毕业设计(论文)-数控激光雕刻机机架总体设计

资料1绪论1.1课题的背景及目的什么是数控机床？在介绍数控机床之前我们先了解一下普通机床。

车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法，所谓机械加工，就是把毛坯零件加工成所需要的形状，它包含尺寸精度和几何精度两个方面，能完成以上功能的设备都称为普通机床。

所谓数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数字控制，它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[1]。

随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日益提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。

因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化要求。

由于数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果，具有高柔性、高精度与高度自动化的特点，因此采用数控加工手段，解决了机械制造业中常规技术难以解决，甚至无法解决的单件、小批量，特别是复杂造型面零件的加工。

应用数控加工技术是机械制造业的一次技术革命，特别是数控特种加工的发展，使机械制造业的发展进入了一个新的阶段，提高了机械制造业的制造水平，为社会提供了高质量、多品种及高可靠性的机械产品。

同时它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动。

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。

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。

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、交通运输、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，并已取得了巨大的经济利益。

数控技术，尤其是数控特种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[1][2]。

从上述情况看出，数控技术，特种加工技术是今后机械加工发展的趋势，数控特种加工的应用会越来越广泛，发展数控特种加工技术有着十分重要的意义。

1.2国内外数控技术发展的状况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。

美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。

因其社会条件不同，各有特点。

1.美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。

因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。

由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。

当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。

从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升[3]。

2.德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。

于1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。

企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。

德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界，尤其是大型、重型、精密数控机床。

德国特别重视数控机床主机及配套件的先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。

如西门子公司的数控系统为世界闻名，竞相采用[3]。

3.日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。

在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。

自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。

战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。

在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。

日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。

该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用[3]。

4.我国的现状我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。

特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。

尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。

由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力。

究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够，制造水平依然落后，服务意识与能力欠缺，数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。

近几年随着中国制造的崛起，欧洲不少企业倒闭或者被兼并，如沈阳机床集团收购了德国西思机床公司，意义很大，如果大力消化技术，可以缩短不少差距。

大连机床公司也从德国引进了不少先进技术。

上海一家企业购买日本著名的机床制造商池贝。

另外随着外国企业的进入和民营企业的兴起，我国的数控技术有了显著的提高，但整体实力还相差较远。

我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距[1][2][3]。

1.3数控机床的分类及数控激光加工的特点数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其它辅助系统组成。

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。

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、其它数控机床[1][2][3]。

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[4]。

1.4激光加工及数控激光雕刻机的适用范围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[3][4]。

2 总体方案设计总体设计是数控激光雕刻机机架设计的基础，是雕刻机机架具体内容的总体设计是数控激光雕刻机机架设计的基础，是雕刻机机架具体内容的设计的指导思想。

因此，在机架的详细设计进行之前，必须对机架进行总体设计。

机架的总体设计要遵循机架设计的准则和要求。

2.1机架设计的准则与要求2.1.1 机架设计准则机架是机器（或仪表）中支撑或容纳零部件的零件的统称。

如底座、机体、床身、车架、桥架、壳体等。

机架设计的三个准则是应满足刚度、强度以及稳定性的要求[5]。

2.1.2 机架设计的一般要求(1)在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻，成本低。

(2)抗振性好，吧受迫振动振幅限制在允许的范围内，噪声小。

(3)温度场布局合理，热变形对精度影响小。

(4)结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工。

(5)结构力求便于安装和调整，方便修理和更换零件。

(6)有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。

(7)造型好，使之既适用经济有美观大方[6]。

2.2机架的总体设计根据机架设计准则、要求及其加工应用特点和教师指导，初步拟定激光雕刻机机架总体设计方案：该机架主要有三个直线导轨副、一个横梁、两个步进电机及两个同步带系统组成。

其中两个直线导轨副相互平行，作为一组位于下面；另一导轨副在横梁之上，横梁架在两平行的导轨副的滑块上，由一个步进电动机驱动，从而控制X向运动，另一步进电动机驱动横梁在平行导轨上运动，从而实现Y向运动。

运动动力由同步带传递。

3 导轨副系统的设计3.1导轨支撑架的设计激光雕刻机加工过程中没有显著的机械力的作用，支撑架的受力仅来自导轨、横梁及其上附件的重力，因此支撑架受力很小。