本科毕业论文---300×400数控激光切割机xy工作台部件及单片机控制设计.doc

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300×400数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计

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，XY工作台，单片机

300 × 400 CNC laser cutting machine XY
table 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 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, XY table ,Single chip microcomputer

目 录
第一章 绪论…………………………………………………………………… 1
1.1激光技术概述………………………………………………………………… 1
1.2激光切割机的应用…………………………………………………………… 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
第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算………………………………………… 7
3.1 滚珠丝杠副导程的确定……………………………………………………… 7
3.2 滚珠丝杠副的传动效率……………………………………………………… 7
第四章 直线滚动导轨的选型…………………………………………………… 9
第五章 步进电机及其传动机构的确定………………………………………… 11
5.1 步进电机的选用……………………………………………………………… 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的近似计算……………………………………… 11
5.1.3确定步进电机最高工作频率…………………………………………… 12
5.2齿轮传动机构的确定………………………………………………………… 12
5.2.1传动比的确定…………………………………………………………… 12
5.2.2齿轮结构主要参数的确定……………………………………………… 12
5.3步进电机惯性负载的计算…………………………………………………… 13
第六章 传动系统刚度的确定…………………………………………………… 15
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…………………… 15
6.2根据微量进给的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
8.2.2 主要管脚功能…………………………………………………………… 20
8.2.3 EPROM的选用…………………………………………………………… 21
8.2.4 RAM的选用……………………………………………………………… 22
8.2.5 89C51存储器及I/O的扩展……………………………………………… 22
8.2.6 8155工作方式查询……………………………………………………… 23
8.2.7状态查询………………………………………………………………… 24
8.2.8 8155定时功能…………………………………………………………… 25
8.2.9 芯片地址分配…………………………………………………………… 26
8.3总体程序控制………………………………………………………………… 27
8.3.1流程图……………………………………………………………………… 27
8.3.2总程序……………………………………………………………………… 27
8.4 键盘设计……………………………………………………………………… 28
8.4.1键盘定义及功能…………………………………………………………… 28
8.4.2 键盘程序设计……………………………………………………………… 29
8.5 显示器设计 …………………………………………………………………… 33
8.5.1显示器显示方式的选用…………………………………………………… 33
8.5.2显示器接口………………………………………………………………… 34
8.5.3 8155扩展I/O端口的初始化……………………………………………… 34
8.6 插补原理 ……………………………………………………………………… 35
8.7光电隔离电路 ………………………………………………………………… 35
8.8越界报警电路 ………………………………………………………………… 36
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……………………………………………………………………
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。“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。
X向工作台

控
制
器

驱
动
器
步进
电机
步进
电机

驱
动
器

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。

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第二章 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计

2.1 XY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
2.1.2 XY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

2.2 Z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。
图2-1 Z轴随动机构
11

第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算

（1） 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： FFZD 2504-3/490×500
Y向： FFZD 2504-3/500×1100
（2） 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。
（3） 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：
（3.1）

SETB IT0
SETB IT1
SETB IE0
SETB IE1
SETB TR0
SETB TR1
TMOD工作在方式2，所以初始化为：
MOV TMOD ，#66H

8.6 插补原理
插补是对直线、圆弧等低次方程曲线的一种逼近方式。通过计算使沿坐标方向的折线所构成的图形与加工图形间的误差保持在允许的范围内。常用的方法有逐点比较法、积分法。本设计选用逐点比较法。
逐点比较法工作原理：在控制过程中，逐步计算，判别折线运动与要求轨迹之间的偏差，决定下一步的进给方向。用步进电机控制工作台沿某一方向进给一步。一个插补由四个节拍组成，即偏差判别，进给，偏差计算，终点计算。无论是直线插补、顺圆插补、逆圆插补都遵守这样的四步原则。

8.7光电隔离电路
在实际电路中，模拟信号与数字信号之间有一个强电干扰的问题。光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。故在系统电路设计时，应该注意输入信号电路与单片机连接时的隔离。在这里，采用光电耦合是最常用的方法。光电耦合器具有三个特点：①信号传递采取电-光-电的形式，发光部分和受光部分不接触，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰，②抑制噪声干扰能力强；③具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般为数以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10ns。在系统图示中，模拟地用AGND表示，而数字地用DGND表示，以示区别。光耦电路原理图8-9。

VCC1 VCC2

R1 R2
1

1

GND

图8-9 光耦电路原理图

8.8越界报警电路
为防止工作台行程越界，设置限位开关，本设计中有四个限位开关，对应于四种越界可能。，一旦越界，立即发出越界信号，启动中断方式，停止工作台的移动。等待处理。并发出红灯报警。在正常工作时，则是绿灯亮。两灯均由8155Pb4口控制。
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第九章 步进电机接口电路及驱动

本设计选用五相步进电机M56853S，工作方式为2细分工作方式，并选择2CK输入工作方式。步进电机由驱动器RD-0534M驱动。而单片机控制驱动器启动和停止及正反转。驱动步进电机的脉冲按顺序供给电机各相，脉冲发生由驱动器内部自动产生，并且具有各种系统保护。RD-0534M驱动器的主要控制端有：
顺时方向控制端CW；逆时方向控制端CCW；运行方式控制端4PIN，所需联接控制信号由2#8155PB口控制。
X、Y向步进电机各用一个驱动器控制，电机以五相方式工作。由于RD-0534M驱动器具有良好的工作性能，并且又具有较强的保护功能，所以系统工作比较稳定。
单片机控制RD-0534M工作时有一个脉冲电流的要求，故在两者之间加了控制三极管。以满足控制要求。（硬件布置见附图1）
单片机实现步进电机控制主要在于脉冲分配，实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。这里通过单片机发出信号经过环形分配器驱动放大直接控制，需要采用软件实现脉冲分配。
横向进给采用五相十拍步进电机，五相十拍工作方式通电换相的正序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。如果P1.4-P1.0输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P1.7-P1.5三相六拍步进电机，设为1（即五相十拍步进电机工作，三相六拍步进电机不工作），控制则可用10个控制字来对应这10个通电状态。这10个控制字如表9-1所列。

表9-1 状态控制字
通电状态
P1.4(E)
P1.3(D)
P1.2(C)
P1.1(B)
P1.0(A)
控制字
AB
1
1
0
0
1
FCH
ABC
1
1
0
0
0
F8H
BC
1
1
0
0
1
F9H
CBD
1
0
0
0
1
F1H
CD
1
0
0
1
1
F3H
CDE
0
0
0
1
1
E3H
DE
0
0
1
1
1
E7H
DEA
0
0
1
1
0
E6H
EA
0
1
1
1
0
EEH
EAB
0
1
1
0
0
ECH
软件脉冲分配子程序
正转程序为：
CW: INC R0
CJNE R0,#0AH,ZZ
MOVE R0,#00H
ZZ: MOV A,R0
MOV DPTR,#ABC
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
RET
ABC: DB 0FCH,0F8H,0F9H,0F1H,0F3H
DB 0E3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH
反转程序为：
CCW: DEC R0
CJNE R0,#0FFH,FZ
MOV R0,#09H
FZ: MOV A,R0
MOV DPTR,#ABC
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
RET
纵向进给采用三相六拍步进电机，三相六拍工作方式通电换相的正序为：A-AB-B-BC-C-CA，共有6个通电状态。如果P1.7-P1.5输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P1.4-P1.0五相十拍步进电机，设为1（即三相六拍步进电机工作，五相十拍步进电机不工作），控制则可用6个控制字来对应这6个通电状态。这6个控制字如表9.2所列。
表9-2 状态控制字
通电状态
P1.7(C)
P1.6(B)
P1.5(5)
控制字
A
1
1
0
DFH
AB
1
0
0
9FH
B
1
0
1
BFH
BC
0
0
1
3FH
C
0
1
1
7FH
CA
0
1
0
5FH
软件脉冲分配子程序
正转程序为：
CW: INC R1
CJNE R1,#0AH,ZZ
MOVE R1,#00H
ZZ: MOV A,R1
MOV DPTR,#AB
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
RET
AB: DB 0DFH,9FH,0BFH,3FH,7FH,5FH
反转程序为：
CCW: DEC R0
CJNE R0,#0FFH,FZ
MOV R0,#09H
FZ: MOV A,R0
MOV DPTR,#ABC
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,

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第十章 总 结
通过对数控激光切割机的整体设计，确定了一台合理的立式机床结构。
根据题目要求，设计出了一个结构合理的XY轴工作台，同时对工作台进行了受力分析、设计计算，对滚珠丝杠传动系统传动效率、强度等也进行了相应的计算，对直线滚动导轨如何选型进行了深度分析，确定步进电机及其传动机构并进行了惯性负载计算、刚度讨论等，分别来验证了其合理性。
利用单片机（本设计采用了89C51为主控芯片），设计出了一个比较合理的数控硬件电路与步进电机驱动相匹配的数控软件连接，由单片机控制步进电机来实现XYZ方向的运动。在设计中对机床数控部分的I/O进行了扩展，并对键盘和显示器进行了相应的设计，对程序进行了初始化。基本完成了经济型数控激光切割机的设计，按此设计的切割机可以满足生产的实际需要。
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致 谢

经过2个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的督促指导以及同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在这里首先要感谢曾老师，她平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导，她严谨的治学态度、平易近人的作风和认真负责的工作态度也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。
其次要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。
最后感谢无锡职业技术学院三年来对我的栽培。

参 考 文 献

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