買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 摘要 隨著先進制造技術的發(fā)展和進步，數(shù)控加工已成為機加工過程中的一種主流技術。這一技術的運用提高了機加工過程中工作效率和加工精度。數(shù)控激光切割機就是提高切割加工精度和效率的一種很好的機加工工具。本文采用了數(shù)控電火花切割機設計的步驟和方法，對數(shù)控激光切割機進行了設計， 主要進行了機床的機械結構優(yōu)化設計計算，伺服電機的選擇，以及數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路初步設計，及步進電機驅動電路的設計。 關鍵詞 激光切割機床、結構、數(shù)控、設計 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 of NC in of by in in NC to NC by NC It on by NC 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 目 錄 摘 要 1 緒論 . 1 . 1 . 1 . 1 . 2 2 機械部分 作臺及 . 4 Y 工作臺的設計 . 4 . 4 . 4 . 4 軸主軸頭系統(tǒng)設計 . 5 傳動系統(tǒng)的設計計算 . 6 度計算 . 6 . 6 . 7 隙方法與預緊 . 8 . 8 . 8 3 步進電機及其傳動機構的確定 . 10 . 10 . 10 . 11 . 11 進電機的選用 . 12 4 傳動系統(tǒng)剛度的討論 . 14 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 . 14 . 14 5 數(shù)控系統(tǒng)設計 . 16 定機床控制系統(tǒng)方案 . 16 要芯片配置 . 16 擇 . 16 要管腳功能 . 16 . 17 . 17 9， Q 號交流 401339828 或 11970985 片地址分配 . 22 盤設計 . 22 . 22 盤程序設計 . 23 示器設計 . 27 . 27 . 28 155擴展 I/. 28 . 29 . 29 體程序控制 . 30 . 30 . 30 進電機接口電路及驅動 . 31 . 34 . 34 6 結 論 . 36 參 考 文 獻 . 37 致謝 . 38 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 1 緒論 題背景 激光被譽為二十世紀最重大的科學發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問世就引起了材料科學家的高度重視。 1971 年 11 月，美國通用汽車公司率先使用一臺 250W 于 1974 年成功地完成了汽車轉向器殼內(nèi)表面（可鍛鑄鐵材質）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的首次工業(yè)應用。多年以來，世界 各國投入了大量資金和人力進行激光器、激光加工設備和激光加工對材料學的研究，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，激光技術已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應用，并且正逐步實現(xiàn)激光技術產(chǎn)業(yè)化，國家也將其列為 “九五 ”攻關重點項目之一。 實意義 激光切割機是光、機、電一體化高度集成設備，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，減輕工人負擔， 對制造業(yè)來說，可以說是一場技術革命。 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、磁性材料，以及精密細小和形狀復雜的零件。 數(shù)控激光切割利用高功率密度的激光束掃描過材料表面，在極短的時間內(nèi)將材料加熱到幾千至上萬攝氏度，使材料熔化或氣化，再用高壓氣體將熔化或氣化物質從切縫中吹走，從而達到切割材料的目的。 激光切割技術、激光切割機床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應用。因此研究和設計數(shù)控激光切割有很強的現(xiàn)實意義。微機控制技術正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。 計任務 本次設計任務是設計一臺單片機（ 89控芯片）控制激光切割機床，主要 設計對象是 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 、激光器等不作為設計內(nèi)容要求，只作一般了解。單片機對 向進給脈沖當量 作臺部件主要構件為滾珠絲杠副、滾動直線導軌副、步進電機、工作臺等。設計時應兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 體設計方案分析 參考數(shù)控激光切割機的有關技術資料，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動器，來驅動步進電機，經(jīng)齒輪機構減速后，帶動滾珠絲杠轉動 ，實現(xiàn)進給。其原理示意圖 圖 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，以保證質量和運行精度 ,同時驅動器也選用 配套驅動器產(chǎn)品。 滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設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 列滾珠絲杠， 即內(nèi)循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠副。 本設計棄用 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 89有 4K 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讀取時間應大于 求的讀取時間。 89讀寫時間約為 4T，則 660 制 器 驅動器 驅動器 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 3 00用 寫時間為 200右，均滿足要求。根據(jù)需要，擴展I/O 接口 8155 和 8255，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 4 2 機械部分 作臺及 Z 軸的設計 Y 工作臺的設計 要設計參數(shù)及依據(jù) 本設計的 作臺的參數(shù) 定 為： 工作臺行程：橫向 450向 650 工 作臺 加工工件 最大尺寸（長寬高） ： 600 400 200 工作臺最大承載重量： 120 脈沖當量： 進給速度： 60 平方毫米 / 表面粗糙度： 設計壽命： 15 年 Y 工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析 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 ,因此可以認為在加工過程中沒有外力負載作用。其切削力為零。 作臺部件由工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成 ,各自之間均以滾動直線導軌副相聯(lián) ,以保證相對運動精度。 設下底座的傳動系統(tǒng)為橫向傳動系統(tǒng)，即 X 向，上導軌為縱向傳動系 統(tǒng)，即 Y 向。 一般來說 ,數(shù)控切割機床的滾動直線導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、預緊措施 ,其產(chǎn)生的負載波動應控制在很小的范圍。 步確定 作臺尺寸及估算重量 初定工作臺尺寸 (長寬高度 )為 :600 400 50料為 重為 665N ( 設中托座尺寸 (長寬高度 )為 :440 1100 69料為 重為 1240N（ 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)。 則下托座導軌副所承受的最大負載 W 為 : W=2+ 665+1240+250+1176 3330N 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 軸 主軸頭 系統(tǒng)設計 激光切割機對 Z 軸 主軸頭 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量，因此，要求 Z 軸的檢測精度高于 時， 主軸頭進給 速度應大于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 ， 應注意檢測精度和對切割材料的適應性 ， 同時安裝時還需要注意采取抗干擾措施 。 因為 設計要求加工工件最大高度不超過 200以 初選絲杠高度為220照 南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列 ， 考慮到盡量減輕主軸頭的重量，故 具體型號 定 為 50420 130。 由于重力的作用，螺母不需預緊，所以Z 方向的螺母采用單螺母無預緊， 使 機構 更加 簡化。 圖 Z 軸主軸頭 原理 機構 圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 珠絲杠傳動系統(tǒng)的設計計算 根據(jù)機床的受力情況及結構尺寸，參照 南京工藝裝備廠 的產(chǎn)品系列 ，選用循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲桿，具體型號如下： X 向： 504050 550 Y 向： 50470 320 因 X 向的滾珠絲桿比 Y 向的滾珠絲桿所受的負載大，現(xiàn)只計算 X 向絲桿的相關數(shù)據(jù)， Y 向根據(jù) X 向的結果相同選用即可滿足要求。 具體計算如 下 : 度計算 軸向負荷計算公式： 式中 F 切削力， F=0 W 工件重量 +工作臺重量 W=2301N U 滾動導軌上的滾動摩擦系數(shù)（約為 ，取 U= +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 照樣本參數(shù) ,這里的 選定導程為 4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 : = +） 式中 滾珠絲杠的螺紋升角 當量摩擦角 根據(jù) 當量摩擦系數(shù)和當量摩擦角 關系 （見表 前面已經(jīng)定 v=1m/s 材料選擇 灰鑄鐵 5 所以 =400 = = d） 式中 :導程， 4mm d 絲杠公稱直徑， 27 ： = d） 則傳動效率 = +） 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 表 2. 1 當量摩擦系數(shù) f 和當量摩擦角 滾珠 材料 錫青銅 無錫青銅 灰鑄鐵 絲杠表面 硬度 5 其它 5 5 其它 相對滑動速度 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 線滾動導軌的選型 導軌主要分為滾動導軌和滑動導軌兩種， 直線滾動導軌在數(shù)控機床中有廣泛的應用。相對普通機床所用的滑動導軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點： 定位精度高 直線滾動導軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導軌的 1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運動靈活，可使驅動扭矩減少 90%，因此，可將機床定位精度設定到超微米級。 降低機床造價并大幅 度節(jié)約電力 采用直線滾動導軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復進行起動、停止的往復運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構小型化，減輕了重量，使機床所買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 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減少，故能使直線滾動導軌系統(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)設計及使用維護方面都變的非常容易了。 所以在結構上選用： 開式直線滾動導軌 。 參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列 型號 : 選用 具體型號 2 4202 560 線導軌副 隙方法與預緊 隙方法 在設計的時候采用了精度很高的膜片聯(lián)軸器，所以不存在如齒輪傳動的間隙，采用負間隙的直線導軌，也極好的達到了消隙的目的。 而數(shù)控激光切割機相對于其他數(shù)控機床而言， 加工的工件 精度要求較低，所以這樣的消隙方法完全可以滿足加工需要。 緊 滾珠絲杠副在工作臺上的支承方式有四種。本設計選用“一端固 定，一端絞支”的支承方式。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 按預加負載形式分，可分為單螺母無預緊、單螺母變位導程預緊、單螺母加大鋼球徑向預緊、雙螺母墊片預緊、雙螺母差齒預緊、雙螺母螺紋預緊。數(shù)控機床上常用雙螺母墊片式預緊，其預緊力一般為軸向載荷的 1/3。 滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點：傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩(wěn)：磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等 。 由于本 設計是數(shù)控激光切割機，精度要求相對較低，所以選用雙螺母螺紋預緊， 預緊量根據(jù)實際調(diào)節(jié)，本設計要求螺母副裝好后，左右串動不超過 圖 示。 圖 母副 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 3 步進電機及其傳動機構的確定 軸器的選用和校核 軸器的選用 聯(lián)軸器種類很多，大多數(shù)都已經(jīng)標準和系列化，所以不需要設計，直接從標準中選用即可。 聯(lián)軸器類型的選擇 根據(jù)聯(lián)軸器的類型和特點，聯(lián)軸器被分為剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器兩種： 如表 性 聯(lián) 軸器 柔性 聯(lián) 軸器 (1) 傳遞轉矩大； (2)運轉可靠； (3)工作壽命長； (4)對沖擊載荷比較敏感。 (1)具有緩沖性和吸振性，適于頻繁起動和正反轉的工作條件； (2)彈性元件比較薄弱，不適于低速和大轉矩； (3)可移性是 借助于彈性元件的變形實現(xiàn)的，因此，安裝誤差和工作中軸的變形會加快彈性元件的損壞。 固定式剛性聯(lián)軸器 可移式剛性聯(lián)軸器 要求安裝精度高和工作中軸的變形小 能不同程度地適應兩軸的安裝誤差和工作中的變形 表 軸器分類 由于 絲杠的 軸向載荷 幾乎 為零 ，而且頻繁起動和正反轉，加之使用了滾珠螺母副，其轉矩很小，所以 選用 彈性聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器型號的選擇 根據(jù)激光加工的特點及精度要求，本設計選用膜片聯(lián)軸器，膜片聯(lián)軸器的 特點為 ： 膜片聯(lián)軸器的許用補償量 ， X， Y 都相對最小， 雖然其價格相對較高，但 對于 提高激光切割精度，增加切割效率 是最合適的。 聯(lián)軸器具體型號為參數(shù)見表 稱轉矩 /用轉速/孔直徑d/孔長度/ 栓數(shù)量 螺栓直徑 L A 潤滑脂用量 /動慣量/2m 4500 1800 30 20 28 26 6 4 32 550 片聯(lián)軸器參數(shù)對照表 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 軸器的校核 由于該聯(lián)軸器所承受的轉動速度不高所以在轉速度之上可以不用校核 所以聯(lián)接螺釘也不用校核。 進電機慣性負載的計算 由資料知，激光切割機的負載可以認為是慣性負載。機械機構的慣量對運動特性有直接的影響。不但對加速能力、加速時驅動力矩及動態(tài)的快速反應有關，在開環(huán)系統(tǒng)中對運動的平穩(wěn)性也有很大的影響，因此要計算慣性負載。 限于篇幅，在此僅對進給系統(tǒng)的負載進行計算。 慣性負載可由以下公 式進行計算： 210 1 2 3 42( ) ( ) ( ) J J J J 式中： 步進電機轉子軸的轉動慣量 e 齒輪 齒輪 轉動慣量 齒輪 轉動慣量 系統(tǒng)工作臺質量 工作臺的最大移動速率 各項計算如下： 已知 0 忽略不計， 輪慣性轉矩計算公式： J= 2m= 2G/g 其中為回轉半徑 G 為轉件的重量 滾珠絲杠的慣性矩計算公式： J= 2 最后計算可得： 102 103 104 10m=12 m/s 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 D=2 s 210 1 2 3 42( ) ( ) ( ) J J J J 此值為近似值故此值小于所選電機的轉動慣量。 進電機的選用 已知脈沖當量為 10 m/激光切割機對于加工精度要求相對于其他數(shù)控機床要低，所以 初選為 進電機上起動力矩的近似計算 ： M=M 2 式中 : M 為滾珠絲杠所受總扭矩 : a d/2 +） =92 =m 內(nèi)部預緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有： 式中 : K 預緊時的摩擦系數(shù)， 導程， 4 預緊力， 有： 1600=640N 軸承的預緊力，軸承型號為 7202C 系列，預緊力為 130N。 故 (640+130) = m 傳動比公式為： i= (360 p)= =1， 故步進電機輸出軸上起動矩近似地可估算為： M p / 中 : p =10 m/ M= M 2= =q=h 60 m 因 因為電機為五相運行 ) 。則步進電機最大靜轉矩q/ m 參考有關數(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買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 1000 根據(jù)以上討論并參照樣本 ,確定選取 55步進電機 該電機的最大靜止轉矩為 m，轉動慣量為 210g/文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 14 4 傳動系統(tǒng)剛度的討論 激光切割機 作臺其實為一進給傳動系統(tǒng)，其傳動系統(tǒng)的剛度可根據(jù)不出現(xiàn)摩擦自振或保證微量進給靈敏度的條件來確定。 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 傳動系統(tǒng)中的當量剛度 K 或當扭轉剛度 C 主要由最后傳動件的剛度 定的，在估算時，取 K=C=滾珠絲杠傳動 ,其變形主要包括： (1) 絲杠拉壓變形 (2) 扭轉變形 (3) 絲杠和螺母的螺紋接觸變形及螺母座的變形。 (4) 軸承和軸承座的變形。 在工程設計和近似計算時，一般將絲杠的拉壓變形剛度的三分之一作為滾珠絲杠副的傳動剛度 據(jù)支承形式 (一端固定，一端絞支 )可得 F/3L 10 gf/式中： E 10 ) F L 250 10 3 250) 10=動系統(tǒng)剛度較大，可以滿足要求。 據(jù)微量進給的靈敏度來確定傳動系統(tǒng)剛度 此時傳動系統(tǒng)的剛度應滿足： K 式中 K 傳動系統(tǒng)當量剛度 部件運動時的靜摩擦力 N 正壓力 ,N=W/g=230 靜摩擦系數(shù)，取 則 30 部件調(diào)整時，所需的最小進給量， A=p=m/文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 15 即滿足微量進給要求的傳動系統(tǒng)剛度為 : K 合上述傳動系統(tǒng)剛度的討論可知滿足微量進給靈敏度所需 要的剛度較小，可以達到精度要求。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 16 單片機 I/O 口 擴展 驅動器 光電隔離 功 率 放 大 縱向絲 杠 存儲器擴展 驅動器 橫向絲 杠 Z 軸電機 Z 向絲杠 5 數(shù)控系統(tǒng)設計 定機床控制系統(tǒng)方案 根據(jù)機械系統(tǒng)方案的要求，可以看出：對機械部分的控制只有進給系統(tǒng)的步進電機的控制和工作臺回轉的步進電機控制?？刂葡到y(tǒng)有微機的、有 有單片機的，這里采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，可以選擇經(jīng)濟型的單片機 控制系統(tǒng)。另外，居然要控制，就得有輸入和輸出