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畢業(yè)設(shè)計調(diào)研報告
調(diào)研報告
激光被譽為二十世紀最重大的科學發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問世就引起了材料科學家的高度重視。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行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對材料學的研究，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、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。現(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30~50kw，打孔用的脈沖寬度越來越窄，重復頻率越來越高，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動地引導激光束到達零件的待加工位置。從激光加工機床所能加工零件的復雜程度看，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系統(tǒng)。大功率三維YAG激光加工系統(tǒng)通常采用機器人(或機器手)配合光導纖維進行光束傳輸，由機器人挾持著激光頭完成各種運動，激光則通過光導纖維傳送到激光加工頭處，到達工件表面，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口的狀態(tài)，激光標記機與激光焊接機的質(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，尤其對精細加工技術(shù)的研究更為薄弱，對紫外波激光進行加工的研究進行的極少。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。
通過對激光切割機的了解，對數(shù)控激光切割機的整體結(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、強度等也進行了相應(yīng)的計算，對直線滾動導軌如何選型進行了深度分析，確定步進電機及其傳動機構(gòu)并進行了慣性負載計算、剛度討論等，分別來驗證了其合理性。并且利用單片機（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)控硬件電路與步進電機驅(qū)動相匹配的數(shù)控軟件連接，由單片機控制步進電機來實現(xiàn)XYZ方向的運動。在設(shè)計中對機床數(shù)控部分的I/O進行了擴展，并對鍵盤和顯示器進行了相應(yīng)的設(shè)計，對程序進行了初始化?；就瓿闪私?jīng)濟型數(shù)控激光切割機的設(shè)計，按此設(shè)計的切割機可以滿足生產(chǎn)的實際需要。
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