摘要随着先进制造技术的发展和进步，数控加工已成为机加工过程中的一种主流技术。
这一技术的运用提高了机加工过程中工作效率和加工精度。
数控激光切割机就是提高切割加工精度和效率的一种很好的机加工工具。
本文采用了数控电火花切割机设计的步骤和方法，对数控激光切割机进行了设计，主要进行了机床的机械结构优化设计计算，伺服电机的选择，以及数控系统的硬件电路初步设计，及步进电机驱动电路的设计。
关键词激光切割机床、结构、数控、设计AbstractAlong with the advanced technique of manufacture development and the progress, the CNC processing has becomen in the machining process one kind of mainstream technology. The working efficiency and the processing precision has been enhanced by this technical utilization in the machining. The cutting processing precision has been the efficiency machine in the CNC laser cutter. The design to the CNC laser cutter has carried by used the step and the method which the CNC electric spark cutter designs. It has been carried on the engine machine mechanism by optimization design calculation, the servo electrical machinery choice, the CNC system hardware electric circuit preliminary design, and the motor-driven electric circuit design.Keywords laser cutting engine machine, structure, CNC, design目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)1 绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2现实意义 (1)1.3设计任务 (1)1.4总体设计方案分析 (2)2 机械部分XY工作台及Z轴的设计 (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轴主轴头系统设计 (5)2.3滚珠丝杠传动系统的设计计算 (6)2.3.1 强度计算 (6)2.3.2滚珠丝杠副的传动效率 (6)2.3.3直线滚动导轨的选型 (7)2.4 消隙方法与预紧 (8)2.4.1消隙方法 (8)2.4.2预紧 (8)3 步进电机及其传动机构的确定 (10)3.1联轴器的选用和校核 (10)3.1.1联轴器的选用 (10)3.1.2联轴器的校核 (11)3.2步进电机惯性负载的计算 (11)3.3 步进电机的选用 (12)4 传动系统刚度的讨论 (14)4.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 (14)4.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 (14)5 数控系统设计 (16)5.1 确定机床控制系统方案 (16)5.2 主要芯片配置 (16)5.2.1主要芯片选择 (16)5.2.2 主要管脚功能 (16)5.2.3 EPROM的选用 (17)5.2.4 RAM的选用 (17)5.2.5 89C51存储器及I/O的扩展 (18)5.2.6 8155工作方式查询 (20)5.2.7状态查询 (21)5.2.8 8155定时功能 (21)5.2.9 芯片地址分配 (22)5.3 键盘设计 (22)5.3.1键盘定义及功能 (22)5.3.2 键盘程序设计 (23)5.4 显示器设计 (27)5.4.1显示器显示方式的选用 (27)5.4.2显示器接口 (28)5.4.3 8155扩展I/O端口的初始化 (28)5.4.4 IP初始化 (29)5.4.5 PSW初始化 (29)5.5 总体程序控制 (30)5.5.1控制流程图 (30)5.5.2控制程序 (30)5.6 步进电机接口电路及驱动 (31)5.7光电隔离电路 (34)5.8越界报警电路 (34)6 结论 (36)参考文献 (37)致谢 (38)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。
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。
数控激光切割利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短的时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，从而达到切割材料的目的。
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0.01mm/ 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和8255，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。
2 机械部分XY工作台及Z轴的设计2.1 XY工作台的设计2.1.1主要设计参数及依据①本设计的XY工作台的参数定为：②工作台行程：横向450mm，纵向650mm③工作台加工工件最大尺寸（长×宽×高）：600×400×200mm④工作台最大承载重量：120Kg⑤脉冲当量：0.01mm/pluse⑥进给速度：60平方毫米/min⑦表面粗糙度：0.8～1.6⑧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:600×400×50mm，材料为HT200，估重为665N (W1)。
设中托座尺寸(长×宽×高度)为:440×1100×69mm，材料为HT200，估重为1240N（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+1240+250+1176＝3330N2.2 Z轴主轴头系统设计激光切割机对Z轴主轴头要求非常高。
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，主轴头进给速度应大于5m/min。