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《特种加工》实验指导书
《特种加工》
实验指导书
江苏大学工业中心机制实验室
2005.12
目录
实验一、激光数控编程与加工
——切割和焊接2
实验二、线切割与电火花加工18
实验一激光数控编程与加工
——切割和焊接
一、激光数控编程
一、实验目的
1．熟悉实验设备,了解本实验设备的工作原理
2．掌握该系统数控程序的编制
二、实验设备
LCM-12X20型数控精密激光切割机，NEL-2500A轴向快速流动工业CO2激光器，激光数控程序自动编程系统（见附录一）
三、实验步骤和方法
通过老师讲解，了解激光器的工作流程，熟悉自动化编程工具，能使用自动化编程系统编制数控程序，并切割出所编制的图形。
四、实验报告
1．CO2激光的工作气体的主要成分是什么？
CO2激光产生机理是什么？
2．本设备是如何得到方向性好、功率稳定的CO2激光的？
3．画出本设备简要的生产流程图（从获得加工图纸到产品的形成）。
4．编制数控程序的如图所示的激光切割程序。
二、激光切割
一．实验目的
1．掌握激光切割的原理
2．了解激光切割工艺参数对切割质量的影响
二．实验设备
LCM-12X20型数控精密激光切割机，NEL-2500A轴向快速流动工业CO2激光器，A3钢板板材，辅助气体氧气
三．实验原理
激光照射在钢板表面，将使其表面局部气化，并形成融池，高压氧气从激光切割头喷出，
吹掉融化的钢铁，形成割缝。
四．实验步骤和方法
观察激光切割过程，掌握其原理，调节激光切割工艺参数，观察切口的质量。
影响激光
切割质量的因素很多，比如激光束的光源质量好坏、切割气体的压力、氧气的纯度、激光走刀速度、激光功率等。
每一个因素都对激光的切割质量有极大的影响，因此，对于激光切割来说，在不同的时候切割相同的钢板，其最佳工艺参数不一定相同，但是总的趋势是一定的，本实验选取可以直接在控制面板调节的参数（走刀速度和激光功率），来观察它们对激光切割质量的影响，找出切割质量与这两者之间的关系。
因为参数较多，本实验采用十字交叉法来进行参数的调节。
第一项，测定在走刀速度一定的情况下，激光功率对切割质量的影响；
第二项，测定在激光功率一定的情况下，走刀速度对切割质量的影响。
激光切割质量的好坏主要表现在割缝的宽度和激光切断面的表面质量，本实验主要是观察激光切断面的表面质量，评判指标是：
差，较差，一般，好。
实验报告
1．激光切割钢板的过程是什么？
试画图并加以适当的说明表示激光切割钢板的过程
2．为什么激光切割要先用超脉冲打孔？
3．采集并分析实验数据（填写如下表格），试说明激光切割钢板质量与功率和走刀速度的规律，并分析其原因？
表一
试验次序
走刀速度（功率：
瓦特）
激光切割质量
1
2
3
4
5
表二
试验次序
激光功率（走刀速度：
米/分钟）
激光切割质量
1
2
3
4
5
三、激光焊接
一．实验目的
1．掌握激光切割原理
2．了解激光焊接工艺参数对切割质量的影响
3．了解激光焊接的特点
二．实验设备
LCM-12X20型数控精密激光切割机，NEL-2500A轴向快速流动工业CO2激光器，薄壁管材，辅助气体氩气。
三．实验原理
激光照射在被焊件连接处，使被焊件局部融化，形成局部融池，使被焊件在融化部位融合。
四．实验步骤和方法
观察激光焊接过程，掌握其原理，调节激光焊接工艺参数（焊接速度、激光功率等），
观察焊口的质量。
观察激光焊接同种金属之间和不同种金属之间的焊接过程。
五．实验报告
1．激光焊接与普通焊接的区别是什么？
2．激光焊接各参数对焊接质量的影响规律是什么？
表一
试验次序
走刀速度（功率：
瓦特）
激光焊接质量
1
2
3
4
5
表二
试验次序
激光功率（走刀速度：
米/分钟）
激光焊接质量
1
2
3
4
5
附：
实验设备简介
本设备主要由NEL-2500A轴向快速流动工业CO2激光器、激光数控程序自动编程系统和LCM-12X20型数控精密激光切割机组成。
一．NEL-2500A轴向快速流动工业CO2激光器
NEL-2500A轴向快速流动工业CO2激光器是专为激光切割、激光焊接和激光表面热处理等激光工业应用而设计、制造的。
图1所示为激光器的原理方框图。
激光工作气体在两台罗茨风机的驱动下高速通过分别有阳极和阴极组成的十二个放电管路循环流动，放电后的高温气体通过热交换器进行冷却。
在工作过程中，不断的由激光工作气源向循环系统种充入微量的新鲜工作气体，同时用真空泵抽真空管路上的电磁阀的通断调节抽气速率，是激光器中的气压保持不变。
本激光器具有良好的自检报警和自动保护功能，任何辅助设备的异常都会导致本激光器的自动关机。
二．LCM-12X20型数控精密激光切割机
LCM-12X20型数控精密激光切割机电控系统主要有数控系统、伺服系统和强电控制系统组成。
本机采用CO2激光束作为刀具，对于许多高强度、高熔点的金属非金属材料都有良好的加工能力。
比如钢板、陶瓷等等。
本激光切割机采用德国西门子公司最高当数控系统SINUMERIK840D和可带有840D的SIMODRIER611-D的数字量变频系统以及可供人机通讯的功能强大的MMC103单元，840D和611D采用数字总线通讯，具有控制和插补运算速度快、存储量大、性能可靠、调速范围广、带负载能力强的特点。
本机具备4轴联动功能，分别为X,Y,Z,A四轴。
最高定位速度24m/min,最大加工速度可达15m/min。
本激光切割机采用德国SIEMENS公司最高档数控系统SINUMERIK840D和可带有840D的SIMODRIER611-D的数字量变频系统以及可供人机通讯的功能强大的MMCl03单元，840D和611D采用数字总线通讯，具有控制和插补运算速度快、存储量大、性能可靠，调速范围广，带负载能力强的特点．在此基础上，我们对原切割机做了较大改进，研制开发了许多新功能：
（1）操作方便
该机有水半及垂直各八个功能软键，能够在不同操作方式具有不同功能，从而减少了操作按钮，简化了操作面板。
各种方式下都由菜单显示操作功能，使操作直观。
（2）加工功能强
该机具有多种加上及辅助功能指令，对于各种复杂图形都能由指令编辑得出。
例如：
原切割机对于切割图形的尖角要在程序中做特殊处理，否则会加工出圆角，该机对尖角、圆角都有专门的指令控制。
（3）易于编程
可采取人机对话式和高级语言编程，简单易学
（4）图形显示
该机对于所编辑的工件程序，具有模拟图形显示和动态图形跟踪显示功能，使得加工更为直观，易于监视控制。
（5）加工精度高
由于该机具良好的基点驱动配套性能，所以加工跟随性好，精度高。
（6）加工效率高
该机高速定位可达24m/min．最大加于速度可达15m／min．
（7）Z轴既可随动又可数控
为了解决因钢板表面不平造成激光焦点波动，而影响切割质量的问题，割头（Z轴）必须随动以保正焦点恒定。
原切割机只具有的随动功能而不能对Z轴进行数控，本切割机Z轴除具有随动功能外还与X、Y轴具有右相同的显示和控制功能。
（8）多种报警功能
该机数控系统具有自检报警及自动保护，对外部条件同样具有报警显示及自动保护。
本使用说明书主要介绍切割机工作台及数控电气部分的安装，连接、操作、编程等内容。
由于激光器为用户可选部分，对于不同的激光器有不同的操作程序，所以本说明书不介绍激光器．
阅读本章的目的是：
通过本章的学习，切割机操作、维修人员应掌握整机的电器组成及功能情况（最好结合机床阅读），充分理解整仉所需电源要求及厂房条仆（包括温度要求）。
2．1数控系统
840D数控系统为德国SIEMENS公司生产的—种高档系统，具有许多激光加工专用功能。
该系统采用模块化结构。
采用总线连接，由电源模块提供DC600V工作电压给中央控制单元（NCN）和数字伺服驱动模块，在CRT上还有MMC103模块（配有自CPU和硬盘），用它来完成系统与操作面板（MCP）之间的通讯，通过MPl电缆将NUC．MMC．及机床操作面板连为—体。
中央控制单元
MMC模块
操作面板
图1
（1）中央控制单元（NCU模块）：
SINUMERIK840D将CNC、PLC和通讯等诸多功能集成在一只NCU模块上，
其NC内存为256KB．最大PLC内厅192KB。
I／O与S7-300连接、且有手轮控制
它含有PLC基本程序，标准机床数据和NC变量选择器。
（2）MMC模块：
MMC103提供机床标准操作接口，它在MSWINDOWS软件支持下运行，包含有对话编辑能力，且可进行程序校验，本模块备有内装硬盘，为用户提供200兆字节的存储能力。
三．激光数控程序自动编程系统
本激光数控自动编程系统是基于AUTOCADR14的二次开发软件包，使用本软件包必须使用专门的硬件锁。
该系统能将AUTOCADR14种绘制的二维图形自动转换成LCM-12X20型数控精密激光切割机所使用的数控程序，操作简单实用。
本激光加工系统有以上三个相对独立的系统组成，可实现激光切割、激光焊接、激光热处理等。
该系统只需要1个人操作，是一个小型的CAD/CAM系统。
下表为激光切割机场用的G代码。
G代码
M
D
意义
G00
G01
G02
G03
G04
G06
G09
G110
G111
G112
G17
G18
G19
G25
G26
G40
G41
G42
G53
G54
G55
G56
G57
G60
G64
G641
G70
G71
G74
G75
G90
G91
G94
G95
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?
?
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?
?
?
?
*
快速移动（定位）
直线插补
顺时针圆弧插补
逆时针圆弧插补
暂停
主轴插补
减速，精确定位
参考上一编程点刀具的位置，定以极点
在绝对值加工坐标系中定义极点
参考上一有效极点定义极点
X-Y平面选择
Z-X平面选择
Y-Z平面选择
加工区域限制的最小值
加工区域限制的最大值
消除刀具半径补偿
刀具半径左补偿
刀具半径右补偿
以机床零点作为坐标圆点
绝对零偏置1
绝对零偏置2
绝对零偏置3
绝对零偏置4
减速，精确定位
连续路经加工，不减速
连续路经加工，带有可编程过渡量
编程单位为英制
编程单位为公制
自动返回参考点
返回固定点
绝对值变程
增量编程
速率单位为毫米（英寸）/分
速率单位为毫米（英寸）/转
切割机常用的G代码：
M表示模态G代码，即一旦在程序中编入此代码，程序一直保留此代码的功能，如果在后续程序段中编写与此代码不相容的G代码时，程序才停止执行此代码的功能。
以*表示有此功能。
非模态代码必须在需要此代码的所有程序段中编入此代码。
D表示可以缺省的G代码，即在执行M10、M30、急停、复位或CNC刚通电时，可由CNC自动设定的代码。
*号表示有D功能
？
表示此代码可由参数来选择是否具有缺省功能。
图2
图2为激光加工过程的示意图。
最里面的长方形区域以及区域以内的实线图形为被加工的工件图形，该区域内的虚线表示激光头的快速定位，虚线起始点为激光头的起始点。
箭头为激光的运动方向，中间长方形区域为毛胚，外面长方形区域为激光切割有效区域，该图形的激光切割程序如下：
程序说明
F2000速度设置（2000mm/min）
ZERO零点记录（记录程序开始的起始点）
G64圆弧过渡
G91相对坐标编程
G00X25.9Y19.32快速定位
MM10激光头割嘴下压
SUB1开机械光闸并且超脉冲打孔
G02X0.000Y0.000I0.000J15.000顺时针圆弧插补
M21关电子光闸
MM11抬割嘴
G00X35.000Y15.000
MM10
SUB2开电子光闸并且超脉冲打孔
G01X15.000Y0.000
G03X0.000Y10.000I0.000Y5.000逆时针圆弧插补
G01X-15.000Y15.000
G03X0.000Y-10.000I0.000Y-5.000
M13机械光闸关
MM11
M30程序结束
NEL一2500A轴向快速流动工业CO2激光器
1．概要
NE一2500A轴向快速流动工业C02激光器是专为激光切割焊接和激光表面热处理等激光工业应用而设计、制造的。
采用气体轴向快速流动这一设计方案使激光器只需较少的光学元因而整机更紧凑，结构更坚固。
激光器由激光头和用柔性管道与其连接在一起的电源柜两部分组成
图l所示为激光器的原理方框图。
激光工作气体在两台罗茨风机的驱动下高速通过分别由阳极和阴极组成的十二个放电管路循环流动，放电后的高温气体通过热交换器进行冷却。
在工作过程中，不断地由激光工作气体气源向循环系统中充入微量的新鲜工作气体，同时用真空泵抽除等量的废气。
在给定的新鲜工作气体补充量下，通过控制真空泵抽真空管路上的电磁阀的通断调节抽气速率，使激光器中的气压保持不变。
激光头
激光头中安装有一可白由伸缩、恒温单折激光谐振腔，混合工作气体在罗茨风机的驱动下在一闭环循环系统中通过放电管和热交换器高速流动，伴随着气体的有效冷却，这样的循环系统具有很高的效率，结构简单的谐振腔使镜片的调节变得十分容易。
尾镜和输出窗处于接地状态。
所有的元器件均比较容易接近并安全地进行调节。
在加工间隙，当不需要激光束时，可用一水冷机械闸间将其转折吸收体上。
激光头的上半部和下半部都是一个完全密封的防尘空间，对于激光头上半部，位于顶盖下的热交换器对这一小空间提供冷却。
激光头的下半部包含有罗茨风机、对激光工作气体进行冷却的热交换器及气体单元，这一部分空间通过鼠笼风机及其热交换器进行冷却。
在运转过程中，可连续不断地测量激光输出功率，并将其显示在电源柜主操作面板上的数字功率表上。
电源柜
电源柜包含有高压发生器和控制线路两部分，激励放电管路的高压由变压器和随后的桥式整流器整流产生。
放电电流由12个真空电子管调节并稳定在设定值上，电流值的大小在12个指引式电流表上显示出来。
激光输山功率由一电位器或—外控模拟信号控制。
完备的外控接口可用于电子光闸、放电电流的外控和调制。
主操作面板包含含有主电源开关，自动启动（真空泵，罗茨泵，自动充气）用操作开关指示灯，高压开关，中止自动启动的服务开关，激光光闸开关利紧急停机按钮。
每个联锁保扩回路的工作状态由指示
灯指示。
激光器中采用了几种不同联锁保护回路，以防操什者误操作或元器件失效对设备可能造成的损坏。
所有高压区的门，包括激光头和电源柜的，都装有安全防护开关，当门—旦打开时能自动切断高压气源、冷却水和联锁系统的工作状态通过信号灯指示出来。
运转激光器所需的工作气体（He、N2、C02）通过充气阀输入激光头，激光器也可用预先混合好的气体来运转。
激光头中的运转气压通过—自动调节阀保持恒定。
压力（一般在80一90mbr之间）可预先通过一电位器设定，并在数字气压表上显示出来。
真空泵位于激光头机柜中。
在水、电、气打开接通后，自动启动单元可为激光器运转做好准备。
接着便可开启高压，调节激光输出功率。
如为了维修或保养，可通过一钥匙开关中止自动启动程序。
整个电源柜是防尘的，内部由热交换器进行冷却。
在设备运转时，请检查并关上所有的机柜门，包括电源柜电子单元和继电器板处的门。
选件
如接上一方波脉冲发生器，可使激光器产生最大频率为2kHz，脉冲宽度可调的脉冲输出。
在增强脉冲工作状态，最大脉冲峰值功率为5kW。
2．安全预防
警告
本激光器的危险等级为4类，它的直接辐刘和漫反射辐可对皮肤、特别是眼睛造成伤害。
本激光器辐射波长为10．6um，不为人眼所见。
易燃物、易燃体或易燃蒸汽在激光照射下很易被点燃，点燃的塑料会释放出有毒的烟气。
在操作激光器时要严格遵守行有关的安全制度。
激光头和电源柜两个机柜中存在着激光器运转所需的高达30kv的高压。
切断高压进行维修时，可用位于电源柜后面中间有机玻璃防护门处的接地棒对高压滤波电容放电，在未放电前绝对不得触摸高压电源中的任何元件。
高压滤波电容上的高压通过内装的放电电阻可在15分钟内降到无危险的电压水平。
为安全起见，在触摸带有高压的部件前，用高压表测量滤波电容上的电压以判断该高压电容是否已放电。
在对带有高压的元件进行维修更换时，必须将接地棒挂在高压滤波电容的高压端子上。
必须要强调的是，位于电源柜中间和右边（从正面看）控制放电电流的高压单元的底板也是与高压相连的。
激光头的右侧（从后门前顺着出光的方向看）有三块有机玻璃防护板隔住激光头中带有高压的元件。
从该侧可方便地对镜片进行调节。
由于激光谐振腔镜片的调节需在激光器运转时进行，当移去该防护板后必须十分注意不要触及到放电管的阴极。
有些在激光器安全防护措施一定要去除时才能进行的工作必须由专业的受过专门培训的人员予以实施。
重要
在此特别要求每一个参加安装、操作、维修激光设备的人都必须阅读和完全理解本说明书中该节的各项内容。
如在安全防护方面有任何问题或疑问请不要犹豫，及时按本说明书封面上的地址与南京东方激光有限公司联系。
激光产品的生产和使用必须符合国家技术监督局发布的GB7247-1995《激光产品的辐射安全、设备分类、要求和用户指南》；GBl0320-1995《激光设备和设施的电气安全》；GB10435—89《作业场所激光辐射卫生标准》等三个国家标准。
按照GB7247—1995国家标准，NEL一2500A工业C02激光器届四类激光产品。
激光器最人输出功率超过2600W。
带有脉冲发生器的激光器，最高脉冲工作频率可达2kHz，最大峰值功率大于5000W。
与这个类别激光器相关的潜在危险可归纳为下列四个方面：
☆激光辐别的危险
☆火的危险
☆烟雾和蒸汽的危险
☆高压危险
尽管在设计激光器时已考虑了很多安全防护措施以最大限度地减少上述潜在危险的发生，但只有用户本身才能确定是否具备了安全运转条件。
本节的目的就是帮助用户去防止这些潜在危险的发生。
本节中没有论及的有关安全防护方面的其他基本知识请参阅相关书籍和技术资料
注意
不按本节详细介绍的操作程序对激光器进行操作、调节可能会导致意外的激光辐射伤害。
激光辐射的危险
A．潜在危险
激光器产生的是一束具有单一波长的高方向性光学辐射光。
它与普通光源产生的光完全不同。
激光的光能量包含在一束很细的光束中，尽管投射很远也不会改变。
普通光源的光是发散的，投射到远处会照亮相当大的区域。
由于激光器产生的光束直径较小，因此激光器也被认为是—个能产生高功率密度光束的设备。
NEL一2500AC02激光器产生的光束波长在光谱系列中处于远红外波段，尽管它等同于热能，但不能为人眼所见。
就象刚燃烧完的灰烬，只感觉到热，不见火光。
任何强烈的光源或热源，对眼睛都是一种潜在的伤害。
如将皮肤直接暴露在激光束的辐照中，会引起严重的烧伤。
另外，由于光束很容易在裸金属表面发生反射，则二次反射或散射光也会对安全构成威胁。
警告
在对您的激光器进行安装、操作、维护保养过程中的每时每刻，避免受到激光的直接或间接辐照。
一些NEL一2500AC02激光器中装有半导体同光路指示选件。
该选件产生一束与C02光束同轴的红光，它的输出能量较低，属于二类激光产品。
该半导体激光器对人的皮肤不构成任何危险，可作为安全的指示工具。
但由于它的波长在可见光波段，能被人眼所聚焦，因此迎面凝视可能会对眼睛造成严重的伤害。
B．安全指南
---下面是一些防止激光辐照所采取的技术措施：
---绝不在激光束光路中迎面凝视激光束；
---避免所有不必要的直接辐照或二次辐照（反射）；
---在激光光束附近必须随时佩戴合适的带有防护边的防护眼镜
---不管是否可能，用防护管将激光束从激光器出光口到加工工
件处封闭起来。
火的危险
A．潜在危险
当一束激光照射到某一物体上时可能会出现三种不同的情况：
第—种情况是光能连续不断地通过这一物体。
如我们周围的空气和一些经选择的特殊晶体（如用作激光器窗口的那种材料）都属于这类被称为透射体的材料。
第二种情况是某些材料具有能把照射到它表面的所有激光能量几乎都反射掉的特性。
这种材料被称为反射体。
我们常利用这些材料经特殊磨光精制的表面作为镜片去转折或改变光路。
第三种情况是激光能量不能透过也不能在其表面发生反射，这类材料被称为吸收体。
对CO2激光能量来讲，大多数的材料都是好的吸收体。
从安全角度出发，一些吸收体具有积极的意义。
激光发射的未经聚焦的原始光束，宁可让它打到一片石墨或射入水中，让它们吸收收掉也不愿让它到处传播。
这些材料能够将照射到它们上的热量吸收掉而不会产生危险，可以作为有效的光束接收器。
不过也有一些吸收体，如易燃溶剂等在激光照射下极易被点着，纸和油布等极易燃烧产生明火。
B．安全指南
在对材料进行激光加工过程中可以采用许多措施避免火的危险。
下面是其中几种：
---将灭火器放在随手可及的地方；
---不加工的关掉激光器或光闸；
---划定工作区域，特别注意不得让激光切割产生的熔渣从底部或边缘溅出；
---不要在未加防护的激光束光路附近放置纸张、布或其他易燃物。
烟雾和蒸汽的危险
A．潜在危险
由于激光束的能量是以热的形式出现的，激光加工（切割、焊接、热处理）可被认为是一种受控的加热或燃烧过程。
它类似于火焰加工但加工效果要比其好得多。
有一些材料在加热或燃烧时，会发生化学分解，形成气体或粒子蒸汽，存在潜在危险。
这样的材料有Pvc，及一些种类的合成玻璃纤维。
在试图对这些材料进行加工前请先查阅有关手册或与材料生产厂家联系弄清它们的特性。
B．安全指南
防止烟雾或蒸汽危险的方法有下面几种：
---在未弄清某一材料是否能安全地用激光照射或加热前不要用激光对其加工。
---用一风罩收集烟汽和蒸汽，并将其抽走排出。
A．潜在危险
为产生激光输出，我们用电能激励激光工作气体三相交流380伏输入到电源柜中，产小30kv的高压后再传输到产生激光输出的激光头中。
在激光器正常运转时，所有的高压线利高压部件、零件均封闭在
护套和有联锁防护门、盖的机柜中。
只有当出于维修目的去掉联锁防
护装置时，才有可能接触到高压。
危险
无论何时，当不得不进入高压区域时，必须特别小心。
避免接触
高压元件。
这种高压是致命的，只有经过严格电气维修培训的被认可
的人员方可进入此区域!
B．安全指南
下面是一些能有效防止激光器中的高压对人体可能造成伤害的技
术措施。
只有对激光器的电子、电气系统十分熟悉的和受过专门培训的
合格的人员方可进入该区域
激光头和电源柜中高压
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