数控激光切割机毕业论文Word下载.docx

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目 录

摘 要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅰ

ABSTRACT„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ Ⅱ

4

1绪论 4

1.1课题背景 4

1.2现实意义 5

1.3设计任务 5

1.4总体设计方案分析 5

2机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计 6

2.1XY工作台的设计 7

2.1.1主要设计参数及依据 7

2.1.2XY工作台部件进给系统受力分析 7

2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量 7

2.2Z轴随动系统设计 7

3....................................................................................................................滚珠丝杠传动系统的设计计算 9

3.1强度计算 9

3.2滚珠丝杠副的传动效率 9

4直线滚动导轨的选型 11

5步进电机及其传动机构的确定 13

5.1步进电机的选用 13

5.1.1脉冲当量和步距角 13

5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 13

5.1.3确定步进电机最高工作频率 14

5.2齿轮传动机构的确定 14

5.2.1传动比的确定 14

5.2.2齿轮结构主要参数的确定 14

5.3步进电机惯性负载的计算 15

6传动系统刚度的讨论 17

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 17

6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 17

7消隙方法与预紧 19

7.1消隙方法 19

7.1.1偏心轴套调整法 19

7.1.2锥度齿轮调整法 20

7.1.3双片齿轮错齿调整法 21

7.2预紧 22

8数控系统设计 23

8.1确定机床控制系统方案 23

8.2主要芯片配置 23

8.2.1主要芯片选择 23

8.2.2主要管脚功能 23

8.2.3EPROM的选用 24

8.2.4RAM的选用 25

8.2.589C51存储器及I/O的扩展 25

8.2.68155工作方式查询 26

8.2.7状态查询 27

8.2.88155定时功能 28

8.2.9芯片地址分配 29

8.3键盘设计 29

8.3.1键盘定义及功能 29

8.3.2键盘程序设计 30

8.4显示器设计 34

8.4.1显示器显示方式的选用 34

8.4.2显示器接口 35

8.4.38155扩展I/O端口的初始化 35

8.5插补原理 36

8.6光电隔离电路 37

8.7越界报警电路 37

8.8总体程序控制 37

8.8.1流程图 36

8.8.2总程序 36

9步进电机接口电路及驱动 40

结论 44

参考文献 45

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。

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：

X向工作台

控

驱

动

器

步进

电机

5

制

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。

驱动器

Y向工作台

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。

2机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计

8

2.1XY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：

①工作台行程：

横向320mm，纵向450mm

②工作台最大尺寸（长×

宽×

高）：

1100×

900×

300mm

③工作台最大承载重量：

120Kg

④脉冲当量：

0.001mm/pluse

⑤进给速度：

60平方毫米/min

⑥表面粗糙度：

0.8～1.6

⑦设计寿命：

15年

2.1.2XY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×

高度）为:

1200×

950×

70mm，材料为HT200，估重为625N（W1）。

设中托座尺寸（长×

520×

220mm，材料为H