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I300400 数控激光切割机 XY 工作台部件及单片机控制设计摘要摘要：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。关键词关键词 CNC，激光切割机床，XY 工作台，单片机II300 400 CNC laser cutting machine XYtable parts and SCM control design 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 Chinas 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 motors controlling program.Key words CNC, laser cutting machine tools, XY table ,Single chip microcomputer III目目 录录第一章第一章 绪论绪论 11.1 激光技术概述 11.2 激光切割机的应用 11.3 设计任务 11.4 总体设计方案分析 2第二章第二章 机械部分机械部分 XY 工作台及工作台及 Z 轴的基本结构设计轴的基本结构设计42.1 XY 工作台的设计42.1.1 主要设计参数及依据42.1.2 XY 工作台部件进给系统受力分析 42.1.3 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5第三章第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算滚珠丝杠传动系统的设计计算 73.1 滚珠丝杠副导程的确定 73.2 滚珠丝杠副的传动效率 7第四章第四章 直线滚动导轨的选型直线第五章第五章 步进电机及其传动机构的确定步进电机及其传动机构的确定 115.1 步进电机的选用 115.1.1 脉冲当量和步距角 115.1.2 步进电机上起动力矩的近似计算 115.1.3 确定步进电机最高工作频率 125.2 齿轮传动机构的确定 125.2.1 传动比的确定 125.2.2 齿轮结构主要参数的确定 125.3 步进电机惯性负载的计算 13第六章第六章 传动系统刚度的确定传动系统刚度的确定 156.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 156.2 根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 15第七章第七章 消隙方法与预紧消隙方法与预紧 177.1 消隙方法 177.1.1 偏心轴套调整法 17IV7.1.2 锥度齿轮调整法 187.1.3 双片齿轮错齿调整法 187.2 预紧 19第八章第八章 控制系统设计控制系统设计 208.1 确定机床控制系统方案 208.2 主要硬件配置 208.2.1 主要芯片选择 208.2.2 主要管脚功能 208.2.3 EPROM 的选用 218.2.4 RAM 的选用 228.2.5 89C51 存储器及 I/O 的扩展 228.2.6 8155 工作方式查询 238.2.7 状态查询 248.2.8 8155 定时功能 258.2.9 芯片地址分配 268.3 总体程序控制 278.3.1 流程图 278.3.2 总程序 278.4 键盘设计 288.4.1 键盘定义及功能 288.4.2 键盘程序设计 298.5 显示器设计 338.5.1 显示器显示方式的选用 338.5.2 显示器接口 348.5.3 8155 扩展 I/O 端口的初始化 348.6 插补原理 358.7 光电隔离电路 358.8 越界报警电路 36第九章第九章 步进电机接口电路及驱动步进电机接口电路及驱动 39第十章第十章 总总 结结 40致致 谢谢 41参考文献参考文献42本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）文献综述文献综述院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 工业计算机方向 学生姓名： 童 俊 学 号: 6 2007 年年 4 月月 10 日日本科生毕业设计（论文）文献综述评价表本科生毕业设计（论文）文献综述评价表毕业设计（论文）题目300X400 数控激光切割机设计综述名称激光加工的技术水平以及应用评阅教师姓名乔水明职称讲师评 价 项 目优良合格不合格综述结构01文献综述结构完整、符合格式规范02能准确如实地阐述参考文献作者的论点和实验结果03文字通顺、精练、可读性和实用性强综述内容04反映题目所在知识领域内的新动态、新趋势、新水平、新原理、新技术等05中、英文参考文献的类型和数量符合规定要求，格式符合规范参考文献06围绕所选毕业设计（论文）题目搜集文献成绩成绩综合评语：综合评语： 评阅教师（签字）：评阅教师（签字）： 年年 月月 日日文献综述：数控激光加工的技术水平以及应用数控激光加工的技术水平以及应用摘摘 要：要：作为 20 世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术(Laser Technology)和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。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(Laser Processing)发展的一个重要趋势。关键词：关键词：数控；激光加工(Laser Processing)；水平；应用 前前 言言: 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 CO2 激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于 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。一、激光技术一、激光技术(LaserLaser TechnologyTechnology)概述概述 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为：1激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。2激光加工工艺。包括切割(laser beam cutting)、焊接(Laser Welding)、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。二、激光加工技术的应用二、激光加工技术的应用激光加工应用领域中，CO2 激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70和 20，表面处理则不到 10。而 YAG 激光器的应用是以焊接、标记（50）和切割（15）为主。在美国和欧洲 CO2 激光器占到了 7080。我国激光加工中以切割为主的占 10，其中 98以上的 CO2 激光器，功率在1.5kW2kW 范围内，而以热处理为主的约占 15，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。 在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本 Toyota 已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。 到了 80 年代，YAG 激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为 YAG 激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着 YAG 激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG 激光器已开始挤进 kw 级 CO2 激光器切割市场。YAG 激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG 激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。 目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用 YAG 激光器的平均输出功率已由 5 年前的 400w 提高到了 800w 至 1000w。打孔峰值功率高达 3050kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。YAG 激光器的重复频度已达 2000 次 / 秒，二极管阵列泵浦的 Nd ： YAG 激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到 1 2 万小时。随着激光与材料的相互作用的进一步研究，激光加工技术也必将广泛的应用在柔性制造系统上。 实现激光加工的柔性系统化主要指激光加工头能灵活机动地引导激光束到达零件的待加工位置。从激光加工机床所能加工零件的复杂程度看，又分平面二维和空间三维激光加工，大功率激光三维加工是未来激光加工的方向的发展方向，为了实现激光加工的灵活性，三维激光必须采用运动光学系统。大
