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1、某重点大学硕士课题机电一体化激光切割机设计说明书400600数控激光切割机设计摘要：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。本文设计了一台基于ARM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升降，XY轴的结构设计计算、机械平台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STM32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，XY工作台，ARM我们提供机械结构图纸，软件源码
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3、滚珠丝杠副导程的确定 73.2 滚珠丝杠副的传动效率 7第四章 直线滚动导轨的选型 9第五章 步进电机及其传动机构的确定 115.1 步进电机的选用 115.1.1 脉冲当量和步距角 115.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 115.1.3确定步进电机最高工作频率 125.2齿轮传动机构的确定125.2.1传动比的确定 125.2.2齿轮结构主要参数的确定 125.3步进电机惯性负载的计算13第六章 传动系统刚度的确定156.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度156.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度15第七章 消隙方法与预紧177.1消隙方法177.1.1偏心轴套调整
4、法 177.1.2锥度齿轮调整法 187.1.3双片齿轮错齿调整法 187.2预紧19第八章 控制系统设计208.1 确定机床控制系统方案208.2 主要硬件配置208.2.1主要芯片选择 20第九章 步进电机接口电路及驱动 39第十章 总 结 40致 谢 41参考文献421 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
5、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；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
6、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。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。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
7、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，主毕业设计目录要设计对象是 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。1.4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
8、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。X向工作台Y向工作台图 1.1 系统总体原理图微机控制线路图参考 MCS51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。
9、单片机体积小、抗干扰能力强，对环境要毕业设计目录求不高，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. t480ns ,常用. EPROM读取时间约为. 200450ns。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. TR660ns，. TW=800ns，常用. RAM读写时间为. 200ns左右，均满足要求。根据
10、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。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
11、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。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。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
