YM-1212多功能数控激光切割机设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 激光 是 20 世纪人类的重大科技发明之一，它对人类的社会生活产生了广泛而深远的影响。作为高技术的研究成果，它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域，而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了大量的应用，与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值。激光加工技术发展非常迅速，其应用范围日趋 广阔，激光被誉为“万能加工工具”“未来制造系统的共同加工手段”。 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复杂的零件， 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 台单片机控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、 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 89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控制程序设计。 关键词 激光切割机床、 构、设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is 0th of of a As a it is in in in in of a of 00 he of as a of is to as NC s is an a NC of of of to 9as NC to 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第一章 绪论 . 5 . 5 . 5 第二章 机械部分的结构设计 . 7 . 7 . 7 . 7 . 7 轴传动系统设计 . 8 第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算 . 10 度计算 . 10 珠丝杠副的传动效率 . 10 第四章 直线滚动导轨的选型 . 12 导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， . 12 型号：选用 . 12 第五章 步进电机及其传动机构的确定 . 13 进电机的选用 . 13 . 14 . 14 . 14 . 15 第六章 传动系统刚度的分析 . 17 第七章 消隙方法与预紧 . 19 . 19 . 20 第八章 数控系统设计 . 21 定机床控制系统方案 . 21 要芯片配置 . 21 . 21 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 要管脚功能 . 21 . 22 . 23 9， Q 号交流 401339828 或 11970985 第一章 绪论 计任务 本次设计任务是设计一台单片机（ 89控芯片）控制激光切割机 床，主要设计对象是 作台部件及 89片机控制原理图。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 作台的纵、横向进给脉冲当量 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。 体设计方案分析 参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案如下： 采用 89控芯片对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出控制信号给驱动器，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 微机控制线路图参考 51 系列单片机控制 作台线路图。 步进电机参照 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 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，最后选用南京工艺装备买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 厂的 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 选用单片机。单片机体积小、抗干扰能力强，对环境要求 不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了 较后选用 89主芯片。在使用过程中 89有 4K 的 但考虑实际情况需配备 要求时序配备。 选晶体频率为 689取时间约为 3t，则 t 480常用 取时间约为 20045089读取时间应大于 求的读取时间。 89读写时间约为 4T，则 66000用 写时间为 200右，均满足要求。根据需要，扩展 I/O 接口 8155，因 显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采用 盘采用非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采用光电隔离电路。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第二章 机械部分的结构设计 Y 工作台的设计 要设计参数及依据 本设计的 作台的参数定为： 工作 台 ： 12001200光器：轴快流 光器，激光功率 400W 定位速度最大： 10m/复定位精度： m 电源： 380%;50/60境温度： 0 环境湿度： 50H 整机重量： 1800型 尺寸（ LWH） :274020201300 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直接接触 ,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。 作台部件由工作台、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略不计 ,但滚珠丝杠副 ,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略 ,这些摩擦力矩会影响 电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施 ,其产生的负载波动应控制在很小的范围 步确定 作台尺寸及估算重量 初定工作台尺寸 (长宽高度 )为 :1200 1200 80料为 重为 650N ( 设中托座尺寸 (长宽高度 )为 :1200 1200 250料为 重为 250N（ 另外估计其他零件的重量约为 250N ( 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 加上工件最大重量约为 1201176N） (G)。 则下托座导轨副所承受的最大负载 W=2+ 650+250+250+1176 2286N 轴 传 动系统设计 激光切割机对 切割中需随时检测和控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。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄及质量，因此，要求 Z 轴的检测精度高于 时，随动速度应大于 5m/动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻 式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特殊场合的切割加工 (如强磁场、强干扰环境 )。所以在选择传感器时，应注意检测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。 Z 轴结构示意图 ,如图 2 所示 构工作原理为 :数控系统向伺服电机发出指令 ,伺服电机开始旋转 ,电机轴与小带轮通过键相连接 ,从而带动小带轮转动 ,假定额定转速为 3000 r/小带轮的 配比为 1:2,通过同步图 3 丝杠示意图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 带传动后 ,大带轮额定转速为 1500 r/带轮与丝杠也是通过键连接的 ,丝杠随之与大带轮同速同向旋转。丝杠上的螺母随着丝杠的旋转 ,顺着丝杠螺纹而上下移动 ,从而带动螺母座上下移动。螺母座与溜板通过螺钉相连接 ,进而带动与溜板相连的外导光管上下运动。切割头是安装在外导光管上的 ,从而实现了切割头的上下运动。 为了防止丝杠上沾染灰尘 ,如图 3所示。在轴承座与轴承盖上都设计了粘圈 ,使整个机构密封性更好。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算 根据机床的受力 情况及结构尺寸，参照 南京工艺装备厂的产品系列 ，选用 循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下： X 向： 50490 500 Y 向： 50400 1100 因 X 向的滚珠丝杆比 Y 向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算 X 向丝杆的相关数据，Y 向根据 X 向的结果相同选用即可满足要求。 度计算 轴向负荷计算公式： F+ 式中 F 切削力， F=0 W 工件重量加工作台重量 W=2286N U 滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为 取 U=根据式（ 2286=光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。 故本处的 a F=照样本参数 ,这里的 定导程为 4 的滚珠丝杠副。 珠丝杠副的传动效率 滚珠丝杠副的传动效率为 : / ( )tg （ 式中 滚珠丝杠的螺纹升角 当量摩擦角 根据 当量摩擦系数和当量摩擦角 关系（见表 前面已经定 v=1m/s，材料选择灰铸铁 5 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 所以： =400 ， = 因为 = d） （ 式中 :导程， 4mm d 丝杠公称直径， 25根据式（ 则根据式（ ： 表 当量摩擦系数 f 和当量摩擦角 齿圈材料 锡 青 铜 无锡青铜 灰铸铁 齿面硬度 5 其它 5 5 其它 相对速度 s m/s f f f f f 5 8 10 15 24 17 509 434 343 309 235 217 200 143 136 122 116 102 055 048 045 51 543 509 417 343 309 252 235 217 200 147 140 129 122 109 012 758 724 543 509 400 34 3 309 252 235 217 200 143 0 2 758 724 543 509 400 343 309 045 905 758 651 549 509 434 400 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第四章 直线滚动导轨的选型 导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： 定位精度高 ： 直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。 降低机床造价并大幅度节约电力 ： 采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往 复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低 90%，具有大幅度节能的效果。 可提高机床的运动速度 ： 直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率 20 30%。 可长期维持机床的高精度 对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费 掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。 所以在结构上选用：开式直线滚动导轨 。 型号：选用 如图 具体型号： 2 500 2 1100 直线滚动导轨 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第五章 步进电机及其传动机构的确定 进电机的选用 1. 脉冲当量和步距角 已知脉冲当量为 1 m/步距角越小，则加工精度越高。初选为 倍细分）。 电机起动力矩： 12M M M（ 式中 : : 1 / 2 ( ) d t g （ =92 =m ： 2 /2a o F P （ 式中 : K 预紧时的摩擦系数， 导程， 4 预紧力， 有： 1600=640N 承型号为 6004轻系列，预紧力 为 130N。故根据式（ m 齿轮传动比公式为： i= (360 p)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： / i（ =360 M p / 式中 : p =l m/ M= M 2= 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 =q=h 根据式（ 60 m 因 为电机为五相运行 )。则步进电机最大静转矩 q/ m 参考有关数控激光切割机床的资料 ,可以知道步进电机最高工作频率不超过 1000 根据以上讨论并参照样本 ,确定选取 步进电机， m，转动惯量为 235g/轮传动机构的确定 动比的确定 要实现脉冲当量 l m/须通过齿轮机构进行分度，其传动比为： / ( 3 6 0 ) （ 式中： 为滚珠丝杠导程 为步距角 p 为脉冲当量 根据前面选定的几个参数，由式（ ： i =4/360 4:1=1 根据结 构要求 ,选用 0， 20 轮结构主要参数的确定 齿轮类型：选择直齿加工方便。 模数选择：本工作台负载相当轻 ,参考同类型的机床后 ,选择 m 1齿轮传动侧隙的消除。 中心距的计算： A=m（ （ =1 (30+120)/2=75文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 齿顶高为 1根高为 125宽为 20 齿轮材料及热处理： 小齿轮 0面高频淬火 ; 大齿轮 5号钢，调质处理。 进电机惯性负载的计算 由资料知，激光切割机的负载可以认为是惯性负载。机械机构的惯量对运动特性有直接的影响。不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在开环系统中对运动的平稳性也有很大的影响，因此要计算惯性负载。限于篇幅，在此仅对进给系统的负载进行计算。 惯性负载可由以下公式进行计算： 0 2D 1 1 2 2 3 4 m J + J + ( Z / Z ) ( J + J ) + J ( V / ) m D （ 式中： e 2的转动惯量 3的转动惯量 各项计算如下： 已知： 0忽略不计， 轮惯性转矩计算公式： 22J = m = G /g （ 其中： 为回转半径 滚珠丝杠的惯性矩计算公式： J= 2 （ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 最后计算可得： 102=103=104=10m=12 m/s D=2 s 故惯性负载根据式（ ： 0+2)（ + D)2 g. 值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第六章 传动系统刚度的分析 激光切割机 作台其实为一进给传动系统，其传动系统的刚度可根据不出现摩擦自振或保证微量进给灵敏度的条件来确定。 1. 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 传动系统 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 中的当量刚度 主要由最后传动件的刚度 0决定的，在估算时，取 K=C=滚珠丝杠传动 ,其变形主要包括： 丝杠拉压变形 扭转变形 丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。 轴承和轴承座的变形。 在工程设计和近似计算时，一般将丝杠的拉压变形刚度的三分之一作为滚珠丝杠副的传动刚度 据支承形式可得： 3/ 3 * 1 0 ( / ) F L K g f m m （ 式中： E=10 ) F= L=250 根据式（ 得： 动系统刚度较大，可以满足要求。 此时传动系统的刚度应满足： K （ 式中： K 传动系统当量刚度 部件运动时的静摩擦力 N 正压力 ,N=W/g=230 静摩擦系数，取 部件调整时，所需的最小进给量 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 则： 30 =p=m/满足微量进给要求的传动系统刚度为 : K 合上述传动系统刚度的讨论可知满足微量进给灵敏度所需要的刚度较小，可以达到精度要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第七章 消隙方法与预紧 隙方法 数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。 齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数 控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。 对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。 如图 轮装在电动机轴上，调整偏心轴套可以改变齿轮和之间的中心距，从而消除齿侧间隙。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 如图 齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片的厚度就能改变齿轮和的轴向相对 位置，从而消除齿侧间隙。 图 片薄齿轮 1和 2套装一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱 3，用来安装弹簧 4。装配时使弹簧 4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。 对比三种方案： 第一种需要经常的调整，对于本身就以提高效率为目标的数控机床而言肯定不合适。 第二种是很不错的方案，但在切割机上并不实用。 第三种方案相比较而言在数控切割机上适用，而且不需要人为经常调整，很适合数控机床的需要 。 本设计方案选用第三种方法 。 紧 滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有两 种。 一种是单支承形式；另一种是两端支承形式， 本设计选用 两端支承形式中的“ 双支点各单向固定 ”的支承方式。 该形式夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧，提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴承的振动。 预紧量由厂家提供。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第八章 数控系统设计 定机床控制系统方案 根据机械系统方案的要求，可以看出：对机械部分的控制只有进给系统的步进电机的控制和工作台回转的步进电机控制。控制系统有微机的、有 有单片 机的，这里采用的是开环控制系统，可以选择经济型的单片机控制系统。另外，居然要控制，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图如图 要芯片配置 要芯片选择 由于 89片在性价比上比同类单片机高，加上 8031、 8051 市场上已经停产，所以选择 89为主芯片。 要管脚功能 89 40 脚双列直插式芯片。主要管脚功能 : 控制线 片外存储器选择端，虽然 89有 4K 的 为了方便接线和各程序的存放，故不使用内部程序存储器，这样 地，从外部程序存储器读取指令。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 外部程序存储器选通端 ,以区别读外部数据存储器。 地址锁存控制端 ,系统扩展时， 制 输出的低八位地址送锁存器储存，以实现数据和地址隔离。此外 l/6 晶振的固定频率输出正脉冲 ,可作为外部时钟或定时脉冲。 复位端 ,当输入的复位信号延续二个周期以上高电平，完成复位初始化操作。 89 I/O 口的介绍 外接存储器时，此口为扩展电路低八位地址和数据总线复用口； 用户使用的 I/O 口； 外接存储器时 ,作扩展电路高八位的地址总线； 双重功能口； 均为八位双向口。 可驱动 8 个 电路， 只能驱动四个 时钟 用内部时钟时，二端接石英和微调电路；使用外部时钟时，接外部时钟脉冲信号。 89总线结构： 地址总线 地址总线为 16 位，外部存储器直接寻址范围为 64址总线由经地址锁存器，提供八位 八位 直接提供。 数据总线 数据总线为 8 位，自 直接提供。 , 控制总线 由 A 、 选用 为简化电 路，此处选用 27648K*8 位 )。 本设计采用 二 片 2764别存放监控程序 ,各功能模块程序 ,常用零件加工程序。以便于更换各功能模块程序和零件加工程序时，只需更换各自芯片即可，方便升级。 2764 芯片主要引脚功能 : 13 位地址线 数据输出线 数据输出允许信号 编程控制信号，用于引入编程脉冲 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 片选信号 2764 主要工作方式 : 读方式 低电平， 5V 时处于读出方式 写方式 低电平 , 为低电平， 21V, 高电平时， 2764芯片处于禁止状态。将数据线上数据固化到指定地址单元。 编程禁止方式一此为向多片 2764 写入不同程序而设置的，当 21V 时， 高电平时， 2764 芯片处于编程禁止状态。 选用 数据存储器 常采用 ， 静态、动态两种。动态 成度高，功耗小，成本低，但控制逻辑复杂，需要定期刷新 ,尤其是容易受到干扰 ，对环境、结构、电摞等都有较高的要求。对实时控制系统而言 ,可靠是第一位的 ,此处选用大容量静态 K*8 位 )一片。 6264 主要引脚功能： 13 位地址线 数据输入输出线 数据输出允许信号 写选通信号 片选信号 6264 主要工作方式 : 读方式 低电平， 高电平时， 6264 将数据输出到指定地址。 写方式 低电平， 为低电平时 ,允许数据输入。 封锁方式 高电平时，该芯片没被选通，不工作。 9储器及 I/O 的扩展 可编程接口芯片是指其工作方式可由与之对应的软件命令来加以改变的接口芯片。这类芯片一般具有多种功能，使用灵活方便，使用前必须由 其编程设定工作方式，然后按设定的方式进行操作。 8155 可编程并行 I/O 接口具有功能强，价格便宜，且具有与 片机配置简单、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 方便等优点。是单片机应用系统最常用的外部功能扩展器件之一。 (1)存储器与单片机联接，主要是通过三 总线联接。应考虑总线的驱动能力是否足够。存储器 2764、 6264 存储量均为 8K，需 13 位地址进行存储单元选择，将 与地址锁存器八位地址输出对应联接，将 与 89 余地址线经 译码产生片选信号。数据线联接将存储器数据输出端 89制线 89 2764联， 89外部 指令。 别与 6264 联， 89外部 行读 /写。 (2)8155 许多信号与 89容，可直接联接，因 8155 内部已有锁存器，因此 8155数据地址复合线 89直接相联。地址锁存信号 89联。片选信号 译码后产生，以高位地址 为 信号，此时对 8155 需要使用 16 位地址进行编址。 8155 的结构框图及引脚排列见图 155 工作方式查询 8155I/O 工作方式选择通过对 8155 内部命令寄存器（命令口）设定命令控制字实现。命令寄存器格式及对应的工作方式见下图 8