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设计一台单片机（89C51主控芯片）控制激光切割机床【4张CAD图纸+毕业答辩论文】

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设计一台单片机（89C51主控芯片）控制激光切割机床【全套CAD图纸+毕业答辩论文】.rar

设计一台单片机（89C51主控芯片）控制激光切割机床

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关键词：: 设计单片机 89 c51 主控芯片控制节制激光切割机床全套 cad 图纸毕业答辩论文

资源描述：

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，结构，设计

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, architecture, design

摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ

1 绪论1

1.1课题背景1

1.2现实意义1

1.3设计任务1

1.4总体设计方案分析2

2 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

3滚珠丝杠传动系统的设计计算6

3.1 强度计算6

3.2 滚珠丝杠副的传动效率6

4 直线滚动导轨的选型8

5 步进电机及其传动机构的确定9

5.1 步进电机的选用9

5.1.1 脉冲当量和步距角9

5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算9

5.1.3确定步进电机最高工作频率10

5.2齿轮传动机构的确定10

5.2.1传动比的确定10

5.2.2齿轮结构主要参数的确定11

5.3步进电机惯性负载的计算11

6 传动系统刚度的讨论13

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13

6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度13

7 消隙方法与预紧15

7.1消隙方法15

7.1.1偏心轴套调整法15

7.1.2锥度齿轮调整法16

7.1.3双片齿轮错齿调整法16

7.2预紧17

8 数控系统设计18

8.1 确定机床控制系统方案18

8.2 主要芯片配置18

8.2.1主要芯片选择18

8.2.2 主要管脚功能18

8.2.3 EPROM的选用19

8.2.4 RAM的选用20

8.2.5 89C51存储器及I/O的扩展20

8.2.6 8155工作方式查询21

8.2.7状态查询22

8.2.8 8155定时功能22

8.2.9 芯片地址分配23

8.3 键盘设计24

8.3.1键盘定义及功能24

8.3.2 键盘程序设计24

8.4 显示器设计28

8.4.1显示器显示方式的选用28

8.4.2显示器接口29

8.4.3 8155扩展I/O端口的初始化29

8.5 插补原理30

8.6光电隔离电路31

8.7越界报警电路31

8.8总体程序控制32

8.8.1流程图32

8.8.2总程序32

9 步进电机接口电路及驱动34

结论38

参考文献39

致谢40

1 绪论

1.1课题背景

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。

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内容简介：: 攀枝花学院本科毕业设计 300X400 数控激光切割机设计学生姓名：童俊学生学号： 200310621016 院（系）：机电工程学院年级专业：机械设计制造及其自动化指导教师：乔水明讲师助理指导教师：二七年六月 nts I 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，结构，设计 nts II 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 Chinas 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 motors controlling program. Key words CNC, laser cutting machine tools, architecture, design nts攀枝花学院 Panzhihua University 本科毕业设计（论文）文献综述院（系）：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：工业计算机方向学生姓名：童俊学号 : 200310621016 2007 年 4 月 10 日 nts本科生毕业设计（论文）文献综述评价表毕业设计（论文）题目 300X400 数控激光切割机设计综述名称激光加工的技术水平以及应用评阅教师姓名乔水明职称讲师评价项目优良合格不合格综述结构 01 文献综述结构完整、符合格式规范综述内容 02 能准确如实地阐述参考文献作者的论点和实验结果 03 文字通顺、精练、可读性和实用性强 04 反映题目所在知识领域内的新动态、新趋势、新水平、新原理、新技术等参考文献 05 中、英文参考文献的类型和数量符合规定要求，格式符合规范 06 围绕所选毕业设计（论文）题目搜集文献成绩综合评语：评阅教师（签字）：年月日 nts文献综述：数控激光加工的技术水平以及应用摘要：作为 20 世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术 (Laser Technology)和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。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(Laser Processing)发展的一个重要趋势。关键词：数控；激光加工 (Laser Processing)；水平；应用前言 : 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。一、激光技术 (Laser Technology)概述激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为： 1激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。 2激光加工工艺。包括切割 (laser beam cutting)、焊接 (Laser Welding)、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。二、激光加工技术的应用激光加工应用领域中， CO2 激光器以切割和焊接应用最广，分别占到 70和 20，表面处理则不到 10。而 YAG 激光器的应用是以焊接、标记（ 50）nts和切割（ 15）为主。在美国和欧洲 CO2 激光器占到了 7080。我国激光加工中以切割为主的占 10，其中 98以上的 CO2 激光器，功率在 1.5kW2kW范围内，而以热处理为主的约占 15，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本 Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。到了 80 年代， YAG 激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为 YAG 激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着 YAG 激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG 激光器已开始挤进 kw 级 CO2 激光器切割市场。 YAG 激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG 激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用 YAG 激光器的平均输出功率已由5 年前的 400w 提高到了 800w 至 1000w。打孔峰值功率高达 3050kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。 YAG 激光器的重复频度已达 2000 次 / 秒，二极管阵列泵浦的 Nd ： YAG 激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到 1 2 万小时。随着激光与材料的相互作用的进一步研究，激光加工技术也必将广泛的应用在柔性制造系统上。实现激光加工的柔性系统化主要指激光加工头能灵活机动地引导激光束到达零件的待加工位置。从激光加工机床所能加工零件的复杂程度看，又分平面二维和空间三维激光加工，大功率激光三维加工是未来激光加工的方向的发展方向，为了实现激光加工的灵活性，三维激光必须采用运动光学系统。大功率三维 YAG 激光加工系统通常采用机器人 (或机器手 )配合光导纤维进行光束传输，由机器人挟持着激光头完成各种运动，激光则通过光导纤维传送到激光加工头处，到达工件表面，这种加工系统中，光束的传输和聚焦特性不受加工位置的影响。三、目前激光加工技术研究开发的重点可归纳为： nts1、新一代工业激光器研究，目前处在技术上的更新时期，其标志是二极管泵浦全固态激光器的发展及应用； 2、精细激光加工，在激光加工应用统计中微细加工 1996 年只占 6， 1997 年翻了一倍达 12， 1998 年已增加到 19； 3、加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已成为必然的发展趋势。激光技术在我国经过 30 多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以 20的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达 90以上。四、存在的主要问题： 1、科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段； 2、激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差。国外不仅二级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中，而且二级管激光器也被应用，而我国二极管泵浦的全固态激光器还处在刚开始研究开发阶段。 3、对加工技术的研究少，尤其对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。 4、激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。结束语：激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点 , 目前它已广泛应用于材料加工等领域。激光加工的行业包括汽车制造、航天航空、电子、化工、包装、医疗设备等。与计算机数控技术相结合 , 激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术 , 拥有普通加工技术所不能比拟的优势。例如激光加工为非接触式加工、速度快、无噪声、可实现各种复杂形状的高精度加工目的 , 且无通常意义上的刀具磨损 , 无需更换刀头。可以预见，随着激光技术的发展与完善，在经济建设和国防建设中将发挥巨大作用。由上述文字我们可以发现激光加工与柔性制造系统有很好的相容性，把两者结合起来形成激光柔性加工系统，在彼此相互配合良好的条件下肯定会收到非凡的效果并取得良好的收益。参考文献 1朱晓春主编，数控技术，机械工业出版社； 2001 2蓝信钜等编著，激光技术，科学出版社； 2005 3司徒忠主编，机械工程专业英语，武汉理工大学出版社； 2001.7 4激光加工国家工程研究中心，主管部门：国家教育部 5杨洗陈李会山等，激光再制造技术及其工业应用，天津工业大学激光技术研究所 6刘雅静，特种加工方法的内容和趋势，北京航空航天大学工程训练中心先进制造部 nts攀枝花学院本科毕业设计目录目录摘要 ABSTRACT 1 绪论 . 1 1.1课题背景 . 1 1.2现实意义 . 1 1.3设计任务 . 1 1.4总体设计方案分析 . 2 2 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 3 滚珠丝杠传动系统的设计计算 . 6 3.1 强度计算 . 6 3.2 滚珠丝杠副的传动效率 . 6 4 直线滚动导轨的选型 . 8 5 步进电机及其传动机构的确定 . 9 5.1 步进电机的选用 . 9 5.1.1 脉冲当量和步距角 . 9 5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 . 9 5.1.3确定步进电机最高工作频率 . 10 5.2齿轮传动机构的确定 . 10 5.2.1传动比的确定 . 10 5.2.2齿轮结构主要参数的确定 . 10 5.3步进电机惯性负载的计算 . 11 6 传动系统刚度的讨论 . 13 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 . 13 6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 . 13 7 消隙方法与预紧 . 15 nts攀枝花学院本科毕业设计目录 7.1消隙方法 . 15 7.1.1偏心轴套调整法 . 15 7.1.2锥度齿轮调整法 . 16 7.1.3双片齿轮错齿调整法 . 16 7.2预紧 . 17 8 数控系统设计 . 18 8.1 确定机床控制系统方案 . 18 8.2 主要芯片配置 . 18 8.2.1主要芯片选择 . 18 8.2.2 主要管脚功能 . 18 8.2.3 EPROM的选用 . 19 8.2.4 RAM的选用 . 20 8.2.5 89C51存储器及 I/O的扩展 . 20 8.2.6 8155工作方式查询 . 21 8.2.7状态查询 . 22 8.2.8 8155定时功能 . 22 8.2.9 芯片地址分配 . 23 8.3 键盘设计 . 24 8.3.1键盘定义及功能 . 24 8.3.2 键盘程序设计 . 24 8.4 显示器设计 . 28 8.4.1显示器显示方式的选用 . 28 8.4.2显示器接口 . 29 8.4.3 8155扩展 I/O端口的初始化 . 29 8.5 插补原理 . 30 8.6光电隔离电路 . 31 8.7越界报警电路 . 31 8.8总体程序控制 . 31 8.8.1流程图 . 30 8.8.2总程序 . 30 9 步进电机接口电路及驱动 . 34 结论 . 38 参考文献 . 39 致谢 . 40 nts攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景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 现实意义激光切割机是光、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nts攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论 2 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 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，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图 1.1。图 1.1 系统总体原理图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。步进电机参照 RORZE 株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 RORZE 的配套驱动器产品。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厂的 FFZD 系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。本设计弃用 Z80，而选用单片机。单片机体积小、抗干扰能力强，对环境要控制器驱动器驱动器步进电机步进电机 X 向工作台 Y 向工作台 nts攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论 3 求不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了 Z80。比较后选用 89C51 为主芯片。在使用过程中 89C51 虽有 4K 的 FLASH（ E2PROM），但考虑实际情况需配备 EPROM 和 RAM，并要求时序配备。选晶体频率为 6MHz， 89C51 读取时间约为 3t，则 t 480ns ,常用 EPROM 读取时间约为 200450ns。 89C51 的读取时间应大于 ROM 要求的读取时间。 89C51 的读写时间约为 4T，则 TR 660ns，TW=800ns，常用 RAM 读写时间为 200ns 左右，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 LED 显示器。键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。 nts攀枝花学院本科毕业设计 2 机械部分 XY 工作台及 Z 轴的基本结构设计 4 2 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：工作台行程：横向 320mm，纵向 450mm 工作台最大尺寸（长宽高）： 1100 900 300mm 工作台最大承载重量： 120Kg 脉冲当量： 0.001mm/pluse 进给速度： 60 平方毫米 /min 表面粗糙度： 0.8 1.6 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 nts攀枝花学院本科毕业设计 2 机械部分 XY 工作台及 Z 轴的基本结构设计 5 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。反光镜平衡气缸直线导轨切割头Z 轴丝杆Z 轴电机图 2.1 Z 轴随动机构nts攀枝花学院本科毕业设计 3 滚珠丝杆传动设计的设计计算 6 3 滚珠丝杠传动系统的设计计算（一）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 FFZD 内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下： X 向： FFZD 2504-3/490 500 Y 向： FFZD 2504-3/500 1100 （二）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。（三）具体计算如下。 3.1 强度计算轴向负荷计算公式： aF =F+UW式（ 3.1）式中 F 切削力， F=0 W 工件重量加工作台重量 W=2301N U 滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为 0.003-0.004），取 U=0.004 则根据式（ 3.1）： aF= 0.004 2301=92N 激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的 Go=（ 0.2-0.3），aF=18.4-27.6N。对照样本参数 ,这里的 Go非常小，选定导程为 4 的滚珠丝杠副。 3.2 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为 : / ( )t g t g 式（ 3.2）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 3.1），前面已经定 v=1m/s，材料选择灰铸铁 HRC45 。所以： =400 ， tg =0.0025 ；因为 =arctg（ Ph/ d）式（ 3.3）式中 :Ph 导程， 4mm d 丝杠公称直径， 25mm 则根据式（ 3.3）： nts攀枝花学院本科毕业设计 3 滚珠丝杆传动设计的设计计算 7 2.91 则根据式（ 3.2）得： 0.953。表 3.1 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 HRC45 其它 HRC45 HRC45 其它相对速度 s m/s f f f f f 0.01 0.05 0.10 0.25 0.50 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4 5 8 10 15 24 0.110 0.090 0.080 0.065 0.055 0.045 0.040 0.035 0.030 0.028 0.024 0.022 0.018 0.016 0.014 0.013 617 509 434 343 309 235 217 200 143 136 122 116 102 055 048 045 0.120 0.100 0.90 0.075 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.031 0.029 0.026 0.024 0.020 651 543 50 9 417 343 309 252 235 217 200 147 140 129 122 109 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.03 1012 758 724 543 509 400 343 309 252 235 217 200 143 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 10 2 758 724 543 509 400 343 309 0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 1045 905 758 651 549 509 434 400 nts攀枝花学院本科毕业设计 4 直线滚动导轨的选型 8 4 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。参照南京工艺装备厂的产品系列。型号：选用 GGB 型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图 4.1。具体型号： X 向选用 GGB20BA2P， 2 500-4 Y 向选用 GGB20AB2P， 2 1100-4 图 4.1 直线滚动导轨 nts攀枝花学院本科毕业设计 5 步进电机及其传动机构的确定 9 5 步进电机及其传动机构的确定 5.1 步进电机的选用 5.1.1 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0.36o/STEP（二倍细分）。 5.1.2 步进电机上起动力矩的近似计算电机起动力矩： 12M M M式（ 5.1）式中 : M为滚珠丝杠所受总扭矩 Ml为外部负载产生的摩擦扭矩，有 : 1 / 2 ( )aM F d t g 式（ 5.2） =92 0.025/2 tg（ 2.91+0.14） =0.062N m M2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： 2 /2a o hM K F P 式（ 5.3）式中 : K 预紧时的摩擦系数， 0.1 0.3 Ph 导程， 4cm Fao 预紧力，有： Fao=Fao1+Fao2 取 Fao1=0.04 Ca=0.04 1600=640N Fao2为轴承的预紧力，轴承型号为 6004 轻系列，预紧力为 Fao2 130N。故根据式（ 5.3）： M2=0.098 N m 齿轮传动比公式为： i= Ph /(360 p)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： /qT M i式（ 5.4） =360 M p / Ph 式中 : p =l m/STEP=0.0001cm/STEP； M= M1+ M 2= 0.16N =0.36o/STEP q=0.85 Ph 0.4cm nts攀枝花学院本科毕业设计 5 步进电机及其传动机构的确定 10 0.953 则根据式（ 5.4）： Tq=360 0.16 0.0001/(3.6 0.85 0.4)=0.4 N m 因 Tq/TJM=0.866(因为电机为五相运行 )。则步进电机最大静转矩TJM=Tq/0.866=0.46 N m 5.1.3 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 0.8 N m，转动惯量为 235g/cm2 5.2 齿轮传动机构的确定 5.2.1 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： / ( 3 6 0 )hpiP 式（ 5.5）式中： Ph 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（ 5.4）得： i =0.36 4/360 0.001 =4:1=Z2/Z1 根据结构要求 ,选用 Z1 为 30， Z2 为 120 5.2.2 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： A=m（ Z1+ Z2）式（ 5.6） =1 (30+120)/2=75mm 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。 nts攀枝花学院本科毕业设计 5 步进电机及其传动机构的确定 11 5.3 步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 nJ = J + J + ( Z / Z ) ( J + J ) + J ( V / ) m D 式（ 5.7）式中： JD为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。 J0为步进电机转子轴的转动惯量 e J1为齿轮 Zl的转动惯量 J2为齿轮 Z2的转动惯量 J3为齿轮 Z3的转动惯量 mn为系统工作台质量 Vm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： J0 0忽略不计， mn=112.5Kg 齿轮惯性转矩计算公式： 22J = m = G /g 式（ 5.8）其中：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（ 5.9）最后计算可得： J1=0.1 10-3Kg. m2 J2=1.32 10-3Kg. m2 J3=2.98 10-4Kg. m2 J4=1.14 10-5Kg. m2 Vm=12 m/s D=2 rad/s 故惯性负载根据式（ 5.7）得： nts攀枝花学院本科毕业设计 5 步进电机及其传动机构的确定 12 JD=J0+J1+(Zl/Z2)（ J2 J3） + J4 (Vm/ D)2 mn =17.3 Kg. cm2 此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。 nts攀枝花学院本科毕业设计 6 传动系统刚度的讨论 13 6 传动系统刚度的分析激光切割机 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。 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： 3/ 3 * 1 0 ( / )oK E F L K g f m m 式（ 6.1）式中： E=2.06 10 -4(Kgf/ mm 2) F=754.8mm 2 L=Ls 250 mm 则根据式（ 6.1）得： K0=203.2N/mm 传动系统刚度较大，可以满足要求。 6.2 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： K F0/ 式（ 6.2）式中： K 传动系统当量刚度 F0 部件运动时的静摩擦力 N 正压力 ,N=W/g=230kgf 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： F0=230 0.004=0.92KGF nts攀枝花学院本科毕业设计 6 传动系统刚度的讨论 14 A=0.5 p=0.5 m/STEP 即满足微量进给要求的传动系统刚度为 : K F0/ 0.92/0.5 1.84Kgf/mm 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。 nts攀枝花学院本科毕业设计 7 消隙方法与预紧 15 7 消隙方法与预紧 7.1 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，

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