激光切割头位置随动系统设计开题报告

1. 研究目的与意义

通过参照德国通快TL3030型射频激光数控切割机床了解激光切割头位置z轴随动系统的部分，包括：反射镜、聚焦镜、导光管等组成的导光系统，伺服电机、同步带轮、丝杠、导轨等组成的传动系统，以及行程开关、冷却水系统、气路等组成的辅助系统。同时通过对市场上各种主流材料的综合分析与了解，选择出重量轻、强度高的材料，同时还要设计出合理的结构；同时通过对全部的零件图和装配图设计的过程来强化对相关知识的复习与应用。为将来走上工作岗位能够更好更快的适应相关的技术要求与加工要求来奠定基础。同时利用ProE等三维软件来绘制切割头的三维立体图，同时在该软件上完成对随动系统进行仿真力学分析；如果实验条件允许的情况下，还可以在实验室完成加工产品最终的力学测试验证。

激光切割机对Z轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄及质量，因此，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于5m/min。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。

2. 国内外研究现状分析

由于国外的激光切割工艺比较成熟，目前的研究领域主要集中在数字模型对切割过程的模拟，以及特殊情况下的激光切割。

宾夕法尼亚大学akarapu等用3d有限元方法计算了激光切割的热应力和机械应力。研究了激光切割最主要的三个参数，即光斑直径、激光功率和光斑与工件的位置。研究发现，切缝的形状随着参数的改变而发生变化。

美国爱荷华大学hsu等用co2激光切割机对不锈钢板进行切割试验。对6.35mm厚aisi-304不锈钢钢板进行切割发现，在激光功率1.2kw、走刀速度12.7mm/s及使用双喷嘴给气（其中一个同轴，一个侧吹）下，得到很好的切割质量，无激光瘤。作者还用建模和xrd方式对切缝进行分析，发现切缝无cr203，这一结论说明板材的防腐蚀性能未被破坏。

3. 研究的基本内容与计划

本课题通过测量激光切割头与被切割板材之间的电容来测量两者之间的距离，并不断循环测量通过交流伺服电机进行调整。采用dspic数字信号控制器为主控制器，ad7153或ad7745芯片作为电容数字转换器，测量激光切割头与被切割板材之间的距离，通过设定值与实测距离进行比较，从而通过交流伺服电机调整。精度要求：正常激光切割时，激光器与被切板材之间的距离一般设定在0.7~1.2mm，所以要求距离测量精度在0.1mm以上，调整频率大于90hz。要求设计出调整装置的机械结构，包括丝杠、导轨、伺服电机等与横梁的连接机构。

本设计要解决的主要问题：要使用激光切割头与被切割板材之间保持理想的距离，必须精确的测量出激光切割头与板材之间的微小距离；调整装置的机械结构；激励伺服电机驱动和精确控制；位置调整的控制算法。

最后：

4. 研究创新点

就我所设计的z轴随动系统来说，由于切割头具有多种先进的智能和附加功能如自动调整激光喷嘴距离、同轴喷水机构、切割头摆动等。这些功能的增加不可避免的增加了切割头的重量，造成切割头动态性能不好，随动机构反映不灵敏。我想利用现有所学的知识做出如下的创新：一般来说，普通数控激光切割机z轴拖动重量在5kg以上时，高性能的数控激光切割机z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，应采用气缸拖动方式，该方式重量轻、体积小、易安装，还可以根据要求调整气缸的平衡力。传感方式应选用电容式传感器，以便金属板材的高速切割加工。