300X400数控激光切割机设计.docx

《300X400数控激光切割机设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《300X400数控激光切割机设计.docx（30页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、摘要IABSTRACTIl1绪论I1.l课题背景11.2现实意义11.3设计任务11.4总体设计方案分析22机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计42.1 XY工作台的设计4主要设计参数及依据42.1.2XY工作台部件进给系统受力分析4初步确定XY工作台尺寸及估算重量42.2 Z轴随动系统设计53滚珠丝杠传动系统的设计计算63.1 强度计算63.2 滚珠丝杠副的传动效率64直线滚动导轨的选型85步进电机及其传动机构的确定95.1 步进电机的选用95.1.1脉冲当量和步距角9步进电机上起动力矩的近似计算9确定步进电机最高工作频率错误!未定义书签。5.2 齿轮传动机构的确定错误!未定义书签。传动比

2、的确定错误!未定义书签。齿轮结构主要参数的确定错误!未定义书签。5. 3步进电机惯性负载的计算错误!未定义书签。6传动系统刚度的探讨错误!未定义书签。6.1依据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度错误!未定义书签。6. 2依据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度错误!未定义书签。7消隙方法与预紧错误!未定义书签。7.1消隙方法错误!未定义书签。偏心轴套调整法错误!未定义书签。锥度齿轮调整法错误!未定义书签。双片齿轮错齿调整法错误!未定义书签。72预紧错误!未定义书签。8数控系统设计错误!未定义书签。8.1确定机床限制系统方案错误!未定义书签。8.2主要芯片配置错误!未定义书签。主要芯片选择

3、错误!未定义书签。8.2.2主要管脚功能错误!未定义书签。8.2.3EPROM的选用错误!未定义书签。8.2.4RAM的选用98.2.589C51存储器及I/O的扩展108.2.68155工作方式查询11状态查询128.2.88155定时功能128.2.9芯片地址安排138.3 键盘设计14键盘定义及功能148.3.2键盘程序设计148.4 显示器设计18显示器显示方式的选用18显示器接口198.4.38155扩展I/O端口的初始化198.5 插补原理208.6 光电隔离电路218.7 7越界报警电路218.8总体程序限制218.8.1流程图208.8.2总程序209步进电机接口电路及驱动24

4、结论28参考文献29致谢401绪论1.1 课题背景激光被誉为二十世纪最重大的科学发觉之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971年11月，美国通用汽车公司领先运用一台250WCO2激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验探讨，并于1974年胜利地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺探讨，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探讨，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

5、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供应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 现实意义激光切割机是光、机、电一体化高度

6、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，以及精密细小和形态困难的零件。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。因此探讨和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机限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）限制激光切割机床，主要设计对象是XY工作台部件及89C51单片机限制原理图。而对激光切割机其他部件如冷水机、激光器等不作为设

7、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.(M)Imm/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：采纳89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出限制信号给驱动器，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.lo图1.1系统总体原理图微机限制线路图参考MCS-51系列单片机限制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

8、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，最终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、抗干扰实力强，对环境要求不高，牢靠性高，敏捷性好，性价比大大超过了Z80。比较后选用89C51为主芯片。在运用过程中89C51虽有4K的F1.ASH(E2PROM),但考虑实际状况需配备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,贝Jt=480ns,常用EPROM读

9、取时间约为200450ns089C51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，均满意要求。依据须要，扩展I/O接口8155,因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采纳1.ED显示器。键盘采纳非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采纳光电隔离电路。2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45Omm工作台最大尺寸(长X宽X高)：1100X900X30Omm工作台最大承载重量：120Kg脉冲当量：

10、0.001mmpluse进给速度：60平方毫米min表面粗糙度：0.81.6设计寿命：15年XY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干脆接触，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视不计,但滚珠丝杠副，以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽视,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于实行了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动

11、应限制在很小的范围。初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台尺寸(长X宽X高度)为：1200X950X7Oninb材料为HT200,估重为625N(Wl)o设中托座尺寸(长X宽X高度)为：1200X520X220Innb材料为HT200,估重为250N(W2)o另外估计其他零件的重量约为250N(W3)o加上工件最大重量约为120Kg(1176N)(G)0则下托座导轨副所承受的最大负载W为：W=Wl+W2+W3+G=665+250+250+1176=2301N2.2Z轴随动系统设计激光切割机对z轴随动机构要求特别高。在切割中需随时检测和限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

12、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5mmin.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，应留意检测精度和对切割材料的适应性

13、，同时安装时还须要留意实行抗干扰措施。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、切割嘴摇摆等。这些功能机构的增加，不行避开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，一般数控激光切割机Z轴拖动重量在5kg以上时，应采纳重力平衡设施。而高性能数控激光切割机的Z轴拖动重量在2kg以上就必需施加重力平衡设施，特殊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运用较多的是采纳气缸托动方式（图2.1）。该方式重量轻、体积小、易安装，还可依据要求调整气缸的平衡力。图2.1Z轴随动机构3滚珠丝杠传动系统

14、的设计计算（一）依据机床的受力状况及结构尺寸，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：FFZD2504-3/490500Y向：FFZD2504-3/5001100（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向依据X向的结果相同选用即可满意要求。（三）具体计算如下。3.1 强度计算轴向负荷计算公式：=F+UW式（3.1）式中F一切削力，F=OW工件重量加工作台重量W=2301NU一滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为0.003-0.004）,取U=O.004则依据式（3.1）：Fo=0.0042301=92N激光

15、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）,Fuo比照样本参数,这里的GO特别小，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：=tgg（+p）式（3.2）式中小一滚珠丝杠的螺纹升角P,一当量摩擦角依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=lms,材料选择灰铸铁HRC245。所以：P,=400,tgP,=0.0025；因为e=arctg（Phnd）式（3.3）式中:Ph导程，4mmd一丝杠公称直径，25mm则依据式（3.3）：2=2.91则依据式（32）得:=0.953o表3.1当量摩擦系数和当量摩擦角Q齿圈材料锡青铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度HRC245其它HRC245HRC245其它相对速度SffP,f,P,f,P,f,P,fP,m/s0.010.1