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本科生畢業(yè)設(shè)計
開題報告
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
班 級：
專 業(yè)：機械工程及自動化
指導(dǎo)教師：
開 題 報 告
1、課題介紹
課題名稱：二加二維激光加工機機械及控制系統(tǒng)設(shè)計
課題背景
本次設(shè)計的的要求是設(shè)計一臺激光加工機，其主要原理是X，Y工作臺的一種變形，是在傳統(tǒng)的X，Y工作平臺的基礎(chǔ)上進行了具體的改進與創(chuàng)新，同時又與傳統(tǒng)X，Y工作臺有著很大相似之處。和傳統(tǒng)的X，Y工作平臺一樣，二加二維激光加工機其中的2維就是工作臺在X方向和Y方向的進給運動，而與傳統(tǒng)工作臺相區(qū)別的則是另外的二維是在Z軸方向進給以及以Z軸為軸線旋轉(zhuǎn)。因此我們把我們所設(shè)計的工作機器稱為二加二維激光加工機。與傳統(tǒng)的數(shù)控機床還有另外一個不同點，那就是我們所設(shè)計的激光加工機沒有主軸，我們所要實現(xiàn)的只是X，Y工作臺自身的運動，所以設(shè)計原理比較簡單。目前在國內(nèi)外，利用激光進行加工的方法有很多，類似與我們這種機器的機床也有很多，但是二加二維還是首次被提出來，其主要的原因是我們的產(chǎn)品用途的特殊行和單一行，目前這種機器只試用于實驗室中，大部分為科研單位的實驗儀器，幾乎沒有廠家利用其為大規(guī)模生產(chǎn)工具，另外，我們所設(shè)計的激光加工機多半是按照實驗人員提供的要求進行設(shè)計的，是為了滿足其實驗?zāi)康?，因此，我們的加工機生產(chǎn)使用性不強，但是如果想投入到市場的話，只要加以改進和調(diào)試就應(yīng)該可以了。目前激光加工是機械化生產(chǎn)的一個方向和熱潮，我們這種機器的設(shè)計也正式根據(jù)了激光加工的種種優(yōu)點，例如：
1. 激光切割的切縫窄，工件變形小
??? 激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。
??? 切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料，同時幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過熱。
??? 大多數(shù)有機與無機材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。當(dāng)然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。
??? 激光切割無毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對許多機電制造行業(yè)來說，由于微機程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省了加工費用，降低了生產(chǎn)成本，所以從總體上考慮是更合算的。
??? 2. 激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工
??? 激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應(yīng)用于切割有許多特點。首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，可提供（1）狹的直邊割縫；（2）最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；（3）極小的局部變形。其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著（1）工件無機械變形；（2）無刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問題；（3）切割材料無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性強，并有高的適應(yīng)性和柔性，因而（1）與自動化設(shè)備相結(jié)合很方便，容易實現(xiàn)切割過程自動化；（2）由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力；（3）與計算機結(jié)合，可整張板排料，節(jié)省材料。
??? 3. 激光切割具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性
??? 與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應(yīng)性。
??? 首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。
正是利用了激光加工的種種優(yōu)點，所以我們做設(shè)計的機器加工面很光，一旦投入生產(chǎn)其生產(chǎn)能力也很強。
本次設(shè)計主要是對加工機數(shù)控工作臺的設(shè)計，在以后的設(shè)計中將參考多種數(shù)控機床工作臺的設(shè)計方法。
二 激光加工機的組成與結(jié)構(gòu)介紹
1．控制單元 控制單元是一臺微型計算機，安裝了“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”軟件。
“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”的重要組成部分是加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是對大量實驗數(shù)據(jù)總結(jié)和優(yōu)化的結(jié)果。數(shù)據(jù)庫中，每一條數(shù)據(jù)記錄包括材料、激光和單元體的參數(shù)，包括材料的牌號、原始顯微組織，激光器的頻率、電流強度、脈寬、掃描速度，單元體的分布規(guī)律、寬度、深度、硬度、處理后的顯微組織。數(shù)據(jù)庫支持用戶查詢工藝參數(shù)，支持用戶對數(shù)據(jù)庫中的記錄進行管理，例如瀏覽所有記錄，刪除或修改記錄等。
“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”的另一個功能是根據(jù)用戶輸入的信息，包括工件的外形和尺寸、單元體的幾何形狀，自動形成數(shù)控加工程序。
控制臺的作用是指導(dǎo)用戶按照“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”的提示，輸入必要的信息，并且根據(jù)用戶輸入的信息，在數(shù)據(jù)庫中檢索最匹配的工藝參數(shù)，同時，自動形成數(shù)控加工程序，在用戶認可參數(shù)和加工程序后，把參數(shù)中關(guān)于激光能量的參數(shù)傳遞到激光器，把加工程序傳遞到數(shù)控工作臺。
2．激光器 為了實現(xiàn)微型計算機自動控制，激光器電源配備了通訊接口。
3．?dāng)?shù)控工作臺 數(shù)控工作臺的作用是夾持工件，并且按控制單元輸出的參數(shù)帶動工件運動，達到在工件表面形成不同形態(tài)非光滑表面的目的。
數(shù)控工作臺由數(shù)控系統(tǒng)和工作臺兩部分組成。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)控制單元傳輸?shù)男盘柹蓴?shù)控加工程序。模擬量輸出接口采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，將數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，輸出模擬電壓的范圍為-10~+10V，用來控制主軸電動機中的速度伺服單元。數(shù)控工作臺配有主軸驅(qū)動裝置，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進行無級變速。反饋計數(shù)接口能檢測并記錄光電編碼器所發(fā)回的信號，從而得到進給軸的實際位置。
內(nèi)容和要求：
設(shè)計一激光加工機，要求工作臺實現(xiàn)兩個二維聯(lián)動，內(nèi)容包括查閱資料，總體方案確定，選擇運動機構(gòu)，進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成運動和動力計算，繪制總裝配圖；設(shè)計激光加工機自動控制系統(tǒng)，確定控制系統(tǒng)方案，設(shè)計電控原理圖。要求設(shè)計圖紙0#4張，設(shè)計計算說明書1份，12000字，外文資料翻譯5000字。
設(shè)計參數(shù)要求：1、工作臺運動范圍：400mm*400mm
2、移動速度0~600mm/min;位移分辨率路<1um；
2、承載能力：2kN，壓向；
3、加載行程〉100mm；
4、工作過程按程序自動完成。
課題的重點和難點：
激光加工機的設(shè)計的重點是數(shù)控工作臺總體設(shè)計，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，進給系統(tǒng)的設(shè)計。
工作臺總體布局的要求：
1．保證給定的工藝過程要求（對于數(shù)控工作臺，還應(yīng)滿足參數(shù)標準所規(guī)定的要求）限度地考慮工作臺部件的通用化。
2．保證工作臺的剛度、精度、抗振性和穩(wěn)定性，力求減輕工作臺重量。
3．保證工作臺結(jié)構(gòu)簡單，且盡量采用較短的傳動鏈，以提高傳動精度和傳動效率。
4 保證良好的加工工藝性，以便于工作臺的加工和裝配。
5．保證安全生產(chǎn)，便于操作、調(diào)整和維修。
6．對于生產(chǎn)效率和自動化程度較高的工作臺或數(shù)控工作臺，應(yīng)力求便于自動上、下料。
7．盡可能減小工作臺的占地面積。
8．工作臺外形美觀、大方。
電氣控制系統(tǒng)：
工作臺的電氣控制，不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)起動、制動、反向和調(diào)速等基本要求，以及要保證機床各運動的淮確和協(xié)調(diào)，而且能夠滿足生產(chǎn)工藝提出的各種要求，具有各種保護裝置，工作可靠，實現(xiàn)操作自動化等。
在學(xué)習(xí)與分析機床電氣控制設(shè)備時應(yīng)注意以下幾個問題：
1) 對工作臺的基木結(jié)構(gòu)、運動情況、工藝要求應(yīng)有一股的了解。這樣才了解控制對象，明確控制要求，因為這些都是設(shè)計工作臺電氣控制的依據(jù)或是工作臺電氣控制的目的。
2) 應(yīng)了解機械操作手柄或者程控系統(tǒng)與電器元件的關(guān)系，了解工作臺運動機構(gòu)與電器元件的關(guān)系；
3) 按照“化整為零看電路，積零為整看全部”的方法，將整個控制系統(tǒng)按功能不同分成若干局部控制電路，逐一進行分析。分析時應(yīng)注意各局部控制電路之間的聯(lián)鎖關(guān)系。最后再統(tǒng)觀整個電路。
4) 應(yīng)抓住各工作臺電氣控制系統(tǒng)的特點，深刻理解各電器元件的作用，學(xué)會分析的方法，養(yǎng)成分析的習(xí)慣。
可能用到的主要知識和技能：
需要的主要知識和技能包括：工程圖學(xué)中的繪圖技術(shù)，例如平面二維繪圖，主要涉及autocad繪圖軟件的應(yīng)用；尺寸公差及精度方面的知識；機械設(shè)計和機械原理和機械制造方面的基礎(chǔ)知識，例如用于主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計；機電傳動控制系統(tǒng)以及各種電學(xué)知識以及單片機原理方面的知識，用來完成電氣控制系統(tǒng)部分的設(shè)計；C語言程序設(shè)計，用來完成電算程序的編制；
五 設(shè)計進程與安排
第一階段（第四學(xué)年第一學(xué)期）：熟知激光加工機，查閱文獻，盡可能多的獲取相關(guān)資料，并翻譯外文資料（5000字）。
第二階段（三周）：對所要設(shè)計的題目進行廣泛的調(diào)研，閱讀相關(guān)技術(shù)的資料，在此基礎(chǔ)上以確定總體方案。
第三階段（三周）：確定總體方案后，開始繪制總裝配草圖，進行運動和動力的計算。
第四階段（三周）：開始進行總裝配圖的繪制，
第五階段（三周）：總裝配圖完成后開始對零件的設(shè)計和繪圖，包括計算說明等。
第六階段（一周）：整理計算說明書，并整理好所有資料，開始準備答辯。