便携式激光切割机设计

黄潇苹 赵莹 朱涛

摘 要：五十多年来，激光加工技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域。激光加工技术加速了对传统加工业的改造，从而提供了现代工业加工技术的新手段，对工业发展影响很大。特别是激光切割已成为当前工业加工领域应用最多的激光加工方法，可占整个激光加工业的70%以上。

关键词：激光加工技术;工业发展;激光切割技术

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

1 激光技术的主要介绍

由激光为主要技术基础的激光切割技术是一种现代的技术，通常在金属和非金属材料的处理中使用，激光切割技术最主要的优点就是可以大大减少处理时间，从而可以减少切割处理的成本，并且还可以提高切割工件的质量。

此外，激光切割具有以下特点：首先它具有比较宽的切割范围，再者激光切割技术有比较高的切削速度，激光切割机的热影响区小而且能够处理的范围灵活性大，另外还具有清洁，安全，无污染等特点。本文主要研究激光切割机机械结构的设计，特别是实现X、Y、Z机械部分。随着现代社会的发展，对各类的精度、速度要求越来越高，通过激光切割机运动机构能让人们换一种角度去体会科技的发展以及当代社会的需求。

2 国内外研究与开发

国外激光切割技术的发展如下：在20世纪70年代和80年代，美国，德国，日本等国已经在大量的研究激光切割工艺。在此基础上，我国需要总结他国的激光切割工艺，建立属于自己的工艺数据库，从而开始研究高性能激光切割系统。 20世纪90年代初，国外引进了一些高性能激光切割系统，具有自动设定加工參数的功能。由于中国的激光加工技术研究起步较晚，基础产业相对落后，工业生产自动化程度不是很高，而且市场竞争意识薄弱。但是，由于国家在高新技术产业发展中的高度重视，经过多年的不懈努力，我们取得了可喜的成绩，中国激光切割技术的发展主要分为三个阶段：第一阶段：早在20世纪70年代中期，中国在国内各地合作开展了激光切割实验。到20世纪70年代末，为成都飞机工厂安装了中等功率（500W左右）激光用于切割飞机部件。 1976年，由中科院和长春第一汽车制造厂轿车分厂联合开发的CO2激光机成功应用于“红旗”牌轿车的盖板切割。第二阶段：从20世纪80年代中期开始，上海，株洲和天津推出了全套大功率（1500W）激光切割系统，并将新的激光切割技术引入中国。中国从而进入了全面工业制造领域。第三阶段： 20世纪90年代以后，激光切割发展的第三阶段，开始开发中高功率，快速流动CO2激光系统（包括激光，切割机和数控系统）。

3 激光切割技术工作原理与应用

在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量在切割过程中所产生的化学反应，比如热能等化学反应，可以全部被切割材料所吸收，从而引起激光作用的温度点急剧上升。达到温度高点后，激光切割的材料开始逐渐蒸发并形成一个小孔。当激光光束相对于工件开始移动时，切割材料最终会被切开，并且狭缝处的熔渣会被某种辅助气体吹走。上文提到激光切割由于其切割范围宽，切割速度快，切口窄，切割质量好，热影响区小，加工灵活性高，已广泛应用于现代工业。所以目前来看的话，激光切割技术是激光技术在工业中的主要应用技术，已成为工业加工领域中应用最广泛的激光加工方法。激光切割可分为汽化切割，熔融切割，氧气辅助熔融切割和可控断裂切割，其中氧气辅助熔融切割是最广泛使用的。从工业应用的角度来看，最具代表性的是汽车行业的应用。汽车底板的激光固定焊接，汽车顶板的激光焊接，车身盖的三维轮廓的激光切割等。在激光切割过程中，激光切削效率较高，所以可以降低成本等。

4 激光切割机的优化设计研究内容

4.1 激光切割机的主要研究内容

（1）首先要确定激光切割的主运动要求和激光切割机的机械部件的位置精度，实现对X，Y，Z轴的精确运动。（2）再者需要确定激光切割机运动机构演示台的总体方案设计。（3）对激光切割机的主要执行运动部件进行运动分析和结构设计，通过对切割材料的选择和驱动设备选择从而可以使其用于激光切割机示范平台的每个组件。再通过选择激光切割机的电动机，分析其电动机的运动可行性。

4.2 拟优化解决的关键问题

（1）进行优化设计使整个运动系统轻量化、轻便化，提高运动系统的性能。（2）进行激光切割机的电动机科学选择，充分综合考虑其电动机运动机构的特性。保证整个激光切割机运动机构的性能。（3）综合分析整个激光切割机的机构主运动，使整个运动机构能更加稳定快速的运动。（4）对切割机的机械结构进行合理的设计，通过对材料和配件的理性选择，使其整个激光切割机的设计都符合结构的合理性和经济性的综合分析。

5 激光切割机的研究思路、方法和步骤

设计内容必须在尽可能节约材料成本的前提下，做到严谨科学和合理。充分考虑其合理性以及经济性。通过机构的总装配图，从而可以合理的设计出激光切割机的各个零部件。通过大量的计算机计算和机械强度校核等对其整个切割机机构进行运动分析以及对整个切割机的材料选材进行合理的分析以及购材。再采用UG以及CAD画图软件进行合理的设计。用CAD画图软件尽可能将各个零部件进行合理的设计以及加工。最后，使其整个切割机的机制的设计和加工，使其机械结构的组装和调试都趋于正常。具体步骤如下：

（1）查阅相关文献，收集有关的资料。初步了解激光切割机运动机构的发展及应用。（2）初步草绘其激光切割机运动机构演示台的结构，装配图。（3）设计并制定出所有激光切割机机构演示台机构部件的尺寸，通过计算选取标准化零件以及外购件。（4）设计并分析机光切割机运动机构演示台的运动参数。（5）用UG软件画出激光切割机运动机构演示台的总装配图和零件图。（6）将UG图转化成CAD图并制作激光切割机运动机构演示台各部件的加工图。（7）组装激光切割机运动机构演示台并检查运动。（8）将整个机构进行优化运动调试。

参考文献：

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