300X400数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计【5张CAD图纸+毕业论文】

300X400数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计

46页 16000字数+说明书+任务书+调研报告+5张CAD图纸【详情如下】

XY向进给装配图.dwg

Z轴部件.dwg

摘要及目录.doc

机床总装配图.dwg

毕业设计任务书.doc

毕业设计说明书封面.doc

电气连接图.dwg

立柱零件图.dwg

调研报告.doc

300×400数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计论文.doc

300×400数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计

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状复杂的零件，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、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控制程序设计。

关键词  CNC，激光切割机床，XY工作台，单片机

300 × 400 CNC laser cutting machine XY

table parts and SCM control design

ABSTRACT：Laser cutting machine tool was usually used for the hard-cutting material, such as high-strength material, high precision ductile materials, and smart and complicated components. So, CNC laser cutting has been playing an important role in China's manufacturing industry.

This paper describes the design of a SCM-controlled CNC laser cutting machine tools. More attention was paid on the overall machine design, Z axis, XY axis in the design, ball-screw and the choice of linear motion guide and intensity analysis; the drive system into which stepper motor was put and the analysis of the drive system design; 89C51 chip was mainly used for the design of hardware circuit, the design of system initialization and the design of stepper motor’s controlling program.

Key words  CNC, laser cutting machine tools, XY table ,Single chip microcomputer

目 录

第一章  绪论……………………………………………………………………  1

1.1激光技术概述………………………………………………………………… 1

1.2激光切割机的应用…………………………………………………………… 1

1.3设计任务……………………………………………………………………… 1

1.4总体设计方案分析…………………………………………………………… 2

第二章  机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计…………………………4

2.1 XY工作台的设计………………………………………………………………4

2.1.1主要设计参数及依据………………………………………………………4

2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析……………………………………… 4

2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量……………………………………4

2.2 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………………………………………… 7

3.1 滚珠丝杠副导程的确定……………………………………………………… 7

3.2 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………………………………………… 11

5.1 步进电机的选用……………………………………………………………… 11

5.1.1 脉冲当量和步距角……………………………………………………… 11

5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算………………………………………  11

5.1.3确定步进电机最高工作频率……………………………………………  12

5.2齿轮传动机构的确定…………………………………………………………12

5.2.1传动比的确定……………………………………………………………  12

5.2.2齿轮结构主要参数的确定………………………………………………  12

5.3步进电机惯性负载的计算……………………………………………………13

第六章  传动系统刚度的确定……………………………………………………15

6.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度……………………15

6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度………………………………15

第七章  消隙方法与预紧…………………………………………………………17

7.1消隙方法………………………………………………………………………17

7.1.1偏心轴套调整法…………………………………………………………  17

7.1.2锥度齿轮调整法…………………………………………………………  18

7.1.3双片齿轮错齿调整法……………………………………………………  18

7.2预紧……………………………………………………………………………19

第八章  控制系统设计……………………………………………………………20

8.1 确定机床控制系统方案………………………………………………………20

8.2 主要硬件配置…………………………………………………………………20

8.2.1主要芯片选择……………………………………………………………  20

8.2.2 主要管脚功能……………………………………………………………  20

8.2.3 EPROM的选用…………………………………………………………… 21

8.2.4 RAM的选用……………………………………………………………… 22

8.2.5 89C51存储器及I/O的扩展……………………………………………… 22

8.2.6 8155工作方式查询………………………………………………………  23

8.2.7状态查询…………………………………………………………………   24

8.2.8 8155定时功能……………………………………………………………  25

8.2.9 芯片地址分配……………………………………………………………  26

8.3总体程序控制…………………………………………………………………  27

8.3.1流程图……………………………………………………………………… 27

8.3.2总程序……………………………………………………………………… 27

8.4 键盘设计……………………………………………………………………… 28

8.4.1键盘定义及功能…………………………………………………………… 28

8.4.2 键盘程序设计……………………………………………………………… 29

8.5 显示器设计 …………………………………………………………………… 33

8.5.1显示器显示方式的选用…………………………………………………… 33

8.5.2显示器接口………………………………………………………………… 34

8.5.3 8155扩展I/O端口的初始化……………………………………………… 34

8.6 插补原理 ……………………………………………………………………… 35

8.7光电隔离电路 ………………………………………………………………… 35

8.8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

第二章  机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计

2.1 XY工作台的设计

2.1.1主要设计参数及依据

本设计的XY工作台的参数定为：

①工作台行程：横向320mm，纵向450mm

②工作台最大尺寸（长×宽×高）：1100×900×300mm

③工作台最大承载重量：120Kg

④脉冲当量：0.001mm/pluse

⑤进给速度：60平方毫米/min

⑥表面粗糙度：0.8～1.6

⑦设计寿命：15年

2.1.2 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。

2.1.3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:1200×950×70mm，材料为HT200，估重为625N (W1)。

设中托座尺寸(长×宽×高度)为:1200×520×220mm，材料为HT200，估重为250N（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＝665+250+250+1176＝2301N

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。

参 考 文 献

[1] 张学仁.数控电火花线切割加工技术. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2000

[2] 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社出版，2002

[3] 郑玉华.典型机械（电）产品构造. 北京：北京科学出版社，2006

[4] 陈婵娟.数控机床设计. 北京：化学工业出版社，2006

[5] 李秉操等.单片机原理及其在工业控制中的应用. 陕西：陕西电子编辑部，1991

[6] 文秀兰等.超精密加工技术与设备. 北京：化学工业出版社，2006

[7] RORZE株式会社.RORZE综合手册.1996

[8] 胡传昕.特种加工手册. 北京：北京出版社，2001

[9] 林其俊.机床数控系统. 北京：中国科学技术出版社，1991

[10] 王爱玲.现代数控机床结构与设计. 北京：兵器工业出版社，1999

[11] 赵万生.电火花加工技术. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2000

[12] 徐灏.新编机械设计师手册. 北京：机械工业出版社版，2006

[13] 余承业等.特种加工新技术. 北京：北京国防工业出版社，1995

[14] 冯辛安.机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社，1999

[15] 刘书华.数控机床与编程. 北京：机械工业出版社，2001

[16] S.卡尔帕基安，S.R.施密德.制造工程与技术（机加工）（英文版）及学习辅导（上册）. 北京：机械工业出版社 ,1998

[17] Patton W.J. Mechanical Power Transmission. New Jersey: Printice-Hall,1980