【正文】 1 緒論 圖 2 /3///9/4/4//14/8/8/5//（切割）的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀激光焊接（切割）是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優(yōu)點，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域。獲得了以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。 與其它焊接技術(shù)相比，激光焊接的主要優(yōu)點是：速度快、深度大、變形小。能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設(shè)備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M行焊接?？珊附与y熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：1，最高可達10：1?？蛇M行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應(yīng)用于大批量自動化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中?？珊附与y以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來， 在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。激光束易實現(xiàn)光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。但是，激光焊接也存在著一定的局限性：要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因為激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊縫窄，為加填充金屬材料。若工件裝配精度或光束定位精度達不到要求，很容易造成焊接缺憾。激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。 當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點看法。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大 ,他對國計民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:(1)、 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看 ,高速加工中心進給速度可達 80m/ min ,甚至更高 ,空運行速度可達 100m/ min左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10μm提高到 5μm ,精密級加工中心則從 3～5μm ,提 高到 1～ 。為了實現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。(2) 、5 軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因 ,其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床 含 5 面加工機床 的發(fā)展。(3) 、智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過程的自適應(yīng)控制 ,工藝參數(shù)自動生成。為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上 ,面向機床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考(1) 、戰(zhàn)略考慮。我國是制造大國 ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所以 ,我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會安全看 ,因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會的穩(wěn)定。其次從國防安全看 ,西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實現(xiàn)禁運和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。(2)、發(fā)展策略。從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容 ,實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強調(diào)市場需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、曲型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品。沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。當(dāng)然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 數(shù)控工作臺的發(fā)展及應(yīng)用前景模塊化的XY數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。大行程精密位移技術(shù)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、精密制造、光學(xué)工程等領(lǐng)域的實際生產(chǎn)中,用以提高加工精度,制造出體積更小、能耗更低、功能更強大的產(chǎn)品。因此,具有50mm以上行程、亞微米級以下定位精度的多自由度精密位移技術(shù)已經(jīng)成為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對此要求,近年來,國內(nèi)外對大行程高精度位移技術(shù)進行了大量的研究。在多自由度微位移技術(shù)的研究中存在著一個突出的矛盾:高精度和大行程的矛盾。解決這一矛盾的關(guān)鍵在于設(shè)計合理的機械執(zhí)行裝置。實現(xiàn)原理目前,實現(xiàn)大行程高精度、具有一定運行速度和負(fù)載能力的位移主要有兩種方法。第一,只采用一級傳動機構(gòu),同時滿足大行程和高精度的要求。這種方法的優(yōu)點在于只需采用一套機械系統(tǒng)和一套相應(yīng)的控制系統(tǒng)。但此法最大的缺點是系統(tǒng)對機械裝置和控制系統(tǒng)的要求非常高,必須采用特殊的材料、工藝以及具有精確數(shù)學(xué)模型及精確補償模型的伺服控制系統(tǒng)來保證位移精度的實現(xiàn)。第二,采用宏/微結(jié)合的模式即采用兩級傳動機構(gòu),第一級機構(gòu)首先完成大行程運動,第二級機構(gòu)以第一級機構(gòu)的行程誤差作為其目標(biāo)行程,執(zhí)行補償動作,通過兩級機構(gòu)的組合,共同完成大行程高精度的位移動作。這種模式可以有效地利用微位移機構(gòu)高精度的定位能力,大大降低系統(tǒng)對大行程機構(gòu)位移精度的要求。但應(yīng)用這種模式有兩個前提條件。宏/微結(jié)合精密工作臺的實現(xiàn)模式(1)第一級機構(gòu)的行程誤差必須小于第二級機構(gòu)(微定位平臺)的最大行程,即第一級機構(gòu)的誤差具有可補償性。(2)對軌跡精度有要求時,第二級機構(gòu)的控制周期必須小于第一級機構(gòu)的有效控制周期,即第二級機構(gòu)的補償動作具有有效性和實時性。我們研制的精密定位系統(tǒng)采用宏/微結(jié)合的模式。在這種模式下,第一級機構(gòu)(即宏平臺)不僅需要完成大行程、具有一定精度的位移,而且,宏平臺也是微平臺、伺服系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等裝置的安裝 本設(shè)計的意義及目的機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學(xué)過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設(shè)計訓(xùn)練。其目的是：能夠正確運用機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程的基本理論和相關(guān)知識，掌握機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法，了解設(shè)計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力。通過機械部分設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟；通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；通過課程設(shè)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。課程設(shè)計應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲；認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計指導(dǎo)書》，明確題目及具體要求；認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)；大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計方案；機械部分和驅(qū)動部分設(shè)計思路清晰，計算結(jié)果正確，選型合理；微機控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計XY數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的XY工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的XY數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)及要求根據(jù)設(shè)計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數(shù)如下：工作臺寬度長度 230mm230mm工作臺加工范圍 250mm250mmX、Y方向的脈沖當(dāng)量 X、Y方向的定位精 X、Y方向步進電機 55BF003Z方向步進電機 95BC340A工作臺X方向最快移動速度 5400mm/min工作臺Y方向最快移動速度 5400mm/min工作臺外形尺寸（長寬高） 729mm729mm375mm工作臺凈重 350kg 系統(tǒng)運動方式及零部件的選定 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于所設(shè)計的數(shù)控工作臺要求能滿足各種形狀的工件能夠進行激光焊接（切割）和加工，而且激光噴嘴的運動受到限制，故采用連續(xù)控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。而且要求工作臺的運動必須精確和平穩(wěn)，考慮到要求的加工精度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)驅(qū)動XY工作臺。 計算機控制系統(tǒng)本設(shè)計選用MCS51系列中的8031單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，運算速度快，具有很高的性能價格比?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大器等組成、系統(tǒng)的加工程序和控制指令通過鍵盤操作實現(xiàn)、顯示器采用數(shù)碼管顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)信息。 系統(tǒng)工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以采用滾珠絲杠螺旋副傳動機構(gòu)，為提高傳動機