机械网-YM-1212多功能数控激光切割机(单片机控制)--机械机电
摘要
激光（LASER）是上世纪60年代发明的1种光源，激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词的头1个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要进程。1964年依照我国著名科学家钱学森建议将“光受激起射”改称“激光”。
激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性材料和精密细复杂的零件，因此数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。
本文设计了1台单片机控制的数控激光切割机床，主要完成了：机床整体结构设计，Z轴、XY轴的结构设计计算、滚珠丝杠、直线转动导轨的选择及其强度分析；以步进机电为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算；以89C51为主控芯片的数控系统硬件电路设计、系统初始化设计及系统软件方案设计和步进机电的控制程序设计。
关键词CNC，激光切割机床，结构，设计
ABSTRACT
Laser(LASER)istheinventionofthelastcentury,60yearsasalightsource,theoriginalChinesenameoflaseriscalled"laser","les"isthatitisatransliterationoftheEnglishnameofLASERisfromtheEnglishLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationeachwordconsistingoftheheadofaletteracronym,meaning"lightamplificationbystimulatedemissionofradiation."LaserfullnameinEnglishhasbeencompletelyexpressedbythemainprocessofmanufacturingthelaser.1964,accordingtoChina'sfamousscientistQiansuggestedthat"lightbystimulatedemission,"renamed"laser."
Lasercuttingmachinetoolwasusuallyusedforthehard-cuttingmaterial,suchashigh-strengthmaterial,highprecisionductilematerials,andsmartandcomplicatedcomponents.So,CNClasercuttinghasbeenplayinganimportantroleinChina'smanufacturingindustry.
ThispaperdescribesthedesignofaSCM-controlledCNClasercuttingmachinetools.Moreattentionwaspaidontheoverallmachinedesign,Zaxis,XYaxisinthedesign,ball-screwandthechoiceoflinearmotionguideandintensityanalysis;thedrivesystemintowhichsteppermotorwasputandtheanalysisofthedrivesystemdesign;89C51chipwasmainlyusedforthedesignofhardwarecircuit,thedesignofsysteminitializationandthedesignofsteppermotor’scontrollingprogram.
KeywordsCNC,lasercuttingmachinetools,architecture,design
本次设计任务是设计1台单片机（89C51主控芯片）控制激光切割机床，主要设计对象是XY工作台部件及89C51单片机控制原理图。而对激光切割机其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作1般了解。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/pluse。工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、转动直线导轨副、步进机电、工作台等。设计时应统筹两方向的安装尺寸和装配工艺。
整体设计方案分析
参考数控激光切割机的有关技术资料，肯定整体方案以下：
采取89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进机电，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。
微机控制线路图参考MCS－51系列单片机控制XY工作台线路图。
步进机电参照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、南京工艺设备制造厂的样本资料，力求从技术性能、价格状态、通用互换性等各方面因素斟酌，最后选用南京工艺设备厂的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、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了Z80。比较后选用89C51为主芯片白癜风患者的热门资讯。在使用进程中89C51虽有4K的FLASH（E2pROM），但斟酌实际情况需配备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，则t＝480ns,经常使用EpROM读取时间约为200~450ns。89C51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，经常使用RAM读写时间为200ns左右，均满足要求。根据需要，扩大I/O接口8155，因显示数据主要为数字及部份功能字，为简化电路采取LED显示器。键盘采取非编码式矩阵电路。为避免强电干扰，采取光电隔离电路。
XY工作台的设计
主要设计参数及根据
本设计的XY工作台的参数定为：
①工作台行程：横向320mm，纵向450mm
②工作台最大尺寸（长×宽×高）：1100×900×300mm
③工作台最大承载重量：120Kg
④脉冲当量：0.001mm/pluse
⑤进给速度：60平方毫米/min
⑥表面粗糙度：0.8～1.6
⑦设计寿命：15年
2.1.2XY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直接接触,因此可以认为在加工进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,各自之间均以转动直线导轨副相联,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。
1般来讲,数控切割机床的转动直线导轨的磨擦力可疏忽不计,但滚珠丝杠副,和齿轮之间的滑动磨擦不能疏忽,这些磨擦力矩会影响机电的步距精度。另外由于采取了1系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。
2.1.3初步肯定XY工作台尺寸及估算重量
初定工作台尺寸(长×宽×高度)为:1200×950×70mm，材料为HT200，估重为625N(W1)。
设中托座尺寸(长×宽×高度)为:1200×520×220mm，材料为HT200，估重为250N（W2）。
另外估计其他零件的重量约为250N(W3)。
加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。
则下托座导轨副所承受的最大负载W为:
W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N
通过对数控激光切割机的整体设计，肯定了1台公道的立式机床结构。
1、根据题目要求，设计出了1个结构公道的XY轴工作台，同时对工作台进行了受力分析、设计计算，对滚珠丝杠传动系统传动效力、强度等也进行了相应的计算，对直线转动导轨如何选型进行了深度分析，肯定步进机电及其传动机构并进行了惯性负载计算、刚度讨论等，分别来验证了其公道性。
2、利用单片机（本设计采取了89C51为主控芯片），设计出了1个比较公道的数控硬件电路与步进机电驱动相匹配的数控软件连接，由单片机控制步进机电来实现XYZ方向的运动。
3、在设计中对机床数控部份的I/O进行了扩大，并对键盘和显示器进行了相应的设计，对程序进行了初始化。
4、基本完成了经济型数控激光切割机的设计，按此设计的切割机可以满足生产的实际需要。目录15000字
摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
1绪论1
1.1课题背景1
1.2设计任务2
1.3整体设计方案分析2
2机械部份XY工作台及Z轴的基本结构设计4
2.1XY工作台的设计4
2.1.1主要设计参数及根据4
2.1.2XY工作台部件进给系统受力分析4
2.1.3初步肯定XY工作台尺寸及估算重量4
2.2Z轴随动系统设计5
3滚珠丝杠传动系统的设计计算6
3.1强度计算6
3.2滚珠丝杠副的传动效力6
4直线转动导轨的选型8
5步进机电及其传动机构的肯定9
5.1步进机电的选用9
5.1.1脉冲当量和步距角9
5.1.2步进机电上起动力矩的近似计算9
5.1.3肯定步进机电最高工作频率10
5.2齿轮传动机构的肯定10
5.2.1传动比的肯定10
5.2.2齿轮结构主要参数的肯定10
5.3步进机电惯性负载的计算11
6传动系统刚度的讨论13
6.1根据工作台不出现爬行的条件来肯定传动系统的刚度13
6.2根据微量进给的灵敏度来肯定传动系统刚度13
7消隙方法与预紧15
7.1消隙方法15
7.1.1偏心轴套调剂法15
7.1.2锥度齿轮调剂法16
7.1.3双片齿轮错齿调剂法16
7.2预紧17
8数控系统设计18
8.1肯定机床控制系统方案18
8.2主要芯片配置18
8.2.1主要芯片选择18
8.2.2主要管脚功能18
8.2.3EpROM的选用19
8.2.4RAM的选用20
8.2.589C51存储器及I/O的扩大20
8.2.68155工作方式查询21
8.2.7状态查询22
8.2.88155定时功能22
8308激光治疗多少钱.2.9芯片地址分配23
8.3键盘设计24
8.3.1键盘定义及功能24
8.3.2键盘程序设计24
8.4显示器设计28
8.4.1显示器显示方式的选用28
8.4.2显示器接口29
8.4.38155扩大I/O端口的初始化29
8.5插补原理30
8.6光电隔离电路31
8.7越界报警电路31
8.8整体程序控制31
8.8.1流程图32
8.8.2总程序30
9步进机电接口电路及驱动34
结论38
参考文献39
致谢40