300×400数控激光切割机XY工作台部论文

1、250W CO2 激光器进行利用激光辐射提1974 年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材10倍。这是激光表面改性20的平均增长率，实现年CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,从而形成一定形状的CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,成形复杂零件大批量的采用冲压250W CO2 激光器进行利用激光辐射提1974 年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材10倍。这是激光表面改性20的平均增长率，实现年CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,从而形成一定形状的CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,成形复杂零件大批量的采用冲压,又推广了氧乙烷精密火,又发展了数控步冲与电加工技术。,在工业生

2、产中有一定的适用范围,同时用与激光束同轴的,目前已成为工, 单。第一章 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高材料耐磨性能的试验研究，并于质）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，

3、 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切缝。从二十世

4、纪七十年代以来随着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焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期各种切割下料方法都有其有缺点激光切割机是光、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

5、技术、激光切割机床正在各行各业中得到广1 89C51 主控芯片）控制激光切割机床，主要设计对象XY 工作台的纵、横向进给脉冲当量I/O 接口输出控制信号给驱动器，来驱动1-1。步进89C51 主控芯片）控制激光切割机床，主要设计对象XY 工作台的纵、横向进给脉冲当量I/O 接口输出控制信号给驱动器，来驱动1-1。步进电机器驱电机,同时驱动器也步进Y 向工作台泛的应用。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（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

6、容要求，只作一般了解。单片机对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X 向工作台驱动控制器动器图 1-1 系统总体原理图微机控制线路图参考 MCS51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选用 RORZE的配套驱动器产品。滚珠丝杠的生产厂

7、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，2 FFZD6MHz，89C51 读取时间约为LEDFFZD6MHz，89C51 读取时间约为LED 显示器。键盘采3t，则 t480ns ,常用 EPROM 读取时间约为力求从技术性能、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

8、况需配备 EPROM 和RAM，并要求时序配备。选晶体频率为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TR660ns，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，为简化电路采用用非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采用光电隔离电路。3 机械部分 XY工作台及 Z 轴的基本结构设计,其激光器与工件之间不直接接触机械部分 XY工作台及 Z 轴的基本结构设计,其激光器与工件之间不直接接触,各自之间均以滚动即 X向，上导轨为纵向传动系统， 即

9、,但滚珠丝杠,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。 另250N (W3)。,因此可以认第二章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） ：1100900300mm 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： 0.81.6 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、底座等零部件组成直

10、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，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副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略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:120095070mm，材料为 HT200，估重为 625N (W1)。设中托座尺寸 (长宽高度 )为:1200520220mm，材料为 HT200，估重为 250N（W2）。另外估计其他零件的重量约为加上工件最大重量约为 120Kg（1176N）(G)。4 W为: 以保证激光聚

11、焦后的5m/min。电容式传感器在,不可,随动机构反应不灵敏。Z轴拖动重量在 W为: 以保证激光聚焦后的5m/min。电容式传感器在,不可,随动机构反应不灵敏。Z轴拖动重量在 2kg以上就必须施加重力平衡设,这一点尤为重要。目前 Z轴上的重力平衡设(图2-1) 。该方式重量轻、体积小、易安装，则下托座导轨副所承受的最大负载W=W1+W2+W3+G665+250+250+11762301N 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，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

12、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。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

13、、 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避免地增加了切割头的重量，成切割头的动态性能不好一般来说，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施，特别是在高速飞行光路设计中施使用较多的是采用气缸托动方式还可根据要求调整气缸的平衡力。5 反光镜无锡职业技术学院毕业设计说明书反光镜Z轴电机Z轴丝杆平衡气缸直线导轨 切割头图 2-1 Z 轴随动机构6 滚珠丝杠传动系统的设计计算（3.1）工件重量加工作台重量滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为/tg3-1），前面已经定 v=1m/s，材（3.3）W=2301N 0.003

14、-0.004），取 U=0.004 (滚珠丝杠传动系统的设计计算（3.1）工件重量加工作台重量滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为/tg3-1），前面已经定 v=1m/s，材（3.3）W=2301N 0.003-0.004），取 U=0.004 ()（3.2）第三章（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 2504-3/490500 Y 向： FFZD 2504-3/5001100 （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

15、向的结果相同选用即可满足要求。（三） 具体计算如下。3.1 滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式：Fa=F+UW式中 F 切削力，F=0 WU则根据式（ 3.1）：Fa = 0.0042301=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），Fa =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 : tg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（见表料选择灰铸铁 HRC45。所以：=400，tg=0.0025 ；因为=arctg（Ph/d）7 丝

16、杠公称直径，锡 青 铜HRC45f0.110 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 无锡青铜其它617509434343309235217200143136122116102055048045灰铸铁HRC45f0.120 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 HRC456515435094173433092522352172001

17、47140129122109其它f0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.03 1012758724543509400343309252235217200143f0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 102758724543509400343309f0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 丝杠公称直径，锡 青 铜HRC45f0.110 0.090 0.080 0.065 0.0

18、55 0.045 0.040 0.035 0.030 0.028 0.024 0.022 0.018 0.016 0.014 0.013 无锡青铜其它617509434343309235217200143136122116102055048045灰铸铁HRC45f0.120 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 HRC45651543509417343309252235217200147140129122109其它f0.180 0.140 0.130 0.100 0.0

19、90 0.070 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.03 1012758724543509400343309252235217200143f0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 102758724543509400343309f0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 1045905758651549509434400式中:Ph导程， 4mm d 25mm 则根据式（ 3.3）：2.91则根据式（ 3.2）得：0.953。表 3-1 当量摩擦系

20、数 f 和当量摩擦角 齿圈材料齿面硬度相对速度 s m/s 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 8 直线滚动导轨的选型直线滚动导轨在数控机床中有广1/50。由于动摩擦与静摩擦90%，因此，可将机床定位精度设特别适用于反复进行起动、 停止直线滚动导轨的选型直线滚动导轨在数控机床中有广1/50。由于动摩擦与静摩擦90%，因此，可将机床定位精度设特别适用于反复进行起动、 停止减轻了重量，使机床所4-1。第四章导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种，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

21、直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少定到超微米级。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，的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，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 2030%。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

22、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，如图具体型号： X 向选用 GGB20BA2P，2 500-4 Y 向选用 GGB20AB2P，2 1100-4 9 无锡职业技术学院毕业设计说明书图 4-1 直线滚动导轨10 步进电机及其传动机构的确定脉冲当量和步距角1m/STEP，而

23、步距角越小，则加工精度越高。初选为M2lFa d/2 tg( )2（5.3）h导程，1+Fao21=0.042 2130N。故根据式（2=0.098 Nh步进电机及其传动机构的确定脉冲当量和步距角1m/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为M2lFa d/2 tg( )2（5.3）h导程，1+Fao21=0.042 2130N。故根据式（2=0.098 Nh p)M /ip h p1+ 2oh0.36 /STEP（二（5.1）（5.4）o（5.2）第五章5.1 步进电机的选用5.1.1已知脉冲当量为倍细分）。5.1.2 步进电机上起动力矩的近似计算电机起动力矩：M M1式中: M 为滚

24、珠丝杠所受总扭矩M为外部负载产生的摩擦扭矩，有 : M1=920.025/2 tg（2.91+0.14 ）=0.062Nm M为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：M2 K Fao Ph /2式中: K 预紧时的摩擦系数， 0.10.3 P 4cm Fao预紧力，有：Fao=Fao取 Fao Ca=0.04 1600=640N Fao 为轴承的预紧力， 轴承型号为 6004轻系列，预紧力为 Fao 5.3）：M m 齿轮传动比公式为： i= P /(360 ，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为：Tq=360M / P式中: =l m/STEP=0.0001cm/STEP；M= M = 0.16N

25、 =0.36 /STEP q=0.85 P 0.4cm 11 ,可以知道步进电机最高工作频率不超过0.8 Ph / (3605.4,可以知道步进电机最高工作频率不超过0.8 Ph / (3605.4）得：,参考同类型的机床后 ,选择 m1齿轮传动侧隙的消除。（5.6）1000Hz。p)（5.5）0.953 则根据式（ 5.4）：Tq=3600.160.0001/(3.6 0.850.4)=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 Nm 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Nm，转动惯量为 235g/cm25.2 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 lm/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为：i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（i =0.364/3600.001 =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