毕业设计(论文)数控激光切割机加工工艺及故障诊断.doc
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1、数控激光切割机加工工艺及故障诊断摘要: 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术。关键词:激光器、加工工艺、控制系统、检测系统、故障诊断引言 激光具有高相干性、方向性、高强度的特质,很容易获得很高的光通量密度,将强的激光束聚焦到介质上,利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质的性质,这就是激光加工。激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远
2、距离加工、自动化加工等显著优点,对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢铁冶金、石油、轻工、医疗器械、包装、礼品工业、钟表、民爆、服装、化妆品、烟草、航空航天等行业,而且应用范围越来越扩大,在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、激光雕刻等方面已得到广泛应用。 一、机床的概述(一)参数最大切割板材尺寸3000mmx1500mmX轴行程3000mmY轴行程1500mmZ轴行程180mmX,Y轴定位精度+-0.03/1000mmX,Y轴重复位精度+-0.01mmX,Y轴最大定位速度4
3、0m/minX,Y轴最大切割速度20m/minX,Y轴最大联动速度60m/min工作台最大载重600kg机床总重9000kg(二)特点1 结构合理1) 床身整体焊接,具有较好的刚性,稳定性和抗震性。2) 激光器与机床分离,且采用恒光路技术,光路稳定。3) X轴,Y轴丝杠及导轨用侧板和玻璃罩保护,减轻了粉尘对机床的污染,延长了机器的寿命。4) 采用封闭式光路,确保镜片寿命及光束质量。5) 集中润滑系统保证了丝杠导轨的工作寿命。2 精度高采用精密滚珠丝杠,直线导轨运动,运行精度高(定位精度+-0.03mm/m,重复定位精度+-0.01mm)3.速度快最大运行速度高达40m/min.4.性能好,功能
4、多1)采用FAGOR 8055系统,功能强,AC伺服电机惯量小,动态性能好。2)采用大功率快速轴流激光器,功能强,稳定性高,适应性广。3)配有自动聚焦系统,反映灵敏准确。4)拖链可自动将废渣废料排出。排烟尘装置,充分有效排除切割气体,灰尘,保持工作环境清洁。5)气动系统设计先进,气路组件全部采用国际顶尖大厂产品,可同时使用三种不同气体,自动转换,耐高压,大大减少辅助时间,提高了生产率,并改善了切割质量。6)照明系统改善了操作环境。7)配专用CAD/CAM自动编程软件,可与系统RS-232接口直接通讯。5易于操作1)固定操作台,操作方便。2)切割头更换镜片方便,同时带有缓冲装置,避免头部损坏.(
5、三)组成SLCF-X15x30数控激光切割机,主要组成部分有:主机,激光器,水冷机.主机是整个切割机的主体,主要由床身,横梁,交换工作台,切割头(Z轴),其路及水路、控制系统等六部分组成.(四)原理激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面,在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度,使材料熔化或气化,再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走,达到切割材料的目的。激光切割主要是C O。激光切割,CO。激光切割是用聚焦镜将CO。激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。激光切割工艺多种多样,其中熔
6、化切割是使入射的激光束功率密度超过某一值,从而使光束照射点处材料内部开始蒸发,形成孔洞;汽化切割是使用高功率密度的激光束加热,避免热传导造成的熔化,于是部分材料汽化成蒸汽消失;氧化熔化切割是材料在激光束的照射下被点燃,与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源;对于容易受热破坏的脆性材料,通过激光束加热进行高速、可控的切断,引起该区域大的热梯度和严重的机械变形,导致材料形成裂缝。称之为控制断裂切割。二、控制系统(一)概述SLCF-X15x30数控精密激光切割机控制系统主要由数控系统、伺服系统和强电控制系统组成。本数控系统有以下的几个特点:(1) 操作方便(2) 功能强(3) 易于编程(4) 图形显
7、示(5) 精度高(6) 效率高(7) Z轴既可随动也可数控(8) 多种报警功能(二)电器布置8055数控系统为西班牙FAGOR公司生产的铣床加工通用高档系统。该系统采用模块化结构,由中央控制单元、监控器/键盘操作面板和伺服驱动装置组成。(三)机床报警信息序号英文信号中文释义处理方法1Reference参考点没找到检查各轴是否均返回参考点2Servo not ready伺服没准备好检查外部使能信号3Laser H-Vltage not ready激光器高压电没准备好检查影响激光器高压的原因4Cutting gas not ready切割气体没准备好将N2、O2或Air准备好,检查气压、电磁阀等情
8、况5Mechanical shutter not open机械光闸没打开检查气压、气缸及电磁阀等情况6Mechanical shutter not closed机械光闸没关闭检查气压、气缸及电磁阀等情况7Rflector overheat反射镜过热检查冷水是否阻尼 8Axis Z protectZ轴防护报警检查Z轴碰撞情况(四)G代码1 G00快速定位。最大可能的速度由机床本身所决定。2 G01直线插补。G01代码后编写的运动必定是直线运动,并以进给率F移动。3 G02、G03 顺时针和逆时针圆弧插补。G02或G03后编写的运动一定是圆弧路径,并以编写的进给率F移动。4 G04 准备程序段的中
9、断。在任何需要中断程序段时编写。5G04K 暂停时间。在任何需要定时的时候编写,以10ms为单位,如: G04 K50(延时0.5秒) G04 K200(延时2秒)6. G05 圆角过渡。切割时用于圆滑过渡,防止尖角。7G06圆弧插补。通过编写圆弧中心的绝对坐标进行圆弧插补。8G07方角。切割时通常用于尖角过渡,程序达到拐点才停止。9G10取消图像镜像10G11、G12、G13、G14分别相对于X、Y、Z及任意轴镜像。11G16平面选择。轴平面可以自由选择。12G17XY平面选择。13G18ZX平面选择。14G19YZ平面选择。15G20、G21定义工作区上下限。16G36自动半径过渡。在需要
10、拐角的地方编写,如:G90 G01 G36 R5 X35 Y60X50 Y017G39自动倒角过渡。在需要倒角的地方编写,如:G90 G01 G39 R5 X35 Y60 X50Y018G40取消刀具半径补偿。G40只在G00或GO1时完成。19G41、G42刀具右、左补偿。G41或G42只在G00或G01有效(直线运动)。20G50可控制圆角。保证理论和实际路径之间的差别小于由机床参数“NPOSW2”设定的值。21G53相对于机床零点编程22G54、G55、G56、G57绝对零点偏置。23G58、G59相对零点偏置。24G70、G71G70,英寸编程,转换成英制尺寸。G71毫米编程,转换成公
11、制尺寸。25G72比例因子。26G90绝对坐标编程。27G91增量尺寸编程。可以编程输入方式,执行增量坐标。28G94以mm/min为单位的进给率,进给速度F以mm/min为单位。29G95 以mm/r为单位的进给率,进给速度以mm/r为单位。(五)M代码代码功能备注M10随动下降随动状态下切割头下降M11随动解除,同时Z轴提升至参考点M16随动解除M14Z轴提升20mmM12机械光闸开自动模式下打开机械光闸M13机械光闸关自动模式下关闭机械光闸M15穿孔延时(由PLCR200设定,可在MDI方式下设定M20电子光闸开自动模式下打开电子光闸M21 电子光闸关自动模式下关闭电子光闸M22连续波转
12、入连续波切割M23门脉冲转入门脉冲打孔或切割M24强脉冲转入强脉冲打孔或切割M25超强脉冲转入超强脉冲打孔或切割M50低压气开(氧气或空气)自动转换成低压气体打开状态M51低压气关(氧气或空气)自动转换成低压气体关闭状态M52高压气开(氧气或空气)自动转换成高压气体打开状态M53高压气关(氧气或空气)自动转换成高压气体关闭状态M54选择空气空气切割或打孔M55选择氧气氧气切割或打孔M56选择氮气氮气切割或打孔M30程序结束注:其中G代码为通用代码,M代码为本台机床设置的。(六)特殊参数 PLCR200 打孔时间 msP110 打孔激光功率 W(约有+50的误差,以实际显示为准)P111 切割功
13、率 W(约有+50的误差,以实际显示为准)(七)切割用气体1) 切割普通碳钢用氧气,低压打孔,高压切割。2) 切割非金属一般用空气,低压和高压的压力可调为一样,打孔时间设为0。3) 切割不锈钢等,一般用氮气,氧气低压打孔。三、操作(一)操作顺序必须按如下操作:1) 合上总电源,检查电源电压和三相平衡度是否满足机床的电气要求。2) 启动水冷机。检查水温水压是否正常。3) 打开压缩空气。检查气压是否正常。4) 打开氦气、氮气、二氧化碳气体,检查气瓶高、低压是否正确,如果高压低于0.6Mpa,则要更换气瓶。5) 启动激光器6) 控制系统通电,机床回零点,使机器进入待命状态。回零时使Z轴归零,并注意切
14、割头位置,以免在归零时碰损。7) 输入工件加工程序8) 打开辅助气体,并根据加工材料的不同选择气压。辅助气体的气电转换器应调节在适当位置,以确保气压低于一定值时停止切割,保证聚焦焦镜片的安全。9) 上料时要注意安全,确保人生安全,防止碰伤机床。 10)启动程序进行加工。加工过程中要随时注意切割情况,如有切割头可能碰撞或者途经空洞等情况要立即停机,排除故障因素后方可继续运行。11)关机。关机顺序如下:a 关激光器b 关水冷机。c 关氮气、氦气、二氧化碳。注意关严,以防漏气。d 关压缩空气。e 控制系统断电。12)清理现场,记录当天的运行情况,如有故障发生,必须详细记录,以便诊断和维修。(二 )光
15、路调整 1. Z轴焦点调整 激光切割过程中,光束焦点与切割表面的相对位置对切割质量的影响很大.应正确调整焦点的位置。通常,通过改变焦点试切工件,或者,通过在有机玻璃上打点的方法来获得最佳焦点的位置。焦点的位置确认以后,调节激光切割头底部的调节螺母,将切割嘴调节至到板面1.5mm至2mm之间,切割头焦点的调整就完成了。切割头与板面的相对位置变化后,切割头及传感器的零点也要发生相应的变化。微量调节时,可以用板面上焦点修调旋纽来完成。调节量较大时,就要调节传感器与支架的相对位置。调节时,要格外小心,否则会造成切割头下戮,从而损坏机器零件。2切割嘴与光束同轴调整切割嘴与光束的是否同轴直接影响切割效果。
16、将功率调整到20W走右,把透明胶带粘在切割嘴上,迅速开关光闸一次,观察激光打出的小孔与切割嘴压在胶带上的痕迹是否同轴。如不同轴,用四个顶丝来调整切割嘴的前后左右位置,直到满意为止。3光路的调整切割机中采用飞行恒光路,Y轴的运动是通过移动Z轴箱来实现的,在这样的加工过程中,随着光学组件的运动和光路情况的改变,切割质量会受到一定的影响正确调整光路系统是保证切割质量的前提之一。光路的调整的原则是光束必须与光学组件的运动方向平行,并且通过光学镜片的中心。调整光路时,要在近场和远场打光斑,比较两处得到光斑的重合性,一般要经过几次反复的调整,才能达到满意的结果。4切割头传感器调整电容传感器的焦点调整方法,
17、由调试工程师现场示范讲解。(三)日常维护及注意事项机床部分的日常维护有:1) 随时清除污责,赃物,保证机器外观整洁。2) 及时清理切割箱中的废料。3) 及时清理抽风口过滤网上的杂物,保证通风管畅通。4) 定期润滑各运动部件,周期可根据机器的使用情况而定,通常一周一次或两次。5) 定期检查压缩空气气路中的油雾器,保证合适的油位,如果不足,应及时添假加。6) 定期检查各气体过滤器,及时排除过滤器中的积水杂物。7) 定期检查反射镜与聚焦镜表面的污染情况,保持其清洁,以保证使用寿命。8) 定期检查行程开关支架及撞块支架,防止螺钉松动。9) 床身前后罩上不应有异物,以免与工作台发生撞碰。)床身导轨护板内
18、不应有异物,以免损坏导轨座。(四)操作面板布置及元件功能 的监控器键盘板和操作面板布置了以下功能按纽(元件)和状态指示灯。1) 手动脉冲发生器用于机床的精确调整2) 参考点指示灯当、轴返回参考点时,发光二极管亮。3) 激光报警灯激光高压不正常时,发光二极管亮。4) 系统故障灯当数控系统内部发生报警时,发光二极管亮。5)外部故障灯当外部条件之一不满足时,发光二极管亮。6)进给保持自动运行停止时发光二极管亮。7) 轴方式轴方式选择开关,有“数控”和“随动”两种方式不。数控系统处于方式时,如果选择了“数控”,按下或,轴以数控方式上下移动。数控系统处于、方式时,使用,轴以随动方式下降至工件表面;使用,
19、轴以数控方式返回参考点。如果选择“随动”,不管数控系统处于何种方式,轴都以随动方式下降至工件表面。8) 焦点修调电位器,用于光束焦点休整。9) 照明按纽,用于照明。10)拖链按一次按纽,启动拖链,同时灯亮。再按一次按纽停止拖链,同时灯灭。11)光闸控制按住“ON”,光闸(机械、电子)保持开,松手则关。12)打孔时间穿孔时按一下“”,可立即结束穿孔,缩短打孔时间;按住“+”,则一直保持打孔状态,延长打孔时间。13)电源控制旋钮,钥匙式两位置,用于控制回路的通电/断电。14)急停解锁按钮,用于急停解锁。如果轴在运动中碰到限位开关,系统将处于急停状态。系统切换到手动操作方式,同时按下此按钮和相反的轴
20、运动键,可使系统退出急停状态,恢复运行。15)急停当出现紧急情况时,按下此按钮后,所有运动都停止,CRT上出现急停报警。16)回退按住该按钮,机床沿先前的运动路径回退,松开按钮,则立即停止。四、设备的调试及工艺参数一 切割前的准备1激光器对辅助设备的要求为保证整个机床及激光器的正常运行,保持功率稳定和模式的良好,对辅助设备和辅助手段有及其严格的要求。如果使用不符合机床要求的水、气,易导致功率降低,甚至导致涡轮机、光闸和其他零件的损坏。(1) 气体A 辅助气体首先准备好切割用的辅助气体N2、O2和Air。检查气瓶上的铭牌,看是否符合使用要求(N2和O2的纯度和压力),然后将气瓶的气体正确引入机床
21、上。启动空气压缩机B 机关器用气体激光器用气体是高纯度的He、N2和CO2,要求因激光器而异。DC025激光器对气体有极其严格的要求:气体纯度(%)压力(bar)He99.9984.5N299.9984.5CO299.9984.5Air可以普通N2代用,用于吹镜和驱动机械光闸必须用聚乙烯管或不锈钢管作为气体管路,用高性能高强度可靠性高的管接头连接。(2) 冷却水流量133升/分钟进口压力3bar(最大4bar)温度18度温度稳定性冷却水40%乙二醇,60%蒸馏水阀门和管道全部不锈钢或高压胶管,不能用镀锌材料,管接头用不锈钢钢夹外接水管内径3/4英寸(19mm),外径1英寸(25.4mm)以上的
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