便攜式激光切割機設計

黃瀟蘋 趙瑩 朱濤

摘 要：五十多年來，激光加工技術與應用發展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域。激光加工技術加速了對傳統加工業的改造，從而提供了現代工業加工技術的新手段，對工業發展影響很大。特別是激光切割已成為當前工業加工領域應用最多的激光加工方法，可占整個激光加工業的70%以上。

關鍵詞：激光加工技術;工業發展;激光切割技術

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

1 激光技術的主要介紹

由激光為主要技術基礎的激光切割技術是一種現代的技術，通常在金屬和非金屬材料的處理中使用，激光切割技術最主要的優點就是可以大大減少處理時間，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量。

此外，激光切割具有以下特點：首先它具有比較寬的切割范圍，再者激光切割技術有比較高的切削速度，激光切割機的熱影響區小而且能夠處理的范圍靈活性大，另外還具有清潔，安全，無污染等特點。本文主要研究激光切割機機械結構的設計，特別是實現X、Y、Z機械部分。隨著現代社會的發展，對各類的精度、速度要求越來越高，通過激光切割機運動機構能讓人們換一種角度去體會科技的發展以及當代社會的需求。

2 國內外研究與開發

國外激光切割技術的發展如下：在20世紀70年代和80年代，美國，德國，日本等國已經在大量的研究激光切割工藝。在此基礎上，我國需要總結他國的激光切割工藝，建立屬于自己的工藝數據庫，從而開始研究高性能激光切割系統。 20世紀90年代初，國外引進了一些高性能激光切割系統，具有自動設定加工參數的功能。由于中國的激光加工技術研究起步較晚，基礎產業相對落后，工業生產自動化程度不是很高，而且市場競爭意識薄弱。但是，由于國家在高新技術產業發展中的高度重視，經過多年的不懈努力，我們取得了可喜的成績，中國激光切割技術的發展主要分為三個階段：第一階段：早在20世紀70年代中期，中國在國內各地合作開展了激光切割實驗。到20世紀70年代末，為成都飛機工廠安裝了中等功率（500W左右）激光用于切割飛機部件。 1976年，由中科院和長春第一汽車制造廠轎車分廠聯合開發的CO2激光機成功應用于“紅旗”牌轎車的蓋板切割。第二階段：從20世紀80年代中期開始，上海，株洲和天津推出了全套大功率（1500W）激光切割系統，并將新的激光切割技術引入中國。中國從而進入了全面工業制造領域。第三階段： 20世紀90年代以后，激光切割發展的第三階段，開始開發中高功率，快速流動CO2激光系統（包括激光，切割機和數控系統）。

3 激光切割技術工作原理與應用

在超過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程中所產生的化學反應，比如熱能等化學反應，可以全部被切割材料所吸收，從而引起激光作用的溫度點急劇上升。達到溫度高點后，激光切割的材料開始逐漸蒸發并形成一個小孔。當激光光束相對于工件開始移動時，切割材料最終會被切開，并且狹縫處的熔渣會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，切割質量好，熱影響區小，加工靈活性高，已廣泛應用于現代工業。所以目前來看的話，激光切割技術是激光技術在工業中的主要應用技術，已成為工業加工領域中應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斷裂切割，其中氧氣輔助熔融切割是最廣泛使用的。從工業應用的角度來看，最具代表性的是汽車行業的應用。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 激光切割機的優化設計研究內容

4.1 激光切割機的主要研究內容

（1）首先要確定激光切割的主運動要求和激光切割機的機械部件的位置精度，實現對X，Y，Z軸的精確運動。（2）再者需要確定激光切割機運動機構演示臺的總體方案設計。（3）對激光切割機的主要執行運動部件進行運動分析和結構設計，通過對切割材料的選擇和驅動設備選擇從而可以使其用于激光切割機示范平臺的每個組件。再通過選擇激光切割機的電動機，分析其電動機的運動可行性。

4.2 擬優化解決的關鍵問題

（1）進行優化設計使整個運動系統輕量化、輕便化，提高運動系統的性能。（2）進行激光切割機的電動機科學選擇，充分綜合考慮其電動機運動機構的特性。保證整個激光切割機運動機構的性能。（3）綜合分析整個激光切割機的機構主運動，使整個運動機構能更加穩定快速的運動。（4）對切割機的機械結構進行合理的設計，通過對材料和配件的理性選擇，使其整個激光切割機的設計都符合結構的合理性和經濟性的綜合分析。

5 激光切割機的研究思路、方法和步驟

設計內容必須在盡可能節約材料成本的前提下，做到嚴謹科學和合理。充分考慮其合理性以及經濟性。通過機構的總裝配圖，從而可以合理的設計出激光切割機的各個零部件。通過大量的計算機計算和機械強度校核等對其整個切割機機構進行運動分析以及對整個切割機的材料選材進行合理的分析以及購材。再采用UG以及CAD畫圖軟件進行合理的設計。用CAD畫圖軟件盡可能將各個零部件進行合理的設計以及加工。最后，使其整個切割機的機制的設計和加工，使其機械結構的組裝和調試都趨于正常。具體步驟如下：

（1）查閱相關文獻，收集有關的資料。初步了解激光切割機運動機構的發展及應用。（2）初步草繪其激光切割機運動機構演示臺的結構，裝配圖。（3）設計并制定出所有激光切割機機構演示臺機構部件的尺寸，通過計算選取標準化零件以及外購件。（4）設計并分析機光切割機運動機構演示臺的運動參數。（5）用UG軟件畫出激光切割機運動機構演示臺的總裝配圖和零件圖。（6）將UG圖轉化成CAD圖并制作激光切割機運動機構演示臺各部件的加工圖。（7）組裝激光切割機運動機構演示臺并檢查運動。（8）將整個機構進行優化運動調試。

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