激光被譽爲二十世紀最重大的科學發現之一，它剛一問世就引起了材料科學家的高度重視。1971年11月，美國通用汽車公司率先使用一臺250W CO2激光器進行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗研究，並於1974年成功地完成了汽車轉向器殼內表面（可鍛鑄鐵材質）激光淬火工藝研究，淬硬部位的耐磨性能比未處理之前提高了10倍。這是激光表面改性技術的首次工業應用。多年以來，世界各國投入了大量資金和人力進行激光器、激光加工設備和激光加工對材料學的研究，促使激光加工得到了飛速發展，並獲得了巨大的經濟效益和社會效益。如今在中國，激光技術已在工業、農業、醫學、軍工以及人們的現代生活中得到廣泛的應用，並且正逐步實現激光技術產業化，國家也將其列爲“九五”攻關重點項目之一。“十五”的主要工作是促進激光加工產業的發展，保持激光器年產值20％的平均增長率，實現年產值200億元以上；在工業生產應用中普及和推廣加工技術，重點完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統工業應用激光技術進行改造的示範工程；爲信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領域提供嶄新的激光設備和儀器。數控化和綜合化把激光器與計算機數控技術、先進的光學系統以及高精度和自動化的工件定位相結合，形成研製和生產加工中心，已成爲激光加工發展的一個重要趨勢。
1.2現實意義
激光切割機是光、機、電一體化高度集成設備，科技含量高，與傳統機加工相比，激光切割機的加工精度更高、柔性化好，有利於提高材料的利用率，降低產品成本，減輕工人負擔，對製造業來說，可以說是一場技術革命。激光切割的適用對象主要是難切割材料，如高強度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密細小和形狀複雜的零件。激光切割技術、激光切割機牀正在各行各業中得到廣泛的應用。因此研究和設計數控激光切割有很強的現實意義。微機控制技術正在發揮出巨大的優越性。
1.3設計任務
本次設計任務是設計一臺單片機（89C51主控芯片）控制激光切割機牀，主要設計對象是XY工作臺部件及89C51單片機控制原理圖。而對激光切割機其他部件如冷水機、激光器等不作爲設計內容要求，只作一般瞭解。單片機對XY工作臺的縱、橫向進給脈衝當量0.001mm/ pluse。工作臺部件主要構件爲滾珠絲槓副、滾動直線導軌副、步進電機、工作臺等。設計時應兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。
1.4總體設計方案分析
參考數控激光切割機的有關技術資料，確定總體方案如下：採用89C51主控芯片對數據進行計算處理，由I/O接口輸出控制信號給驅動器，來驅動步進電機，經齒輪機構減速後，帶動滾珠絲槓轉動，實現進給。
2 機械部分XY工作臺及Z軸的基本結構設計
激光切割機對Z軸隨動機構要求非常高。在切割中需隨時檢測和控制切割表面的不平度，通過伺服電機和滾珠絲桿調整切割頭的高度，以保證激光聚焦後的焦點在切割板材的表面位置。由於激光焦點至板面的距離將影響割縫寬窄及質量，因此，要求Z軸的檢測精度高於0.010mm：同時，隨動速度應大於5m/min。隨動速度太快會造成切割頭上下震盪，太慢又造成切割頭跟不上的現象。目前。對加工板材的檢測主要有電容、電感、電阻、激光、紅外等幾種方式。電感式和電阻式屬於傳感器，激光、紅外及電容式屬於非接觸式傳感器。電容式傳感器在運動檢測過程中不發生摩擦阻力，最適於金屬板材和高速切割加工，而激光和紅外位移傳感器對加工材料的反射率很敏感，僅適用於一些特殊場合的切割加工(如強磁場、強幹擾環境)。所以在選擇傳感器時，應注意檢測精度和對切割材料的適應性，同時安裝時還需要注意採取抗干擾措施。
割頭具有多種先進的智能和附加功能，如自動調整激光噴嘴距離、自動清潔噴嘴、同軸噴水機構、切割頭轉動、切割嘴擺動等。這些功能機構的增加,不可避免地增加了切割頭的重量，成切割頭的動態性能不好,隨動機構反應不靈敏。一般來說，普通數控激光切割機Z軸拖動重量在5kg以上時，應採用重力平衡設施。而高性能數控激光切割機的Z軸拖動重量在2kg以上就必須施加重力平衡設施，特別是在高速飛行光路設計中,這一點尤爲重要。目前Z軸上的重力平衡設施使用較多的是採用氣缸託動方式(圖2.1)。該方式重量輕、體積小、易安裝，還可根據要求調整氣缸的平衡力。
6傳動系統剛度的分析
激光切割機XY工作臺其實爲一進給傳動系統，其傳動系統的剛度可根據不出現摩擦自振或保證微量進給靈敏度的條件來確定。
結 論
通過對數控激光切割機的整體設計，確定了一臺合理的立式機牀結構。
1、根據題目要求，設計出了一個結構合理的XY軸工作臺，同時對工作臺進行了受力分析、設計計算，對滾珠絲槓傳動系統傳動效率、強度等也進行了相應的計算，對直線滾動導軌如何選型進行了深度分析，確定步進電機及其傳動機構並進行了慣性負載計算、剛度討論等，分別來驗證了其合理性。
2、利用單片機（本設計採用了89C51爲主控芯片），設計出了一個比較合理的數控硬件電路與步進電機驅動相匹配的數控軟件連接，由單片機控制步進電機來實現XYZ方向的運動。
3、在設計中對機牀數控部分的`I/O進行了擴展，並對鍵盤和顯示器進行了相應的設計，對程序進行了初始化。
4、基本完成了經濟型數控激光切割機的設計，按此設計的切割機可以滿足生產的實際需要。
經過3個月的忙碌和工作，本次畢業設計已經接近尾聲，由於經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有指導教師的督促指導以及同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。
我要感謝所有的老師，爲我們打下機械專業知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因爲有了你們的支持和鼓勵。此次畢業設計纔會順利完成。
最後無錫交通學校對我的栽培。
參 考 文獻
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