1、 课程设计说明书题目：激光切割机数控系统指导老师：吴斌撰写人： 陆诩目录第一章 绪论1.1 激光技术概述1.2 激光切割技术的应用 1.3 设计任务1.4 总体设计方案分析第 2 章 机械部分 XY 工作台的基本结构设计2.1 XY 工作台的设计2.1.1 主要设计参数及依据2.1.2 XY 工作台部件进给系统受力分析2.1.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重量第三章 直线滚动导轨的选型第四章 步进电机及其传动机构的确定4.1 步进电机的选用4.1.1 脉冲当量和步距角4.1.2 步进电机上起动力矩的近似计算 4.1.3 确定步进电机最高工作频率4.2 齿轮传动机构的确定4.2.1 传动比
2、的确定4.2.2 齿轮的结构主要参数确定4.3 步进电机惯性负载的计算第五章 控统制系设计5.1 确定机床控制系统方案5.2 主要硬件配置5.2.1 主要芯片选择5.2.2 主要管脚功能5.2.3 EPROM 的选用5.2.4 RAM 的选用5.2.5 89C51 存储器及 I/O 的扩展5.2.6 8155 工作方式查询5.2.7 状态查询5.2.8 8155 定时功能5.2.9 芯片地址分配5.3 总体程序控制5.3.1 流程图5.3.2 主程序5.4 键盘设计5.4.1 键盘定义及功能5.4.2 键盘程序设计5.5 显示器设计5.5.1 显示器显示方式的选用5.5.2 显示器接口5.5.
3、3 8155 扩展 I/O 端口的初始化5.6 插补原理5.7 光电隔离电路5.8 越界报警电路第 6 章 总 结参考文献第一章 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 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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 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 ,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，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
9、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（E 2PROM） ，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 t480ns ,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 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
10、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。第二章 机械部分 XY 工作台的基本结构设计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,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
11、 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:120095070mm，材料为 HT200，估重为 625N (W1)。设中托座尺寸(长宽高度)为:1200520220mm，材料
12、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+W3665+250+250+11762301 第三章 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
13、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 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
14、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 3-1 直线滚动导轨第四章 步进电机及其传动机构的确定4.1 步进电机的选用4.1.1 脉冲当量和步距角已知脉冲当量为 1m/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为 0.36o/STEP（二倍细分） 。4.1.
15、2 步进电机上起动力矩的近似计算 电机起动力矩：（4.1）12M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:（4.2）1/()aFdtg=920.025/2tg（2.91+0.14）=0.062NmM2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：（4.3）2/2aohKFP式中: K预紧时的摩擦系数，0.10.3 Ph导程，4cmFao预紧力，有：Fao=Fao 1+Fao2取 Fao1=0.04Ca=0.04 1600=640NFao2为轴承的预紧力，轴承型号为 6004 轻系列，预紧力为 Fao2130N。故根据式（4.3）： M2=0.098 Nm齿轮传动比公式为：i= Ph
16、/(360 p)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： （4.4）/qTi=360M p /P h 式中: p =lm/STEP=0.0001cm/STEP；M= M1+ M 2= 0.16N=0.36 o/STEPq=0.85Ph0.4cm0.953则根据式（4.4）：Tq=3600.160.0001/(3.60.850.4)=0.4 Nm 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 Nm4.1.3 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
17、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 Nm，转动惯量为 235g/cm24.2 齿轮传动机构的确定4.2.1 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：（4.5）/(360)hpiP式中：P h 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：=0.364/3600.001i=4:1=Z2/Z1根据结构要求,选用 Z1 为 30，Z 2 为 120 4.2.2 齿轮的结构主要参数确定齿轮类型：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 m1 齿轮传
18、动侧隙的消除。中心距的计算：A=m（Z 1+ Z2） （4.6）=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。4.3 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：（4.7）0 2D1234mnJ=+(Z/)J+ (V/)D式中：J D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 eJ1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：J00 忽略不计， m n=112.5Kg齿轮惯性转矩计算公式：（4.8）2J=G/g
