買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 優(yōu)秀設(shè)計 目錄 目錄 . 1 第一章 緒論 . 3 光技術(shù)概述 . 3 光切割技術(shù)的應(yīng)用 . 3 計任務(wù) . 4 體設(shè)計方案分析 . 4 第二章 機械部分 作臺及 Z 軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 6 Y 工作臺的設(shè)計 . 6 要設(shè)計參數(shù)及依據(jù) . 6 Y 工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析 . 6 步確定 作臺尺寸及估算重量 . 6 軸隨動系統(tǒng)設(shè)計 . 7 第三章 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 . 9 珠絲杠副導(dǎo)程的確定 . 9 珠絲杠副的傳動效率 . 9 第四章 直線滾動導(dǎo)軌的 選型 . 11 第五章 步進電機及其傳動機構(gòu)的確定 . 13 進電機的選用 . 13 沖當(dāng)量和步距角 . 13 進電機上起動力矩的近似計算 . 13 M= M 2= . 13 定步進電機最高工作頻率 . 14 輪傳動機構(gòu)的確定 . 14 動比的確定 . 14 輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定 . 14 進電機慣性負(fù)載的計算 . 15 第六章 傳動系統(tǒng)剛度的分析 . 17 據(jù)工作臺不出現(xiàn)爬行的條件來確定傳動系統(tǒng)的剛度 . 17 據(jù)微量進給的靈敏度來確定傳動系統(tǒng)剛度 . 17 第七章 消隙方法與預(yù)緊 . 19 隙方法 . 19 心軸套調(diào)整法 . 19 度齒輪調(diào)整法 . 20 片齒輪錯齒調(diào)整法 . 20 緊 . 21 第八章 控制系統(tǒng)設(shè)計 . 22 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 定機床控制系統(tǒng)方案 . 22 要硬件配置 . 22 要芯片選擇 . 22 要管腳功能 . 22 選用 . 23 選用 . 24 9儲器及 I/. 24 155 工作方式查詢 . 25 態(tài)查詢 . 26 155 定時功能 . 27 片地址分配 . 28 盤設(shè)計 . 30 盤定義及功能 . 30 盤程序設(shè)計 . 31 示器設(shè)計 . 35 示器顯示方式的選用 . 35 示器接口 . 36 155 擴展 I/O 端口的初始化 . 36 補原理 . 37 電隔離電路 . 37 界報警電路 . 38 第九章 步進電機接口電路及驅(qū)動 . 39 第十章 總 結(jié) . 42 參 考 文 獻 . 44 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 第一章 緒論 術(shù)概述 激光被譽為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問世就引起了材料科學(xué)家的高度重視。 1971 年 11 月，美國通用汽車公司率先使用一臺 250W 光器進行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗研究，并于 1974 年成功地完成了汽車轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)表面（可鍛鑄鐵材質(zhì)）激光淬火工藝研究，淬硬部位的耐磨性能比未處理之前提高了 10 倍。這是激光表面改性技術(shù)的首次工業(yè)應(yīng)用。多年以來，世界各國投入了大量資金和人力進行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對材料學(xué)的 研究，促使激光加工得到了飛速發(fā)展，并獲得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。如今在中國，激光技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用，并且正逐步實現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國家也將其列為 “九五 ”攻關(guān)重點項目之一。 “十五 ”的主要工作是促進激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值 20的平均增長率，實現(xiàn)年產(chǎn)值 200 億元以上；在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加工技術(shù)，重點完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進行改造的示范工程；為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光 設(shè)備和儀器。 數(shù)控化和綜合化把激光器與計算機數(shù)控技術(shù)、先進的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。 激光切割是用聚焦鏡將 光束聚焦在材料表面使材料熔化 ,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料 ,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動 ,從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來隨著 目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主 要方法中：對于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對于薄板采用剪床下料 ,成形復(fù)雜零件大批量的采用沖壓 ,單件的采用振動剪。七十年代后 ,為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量 ,又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期 ,又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術(shù)。各種切割下料方法都有其有缺點 ,在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍 。 激光切割機是光、機、電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，與傳統(tǒng)機加工相比，激光切割機的加工精度更高、柔性化好， 有利于提高材料的利用率，降低產(chǎn)品成本，減輕工人負(fù)擔(dān)， 對制造業(yè)來說，可以說是一場技術(shù)革 命。 激光切割的適用對象主要是難切割材料，如高強度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 料，以及精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件。激光切割技術(shù)、激光切割機床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。因此研究和設(shè)計數(shù)控激光切割有很強的現(xiàn)實意義。微機控制技術(shù)正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。 本次設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一臺單片機（ 89控芯片）控制激光切割機床，主要設(shè)計對象是 作臺部件及 89片機控制原理圖。而對激光切割機其他部件如冷水機、激光器等不作為設(shè)計內(nèi)容要求，只作一般了解。單片機對 作臺的縱、作臺部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滾動直線導(dǎo)軌副、步進電機、工作臺等。設(shè)計時應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。 參考數(shù)控激光切割機的有關(guān)技術(shù)資料，確定總體方案如下： 采用 89控芯片對數(shù)據(jù)進行計算處理，由 I/O 接口輸出控制信號給驅(qū)動器，來驅(qū)動步進電機，經(jīng)齒輪機構(gòu)減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)進給。其原理示意圖 1 圖 1系統(tǒng)總體原理圖 微機控制線路圖參 考 51 系列單片機控制 作臺線路圖。 步進電機參照 式會社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質(zhì)量和運行精度 ,同時驅(qū)動器也選用 配套驅(qū)動器產(chǎn)品。 控 制 器 驅(qū) 動 器 驅(qū) 動 器 步進 電機 步進 電機 X 向工作臺 Y 向工作臺 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設(shè)計參照了漢江機床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料，力求從技術(shù)性能、價格狀況、通用互換性等各方面因素考慮，最后選用南京工藝裝備廠的 內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副。 本設(shè)計棄用 選用單片機。單片機體積小、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，性價比大大超過了 較后選用 89主芯片。在使用過程中 89K 的 但考慮實際情況需配備 要求時序配備。選晶體頻率為 689取時間約為 3t，則 t 480常用 取時間約為20045089讀取時間應(yīng)大于 求的讀取時間。 89讀寫時間約為 4T，則66000用 寫時間為 200右，均滿足要求。根據(jù)需要，擴展I/O 接口 8155，因顯示數(shù)據(jù)主要為數(shù)字及部分功能字，為簡化電路采用 示器。鍵盤采用非編碼式矩陣電路。為防止強電干擾，采用光電隔離電路。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 第二章 機械部分 作臺及 本設(shè)計的 作臺的參數(shù)定為： 工作臺行程：橫向 320向 450 工作臺最大尺寸（長寬高）： 1100 900 300 工作臺最大承載重量： 120 脈沖當(dāng)量： 進給速度： 60 平方毫米 / 表面粗糙度： 設(shè)計壽命： 15 年 因激光切割機床為激光加工 ,其激光器與工件之間不直接接觸 ,因此可以認(rèn)為在加工過程中沒有外力負(fù)載作用。其切削力為零。 間滑臺、底座等零部件組成 ,各自之間均以滾動直線導(dǎo)軌副相聯(lián) ,以保證相對運動精度。 設(shè)下底座的傳動系統(tǒng)為橫向傳動系 統(tǒng)，即 導(dǎo)軌為縱向傳動系統(tǒng)，即 一般來說 ,數(shù)控切割機床的滾動直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計 ,但滾珠絲杠副 ,以及齒輪之間的滑動摩擦不能忽略 ,這些摩擦力矩會影響電機的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施 ,其產(chǎn)生的負(fù)載波動應(yīng)控制在很小的范圍。 初定工作臺尺寸 (長寬高度 )為 :1200 950 70料為 重為 625N ( 設(shè)中托座尺寸 (長寬高度 )為 :1200 520 220料為 重為 250N（ 另外估計其他零件的重量約為 250N ( 加上工件最大重量約為 1201176N） (G)。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載 W=2+ 665+250+250+1176 2301N 軸隨動系統(tǒng)設(shè)計 激光切割機對 Z 軸隨動機構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時檢測和控制切割表面的不平度，通過伺服電機和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點在切割板材的表面位置。由于激光焦點至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量，因此，要求 時，隨動速度應(yīng) 大于 5m/動速度太快會造成切割頭上下震蕩，太慢又造成切割頭跟不上的現(xiàn)象。目前。對加工板材的檢測主要有電容、電感、電阻、激光、紅外等幾種方式。電感式和電阻式屬于傳感器，激光、紅外及電容式屬于非接觸式傳感器。電容式傳感器在運動檢測過程中不發(fā)生摩擦阻力，最適于金屬板材和高速切割加工，而激光和紅外位移傳感器對加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場合的切割加工(如強磁場、強干擾環(huán)境 )。所以在選擇傳感器時，應(yīng)注意檢測精度和對切割材料的適應(yīng)性，同時安裝時還需要注意采取抗干擾措施。 割頭具有多種先進的 智能和附加功能，如自動調(diào)整激光噴嘴距離、自動清潔噴嘴、同軸噴水機構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動、切割嘴擺動等。這些功能機構(gòu)的增加 ,不可避免地增加了切割頭的重量，成切割頭的動態(tài)性能不好 ,隨動機構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來說，普通數(shù)控激光切割機 采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機的 別是在高速飛行光路設(shè)計中 ,這一點尤為重要。目前 Z 軸上的重力平衡設(shè)施使用較多的是采用氣缸托動方式 (圖 2該方式重量輕、體積小、易安裝，還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡力。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 反光鏡平衡氣缸直線導(dǎo)軌切 割 頭Z 軸絲桿Z 軸電機圖 2Z 軸隨動機構(gòu)買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 第三章 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 （一） 根據(jù)機床的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸，參照 南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列 ，選用 循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿，具體型號如下： X 向： 50490 500 Y 向： 50400 1100 （二） 因 X 向的滾珠絲桿比 Y 向的滾珠絲桿所受的負(fù)載大，現(xiàn)只計算 X 向絲桿的相關(guān)數(shù)據(jù)， Y 向根據(jù) X 向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。 （三） 具體計算如下。 珠絲杠副導(dǎo)程的確定 軸向負(fù)荷計算公式： F+ 式中 F 切削力， F=0 W 工件重量加工作臺重量 W=2301N U 滾動導(dǎo)軌上的滾動摩擦系數(shù)（約為 取 U=根據(jù)式（ 2301=92N 激光切割機滾珠絲杠是在低速條件下工作的。 故本處的 a F=照樣本參數(shù) ,這里的 常小，選定導(dǎo)程為 4 的滾珠絲杠副。 珠絲杠副的傳動效率 滾珠絲杠副的傳動效率為 : / ( )t g t g （ 式中 滾珠絲杠的螺紋升角 當(dāng)量摩擦角 根據(jù) 當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角 關(guān)系（見表 3 前面已經(jīng)定 v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵 5 。 所以： =400 ， = 因為 = d） （ 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 式中 :導(dǎo)程， 4mm d 絲杠公稱直徑， 25根據(jù)式（ 則根據(jù)式（ ： 表 3當(dāng)量 摩擦系數(shù) f 和當(dāng)量摩擦角 齒圈材料 錫 青 銅 無錫青銅 灰鑄鐵 齒面硬度 5 其它 5 5 其它 相對速度 s m/s f f f f f 5 8 10 15 24 17 509 434 343 309 235 217 200 143 136 122 116 102 055 048 045 51 543 509 417 343 309 252 235 217 200 147 140 129 122 109 012 758 724 543 509 400 343 309 252 235 217 200 143 0 2 758 724 543 509 400 343 309 045 905 758 651 549 509 434 400 買文檔 就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 第四章 直線滾動導(dǎo)軌的選型 導(dǎo)軌主要分為滾動導(dǎo)軌和滑動導(dǎo)軌兩種， 直線滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機床中有廣泛的應(yīng)用。相對普通機床所用的滑動導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點： 定位精度高 直線滾動導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導(dǎo)軌的 1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運動靈活，可使驅(qū)動扭矩減少 90%，因此，可將機床定位精度設(shè)定到超微米級。 降低機床造價并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動導(dǎo)軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進行起動、停止的往復(fù)運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構(gòu)小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低 90%，具有大幅度節(jié)能的效果。 可提高機床的運動速度 直線滾動導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可 實現(xiàn)機床的高速運動，提高機床的工作效率 20 30%。 可長期維持機床的高精度 對于滑動導(dǎo)軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小滾動面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動導(dǎo)軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計及使用維 護方面都變的非常容易了。 所以在結(jié)構(gòu)上選用：開式直線滾動導(dǎo)軌 。參照 南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。 型號：選用 四方向等載荷型滾動直線導(dǎo)軌副 ，如圖 4 具體型號： X 向選用 2 500Y 向選用 2 1100文檔 就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 圖 4直線滾動導(dǎo)軌 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 第五 章 步進電機及其傳動機構(gòu)的確定 進電機的選用 沖當(dāng)量和步距角 已知脈沖當(dāng)量為 1 m/步距角越小，則加工精度越高。倍細(xì)分）。 電機起動力矩： 12M M M（ 式中 : : 1 / 2 ( ) d t g （ =92 =m ： 2 /2a o F P （ 式中 : K 預(yù)緊時的摩擦系數(shù)， 導(dǎo)程， 4 預(yù)緊力， 有： 1600=640N 承型號為 6004 輕系列，預(yù)緊力為 130N。故根據(jù)式（ m 齒輪傳動比公式為： i= (360 p)，故步進電機輸出軸上起動矩近似地可估算為： / i（ =360 M p / 式中 : p =l m/ M= M 2= =文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 q=h 根據(jù)式（ 60 m 因 為電機為五相運行 )。則步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩q/ m 參考有關(guān)數(shù)控激光切割機床的資料 ,可以知道步進電機最高工作頻率不超過1000 根據(jù)以上討論并參照樣本 ,確定選取 步進電機，該電機的最大靜止轉(zhuǎn)矩為 m，轉(zhuǎn)動慣量為 235g/要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量 l m/設(shè)計要求，必須通過齒輪機構(gòu)進行分度，其傳動比為： / ( 3 6 0 ) （ 式中： 為滾珠絲杠導(dǎo)程 為步距角 p 為脈沖當(dāng)量 根據(jù)前面選定的幾個參數(shù)，由 式（ ： i =4/360 4:1=1 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求 ,選用 30， 120 齒輪類型：選擇直齒加工方便。 模數(shù)選擇：本工作臺負(fù)載相當(dāng)輕 ,參考同類型的機床后 ,選擇 m 1 齒輪傳動側(cè)隙的消除。 中心距的計算： A=m（ （ 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 =1 (30+120)/2=75頂高為 1根高為 125寬為 20 齒輪材 料及熱處理： 小齒輪 用 40面高頻淬火 ; 大齒輪 用 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理。 由資料知，激光切割機的負(fù)載可以認(rèn)為是慣性負(fù)載。機械機構(gòu)的慣量對運動特性有直接的影響。不但對加速能力、加速時驅(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應(yīng)有關(guān)，在開環(huán)系統(tǒng)中對運動的平穩(wěn)性也有很大的影響，因此要計算慣性負(fù)載。限于篇幅，在此僅對進給系統(tǒng)的負(fù)載進行計算。 慣性負(fù)載可由以下公式進行計算： 0 2D 1 1 2 2 3 4 m J + J + ( Z / Z ) ( J + J ) + J ( V / ) m D （ 式中： 算到電機軸上的慣性負(fù)載。 e 2的轉(zhuǎn)動慣量 3的轉(zhuǎn)動慣量 各項計算如下： 已知： 0忽略不計， 輪慣性轉(zhuǎn)矩計算公式： 22J = m = G /g （ 其中： 為回轉(zhuǎn)半徑 滾珠絲杠的慣性矩計算公式： J= 2 （ 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 最后計算可得： 102=103=104=10m=12 m/s D=2 s 故慣性負(fù)載根據(jù)式（ ： 0+2)（ + D)2 g. 值為近似值故此值小于所選電機的轉(zhuǎn)動慣量。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 第六章 傳動系統(tǒng)剛度的分析 激光切割