山东英才学院毕业设计题目 YM-1212 多功能数控激光切割机专业机电一体化姓名刘建峰指导教师李作丽孙芹孔令宇二O一O年一月二日目录第一章绪论 (6)1.1设计任务 (6)1.2总体设计方案分析 (6)第二章机械部分的结构设计 (8)2.1 XY工作台的设计 (8)2.1.1主要设计参数及依据 (8)2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析 (8)2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量 (8)2.2 Z轴传动系统设计 (9)第三章滚珠丝杠传动系统的设计计算 (11)3.1 强度计算 (11)3.2 滚珠丝杠副的传动效率 (11)第四章直线滚动导轨的选型 (13)导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， (13)型号：选用GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副 (13)第五章步进电机及其传动机构的确定 (14)5.1 步进电机的选用 (14)5.2齿轮传动机构的确定 (15)5.2.1传动比的确定 (15)5.2.2齿轮结构主要参数的确定 (15)5.3步进电机惯性负载的计算 (16)第六章传动系统刚度的分析 (18)第七章消隙方法与预紧 (20)7.1消隙方法 (20)7.2预紧 (21)第八章数控系统设计 (22)8.1 确定机床控制系统方案 (22)8.2 主要芯片配置 (22)8.2.1主要芯片选择 (22)8.2.2 主要管脚功能 (22)8.2.3 EPROM的选用 (23)8.2.4 RAM的选用 (24)8.2.5 89C51存储器及I/O的扩展 (24)8.2.6 8155工作方式查询 (25)8.2.7状态查询 (27)8.2.8 8155定时功能 (27)8.2.9 芯片地址分配 (28)8.3 键盘设计 (29)8.3.1键盘定义及功能 (29)8.3.2 键盘程序设计 (29)8.4 显示器设计 (32)8.4.1显示器显示方式的选用 (32)8.4.2显示器接口 (32)8.4.3 8155扩展I/O端口的初始化 (33)8.5 插补原理 (35)8.6光电隔离电路 (35)8.7越界报警电路 (36)8.8 总体程序控制 (36)8.8.1流程图 (36)8.8.2总程序 (36)第九章步进电机接口电路及驱动 (38)结论 (41)参考文献 (42)摘要激光是20世纪人类的重大科技发明之一，它对人类的社会生活产生了广泛而深远的影响。
作为高技术的研究成果，它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域，而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了大量的应用，与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值。
激光加工技术发展非常迅速，其应用范围日趋广阔，激光被誉为“万能加工工具”“未来制造系统的共同加工手段”。
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。
关键词激光切割机床、CNC、结构、设计ABSTRACTLaser is the 20th century, one of the major scientific and technological invention, its social life of mankind will have a broad and far-reaching impact. As a high-tech research results, it is not only widely used in scientific and technological research in various frontier areas, and has been in human life in many aspects of the production and obtained a large number of applications, and laser-related industries around the world have been formed more than 100 billion U.S. dollars The annual output value. Laser processing technology developed very rapidly, and its increasingly wide range of applications, the laser known as the "universal processing tool" "Future manufacturing systems a common processing means."The main target application of laser cutting is hard to cut materials, such as high strength, high toughness materials, and fine complex precision parts, and thus CNC laser cutting in China's manufacturing industry is playing an enormous advantage.This paper designed a microcontroller-controlled CNC laser cutting machine tools, mainly completed: the overall structure of machine tool design, Z-axis, XY-axis of the structural design calculation, ball screws, linear motion guide the choice and intensity of analysis; to step motor drive for the feed drive system and its drive mechanism analysis and design calculation; to 89C51 as the master chip CNC system hardware circuit design, system design and system software to initialize the program design and stepper motor control programming.Key words laser cutting machine、CNC、structure、design第一章绪论1.1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。
1.2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。
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。
第二章机械部分的结构设计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：工作台：1200×1200mm激光器：轴快流CO2激光器，激光功率400W定位速度最大：10m/min重复定位精度：±0.05mm/m电源：380V ac±5%;50/60HZ 5Kva环境温度：0-45℃环境湿度：50-95%RH整机重量：1800KG 外型尺寸（L×W×H）:2740×2020×1300mm2.1.2 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:1200×1200×80mm，材料为HT200，估重为650N (W1)。