摘 要
激光（LASER）是上世纪60年代发明的一种光源，激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
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 CNC，激光切割机床，结构，设计
ABSTRACT
Laser (LASER) is the invention of the last century, 60 years as a light source, the original Chinese name of laser is called "laser", "les" is that it is a transliteration of the English name of LASER is from the English Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation each word consisting of the head of a letter acronym, meaning "light amplification by stimulated emission of radiation." Laser full name in English has been completely expressed by the main process of manufacturing the laser. 1964, according to China's famous scientist Qian suggested that "light by stimulated emission," renamed "laser."
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, architecture, design
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。
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。
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。
XY工作台的设计
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
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。
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
目 录 15000字
摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2设计任务 2
1.3总体设计方案分析 2
2 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
3 滚珠丝杠传动系统的设计计算 6
3.1 强度计算 6
3.2 滚珠丝杠副的传动效率 6
4 直线滚动导轨的选型 8
5 步进电机及其传动机构的确定 9
5.1 步进电机的选用 9
5.1.1 脉冲当量和步距角 9
5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 9
5.1.3确定步进电机最高工作频率 10
5.2齿轮传动机构的确定 10
5.2.1传动比的确定 10
5.2.2齿轮结构主要参数的确定 10
5.3步进电机惯性负载的计算 11
6 传动系统刚度的讨论 13
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 13
6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 13
7 消隙方法与预紧 15
7.1消隙方法 15
7.1.1偏心轴套调整法 15
7.1.2锥度齿轮调整法 16
7.1.3双片齿轮错齿调整法 16
7.2预紧 17
8 数控系统设计 18
8.1 确定机床控制系统方案 18
8.2 主要芯片配置 18
8.2.1主要芯片选择 18
8.2.2 主要管脚功能 18
8.2.3 EPROM的选用 19
8.2.4 RAM的选用 20
8.2.5 89C51存储器及I/O的扩展 20
8.2.6 8155工作方式查询 21
8.2.7状态查询 22
8.2.8 8155定时功能 22
8.2.9 芯片地址分配 23
8.3 键盘设计 24
8.3.1键盘定义及功能 24
8.3.2 键盘程序设计 24
8.4 显示器设计 28
8.4.1显示器显示方式的选用 28
8.4.2显示器接口 29
8.4.3 8155扩展I/O端口的初始化 29
8.5 插补原理 30
8.6光电隔离电路 31
8.7越界报警电路 31
8.8总体程序控制 31
8.8.1流程图 32
8.8.2总程序 30
9 步进电机接口电路及驱动 34
结 论 38
参考文献 39
致 谢 40
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