数控激光切割机设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘要 随着先进制造技术的发展和进步，数控加工已成为机加工过程中的一种主流技术。这一技术的运用提高了机加工过程中工作效率和加工精度。数控激光切割机就是提高切割加工精度和效率的一种很好的机加工工具。本文采用了数控电火花切割机设计的步骤和方法，对数控激光切割机进行了设计， 主要进行了机床的机械结构优化设计计算，伺服电机的选择，以及数控系统的硬件电路初步设计，及步进电机驱动电路的设计。 关键词 激光切割机床、结构、数控、设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of NC in of by in in NC to NC by NC It on by NC 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 摘 要 1 绪论 . 1 . 1 . 1 . 1 . 2 2 机械部分 作台及 . 4 Y 工作台的设计 . 4 . 4 . 4 . 4 轴主轴头系统设计 . 5 传动系统的设计计算 . 6 度计算 . 6 . 6 . 7 隙方法与预紧 . 8 . 8 . 8 3 步进电机及其传动机构的确定 . 10 . 10 . 10 . 11 . 11 进电机的选用 . 12 4 传动系统刚度的讨论 . 14 据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 . 14 . 14 5 数控系统设计 . 16 定机床控制系统方案 . 16 要芯片配置 . 16 择 . 16 要管脚功能 . 16 . 17 . 17 9， Q 号交流 401339828 或 11970985 片地址分配 . 22 盘设计 . 22 . 22 盘程序设计 . 23 示器设计 . 27 . 27 . 28 155扩展 I/. 28 . 29 . 29 体程序控制 . 30 . 30 . 30 进电机接口电路及驱动 . 31 . 34 . 34 6 结 论 . 36 参 考 文 献 . 37 致谢 . 38 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论 题背景 激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。 1971 年 11 月，美国通用汽车公司率先使用一台 250W 于 1974 年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，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研究，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。 实意义 激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，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，以及精密细小和形状复杂的零件。 数控激光切割利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短的时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，从而达到切割材料的目的。 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。因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。 计任务 本次设计任务是设计一台单片机（ 89控芯片）控制激光切割机床，主要 设计对象是 作台部件及 89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，只作一般了解。单片机对 向进给脉冲当量 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 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： 采用 89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 图 系统总体原理图 微机控制线路图参考 51 系列单片机控制 作台线路图。 步进电机参照 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 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，最后选用南京工艺装备厂的 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 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 较后选用 89主芯片。在使用过程中 89有 4K 的 但考虑实际情况需配备 要求时序配备。 选晶体频率为 689取时间约为 3t，则 t 480常用 取时间约为 20045089读取时间应大于 求的读取时间。 89读写时间约为 4T，则 660 制 器 驱动器 驱动器 步进 电机 步进 电机 X 向工作台 Y 向工作台 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 00用 写时间为 200右，均满足要求。根据需要，扩展I/O 接口 8155 和 8255，因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采用示器。键盘采用非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采用光电隔离电路。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 2 机械部分 作台及 Z 轴的设计 Y 工作台的设计 要设计参数及依据 本设计的 作台的参数 定 为： 工作台行程：横向 450向 650 工 作台 加工工件 最大尺寸（长宽高） ： 600 400 200 工作台最大承载重量： 120 脉冲当量： 进给速度： 60 平方毫米 / 表面粗糙度： 设计寿命： 15 年 Y 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过程中没有外力负载作用。其切削力为零。 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略不计 ,但滚珠丝杠副 ,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略 ,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施 ,其产生的负载波动应控制在很小的范围。 步确定 作台尺寸及估算重量 初定工作台尺寸 (长宽高度 )为 :600 400 50料为 重为 665N ( 设中托座尺寸 (长宽高度 )为 :440 1100 69料为 重为 1240N（ 另外估计其他零件的重量约为 250N ( 加上工件最大重量约为 1201176N） (G)。 则下托座导轨副所承受的最大负载 W 为 : W=2+ 665+1240+250+1176 3330N 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 轴 主轴头 系统设计 激光切割机对 Z 轴 主轴头 要求非常高。在切割中需随时检测和控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 时， 主轴头进给 速度应大于5m/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 ， 应注意检测精度和对切割材料的适应性 ， 同时安装时还需要注意采取抗干扰措施 。 因为 设计要求加工工件最大高度不超过 200以 初选丝杠高度为220照 南京工艺装备厂的产品系列 ， 考虑到尽量减轻主轴头的重量，故 具体型号 定 为 50420 130。 由于重力的作用，螺母不需预紧，所以Z 方向的螺母采用单螺母无预紧， 使 机构 更加 简化。 图 Z 轴主轴头 原理 机构 图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 珠丝杠传动系统的设计计算 根据机床的受力情况及结构尺寸，参照 南京工艺装备厂 的产品系列 ，选用循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下： X 向： 504050 550 Y 向： 50470 320 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 向根据 X 向的结果相同选用即可满足要求。 具体计算如 下 : 度计算 轴向负荷计算公式： 式中 F 切削力， F=0 W 工件重量 +工作台重量 W=2301N U 滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为 ，取 U= +2301=92N 激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。 故本处的 照样本参数 ,这里的 选定导程为 4滚珠丝杠副。 珠丝杠副的传动效率 滚珠丝杠副的传动效率为 : = +） 式中 滚珠丝杠的螺纹升角 当量摩擦角 根据 当量摩擦系数和当量摩擦角 关系 （见表 前面已经定 v=1m/s 材料选择 灰铸铁 5 所以 =400 = = d） 式中 :导程， 4mm d 丝杠公称直径， 27 ： = d） 则传动效率 = +） 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 表 2. 1 当量摩擦系数 f 和当量摩擦角 滚珠 材料 锡青铜 无锡青铜 灰铸铁 丝杠表面 硬度 5 其它 5 5 其它 相对滑动速度 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 线滚动导轨的选型 导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： 定位精度高 直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。 降低机床造价并大幅 度节约电力 采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 需电力降低 90%，具有大幅度节能的效果。 可提高机床的运动速度 直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率 20 30%。 可长期维持机床的高精度 对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量 的能量以摩擦损耗被浪费掉了。 与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。 所以在结构上选用： 开式直线滚动导轨 。 参照南京工艺装备厂的产品系列 型号 : 选用 具体型号 2 4202 560 线导轨副 隙方法与预紧 隙方法 在设计的时候采用了精度很高的膜片联轴器，所以不存在如齿轮传动的间隙，采用负间隙的直线导轨，也极好的达到了消隙的目的。 而数控激光切割机相对于其他数控机床而言， 加工的工件 精度要求较低，所以这样的消隙方法完全可以满足加工需要。 紧 滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有四种。本设计选用“一端固 定，一端绞支”的支承方式。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的 1/3。 滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳：磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等 。 由于本 设计是数控激光切割机，精度要求相对较低，所以选用双螺母螺纹预紧， 预紧量根据实际调节，本设计要求螺母副装好后，左右串动不超过 图 示。 图 母副 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 3 步进电机及其传动机构的确定 轴器的选用和校核 轴器的选用 联轴器种类很多，大多数都已经标准和系列化，所以不需要设计，直接从标准中选用即可。 联轴器类型的选择 根据联轴器的类型和特点，联轴器被分为刚性联轴器和弹性联轴器两种： 如表 性 联 轴器 柔性 联 轴器 (1) 传递转矩大； (2)运转可靠； (3)工作寿命长； (4)对冲击载荷比较敏感。 (1)具有缓冲性和吸振性，适于频繁起动和正反转的工作条件； (2)弹性元件比较薄弱，不适于低速和大转矩； (3)可移性是 借助于弹性元件的变形实现的，因此，安装误差和工作中轴的变形会加快弹性元件的损坏。 固定式刚性联轴器 可移式刚性联轴器 要求安装精度高和工作中轴的变形小 能不同程度地适应两轴的安装误差和工作中的变形 表 轴器分类 由于 丝杠的 轴向载荷 几乎 为零 ，而且频繁起动和正反转，加之使用了滚珠螺母副，其转矩很小，所以 选用 弹性联轴器。 联轴器型号的选择 根据激光加工的特点及精度要求，本设计选用膜片联轴器，膜片联轴器的 特点为 ： 膜片联轴器的许用补偿量 ， X， Y 都相对最小， 虽然其价格相对较高，但 对于 提高激光切割精度，增加切割效率 是最合适的。 联轴器具体型号为参数见表 称转矩 /用转速/孔直径d/孔长度/ 栓数量 螺栓直径 L A 润滑脂用量 /动惯量/2m 4500 1800 30 20 28 26 6 4 32 550 片联轴器参数对照表 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 轴器的校核 由于该联轴器所承受的转动速度不高所以在转速度之上可以不用校核 所以联接螺钉也不用校核。 进电机惯性负载的计算 由资料知，激光切割机的负载可以认为是惯性负载。机械机构的惯量对运动特性有直接的影响。不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在开环系统中对运动的平稳性也有很大的影响，因此要计算惯性负载。 限于篇幅，在此仅对进给系统的负载进行计算。 惯性负载可由以下公 式进行计算： 210 1 2 3 42( ) ( ) ( ) J J J J 式中： 步进电机转子轴的转动惯量 e 齿轮 齿轮 转动惯量 齿轮 转动惯量 系统工作台质量 工作台的最大移动速率 各项计算如下： 已知 0 忽略不计， 轮惯性转矩计算公式： J= 2m= 2G/g 其中为回转半径 G 为转件的重量 滚珠丝杠的惯性矩计算公式： J= 2 最后计算可得： 102 103 104 10m=12 m/s 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 D=2 s 210 1 2 3 42( ) ( ) ( ) J J J J 此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。 进电机的选用 已知脉冲当量为 10 m/激光切割机对于加工精度要求相对于其他数控机床要低，所以 初选为 进电机上起动力矩的近似计算 ： M=M 2 式中 : M 为滚珠丝杠所受总扭矩 : a d/2 +） =92 =m 内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： 式中 : K 预紧时的摩擦系数， 导程， 4 预紧力， 有： 1600=640N 轴承的预紧力，轴承型号为 7202C 系列，预紧力为 130N。 故 (640+130) = m 传动比公式为： i= (360 p)= =1， 故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： M p / 中 : p =10 m/ M= M 2= =q=h 60 m 因 因为电机为五相运行 ) 。则步进电机最大静转矩q/ m 参考有关数控激光切割机床的资料 ,可以知道步进电机最高工作频率不超过买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 1000 根据以上讨论并参照样本 ,确定选取 55步进电机 该电机的最大静止转矩为 m，转动惯量为 210g/文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 4 传动系统刚度的讨论 激光切割机 作台其实为一进给传动系统，其传动系统的刚度可根据不出现摩擦自振或保证微量进给灵敏度的条件来确定。 据工作台不出现 爬行的条件来确定传动系统的刚度 传动系统中的当量刚度 K 或当扭转刚度 C 主要由最后传动件的刚度 定的，在估算时，取 K=C=滚珠丝杠传动 ,其变形主要包括： (1) 丝杠拉压变形 (2) 扭转变形 (3) 丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。 (4) 轴承和轴承座的变形。 在工程设计和近似计算时，一般将丝杠的拉压变形刚度的三分之一作为滚珠丝杠副的传动刚度 据支承形式 (一端固定，一端绞支 )可得 F/3L 10 gf/式中： E 10 ) F L 250 10 3 250) 10=动系统刚度较大，可以满足要求。 据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 此时传动系统的刚度应满足： K 式中 K 传动系统当量刚度 部件运动时的静摩擦力 N 正压力 ,N=W/g=230 静摩擦系数，取 则 30 部件调整时，所需的最小进给量， A=p=m/文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 即满足微量进给要求的传动系统刚度为 : K 合上述传动系统刚度的讨论可知满足微量进给灵敏度所需 要的刚度较小，可以达到精度要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 单片机 I/O 口 扩展 驱动器 光电隔离 功 率 放 大 纵向丝 杠 存储器扩展 驱动器 横向丝 杠 Z 轴电机 Z 向丝杠 5 数控系统设计 定机床控制系统方案 根据机械系统方案的要求，可以看出：对机械部分的控制只有进给系统的步进电机的控制和工作台回转的步进电机控制。控制系统有微机的、有 有单片机的，这里采用的是开环控制系统，可以选择经济型的单片机 控制系统。另外，居然要控制，就得有输入和输出