將激光器、機床和數控系統融為一體的光機電一體化數控激光切割設備具有整機性能好、占地面積小、運輸方便、成本較低等諸多優(yōu)點.因而在工業(yè)應用中具有很強的適應性。在該類機床研究成功的基礎上，結合一體化激光切割機床的基本要求，充分利用激光切割具有無切削力的特點，在機床的傳動、精度保證、總體布局等方面進行了優(yōu)化設計和理論分析，并對機床的高速運行、聚焦系統的輕便化、系統的多樣化等關鍵技術進行了深入研究，并在實踐中得到了驗證，為該類機床性能的進一步提高打下了理論和實踐基礎。

1 龍門式切割機床的關鍵技術

1.1 滾珠絲杠傳動

         由于激光切割速度遠大于傳統切削加工速度，而且在切割過程中沒有切削力，幾乎各種形式的激光切割機床都采用了滾珠絲杠和直線滾動導軌進行傳動。滾珠絲杠同普通滑動螺旋傳動相比，具有傳動效率高(高達92%一100%)、運行平穩(wěn)無爬行、傳動精度高、使用壽命長等諸多優(yōu)點。如何選擇滾珠絲杠的參數是設計者關心的問題，根據作者的實踐，應充分考慮傳動關系，負載及負載的條件(振動、沖擊)，定位精度，加工精度，正反向間隙，額定壽命等因素，按如下計算步驟進行:負荷計算 ，確定最大、最小和平均載荷壽命估算，確定預期額定動載荷滾珠絲杠副工作圖設計并選擇軸承.

2 一體化激光切割設備

         對激光與機床分離的設備而言，工件與光束的相對移動可以采用只有光束移動，工作臺面不動的方式。典型的產品如屬于意大利Prima工業(yè)集團的瑞士Laser work公司生產的“Laser Work"激光切割機和國內大漢激光公司的“LY-JS4015"激光切割機。亦可以采用工作臺面移動，而光束則固定不動的方式.如美國切割公司生產的HIP系列激光切割機“LaserCut"配美國PRC公司生產的激光器)和國內鐳越激光有限公司生產的激光切割機“LY-DM1512"""。對于前者，由于光束移動，當工作幅面較大時(如1.5m-- 3 m)，相應的變化光程較長，則必須對光束作擴束處理，以保證切割質量。對于后者，由于只有工件移動，對相同幅面的切割設備而言，其占地面積約為光束參與移動的1.5-2倍。綜合兩者的特點，采用光機聯動的方式。為一體化提供了條件。首先，讓光束作短程運動，如Y軸，工件作較長方向的運動，如X軸;其次，將機床設計成龍門式結構，激光器連同移動的Y軸一起，構成機床的橫梁部分，這樣既緊湊了機床結構，又在Y軸移動不超過2m時，可以不加擴束鏡.從而降低了設備成本。另外，龍門式布局便于集中抽風、落料和整體防護。一般只用在移動的Y軸.即整機的中部較小范圍內進行抽風和落料;采用整體式防護后，大大提高了操作者的安全，杜絕了激光輻射的危害。

另外 ，進行滾珠絲杠和直線導軌傳動計算時，還應注意:

1)電機的啟動與制動性能要求高
         由于激光切割設備的傳動速度一般要求在20米每分鐘以上(空行程)，速度響應快，約0.1 s ，無切削力存在，所以其啟動與制動力矩遠高于平穩(wěn)運行時的力矩，因此，在選擇電機時，應充分注意到這一點。
2)絲杠的導程對傳動速度的影響，由 v= r "p(v為傳動速度，r為絲杠或電機轉速，p為絲杠導程)可知，導程傳動速度成正比，在電機轉速不宜太高(頻繁啟動)的情況下，增大絲杠的
導程是提高運行速度的有效辦法。
3)絲杠的直徑對傳動的影響,由 T- d 4U為絲杠的轉動慣量,d為絲杠直徑)可知，在滿足傳動強度和剛度的前提下，應盡可能的降低絲杠的直徑，以降低絲杠的轉動慣量，從而降低電機的啟動和制動轉矩。在激光切割設備的主軸傳動中，且轉速要求較高時，絲杠的直徑一般都不超過50 mine
4) 絲 杠傳 動不具備自鎖性能,絲杠 無 自 鎖性源于滾珠的自循環(huán)特性，因此，在
絲杠垂直布置時，應設置配重或者選擇停轉鎖緊的電機。
2.2 精度保證
         在一 體 化 設備中，精度保證是確保機床低噪聲、低震動、高壽命運行的關鍵，尤其是在噪聲和震動方面，要比激光器與機床分離的設備要求高因此精度保證便顯得非常關鍵。一般而 言 ，設備精度主要依靠零部件的加工精度來保證。滾動直線導軌的為E級精度，導軌及絲杠軸承座的安裝面最后一道加工工序在具有6級精度的導軌磨床上加工成，窗身及橫梁雖為鋼板焊接件(鑄件更優(yōu))，但在焊后進行了去除應力處理，所有這些都是機床獲得可靠精度保證所必須的條件。除此 而 外 ，合理的結構和裝配以保證機床運行精度亦十分重要。在一體化激光切割設備中，導軌與絲杠的跨距(如X軸)比較大，往往需采用雙導
驗算滾珠絲杠副的極限轉速.因此，將基準導軌固定，并在安裝時保證非基準導軌與基準導軌，絲杠軸線與基準導軌達到較高的平行度，防止過定位就很關鍵。
2.3 激光束的聚焦
         利用 激 光 束的熱量進行切割，必須把激光器射出的原始光束經過透鏡聚焦，才能形成高能量(功率)密度。在激 光 束 的聚焦過程中，首先要考慮透鏡的冷卻，以免引起熱透鏡效應甚至炸裂透鏡，設計上通常采用通氣兼通水的冷卻方式。其次，要設計合理的噴嘴以利于通切割輔助氣。最后還要考慮整個聚焦系統的輕便與可調整性，噴嘴與透鏡的互換性好以
及便于出光對中等。我們在研制過程中正是本著這樣的原則進行設計，并取得了成功。
2.4 z浮系統(即激光焦點自動跟蹤)
         激光 切 割 時，工件變形，特別是大型工件和薄板件很難保證，從而很難使焦點位置維持恒定，因此必須有專用高度檢測傳感器與信號處理電路、控制電路和驅動裝置組成的Z浮系統來控制其位置，它是獲得良好切割質量的前提。依 傳 感 器是否與工件接觸可將Z浮分為接觸式Z浮和非接觸式Z浮。接觸式2浮以電感傳感器比較多見，多用于平面切割和非金屬板材切割，非接觸式Z浮則以電容傳感器比較多見，用于三維切割和金屬切割。它們的基本原理都是一致的:即傳感器將激光頭與工件表面之間的位移變化信號傳輸給控制系統，控制系統依變化量的大小發(fā)出指令，使激光頭浮動的驅動裝置(如伺服電機)驅動，使激光頭和工件表面之間的距離在加工過程中始終保持不變.
在具 體 設 計Z浮系統時，應考慮:
1) 傳 感器 的類型:對電容式傳感器，必須考慮電容的邊緣效應及電容的介質由于激光的照射而發(fā)生的變化，從而帶來的信號干擾;對接觸式的電感傳感器，雖然信號干擾不如電容式傳感器明顯，但由于傳感器的傳感頭始終與作相對運動的工件接觸，因而在機械結構上，必然要求傳感器的位置傳動桿的隨動性好，與工件接觸的傳感頭耐磨且具有合理的弧度(最好滾動接觸)。這都是接觸式Z浮穩(wěn)定工作必不可少的條件。
2) 必 要 的軟件處理:由于驅動裝置的驅動需要一定的時間，當激光頭移動到位時，工件已經切割到另一點上，這一點上激光頭離工件表面的距離與上一點肯定不同，據此在軟件處理方面要考慮這種滯后性。#p#分頁標題#e#