300×400数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计.docx

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1、300400数控激光切割机XY工作台部件及单片机限制设计摘要：激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性材料以及精密细小和形态困难的零件，因而数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。本文设计了一台单片机限制的数控激光切割机床，主要完成了：机床整体结构设计，Z轴、XY轴的结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算；以89C51为主控芯片的数控系统硬件电路设计、系统初始化设计及系统软件方案设计和步进电机的限制程序设计。关键词CNC,激光切割机床，XY工作台，单片机300400CNClasercuttingmac

2、hineXYtablepartsandSCMcontroldesignABSTRACT：1.asercuttingmachinetoolwasusuallyusedforthehard-cuttingmaterial,suchashigh-strengthmaterial,highprecisionductilematerials,andsmartandcomplicatedcomponents.So,CNClasercuttinghasbeenplayinganimportantroleinChinasmanufacturingindustry.Thispaperdescribesthede

3、signofaSCM-controlledCNClasercuttingmachinetools.Moreattentionwaspaidontheoverallmachinedesign,Zaxis,XYaxisinthedesign,ball-screwandthechoiceoflinearmotionguideandintensityanalysis;thedrivesystemintowhichsteppermotorwasputandtheanalysisofthedrivesystemdesign;89C51chipwasmainlyusedforthedesignofhardw

4、arecircuit,thedesignofsysteminitializationandthedesignofsteppermotor,scontrollingprogram.KeywordsCNC,lasercuttingmachinetools,XYtable,Singlechipmicrocomputer第一章绪论11.1 激光技术概述11.2 激光切割机的应用11.3 设计任务11.4 总体设计方案分析2其次章机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计42.1 XY工作台的设计42.1.1 主要设计参数及依据42.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析42.1.3 初步确定XY工作台尺寸

5、及估算重量42.2 Z轴随动系统设计5第三章滚珠丝杠传动系统的设计计算73.1 滚珠丝杠副导程的确定73.2 滚珠丝杠副的传动效率7第四章直线滚动导轨的选型9第五章步进电机及其传动机构的确定115.1 步进电机的选用115.1.1 脉冲当量和步距角115.1.2 步进电机上起动力矩的近似计算115.1.3 确定步进电机最高工作频率125.2 齿轮传动机构的确定125.2.1 传动比的确定125.2.2 齿轮结构主要参数的确定125.3 步进电机惯性负载的计算13第六章传动系统刚度的确定156.1 依据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度156.2 依据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度1

6、5第七章消隙方法与预紧177.1 消隙方法177.1.1 偏心轴套调整法177.1.2 锥度齿轮调整法187.1.3 双片齿轮错齿调整法187.2 预紧19第八章限制系统设计208.1 确定机床限制系统方案208.2 主要硬件配置208.2.1 主要芯片选择208.2.2 主要管脚功能208.2.3 EPROM的选用218.2.4 RAM的选用228.2.5 89C51存储器及I/O的扩展228.2.6 8155工作方式查询238.2.7 状态查询248.2.8 8155定时功能258.2.9 芯片地址安排268.3 总体程序限制278.3.1 流程图278.3.2 总程序278.4 键盘设H

7、288.4.1 键盘定义及功能288.4.2 键盘程序设计298.5 显示器设计338.5.1 显示器显示方式的选用338.5.2 显示器接口348.5.3 8155扩展I/O端口的初始化348.6 插补原理358.7 光电隔离电路358.8 越界报警电路36第九章步进电机接口电路及驱动39第十章总结40致谢41参考文献42第一章绪论1.1 激光技术概述激光被誉为二十世纪最重大的科学发觉之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971年11月，美国通用汽车公司领先运用一台250WCO2激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验探讨，并于1974年胜利地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁

8、材质）激光淬火工艺探讨，淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的探讨，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值20%的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业

9、应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域供应崭新的激光设备和仪器。数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。1.2 激光切割技术的应用激光切割是用聚焦镜将C02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肯定轨迹作相对运动,从而形成肯定形态的切缝。从二十世纪七十年头以来随着C02激光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年头作为板材下料切割的主要方

10、法中：对于中厚板采纳氧乙快火焰切割；对于薄板采纳剪床下料,成形困难零件大批量的采纳冲压,单件的采纳振动剪。七十年头后，为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了削减大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有肯定的适用范围。激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细

11、小和形态困难的零件。激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此探讨和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机限制技术正在发挥出巨大的优越性。1. 3设计任务本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）限制激光切割机床，主要设计对象是XY工作台部件及89C51单片机限制原理图。而对激光切割机其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作一般了解。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/pluseo工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。1.4总体设计方案分析参考数控激光切割机的有关技术资

12、料，确定总体方案如下：采纳89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出限制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图1-1。图系统总体原理图微机限制线路图参考MCS-51系列单片机限制XY工作台线路图。步进电机参照RORZE株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度,同时驱动器也选用RORZE的配套驱动器产品。滚珠丝杠的生产厂家很多，本设计参照了汉江机床厂、南京工艺装备制造厂的样本资料,力求从技术性能、价格状况、通用互换性等各方面因素考虑,最终选用南京工艺装备厂的FFZD系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。本设计弃用Z80,

13、而选用单片机。单片机体积小、抗干扰实力强，对环境要求不高，牢靠性高,敏捷性好,性价比大大超过了Z80。比较后选用89C51为主芯片。在运用过程中89C51虽有4K的F1.ASH(E2pROM),但考虑实际状况需配备EPRoM和RAM,并要求时序配备。选晶体频率为6MHz,89C51读取时间约为3t,则t=480ns,常用EPROM读取时间约为200-450nso89C51的读取时间应大于Re)M要求的读取时间。89C51的读写时间约为4T,则TR=660ns,TW=800ns,常用RAM读写时间为200ns左右，均满意要求。依据须要，扩展I/O接口8155,因显示数据主要为数字及部分功能字，为

14、简化电路采纳1.ED显示器。键盘采纳非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采纳光电隔离电路。其次章机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计2.1XY工作台的设计主要设计参数及依据本设计的XY工作台的参数定为：工作台行程：横向320mm,纵向45Omm工作台最大尺寸(长X宽X高)：1100X900X30Omm工作台最大承载重量：120Kg脉冲当量：0.001mm/pluse进给速度：60平方毫米min表面粗糙度：0.81.6设计寿命：15年XY工作台部件进给系统受力分析因激光切割机床为激光加工,其激光器与工件之间不干脆接触，因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。XY工作台部件由工作台

15、、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联，以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。一般来说,数控切割机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽视不计,但滚珠丝杠副，以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽视,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于实行了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应限制在很小的范围。初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台尺寸(长X宽X高度)为：1200X950X7Omm,材料为HT200,估重为625N(Wl)o设中托座尺寸(长X宽X高度)为：1200X520X22Omnb材料为HT200,估重为250N(W2)o另外估计其他零件的重量约为250N(W3)o加上工件最大重量约为120Kg(1176N)(G)0则下托座导轨副所承受的最大负载W为：W=Wl+W2+W3+G=665+250+250+1176=2301N2. 2Z轴随动系统设计激光切割机对Z轴随动机构要求特别高。在切割中需随时检测和限制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。