《课程设计》任务书班级：姓名：设计题目：激光切割机传动工作台机械结构设计及控制电路设计要求完成的内容：1双坐标数控工作台机械伺服结构数字化三维建模；2双坐标数控工作台机械伺服结构装配图(A1图)1张；3运动控制电路原理图设计(A2)1张；4设计计算说明书一份（1万字左右，20～25页）。

发题日期：2012年2月20日完成日期：2012年3月24日指导教师：摘要激光是一种光，与自然界其电发光一样，是由原子(分子或离子筝)跃迁产生的，而且是自发辐射引起勺。

激光虽然是光，但它与普通光明显不同是激光仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由激辐射决定，因此激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性,雕刻机，极高的发光强度。

激光同时又具有高相干性、高强度性、高方向性，激光通过激光器产生后由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的融化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工的目的。

激光加工技术在广告行业的应用主要分为：激光切割、激光雕刻两种工作方式，对于每一种工作方式，我们在操作流程中有一些不尽相同的地方。

间单的说，由激光器，机床，切割头，光路系统以及配套（空压机，冷干机，冷水机）等组成；动力方面是用几台步进电机，按照顺序控制指令，进行轮流交换，以缩短钣材加工结束后上下料时间，从而提高生产效率。

激光切割：我们可以理解为是边缘的分离。

对这样的加工目的，我们应该先在CORELDRAW、AUTOCAD里将图形做成矢量线条的形式,气动打标机，然后存为相应的PLT、DXF格式，用激光切割机操作软件打开该文件，根据我们所加工的材料进行能量和速度等参数的设置再运行即可。

激光切割机在接到计算机的指令后会根据软件产生的飞行路线进行自动切割。

如：现有金运激光切割机，可以根据电脑绘制好的模板，然后直接输入电脑，自动切割图形。

现有的激光切割机一般都有自己的硬盘，可输入海量数据源。

简介方便。

关键词：激光切割、激光器、机床、切割头、光路系统、步进电机目录1、绪论 (1)1. 课题背景 (1)1.2完成内容 (2)1.3 总体设计方案分析 (2)2、机械部分XY工作台及激光切割机详细构造 (4)2.1 XY工作台的设计 (4)2.2激光切割机详细构造 (5)3、步进电机及其传动机构的确定 (6)3.1步进电机的选用 (6)3.2齿轮传动机构的确定 (7)3.3步进电机惯性负载的计算 (7)4、传动系统刚度的分析 (9)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 (9)4.2量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 (9)5、控制系统设计 (10)5.1确定机床控制系统方案 (10)5.2 主要硬件配置 (10)6、结论 (20)参考文献 (21)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这是激光表面高了10倍。

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。

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。

1.2完成内容（1）横向进给伺服系统机构部分设计（2）数控化系统控制与驱动硬件电路原理设计（3）零件图设计（4）说明书一份1.3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，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工作台及激光切割机详细构造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420mm，纵向250mm②工作台最大尺寸（长×宽×高）：1100×900×300mm③工作台最大承载重量：280kg④脉冲当量：0.005mm\pluse⑤进给速度：60平方毫米/min⑥表面粗糙度：0.8～1.6⑦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＝2301N2.2激光切割机详细构造两轴运动控制系统，包括导轨，滑块，步进电机，同步带，驱动器，驱动主板，电源。

激光光路系统包括，激光管，激光电源，激光控制系统，反射镜，聚光镜。

压缩空气系统包括，气泵，气路。

激光管降温系统包括，恒温水泵，水管。

附上：新光源激光切割设备各结构的作用（1）激光电源供给激光振荡用的高压电源。

（2）激光振荡器产生激光的主要设备（3）折射反射镜用于将激光导向所需要的方向。

为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要用保护罩加以保护。

（4）割炬主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。

（5）切割工作平台用于安放被切割工件，并能按控制程序正确而精确地进行移动，通常由伺机电机驱动。

（6）割炬驱动装置用于按照程序驱动割炬沿X轴和Z轴方向运动，由伺服电动机和丝杆等传动件组成。

（7）数控装置对切割平台和割炬的运动进行控制，同时也控制激光器的输出功率。

（8）操作盘用于控制整个切割装置的工作过程。

(9) 气瓶包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光振荡的工作气体和供给切割用辅助气体(10) 冷却水循环装置用于冷却激光振荡器。

激光器是利用电能转换成光能的装置，如CO2气体激光器的转换效率一般为 20%，剩余的80%能量就变换为热量。

冷却水把多余的热量带走以保持振荡器的正常工作。

(11) 空气干燥器用于向激光振荡器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工3、步进电机及其传动机构的确定3.1步进电机的选用3.1.1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）。