300×400数控激光切割机XY工作台部论文-

无锡职业技术学院毕业设计说明书无锡职业技术学院毕业设计说明书PAGEPAGE14第一章绪论激光技术概述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197111250WCO21974年成功地完成了汽车转向器壳内表面（质10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“九五”“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200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提供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。激光切割技术的应用CO2CO2各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范围。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。激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广无锡职业技术学院毕业设计说明书无锡职业技术学院毕业设计说明书泛的应用。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。设计任务本次设计任务是设计一台单片机（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，只作一般了解。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。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：89C51I/O1-1。驱步进控动器电机制X向工作台器驱动器X向工作台器驱动器步进电机Y向工作台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，最后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、抗干扰能力强，对环境要求不高，可Z8089C5189C514KFLAS（PROM，但考虑实际情况需配备EPROMRAM选晶体频率为6MHz，89C51读取时间约为3t，则t＝480ns,常用EPROM读取时间约为200~450ns89C51ROM89C514T，则TR＝660ns，TW=800nsRAM200ns左右，均满足要求。根据需要，扩展I/O8155，因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采用LED显示器。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。无锡职业技术学院毕业设计说明书无锡职业技术学院毕业设计说明书第二章 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计XY主要设计参数及依据本设计的XY工作台的参数定为：①工作台行程：横向320mm，纵向450mm②工作台最大尺寸（长×宽×高：110×900×300mm③工作台最大承载重量：120Kg④脉冲当量：0.001mm/pluse⑤进给速度：60平方毫米/min⑥表面粗糙度：0.8～1.6⑦设计寿命：15年XY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。XY直线导轨副相联,以保证相对运动精度。XYXY初定工作台尺寸(长×宽×高度)为:1200×950×70mm，材料为HT200，625N(W1)。设中托座尺寸(长×宽×高度)为:1200×520×220mm，材料为HT200250N（W2。250N(W3)。加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＝2301NZZZ0.010mm：5m/min的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。Z5kgZ2kgZ2-1)还可根据要求调整气缸的平衡力。Z轴电机

反光镜Z轴丝杆平衡气缸直线导轨切割头图2-1 Z轴随动机构第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算（一）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FFZD内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下：XFFZD2504-3/490×500YFFZD2504-3/500×1100（二）XYX的相关数据，YX向的结果相同选用即可满足要求。（三）具体计算如下。滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式：式中F 切削力——

F=F+UW （3.1）aW 工件重量加工作台重量 W=2301N——U 滚动导轨上的滚动摩擦系数（0.003-0.00U=0.004——则根据式3.1：F =0.004×2301=92Na激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。o故本处的G（0.2-0.Foa

=18.4-27.6N。对照样本参数,这里的Go非常小，选定导程为4的滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为:/) 式中ψ—滚珠丝杠的螺纹升角ρ＇—当量摩擦角根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=1m/s，材料选择灰铸铁HRC≥45。所以：ρ＇=4°00′，tgρ＇=0.0025；因为ψ=arct（Ph/πd） （3.3）式中:P—导程，4mmhd 丝杠公称直径，25mm——则根据式3.3：ψ＝2.91°则根据式（3.2）得：η＝0.953。齿圈材料锡青铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度HRC≥45其它HRC≥45HRC≥45其它齿圈材料锡青铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度HRC≥45其它HRC≥45HRC≥45其它相对速度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：①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90%，定到超微米级。②降低机床造价并大幅度节约电力90%，具有大幅度节能的效果。③可提高机床的运动速度20～30%。④可长期维持机床的高精度系列。GGB4-1具体型号：XGGB20BA2P，2500-4Y向选用GGB20AB2P，2 1100-4图4-1 直线滚动导轨无锡职业技术学院毕业设计说明书无锡职业技术学院毕业设计说明书第五章 步进电机及其传动机构的确定步进电机的选用脉冲当量和步距角1μm/STEP，0.36o/STEP（倍细分。电机起动力矩：MMM （5.1）1 2式中:M为滚珠丝杠所受总扭矩M为外部负载产生的摩擦扭矩，有:lM Fa

d/2') （5.2）=92×0.025/2×tg（2.91+0.14）=0.062N·mM为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：2M KF Pao

/（5.3）式中:K—预紧时的摩擦系数，0.1—0.3P—导程，4cmhFao——预紧力，有：Fao=Fao+Fao1 2Fao=0.04×Ca=0.04×1600=640N1Fao2

6004Fao＝130N（5.3：2M=0.098N·m2齿轮传动比公式为×P/(360×δ )，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算h p为：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则根据式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确定步进电机最高工作频率参考有关数控激光切割机床的资料,1000Hz。根据以上讨论并参照样本,确定选取M56853SN·m，转动惯量为235g/cm2齿轮传动机构的确定传动比的确定要实现脉冲当量lμm/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为：iPh

/(3p

) （5.5）式中：Ph—为滚珠丝杠导程φ—为步距角δp—为脉冲当量根据前面选定的几个参数，由式（5.4）得：i=0.36×4/360×0.001=4:1=Z2/Z1根据结构要求,选用Z1为30，Z2为120齿轮结构主要参数的确定①齿轮类型：选择直齿加工方便。②模数选择：本工作台负载相当轻,参考同类型的机床后,选择m＝1齿轮传动侧隙的消除。③中心距的计算：A=m×（Z1+Z2） （5.6）=1×(30+120)/2=75mm齿顶高为1mm，齿根高为125mm，齿宽为20mm。④齿轮材料及热处理：Z140Cr，齿面高频淬火;Z245号钢，调质处理。步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：J =J+J+(Z/Z)(J+J)+J (V/ )2mD 0 1 1 2 2 3 4 m D

（5.7）式中：JDJ0

为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。为步进电机转子轴的转动惯量eJZ1 JZ2 JZ3

的转动惯量的转动惯量的转动惯量m为系统工作台质量nVm为工作台的最大移动速率ω 为折算成单轴系统电动机轴角速度D各项计算如下：已知：J＝0m=112.5Kg0 n齿轮惯性转矩计算公式：其中：

J=2m=2G/g