械部分主要在这里主要考虑为X、Y工作台部件、Z轴随动机构、工作台传动系统的设计。而电学部分主要设计内容为ARW单片机控制系统设计、传感器电路设计与校核、半闭环伺服电机驱动设计。嵌入式控制器对水平工作台的横、纵两个方向进给脉冲当量是0.0lmm/pluse。根据作业要求工作台部件设计的主要构件为移动滚珠丝杠副、滚轮、同步带轮以及滚动直线导轨副、半闭环伺服步进电机、工作台等。

2 切割机床整体设计

在机械领域中，数控设备的主体部分构件就是机床的本体。在加工过程中它的主要功能是，支承整个设备的工作进程，在保证一定精度的前提下，将系统的许多加工命令和移动指令转变为相应的机械运动和效果.完成切割系统的数控执行功能，并保障数控切割系统的稳定性、精确性等多种性能条件。数控设备的主体主要分为床身、支承件、移动导轨等几部分。

3 轴随动系统和喷头设计

在工件的激光切割过程中需要对工作的水平太进行平整度的修正和检测，根据这样的动作要求必须设计出一个机构进行切割时焦距的调节。Z轴随动机构的设计性能对Z轴的随动性影响性很大，通过调节Z轴的伺服电机的传动来促进丝杆的旋动以此来达到调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。因为切割时焦距的精确度会直接影响到切割工件的质量，所以，在设计过程中要求Z轴验证精度应大于0.010mm。同时，也要确保切割时的其轴的随动速度应大于5m/mi。在这方面需注意传动速度过快可能会引起激光喷头的上下震荡，而慢则可能引起激光喷头的脱节。

喷嘴探头的设计目的在于使激光在切割时能够有切割口更加光滑、平整，切割质量良好的效果，出于这点的考虑在对喷嘴结构的设计时，应尽量让光束产生的能量与切割表面保持较远距离。并保证这种情况下的两者之间保持平稳。尽量避免激光波的出现，也要控制住气流的大小，保障它的稳定系数不变。

4 机床1/0接口电路设计

数控系统中信号提示系统是必不可少的部分。所以在机床的设计中也要加入每种工作状态的提示系统，以起到在操作过程中对机床工作状态的读取作用。这里需要设计的信号提示有机床的开闭、电机的运转状态、加工进程的状态。以上的信号存在一个输入问题，其主要通过控制器的I/0口进行信息的输入。所以作为系统的功能的完全性，控制器的I/0是重要部分。

图1 光电隔离电路

5 结语

本文设计的二氧化碳激光切割机是在查阅大量资料在结合实际的情况下设计研究而来。在制定设计方案后利用计算机辅助设计软件对二氧化碳激光切割机的各个机构进行三维立体建模，检验各个机构设计的可行性。然而本文设计的二氧化碳激光切割机依旧存在不足之处。以后我会继续进行研究，对各个机构进行优化设计。

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