300X400数控激光切割机的设计

摘  要
激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性材料以及精密细小和形状复杂的零件，因而数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。
本文设计了一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、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机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电机的控制程序设计。

关键词  CNC，激光切割机床，结构，设计

ABSTRACT
Laser cutting machine tool was usually used for the hard-cutting material, such as high-strength material, high precision ductile materials, and smart and complicated components. So, CNC laser cutting has been playing an important role in China's manufacturing industry.
This paper describes the design of a SCM-controlled CNC laser cutting machine tools. More attention was paid on the overall machine design, Z axis, XY axis in the design, ball-screw and the choice of linear motion guide and intensity analysis; the drive system into which stepper motor was put and the analysis of the drive system design; 89C51 chip was mainly used for the design of hardware circuit, the design of system initialization and the design of stepper motor’s controlling program.

Key words  CNC, laser cutting machine tools, architecture, design

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：
采用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，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。

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

目   录  14000字
摘  要… Ⅰ
ABSTRACT     Ⅱ
1 绪论    1
1.1课题背景    1
1.2现实意义    1
1.3设计任务    1
1.4总体设计方案分析    2
2 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计    4
2.1 XY工作台的设计    4
2.1.1主要设计参数及依据    4
2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析    4
2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量    4
2.2 Z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率    6
4 直线滚动导轨的选型    8
5 步进电机及其传动机构的确定    9
5.1 步进电机的选用    9
5.1.1 脉冲当量和步距角    9
5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算    9
5.1.3确定步进电机最高工作频率    10
5.2齿轮传动机构的确定    10
5.2.1传动比的确定    10
5.2.2齿轮结构主要参数的确定    11
5.3步进电机惯性负载的计算    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确定传动系统的刚度    13
6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度    13
7 消隙方法与预紧    15
7.1消隙方法    15
7.1.1偏心轴套调整法    15
7.1.2锥度齿轮调整法    16
7.1.3双片齿轮错齿调整法    16
7.2预紧    17
8 数控系统设计    18
8.1 确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
8.2.3 EPROM的选用    19
8.2.4 RAM的选用    20
8.2.5 89C51存储器及I/O的扩展    20
8.2.6 8155工作方式查询    21
8.2.7状态查询    22
8.2.8 8155定时功能    22
8.2.9 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
8.4.3 8155扩展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总体程序控制    32
8.8.1流程图    32
8.8.2总程序    32
9 步进电机接口电路及驱动    34
结  论    38
参考文献    39
致  谢    40