激光切割機床總體結構方案一、課題要求：工作臺最大尺寸（長X寬X高）：700X620X50mm2?材料要求：5mm厚金屬、非金屬（）3.切割速度20m/min二、課題背景激光切割的適用對象主要是難切割材料，如高強度、高韌性材料以及精密細小和形狀復雜的零件，因而數(shù)控激光切割在我國制造業(yè)中正發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。本文設計了一臺單片機控制的數(shù)控激光切割機床，主要完成了：機床整體結構設計，Z軸、XY軸的結構設計計算、滾珠絲杠、直線滾動導軌的選擇及其強度分析；以步進電機為進給驅(qū)動的驅(qū)動系統(tǒng)及其傳動機構的分析設計計算；以89C51為主控芯片的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計、系統(tǒng)初始化設計及系統(tǒng)軟件方案設計和步進電機的控制程序設計。三、總體設計方案分析考數(shù)控激光切割機的有關技術資料，確定總體方案如下：采用89C51主控芯片對數(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)齒輪機構減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)進給。其原理示意圖1-1。Y向工作臺圖1-1系統(tǒng)總體原理圖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FFZD系列滾珠絲杠，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，可靠性高，靈活性好，性價比大大超過了Z80。比較后選用89C51為主芯片。在使用過程中89C51雖有4K的FLASH（E2PR0M）,但考慮實際情況需配備EPROM和RAM，并要求時序配備。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200~450ns。89C51的讀取時間應大于ROM要求的讀取時間°89C51的讀寫時間約為4T,則TR=660ns,TW=800ns，常用RAM讀寫時間為200ns左右，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。四、工作臺的設計1.主要設計參數(shù)及依據(jù)本設計的XY工作臺的參數(shù)定為：工作臺行程：橫向320mm，縱向450mm工作臺最大尺寸（長X寬X高）：1100X900X300mm工作臺最大承載重量：120Kg脈沖當量：0.001mm/pluse進給速度：60平方毫米/min表面粗糙度：0.8?1.6設計壽命：15年XY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。XY工作臺部件由工作臺、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。初步確定XY工作臺尺寸及估算重量初定工作臺尺寸(長X寬X高度)為：1200X950X70mm，材料為HT200,估重為625N(W1)。設中托座尺寸(長X寬X高度)為：1200X520X220mm，材料為HT200，估重為250N(W2)。另外估計其他零件的重量約為250N(W3)。加上工件最大重量約為120Kg(1176N)(G)。則下托座導軌副所承受的最大負載W為：W二Wl+W2+W3+G=665+250+250+1176=2301NZ軸隨動系統(tǒng)設計激光切割機對Z軸隨動機構要求非常高。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Z軸的檢測精度高于0.010mm:同時，隨動速度應大于5m/min。隨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傳感器時，應注意檢測精要注意采取抗干擾措施。［:立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、切割加了切割I用于一些特殊場合的切傳感器時，應注意檢測精要注意采取抗干擾措施。［:立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、切割加了切割I。一般來。轉(zhuǎn)動、切割嘴擺動等。這些功頭的重量，成切割頭的動態(tài)性說，普通數(shù)控激光切割機Z軸-目前缸軸上的重力平衡設施1）。該方式重量輕、體積小、力直線導軌能機構的增加，不可避免地增能不好，隨動機構反應不靈敏拖動重量在-目前缸軸上的重力平衡設施1）。該方式重量輕、體積小、力直線導軌氣缸的平衡.使用較多的是采用氣缸托動方式（圖2-易安裝，還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡.切割頭V五、滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設計計算一） 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FFZD內(nèi)循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲桿，具體型號如下：X向：FFZD2504-3/490X500Y向：FFZD2504-3/500X1100二） 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。三） 具體計算如下。3.1滾珠絲杠副導程的確定軸向負荷計算公式：F=F+UW （3.1）a式中F_切削力，F(xiàn)=0W工件重量加工作臺重量W=2301NU滾動導軌上的滾動摩擦系數(shù)（約為0.003-0.004），取U=0.004則根據(jù)式（3.1）：F=0.004X2301=92Na激光切割機滾珠絲杠是在低速條件下工作的。故本處的G=（0.2-0.3）,F=18.4-27.6N。對照樣本參數(shù)，這里的G非常小，oao選定導程為4的滾珠絲杠副。3.2滾珠絲杠副的傳動效率滾珠絲杠副的傳動效率為:耳二tg屮/tg（屮+p'）（3.2）式中?一滾珠絲杠的螺紋升角P‘一當量摩擦角根據(jù)當量摩擦系數(shù)和當量摩擦角關系（見表3-1），前面已經(jīng)定v=lm/s，材料選擇灰鑄鐵HRC245。所以：P，=4°00‘，tgP，=0.0025；因為=arctg（Ph/nd） （3.3）式中:Ph—導程，4mmd絲杠公稱直徑，25mm則根據(jù)式（3.3）：血=2.91°則根據(jù)式（3.2）得：n=0.953。表3-1當量摩擦系數(shù)f‘和當量摩擦角P，

齒圈材料錫青銅無錫青銅灰鑄鐵齒面硬度HRC245其它HRC245HRC245其它相對速度Usp/f/p/f/p/f/p/f/p/m/s0.010.1106°17z0.1206°51z0.18010°12z0.18010°2Z0.19010°450.050.0905°09‘0.1005°43z0.1407°58z0.1407°58z0.1609°050.100.0804°34‘0.905°09‘0.1307。24/0.1307。24/0.1407°58z0.250.0653°43‘0.0754。17/0.1005°43z0.1005°43z0.1206°51z0.500.0553°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°17z0.052°52‘0.0653°43z0.0653°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°17z0.0