离轴式激光切割机理及焦点控制磁力驱动系统研究

发布时间：2020-06-13 08:02

【摘要】：激光切割具有高质量、高柔性、高效率等优点,是工业应用最广泛的激光加工技术。传统的激光切割中,激光束轴线与辅助气体轴线同轴,以保证激光切割加工质量在各个切割前进方向上的一致性。采用激光束轴线与辅助气体不同轴——即离轴式激光切割可以有效地提高激光切割的质量和效率。为了保证离轴式激光切割的加工精度和加工效率,需要采用一种能够对激光焦点的轴线与辅助气体轴线相对位置的实时控制、结构紧凑且响应速度快的驱动器。本文依据传热学和流体动力学理论,描述了离轴激光切割区域,通过传热方程、湍流模型和多相流模型,建立离轴激光切割有限元模型,分析辅助气体在离轴激光切割过程的气流场,研究气体与被加工件相互作用的机理。根据气流场的仿真结果,分析了离轴距离对气流的压力、速度和剪切力的分布影响规律及离轴距离对于喷嘴出口到切割前沿上端的区域和切割前沿下端的区域的流场结构的影响。通过改变激光切割参数对离轴式激光切割进行了实验,并将实验结果与仿真结果进行了对比分析。仿真结果和实验结果验证了离轴式激光切割是提高激光切割质量和切割效率的途径之一。在离轴式激光切割有效性的基础上,本文设计了一种电磁驱动平台。该平台采用轴向均匀分布3对环形永磁铁和柱形永磁铁,为平台提供水平回复力;径向采用3组差动控制电磁铁为平台提供水平驱动力,实现在X、Y方向的平动和X、Y平面内的转动。根据实验平台的各个参数,分别对离轴式激光切割焦点控制驱动平台的电磁铁和永磁体进行了理论计算、有限元分析和实验研究,明确了驱动平台的力学特性。建立离轴式激光切割机焦点控制系统的动力学模型。利用Matlab建立模糊控制器,并采用Matlab/Simulink对平台进行仿真特性分析。最后采用dSPACE1103/controldesk和Matlab/Simulink实时无缝连接的功能,进行了响应特性、位置控制特性和转角控制特性实验研究。仿真分析和实验结果证明离轴式激光焦点控制系统具有良好的可控性,为离轴式激光切割技术的运用提供了依据。
【图文】：

图 1.1 激光切割原理图Fig. 1.1 The illustrative diagram of laser cutting按其切割机理的不同，大致可分为四种切割方法[20]：（1）汽化切割

7e 表面条纹 f 热影响区宽度图 1.2 切割质量的主要评价指标Fig.1.2 The main evaluation indexes of cutting quality
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG485

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本文编号：2710883