激光雕刻机

数控激光加工机床技术

摘要：本文介绍了数控机床的发展、数控激光雕刻机的加工原理、加工影响因素、组成及常见故障等内容。通过这些对数控激光雕刻机有一个大致的了解，为设计做准备。关键词：数控，激光加工

前言

数控机床是一种装有计算机数字控制系统的机床，数控系统能够处理加工程序，控制机床自动完成各种加工运动和辅助运动。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀，自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线和空间曲面的加工，加工精度和生产率都比较高，因而应用日益广泛。它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动。[1]数控技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、计算机、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具有代表性的机电一体化技术之一。人类文明的发展、科技的进步已和数控机床的研究、应用产生了密不可分的关系。为了适应社会的需求，各院校都比较重视数控技术和控制技术等课程在机械设计及其自动化专业的开设，使培养的学生懂得数控机床设计方面的技术。经过50多年的发展，现代数控技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等众多领域获得了越来越普遍的应用。数控技术，尤其是数控激光加工技术的不断进步与创新，使整个制造业乃至整个社会都发生了和正在发生着翻天覆地的变化。数控技术可以从某个角度折射出一个国家的科学水平和综合国力[4][11]。由于社会的需求，造就了一批从事设计、开发和使用数控加工机床的高级人才。而设计和开发的基础是对机械系统和控制理论等的理解和掌握，才能较好的使用其中的资源来进行设计。故此本文介绍了数控激光雕刻机设计的基本理论，描述了数控激光雕刻机设计的基本内容，然后再介绍数控激光雕刻机常见故障方面的知识，使学生既懂得怎样设计一个数控激光雕刻机，同时能熟练排除机床故障。

1.数控机床的发展

20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院(mit)伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控技术到现在已发展到第六代，第一代采用的是电子管，第二代采用的是晶体管，第三代是小规模集成电路，第四代采用了CNC技术，第五代应用了微处理器技术，而第六代数控机床以个人计算机（PC机）为平台。[9][14]

数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的数控机床已实现了计算机控制并在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。针对车削、铣削、磨削、钻削和刨削等金属切削加工工艺及电加工、激光加工等特种加工工艺的需求，开发了各种门类的数控加工机床。数控机床种类繁多，一般将数控机床分为16大类： 1 数控车床(含有铣削功能的车削中心)， 2 数控铣床(含铣削中心)， 3 数控铿床，4 以铣程削为主的加工中心． 5 数控磨床(含磨削中心) ，6 数控钻床(含钻削中心)， 7 数控拉床，8 数控刨床，9 数控切断机床， 10数控齿轮加工机床，11数控激光加工机床， 12 数控电火花线切割机床， 13 数控电火花成型机床(含电加工中心) ，14 数控板村成型加工机床， 15 数控管料成型加工机床，16 其他数控机床。数控激光加工机床的应用范围很广泛，除可进行打孔切割、焊接、材料表面处理、雕刻及细微加工外，还可进行打标以及对电阻和动平衡进行微调等。数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件(工作台、转台、滑板等)的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：固定循环(能进行各种多次重复加工)、自动换刀(可交换指定刀具)、传动间隙(补偿机械传动系统产生的间隙误差)等等[2][6][7]。

2.数控激光雕刻机的加工原理、特点及应用范围

激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大综合性能.通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工要求调整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被熔化甚至气化。随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸似地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合作用过程[2][3][12]。

激光加工的主要参数是激光的功率密度，激光的波长和输出的脉宽，激光照在工件上的时间及工件对能量的吸收等。只要对主要参数进行合理选用，激光可以进行多种类型的加工。如对材料的表面热处理、焊接、切割、打孔、雕刻及微细加工等。而数控激光雕刻机的加工对象:有机板、布料、纸、皮革、橡胶、厚纸板、密集版、发泡棉、美耐皿、玻璃、塑胶，以及其它非金属。数控激光雕刻机加工技术已广泛用于机械工业、电子工业、国防和人民生活等许多领域[5][13]。

数控激光雕刻加工具有如下特点：

(1)激光加工属高能束流加工，功率密度可高达8

cm，几乎可以加工任

10W/2

10-10

何金属材料和非金属材料；

(2)激光加工无明显机械力，不存在工具损耗，激光速度快，热影响区小，易实现激光过程自动化；

(3)激光可透过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管内部的器件进行焊接等；

(4)激光可以通过聚焦形成微米级的光斑，输出功率的大小有可以调节，因此可进行精密微细加工；

(5)可以达到0.01mm的平均加工精度和0.001mm的最高加工精度，表面粗糙度Ra

。

的值可达0.4—0.1m

3.数控激光雕刻机的基本设备及其组成部分

数控激光雕刻机加工设备的基本设备由激光器、激光器电源、光学系统及机械系统等四大部分组成。激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生