文/陳志森·江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司

大幅面激光切割機(jī)主要用于船舶加工、軌道交通、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、5G鐵塔、壓力容器等行業(yè)，主要由床身（X軸）、工作臺、橫梁（Y軸）、滑板、切割頭（Z軸）組成，見圖1。機(jī)床使用龍門雙驅(qū)結(jié)構(gòu)形式，床身整體焊接，橫梁鋼板折彎焊接，工藝方面均退火后粗加工，熱時(shí)效處理后精加工。床身使用齒輪齒條傳動，根據(jù)不同的導(dǎo)向部件，設(shè)計(jì)X軸行走機(jī)構(gòu)，保證齒輪傳動的嚙合齒隙。

圖1 機(jī)床組成結(jié)構(gòu)圖

工件放在工作臺上，橫梁在床身上進(jìn)行X軸向運(yùn)動，切割頭在橫梁上進(jìn)行Y軸向運(yùn)動，切割嘴相對板材的距離進(jìn)行上下Z軸向運(yùn)動，完成數(shù)控激光切割機(jī)三個(gè)方向的自由運(yùn)動。加工時(shí)從激光器發(fā)出的激光經(jīng)反射光道由切割嘴射出，聚焦在板材內(nèi)部，獲得很高的功率密度，使光斑范圍內(nèi)的材料在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熔化或汽化溫度。利用氧化熔化的切割方法切割碳鋼板。激光在加工薄板時(shí)沒有切削力，故進(jìn)給速度可以接近機(jī)器的快速進(jìn)給速度。X軸行程由軌道長度決定，用齒輪齒條傳動，以1m為單位可以無限延長。齒輪傳動為了圓滑流暢，要保證嚙合時(shí)齒面間的間隙，平行齒輪副的側(cè)隙可以通過增減中心距離（徑向間隙）調(diào)整齒輪副的齒隙。機(jī)床的導(dǎo)向部件是機(jī)床的重要零件之一，起承載作用，對執(zhí)行部件起引導(dǎo)作用，它在很大程度上決定機(jī)床的剛度、與精度，X軸的導(dǎo)向部件可用滾動導(dǎo)軌或鋼軌，根據(jù)選擇的導(dǎo)向部件不同設(shè)計(jì)不同的行走機(jī)構(gòu)。

技術(shù)參數(shù)計(jì)算

市場上各家推出的大幅面激光切割機(jī)技術(shù)參數(shù)基本在表1所示范圍內(nèi)。

表1 機(jī)床技術(shù)參數(shù)

其他技術(shù)參數(shù)：負(fù)載為橫梁部分+Z軸部分+電纜拖鏈，即500+120+80=700kg；安全系數(shù)K=1.5～2；機(jī)械效率η=90%；直線導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ=0.1；鋼軌摩擦系數(shù)μ=0.2。

齒輪設(shè)計(jì)直齒輪模數(shù)mn≥1.5mm，斜齒輪模數(shù)mn≥2mm，齒數(shù)Z＞17，選用直齒輪模數(shù)mn=3mm，齒數(shù)Z=25，齒寬b=30mm，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n電機(jī)=3000r/min。

減速機(jī)傳動比計(jì)算過程如下。

鋼軌導(dǎo)向X軸行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走鋼軌為鐵路用軌，切面呈“工”字形，種類和強(qiáng)度用千克/米（kg/m）表示，每米的重量越重，鋼軌所能承受的載荷也越大。鋼軌由軌頭、軌腰及軌底三部分組成，具有價(jià)格便宜、抗彎性能好、抗振性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是傳動精度不高，平穩(wěn)性差。

鋼軌行走機(jī)構(gòu)（圖2）采用伺服電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動的齒輪齒條作為運(yùn)動方式，齒輪齒條傳動負(fù)載大、疲勞使用壽命長、工作平穩(wěn)可靠。通過這種傳動可以平穩(wěn)地推進(jìn)切割頭快速而準(zhǔn)確地運(yùn)行到切割位置。行走機(jī)構(gòu)中使用偏心軸軸承夾緊鋼軌，毛氈齒輪潤滑，旋轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動調(diào)整齒隙。平鍵限制機(jī)構(gòu)上下位移，切割軌跡運(yùn)行平穩(wěn)。

圖2 鋼軌行走機(jī)構(gòu)示意圖

直線導(dǎo)軌導(dǎo)向X軸行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

直線導(dǎo)軌依靠與軌道兩側(cè)互成45°的兩列承載滾球作為引導(dǎo)，使滑塊內(nèi)的鋼珠在導(dǎo)軌表面做無限滾動循環(huán)。負(fù)載平臺能沿著滑軌輕易地做高精度線性運(yùn)動，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動靈敏、低速平穩(wěn)性好、定位精度高，缺點(diǎn)是剛性和抗振性差，成本高，要有良好的維護(hù)保養(yǎng)措施。

機(jī)構(gòu)使用安裝板加工直槽口和減速機(jī)法蘭安裝孔，潤滑系統(tǒng)用毛氈齒輪隨動潤滑。具體結(jié)構(gòu)見圖3，安裝板與連接座連接，調(diào)節(jié)座上M10的內(nèi)六角螺釘頂住安裝板側(cè)邊，用六角扳手?jǐn)Q動螺釘調(diào)整齒輪側(cè)向位移，調(diào)節(jié)齒輪齒條嚙合齒隙。

圖3 直線導(dǎo)軌行走機(jī)構(gòu)示意圖

結(jié) 束 語

激光切割機(jī)切割板材的準(zhǔn)確度和運(yùn)行的平穩(wěn)度，取決于齒輪齒條的運(yùn)行情況。本次設(shè)計(jì)齒輪齒條參數(shù)相同，根據(jù)不同的導(dǎo)向部件特性設(shè)計(jì)不同的X軸行走機(jī)構(gòu)，鋼軌使用偏心軸夾緊調(diào)節(jié)傳動齒隙，直線導(dǎo)軌通過M10螺釘調(diào)節(jié)。兩種機(jī)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體使用場景選擇。