1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 激光表面淬火三自由度工作台设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘 要 激光淬火是一种激光表面硬化工艺，通过快速表面局部淬火，大幅度提高了产品质量，成倍延长了产品寿命，广泛用于各行各业，有着 巨大的研发价值。虽然 国内外运用激光表面淬火技术的领域很多，但技术运用层面参次不齐。 本文概括性介绍了激光表面淬火技术、工艺特点、激光热处理发展现状及其未来发展趋势。完成了三个自由度激光表面淬火的工作台的设计，并且完成了工作台所搭载的光路系统设计和支架设计。通过计算校核，选择了合理的步进电机，以
2、保证工作台准确和稳定的运动。在传动方面，使用丝杠传动能达到准确快速地定位。在标准零部件的选择校核上，完成了对每个零部件准确校核。 关键词 ： 激光淬火、工作台、三自由度 III Laser surface hardening of Three Degrees of Freedom Table design Abstract Todays industry, laser heat treatment equipment research, there are still various problems and shortcomings to be resolved, this topic de
3、scribes the general thesis of laser surface hardening technology, process characteristics, development status of laser heat treatment machine for future development trends. Laser surface hardening technology and related equipment are still many problems and shortcomings of existence, but because of
4、the superiority of laser quenching technology itself, it for the economic, market-oriented, face the whole of society, mainly for the industrial business services, and constantly to promote and expand its application, has a huge value. The use of laser surface hardening technology at home and abroad
5、 many areas, but the technology aspects of the use of reference times is incomplete, the project implementation through the design of X, Y, Z three directions for the laser surface hardening of the table design. Keywords: Laser hardening， work table， Three Degrees of Freedom IV 目录 摘 要 .I Abstract .
6、III 1绪论 . 1 1.1激光表面淬火设备研发的目的及意义 . 1 1.2激光淬火技术及其热处理工作台现状及未来发展趋势 . 1 1.2.1激光淬火技术国内外现状 . 1 1.2.2激光淬火技术未来发展趋势 . 2 1.3激光淬火工作台设计课题研究内容及技术路线 . 2 1.3.1课题研究内容 . 2 2设备方案设计 . 3 2.1 三自由度工作台设备的方案 . 3 2.2方案评价 . 6 3工作台计算校核 . 7 3.1动力系统步进电机的选择 . 7 3.1.1步进电机的种类 . 7 3.1.2步进电机的主要性指标 . 7 3.1.3步进电动机的选择和计算校核 . 9 3.2传动系统滚珠
7、丝杆的计算、选择和校核 . 11 3.3导向支承部件的设计与选择 . 14 3.3.1导轨副的作用及其应满足的要求 . 14 3.3.2工作台导轨副的设计内容 . 15 3.4蜗轮丝杆升降机的选择 . 16 3.4.1升降机构参数选择 . 16 3.4.2涡轮丝杠升降机构选择计算校核 . 16 3.5激光发生装置 . 17 3.5.1激光发生器选择 . 17 3.5.2激光淬火原理与特点 . 17 3.6其他零部件的计算与校核 . 18 3.6.1连轴器 . 18 3.6.2圆锥滚子轴承 . 19 4结论 . 20 5参考文献 . 21 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 23 附录图
8、1 激光工作台总装图 . 23 附录图 2 光路系统 . 24 附录图 3 工作承台 . 25 附录图 6 涡轮丝杠升降机构 . 28 附录图 7 双螺母螺纹预紧式滚珠丝杠 . 29 激光表面淬火三自由度工作台设计 1 1 绪论 1.1 激光表面淬火设备研发的目的及意义 在我国对于激光热处理设备的研究还尚未成熟，激光热处理技术的应用很不普遍，主要是人们对激光技术的应用，还存在不同程度的神秘化和偏见。即使想去运用这套技术，却也在设备问题上止步，因此应尽快把激光热处理技术及其相应设备的科研成果，特别是激光表面淬火技术，面向经济、面向市场、面向全社会，主要是为工业企业服务，不断推广，扩大其应用，有着
9、巨大的研发价 值。 当今的激光表面加工技术还是存在不少问题和缺陷，特别是激光淬火技术仍受许多因素的影响，但随着研制性能可靠的工业大功率激光器发展，激光表面处理专家系统的研制和开发，激光处理将实现工艺参数的计算机自动优化、处理过程的计算机仿真模拟和实时监控，以及热处理后表面组织结构和性能的计算机预测，做到激光淬火过程的易操作性，实现复杂形状和人工智能化的表面处理。 1.2 激光淬火技术及其热处理工作台现状及未来发展趋势 1.2.1 激光淬火技术国内外现状 20世纪 70年代初研制出大功率激光器之后 ,激光表面处理技术才获得实 际的应用 ,并在近十年内得到迅速的发展。激光表面处理技术 ,是在材料表
10、面形成一定厚度的处理层 ,可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能 ,从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。 从 1960年第一台固体激光器红宝石激光器到激光淬火技术开始运用，激光淬火技术在应用领域上不断扩展，但是由于这项工艺的技术含量太高 ,工艺过程中影响因素大的多 ,设备费用不菲 ,除了对形状简单、工艺基本定型且批量较大的工件可以专门建立生产线 ,并可获得稳定的加工质量外 ,在形状较为复杂的工件中应用仍存在不少问题。 此外 ，国内外运用激光表面淬火技术的领域很多，但是技术运用层面参次不齐， 但我国近些年在该技术上的进步也是有目共睹的，随着激光器功率不断增大，稳定性不断提
11、高，我国不少科研人员提出的理论和创新，已经给现代工业和经济带来不少优秀成果。拿齿轮来说，齿轮极易产生疲劳、胶合、断齿等失效现象 ,为了有效提高齿轮的承载能力 ,延长其使用寿命 ,通常需要对齿轮表面进行强化处理。在齿轮激光淬火工艺研究中提到激光淬火作为一种新的齿轮表面强化技术 , 可以有效克服传统表面强化工艺的上述缺点。 激光表面淬火三自由度工作台设计 2 1.2.2 激光淬火技术未来发展趋势 随着经 济发展，工业产业化，激光淬火技术将面临各种先进技术的考验，因此激光加工技术设备未来的发展趋势将朝着智能化、自动化等发展。 a.高度智能化与自动化 激光热处理设备自动化与机器人化是一个非常重要的发展
12、趋势 , 激光加工机器人可以准确地、高精度、高质量地完成各种加工 , 尤其适合大工件不便移动的场合。 b.激光加工机床与其它加工设备复合化 激光加工将与更多的传统加工技术相结合，技术的结合，设备复合，这种复合可以有效地减少转移工位及定位时间 ,节约车间面积 , 降低产品成本。 c.建立激光加工中心 以一控多的工作方式，建立激光加工中心，是激光淬火等加工技术未来发展的必然趋势，用一台或多台高功率激光器 , 设置几个工位 ,分别进行激光切割、焊接、热处理等各种加工 , 不仅节约了成本 , 提高了劳动生产率 ,而且大大提高了加工质量。 1.3 激光淬火工作台设计课题研究内容及技术路线 1.3.1 课
13、题研究内容 （ 1）完成能实现 X、 Y、 Z 三个方向运动用于激光表面淬火的工作台的设计要求加工速度： 0 2m/min 可调；空走速度： 0 10m/min可调。 （ 2）通过计算合理选择激光表面淬火的工作台基本尺寸大小。 （ 3）合理选择三 个方向上运动的传动方式。 （ 4）通过计算选择合适的步进电机。 （ 5）完成工作台的装配图以及零件图。 （ 6）完成设计计算说明书。 激光表面淬火三自由度工作台设计 3 2 设备方案设计 2.1 三自由度工作台设备的方案 图 2-1 设备总体设计方案 图 2-1为工作台设计的机理图，由中控控制，每个工作方向有各自的步进电机驱动， X、 Y轴方向有联轴
14、器连接输出， Z轴有涡轮丝杠连接输出，要求加工速度： 0 2m/min可调；空走速度： 0 10m/min 可调，工作台一个方向上大约设计面积为 23001300 mm 左右。 方案一：三自由度丝杠传动激光淬火工作台设计 此工作台设计在机床工作的灵感下进行结构设计，机床三爪卡盘带动工件旋转，激光发生器及光路系统安置在工作台上，进行调焦，对工件表面进行激光淬火处理，以下是 X,Y,Z 三方向工作台结构运动设计介绍： （ 1） X轴方向运动方案设计 此方向上的结构以丝杠为主轴进行传动进给，选择步进电机为驱动，通过弹性连轴器让丝杠和步进电机的连接，由丝杠的转动致使工作台 X轴向运动。 激光表面淬火三
15、自由度工作台设计 4 图 2-2 X 轴方向运动示意图 图 2-3 X 轴结构运动简图 （ 2） Y轴方向 运动方案设计 此方向上的结构以丝杠为主轴进行传动，选择步进电机为驱动，通过弹性联轴器对丝杠与步进电机的连接，由丝杠的转动致使工作台在 Y轴方向运动。 图 2-4 Y 轴运动示意图 图 2-5 Y 轴运动结构简图 （ 3） Z轴方向结构及运动方案设计 Z轴方向主要为升降机构，该结构设计为涡轮丝杠升降机构，涡轮旋转在丝杠上下移动，由于涡轮丝杠的移动精确度远远高于直轮系、齿轮等 传动，致使激光发射器可以在小范围内进行激光淬火处理，涡轮丝杠升降机构固定于工作主台激光表面淬火三自由度工作台设计 5
16、 面上，垂直与 X,Y两轴方向。 图 2-6 Z轴方向运动示意图 图 2-7 Z轴内部结构运动简图 （ 4）主工作台上物件设计 该台面设计为 mm435330 ,台面上设置有光路系统（激光发生器、四个反射镜面器、激光发射器） ,竖直方向安装有涡轮丝杠升降机构。 此方案的优缺点： 优点：此工作台以丝杠为主传动方式，移动精确度比较高，致使激光发射器可以在局部甚至点位进行激光淬火工作；结构简易，易于操作，移动进退迅速，并且丝杠结构良好的自锁现象，保证了发射器的准确定位；可以在工件加工阶段，进行零部件表面加工。 缺点：工作台结构只适合于小型加工，小型零部件局部表面加工，工件一大，不便于装载，不适合大规
17、模集中加工，更不便于加工非常规零件表面。 方案二：机械臂激光淬火工作台设计 此结构设想源于机械臂激光焊接原理为依据，设计方案：结构设计了简易安装旋转夹具平台，由电动机皮带 轮传动，从而完成数个自由度加工工件的三维空间的淬火加工。 激光表面淬火三自由度工作台设计 6 图 2-8 机械臂激光淬火工作台运动结构简图 此方案优缺点： 优点：工件可以三维空间内进行加工，减少工件装夹次数，完成多个面或者不常规面（圆弧，球面等）高难度加工面。 缺点：机械臂结构过于复杂，过于简易的机械臂又无法达到定位准确； PLC控制给运动带来自动化，但编程想当麻烦；机械臂上光路系统很难搭建；投入生产，造价过高。 2.2 方案评价 鉴于以上两方案的结构简图，并且通过分析两方案的优缺点，决定方案一X,Y,Z三方向三自由度 简易小型激光淬火工作台更符合此次课题。而且通过市场，网络，工厂实地调研了解，方案一的可实施性强于方案二，方案一更有优越性。
