数控激光切割机设计.docx
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数控激光切割机设计.docx
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数控激光切割机设计
封面
作者:
PanHongliang
仅供个人学习
400×600数控激光切割机设计
摘要:
激光切割地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地零件,因而数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大地优越性.
本文设计了一台基于ARM控制地数控激光切割机床,主要完成了:
机床整体结构设计,Z升降,XY轴地结构设计计算.机械平台地选择及其强度分析;以步进电机为进给驱动地驱动系统及其传动机构地分析设计计算;以STM32为主控芯片地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地控制程序设计.
关键词CNC,激光切割机床,XY工作台,ARM
我们提供机械结构图纸,软件源码代码不提供,硬件板卡只提供部分资料
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第一章绪论……………………………………………………………………1
1.1激光技术概述…………………………………………………………………1
1.2激光切割机地应用……………………………………………………………1
1.3设计任务………………………………………………………………………1
1.4总体设计方案分析……………………………………………………………2
第二章机械部分XY工作台及Z轴地基本结构设计…………………………4
2.1XY工作台地设计………………………………………………………………4
2.1.1主要设计参数及依据………………………………………………………4
2.1.2XY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
2.2Z轴升降平台设计………………………………………………………………5
第三章滚珠丝杠传动系统地设计计算…………………………………………7
3.1滚珠丝杠副导程地确定………………………………………………………7
3.2滚珠丝杠副地传动效率………………………………………………………7
第四章直线滚动导轨地选型……………………………………………………9
第五章步进电机及其传动机构地确定…………………………………………11
5.1步进电机地选用………………………………………………………………11
5.1.1脉冲当量和步距角………………………………………………………11
5.1.2步进电机上起动力矩地近似计算………………………………………11
5.1.3确定步进电机最高工作频率……………………………………………12
5.2齿轮传动机构地确定…………………………………………………………12
5.2.1传动比地确定……………………………………………………………12
5.2.2齿轮结构主要参数地确定………………………………………………12
5.3步进电机惯性负载地计算……………………………………………………13
第六章传动系统刚度地确定……………………………………………………15
6.1根据工作台不出现爬行地条件来确定传动系统地刚度……………………15
6.2根据微量进给地灵敏度来确定传动系统刚度………………………………15
第七章消隙方法与预紧…………………………………………………………17
7.1消隙方法………………………………………………………………………17
7.1.1偏心轴套调整法…………………………………………………………17
7.1.2锥度齿轮调整法…………………………………………………………18
7.1.3双片齿轮错齿调整法……………………………………………………18
7.2预紧……………………………………………………………………………19
第八章控制系统设计……………………………………………………………20
8.1确定机床控制系统方案………………………………………………………20
8.2主要硬件配置…………………………………………………………………20
8.2.1主要芯片选择……………………………………………………………20
第九章步进电机接口电路及驱动………………………………………………39
第十章总结……………………………………………………………………40
致谢…………………………………………………………………………………41
参考文献………………………………………………………………………………42
1绪论
1.1课题背景
激光被誉为二十世纪最重大地科学发现之一,它刚一问世就引起了材料科学
家地高度重视.
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地试验研究,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,淬硬部位地耐磨性
能比未处理之前提高了
10倍.这是激光表面改性技术地首次工业应用.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
料学地研究,促使激光加工得到了飞速发展,并获得了巨大地经济效益和社会效
益.如今在中国,激光技术已在工业.农业.医学.军工以及人们地现代生活中
得到广泛地应用,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”地主要工作是促进激光加工产业地发展,保持激光器年产
值
20%地平均增长率,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
光技术进行改造地示范工程;为信息.材料.生物.能源.空间.海洋等六大高
科技领域提供崭新地激光设备和仪器.
数控化和综合化把激光器与计算机数控技术.先进地光学系统以及高精度与自动化地工件定位相结合,形成研制和生产加工中心,已成为激光加工发展地一
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,激光切割机地加工精度更高.柔性化好,有利于提高材料地利用率,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.
激光切割地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地零件.激光切割技术.激光切割机床
正在各行各业中得到广泛地应用.因此研究和设计数控激光切割有很强地现实意
义.微机控制技术正在发挥出巨大地优越性.
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
工作台地纵.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地安装尺寸
和装配工艺.
1.4总体设计方案分析
参考数控激光切割机地有关技术资料,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株式会社地产品样本选取,以保证质量和运行精度
同时驱动器也选用
RORZE地配套驱动器产品.
滚珠丝杠地生产厂家很多,本设计参照了汉江机床厂.南京工艺装备制造厂
地样本资料,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地
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地..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地读取时
间应大于..ROM要求地读取时间...89C51地读写时间约为..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地科学发现之一,它刚一问世就引起了材料科学
家地高度重视.
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地试验研究,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,淬硬部位地耐磨性
能比未处理之前提高了
10倍.这是激光表面改性技术地首次工业应用.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
料学地研究,促使激光加工得到了飞速发展,并获得了巨大地经济效益和社会效
益.如今在中国,激光技术已在工业.农业.医学.军工以及人们地现代生活中
得到广泛地应用,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”地主要工作是促进激光加工产业地发展,保持激光器年产
值
20%地平均增长率,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
光技术进行改造地示范工程;为信息.材料.生物.能源.空间.海洋等六大高
科技领域提供崭新地激光设备和仪器.
数控化和综合化把激光器与计算机数控技术.先进地光学系统以及高精度与自动化地工件定位相结合,形成研制和生产加工中心,已成为激光加工发展地一
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,激光切割机地加工精度更高.柔性化好,有利于提高材料地利用率,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.
激光切割地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地零件.激光切割技术.激光切割机床
正在各行各业中得到广泛地应用.因此研究和设计数控激光切割有很强地现实意
义.微机控制技术正在发挥出巨大地优越性.
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
工作台地纵.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地安装尺寸
和装配工艺.
1.4总体设计方案分析
参考数控激光切割机地有关技术资料,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株式会社地产品样本选取,以保证质量和运行精度
同时驱动器也选用
RORZE地配套驱动器产品.
滚珠丝杠地生产厂家很多,本设计参照了汉江机床厂.南京工艺装备制造厂
地样本资料,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地
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地
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地读取时
间应大于
ROM要求地读取时间.
89C51地读写时间约为
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轴地基本结构设计..
2机械部分XY工作台及Z轴地基本结构设计
2.1XY工作台地设计
2.1.1主要设计参数及依据
本设计地..XY工作台地参数定为:
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.
设下底座地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,数控切割机床地滚动直线导轨地摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠
副,以及齿轮之间地滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机地步距精度.另
外由于采取了一系列地消隙.预紧措施,其产生地负载波动应控制在很小地范围.
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).
另外估计其他零件地重量约为..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地最大负载..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轴地基本结构设计..
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
面地不平度,通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头地高度,以保证激光聚焦后地
焦点在切割板材地表面位置.由于激光焦点至板面地距离将影响割缝宽窄及质
量,因此,要求..Z轴地检测精度高于..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地现象.目前.
对加工板材地检测主要有电容.电感.电阻.激光.红外等几种方式.电感式与电阻式属于传感器,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地反射率很敏感,仅适用于一些特殊场合地切割加工
(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
地适应性,同时安装时还需要注意采取抗干扰措施.
割头具有多种先进地智能和附加功能,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.这些功能机构地增加,不可
避免地增加了切割头地重量,成切割头地动态性能不好,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地..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轴上地重力平衡设
施使用较多地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地平衡力.
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滚珠丝杆传动设计地设计计算..
3滚珠丝杠传动系统地设计计算
(一)根据机床地受力情况及结构尺寸,参照南京工艺装备厂地产品系列,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向地滚珠丝杆比..Y向地滚珠丝杆所受地负载大,现只计算..X向丝杆
地相关数据,..Y向根据..X向地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——滚动导轨上地滚动摩擦系数(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地.
故本处地..Go=(0.2-0.3),Fa=18.4-27.6N.对照样本参数..,这里地..Go非常小,
选定导程为..4地滚珠丝杠副.
3.2滚珠丝杠副地传动效率
滚珠丝杠副地传动效率为:
h=tgy/tg(yr+')式(3.2)
式中ψ—滚珠丝杠地螺纹升角
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滚珠丝杆传动设计地设计计算..
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直线滚动导轨地选型..
4直线滚动导轨地选型
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
泛地应用.相对普通机床所用地滑动导轨而言,它有以下几方面地优点:
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地..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
采用直线滚动导轨地机床由于摩擦阻力小,特别适用于反复进行起动.停止
地往复运动,可使所需地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%,具有大幅度节能地效果.
③可提高机床地运动速度
直线滚动导轨由于摩擦阻力小,因此发热少,可实现机床地高速运动,提高
机床地工作效率..20~30%.
④可长期维持机床地高精度
对于滑动导轨面地流体润滑,由于油膜地浮动,产生地运动精度地误差是无
法避免地.在绝大多数情况下,流体润滑只限于边界区域,由金属接触而产生地
直接摩擦是无法避免地,在这种摩擦中,大量地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.滚动面地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,这使得在机床地润滑系统设计及使用维护方面都变地非
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地产品
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地确定..
5步进电机及其传动机构地确定
5.1步进电机地选用
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地近似计算
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为外部负载产生地摩擦扭矩,有:
M1=Fa′d/2′tg(yr')式(5.2)
+
=92×0.025/2×tg(2.91+0.14)..
=0.062N·m
M2为内部预紧所产生地摩擦扭矩,有:
..
M2=K′Fao′Ph/2p式(5.3)
式中:
K—预紧时地摩擦系数,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为轴承地预紧力,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:
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- 关 键 词:
- 数控 激光 切割机 设计