目 录
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。
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200~450ns。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。
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