数控激光切割机XY工作台部件的设计（含全套CAD图纸） .pdf

图书分类号 密 级 毕业设计 论文 数控激光切割机 数控激光切割机 xy xy 工作台 工作台 部件及单片机控制设计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 i 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 关键词关键词 cnc 数控激光切割机 xy 工作台 单片机 ii abstract this 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 system s 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 microcomputer 1 目 目 录录 摘要 i abstract ii 1 绪论 4 1 1 激光技术概述 4 1 2 激光切割技术的应用 4 1 3 设计任务 5 1 4 总体设计方案分析 5 2 工作台机械结构设计 8 2 1 xy 工作台的设计 8 2 1 1 x y 工作台结构设计总述 8 2 1 2 主要设计参数及依据 8 2 1 3 xy 工作台部件进给系统受力分析 9 2 1 4 初步确定 xy 工作台尺寸及估算重量 9 2 2 z 轴随动系统设计 9 2 3 机座的设计 10 2 3 1 机座的结构设计 10 2 3 2 机座材料的选择 11 3 传动系统的设计 12 3 1 丝杠的选型 12 3 1 1 丝杠的介绍 12 3 1 2 丝杠螺母副的选择 13 3 1 3 丝杠的校核 14 3 2 滚珠丝杠支承的选择 16 3 2 1 支承方式的选择 16 3 2 2 轴承的选择 16 3 3 导轨的选型及计算 16 3 3 1 导轨的组成种类及其应满足的要求 16 3 3 2 导轨材料的选择及热处理 16 3 3 3 导轨的选型及长度估算 17 3 3 4 导轨副的额定寿命计算 18 3 3 5 滚动导轨副的技术要求 20 3 4 步进电机的选择 20 3 4 1 步进电机的特点 20 2 3 4 2 步进电机的选型 20 3 4 3 步进电机惯性负载的确定 22 3 4 4 步进电机接口及电路驱动 23 3 5 齿轮传动机构的确定 26 3 5 1 传动比的确定 26 3 5 2 齿轮结构主要参数的确定 26 3 6 传动系统刚度的确定 27 4 消隙方法与预紧 29 4 1 消隙方法 29 4 2 预紧 30 5 控制系统设计 32 5 1 确定机床控制系统方案 32 5 2 主要硬件配置 32 5 2 1 主要芯片选择 32 5 2 2 主要管脚功能 32 5 2 3 eprom 的选用 33 5 2 4 ram 的选用 34 5 2 5 89c51 存储器及 i o 的扩展 34 5 2 6 8155 工作方式查询 35 5 2 7 状态查询 36 5 2 8 8155 定时功能 36 5 2 9 芯片地址分配 37 5 3 总体程序控制 38 5 3 1 流程图 38 5 3 2 主程序 38 5 4 键盘设计 39 5 4 1 键盘定义及功能 39 5 4 2 键盘程序设计 40 5 5 显示器设计 41 5 5 1 显示器显示方式的选用 41 5 5 2 显示器接口 41 5 5 3 8155 扩展 i o 端口的初始化 41 5 6 插补说明 42 5 7 光电隔离电路 44 5 8 越界报警电路 45 3 结论 46 致谢 47 参考文献 48 附录 49 4 1 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 5 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 6 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 7 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 mcs 51 系列单片机控制 xy 工作台线路图 8 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 900 900 500mm 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 8 1 6 设计寿命 每天工作 8 小时 工作 12 5 年 250 工作日 年 9 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 460 340 20mm 材料为 ht200 估重 为 300n w1 设中托座尺寸 长 宽 高度 为 800 360 90mm 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 g 300 1200 250 1176 2926n 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 10 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 11 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 a r 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 12 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 13 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 mm 25 4 20 8 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 m a h f c k k k k f 式 3 1 由条件 查 机电一体化系统设计 取 f k 1 2 取 h k 1 2 取 d 精度 取 a k 1 0 x 方向丝杠工作载荷 1 2 1 2 1 0 675972 x fn y 方向丝杠工作载荷 1 2 1 2 1 0 325468 y fn 额定动载荷值 ca 计算 导程初选为 4mm 则 3000 4750 min m nr max 10000 42500 min nr 3 3 44 750 1200 9723671 5 1 67 101 67 10 mn c n l cafn 根据 ca 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 ca 的原则 查表选以下型号规格 fc1 2505 2 5 ca 3671 5n 14 公称直径 25 dmm 导程 4 h pmm 由于 arctan h p d 螺旋角 2 55 滚珠直径 0 3 175 dmm 计算可得 滚道半径 651 1 175 3 52 0 52 0 0 d r 偏心距 0 3 175 0 07 0 07 1 651 0 0044 22 d ermm 丝杠内径 10 22252 0 00442 1 65121 71 ddermm 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 2 2 a cr ei f l 其中 e 206gpa l 0 3m 44 84 1 0 02171 1 09 10 6464 a d im 取 2 3 则 298 5 2 206 101 09 10 5 53 10 2 0 3 3 cr fn 取 972 m fn 则安全系数 5 5 53 10 568 93 972 cr m f s f 查表可得 s 253 3 s s 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 cr n 要求丝杠的最大转速 cr n max n tan972 0 00252 43 cc ffn 2 2 1 22 2 430 02171 3671 511766 7 min 2 0 3 3 c cr fd ncar l 15 所以 cr n max n 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 n d 值的限制 通常要求 4 7 10 min n dmm 4 25 750 min18750 min7 10 min n dmmmmmm 4 滚珠丝杠在工作负载 f n 和转矩 t n m i 共同作用下引起每个导程的变 形量为 2 0 2 c pfp t l eagj 式 3 2 式中 a为丝杠截面积 22 1 1 4 adm c j 为丝杠的极惯性矩 44 1 1 32 c jdm g 为丝杠切变模量 对钢 83 3 ggpa t n m i 为转矩 0 tan 2 m d tf h pp 式中 为摩擦角 其正切函数值为摩擦系数 m f 为平均工作载荷 取摩 擦系数为 tan0 0025 则得 8 36 3 25 97210tan 2 558 360 650 2 tn mn m ii 按最不利的情况取 f m f 22 2 0 224 11 416 5 19 10 2 c pfp tpfp t lm eagjedgd 2 0 3 5 19 10 0 33 114 5 10 l llm p 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1 2 即 11 0 020 0110 22 lmmm 该丝杠的 l 满足上式 所以其刚度可满足要求 5 效率验算 tantan2 55 0 953 tantan 2 558 36 16 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 17 dmm 外径 47 dmm 厚度 15 25 bmm 另一端则选用深沟球轴承 中的 fag 6303 轴承 参数为 内径 17 dmm 外径 47 dmm 厚度 14 bmm 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 17 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 1 2 mm 硬度 45 50 hrc 2 接触加热自冷表面淬火 淬硬深度 0 2 0 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 12 940 4 y 方向初选导轨型号为 ggb20aal2p 2 1090 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 12 1 lhsss 式 3 3 18 由此公式估算出 x l 300mm y l 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 300 gn 1234 1 200 4 ffffgfn 滚动导轨的额定寿命计算公式为 thcaa wc f f f f c lk f p 式中 l 额定寿命 km a c 额定动载荷 kn c p 当量动载荷 kn 指数 当导轨体为滚珠时 3 当为滚柱时 10 3 k 额定寿命单位 km 滚珠时 k 50km 滚柱时 k 100km h f 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 h f 1 t f 温度系数 查表 3 3 得 t f 1 表 3 3 温度系数 工作温度 c 0 100 100 150 150 200 200 250 t f 1 0 90 0 73 0 60 19 c f 接触系数 查表 3 4 得 c f 0 81 表 3 4 接触系数 每根导轨上 的滑块数 1 2 3 4 5 c f 1 00 0 81 0 72 0 66 0 61 a f 精度系数 查表 3 5 取 a f 1 表 3 5 精度系数 工作条件 a f 无外部冲击或振动的低速运动的场合 速度小于 15m min 1 1 5 无明显冲击或振动的场合 速度为 15 60m min 1 5 2 有外部冲击或高速运动的场合 速度大于 60m min 2 3 5 w f 载荷系数 查表 3 6 得 w f 1 表 3 6 载荷系数 精度等级 2 3 4 5 w f 1 0 1 0 0 9 0 9 将数据带入公式中即可算出 l 2716 6km 2 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 0 50 5 pm step 33 2 102716 6 10 30592 3 2602 0 74 1 60 h a l lh ln 式中 h l 寿命时间 h l 额定寿命 km a l 行程长度 m 2 n 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 2 15 8 250 3 30592 h l 年 同理 可以求得 y 方向的导轨副的额定寿命 km 26340 l 8 13 h l 年 20 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 2 1 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 63 2 5 范围内 对于高 精度的导轨 表面粗糙度幅度参数 ra 在 0 16 0 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 21 1 脉冲当量和步距角 已知脉冲当量为 1 m step 而步距角越小 则加工精度越高 初选为 0 36 o 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 12 mmm 式 3 4 式中 m 为滚珠丝杠所受总扭矩 1 m 为外部负载产生的摩擦扭矩 有 1 tan 2 a d mf 式 3 5 0 025 92tan 2 558 36 2 0 061n m i 2 m 为内部预紧所产生的摩擦扭矩 有 2 2 aoh mkfp 式 3 6 式中 k 预紧时的摩擦系数 0 1 0 3 h p 导程 4cm ao f 预紧力 有 12 aoaoao fff 取 1 0 040 04 3671 5146 86 ao fcan 2 ao f 为轴承的预紧力 根据轴承型号 预紧力为 2 130 ao fn 故根据式 3 6 2 0 098 mn m i 齿轮传动比公式为 360 hp ip 故步进电机输出轴上起动矩近似 地可估算为 p m t i 式 3 7 360 p h m p 式中 1 0 0001 p m stepcm step 12 0 16 mmmn 0 36 step 0 85 q 0 4 h pcm 22 0 953 则根据式 3 7 0 0001 360 0 160 4 3 60 85 0 4 p tn m i 因 0 866 p ttjm 因为电机为五相运行 则步进电机最大静转矩 0 8660 46 p tjmtn m i 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0 8n m i 转动惯量为 2 235g cm i 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 0 2 d112234mn j j j z z j j j v m d 式 3 8 式中 d j 为 整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载 0 j 为 步进电机转子轴的转动惯量 e 1 j 为 齿轮 1 z 的转动惯量 2 j 为 齿轮 2 z 的转动惯量 3 j 为 齿轮 3 z 的转动惯量 n m 为 系统工作台质量 m v 为 工作台的最大移动速率 d 为 折算成单轴系统电动机轴角速度 各项计算如下 已知 0 0 j 忽略不计 112 5 n mkg 齿轮惯性转矩计算公式 22 j m g g 式 3 9 其中 23 为回转半径 g 为转件的重量 滚珠丝杠的惯性矩计算公式 j rld 32 式 3 10 最后计算可得 32 1 0 1 10 jkg m i 32 2 1 32 10 jkg m i 42 3 2 98 10 jkg m i 52 4 1 14 10 jkg m i 12 m vm s 2 d rad s 故惯性负载根据式 3 8 得 2 0112234 dmdn jjjzzjjjvm 2 17 3kg m i 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 24 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 ab 1 1 0 0 1 fch abc 1 1 0 0 0 f8h bc 1 1 0 0 1 f9h cbd 1 0 0 0 1 f1h cd 1 0 0 1 1 f3h cde 0 0 0 1 1 e3h de 0 0 1 1 1 e7h dea 0 0 1 1 0 e6h ea 0 1 1 1 0 eeh eab 0 1 1 0 0 ech 软件脉冲分配子程序 正转程序为 cw inc r0 cjne r0 0ah zz move r0 00h zz mov a r0 mov dptr abc movc a a dptr mov p1 a ret abc db 0fch 0f8h 0f9h 0f1h 0f3h db 0e3h 0e7h 0e6h 0eeh 0ech 反转程序为 ccw dec r0 cjne r0 0ffh fz mov r0 09h fz mov a r0 25 mov dptr abc movc a a dptr mov p1 a ret 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 a 1 1 0 dfh ab 1 0 0 9fh b 1 0 1 bfh bc 0 0 1 3fh c 0 1 1 7fh ca 0 1 0 5fh 软件脉冲分配子程序 正转程序为 cw inc r1 cjne r1 0ah zz move r1 00h zz mov a r1 mov dptr ab movc a a dptr mov p1 a ret ab db 0dfh 9fh 0bfh 3fh 7fh 5fh 反转程序为 ccw dec r0 cjne r0 0ffh fz mov r0 09h fz mov a r0 mov dptr abc movc a a dptr 26 mov 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 l m step 的设计要求 必须通过齿轮机构进行分度 其传 动比为 360 hp ip 式 3 11 式中 h p 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 3 11 得 i 0 36 4 360 0 001 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 m 1 齿轮传 动侧隙的消除 中心距的计算 12 amzz 式 3 12 12080 250mm 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 27 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 0 3 310 ef knmm l 式 3 13 式中 42 2 06 10 en mm 2 754 8 fmm 250 llsmm 则根据式 3 13 得 0 203 2 kn mm 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 0 kf 式 3 14 式中 k 传动系统当量刚度 0 f 部件运动时的静摩擦力 0 ffn n 正压力 230 nwgn f 静摩擦系数 取 0 003 0 004 部件调整时 所需的最小进给量 则 0 230 0 0040 92 fn 0 50 5 pm step 即满足微量进给要求的传动系统刚度为 0 0 92 0 51 84 kfn mm 28 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 29 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