数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计.docx
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数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计
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。
第二章机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计
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：
工作台行程：
横向320mm，纵向450mm
工作台最大尺寸（长×宽×高）：
1100×900×300mm
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：
0.8～1.6
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×宽×高度）为:
1200×950×70mm，材料为HT200，估重为625N（W1）。
设中托座尺寸（长×宽×高度）为:
1200×520×220mm，材料为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+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N
2.2Z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，以保证激光聚焦后的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5m/min。
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。
电容式传感器在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、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,不可避免地增加了切割头的重量，成切割头的动态性能不好,随动机构反应不灵敏。
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Z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。
目前Z轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式（图2-1）。
该方式重量轻、体积小、易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。
图2-1Z轴随动机构
第三章滚珠丝杠传动系统的设计计算
（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：
FFZD2504-3/490×500
Y向：
FFZD2504-3/500×1100
（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：
（3.1）
式中F——切削力，F=0
W——工件重量加工作台重量W=2301N
U——滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为0.003-0.004），取U=0.004
则根据式（3.1）：
=0.004×2301=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），=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:
（3.2）
式中ψ—滚珠丝杠的螺纹升角
ρ＇—当量摩擦角
根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表3-1），前面已经定v=1m/s，材料选择灰铸铁HRC≥45。
所以：
ρ＇=4°00′，tgρ＇=0.0025；
因为ψ=arctg（Ph/πd）（3.3）
式中:
Ph—导程，4mm
d——丝杠公称直径，25mm
则根据式（3.3）：
ψ＝2.91°
则根据式（3.2）得：
η＝0.953。
表3-1当量摩擦系数f＇和当量摩擦角ρ＇
齿圈材料
锡青铜
无锡青铜
灰铸铁
齿面硬度
HRC≥45
其它
HRC≥45
HRC≥45
其它
相对速度υsm/s
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
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
0.110
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
6°17′
5°09′
4°34′
3°43′
3°09′
2°35′
2°17′
2°00′
1°43′
1°36′
1°22′
1°16′
1°02′
0°55′
0°48′
0°45′
0.120
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
6°51′
5°43′
5°09′
4°17′
3°43′
3°09′
2°52′
2°35′
2°17′
2°00′
1°47′
1°40′
1°29′
1°22′
1°09′
0.180
0.140
0.130
0.100
0.090
0.070
0.065
0.055
0.05
0.045
0.040
0.035
0.03
10°12′
7°58′
7°24′
5°43′
5°09′
4°00′
3°43′
3°09′
2°52′
2°35′
2°17′
2°00′
1°43′
0.180
0.140
0.130
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