大幅面激光切割机X轴行走机构设计

文/陈志森·江苏金方圆数控机床有限公司

大幅面激光切割机主要用于船舶加工、轨道交通、工程机械、矿山机械、5G铁塔、压力容器等行业，主要由床身（X轴）、工作台、横梁（Y轴）、滑板、切割头（Z轴）组成，见图1。机床使用龙门双驱结构形式，床身整体焊接，横梁钢板折弯焊接，工艺方面均退火后粗加工，热时效处理后精加工。床身使用齿轮齿条传动，根据不同的导向部件，设计X轴行走机构，保证齿轮传动的啮合齿隙。

图1 机床组成结构图

工件放在工作台上，横梁在床身上进行X轴向运动，切割头在横梁上进行Y轴向运动，切割嘴相对板材的距离进行上下Z轴向运动，完成数控激光切割机三个方向的自由运动。加工时从激光器发出的激光经反射光道由切割嘴射出，聚焦在板材内部，获得很高的功率密度，使光斑范围内的材料在短时间内达到熔化或汽化温度。利用氧化熔化的切割方法切割碳钢板。激光在加工薄板时没有切削力，故进给速度可以接近机器的快速进给速度。X轴行程由轨道长度决定，用齿轮齿条传动，以1m为单位可以无限延长。齿轮传动为了圆滑流畅，要保证啮合时齿面间的间隙，平行齿轮副的侧隙可以通过增减中心距离（径向间隙）调整齿轮副的齿隙。机床的导向部件是机床的重要零件之一，起承载作用，对执行部件起引导作用，它在很大程度上决定机床的刚度、与精度，X轴的导向部件可用滚动导轨或钢轨，根据选择的导向部件不同设计不同的行走机构。

技术参数计算

市场上各家推出的大幅面激光切割机技术参数基本在表1所示范围内。

表1 机床技术参数

其他技术参数：负载为横梁部分+Z轴部分+电缆拖链，即500+120+80=700kg；安全系数K=1.5～2；机械效率η=90%；直线导轨摩擦系数μ=0.1；钢轨摩擦系数μ=0.2。

齿轮设计直齿轮模数mn≥1.5mm，斜齿轮模数mn≥2mm，齿数Z＞17，选用直齿轮模数mn=3mm，齿数Z=25，齿宽b=30mm，伺服电机转速n电机=3000r/min。

减速机传动比计算过程如下。

钢轨导向X轴行走机构设计

行走钢轨为铁路用轨，切面呈“工”字形，种类和强度用千克/米（kg/m）表示，每米的重量越重，钢轨所能承受的载荷也越大。钢轨由轨头、轨腰及轨底三部分组成，具有价格便宜、抗弯性能好、抗振性强的优点，缺点是传动精度不高，平稳性差。

钢轨行走机构（图2）采用伺服电机减速机驱动的齿轮齿条作为运动方式，齿轮齿条传动负载大、疲劳使用寿命长、工作平稳可靠。通过这种传动可以平稳地推进切割头快速而准确地运行到切割位置。行走机构中使用偏心轴轴承夹紧钢轨，毛毡齿轮润滑，旋转座转动调整齿隙。平键限制机构上下位移，切割轨迹运行平稳。

图2 钢轨行走机构示意图

直线导轨导向X轴行走机构设计

直线导轨依靠与轨道两侧互成45°的两列承载滚球作为引导，使滑块内的钢珠在导轨表面做无限滚动循环。负载平台能沿着滑轨轻易地做高精度线性运动，优点是运动灵敏、低速平稳性好、定位精度高，缺点是刚性和抗振性差，成本高，要有良好的维护保养措施。

机构使用安装板加工直槽口和减速机法兰安装孔，润滑系统用毛毡齿轮随动润滑。具体结构见图3，安装板与连接座连接，调节座上M10的内六角螺钉顶住安装板侧边，用六角扳手拧动螺钉调整齿轮侧向位移，调节齿轮齿条啮合齿隙。

图3 直线导轨行走机构示意图

结 束 语

激光切割机切割板材的准确度和运行的平稳度，取决于齿轮齿条的运行情况。本次设计齿轮齿条参数相同，根据不同的导向部件特性设计不同的X轴行走机构，钢轨使用偏心轴夹紧调节传动齿隙，直线导轨通过M10螺钉调节。两种机构各有优缺点，需要根据具体使用场景选择。