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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
班 級(jí)：
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化
指導(dǎo)教師：
開(kāi) 題 報(bào) 告
1、課題介紹
課題名稱(chēng)：二加二維激光加工機(jī)機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
課題背景
本次設(shè)計(jì)的的要求是設(shè)計(jì)一臺(tái)激光加工機(jī)，其主要原理是X，Y工作臺(tái)的一種變形，是在傳統(tǒng)的X，Y工作平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了具體的改進(jìn)與創(chuàng)新，同時(shí)又與傳統(tǒng)X，Y工作臺(tái)有著很大相似之處。和傳統(tǒng)的X，Y工作平臺(tái)一樣，二加二維激光加工機(jī)其中的2維就是工作臺(tái)在X方向和Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而與傳統(tǒng)工作臺(tái)相區(qū)別的則是另外的二維是在Z軸方向進(jìn)給以及以Z軸為軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。因此我們把我們所設(shè)計(jì)的工作機(jī)器稱(chēng)為二加二維激光加工機(jī)。與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床還有另外一個(gè)不同點(diǎn)，那就是我們所設(shè)計(jì)的激光加工機(jī)沒(méi)有主軸，我們所要實(shí)現(xiàn)的只是X，Y工作臺(tái)自身的運(yùn)動(dòng)，所以設(shè)計(jì)原理比較簡(jiǎn)單。目前在國(guó)內(nèi)外，利用激光進(jìn)行加工的方法有很多，類(lèi)似與我們這種機(jī)器的機(jī)床也有很多，但是二加二維還是首次被提出來(lái)，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(jī)器只試用于實(shí)驗(yàn)室中，大部分為科研單位的實(shí)驗(yàn)儀器，幾乎沒(méi)有廠(chǎng)家利用其為大規(guī)模生產(chǎn)工具，另外，我們所設(shè)計(jì)的激光加工機(jī)多半是按照實(shí)驗(yàn)人員提供的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是為了滿(mǎn)足其實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，因此，我們的加工機(jī)生產(chǎn)使用性不強(qiáng)，但是如果想投入到市場(chǎng)的話(huà)，只要加以改進(jìn)和調(diào)試就應(yīng)該可以了。目前激光加工是機(jī)械化生產(chǎn)的一個(gè)方向和熱潮，我們這種機(jī)器的設(shè)計(jì)也正式根據(jù)了激光加工的種種優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)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(duì)線(xiàn)性移動(dòng)，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(méi)有工件變形。
??? 切割過(guò)程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時(shí)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(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類(lèi)塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進(jìn)入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過(guò)熱。
??? 大多數(shù)有機(jī)與無(wú)機(jī)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(jìn)行無(wú)變形切割。當(dāng)然，對(duì)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(wú)毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來(lái)說(shuō)，由于微機(jī)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(méi)有模具消耗，無(wú)須修理模具，還節(jié)約更換模具時(shí)間，從而節(jié)省了加工費(fèi)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(wú)接觸加工
??? 激光束聚焦后形成具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)，把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。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(duì)工件不施加任何力，它是無(wú)接觸切割工具，這就意味著（1）工件無(wú)機(jī)械變形；（2）無(wú)刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問(wèn)題；（3）切割材料無(wú)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(qiáng)，并有高的適應(yīng)性和柔性，因而（1）與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合很方便，容易實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程自動(dòng)化；（2）由于不存在對(duì)切割工件的限制，激光束具有無(wú)限的仿形切割能力；（3）與計(jì)算機(jī)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(guò)程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個(gè)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(diǎn)，所以我們做設(shè)計(jì)的機(jī)器加工面很光，一旦投入生產(chǎn)其生產(chǎn)能力也很強(qiáng)。
本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)加工機(jī)數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，在以后的設(shè)計(jì)中將參考多種數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。
二 激光加工機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)介紹
1．控制單元 控制單元是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，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(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)和優(yōu)化的結(jié)果。數(shù)據(jù)庫(kù)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(hào)、原始顯微組織，激光器的頻率、電流強(qiáng)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(kù)支持用戶(hù)查詢(xún)工藝參數(shù)，支持用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)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(gè)功能是根據(jù)用戶(hù)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(dòng)形成數(shù)控加工程序。
控制臺(tái)的作用是指導(dǎo)用戶(hù)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(hù)輸入的信息，在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索最匹配的工藝參數(shù)，同時(shí)，自動(dòng)形成數(shù)控加工程序，在用戶(hù)認(rèn)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(tái)。
2．激光器 為了實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，激光器電源配備了通訊接口。
3．?dāng)?shù)控工作臺(tái) 數(shù)控工作臺(tái)的作用是夾持工件，并且按控制單元輸出的參數(shù)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，達(dá)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(tái)由數(shù)控系統(tǒng)和工作臺(tái)兩部分組成。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)控制單元傳輸?shù)男盘?hào)生成數(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(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，輸出模擬電壓的范圍為-10~+10V，用來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)中的速度伺服單元。數(shù)控工作臺(tái)配有主軸驅(qū)動(dòng)裝置，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進(jìn)行無(wú)級(jí)變速。反饋計(jì)數(shù)接口能檢測(cè)并記錄光電編碼器所發(fā)回的信號(hào)，從而得到進(jìn)給軸的實(shí)際位置。
內(nèi)容和要求：
設(shè)計(jì)一激光加工機(jī)，要求工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二維聯(lián)動(dòng)，內(nèi)容包括查閱資料，總體方案確定，選擇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算，繪制總裝配圖；設(shè)計(jì)激光加工機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，確定控制系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)電控原理圖。要求設(shè)計(jì)圖紙0#4張，設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)1份，12000字，外文資料翻譯5000字。
設(shè)計(jì)參數(shù)要求：1、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍：400mm*400mm
2、移動(dòng)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(guò)程按程序自動(dòng)完成。
課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)：
激光加工機(jī)的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是數(shù)控工作臺(tái)總體設(shè)計(jì)，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
工作臺(tái)總體布局的要求：
1．保證給定的工藝過(guò)程要求（對(duì)于數(shù)控工作臺(tái)，還應(yīng)滿(mǎn)足參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求）限度地考慮工作臺(tái)部件的通用化。
2．保證工作臺(tái)的剛度、精度、抗振性和穩(wěn)定性，力求減輕工作臺(tái)重量。
3．保證工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率。
4 保證良好的加工工藝性，以便于工作臺(tái)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(duì)于生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度較高的工作臺(tái)或數(shù)控工作臺(tái)，應(yīng)力求便于自動(dòng)上、下料。
7．盡可能減小工作臺(tái)的占地面積。
8．工作臺(tái)外形美觀、大方。
電氣控制系統(tǒng)：
工作臺(tái)的電氣控制，不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)起動(dòng)、制動(dòng)、反向和調(diào)速等基本要求，以及要保證機(jī)床各運(yùn)動(dòng)的淮確和協(xié)調(diào)，而且能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝提出的各種要求，具有各種保護(hù)裝置，工作可靠，實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化等。
在學(xué)習(xí)與分析機(jī)床電氣控制設(shè)備時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：
1) 對(duì)工作臺(tái)的基木結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)情況、工藝要求應(yīng)有一股的了解。這樣才了解控制對(duì)象，明確控制要求，因?yàn)檫@些都是設(shè)計(jì)工作臺(tái)電氣控制的依據(jù)或是工作臺(tái)電氣控制的目的。
2) 應(yīng)了解機(jī)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(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)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(gè)控制系統(tǒng)按功能不同分成若干局部控制電路，逐一進(jìn)行分析。分析時(shí)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(gè)電路。
4) 應(yīng)抓住各工作臺(tái)電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，深刻理解各電器元件的作用，學(xué)會(huì)分析的方法，養(yǎng)成分析的習(xí)慣。
可能用到的主要知識(shí)和技能：
需要的主要知識(shí)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(shí)；機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理和機(jī)械制造方面的基礎(chǔ)知識(shí)，例如用于主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)以及各種電學(xué)知識(shí)以及單片機(jī)原理方面的知識(shí)，用來(lái)完成電氣控制系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)；C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，用來(lái)完成電算程序的編制；
五 設(shè)計(jì)進(jìn)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(jī)，查閱文獻(xiàn)，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(duì)所要設(shè)計(jì)的題目進(jìn)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(kāi)始繪制總裝配草圖，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的計(jì)算。
第四階段（三周）：開(kāi)始進(jìn)行總裝配圖的繪制，
第五階段（三周）：總裝配圖完成后開(kāi)始對(duì)零件的設(shè)計(jì)和繪圖，包括計(jì)算說(shuō)明等。
第六階段（一周）：整理計(jì)算說(shuō)明書(shū)，并整理好所有資料，開(kāi)始準(zhǔn)備答辯。