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流程设计。关键词: CNC 激光切割机床 结构 设计ABSTRACTLaser 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 Chinas 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 motors controlling program.Key words: CNC;laser cutting machine tools;architecture;design 目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1课题背景11.2课题研究的目的和意义11.3国内外现状21.4存在的主要问题31.5设计任务31.6总体设计方案4第二章 机械部分设计52.1机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计52.1.1XY工作台设计52.1.2.Z轴随动系统52.2滚珠丝杠传动系统的设计计算62.2.1滚珠丝杠的选型62.2.2丝杠的校核72.3直线滚动导轨的选型82.4步进电机及其传动机构的确定92.4.1 步进电机的特点优点92.5齿轮传动机构的确定102.5.1传动比确定102.5.2消隙方法112.6轴承的选择11第三章 数控系统设计123.1确定机床控制系统方案123.2主要芯片配置133.2.1主要芯片选择133.2.2 主要管脚功能133.2.3 EPROM的选用143.2.4 RAM的选用143.2.5 89C51存储器及I/O的扩展153.2.6 8155工作方式查询163.2.7状态查询173.2.8 8155定时功能173.3键盘设计183.3.1键盘定义及功能183.3.2 键盘程序设计183.4显示器设计203.4.1显示器显示方式的选用203.4.2显示器接口203.5步进电机的驱动233.6光电隔离电路243.7越界报警电路25结 论26致 谢27参考文献28第一章 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。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。1.2课题研究的目的和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。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。在高功率数控激光切割成套设备开发及制造方面，经过十几年的发展，我国激光切割技术及装备从无到有，已逐步形成一定产业规模。2007年国内大型激光切割设备的销售额达到15亿元，在中低端产品方面基本占领国内市场，并有部分产品出口。但与美国、欧盟、日本等发达国家相比，我国的激光切割设备仍然停留在低端产品阶段，而且高功率激光器、激光专用控制系统、激光光束传输控制、激光切割专有技术等绝大部分核心技术还依赖进口。目前，国际上德国通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和意大利PRIMA等国际知名公司已经开发出大功率、大幅面、高速、飞行光路、多维立体、数控自动的激光切割机。在高端激光切割系统领域，我国与国际先进水平存在较大差距，产品基本依赖进口，每年不得不花费数十亿元从国外引进相关技术与设备。如船舶制造业中厚钢板的激光切割设备、三维立体激光切割设备、有色金属激光切割设备等，引进价格昂贵、订货周期长、售后服务无法及时保证，严重制约了我围困民经济的发展。并且由于国外在该领域出口对我国有明确的限制，采用许可证制度，严格规定该项技术不能用于军工、航空航天等领域，因此我国急需突破该项技术。1.3国内外现状激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。 激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70和20，表面处理则不到10。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50）和切割（15）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了7080。我国激光加工中以切割为主的占10，其中98以上的CO2激光器，功率在1.5kW2kW范围内，而以热处理为主的约占15，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。 在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。 到了80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。 目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达3050kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。1.4存在的主要问题1、科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段；2、激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差。国外不仅二级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中，而且二级管激光器也被应用，而我国二极管泵浦的全固态激光器还处在刚开始研究开发阶段。 3、对加工技术的研究少，尤其对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。4、激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。总结：激光加工与柔性制造系统有很好的的相容性，把两者结合起来形成激光柔性加工系统，在彼此相互配合良好的条件下肯定会收到非凡的效果并取得良好的收益。1.5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。1.6总体设计方案图1-1 系统原理图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。其原理示意如图1-6.。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SFK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