南京林业⼤学
本科毕业设计（论⽂）
题⽬：激光加⼯机床设计（Y、Z轴）学院：南⽅学院
专业：机械设计制造及其⾃动化
铅笔加工学号：n090301313
学⽣姓名：沙栩民
指导⽼师：杨⾬图
职称：讲师
⼆零⼀三年五⽉⼆⼗五号
摘要
由于激光车床的先进性、精确性，激光车床是现代加⼯⾏业中不可或缺的机床，具有⼴阔的前景。本毕业设计的⽬的是对激光加⼯机床（Y、Z轴）的分析加⼯，通过对激光加⼯的特点的分析，以及数控机床的设计思路，利⽤三维实体建模软件Autocad2012对激光加⼯机床的（Y、Z轴）机械部分进⾏了设计，论⽂包括激光车床的发展现状、⽅案的论证和部分零部件的设计、强度计算等。
激光加⼯机床（Y、Z轴）由旋转机构、进给机构和控制系统三部分组成。激光加⼯机床中Y、Z轴采⽤了直线进给传动，通过电机与滚珠丝杠直接相连，传动简单，精度⾼，定位准确，且安装维护⽅便。
根据激光加⼯机床的功能、结构等特点，主要进⾏了以下设计：
（1）直线进给机构中滚珠丝杠副的设计；
（2）直线进给机构中滚动直线导轨的设计；
（3）激光加⼯机床轴承的设计与校核；
（4）激光加⼯机床旋转轴的设计和校核；
此外，还简单介绍了AUTOCAD绘图软件的使⽤。
Abstract
Because of advances in laser machine, precision lathe is a machine tool, laser is an integral part of modern manufacturing industry, and has broad prospects. This graduation design is the purpose of the laser machine (Y, Z) analysis and processing, through the analysis of the characteristics of the laser machining CNC machine tools, and the design ideas, using 3D solid modeling software Autocad2012 on laser processing machine (Y, Z axis) mechanical parts of the design, the paper includes laser lathe the development status, the scheme argumentation and parts design, strength calculation. Laser processing machine tools (Y, Z axis) is composed of a rotary mechanism, feed mechanism and control system three parts. Laser processing machine Y, Z axis adopts the linear feed drive, linked, directly through the motor and ball screw drive is simple, high precision, accurate positioning, and convenient installation and maintenance. According to the laser processing machine functions, structure and other characteristics, mainly for the following design:
(1) the design of ball screw linear feed mechanism;
(2) the design of linear rolling guide feed mechanism;
(3) the design and verification of laser processing machine tool bearings;
炭
材料工程技术
(4) the design and calibration of laser processing machine tool axis of rotation;
In addition, also simply introduced the use of AUTOCAD drawing software Keywords：Laser technology; table; feeding mechanism; 3D modeling
⽬录
摘要 ................................................................... I Abstract .............................................................. II ⽬录................................................................. III 第⼀章绪论 (1)
1.1 激光加⼯技术 (1)
1.1.1激光加⼯⼯作原理 (1)
1.1.2激光技术的作⽤ (1)
1.2 激光加⼯的发展 (2)
1.2.1激光概念 (2)
1.2.2激光技术的发展历程 (2)
1.2.3激光加⼯技术的分类 (4)
1.3 选题⽬的及意义 (5)
第⼆章直线进给⼯作台设计⽅案的拟定与论证 (7)
2.1设计内容 (7)
2.2⼯作台进给运动⽅案的选择 (7)
2.4 Y进给⽅向的设计 (8)
2.4.1⼯作台的基本参数 (8)
2.4.2滚珠丝杠的选择 (9)
2.4.3丝杠⽀承形式和轴承的选择 (11)
2.4.4滚动直线导轨选择 (12)
2.4.5伺服电动机的选择 (13)
水电安装开槽机
2.4.6联轴器的选择 (15)
翻转立方体2.4.7⼯作台防护罩的选择 (16)
2.4.8螺栓的强度校核 (17)
2.5 Z进给⽅向的设计 (18)
2.5.1⼯作台的基本参数 (18)
2.5.2滚珠丝杠的选择 (18)
2.5.3丝杠⽀承形式和轴承的选择 (19)
2.5.4滚动直线导轨选择 (20)
2.5.5伺服电动机的选择 (20)
2.5.6联轴器的选择 (21)
第三章机床床⾝、壳体设计 (22)
3.1 Y⽅向床⾝设计 (23)
3.2 Z⽅向床⾝设计 (23)
3.3机床床⾝总体装配设计 (24)
第四章润滑与密封 (25)
第五章激光机床开放式数控系统控制 (26)
5.1开放式数控系统的内涵 (26)
5.2激光机床硬件结构设计 (27)
第六章机床技术经济性分析 (30)
设计⼩结 (31)
致谢 (32)
参考⽂献 (33)
附录 (34)
第⼀章绪论
1.1 激光加⼯技术
激光加⼯技术是利⽤激光束与物质相互作⽤的特点对材料进⾏切割、焊接、打孔及微加⼯等的⼀门新型加⼯技术。激光加⼯作为先进制造技术已⼴泛应⽤于汽车、轮船、电器、航空、冶⾦、机械制造等国民经济重要部门，对提⾼产品质量、劳动⽣产率、⾃动化、⽆污染、减少材料消耗等起到重要的作⽤。 1.1.1激光加⼯⼯作原理
激光加⼯利⽤⾼密度的激光束照射⼯件，使材料⽓化⽽进⾏穿孔、切割和焊接等的特种加⼯。早期的激光加⼯由于功率⽐较⼩，基本⽤于打⼩孔和微型焊接。
然⽽等到钇铝⽯榴⽯激光器的出现，以及对激光的加⼯机理和⼯艺进⾏了深⼊研究，激光加⼯技术得到了很⼤进展，使⽤范围扩⼤。数万⽡的激光加⼯器⽤于各种材料的超⾼速切割、焊接和材料热处理等⽅⾯。各种专⽤激光加⼯器的出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、⼯业机器⼈等技术相结合，提⾼了激光加⼯机的功能以及⾃动化⽔平。激光器输出的激光经过透镜聚焦在⼯件上，其焦点处的温
度⾼达1万摄⽒度以上，任何材料都会⽓化融化。激光加⼯就是利⽤这种光能的热效应对材料进⾏焊接、打孔等加⼯的。通常⽤于加⼯的激光器主要是固体激光器和⽓体激光器。
1.1.2激光技术的作⽤
激光切割技术⼴泛应⽤于⾦属和⾮⾦属材料的加⼯中，⼤⼤减少了加⼯时间，提⾼⼯件质量，降低了加⼯成本。现代的激光成了⼈们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。通过计算机的控制，脉冲使CO2激光器放电，从⽽输出脉冲激光，形成⼀定的频率，⼀定脉宽的光束，激光束通过聚焦透镜组聚焦在加⼯物体的表⾯上以及通过光路传导反射，形成⼀个细微的、⾼密度⾼能量的光斑，焦斑位于待加⼯⾯附近，瞬间以⾼温熔化或⽓化被加⼯材料。以CO2激光切割机为例，CO2激光器中，主要的物质由氦⽓，氮⽓CO?，三种⽓体组成。其中氮⽓主要功能在CO?激光器中起到了能量传递作⽤，为CO?激光上能级粒⼦数的积累与⼤功率⾼效率的激光输出起到强有⼒的作⽤。氮⽓及氦⽓为辅助性⽓体、CO2是产⽣激光辐射的⽓体。
CO?激光器的激发条件：通过放电管，输⼊⼏⼗毫安或⼏百毫安的直流电流。放电时，放电管中的⽓体内的氮分⼦受到电⼦的撞击⽽被激发起来。这时受到激发的氮分⼦便会与CO?分⼦发⽣碰撞，氮分⼦把⾃⼰的能量传递给CO2分⼦，CO2分⼦从低能级跃迁到⾼能级上形成粒⼦数反转发出激光，激光切割是应⽤激光聚焦后产⽣的⾼功率密度能量来实现的。
1.2 激光加⼯的发展
1.2.1激光概念
激光的早期的中⽂名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英⽂名LASER的⾳译，来⾃于英⽂Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头⼀个字母。它的意思是"通过受激发射光扩⼤"。激光的英⽂全名陈述了制造激光的主要过程：
激光的原理早在1916 年被爱因斯坦发现，但直到1960 年激光才被⾸次成功制造。激光是在有理论和⽣产迫切需要的背景下诞⽣的，它⼀问世，就得到了的飞快发展，激光的发展不仅使古⽼的光学科学获得了新⽣，⽽且导致整个⼀门新兴产业的出现。激光可使⼈们有效地利⽤前所未有的先进技术和⽅法，获得了空前的效益和成果，促进了⽣产⼒的发展。
激光是继原⼦能、半导体、计算机之后，⼈类⼆⼗世纪的⼀重⼤发明，被称为“最快的⼑”、“最准的尺”和“最奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。
1.2.2激光技术的发展历程
激光被誉为⼆⼗世纪最重⼤的科学发现之⼀，它⼀问世就得到了材料科学家的超⾼度重视。1971年11⽉，美国通⽤汽车公司率先使⽤⼀台350W 的CO2激光器进⾏了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）激光淬⽕⼯艺的研究，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”的主要⼯作是促进新兴激光加⼯产业的发展，实现年产值300亿元以上，保持激光器平均年产值15％的增长率,；在⼯业⽣产应⽤中普及和推⼴激光加⼯技
术，重点完成电⼦、汽车、造船、钢铁、⽯油、航空、军⼯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、海洋、能源、空间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、先进的⾃动化的⼯件定位以及⾼精度和光学系统相结合，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。
主要研究内容：
（1）建⽴激光加⼯设备参数的检测⽅法，并进⾏⽅法研究
（2）激光加⼯⽤⼤功率CO2和固体激光器及准分⼦激光器的引进机型研究，开发和研制专⽤配套的激光加⼯机床，提⾼激光器的精度效率跟稳定性，⼒争在国内建⽴全⾯的加⼯激光器的⽣产基地。
（3）激光表⾯处理技术研究。开展CAD／CAM技术、激光表⾯处理⼯艺、材料性能及激光表⾯处理⼯艺参数监测和控制研究，使激光表⾯处理⼯艺能较⼤幅度的应⽤于⽣产。
（4）激光焊接技术研究。进⾏激光焊接⼯艺及材料、焊接⼯艺对设备要求及焊接过程控制技术和参数监测研究，从⽽掌握有⾊⾦属、普通钢材及特殊钢材的焊接⼯艺。
（5）激光加⼯光束质量及加⼯外围装置研究。研究各种激光加⼯⼯艺对激光光束的质量要求、加⼯质量监控技术，光学系统及加⼯头设计和研制。
（6）⽀持2-3个国家级加⼯技术研究中⼼，进⾏激光加⼯⼯艺技术研究，重点是热处理⽅⾯和材料表⾯改性的研究和推⼴；开展激光快速成形技术的应⽤，拓宽激光应⽤领域
⾼功率激光器的研制成功为激光加⼯技术的产⽣和激光加⼯技术的发展提供了必不可少的条件。
“集成化激光智能制造及柔性加⼯系统”是我国⾃⾏研制开发成功的具有⾃主知识产权的⾸套⾼度集成化、功能跨度⼤、创新程度⾼的智能化、柔性化激光加⼯制造系统。该系统可进⾏多种激光柔性加⼯和智能制造，包括激光三维切割及焊接、激光微打孔、⾦属零件的激光直接成形和熔覆、模具⼯作表⾯强化及快速修复等，完全能适应现代柔性化、智能化激光制造的要求。与国际同类型集成化系统相⽐，该技术装备系统集约度⾼，性能价格⽐优异，加⼯精度⾼，应⽤范围⼴，并具
有⾃主开发和功能拓展能⼒，中/英⽂控制操作平台系统更加适⽤于中国的⼯业⽤户。技术性能指标达到国际同类系统先进⽔平，在机械、电⼦、航空、医疗等领域具有⼴阔的应⽤前景。
该装备系统已应⽤于上海⼤众汽车有限公司（汽车冲压模具激光强化技术及装备）、北⽅发动机研究所（激光热负荷实验及激光焊接/切割系统）和军⼯某⼚（激光焊接系统）。
1.2.3激光加⼯技术的分类
随着激光加⼯技术的不断发展，激光加⼯整机性能也逐渐提⾼。激光加⼯技术已和计算机技术、检测技术、⾃动化技术等紧密结合起来，激光加⼯机的⾃动化程度不断提⾼，检测⼿段⽇趋完备并建⽴了多条激光加⼯⽣产线。激光加⼯技术与CAD/CAM技术的结合，构成了激光加⼯的柔性加⼯系统，实现了2坐标、3坐标、5坐标的多功能数控激光加⼯机，可以在同⼀流⽔线上进⾏多种作业。这种柔性制造系统⼤⼤提⾼了加⼯过程的⾃动化程度。
激光加⼯技术应⽤越来越⼴，加⼯形式多种多样，就其本质来讲，激光加⼯实质上是激光与材料（包括⾦属和⾮⾦属）的相互作⽤，从这个观点出发，我们把激光加⼯分为以下各种类型：
1)激光表⾯⼯程。激光表⾯⼯程包括：激光强化、激光涂覆、激光合⾦、激光改性、和激光清除。
合⾦化与激光熔覆都是通过⾼密度的激光束产⽣的快速熔凝，在加⼯材料表⾯形成与基材相互熔合的
不同成分与性能的合⾦覆层。
2)激光材料去除。⽬前，在⽣产中常⽤的材料去除过程有激光切割、激光烧蚀、激光雕刻、和激光打孔等技术。
激光切割的⽆皱折、精度⾼、切缝⼩、⼯件变形⼩、优于等离⼦切割，是⼀种⾼能量密度可控制性好的⽆接触加⼯⽅法。
3)激光材料连接。
激光材料连接过程有激光烧结和激光焊接。
激光焊接是激光材料加⼯技术应⽤的重要⽅⾯之⼀。70年代主要⽤于焊接微⼩型零件和薄壁材料的精密焊接，属于热传导型。
4)激光原型制造。
1.3 选题⽬的及意义
20世纪以⼯程技术与光科学研究为基础的发展项⽬，已经为⼈类的发展做出了巨⼤的贡献。21世纪光
电⼦技术进⼀步发展，激光技术成为世界各国竞争的焦点之⼀。激光加⼯技术在上世纪激光问世不久就受到⼈们的重视，经过40多年的发展,⾄今已成为先
进制造技术的重要组成部分。激光技术为核⼼的相关产业也将成为知识经济和信息时代的重要驱动⼒。
随着20世纪⼯业⾰命的快速发展，⼯业技术给⼈类带来发展的同时也带来了污染。我们现在⾯临着资源短缺、⽣态破坏和等坏境污染危机，新的技术必须尽早的取代旧的技术，推⼴⽆污染、低消耗的绿⾊制造技术。激光技术的推⼴使⽤势在必⾏，激光技术有着众多优点：可以对运动的⼯件或密封在玻璃壳内的材料进⾏加⼯；激光头与⼯件不接触，⽆加⼯⼯具磨损问题；⼯件不易污染；既适于⼤型材料加⼯加⼯,⼜适于精密细微加⼯；激光束易受控制，易于与精密测量技术、和电⼦计算机相结合，实现⾼度⾃动化和很⾼的加⼯精度；在⼈难以接近的地⽅，可⽤机器⼈进⾏激光加⼯……激光加⼯技术可谓是低噪⾳、⽆磨损、节省被加⼯材料的绿⾊加⼯技术，随着资源紧缺及科技时代的进步，随之⽽⽣的激光加⼯机床必会得到⼴泛应⽤。
为了适应科技及社会的发展需要，激光技术早晚会得到普及，本次毕业设计我将对激光技术和机床有关知识进⾏学习，运⽤机电⼀体化系统的设计基本理论知识设计⼀台⼤功率激光加⼯机床。
数控激光加⼯机床是激光束⾼功率、⾼⽅向、⾼亮度的⼀种技术应⽤。其基本原理是把激光束聚焦(焦
点光斑直径可⼩于
0.01mm)后，照射到材料适当的部位，材料在接受激光照射能量后，10-11s内便开始将光能转变为热能，被照部位迅速升温。根据不同的光照参量，材料可以发⽣融化、⽓化、⾦相组织变化以及产⽣相当⼤的热应⼒，从⽽使⼯件材料被去除、连接、改性和分离等加⼯⽬的。激光焊接是以激光作为热源对材料进⾏加热，使材料熔化⽽联接的⼯艺⽅法。激光可焊接熔点材料，不仅能焊接同种材料，⽽且可以焊接不同的材料，甚⾄还可以焊接⾮⾦属与⾦属材料。
以激光作为⼯具对⼯件进⾏加⼯的机床，称为激光加⼯机床。按功能分有激光打孔或激光切割的机床，激光焊接机；激光热处理机。按结构分，有龙门式，下动式和框架式架构。下动式的激光加⼯机床激光头固定住，⼯作台带动⼯件作X,Y⽅
向移动，它的光束固定，容易调整；龙门式的激光头在横梁上做Y坐标移动，⼯作台带动⼯件作X坐标移动，适合加⼯尺⼨较⼤的⼯件；框架式的激光头沿横梁作Y 向移动，横梁在框架上作X⽅向移动，适合加⼯不便移动的⼤型零件。⽬前龙门式应⽤较多。
数控激光加⼯机床的X，Y，Z坐标驱动，同样采⽤DC(AC)伺服电机，滚珠丝杠螺母副，滚动导轨等。只是这⾥的⼯件较
轻，“切割”负载⼩，进给速度⼀般可接近开苏进给速度。数控激光加⼯机床的⼯作原理与两坐标的数控铣床，数控冲床很相似。
第⼆章直线进给⼯作台设计⽅案的拟定与论证
2.1设计内容
变速轮
通过对激光加⼯机床基本结构的掌握以及对数控技术基本原理、电⽓系统基本原理和伺服系统基本原理的了解，综合所得调查资料，确定激光加⼯机床总体设计⽅案，并完成直线进给部分（Y轴、Z轴）以及机床总体装配的设计。
2.2⼯作台进给运动⽅案的选择
在数控机床的运动中，主运动及其伺服进给运动是机床的基本成形运动。机床执⾏件是通过各种形式的机床传动装置，按照编好的程序获得相应的运动，因此，传动装置的结构与性能关系到数控机床的⼯作质量。总体来说，数控机床结构较普通机床的相对简单，但精度要求更⾼；⽽主轴的结构则相对复杂。
数控机床的进给传动是通过伺服进给传动系统实现的。该系统由机械传动装置和电⽓伺服系统两部分构成。进给运动是数字控制的直接对象，⽆论连续控制还是点位控制，加⼯⼯件的最终坐标精度和轮
廓精度都受到进给运动的传动灵敏度、精度和稳定性等的影响。因此，对进给传动的要求如下：
激光打孔①消除传动间隙
②进给调速范围宽
③响应速度快
④传动精度与定位精度⾼
⑤速度的稳定性好
伺服系统是以机械参数(位置、加速度、速度)作为被控量的⼀种⾃动控制的系统，它基本要求是系统能够输出迅速⽽且精确地响应指令输⼊的变化。伺服系统的基本要求是：
(1)系统的输出能够迅速地响应指令的变化；
(2)达到给定精度要求；
(3)系统在其⼯作范围内要稳定可靠；
(4)系统对参数变化的灵敏度要⼩，系统不能因参数变化⽽受到较⼤的影响；
(5)系统应具有⾼频噪⾳的能⼒以及良好的抵抗外部负载⼲扰等。数控机床伺服进给系统的设计，要根据对机床加⼯精度的要求，选择合适的控制形式（开环控制、半闭环控制或闭环控制），然后选择相应的伺服电机和传动机构，最后对系统的性能进
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