根據(jù)激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)的一般方法，總結(jié)出工作臺(tái)、Z軸和導(dǎo)軌等關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)以后提高激光切割機(jī)的在精度方面，提供了理論的支持。 激光切割機(jī)是機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備，技術(shù)的含量高，而且加工精度好、柔性化生產(chǎn)效率高，有利于增加材料的利用效率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)加工成本，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。而激光切割機(jī)加工精度的高低很大程度上取決于整機(jī)設(shè)計(jì)中的機(jī)械關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。本文著重討論激光切割機(jī)機(jī)械部分的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
1 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行受力分析可以知道，激光切割機(jī)的激光器與被加工零件不直接接觸，而是在一定范圍之內(nèi)通過激光束加工工件，所以在加工零部件過程中，切削力為零。根據(jù)以往設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，確定工作臺(tái)的長(zhǎng)度方向、寬度方向和高度方向的尺寸，確定后，對(duì)工作臺(tái)及其附屬工件的材料和重量進(jìn)行初步估算確定。
2 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠副的導(dǎo)程：；各種切削力下絲杠的轉(zhuǎn)速：；絲杠的軸向載荷：Fi=pxi+W/10；Vmax――工作臺(tái)最高移動(dòng)速度；nmax――電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；i――傳動(dòng)比；pxi――縱向切削力；W――工件重量加工作臺(tái)重量。 2.1 強(qiáng)度計(jì)算 軸向負(fù)荷計(jì)算公式：；F――切削力，F(xiàn)=0；U――滾動(dòng)導(dǎo)軌上的滾動(dòng)摩擦系數(shù)。 2.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為：；ψ――滾珠絲杠的螺紋升角；ρ'――當(dāng)量摩擦角。
3 導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 3.1導(dǎo)軌的種類和性能 導(dǎo)軌的分類方法很多，根據(jù)接觸面的性質(zhì)可以分為，滑動(dòng)、滾動(dòng)、流體導(dǎo)軌。機(jī)械系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)軌最基本的要求是：精度好，剛性大，運(yùn)行平穩(wěn)，耐腐蝕性好，對(duì)溫度影響不敏感及良好的可加工性能，圖1是直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的一般結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軌的材料一般為鑄鐵或有色金屬，對(duì)于承載能力要求高的情況下一般選用鑄鐵材料鑄造，然后二次加工；承載能力要求不高的工況，一般采用有色金屬直接拉伸成型。 圖1直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 3.2導(dǎo)軌長(zhǎng)度及壽命計(jì)算 導(dǎo)軌的長(zhǎng)度公式為：；式中：L――導(dǎo)軌的長(zhǎng)度；H――滑塊的引導(dǎo)面長(zhǎng)度；S――滑塊行程；Δl――封閉高度調(diào)節(jié)量；S1――上極限位置時(shí)，滑塊露出導(dǎo)軌的長(zhǎng)度；S2――下極限位置時(shí)，滑塊露出導(dǎo)軌的長(zhǎng)度； 導(dǎo)軌的壽命公式為：；式中：Lh―― 額定壽命（km）；Ca――額定動(dòng)載荷（kN）；Pc――當(dāng)量動(dòng)載荷（kN）；ε――指數(shù)，滾珠時(shí)，ε=3，滾柱時(shí)，ε=10/3；K――額定壽命單位（km），滾珠時(shí)，K=50km，滾柱時(shí)，K=100km；fh――硬度系數(shù)，一般取fh=1；ft――溫度系數(shù)；fc――接觸系數(shù)；fa――精度系數(shù)；fw――載荷系數(shù)； 3.3 導(dǎo)軌的精度要求 導(dǎo)軌的精度非常高。幾何精度等級(jí)要求一般在6～7級(jí)之間，若有特殊要求，精度還應(yīng)該提高；導(dǎo)軌的形位公差的精度等級(jí)一般在1～3級(jí)之間；導(dǎo)軌的表面需要精密磨削，表面粗糙度一般控制在Ra=（0.63～2.5）之間，特殊的有0.63以下的高精度表面粗糙度。
4 步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算 4.1 步進(jìn)電機(jī)選型的要點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)的精度一般為步進(jìn)角的（0.03～0.05）之間；確定步進(jìn)電機(jī)的功率保證步進(jìn)電機(jī)的發(fā)熱量允許的范圍內(nèi)，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)的磁鋼不退磁；根據(jù)計(jì)算出的理論轉(zhuǎn)矩選擇適合的步進(jìn)電機(jī)，由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩越大，反響電動(dòng)勢(shì)就越大，若不控制在一定范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的下降；根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率，不能使步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率過大，否則影響步進(jìn)電機(jī)的精度。若想獲得較高的轉(zhuǎn)速，應(yīng)該使步進(jìn)電機(jī)低頻啟動(dòng)，然后按照某個(gè)規(guī)律加速，直到達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)速。 4.2 步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算 脈沖當(dāng)量和步距角越小，激光切割機(jī)的加工精度越好，根據(jù)成功的設(shè)計(jì)實(shí)例，初選一組值。 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式為：；式中：M1――負(fù)載摩擦轉(zhuǎn)矩；M2――預(yù)緊摩擦轉(zhuǎn)矩； 負(fù)載摩擦轉(zhuǎn)矩公式為：；式中：Fa――摩擦力；D――飛輪直徑；――螺旋升角；P――導(dǎo)程角； 預(yù)緊摩擦轉(zhuǎn)矩公式：；式中：K――摩擦系數(shù)；Fao――預(yù)緊力；ph――導(dǎo)程； 由于有齒輪傳動(dòng)的存在，所以步進(jìn)電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩公式為：；式中：i――齒輪傳動(dòng)比；η――齒輪的傳動(dòng)效率； 通過查閱相關(guān)激光切割機(jī)的相關(guān)資料可以得到，激光切割記得最高啟動(dòng)頻率不超過1000Hz。根據(jù)計(jì)算得到的Tp和啟動(dòng)頻率，查找步進(jìn)電機(jī)的選用手冊(cè)就可以選到合適的步進(jìn)電機(jī)
5 消隙方法 5.1 偏心套調(diào)整 電機(jī)通過偏心套安裝到殼體上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套就能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距，，從而消除齒側(cè)間隙。 5.2 墊片調(diào)整 在加工相互嚙合的兩個(gè)齒輪時(shí)，將分度圓柱面制成帶有小錐度的圓錐面，使齒輪齒厚在軸向稍有變化，裝配時(shí)只需改變墊片的厚度，使齒輪作軸向移動(dòng)，調(diào)整兩齒輪在軸向的相對(duì)位置即可達(dá)到消除齒側(cè)間隙的目的。 5.3 雙齒輪錯(cuò)齒調(diào)整 兩個(gè)齒數(shù)相同的薄片齒輪與另外一個(gè)寬齒輪嚙合。薄片齒輪套裝在一起，并可做相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)薄片齒輪上分別開有軸向圓弧槽，并在齒輪的槽內(nèi)壓裝了彈簧凸耳，由于彈簧的作用使兩個(gè)齒輪錯(cuò)位，分別與寬齒輪的齒槽左右側(cè)貼緊，消除了齒側(cè)間隙。
6 結(jié)論 通過上述對(duì)激光切割機(jī)的機(jī)械部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)的討論，可以確定的是，只要在設(shè)計(jì)激光切割機(jī)時(shí)，按照以上要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以在設(shè)計(jì)層面上達(dá)到預(yù)期的精度。
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