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毕业设计(论文)数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计CNC LASER CUTTING MACHINE XY WORK-BENCH COMPONENTS AND SCM CONTROL DESIGN学生姓名学院名称专业名称指导教师20*年5月27日 徐州工程学院毕业设计(论文)摘要本课题针对数控激光切割机进行了设计。主要完成了XY工作台的机械结构设计和单片机的控制系统的设计。设计过程中，对于XY工作台的机械结构进行了具体的设计分析，选用了精度相对高的滚珠丝杠副传动系统方案，具体对传动系统中的滚珠丝杠、直线滚动导轨、齿轮进行了计算和选型；为验证系统的可行性，对系统的刚度进行了分析；根据系统的要求和载荷，对步进电机进行了分析和选型。对以89C51为主控芯片的数控系统进行了硬件说明和控制程序设计。关键词 CNC；数控激光切割机；XY工作台；单片机AbstractThis topic designs for CNC laser cutting machine. It completed the design of XY workbench mechanical structure and the CNC system. The design process has the design and analysis of XY workbench mechanical structure. To choice ball screw vice transmission system solutions which has a relatively high precision. There are specific calculation and selection on ball screw, linear rolling guide and gear of the transmission system; In order to validate the feasibility of the system, the stiffness of system are analyzed. The analysis and selection for stepping motor are according to the systems requirements and load. There are hardware specifications and design of control program for CNC system with 89C51 as the main control chip.Keywords CNC laser cutting machine tools XY table Single chip microcomputerI徐州工程学院毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1激光技术概述11.2激光切割技术的应用11.3设计任务21.4总体设计方案分析22 工作台机械结构设计52.1 XY工作台的设计52.1.1 X-Y工作台结构设计总述52.1.2主要设计参数及依据52.1.3 XY工作台部件进给系统受力分析62.1.4初步确定XY工作台尺寸及估算重量62.2 Z轴随动系统设计62.3 机座的设计72.3.1 机座的结构设计72.3.2机座材料的选择83 传动系统的设计93.1丝杠的选型93.1.1 丝杠的介绍93.1.2丝杠螺母副的选择103.1.3丝杠的校核113.2 滚珠丝杠支承的选择133.2.1 支承方式的选择133.2.2 轴承的选择133.3导轨的选型及计算133.3.1 导轨的组成种类及其应满足的要求133.3.2导轨材料的选择及热处理133.3.3导轨的选型及长度估算143.3.4导轨副的额定寿命计算153.3.5滚动导轨副的技术要求173.4 步进电机的选择173.4.1步进电机的特点173.4.2 步进电机的选型173.4.3步进电机惯性负载的确定193.4.4 步进电机接口及电路驱动203.5齿轮传动机构的确定233.5.1传动比的确定233.5.2齿轮结构主要参数的确定233.6传动系统刚度的确定244 消隙方法与预紧264.1 消隙方法264.2预紧275 控制系统设计295.1 确定机床控制系统方案295.2 主要硬件配置295.2.1主要芯片选择295.2.2 主要管脚功能295.2.3 EPROM的选用305.2.4 RAM的选用315.2.5 89C51存储器及I/O的扩展315.2.6 8155工作方式查询325.2.7状态查询335.2.8 8155定时功能335.2.9 芯片地址分配345.3 总体程序控制355.3.1流程图355.3.2主程序355.4 键盘设计365.4.1键盘定义及功能365.4.2 键盘程序设计375.5 显示器设计385.5.1显示器显示方式的选用385.5.2显示器接口385.5.3 8155扩展I/O端口的初始化385.6 插补说明395.7光电隔离电路415.8越界报警电路42结论43致谢44参考文献45附录461 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 CO2激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。1.2激光切割技术的应用激光切割是用聚焦镜将CO2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CO2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。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）控制激光切割机床，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XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/ pluse。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1-1：图 1-1 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 1-2：图1-2 滚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：图1-3 系统总体原理图采用89C51主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，经齿轮机构变速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图1-3。微机控制线路图参考MCS51系列单片机控制XY工作台线路图。2 工作台机械结构设计2.1 XY工作台的设计2.1.1 X-Y工作台结构设计总述X-Y工作台是指能分别沿着X 向和Y向移动的工作台。它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X-Y工作台设计的好坏，将直接影响到传动的可行性和传动精度。X-Y工作台的机械部分的设计主要包括丝杠设计，导轨设计，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X轴有效行程为300mm，Y轴的有效行程为400mm。工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。2.1.2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300mm，纵向400mm工作台最大尺寸（长宽高）：900900500mm工作台最大承载重量：120Kg脉冲当量：0.001mm/pluse进给速度：XY轴均为0.05米/秒表面粗糙度：Ra0.81.6设计寿命：每天工作8小时，工作12.5年，250工作日/年2.1.3 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。XY工作台部件由工作台、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。2.1.4初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台尺寸(长宽高度)为:46034020mm，材料为HT200，估重为300N (W1)。设中托座尺寸(长宽高度)为:80036090mm，材料为HT200，估重为1200N（W2）。另外估计其他零件的重量约为250N (W3)。加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。则下托座导轨副所承受的最大负载W为:W=W1+W2+W3+G300+1200+250+11762926N。2.2 Z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Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于5m/min。随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。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Z轴拖动重量在5kg以上时，应采用重力平衡设施。而高性能数控激光切割机的Z轴拖动重量在2kg以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2-1)。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2-1 Z轴随动机构2.3 机座的设计2.3.1 机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：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，固定接触表面的表面粗糙度应小于2.5um，以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，压强一般为2.5MPa，并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。2.3.2机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HT100，其特点是力学性能较小，承受轻负荷，价钱较便宜。3 传动系统的设计3.1丝杠的选型3.1.1 丝杠的介绍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3-1。表3-1常用的调整预紧方法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。3.1.2丝杠螺母副的选择初选滚珠丝杠副数据见下表3-2：表3-2滚珠丝杠副数据公称直径/mm导程/mm余量/mm节距/mm254208根据丝杠的工作行程初选丝杠的工作长度：初选X方向丝杠的工作长度为300mm初选Y方向丝杠的工作长度为400mm滚珠丝杠的工作载荷计算公式为： 式（3.1）由条件，查机电一体化系统设计取 =1.2，取 =1.2， 取D精度，取 =1.0，X方向丝杠工作载荷：Y方向丝杠工作载荷：额定动载荷值计算：导程初选为4mm，则 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Ca 等于或稍大于的原则，查表选以下型号规格：FC1-2505-2.5 =3671.5N公称直径,导程由于螺旋角，滚珠直径计算可得：滚道半径偏心距丝杠内径3.1.3丝杠的校核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其中 E=206Gpa L=0.3m 取 则 取 则安全系数查表可得 S=253.3 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，要求丝杠的最大转速所以 所以丝杠不会发生共振。3此外滚珠丝杠副还受最大行进速度值的限制，通常要求： 4滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为： 式（3.2）式中，为丝杠截面积，。为丝杠的极惯性矩， 为丝杠切变模量，对钢为转矩， 式中 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数； 为平均工作载荷。取摩擦系数为,则得按最不利的情况取(F=)通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式，所以其刚度可满足要求。5效率验算：要求在90%以上，所以该丝杠副合格。经上述计算验证，FC1-2505-2.5各项性能均符合题目要求，可选。3.2 滚珠丝杠支承的选择3.2.1 支承方式的选择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。3.2.2 轴承的选择轴承可以分为标准滚动轴承、非标滚动轴承、静压轴承和磁悬浮轴承。滚珠丝杠一般配用标准滚动轴承。滚动轴承已标准化系列化，有向心轴承、向心推力轴承和推力轴承，共十种类型。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架（俗称四大件）组成。在轴承设计中应根据承载的大小、旋转精度、刚度、转速等要求选用合适的轴承类型。滚珠丝杠上靠近电机端选用圆锥滚子轴承中的TIMKEN 30303轴承，参数为：内径，外径，厚度。另一端则选用深沟球轴承中的FAG 6303轴承，参数为：内径外径厚度。3.3导轨的选型及计算3.3.1 导轨的组成种类及其应满足的要求导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。运动方向为直线的被称为直线运动导轨副、为回转的被称为回转运动导轨副。常用的导轨副的种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨副、滚动导轨副、流体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性高、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。对精度要求高的直线运动导轨还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承必须符合三点定位原理 。3.3.2导轨材料的选择及热处理导轨常用的材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。常使用铸铁铸铁、铸铁刚的导轨。本课题对导轨没有什么特殊要求，考虑到各方面因素，选用灰铸铁HT200就可。一般重要的导轨，铸件粗加工后进行一次时效处理，高精度导轨铸件半精加工后还需进行第二次时效处理。常用导轨淬火方法有:1.中频淬火，淬硬层深度(12)mm。硬度(4550)HRC。2.接触加热自冷表面淬火，淬硬深度(0.20.25)mm,显微硬度600HM左右。这种淬火方法主要用于大型铸件导轨。3.3.3导轨的选型及长度估算在本次设计中，我们选择滚动直线导轨副。导轨的运动条件是常温，平稳，无冲击和震动。选择滚动直线导轨的理由如下：1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。有利于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率小，只相当普通机械的十分之一。2承载能力大，刚度高。3能实现高速直线运动，起瞬时速度比滑动导轨提高10倍。4采用滚动直线导轨副可简化设计，制造和装配工作，保证质量，缩短时间，降低成本。常见的导轨截面形状有三角形（分对称、不对称两类）、矩形、燕尾形及圆形等四种。其各自特点如下：1三角形导轨：该导轨在垂直载荷作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度高。但板面仍需要有间隙调整装置。2矩形导轨：该导轨的特点是结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，故应用广泛。3燕尾形导轨：此类导轨磨损后不能自动补偿间隙，需设间隙调整装置。两燕尾面起压板作用，用一根镶条就可调节水平与垂直的方向的间隙，且高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩。4圆形导轨：该导轨制造方便，外圆采用磨削，内孔经过研磨，可以达到精密配合，但磨损后很难调整和补偿间隙。综上，选择燕尾形导轨。X方向初选导轨型号为GGB20BAL2P 12940-4, Y方向初选导轨型号为GGB20AAL2P 21090-4。具体数据见机械设计手册9-149。导轨的长度：由于导轨长度影响工作台的工作精度和高度，一般可根据滑块导向部分的长度来确定导轨长度。其公式为： 式（3.3）由此公式估算出=300mm,=400mm其中: L导轨长度 H滑块的导向面长度 S滑块行程 l封闭高度调节量 S1滑块到上死点时，滑块露出导轨部分的长度 S2滑块到下死点时，滑块露出导轨部分的长度3.3.4导轨副的额定寿命计算X方向的导轨计算X方向初选导轨型号为 ，查机械设计手册得，这种导轨的额定动，静载荷分别为Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座。其中工作台的最大重量为:;滚动导轨的额定寿命计算公式为：式中：额定寿命（km）； 额定动载荷（KN）； 当量动载荷（KN）； 指数，当导轨体为滚珠时，=3；当为滚柱时 =10/3； 额定寿命单位（KM），滚珠时，K=50km；滚柱时，K=100km； 硬度系数；由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常可取=1温度系数，查表3-3,得=1表3-3温度系数工作温度/1001501502002002501090073060接触系数，查表3-4；得 =0.81表3-4接触系数每根导轨上的滑块数12345100081072066061精度系数，查表3-5；取 =1表3-5精度系数工作条件无外部冲击或振动的低速运动的场合，速度小于15m/min11.5无明显冲击或振动的场合，速度为1560m/min1.52有外部冲击或高速运动的场合，速度大于60m/min23.5载荷系数，查表3-6得 =1表3-6载荷系数精度等级234510100909将数据带入公式中即可算出L=2716.6km2)寿命时间的计算当行程长度一定，以h为单位的额定寿命为：式中 寿命时间（h） 额定寿命（km） 行程长度（m） 每分钟往返次数由于一年有250个工作日，每天工作8小时。则预计的工作寿命年限为：年同理，可以求得Y方向的导轨副的额定寿命：年3.3.5滚动导轨副的技术要求滚动导轨副的技术要求包括包括配合性质和公差等级、配合面的形位公差和表面粗糙度等。其精度主要根据工作精度要求，结构特点和使用条件而定。1配合性质和公差等级：对导向精度要求较高的导轨面，常用H6/h5，H7/h6，H6/g5，H7/g6等配合，对导向精度要求不高的导轨面，可用H8/h7，H8/f7等配合。这里导向精度要求高，我们选用H7/h6配合。2配合面的形位公差：导轨配合面的形位公差应根据机械对导向精度的要求而定。如导向面的直线度公差，导向面对基准平面或基准轴线的平行度公差等，一般占机械导向精度的1/21/3。本次设计中本机构导轨精度取3级。3表面粗糙度：表面粗糙度应根据相应的公差等级确定。对于普通精度的导轨，被包容件导向面的表面粗糙度幅度参数Ra在0.632.5 范围内；对于高精度的导轨，表面粗糙度幅度参数Ra在0.160.63 范围内，包容件导向面的表面粗糙度相应降一级。3.4 步进电机的选择3.4.1步进电机的特点1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 3.4.2 步进电机的选型1脉冲当量和步距角：已知脉冲当量为1m/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为0.36o/STEP（二倍细分）。2步进电机上起动力矩的近似计算：电机起动力矩： 式（3.4）式中: 为滚珠丝杠所受总扭矩为外部负载产生的摩擦扭矩，有: 式（3.5） 为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： 式（3.6）式中: 预紧时的摩擦系数，0.10.3 导程，4cm预紧力，有：取为轴承的预紧力，根据轴承型号，预紧力为。故根据式（3.6）： 齿轮传动比公式为：，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： 式（3.7） 式中: 则根据式（3.7）：因 (因为电机为五相运行)。则步进电机最大静转矩。3确定步进电机最高工作频率：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1000Hz。根据以上讨论并参照样本,确定选取M56853S型步进电机，该电机的最大静止转矩为，转动惯量为3.4.3步进电机惯性负载的确定由资料知，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： 式（3.8）式中：为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。为步进电机转子轴的转动惯量e为齿轮的转动惯量为齿轮的转动惯量为齿轮的转动惯量为系统工作台质量为工作台的最大移动速率为折算成单轴系统电动机轴角速度各项计算如下：已知：忽略不计， 齿轮惯性转矩计算公式： 式（3.9）其中：为回转半径为转件的重量滚珠丝杠的惯性矩计算公式： 式（3.10）最后计算可得：故惯性负载根据式（3.8）得：此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。3.4.4 步进电机接口及电路驱动本设计选用五相步进电机M56853S，工作方式为2细分工作方式，并选择2CK输入工作方式。步进电机由驱动器RD-0534M驱动。而单片机控制驱动器启动和停止及正反转。驱动步进电机的脉冲按顺序供给电机各相，脉冲发生由驱动器内部自动产生，并且具有各种系统保护。RD-0534M驱动器的主要控制端有：顺时方向控制端CW；逆时方向控制端CCW；运行方式控制端4PIN，所需联接控制信号由2#8155PB口控制。X、Y向步进电机各用一个驱动器控制，电机以五相方式工作。由于RD-0534M驱动器均有良好的工作性能，并且又有较强的保护功能，所以系统工作比较稳定。单片机控制RD-0534M工作时有一个脉冲电流的要求，故在两者之间加了控制三极管。以满足控制要求。单片机实现步进电机控制主要在于脉冲分配，实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。这里通过单片机发出信号经过环形分配器驱动放大直接控制，需要采用软件实现脉冲分配。横向进给采用五相十拍步进电机，五相十拍工作方式通电换相的正序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。如果P1.4-P1.0输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P1.7-P1.5三相六拍步进电机，设为1（即五相十拍步进电机工作，三相六拍步进电机不工作），控制则可用10个控制字来对应这10个通电状态。这10个控制字如表3-7所列。表3-7 状态控制字通电状态P1.4(E)P1.3(D)P1.2(C)P1.1(B)P1.0(A)控制字AB11001FCHABC11000F8HBC11001F9HCBD10001F1HCD10011F3HCDE00011E3HDE00111E7HDEA00110E6HEA01110EEHEAB01100ECH软件脉冲分配子程序:正转程序为：CW: INC R0 CJNE R0,#0AH,ZZMOVE R0,#00HZZ: MOV A,R0MOV DPTR,#ABCMOVC A,A+DPTRMOV P1,ARETABC: DB 0FCH,0F8H,0F9H,0F1H,0F3HDB 0E3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH反转程序为：CCW: DEC R0CJNE R0,#0FFH,FZMOV R0,#09HFZ: MOV A,R0MOV DPTR,#ABCMOVC A,A+DPTRMOV P1,ARET纵向进给采用三相六拍步进电机，三相六拍工作方式通电换相的正序为：A-AB-B-BC-C-CA，共有6个通电状态。如果P1.7-P1.5输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P1.4-P1.0五相十拍步进电机，设为1（即三相六拍步进电机工作，五相十拍步进电机不工作），控制则可用6个控制字来对应这6个通电状态。这6个控制字如表3-8所列。表3-8 状态控制字通电状态P1.7(C)P1.6(B)P1.5(5)控制字A110DFHAB1009FHB101BFHBC0013FHC0117FHCA0105FH软件脉冲分配子程序:正转程序为：CW: INC R1 CJNE R1,#0AH,ZZMOVE R1,#00HZZ: MOV A,R1MOV DPTR,#ABMOVC A,A+DPTRMOV P1,ARETAB: DB 0DFH,9FH,0BFH,3FH,7FH,5FH反转程序为： CCW: DEC R0CJNE R0,#0FFH,FZMOV R0,#09HFZ: MOV A,R0MOV DPTR,#ABCMOVC A,A+DPTRMOV P1,3.5齿轮传动机构的确定3.5.1传动比的确定要实现脉冲当量lm/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为： 式（3.11）式中： 为滚珠丝杠导程为步距角为脉冲当量根据前面选定的几个参数，由式（3.11）得：=0.364/3600.001=4:1=Z2/Z1根据结构要求,选用Z1为20，Z2为80。3.5.2齿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m1齿轮传动侧隙的消除。中心距的计算： 式（3.12） 齿顶高为1mm，齿根高为125mm，齿宽为20mm。齿轮材料及热处理：小齿轮Z1采用40Cr，齿面高频淬火; 大齿轮Z2采用45号钢，调质处理。3.6传动系统刚度的确定激光切割机XY工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. 根据工作台不出现摩擦自振的条件来确定传动系统的刚度传动系统中的当量刚度K或当扭转刚度C主要由最后传动件的刚度K0或C0决定的，在估算时，取K=K0，C=C0对滚珠丝杠传动,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K0，根据支承形式可得： 式（3.13）式中：则根据式（3.13）得：传动系统刚度较大，可以满足要求。2.根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度此时传动系统的刚度应满足： 式（3.14）式中：传动系统当量刚度部件运动时的静摩擦力（）正压力,静摩擦系数，取0.003-0.004部件调整时，所需的最小进给量则： 即满足微量进给要求的传动系统刚度为:结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。4 消隙方法与预紧4.1 消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。偏心轴套调整法：如图4-1，齿轮装在电动机轴上，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。图4-1 偏心轴套调整法锥度齿轮调整法：如图4-2所示将一对齿轮和的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使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4-2 锥度齿轮调整法双片齿轮错齿调整法：图4-3是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮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。4.2预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。图4-3 双片齿轮错齿调整法5 控制系统设计5.1 确定机床控制系统方案根据机械系统方案的要求，可以