数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计文档格式.docx

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设计过程中，对于XY工作台的机械结构进行了具体的设计分析，选用了精度相对高的滚珠丝杠副传动系统方案，具体对传动系统中的滚珠丝杠、直线滚动导轨、齿轮进行了计算和选型；

为验证系统的可行性，对系统的刚度进行了分析；

根据系统的要求和载荷，对步进电机进行了分析和选型。

对以89C51为主控芯片的数控系统进行了硬件说明和控制程序设计。

关键词CNC；

数控激光切割机；

XY工作台；

单片机

Abstract

ThistopicdesignsforCNClasercuttingmachine.ItcompletedthedesignofXYworkbenchmechanicalstructureandtheCNCsystem.ThedesignprocesshasthedesignandanalysisofXYworkbenchmechanicalstructure.Tochoiceballscrewvicetransmissionsystemsolutionswhichhasarelativelyhighprecision.Therearespecificcalculationandselectiononballscrew,linearrollingguideandgearofthetransmissionsystem;

Inordertovalidatethefeasibilityofthesystem,thestiffnessofsystemareanalyzed.Theanalysisandselectionforsteppingmotorareaccordingtothesystem'

srequirementsandload.TherearehardwarespecificationsanddesignofcontrolprogramforCNCsystemwith89C51asthemaincontrolchip.

KeywordsCNClasercuttingmachinetoolsXYtableSinglechipmicrocomputer

目录

1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

2工作台机械结构设计

2.1XY工作台的设计

2.1.1X-Y工作台结构设计总述

2.1.2主要设计参数及依据

2.1.3XY工作台部件进给系统受力分析

2.1.4初步确定XY工作台尺寸及估算重量

2.2Z轴随动系统设计

2.3机座的设计

2.3.1机座的结构设计

2.3.2机座材料的选择

3传动系统的设计

3.1丝杠的选型

3.1.1丝杠的介绍

3.1.2丝杠螺母副的选择

3.1.3丝杠的校核

3.2滚珠丝杠支承的选择

3.2.1支承方式的选择

3.2.2轴承的选择

3.3导轨的选型及计算

3.3.1导轨的组成种类及其应满足的要求

3.3.2导轨材料的选择及热处理

3.3.3导轨的选型及长度估算

3.3.4导轨副的额定寿命计算

3.3.5滚动导轨副的技术要求

3.4步进电机的选择

3.4.1步进电机的特点

3.4.2步进电机的选型

3.4.3步进电机惯性负载的确定

3.4.4步进电机接口及电路驱动

3.5齿轮传动机构的确定

3.5.1传动比的确定

3.5.2齿轮结构主要参数的确定

3.6传动系统刚度的确定

4消隙方法与预紧

4.1消隙方法

4.2预紧

5控制系统设计

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

5.2.3EPROM的选用

5.2.4RAM的选用

5.2.589C51存储器及I/O的扩展

5.2.68155工作方式查询

5.2.7状态查询

5.2.88155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

5.5.38155扩展I/O端口的初始化

5.6插补说明

5.7光电隔离电路

5.8越界报警电路

结论

致谢

参考文献

附录

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250WCO2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。

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。

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。

通过网上查阅相关激光切割机工作台的资料，发现目前在市场上流行的主要有两种系统方案的激光切割机工作台，区别主要是在传动方式上的不同，一种是齿条齿轮传动系统，其成品样式如图1-1：

图1-1齿条齿轮传动的激光切割机

一种是滚珠丝杠传动系统的工作台，其成品样式如图1-2：

图1-2滚珠丝杠传动的激光切割机

传动体统方案的比较和选择：

（1）滚珠丝杠副的特点：

传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长、运动具有可逆性（即可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动转变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同）、不会自锁、可进行预紧和调隙。

（2）齿条与齿轮的契合在传动的过程中是相当稳定的，所以在相似的技术当中算是比较稳定的一种，它自身也拥有自身的特点：

齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式，与其它传动相比，具有传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比；

缺点是制造及安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动。

这两种方案各有其特点，本文选择滚珠丝杠为传动系统。

参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案如下：

图1-3系统总体原理图

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，经齿轮机构变速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。

其原理示意图1-3。

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。

X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。

它是本课题中传动部分的终点，也是与步进电机间接连接的机械部件。

而X-Y工作台设计的好坏，将直接影响到传动的可行性和传动精度。

X-Y工作台的机械部分的设计主要包括丝杠设计，导轨设计，轴承选型，齿轮的选型等。

工作时由步进电机带动齿轮，齿轮带动丝杠，丝杠带动工作台移动，通过控制电机的转动可以间接控制工作台的运动，唯一注意的是精度问题，要保证运动的精准控制，便要求各机械部件间的紧密契合以减小误差。

而工作台的X轴有效行程为300mm，Y轴的有效行程为400mm。

工作台本身的机械结构并不复杂，标准件和非标准件的组合关系明确清晰。

可以说，在保证工作台零件尺寸的前提下，装配高精度工作台难度并不是很大。

丝杠和导轨需要参考设计要求进行设计，轴承和齿轮为标准件，可以按照设计要求进行选取。

在设计丝杠和导轨的时候，为了达到控制精度高和传动效率高的要求，可以从以下两方面入手：

1）传动机构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠副。

丝杠的转速为中转速，精度要求为高精度。

为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与齿轮连接。

2）导向机构采用滚动直线导轨。

滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。

导轨的导向精度要求高。

本设计的XY工作台的参数定为：

①工作台行程：

横向300mm，纵向400mm

②工作台最大尺寸（长×

宽×

高）：

900×

500mm

③工作台最大承载重量：

120Kg

④脉冲当量：

0.001mm/pl