400600数控激光切割机结构设计毕业设计论文.docx
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400600数控激光切割机结构设计毕业设计论文
400×600数控激光切割机结构设计毕业设计论文
1绪论
1.1课题背景
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
250WCO2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。
“十五”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,实现年产值
200亿元以上;在工业生产应用中普及和推
广加工技术,重点完成电子、汽车、钢铁、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。
1.2现实意义
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。
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。
1.3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
毕业设计目录
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。
1.4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。
其原
理示意图
1.1。
X向工作台
Y向工作台
图
1.1系统总体原理图
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
毕业设计目录
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。
在使用过程中..89C51虽有..4K的..FLASH(E2PROM),但考虑实际情况需
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,常用..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,常用..RAM读写时间为..200ns左右,均满足要求。
根据需要,扩展..
I/O接口..8155,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。
1绪论
1.1课题背景
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
250WCO2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。
“十五”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,实现年产值
200亿元以上;在工业生产应用中普及和推
广加工技术,重点完成电子、汽车、钢铁、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。
1.2现实意义
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。
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。
1.3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
1
毕业设计1绪论
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。
1.4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。
其原
理示意图
1.1。
X向工作台
控
制
器
驱
动
器
驱
动
器
步进
电机
步进
电机
Y向工作台
图
1.1系统总体原理图
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
2
毕业设计1绪论
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。
在使用过程中
89C51虽有
4K的
FLASH(E2PROM),但考虑实际情况需
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,常用
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,常用
RAM读写时间为
200ns左右,均满足要求。
根据需要,扩展
I/O接口
8155,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。
3
毕业设计2机械部分..XY工作台及..Z轴的基本结构设计..
2机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计
2.1XY工作台的设计
2.1.1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
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
为在加工过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。
2.1.3初步确定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
4
毕业设计2机械部分..XY工作台及..Z轴的基本结构设计..
2.2Z轴随动系统设计
激光切割机对..Z轴随动机构要求非常高。
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..0.010mm:
同时,随动速度应大于..5m/min。
随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。
割头具有多种先进的智能和附加功能,如自动调整激光喷嘴距离、自动清洁
喷嘴、同轴喷水机构、切割头转动、切割嘴摆动等。
这些功能机构的增加,不可
避免地增加了切割头的重量,成切割头的动态性能不好,随动机构反应不灵敏。
一般来说,普通数控激光切割机..Z轴拖动重量在..5kg以上时,应采用重力平衡设
施。
而高性能数控激光切割机的..Z轴拖动重量在..2kg以上就必须施加重力平衡设
施,特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。
目前..Z轴上的重力平衡设
施使用较多的是采用气缸托动方式(图..2.1)。
该方式重量轻、体积小、易安装,
还可根据要求调整气缸的平衡力。
Z轴电机
Z轴丝杆..
平衡气缸
直线导轨
5
反光镜
切割头
图..2.1Z轴随动机构
毕业设计3滚珠丝杆传动设计的设计计算..
3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:
..
X向:
FFZD2504-3/490×500
Y向:
FFZD2504-3/500×1100
(二)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。
(三)具体计算如下。
3.1强度计算
轴向负荷计算公式:
..
a式(..3.1)
F=F+UW
式中..F——切削力,..F=0
W——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(约为..0.003-0.004),取..U=0.004
则根据式(..3.1):
..
Fa=0.004×2301=92N
激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。
故本处的..Go=(0.2-0.3),Fa=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。
3.2滚珠丝杠副的传动效率
滚珠丝杠副的传动效率为:
h=tgy/tg(yr+')式(3.2)
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..=arctg(Ph/πd)式(..3.3)
式中:
Ph—导程,..4mm
d——丝杠公称直径,..25mm
则根据式(..3.3):
6
毕业设计3滚珠丝杆传动设计的设计计算..
ψ=..2.91°
则根据式(..3.2)得:
η=..0.953。
表..3.1当量摩擦系数f'和当量摩擦角ρ'
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υs
毕业设计4直线滚动导轨的选型..
4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
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。
②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
需电力降低..90%,具有大幅度节能的效果。
③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%。
④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..GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副,如图..4.1。
具体型号:
..X向选用..GGB20BA2P,2500-4
Y向选用..GGB20AB2P,21100-4
图..4.1直线滚动导轨
8
毕业设计5步进电机及其传动机构的确定..
5步进电机及其传动机构的确定
5.1步进电机的选用
5.1.1脉冲当量和步距角
已知脉冲当量为..1μm/STEP,而步距角越小,则加工精度越高。
初选为..
0.36o/STEP(二倍细分)。
5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算
电机起动力矩:
..
M=M1+M2式(5.1)
式中:
M为滚珠丝杠所受总扭矩..
Ml为外部负载产生的摩擦扭矩,有:
M1=Fa′d/2′tg(yr')式(5.2)
+
=92×0.025/2×tg(2.91+0.14)..
=0.062N·m
M2为内部预紧所产生的摩擦扭矩,有:
..
M2=K′Fao′Ph/2p式(5.3)
式中:
K—预紧时的摩擦系数,0.1—0.3
Ph—导程,4cmFao——预紧力,
有:
Fao=Fao1+Fao2
取..Fao1=0.04×Ca=0.04×1600=640N
Fao2为轴承的预紧力,轴承型号为..6004轻系列,预紧力为..Fao2=130N。
故
根据式(5.3):
..
M2=0.098N·m
齿轮传动比公式为:
i=φ×Ph/(360×δp),故步进电机输出轴上起动矩
近似地可估算为:
..
Tq=Mi/h式(5.4)..
=360×M×δp/φ×η×Ph
式中:
δ..p=lμm/STEP=0.0001cm/STEP;
M=M1+M2=0.16N
φ=0.36o/STEP
q=0.85
Ph=0.4cm
9
毕业设计
5步进电机及其传动机构的确定..
η=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(因为电机为五相运行)。
则步进电机最大静转矩..
TJM=Tq/0.866=0.46N·m
5.1.3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..,可以知道步进电机最高工作频率不超过..
1000Hz。
根据以上讨论并参照样本,确定选取..M56853S型步进电机,该电机的最大静
止转矩为..0.8N·m,转动惯量为..235g/cm2
5.2齿轮传动机构的确定
5.2.1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:
..
i=f′Ph/(360′dp)式(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
5.2.2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)式(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:
小齿轮..Z1采用..40Cr,齿面高频淬火..;
大齿轮..Z2采用..45号钢,调质处理。
10
毕业设计5步进电机及其传动机构的确定..
5.3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:
..
D=0112234mwD)′mn式(5.7)
JJ+J+(Z/Z)(J+J)+J(V/2
式中:
JD为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。
..
J0为步进电机转子轴的转动惯量..e
J1为齿轮..Zl的转动惯量..
J2为齿轮..Z2的转动惯量..
J3为齿轮..Z3的转动惯量..
mn为系统工作台质量
Vm为工作台的最大移动速率..
ωD为折算成单轴系统电动机轴角速度
各项计算如下:
已知:
..
J0=0忽略不计,mn=112.5Kg
齿轮惯性转矩计算公式:
..
J=r2m=r2G/g式(5.8)
其中:
ρ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=pRLD/32式(5.9)
最后计算可得:
..
J1=0.1×10-3Kg.m2
J2=1.32×10-3Kg.m2
J3=2.98×10-4Kg.m2
J4=1.14×10-5Kg.m2
Vm=12m/s
ωD=2πrad/s
故惯性负载根据式(5.7)得:
11
毕业设计5步进电机及其传动机构的确定
JD=J0+J1+(Zl/Z2)(J2+J3)+J4(Vm/ωD)2×mn
=17.3Kg.cm2
此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。
12
毕业设计6传动系统刚度的讨论..
6传动系统刚度的分析
激光切割机..XY工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。
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
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..K0或..C0
决定的,在估算时,取..K=K0,C=C0
对滚珠丝杠传动,其变形主要包括:
①丝杠拉压变形
②扭转变形
③丝杠
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- 400600 数控 激光 切割机 结构设计 毕业设计 论文
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