摘 要

三维激光切割机床有高效率、高精度的特点。如果给机床配备五轴联动的高级数控系统，机床便可以进行复杂精细的空间曲面加工，能完成汽车部件和飞机零部件甚至对精度要求更高的现代机械加工。

本文设计了一台三维五轴联动激光切割机床模型， 工作台通过X方向导轨的传动可横向移动，Z轴固定在Y轴托板上，随着Y轴托板的移动进行运动。而激光切割头伴随着Z轴的移动，并且BC轴带其旋转最终实现刀具向各个面进行加工。

主要完成了：龙门横梁、床身等关键部件设计，完成激光切割机机架搭建，切割机主轴选择，X、Y、Z 轴进给系统与导向系统的设计；利用Solidworks辅助建模。最终使五轴联动激光加工机床能高速、高精度地完成具有复杂轮廓表面或者大型工件加工。

关键词：五轴联动；丝杠传动；激光切割。

Five-axis laser cutting machine

ABSTRACT

Three-dimensional laser cutting machine has the characteristics of high efficiency, high accuracy. If the machine is equipped with the advanced CNC five-axis systems, machine tool can be intricate surface processing, complete car parts and aircraft parts, and even modern machining of high accuracy requirements.

This paper designed a three dimensional model of five-axis laser cutting machine, table x drive Rails can traverse z axis fixed to the pallet on the y axis, with the y axis movement of pallets movement. Laser cutting head with the z axis movement, and, all BC shaft rotating-tool to various surface processing.

Main: design gantry beam, bed and other key components, complete laser cutting machine set up, cutter spindle options x, y, z axes feeding system and guiding system design using Solidworks modeling. Eventually five-axis laser cutting machines to high-speed, high-precision completion of complex surface machining.

Key words：Five-axis; screw drive, laser cutting.

目 录

第一章 绪论 1

1.1 选题的目的及意义 1

1.2 国内外研究状况 2

1.3 研究内容 3

第二章 总体方案的设计 4

2.1 设计任务 4

2.2 总体方案的选择 4

2.2.1 传动方式的确定 4

2.2.3本章小结 6

2.3 总体方案的设计及结构组成图示 6

第三章 机械结构设计 8

3.1 XYZ轴的设计 8

3.1.1初步确定X，Y，Z向移动部分的尺寸以及估算质量 8

3.2 绕YZ旋转轴的设计 8

3.2.1 主要参数 8

3.2.2工作原理 8

3.3滚珠丝杠副的选型和计算 9

3.3.1脉冲当量的确定 9

3.3.2 传动比的确定 9

3.3.3 XYZ向移动工作部分滚珠丝杠受力分析 9

3.3.4滚珠丝杠的选型 9

3.3.5 X方向滚珠丝杠选取 10

3.3.6 传动效率计算 12

3.4 直线导轨的选型 12

3.4.1导轨的功用 12

3.4.2 导轨的基本要求 12

3.4.3 导轨的分类和特点 12

3.4.4 直线滚动导轨副的计算和选取 13

3.5 步进电机的参数与选型 15

3.5.1步进电机的特点 15

3.5.2 步进电机的分类 15

3.5.3 步进电机的优点 15

3.6步进电机的参数及选择 15

3.6.1 X方向等效转动惯量计算 16

3.6.2 X方向步进电机型号选择的计算 16

3.6.3 BC轴电机选择 18

3.7 联轴器的选择 19

3.8 XYZ轴的轴承选用 20

3.8.1轴承的特点 20

3.8.2轴承的选择与固定 20

3.9 BC轴减速器选择 22

第四章 总结与展望 23

致谢 24

参考文献 25

第一章 绪论

1.1 选题的目的及意义

平面激光切割钣金以其可编程、准备方便、操作简单等特点已取代了很大一部分冲裁加工。然而，平面激光切割后对钣金再进行拉伸、折弯等操作时，已经切割的孔难免会变形和移位。要在程序上控制或补善这种变形和移位是极其困难的。因此。如果能实现在拉伸、折弯等操作后进行孔的切割，则能得到较高的精度。国内外最常使用的方法是采用多关节的通用机器人的激光切割。

激光切割通过利用功率较大且密度很高的激光束冲击材料表面，在一定条件下，激光的能量使工件发热，使工件材料与激光束相接触附近的温度急速上升，并且使工件的部分气化或熔化，形成缺口。当激光切割机正在切割时，控制工件或者切割头移动，即便形成切缝，类似焊接。在切割的同时，加入高压气体或者其他介质以便即时清除废料。多关节的通用机器人的最大特点是各关节之间相互藕合，重复精度较高，但连续的轮廓精度不是很好；运动空间大，但有死区。为了实现高精度而采用高精度的多关节的通用机器人，费用是很大的。目前，国外虽然有完全解藕的五轴连动激光切割机，但价格还是居高不下^[1]。

自从第一台三维五轴激光切割机床研制出以来，五轴激光切割技术已经逐渐完善和改良，而数控五轴激光切割机是近段时间发展最快的机电加工装备。在美洲，欧洲以及一些发达国家，五轴联动激光切割机床得到工业的重视，其销售额逐年递增，展现了一股发展的冲劲^[2]。

在2007年，中国国内大型三维五轴激光切割机床的销售额达到15亿元，而中下端产品基本占领国内的市场产生垄断，并有小部分产品出口到国外。但与其他发达国家相比，我国的技术还处于下游，而且绝大部分核心技术还依赖发达国家的进口。全球的高功率数控激光切割成套设备累计拥有量达35000台左右，而我国目前高功率数控激光切割成套设备的拥有量为1500台左右。

国产五轴联动数控激光切割机床的主要特点有：价格低，是进口机床的1/3，而且激光器功率非常低，一般在1.5KW以下。与国外机床相比切缝宽，表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性具有一定的劣势，但价格方面非常客观。这个数字相对于机械工业的发展的脚步还是较低，在今后工业发展的道路上一定会呈线性增长。

1.2 国内外研究状况

随着三维五轴激光切割的理论在机械工业的发展，该项技术也得到了日益的改进优化与创新。