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XXXXX毕毕 业业 设设 计计 (论论 文文) 轻便式激光切割机机械结构设计系 名： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月I目 录摘 要.IIABSTRACT.III第一章 绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 激光切割机概述.11.3 国内外研究及发展现状.2第二章 总体方案设计.42.1 设计参数及要求.42.2 设计参数分析.42.2.1 主要设计参数及依据.42.2.2 XY 工作台部件进给系统受力分析.42.2.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重量.52.3 总体方案设计.5第三章 横向结构设计.63.1 导轨的选型与计算.63.1.1 导轨的选型.63.1.2 直线滚动导轨副的计算、选择.63.1.3 导轨副精度分析.83.2 步进电机的选择.93.2.1 脉冲当量和步距角.93.2.2 步进电机上起动力矩的近似计算.93.2.3 确定步进电机最高工作频率.103.3 同步带传动的设计.103.3.1 同步带传动设计计算.103.3.2 同步带的设计.123.3.3 同步带轮的设计.133.4 带轮支撑及张紧装置设计.14第四章 纵向结构设计.154.1 导轨的选型与计算.154.1.1 导轨的选型.154.1.2 直线滚动导轨副的计算、选择.154.1.3 导轨副精度分析.184.2 电机的选择.184.2.1 电机轴的转动惯量.18II4.2.2 电机扭矩计算.194.3 同步带传动的设计.204.3.1 同步带的设计.204.3.2 同步带轮的设计.204.4 传动系统刚度分析.214.4.1 工作台不出现爬行的刚度.214.4.2 微量进给的灵敏度的刚度.21第五章 其他结构及附件设计.235.1 平台同步升降机构设计.235.1.1 螺杆螺母副设计.235.1.2 链传动设计.235.2 工作台设计.255.3 箱盖开启支撑设计.255.3.1 旋转销.255.3.2 气弹簧选用与连接.26总 结.27参考文献.28致 谢.29III摘 要激光切割机主要用于将板材切割成所需形状工件的激光加工机床。激光切割就是将激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件融化并蒸发，以达到切割和雕刻的目的，具有精度高，切割快速，不局限于切割图案限制，自动排版节省材料，切口平滑，加工成本低等特点。本文主要针对轻便式激光切割机的机械结构进行设计。首先，通过对激光切割机结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了激光切割机的总体结构方案和本案要重点设计的机械结构的设计方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过 AutoCAD 制图软件绘制了激光切割机总装图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD 制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词：激光切割机，结构，设计 IVABSTRACTLaser cutting machine is mainly used to cut into the desired shape of the workpiece sheet laser processing machine. Laser cutting is to be released to the surface when the laser beam energy to melt and evaporation of the workpiece in order to achieve the purpose of cutting and engraving, with high precision, fast cutting, cutting pattern is not limited restrictions, automatic typesetting save material, smooth cuts processing and low cost.This article is designed mainly for portable mechanical structure laser cutting machine. First, by performing the laser cutting machine structure and principle analysis, the analysis presented in this overall structure of the program and the case of laser cutting machine designed to focus on the design of the mechanical structure on the basis of; Next, the main technical parameters were calculated selection; Then, for each of the main components were designed and verification; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw a laser cutter assembly diagram and main parts diagram.Through this design, the consolidation of the university is expertise, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing, etc; mastered the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work of great significance in life.Keywords:Laser cutting machine, Structure, Design1第一章 绪论1.1 研究背景及意义激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971 年 11 月，美国通用汽车公司率先使用一台 250W CO2 激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于 1974 年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10 倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。 “十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值 20的平均增长率，实现年产值 200 亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。1.2 激光切割机概述（1）定义激光切割机主要用于将板材切割成所需形状工件的激光加工机床。所谓激光切割就是将激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件融化并蒸发，以达到切割和雕刻的目的，具有精度高，切割快速，不局限于切割图案限制，自动排版节省材料，切口平滑，加工成本低等特点，将逐渐改进或取代于传统的切割工艺设备。（2）应用特性2（a）采用全封闭防护，减少粉尘的污染；（b）选用性能优越的伺服和丝杆传动导向结构，高精密滚珠丝杠，低噪音滚珠导轨，高精密轴承；（c）激光束聚焦光斑直径小，从而加工工件的切缝窄小；（d）采用专业软件可随意设计各种图形或文字即时加工，加工灵活，操作简单、方便；（e）无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，切割工件质量好，切缝一般不需要二次加工；（f）不受工件外形的影响，激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割钣金、薄板及其他异型材；（g）切割精度高，切缝平滑，切割效率高于其它激光切割机；（h）可选配高度跟踪系统，实时自动对焦，克服板材不平整现象。（i）可选配专业，激光功率跟随切割速度实时调整。聚焦镜将 CO2 激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着 CO2 激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范围。数控切割机的用途很广泛，简单来说就是用激光对物体进行切割.可以切割的材料有很多，金运激光的切割机可以对亚克力、木板、布料、皮革、金属等进行切割，根据功率幅面的大小可以用在不同的行业。布料的切割可以用在制衣、地毯、工业面料等方面，亚克力切割机可以用在亚克力工艺品制作等方面、木板的切割可以用作模型制作、金属的切割可以代替原始的切割做各类金属制品等。光加工设备运用在服装行业的主要产品有高速激光裁剪机、全自动激光切割机、激光裁床、互移式双头激光裁剪机、全自动激光切割机和激光打标机等。每种设备的不同加：正幅面是不同的。上述设备除激光打标机外，都可以进行布料裁剪裁片、服装打样、商标、贴布绣切割、皮革雕花钻孔、牛仔喷花、绣花等工艺的作业。而就全自动激光切割机而言，它的平台是可以运动的，与送料装置配合起来就实现了自动加工的目的。1.3 国内外研究及发展现状我国激光制造技术的应用研究水平和应用规模，与发达国家相比，差距很大。在3产业方面，一些中、高档激光产品及其材料、元器件仍然停留在开发阶段，或尚未形成规模，高档、高智能、高自动化的激光产品比较缺乏。不少激光加工应用在我国仍是空白或刚起步，如激光微加工、特种材料加工、激光纳米加工以及飞秒激光加工等。国内工业激光企业的力量从技术、性能、资金、规模等比较弱小；企业的核心技术竞争力不足， “产品结构”趋同，以及缺少一些重大创新有自主知识产权的产品，是目前国内激光产业存在着的一个较为严重的问题。中国加入 WTO 后，进口激光产品的价格降低，使国产激光产品的市场份额、价格和利润受到严重威胁。由于海外公司的纷纷涌人，人才竞
XXXXX毕毕 业业 设设 计计 (论论 文文) 轻便式激光切割机机械结构设计系 名： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月I目 录摘 要.IIABSTRACT.III第一章 绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 激光切割机概述.11.3 国内外研究及发展现状.2第二章 总体方案设计.42.1 设计参数及要求.42.2 设计参数分析.42.2.1 主要设计参数及依据.42.2.2 XY 工作台部件进给系统受力分析.42.2.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重量.52.3 总体方案设计.5第三章 横向结构设计.63.1 导轨的选型与计算.63.1.1 导轨的选型.63.1.2 直线滚动导轨副的计算、选择.63.1.3 导轨副精度分析.83.2 步进电机的选择.93.2.1 脉冲当量和步距角.93.2.2 步进电机上起动力矩的近似计算.93.2.3 确定步进电机最高工作频率.103.3 同步带传动的设计.103.3.1 同步带传动设计计算.103.3.2 同步带的设计.123.3.3 同步带轮的设计.133.4 带轮支撑及张紧装置设计.14第四章 纵向结构设计.154.1 导轨的选型与计算.154.1.1 导轨的选型.154.1.2 直线滚动导轨副的计算、选择.154.1.3 导轨副精度分析.184.2 电机的选择.184.2.1 电机轴的转动惯量.18II4.2.2 电机扭矩计算.194.3 同步带传动的设计.204.3.1 同步带的设计.204.3.2 同步带轮的设计.204.4 传动系统刚度分析.214.4.1 工作台不出现爬行的刚度.214.4.2 微量进给的灵敏度的刚度.21第五章 其他结构及附件设计.235.1 平台同步升降机构设计.235.1.1 螺杆螺母副设计.235.1.2 链传动设计.235.2 工作台设计.255.3 箱盖开启支撑设计.255.3.1 旋转销.255.3.2 气弹簧选用与连接.26总 结.27参考文献.28致 谢.29III摘 要激光切割机主要用于将板材切割成所需形状工件的激光加工机床。激光切割就是将激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件融化并蒸发，以达到切割和雕刻的目的，具有精度高，切割快速，不局限于切割图案限制，自动排版节省材料，切口平滑，加工成本低等特点。本文主要针对轻便式激光切割机的机械结构进行设计。首先，通过对激光切割机结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了激光切割机的总体结构方案和本案要重点设计的机械结构的设计方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过 AutoCAD 制图软件绘制了激光切割机总装图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD 制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词：激光切割机，结构，设计 IVABSTRACTLaser cutting machine is mainly used to cut into the desired shape of the workpiece sheet laser processing machine. Laser cutting is to be released to the surface when the laser beam energy to melt and evaporation of the workpiece in order to achieve the purpose of cutting and engraving, with high precision, fast cutting, cutting pattern is not limited restrictions, automatic typesetting save material, smooth cuts processing and low cost.This article is designed mainly for portable mechanical structure laser cutting machine. First, by performing the laser cutting machine structure and principle analysis, the analysis presented in this overall structure of the program and the case of laser cutting machine designed to focus on the design of the mechanical structure on the basis of; Next, the main technical parameters were calculated selection; Then, for each of the main components were designed and verification; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw a laser cutter assembly diagram and main parts diagram.Through this design, the consolidation of the university is expertise, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing, etc; mastered the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work of great significance in life.Keywords:Laser cutting machine, Structure, Design1第一章 绪论1.1 研究背景及意义激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971 年 11 月，美国通用汽车公司率先使用一台 250W CO2 激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于 1974 年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10 倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。 “十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值 20的平均增长率，实现年产值 200 亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。1.2 激光切割机概述（1）定义激光切割机主要用于将板材切割成所需形状工件的激光加工机床。所谓激光切割就是将激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件融化并蒸发，以达到切割和雕刻的目的，具有精度高，切割快速，不局限于切割图案限制，自动排版节省材料，切口平滑，加工成本低等特点，将逐渐改进或取代于传统的切割工艺设备。（2）应用特性2（a）采用全封闭防护，减少粉尘的污染；（b）选用性能优越的伺服和丝杆传动导向结构，高精密滚珠丝杠，低噪音滚珠导轨，高精密轴承；（c）激光束聚焦光斑直径小，从而加工工件的切缝窄小；（d）采用专业软件可随意设计各种图形或文字即时加工，加工灵活，操作简单、方便；（e）无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，切割工件质量好，切缝一般不需要二次加工；（f）不受工件外形的影响，激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割钣金、薄板及其他异型材；（g）切割精度高，切缝平滑，切割效率高于其它激光切割机；（h）可选配高度跟踪系统，实时自动对焦，克服板材不平整现象。（i）可选配专业，激光功率跟随切割速度实时调整。聚焦镜将 CO2 激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着 CO2 激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范围。数控切割机的用途很广泛，简单来说就是用激光对物体进行切割.可以切割的材料有很多，金运激光的切割机可以对亚克力、木板、布料、皮革、金属等进行切割，根据功率幅面的大小可以用在不同的行业。布料的切割可以用在制衣、地毯、工业面料等方面，亚克力切割机可以用在亚克力工艺品制作等方面、木板的切割可以用作模型制作、金属的切割可以代替原始的切割做各类金属制品等。光加工设备运用在服装行业的主要产品有高速激光裁剪机、全自动激光切割机、激光裁床、互移式双头激光裁剪机、全自动激光切割机和激光打标机等。每种设备的不同加：正幅面是不同的。上述设备除激光打标机外，都可以进行布料裁剪裁片、服装打样、商标、贴布绣切割、皮革雕花钻孔、牛仔喷花、绣花等工艺的作业。而就全自动激光切割机而言，它的平台是可以运动的，与送料装置配合起来就实现了自动加工的目的。1.3 国内外研究及发展现状我国激光制造技术的应用研究水平和应用规模，与发达国家相比，差距很大。在3产业方面，一些中、高档激光产品及其材料、元器件仍然停留在开发阶段，或尚未形成规模，高档、高智能、高自动化的激光产品比较缺乏。不少激光加工应用在我国仍是空白或刚起步，如激光微加工、特种材料加工、激光纳米加工以及飞秒激光加工等。国内工业激光企业的力量从技术、性能、资金、规模等比较弱小；企业的核心技术竞争力不足， “产品结构”趋同，以及缺少一些重大创新有自主知识产权的产品，是目前国内激光产业存在着的一个较为严重的问题。中国加入 WTO 后，进口激光产品的价格降低，使国产激光产品的市场份额、价格和利润受到严重威胁。由于海外公司的纷纷涌人，人才竞
