將激光器、機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)融為一體的光機(jī)電一體化數(shù)控激光切割設(shè)備具有整機(jī)性能好、占地面積小、運(yùn)輸方便、成本較低等諸多優(yōu)點(diǎn).因而在工業(yè)應(yīng)用中具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。在該類機(jī)床研究成功的基礎(chǔ)上，結(jié)合一體化激光切割機(jī)床的基本要求，充分利用激光切割具有無(wú)切削力的特點(diǎn)，在機(jī)床的傳動(dòng)、精度保證、總體布局等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和理論分析，并對(duì)機(jī)床的高速運(yùn)行、聚焦系統(tǒng)的輕便化、系統(tǒng)的多樣化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，為該類機(jī)床性能的進(jìn)一步提高打下了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。
1 龍門(mén)式切割機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)
1.1 滾珠絲杠傳動(dòng)
由于激光切割速度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)切削加工速度，而且在切割過(guò)程中沒(méi)有切削力，幾乎各種形式的激光切割機(jī)床都采用了滾珠絲杠和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行傳動(dòng)。滾珠絲杠同普通滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)相比，具有傳動(dòng)效率高(高達(dá)92%一100%)、運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)爬行、傳動(dòng)精度高、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。如何選擇滾珠絲杠的參數(shù)是設(shè)計(jì)者關(guān)心的問(wèn)題，根據(jù)作者的實(shí)踐，應(yīng)充分考慮傳動(dòng)關(guān)系，負(fù)載及負(fù)載的條件(振動(dòng)、沖擊)，定位精度，加工精度，正反向間隙，額定壽命等因素，按如下計(jì)算步驟進(jìn)行:負(fù)荷計(jì)算 ，確定最大、最小和平均載荷壽命估算，確定預(yù)期額定動(dòng)載荷滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)并選擇軸承.
2 一體化激光切割設(shè)備
對(duì)激光與機(jī)床分離的設(shè)備而言，工件與光束的相對(duì)移動(dòng)可以采用只有光束移動(dòng)，工作臺(tái)面不動(dòng)的方式。典型的產(chǎn)品如屬于意大利Prima工業(yè)集團(tuán)的瑞士Laser work公司生產(chǎn)的“Laser Work"激光切割機(jī)和國(guó)內(nèi)大漢激光公司的“LY-JS4015"激光切割機(jī)。亦可以采用工作臺(tái)面移動(dòng)，而光束則固定不動(dòng)的方式.如美國(guó)切割公司生產(chǎn)的HIP系列激光切割機(jī)“LaserCut"配美國(guó)PRC公司生產(chǎn)的激光器)和國(guó)內(nèi)鐳越激光有限公司生產(chǎn)的激光切割機(jī)“LY-DM1512"""。對(duì)于前者，由于光束移動(dòng)，當(dāng)工作幅面較大時(shí)(如1.5m-- 3 m)，相應(yīng)的變化光程較長(zhǎng)，則必須對(duì)光束作擴(kuò)束處理，以保證切割質(zhì)量。對(duì)于后者，由于只有工件移動(dòng)，對(duì)相同幅面的切割設(shè)備而言，其占地面積約為光束參與移動(dòng)的1.5-2倍。綜合兩者的特點(diǎn)，采用光機(jī)聯(lián)動(dòng)的方式。為一體化提供了條件。首先，讓光束作短程運(yùn)動(dòng)，如Y軸，工件作較長(zhǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，如X軸;其次，將機(jī)床設(shè)計(jì)成龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，激光器連同移動(dòng)的Y軸一起，構(gòu)成機(jī)床的橫梁部分，這樣既緊湊了機(jī)床結(jié)構(gòu)，又在Y軸移動(dòng)不超過(guò)2m時(shí)，可以不加擴(kuò)束鏡.從而降低了設(shè)備成本。另外，龍門(mén)式布局便于集中抽風(fēng)、落料和整體防護(hù)。一般只用在移動(dòng)的Y軸.即整機(jī)的中部較小范圍內(nèi)進(jìn)行抽風(fēng)和落料;采用整體式防護(hù)后，大大提高了操作者的安全，杜絕了激光輻射的危害。
另外 ，進(jìn)行滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌傳動(dòng)計(jì)算時(shí)，還應(yīng)注意:
1)電機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)性能要求高
由于激光切割設(shè)備的傳動(dòng)速度一般要求在20米每分鐘以上(空行程)，速度響應(yīng)快，約0.1 s ，無(wú)切削力存在，所以其啟動(dòng)與制動(dòng)力矩遠(yuǎn)高于平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的力矩，因此，在選擇電機(jī)時(shí)，應(yīng)充分注意到這一點(diǎn)。
2)絲杠的導(dǎo)程對(duì)傳動(dòng)速度的影響，由 v= r "p(v為傳動(dòng)速度，r為絲杠或電機(jī)轉(zhuǎn)速，p為絲杠導(dǎo)程)可知，導(dǎo)程傳動(dòng)速度成正比，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不宜太高(頻繁啟動(dòng))的情況下，增大絲杠的
導(dǎo)程是提高運(yùn)行速度的有效辦法。
3)絲杠的直徑對(duì)傳動(dòng)的影響,由 T- d 4U為絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,d為絲杠直徑)可知，在滿足傳動(dòng)強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)盡可能的降低絲杠的直徑，以降低絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而降低電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在激光切割設(shè)備的主軸傳動(dòng)中，且轉(zhuǎn)速要求較高時(shí)，絲杠的直徑一般都不超過(guò)50 mine
4) 絲 杠傳 動(dòng)不具備自鎖性能,絲杠 無(wú) 自 鎖性源于滾珠的自循環(huán)特性，因此，在
絲杠垂直布置時(shí)，應(yīng)設(shè)置配重或者選擇停轉(zhuǎn)鎖緊的電機(jī)。
2.2 精度保證
在一 體 化 設(shè)備中，精度保證是確保機(jī)床低噪聲、低震動(dòng)、高壽命運(yùn)行的關(guān)鍵，尤其是在噪聲和震動(dòng)方面，要比激光器與機(jī)床分離的設(shè)備要求高因此精度保證便顯得非常關(guān)鍵。一般而 言 ，設(shè)備精度主要依靠零部件的加工精度來(lái)保證。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的為E級(jí)精度，導(dǎo)軌及絲杠軸承座的安裝面最后一道加工工序在具有6級(jí)精度的導(dǎo)軌磨床上加工成，窗身及橫梁雖為鋼板焊接件(鑄件更優(yōu))，但在焊后進(jìn)行了去除應(yīng)力處理，所有這些都是機(jī)床獲得可靠精度保證所必須的條件。除此 而 外 ，合理的結(jié)構(gòu)和裝配以保證機(jī)床運(yùn)行精度亦十分重要。在一體化激光切割設(shè)備中，導(dǎo)軌與絲杠的跨距(如X軸)比較大，往往需采用雙導(dǎo)
驗(yàn)算滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速.因此，將基準(zhǔn)導(dǎo)軌固定，并在安裝時(shí)保證非基準(zhǔn)導(dǎo)軌與基準(zhǔn)導(dǎo)軌，絲杠軸線與基準(zhǔn)導(dǎo)軌達(dá)到較高的平行度，防止過(guò)定位就很關(guān)鍵。
2.3 激光束的聚焦
利用 激 光 束的熱量進(jìn)行切割，必須把激光器射出的原始光束經(jīng)過(guò)透鏡聚焦，才能形成高能量(功率)密度。在激 光 束 的聚焦過(guò)程中，首先要考慮透鏡的冷卻，以免引起熱透鏡效應(yīng)甚至炸裂透鏡，設(shè)計(jì)上通常采用通氣兼通水的冷卻方式。其次，要設(shè)計(jì)合理的噴嘴以利于通切割輔助氣。最后還要考慮整個(gè)聚焦系統(tǒng)的輕便與可調(diào)整性，噴嘴與透鏡的互換性好以
及便于出光對(duì)中等。我們?cè)谘兄七^(guò)程中正是本著這樣的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并取得了成功。
2.4 z浮系統(tǒng)(即激光焦點(diǎn)自動(dòng)跟蹤)
激光 切 割 時(shí)，工件變形，特別是大型工件和薄板件很難保證，從而很難使焦點(diǎn)位置維持恒定，因此必須有專用高度檢測(cè)傳感器與信號(hào)處理電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)裝置組成的Z浮系統(tǒng)來(lái)控制其位置，它是獲得良好切割質(zhì)量的前提。依 傳 感 器是否與工件接觸可將Z浮分為接觸式Z浮和非接觸式Z浮。接觸式2浮以電感傳感器比較多見(jiàn)，多用于平面切割和非金屬板材切割，非接觸式Z浮則以電容傳感器比較多見(jiàn)，用于三維切割和金屬切割。它們的基本原理都是一致的:即傳感器將激光頭與工件表面之間的位移變化信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)依變化量的大小發(fā)出指令，使激光頭浮動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置(如伺服電機(jī))驅(qū)動(dòng)，使激光頭和工件表面之間的距離在加工過(guò)程中始終保持不變.
在具 體 設(shè) 計(jì)Z浮系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮:
1) 傳 感器 的類型:對(duì)電容式傳感器，必須考慮電容的邊緣效應(yīng)及電容的介質(zhì)由于激光的照射而發(fā)生的變化，從而帶來(lái)的信號(hào)干擾;對(duì)接觸式的電感傳感器，雖然信號(hào)干擾不如電容式傳感器明顯，但由于傳感器的傳感頭始終與作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的工件接觸，因而在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，必然要求傳感器的位置傳動(dòng)桿的隨動(dòng)性好，與工件接觸的傳感頭耐磨且具有合理的弧度(最好滾動(dòng)接觸)。這都是接觸式Z浮穩(wěn)定工作必不可少的條件。
2) 必 要 的軟件處理:由于驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)需要一定的時(shí)間，當(dāng)激光頭移動(dòng)到位時(shí)，工件已經(jīng)切割到另一點(diǎn)上，這一點(diǎn)上激光頭離工件表面的距離與上一點(diǎn)肯定不同，據(jù)此在軟件處理方面要考慮這種滯后性。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
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