课题名称

轻便式激光切割机机械结构设计

毕业设计（论文）类型（划√）

工程设计

应用研究

开发研究

基础研究

其他

√

一、 本课题的研究目的和意义：

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，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。

激光是通过原子受激辐射发光和共振放大形成的。原子具有一些不连续分布的能电子，这些能电子在最靠近原子核的轨道上转动时是稳定的，这时原子所处的能级为基态。当有外界能量传入，则电子运行轨道半径扩大，原子内能增加，被激发到能量更高能级，这时称之为激发态或高能态。被激发到高能级的原子是不稳定，总是力图回到低能级去。原子在跃迁过程中，受到外来光子的诱发，原子就会发射一个与入射光子的频率、相位、传播方向、偏振方向完全相同的光子，这就是受激辐射的光。这些光子通过光学振腔的作用产生放大，受激辐射越来越强，光束密度不断增大，形成了激光。

激光切割技术是一种现代科技，常常应用于金属和非金属材料的加工中，激光切割能够很大的减少加工时间，这就能够减少加工成本，还有也可以提高工件的质量。此外，激光切割还有以下特点①切割范围广②切割速度高、切缝窄。③热影响区小。④加工柔性大清洁、安全、无污染等优点。

本课题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。通过这次的课题研究，可以让同学们更深刻的了解激光切割机的运动。其次，能让经过这次课题的研究能熟悉掌握设计的理念，从构思到设计再到装配整个过程的体验。

激光切割机运动机构演示台能更鲜明的展示给人们看，让他们了解其运动及高位置精度的用作，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演示台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。

二、 文献综述（国内外研究情况及其发展）：

国外激光切割技术发展情况如下：①20世纪70～80年代，美国德国以及日本等国家已经在大量的激光切割工艺试验的基础上，总结激光切割工艺，建立工艺数据库，并着手研究高性能的激光切割系统。②20世纪90年代初期，国外就已经推出了一些高性能的激光切割系统，具有加工参数自动设定的功能。

我国的激光加工技术研究起步较晚，基础工业相对落后，工业生产自动化程度不是很高，市场竞争意识薄弱。但由于国家高度重视发展高科技产业，经过长期不懈的努力已经取得了可喜的成果，尤其在切割方面，成果更加显著。我国激光切割技术的发展就主要分为三个阶段：第一阶段：早在20世纪70年代中期，我国就开始激光切割实验，到70年代末，中科院长春光机所就为成都飞机制造厂安装了中功率（500W左右）激光器，用于切割飞机零件。1976年，由中科院长春光机所、长春第一汽车制造厂轿车分厂等单位合作研制的CO2激光机成功地应用于“红旗”牌轿车的覆盖件的切割。第二阶段：从20世纪80年代中期开始，上海、株洲和天津等地先后全套引进高功率（1500W左右）激光切割系统，较广泛地把激光切割新工艺引入了我国的工业制造领域。第三阶段;20世纪90年代以后是激光切割发展的第三阶段，开始发展中、高功率的，具有适合切割光束模式的快流CO2激光系统（包括激光器、切割机床和数控系统）为工业界服务。

激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始汽化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割质量好、热影响区小、加工柔性大等优点在现代工业中得到了极为广泛的应用。

激光切割技术是激光技术在工业中的主要应用，它已成为当前工业加工领域应用最多的激光加工方法。激光切割可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割，其中以氧助熔化切割应用最广。从工业应用领域来看，最有代表性的是应用在汽车工业中。轿车底板的激光拼焊、顶棚的激光焊接，车身覆盖件三维轮廓的激光切割等等。激光切割过程中“无刀具”的磨损，无“切削力”作用于工件，切割效率高，节省材料，降低成本等等。

从国内外激光切割技术的发展和应用来看，我们发现目前国内外数控技术对于教学演示的应用还没有专用的设备，由此可以得出，这个课题研究还是比较有开发性、创新性。

三、 本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：

1） 确定激光切割机实现X、Y、Z运动的机械部分及激光切割机机构的主要运动要求及位置精度。

2） 确定激光切割机运动机构演示台的总体方案设计。

3） 对激光切割机演示台各组成部分进行运动分析和结构设计、材料选择、驱动装置选择。选择电动机，分析其运动可行性。

四、 拟解决的关键问题：

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） 进行电动机的选择，充分综合考虑其运动机构的特性。保证整个运动机构的性能。

3） 综合分析整个机构的运动，使整个运动机构能更加稳定快速的运动。

4） 进行合理的设计，合理的选择材料及配件，综合分析整个设计的合理性以及经济性。

五、 研究思路、方法和步骤：

设计内容必须在尽可能节约成本的前提下，做到严谨科学和合理。充分考虑其合理性以及经济性。通过总装配图，合理设计出各个零部件。通过大量的计算、校核等对其整个机构的运动分析以及选材进行合理的分析以及购材。采用UG以及CAD画图软件进行合理的设计。用CAD画图软件尽力各个零部件的合理设计以及加工。最后将整个机构设计出来并加工出来，组装起来进行合理的调试。

在指导老师的指导下通过以下步骤进行设计：

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） 将整个机构进行运动调试。

六、 本课题的进度安排：

2014年11月20日前指导老师下发任务书：布置任务，联系方式，翻译、通过网络和图书馆查阅有多轴数控运动机构的论文和资料，进行深入的理论学习；

2014年11月20日至2014年12月2日：广泛查阅文献，完善课题研究方案，完成外文翻译和开题报告；

2014年12月3日至2015年1月16日：检查翻译、阅读资料，提交开题报告；

2015年1月16日至2015年4月10日：设计计算其运动参数和运动分析，电动机的选择，完成多轴数控运动机构演示台总体设计并绘制pro-e总装配图以及各个零部件的零件图及加工；

2015年4月10日：中期检查；

2015年4月10日至2014年4月27日：改进设计；

2015年4月28日至2014年5月22日：写毕业设计论文以及答辩ppt；

2015年5月29日至2014年5月31日：准备答辩；

2015年6月5日前：提交所有毕业设计资料

七、 参考文献：

[1] 机械工程专业毕业设计指导书∕张黎骅．吕小荣主编.－北京：北京大学出版社，2011．6

[2] 激光切割技术∕叶建斌，戴春祥编著．－上海科学技术出版社，2012．7

[3] 高功率激光切割设备与工艺∕吴让大主编．－武汉：湖北科学技术出版社，2010．8

[4] 机械设计师手册（上．下册）/吴宗泽主编.-2版．－北京：机械工业出版社，2008．7

[5] 机械设计手册（第五版）：单行本.机械制图·精度设计/成大先主编.-北京：化学工业出版社，2010.1

[6] 机械设计手册（第五版）：单行本.连接与紧固/成大先主编.-北京：化学工业出版社，2010.1

[7] 机械设计手册（第五版）：单行本.常用机械工程材料/成大先主编.-北京：化学工业出版社，2010 .1

[8] 机械设计手册（第五版）：单行本.机械振动．机架设计/成大先主编.-北京：化学工业出版社，2010.1

[9] 机械设计（第八版）∕濮良贵，纪名刚主编；西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著．－8版．－北京：高等教育出版社，2006．5

[10] 机械设计计算手册/王三民主编.-2版.-北京：化学工业出版社，2012.5