300×400数控激光切割机XY工作台研制与开发

1300×400数控激光切割机XY工作台研制与开发第一章绪论1.1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激光切割技术的应用激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。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2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。图1-1系统总体原理图控制器驱动器驱动器步进电机步进电机X向工作台Y向工作台3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。45第二章机械部分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：错误!未找到引用源。工作台行程：横向320mm，纵向450mm错误!未找到引用源。工作台最大尺寸（长×宽×高）：1100×900×300mm错误!未找到引用源。工作台最大承载重量：120Kg错误!未找到引用源。脉冲当量：0.001mm/pluse错误!未找到引用源。进给速度：60平方毫米/min错误!未找到引用源。表面粗糙度：0.8～1.6错误!未找到引用源。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)。6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＝2301N2.2Z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。7反光镜平衡气缸直线导轨切割头Z轴丝杆Z轴电机图2-1Z轴随动机构无锡职业技术学院毕业设计说明书8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：X向：FFZD2504-3/490×500Y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滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式：aF=F+UW（3.1）式中F——切削力，F=0W——工件重量加工作台重量W=2301NU——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）：aF=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），aF=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:'/()tgtg（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）（3.3）无锡职业技术学院毕业设计说明书9式中:Ph—导程，4mmd——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。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υsm/sf＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136°17′5°09′4°34′3°43′3°09′2°35′2°17′2°00′1°43′1°36′1°22′1°16′1°02′0°55′0°48′0°45′0.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206°51′5°43′5°09′4°17′3°43′3°09′2°52′2°35′2°17′2°00′1°47′1°40′1°29′1°22′1°09′0.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310°12′7°58′7°24′5°43′5°09′4°00′3°43′3°09′2°52′2°35′2°17′2°00′1°43′0.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.05510°2′7°58′7°24′5°43′5°09′4°00′3°43′3°09′0.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.07010°459°057°58′6°51′5°49′5°09′4°34′4°00′无锡职业技术学院毕业设计说明书10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：错误!未找到引用源。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