射提高材料耐磨性能的试验研究，并于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。“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值的平均增长率，实现年产值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个重要趋势。.激光切割技术的应用激光切割是用聚焦镜将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定轨迹作相对运动,从而形成定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着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,在工业生产中有定的适用范围。激光切割机是光机电体化高度集成设备，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。.设计任务本次设计任务是设计台单片机主控芯片控制激光切割机床，主要设计对象是工作台部件及单片机控制原理图。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，只作般了解。单片机对工作台的纵横向进给脉冲当量.。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主控芯片对数据进行计算处理，由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。图系统总体原理图微机控制线路图参考系列单片机控制工作台线路图。步进电机参照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，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。比较后选用为主芯片。在使用过程中虽有的，但考虑实际情况需配备和，并要求时序配备。选晶体频率为，读取时间约为，则,常用读取时间约为。的读取时间应大于要求的读取时间。的读写时间约为，则常用读写时间为左右，均满足要求。根据需要，扩展接口，因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采用显示器。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。第二章机械部分工作台及轴的基本结构设计.工作台的设计主要设计参数及依据本设计的工作台的参数定为工作台行程横向，纵向工作台最大尺寸长宽高工作台最大承载重量脉冲当量.进给速度平方毫米表面粗糙度设计寿命年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。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，即向，上导轨为纵向传动系统，即向。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。初步确定工作台尺寸及估算重量初定工作台尺寸长宽高度为，材料为，估重为。设中托座尺寸长宽高度为，材料为，估重为。另外估计其他零件的重量约为。加上工件最大重量约为。则下托座导轨副所承受的最大负载为.轴随动系统设计激光切割机对轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄及质量，因此，要求轴的检测精度高于.同时，随动速度应大于。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容电感电阻激光红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于些特殊场合的切割加工如强磁场强干扰环境。所以在选择传感器时，应注意检测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。割头具有多种先进的智能和附加功能，如自动调整激光喷嘴距离自动清洁喷嘴同轴喷水机构切割头转动切割嘴摆动等。这些功能机构的增加,不可避免地增加了切割头的重量，成切割头的动态性能不好,随动机构反应不灵敏。般来说，普通数控激光切割机轴拖动重量在以上时，应采用重力平衡设施。而高性能数控激光切割机的轴拖动重量在以上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这点尤为重要。目前轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式图。该方式重量轻体积小易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。图轴随动机构第三章滚珠丝杠传动系统的设计计算根据机床的受力情况及结构尺寸，参照南京工艺装备厂的产品系列，选用内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下向向二因向的滚珠丝杆比向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算向丝杆的相关数据，向根据向的结果相同选用即可满足要求。三具体计算如下。.滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式.式中切削力，工件重量加工作台重量滚动导轨上的滚动摩擦系数约为，取.则根据式激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的，。对照样本参数,这里的非常小，选定导程为的滚珠丝杠副。.滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为.式中滚珠丝杠的螺纹升角当量摩擦角根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系见表，前面已经定，材料选择灰铸铁。所以，.因为.式中导程，丝杠公称直径，则根据式则根据式.得η.。表当量摩擦系数和当量摩擦角齿圈材料锡青铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度其它其它相对速度第四章直线滚动导轨的选型导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种，直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低，具有大幅度节能的效果。可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率。可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。型号选用型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图。具体型号向选用，向选用，图直线滚动导轨第五章步进电机及其传动机构的确定.步进电机的选用脉冲当量和步距角已知脉冲当量为，而步距角越小，则加工精度越高。初选为.二倍细分。步进电机上起动力矩的近似计算电机起动力矩.式中为滚珠丝杠所受总扭矩为外部负载产生的摩擦扭矩，有.•为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有.式中预紧时的摩擦系数，导程，预紧力，有取为轴承的预紧力，轴承型号为轻系列，预紧力为。故根据式•齿轮传动比公式为，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为.η式中.η.则根据式.•因.因为电机为五相运行。则步进电机最大静转矩•确定步进电机最高工作频率参考有关数控激光切割机床的资料,可以知道步进电机最高工作频率不超过。根据以上讨论并参照样本,确定选取型步进电机，该电机的最大静止转矩为.•，转动惯量为.齿轮传动机构的确定传动比的确定要实现脉冲当量的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为.式中为滚珠丝杠导程为步距角为脉冲当量根据前面选定的几个参数，由式.得根据结构要求,选用为，为齿轮结构主要参数的确定齿轮类型选择直齿加工方便。模数选择本工作台负载相当轻,参考同类型的机床后,选择齿轮传动侧隙的消除。中心距的计算.齿顶高为，齿根高为，齿宽为。齿轮材料及热处理小齿轮采用，齿面高频淬火大齿轮采用号钢，调质处理。.步进电机惯性负载的计算由资料知，激光切割机的负载可以认为是惯性负载。机械机构的惯量对运动特性有直接的影响。不但对加速能力加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在开环系统中对运动的平稳性也有很大的影响，因此要计算惯性负载。限于篇幅，在此仅对进给系统的负载进行计算。惯性负载可由以下公式进行计算.式中为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。为步进电机转子轴的转动惯量为齿轮的转动惯量为齿轮的转动惯量为齿轮的转动惯量为系统工作台质量为工作台的最大移动速率为折算成单轴系统电动机轴角速度各项计算如下已知忽略不计，.齿轮惯性转矩计算公式.其中为回转半径为转件的重量滚珠丝杠的惯性矩计算公式.最后计算可得故惯性负载根据式.得此值为近似值故此值