数控激光切割机XY工作台设计【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 I NC It Y NC Y To a on of In to of of to s of NC 9as Y 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 目 录 摘要 . 错误 !未定义书签。 . I 1 绪论 . 1 光技术概述 . 1 光切割技术的应用 . 1 计任务 . 2 体设计方案分析 . 2 2 工作台 机械 结构设计 . 5 Y 工作台的设计 . 5 作台结构设计总述 . 5 要设计参数及依据 . 5 Y 工作台部件进给系统受力分析 . 6 步确定 作台尺寸及估算重量 . 6 轴随动系统设计 . 6 座的设计 . 7 座的结构设计 . 7 座材料的选择 . 8 3 传动系统的设计 . 9 杠的选型 . 9 杠的介绍 . 9 杠螺母副的选择 . 10 杠的校核 . 11 珠丝杠支承的选择 . 13 承方式的选择 . 13 承的选择 . 13 轨的选型及计算 . 13 轨的组成种类及其应满足的要求 . 13 轨材料的选择及热处理 . 13 轨的选型及长度估算 . 14 轨副的额定寿命计算 . 15 动导轨副的技术要求 . 17 进电机的选择 . 17 进电机的特点 . 17 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 步进电机的选型 . 17 进电机惯性负载的确定 . 19 进电机接口及电路驱动 . 20 轮传动机构的确定 . 23 动比的确定 . 23 轮结构主要参数的确定 . 23 动系统刚度的确定 . 24 4 消隙方法与预紧 . 26 隙方法 . 26 紧 . 27 5 控制系统设计 . 29 定机床控制系统方案 . 29 要硬件配置 . 29 要芯片选择 . 29 要管脚功能 . 29 选用 . 30 选用 . 31 9储器及 I/O 的扩展 . 31 155 工作方式查询 . 32 态查询 . 33 155 定时功能 . 33 片地址分配 . 34 体程序控制 . 35 程图 . 35 程序 . 35 盘设计 . 36 盘定义及功能 . 36 盘程序设计 . 37 示器设计 . 38 示器显示方式的选用 . 38 示器接口 . 38 155 扩展 I/O 端口的初始化 . 38 补说明 . 39 电隔离电路 . 41 界报警电路 . 42 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 论 . 43 致谢 . 44 参考文献 . 45 附录 . 46 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论 光技术概述 激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。 1971 年 11 月，美国通用汽车公司率先使用一台 250W 光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于 1974 年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，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研究，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提供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。 光切割技术的应用 激光切割是用聚焦镜将 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一定轨迹作相对运动 ,从而形成一定形状的切缝 。从二十世纪七十年代以来随着 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、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料 ,成形复杂零件大批量的采用冲压 ,单件的采用振动剪。七十年代后 ,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。为了减少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 ,在工业生产中有一定的适用范围。 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，降低买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 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，以及精密细小和形状复杂的零件。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。因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。 计任务 本次设计任务是设计一台单片机（ 89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 通过网上查阅相关激光切割机工作台的资料，发现目前在市场上流行的主要有两种系统方案的激光切割机工作台，区别主要是在传动方式上的不同，一种是齿条齿轮传动系统，其成品样式如图 1 图 1齿条齿 轮传动的激光切割机 一种是滚珠丝杠传动系统的工作台，其成品样式如图 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 图 1珠丝杠传动的激光切割机 传动体统方案的比较和选择 ： （ 1）滚珠丝杠副的特点：传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长、运动具有可逆性（即可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动转变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同）、不会自锁、可进行预紧和调隙。 （ 2） 齿条与齿轮的契合在传动的过程中是相当稳定的，所以在相似的技术当中算是比较稳定的一种，它自身也拥有自身的特点：齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式， 与其它传动相比，具有传递的功率大 、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比；缺点是制造及安装精度要求高 ，成本高，不适于两轴中心距过大的传动。 这两种方案各有其特点，本文选择滚珠丝杠为传动系统。 参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案如下： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 图 1系统总体原理图 采用 89 I/驱动步进电机，经齿轮机构变速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图 1 微机控制线路图参考 51系列单片机控制 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 2 工作台 机械 结构设计 Y 工作台的设计 作台结构设计总述 向和 是本课题中传动部分的终点，也是与步进电机间接连接的机械部件。而 直接影响到传动的可行性和传动精度。 轨设计，轴承选型，齿轮的选型等。工作时由步进电机带动齿轮，齿轮带动丝杠，丝杠带动工作台移动，通过控制电机的转动可以间接控制工作台的运动，唯一注意的是精度问题，要保证运动的精准控 制，便要求各机械部件间的紧密契合以减小误差。而工作台的 00Y 轴的有效行程为 400作台本身的机械结构并不复杂，标准件和非标准件的组合关系明确清晰。可以说，在保证工作台零件尺寸的前提下，装配高精度工作台难度并不是很大。 丝杠和导轨需要参考设计要求进行设计，轴承和齿轮为标准件，可以按照设计要求进行选取。在设计丝杠和导轨的时候，为了达到控制精度高和传动效率高的要求，可以从以下两方面入手： 1）传动机构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠副。丝杠的转速为中转速，精度要 求为高精度。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与齿轮连接。 2）导向机构采用滚动直线导轨。滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。导轨的导向精度要求高。 要设计参数及依据 本设计的 工作台行程：横向 300向 400 工作台最大尺寸（长宽高）： 900 900 500 工作台最大承载重量： 120 脉冲当量： 进给速度： 均为 秒 表面粗糙度： 设计寿命：每天工作 8小时，工作 ， 250工作日 /年 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 Y 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。 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 导轨为纵向传动系统，即 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 :460 340 20料为 重为 300N ( 设中托座尺寸 (长宽高度 )为 :800 360 90料为 重为1200N（ 另外估计其他零件的重量约为 250N ( 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+ 300+1200+250+1176 2926N。 轴随动系统设计 激光切割机对 Z 轴随动机构要求非常高。在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 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 割头具有多种先进的智能和附加功能，如自动调整激光喷嘴距离、自动清洁喷嘴、同轴喷水机构、切割头转动、切割嘴摆动等。这些功能机构的增加 ,不可避免地增加了切割头的重量，成切割头的动态性能不好 ,随动机构反应不灵敏。一般来说，普通数控激光切割机 采用重力平衡设施。而高性能数控激光切割机的 上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中 ,这一点尤为重要。目前 Z 轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式 (图 2该方式重 量轻、体积小、易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。 图 2轴随动机构 座的设计 座的结构设计 机座的结构设计必须保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时还要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性及节省材料、降低成本和缩短周期等问题 ，以保证机构刚度、抗震性、热变形、稳定性等各方面满足机械系统的要求 。 1 机座自身刚度 保证自身刚度度可以从以下几点来做： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 1） 合理选择截面形状和尺寸。 2） 合理布置筋板和加强筋。 3） 合理的开孔和加盖。 2 提高机座连接处的接触刚度 在两个平面接 触处，由于微观的不平度，实际接触只是凸起部分。当受外力作用时，接触点的压力增大，产生一定的变形，这种变形称为接触变形。 为提高连接处的接触刚度，便增加实际接触面积；固定螺钉应在接触面上造成一个预压力，据此设计固定螺钉的直径和数量，以及拧紧螺母的扭矩，在安装螺钉处加厚凸缘来增加局部刚度，并提高连接刚度。 座材料的选择 机架材料的选用，主要根据机架的使用要求， 由于多数机架形状较复杂，故一般采用铸造，由于铸铁的铸造性能好，价廉和吸震性强，应用最广。 铸铁的优点： 1）它的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。 2）在铸造中加入少量合金元素可提高耐磨性能。 3）铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好。 4）铸铁还具有切削性能好、价钱便宜和易于大量生产等优点 工作台中用于镶嵌导轨的支承件选用 特点是力学性能较小，承受轻负荷，价钱较便宜。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 3 传动系统的设计 杠的选型 杠的介绍 1 丝杠螺母机构基本传动形式 滚珠丝杠副 是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件 滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。 丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。但其摩擦阻力大，传动效率低（ 30%40%）。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂制造成本高。但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高 （ 92%98%），因此选用滚动丝杠螺母机构。 2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧 滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。单螺母丝杆螺母副的间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法见表 3 表 3调整预紧方式 特点 双螺母螺纹预紧调整式 结构简单、刚性好、预紧可调，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。 双螺母齿差预紧调整式 可实现定量调整即可进行精密微 调，使用中调整方便。 双螺母垫片调整预紧式 结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。 弹簧式自动调整预紧式 能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。 单螺母变位倒程自顶预紧式和单螺母滚珠过赢预紧式 结构简单紧凑，但在使用中不能调整，且制造困难。 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必需有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或 齿差买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需要在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。 考虑到设计的所设计的工作台有良好的防尘条件且只需要在装配时调整间隙及预紧力，故采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式。 常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配是放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。 杠螺母副的选择 初 选滚珠丝杠副数据见下表 3 表 3公称直径 /程 /量 /距 /5 4 20 8 根据丝杠的工作行程初选丝杠的工作长度： 初选 00选 00珠丝杠的工作载荷计算公式为： 式（ 由条件，查机电一体化系统设计取 = = 取 = 1 . 2 1 . 2 1 . 0 6 7 5 9 7 2 1 . 2 1 . 2 1 . 0 3 2 5 4 6 8 额定动载荷值 计算： 导程初选为 4 3 0 0 0 / 4 7 5 0 / m i m a x 1 0 0 0 0 / 4 2 5 0 0 / m i n3 3447 5 0 1 2 0 09 7 2 3 6 7 1 . 51 . 6 7 1 0 1 . 6 7 1 0a F N 根据 值选择滚珠丝 杠副，假设选用按滚珠丝杠副的额定动载荷 于或稍大于 的原则，查表选以下型号规格： =文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 公称直径 25D ,导程 4hP 于 a r c t a 螺旋角 2 55 ， 滚珠 直径0 3 5d m m计算可得： 滚道半径 6 5 7( ) 丝杠内径10 2 2 e R 杠的校核 1 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳 ,所以在设计时应验算其安全系数 S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数。 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷22()其中 E=206=4 841 064 64a 取23 则2 9 852206 10 0 02( 取 972 安 全系数 55 . 5 3 1 0 5 6 8 . 9 3972 查表可得 S= SS 丝杠是安全的 ,不会失稳。 2 长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速 临界转速求丝杠的最大转速a n 9 7 2 0 . 0 0 2 5 2 . 4 3 N 2 21222 . 4 3 0 . 0 2 1 7 13 6 7 1 . 5 1 1 7 6 6 . 7 / m i . 33 a 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 所以 3 此外滚珠丝杠副还受 最大行进速度常要求： 47 1 0 / m i m m42 5 7 5 0 / m i n 1 8 7 5 0 / m i n 7 1 0 / m i m m m m m m 4 滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T N m 共同作用下引起每个导程的变形量为： 20 2 p J 式（ 式中， A 为丝杠截面积， 22114A d m。 441132CJ d mG 为丝杠切变模量，对钢 T N m 为转矩，0 )2m 中 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数； 平均工作载荷。取摩擦系数为 ,则得 8 36 3259 7 2 1 0 t a n 2 5 5 8 3 6 0 . 6 5 02T N m N m 按最不利的情况取 (F= 22 20 2 2 4114 1 6 5 . 1 9 1 02 p T p F p G J E d G d 2035 . 1 9 1 00 . 3 3 . 1 1 45 1 0LL l 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2,即 11 022 mm m 该丝杠的 满足上式，所以其刚度可满足要求。 5 效率验算： t a n t a