無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書PAGEPAGE14第一章緒論激光技術(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197111250WCO21974年成功地完成了汽車轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)表面（質(zhì)10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(jìn)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“九五”“五”的主要工作是促進(jìn)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200石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)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(jìn)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。激光切割技術(shù)的應(yīng)用CO2CO2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)中得到廣無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書泛的應(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。設(shè)計任務(wù)本次設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一臺單片機（89C51主控芯片）控制激光切割機床，主要設(shè)計對象是XY工作臺部件及89C51單片機控制原理圖。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 XY工作臺的縱、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.001mm/pluse工作臺部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副滾動直線導(dǎo)軌副步進(jìn)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。總體設(shè)計方案分析參考數(shù)控激光切割機的有關(guān)技術(shù)資料，確定總體方案如下：89C51I/O1-1。驅(qū)步進(jìn)控動器電機制X向工作臺器驅(qū)動器X向工作臺器驅(qū)動器步進(jìn)電機Y向工作臺微機控制線路圖參考MCS－51系列單片機控制XY工作臺線路圖。步進(jìn)電機參照RORZE株式會社的產(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RORZE的配套驅(qū)動器產(chǎn)品。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FFZD系列滾珠絲杠，即內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副。本設(shè)計棄用Z80，而選用單片機。單片機體積小、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，可Z8089C5189C514KFLAS（PROM，但考慮實際情況需配備EPROMRAM選晶體頻率為6MHz，89C51讀取時間約為3t，則t＝480ns,常用EPROM讀取時間約為200~450ns89C51ROM89C514T，則TR＝660ns，TW=800nsRAM200ns左右，均滿足要求。根據(jù)需要，擴展I/O8155，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LED顯示器。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。無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書第二章 機械部分XY工作臺及Z軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計XY主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù)本設(shè)計的XY工作臺的參數(shù)定為：①工作臺行程：橫向320mm，縱向450mm②工作臺最大尺寸（長×寬×高：110×900×300mm③工作臺最大承載重量：120Kg④脈沖當(dāng)量：0.001mm/pluse⑤進(jìn)給速度：60平方毫米/min⑥表面粗糙度：0.8～1.6⑦設(shè)計壽命：15年XY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。XY直線導(dǎo)軌副相聯(lián),以保證相對運動精度。XYXY初定工作臺尺寸(長×寬×高度)為:1200×950×70mm，材料為HT200，625N(W1)。設(shè)中托座尺寸(長×寬×高度)為:1200×520×220mm，材料為HT200250N（W2。250N(W3)。加120Kg（1176N）(G)則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載W為:W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301NZZZ0.010mm：5m/min的適應(yīng)性，同時安裝時還需要注意采取抗干擾措施。Z5kgZ2kgZ2-1)還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡力。Z軸電機

反光鏡Z軸絲桿平衡氣缸直線導(dǎo)軌切割頭圖2-1 Z軸隨動機構(gòu)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FFZD內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿，具體型號如下：XFFZD2504-3/490×500YFFZD2504-3/500×1100（二）XYX的相關(guān)數(shù)據(jù)，YX向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。（三）具體計算如下。滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定軸向負(fù)荷計算公式：式中F 切削力——

F=F+UW （3.1）aW 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)（0.003-0.00U=0.004——則根據(jù)式3.1：F =0.004×2301=92Na激光切割機滾珠絲杠是在低速條件下工作的。o故本處的G（0.2-0.Foa

=18.4-27.6N。對照樣本參數(shù),這里的Go非常小，選定導(dǎo)程為4的滾珠絲杠副。滾珠絲杠副的傳動效率滾珠絲杠副的傳動效率為:/) 式中ψ—滾珠絲杠的螺紋升角ρ＇—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3-1），前面已經(jīng)定v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵HRC≥45。所以：ρ＇=4°00′，tgρ＇=0.0025；因為ψ=arct（Ph/πd） （3.3）式中:P—導(dǎo)程，4mmhd 絲杠公稱直徑，25mm——則根據(jù)式3.3：ψ＝2.91°則根據(jù)式（3.2）得：η＝0.953。齒圈材料錫青銅無錫青銅灰鑄鐵齒面硬度HRC≥45其它HRC≥45HRC≥45其它齒圈材料錫青銅無錫青銅灰鑄鐵齒面硬度HRC≥45其它HRC≥45HRC≥45其它相對速度υsf＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇m/s0.010.1106°17′0.1206°51′0.18010°12′0.18010°2′0.19010°450.050.0905°09′0.1005°43′0.1407°58′0.1407°58′0.1609°050.100.0804°34′0.905°09′0.1307°24′0.1307°24′0.1407°58′0.250.0653°43′0.0754°17′0.1005°43′0.1005°43′0.1206°51′0.500.0553°09′0.0653°43′0.0905°09′0.0905°09′0.1005°49′1.00.0452°35′0.0553°09′0.0704°00′0.0704°00′0.0905°09′1.50.0402°17′0.052°52′0.0653°43′0.0653°43′0.0804°34′2.00.0352°00′0.0452°35′0.0553°09′0.0553°09′0.0704°00′2.50.0301°43′0.0402°17′0.052°52′3.00.0281°36′0.0352°00′0.0452°35′40.0241°22′0.0311°47′0.0402°17′50.0221°16′0.0291°40′0.0352°00′80.0181°02′0.0261°29′0.031°43′100.0160°55′0.0241°22′150.0140°48′0.0201°09′240.0130°45′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：①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90%，定到超微米級。②降低機床造價并大幅度節(jié)約電力90%，具有大幅度節(jié)能的效果。③可提高機床的運動速度20～30%。④可長期維持機床的高精度系列。GGB4-1具體型號：XGGB20BA2P，2500-4Y向選用GGB20AB2P，2 1100-4圖4-1 直線滾動導(dǎo)軌無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書第五章 步進(jìn)電機及其傳動機構(gòu)的確定步進(jìn)電機的選用脈沖當(dāng)量和步距角1μm/STEP，0.36o/STEP（倍細(xì)分。電機起動力矩：MMM （5.1）1 2式中:M為滾珠絲杠所受總扭矩M為外部負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩，有:lM Fa

d/2') （5.2）=92×0.025/2×tg（2.91+0.14）=0.062N·mM為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有：2M KF Pao

/（5.3）式中:K—預(yù)緊時的摩擦系數(shù)，0.1—0.3P—導(dǎo)程，4cmhFao——預(yù)緊力，有：Fao=Fao+Fao1 2Fao=0.04×Ca=0.04×1600=640N1Fao2

6004Fao＝130N（5.3：2M=0.098N·m2齒輪傳動比公式為×P/(360×δ )，故步進(jìn)電機輸出軸上起動矩近似地可估算h p為：T M/（5.4）q=360×M×δ /φ×η×Pp h式中:δ =lμm/STEP=0.0001cm/STEP；pM=M+1

=0.16N2φ=0.36o/STEPq=0.85P＝0.4cmhη＝0.953則根據(jù)式5.4：Tq=360×0.16×0.0001/(3.6×0.85×0.4)=0.4N·m因Tq/TJM=0.866(TJM=Tq/0.866=0.46Nm確定步進(jìn)電機最高工作頻率參考有關(guān)數(shù)控激光切割機床的資料,1000Hz。根據(jù)以上討論并參照樣本,確定選取M56853SN·m，轉(zhuǎn)動慣量為235g/cm2齒輪傳動機構(gòu)的確定傳動比的確定要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量lμm/STEP的設(shè)計要求，必須通過齒輪機構(gòu)進(jìn)行分度，其傳動比為：iPh

/(3p

) （5.5）式中：Ph—為滾珠絲杠導(dǎo)程φ—為步距角δp—為脈沖當(dāng)量根據(jù)前面選定的幾個參數(shù)，由式（5.4）得：i=0.36×4/360×0.001=4:1=Z2/Z1根據(jù)結(jié)構(gòu)要求,選用Z1為30，Z2為120齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定①齒輪類型：選擇直齒加工方便。②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。③中心距的計算：A=m×（Z1+Z2） （5.6）=1×(30+120)/2=75mm齒頂高為1mm，齒根高為125mm，齒寬為20mm。④齒輪材料及熱處理：Z140Cr，齒面高頻淬火;Z245號鋼，調(diào)質(zhì)處理。步進(jìn)電機慣性負(fù)載的計算由資料知，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(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行計算。慣性負(fù)載可由以下公式進(jìn)行計算：J =J+J+(Z/Z)(J+J)+J (V/ )2mD 0 1 1 2 2 3 4 m D

（5.7）式中：JDJ0

為整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的慣性負(fù)載。為步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量eJZ1 JZ2 JZ3

的轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)動慣量m為系統(tǒng)工作臺質(zhì)量nVm為工作臺的最大移動速率ω 為折算成單軸系統(tǒng)電動機軸角速度D各項計算如下：已知：J＝0m=112.5Kg0 n齒輪慣性轉(zhuǎn)矩計算公式：其中：

J=2m=2G/g