CN104191093B - 一种具有自动定位功能的激光切割机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自动定位功能的激光切割机，包括上位机通信系统、单片机最小系统、触摸屏系统、步进电机控制系统、机械驱动系统、机床和激光切割机系统，触摸屏系统安装在机床床身侧面的触摸屏控制台上，激光切割系统安装在机床床身上，机械驱动系统安装在机床内部的轴承座之间，上位机通信系统、单片机最小系统和步进电机控制系统安装在机床床身侧面的电气箱中，单片机最小系统分别与上位机通信系统、触摸屏系统和步进电机控制系统相连。本发明采用步进电机驱动避免了传统机械传动驱动机构复杂的缺点，采用十字结构丝杠传动使滑块只能进行X、Y方向的直线运动，避免了传统工字型结构不能够实现左右两边丝杆进给运动同步的问题。
Description
技术领域
本发明属于机械加工制造领域，具体涉及一种金属材料切割设备，特别涉及一种具有自动定位功能的激光切割机。
背景技术
机械加工过程中常需要切割板材，常见的切割方式包括手工切割、数控切割机切割、半自动切割机切割。手工切割方便灵活，但切割误差较大、质量较差、材料浪费多、后续工作量大，且生产效率较低。半自动切割机切割工件质量较好，但不适合单件、大工件、小批量切割。相对来说，数控自动切割机切割质量、效率高，能大幅减轻操作者的劳动强度，是更加理想的切割方式。目前，在我国的一些中小企业甚至在一些大型企业中使用手工切割和半自动切割方式还较为普遍。
激光切割是板材下料过程中的重要加工方式。与传统切割方法(火焰切割、线切割等)相比，激光切割具有高速、高精度和高适应性的特点，同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切割过程容易实现自动化、加工成本低等优点，因而在工程上得到广泛应用。
目前，激光切割机价格昂贵，切割费用高，不适合于薄板切割、精度要求高的场合。这些产品仍然存在着或是成本偏高，或是效率低，或是可靠性不足的问题。我国的激光切割设备仍然停留在低端产品阶段，与国外激光切割机相比，国产激光切割机表现出切缝宽，切割表面质量、整机的稳定性、柔性较差，更重要的是关键技术如数控系统大多依靠国外引进。因此，在激光切割机的主要器件如激光器，光学件等都可以实现自主的供给的情形下，当务之急是对激光切割机控制技术进行研究，提出满足实际要求的控制策略，以提高激光切割机的精度和稳定性，进一步提高国产激光切割机的竞争力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用步进电机驱动避免了传统机械传动驱动机构复杂的缺点，采用十字结构丝杠传动使滑块只能进行X、Y方向进行直线运动，避免了传统工字型结构不能够实现左右两边丝杆进给运动同步问题的具有自动定位功能的激光切割机。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有自动定位功能的激光切割机，包括上位机通信系统、单片机最小系统、触摸屏系统、步进电机控制系统、机械驱动系统、机床和激光切割机系统，机床包括机床床身和机床导轨，机床导轨安装在机床床身上，触摸屏系统安装在机床床身侧面的触摸屏控制台上，激光切割系统安装在机床床身上，机械驱动系统安装在机床内部的轴承座之间，上位机通信系统、单片机最小系统和步进电机控制系统安装在机床床身侧面的电气箱中，单片机最小系统分别与上位机通信系统、触摸屏系统和步进电机控制系统相连，步进电机控制系统与机械驱动系统相连。
具体地，所述的激光切割机系统包括激光切割机底座、激光切割机机身、Z向步进电机、激光反射器、激光头外壳和激光头，激光切割机底座通过激光切割机滑块安装在机床导轨上，激光切割机机身固定在激光切割机底座上，激光头外壳通过连接器与激光切割机机身固定连接，激光头外壳顶部设有Z向步进电机和激光反射器，激光头外壳底部设有激光头。
所述的步进电机控制系统包括AT89C51单片机、X向步进电机驱动器、Y向步进电机驱动器、X向步进电机和Y向步进电机，X向步进电机驱动器的一端通过1C、2C、3C、4C端口与X向步进电机的A、B、C、D线圈连接，另一端通过1B、2B、3B、4B端口与AT89C51单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3端口连接；Y向步进电机驱动器的一端通过1C、2C、3C、4C端口与Y向步进电机的A、B、C、D线圈连接，另一端通过1B、2B、3B、4B端口与AT89C51单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7端口连接，AT89C51单片机的P3.4/T0端口与步进电机运行控制键SW2相连。
具体地，所述的机械驱动系统包括工作平台、Y向滚珠丝杆驱动装置和X向滚珠丝杆驱动装置，Y向滚珠丝杆驱动装置由Y向滚珠丝杆、Y向滚珠丝杆螺母座、Y向滚珠轴承、Y向轴承座和Y向联轴器组成，X向滚珠丝杆驱动装置由X向滚珠丝杆、X向滚珠丝杆螺母座、X向滚珠轴承、X向轴承座和X向联轴器组成；
工作平台通过工作平台底座安装在Y向滚珠丝杆螺母座之上，工作平台上设置有螺旋夹紧机构，工件通过螺旋夹紧机构固定在工作平台上，Y向滚珠丝杆螺母座通过螺母座连接杆安装在X向滚珠丝杆螺母座上，Y向滚珠丝杆通过Y向滚珠轴承安装在Y向轴承座之间，Y向轴承座外侧设有Y向轴承端盖，Y向滚珠丝杆的末端通过Y向联轴器与Y向步进电机连接，X向滚珠丝杆通过X向滚珠轴承安装在X向轴承座之间，X向轴承座外侧设有X向轴承端盖，X向滚珠丝杆的末端通过X向联轴器与X向步进电机连接。
具体地，所述的上位机通信系统包括PC机、MAX232通信接口芯片和AT89C51单片机，MAX232通信接口芯片的Tlin和Rlout端口分别与AT89C51单片机的P3.0/TXD和P3.1/RXD端口连接；MAX232通信接口芯片的Tlout和Rlin端口分别与PC机的RXD和TXD端口相连。所述的触摸屏系统包括触摸屏、触摸屏控制芯片ADS7846和触摸屏控制器，ADS7846触摸屏控制器的X+、Y+、X-、Y-端口分别与触摸屏的X+、Y+、X-、Y-端口连接，ADS7846芯片的DCLK、DIN、BUSY、DOUT、端口分别与AT89C51单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P3.2端口连接。
具体地，所述的单片机最小系统采用AT89C51单片机作为主控芯片，包括电源电路、复位电路、晶振电路、工作状态指示与报警电路，AT89C51单片机分别与电源电路、复位电路、晶振电路和工作状态指示与报警电路连接。
进一步地，所述的X向步进电机驱动器和Y向步进电机驱动器采用ULN2000A型步进电机驱动器。
进一步地，所述的工作状态指示与报警电路包括状态指示灯和蜂鸣报警器。
进一步地，所述的激光头外壳内设有激光器丝杆和用于平衡激光头附加功能机构重量的平衡气缸，激光器丝杆与Z向步进电机相连，Z向步进电机驱动激光器丝杆沿Z轴方向运动，调整激光头的位置。
本发明的有益效果是：
(1)采用单片机进行控制，抗干扰性能好，稳定性强可靠性高，可维护性能也很好，相对于传统的工控机而言，单片机成本低廉，对操作维护人员的要求不高，便于推广利用；
(2)采用步进电机驱动，避免了传统机械传动驱动机构复杂的缺点，它具有电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，简化了设备构造，增加了驱动的灵敏性和精度；
(3)采用十字结构丝杠传动，精度高，而且运用了滑轨，限制了其它方向上的运动，使滑块只能沿X、Y方向进行直线运动，避免了传统工字型结构不能够实现左右两边丝杆进给运动同步或者容易卡住的问题；
(4)采用触摸屏作为控制、显示界面，便于人机对话友好交互，使操作简单、方便、快捷，更具有人性化；
(5)采用单片机与PC机通信，便于信息传输，有利于整个系统的升级和维护。
附图说明
图1为本发明的激光切割机电路模块图；
图2为本发明的激光切割机的机械结构示意图；
图3为本发明的步进电机控制系统结构示意图；
图4为本发明的机械驱动系统结构示意图；
图5为本发明的上位机通信系统结构示意图；
图6为本发明的触摸屏系统结构示意图；
图7为本发明的单片机最小系统结构示意图；
图8为本发明的激光头外壳结构示意图；
附图标记说明：8-机床导轨，9-激光切割机滑块，10-激光切割机底座，11-激光切割机机身，12-连接器，13-Z向步进电机，14-激光反射器，15-激光头外壳，16-激光头，17-工作平台，18-工作平台底座，19-触摸屏控制台，20-机床床身，21-电气箱，22-机床底座，28-X向步进电机，29-X向步进电机驱动器，31-Y向步进电机驱动器，32-Y向步进电机，34-Y向联轴器，35-Y向轴承端盖，36-Y向滚珠轴承，37-Y向轴承座，38-Y向滚珠丝杆，39-X向滚珠丝杆螺母座，40-X向滚珠丝杆，41-螺母座连接杆，42-Y向滚珠丝杆螺母座，43-工件，44-激光器丝杆，45-平衡气缸。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。
如图1、图2所示，一种具有自动定位功能的激光切割机，包括上位机通信系统、单片机最小系统、触摸屏系统、步进电机控制系统、机械驱动系统、机床和激光切割机系统，机床包括机床床身20和机床导轨8，机床导轨8安装在机床床身20上，机床床身20通过机床底座22放置在地面上，触摸屏系统安装在机床床身20侧面的触摸屏控制台19上，激光切割系统安装在机床床身20上，机械驱动系统安装在机床内部的轴承座之间，上位机通信系统、单片机最小系统和步进电机控制系统安装在机床床身20侧面的电气箱21中，单片机最小系统分别与上位机通信系统、触摸屏系统和步进电机控制系统相连，步进电机控制系统与机械驱动系统相连。
本实施例选用典型电路组成单片机最小系统，上位机通信系统能实现上位机与单片机之间的通信，触摸屏系统用于工作台工作模式的选择、运行参数的控制以及运行状态的显示，步进电机控制系统能实现步进电机运动控制，机械驱动系统能实现工作平台自动定位功能的机械传动系统，激光切割系统能实现材料切割功能，机床用于整个系统和相应辅助设备的安放，整个激光切割机采用AT89C51作为主控芯片构成单片机最小系统，对数据进行计算处理。上位机通信系统将PC机指令传输给单片机最小系统，单片机最小系统通过相应的I/O端口输出控制信号给步进电机控制系统，完成步进电机的各种运行方式控制，实现步进电机在4相8拍的工作方式下的正反转运行。机械驱动系在步进电机控制系统的控制下运转，二维平面工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动，实现程序设定轨迹的运动，加工的过程中激光切割系统启动，从而完成了激光切割机在平面内的自动定位切割。
本实施例所述的激光切割机系统包括激光切割机底座10、激光切割机机身11、Z向步进电机13、激光反射器14、激光头外壳15和激光头16，激光切割机底座10通过激光切割机滑块9安装在机床导轨8上，激光切割机机身11固定在激光切割机底座10上，激光头外壳15通过连接器12与激光切割机机身11固定连接，激光头外壳15顶部设有Z向步进电机13和激光反射器14，激光头外壳15底部设有激光头16。
如图3所示，本实施例所述的步进电机控制系统包括AT89C51单片机、X向步进电机驱动器29、Y向步进电机驱动器31、X向步进电机28和Y向步进电机32，X向步进电机驱动器29的一端通过1C、2C、3C、4C端口与X向步进电机28的A、B、C、D线圈连接，另一端通过1B、2B、3B、4B端口与AT89C51单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3端口连接；Y向步进电机驱动器31的一端通过1C、2C、3C、4C端口与Y向步进电机32的A、B、C、D线圈连接，另一端通过1B、2B、3B、4B端口与AT89C51单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7端口连接，AT89C51单片机的P3.4/T0端口与步进电机运行控制键SW2相连。当手动按下控制电路的启停控制键SW2，单片机的P3.4/T0口检测到相应的信号，经处理后输出相应的指令控制步进电机的启动与停止；本系统的驱动电路中，X向步进电机驱动器、Y向步进电机驱动器分别从单片机接收相应的脉冲控制信号，信号经过处理后传输到对应的步进电机，步进电机根据接收的信号做出相应的角位移变化，从而实现对步进电机运行速度、方向等运行参数的控制。
如图4所示，本实施例所述的机械驱动系统包括工作平台17、Y向滚珠丝杆驱动装置和X向滚珠丝杆驱动装置，Y向滚珠丝杆驱动装置和X向滚珠丝杆驱动装置安装在机床导轨8上，Y向滚珠丝杆驱动装置由Y向滚珠丝杆38、Y向滚珠丝杆螺母座42、Y向滚珠轴承36、Y向轴承座37和Y向联轴器34组成，X向滚珠丝杆驱动装置由X向滚珠丝杆40、X向滚珠丝杆螺母座39、X向滚珠轴承、X向轴承座和X向联轴器组成(图中未画出)；工作平台17通过工作平台底座18安装在Y向滚珠丝杆螺母座42之上，工作平台17上设置有螺旋夹紧机构，工件43通过螺旋夹紧机构固定在工作平台17上，Y向滚珠丝杆螺母座42通过螺母座连接杆41安装在X向滚珠丝杆螺母座39上，Y向滚珠丝杆38通过Y向滚珠轴承36安装在Y向轴承座37之间，Y向轴承座37外侧设有Y向轴承端盖35，Y向滚珠丝杆38的末端通过Y向联轴器34与Y向步进电机32连接，X向滚珠丝杆40通过X向滚珠轴承安装在X向轴承座之间，X向轴承座外侧设有X向轴承端盖，X向滚珠丝杆40的末端通过X向联轴器与X向步进电机28连接。Y向步进电机32从Y向步进电机驱动器31获得脉冲信号，驱动Y向滚珠丝杆38的转动，从而实现Y向滚珠丝杆螺母座42在特定方向的直线进给运动，X向滚珠丝杆螺母座39采用同样的方式在特定的直线方向运动，X、Y方向的丝杆联动，最终实现工作平台17在复杂平面轨迹的偏移。
如图5所示，本实施例所述的上位机通信系统包括PC机、MAX232通信接口芯片和AT89C51单片机，MAX232通信接口芯片的Tlin和Rlout端口分别与AT89C51单片机的P3.0/TXD和P3.1/RXD端口连接；MAX232通信接口芯片的Tlout和Rlin端口分别与PC机的RXD和TXD端口相连。整个激光切割机的软件设计在PC机上实现，软件设计完成后，上位机通信系统将激光切割机工作模式、运行控制代码等信息经过MAX232通信接口芯片端口传输给AT89C51单片机。在后期的系统维护和升级的过程中，也通过上位机通信系统来实现信息的传递和更新。
如图6所示，本实施例所述的触摸屏系统包括触摸屏、触摸屏控制芯片ADS7846和触摸屏控制器，相应电路的元器件和线路接法采用ADS7846触摸屏控制芯片的典型电路设计完成：ADS7846触摸屏控制器的X+、Y+、X-、Y-端口分别与触摸屏的X+、Y+、X-、Y-端口连接，ADS7846芯片的DCLK、DIN、BUSY、DOUT、端口分别与AT89C51单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P3.2端口连接。当触摸屏上有触压信号产生时，触摸屏的X+、Y+、X-、Y-端口将信号传输给ADS7846芯片，信号经过处理后，通过ADS7846芯片端口将信号传输给单片机，单片机根据软件设计的要求对信号作出相应的响应，并将结果经过ADS7846芯片反馈给触摸屏，触摸屏显示处理结果。
如图7所示，本实施例所述的单片机最小系统采用AT89C51单片机作为主控芯片，包括电源电路、复位电路、晶振电路、工作状态指示与报警电路，AT89C51单片机分别与电源电路、复位电路、晶振电路和工作状态指示与报警电路连接。电源电路提供单片机正常工作的电压。复位电路采用手动复位方式，当接通按钮开关SW1，单片机端口检测到相应的变化，经过内部处理后，使单片机进入复位状态。复位电路用于系统工作出现死机等异常情况时，使系统重新启动，保证系统正常运行。晶振电路采用内部晶振方式电路，为单片机的正常工作提供时钟信号。工作状态指示与报警电路用于切割机工作状态的显示，并在工作异常的情况下进行报警。AT89C51单片机是整个控制系统的核心，用于接收上位机的信息，并通过其端口发送指令，控制其它系统的运行，并维持整个系统的正常工作。
本实施例所述的X向步进电机驱动器和Y向步进电机驱动器采用ULN2000A型步进电机驱动器。
本实施例所述的工作状态指示与报警电路包括状态指示灯和蜂鸣报警器。
如图8所示，本实施例所述激光切割系统采用技术已经比较成熟激光切割机，使用的过程中只需要手动控制其启动与停止即可，所述的激光头外壳15内设有激光器丝杆44和平衡气缸45，平衡气缸45用于平衡切割头16附加功能机构的重量，保证切割头的良好动态性能和随动机构反应灵敏度和稳定度，激光器丝杆44与Z向步进电机13相连，Z向步进电机13驱动激光器丝杆44沿Z轴方向运动，调整激光头16的位置。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种具有自动定位功能的激光切割机，其特征在于：包括上位机通信系统、单片机最小系统、触摸屏系统、步进电机控制系统、机械驱动系统、机床和激光切割机系统，机床包括机床床身(20)和机床导轨(8)，机床导轨(8)安装在机床床身(20)上，触摸屏系统安装在机床床身(20)侧面的触摸屏控制台(19)上，激光切割系统安装在机床床身(20)上，机械驱动系统安装在机床内部的轴承座之间，上位机通信系统、单片机最小系统和步进电机控制系统安装在机床床身(20)侧面的电气箱(21)中，单片机最小系统分别与上位机通信系统、触摸屏系统和步进电机控制系统相连，步进电机控制系统与机械驱动系统相连；
所述的机械驱动系统包括工作平台(17)、Y向滚珠丝杆驱动装置和X向滚珠丝杆驱动装置，Y向滚珠丝杆驱动装置由Y向滚珠丝杆(38)、Y向滚珠丝杆螺母座(42)、Y向滚珠轴承(36)、Y向轴承座(37)和Y向联轴器(34)组成，X向滚珠丝杆驱动装置由X向滚珠丝杆(40)、X向滚珠丝杆螺母座(39)、X向滚珠轴承、X向轴承座和X向联轴器组成；
工作平台(17)通过工作平台底座(18)安装在Y向滚珠丝杆螺母座(42)之上，工作平台(17)上设置有螺旋夹紧机构，工件(43)通过螺旋夹紧机构固定在工作平台(17)上，Y向滚珠丝杆螺母座(42)通过螺母座连接杆(41)安装在X向滚珠丝杆螺母座(39)上，Y向滚珠丝杆(38)通过Y向滚珠轴承(36)安装在Y向轴承座(37)之间，Y向轴承座(37)外侧设有Y向轴承端盖(35)，Y向滚珠丝杆(38)的末端通过Y向联轴器(34)与Y向步进电机(32)连接，X向滚珠丝杆(40)通过X向滚珠轴承安装在X向轴承座之间，X向轴承座外侧设有X向轴承端盖，X向滚珠丝杆(40)的末端通过X向联轴器与X向步进电机(28)连接。
2.根据权利要求1所述的激光切割机，其特征在于：所述的激光切割机系统包括激光切割机底座(10)、激光切割机机身(11)、Z向步进电机(13)、激光反射器(14)、激光头外壳(15)和激光头(16)，激光切割机底座(10)通过激光切割机滑块(9)安装在机床导轨(8)上，激光切割机机身(11)固定在激光切割机底座(10)上，激光头外壳(15)通过连接器(12)与激光切割机机身(11)固定连接，激光头外壳(15)顶部设有Z向步进电机(13)和激光反射器(14)，激光头外壳(15)底部设有激光头(16)。
3.根据权利要求1所述的激光切割机，其特征在于：所述的步进电机控制系统包括AT89C51单片机、X向步进电机驱动器(29)、Y向步进电机驱动器(31)、X向步进电机(28)和Y向步进电机(32)，X向步进电机驱动器(29)的一端通过1C、2C、3C、4C端口与X向步进电机(28)的A、B、C、D线圈连接，另一端通过1B、2B、3B、4B端口与AT89C51单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3端口连接；Y向步进电机驱动器(31)的一端通过1C、2C、3C、4C端口与Y向步进电机(32)的A、B、C、D线圈连接，另一端通过1B、2B、3B、4B端口与AT89C51单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7端口连接，AT89C51单片机的P3.4/T0端口与步进电机运行控制键SW2相连。
4.根据权利要求1所述的激光切割机，其特征在于：所述的上位机通信系统包括PC机、MAX232通信接口芯片和AT89C51单片机，MAX232通信接口芯片的Tlin和Rlout端口分别与AT89C51单片机的P3.0/TXD和P3.1/RXD端口连接；MAX232通信接口芯片的Tlout和Rlin端口分别与PC机的RXD和TXD端口相连。
5.根据权利要求1所述的激光切割机，其特征在于：所述的触摸屏系统包括触摸屏、触摸屏控制芯片ADS7846和触摸屏控制器，ADS7846触摸屏控制器的X+、Y+、X-、Y-端口分别与触摸屏的X+、Y+、X-、Y-端口连接，ADS7846芯片的DCLK、DIN、BUSY、DOUT、端口分别与AT89C51单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P3.2端口连接。
6.根据权利要求1所述的激光切割机，其特征在于：所述的单片机最小系统采用AT89C51单片机作为主控芯片，包括电源电路、复位电路、晶振电路、工作状态指示与报警电路，AT89C51单片机分别与电源电路、复位电路、晶振电路和工作状态指示与报警电路连接。
7.根据权利要求3所述的激光切割机，其特征在于：所述的X向步进电机驱动器和Y向步进电机驱动器采用ULN2000A型步进电机驱动器。
8.根据权利要求6所述的激光切割机，其特征在于：所述的工作状态指示与报警电路包括状态指示灯和蜂鸣报警器。
9.根据权利要求2所述的激光切割机，其特征在于：所述的激光头外壳(15)内设有激光器丝杆(44)和用于平衡激光头(16)附加功能机构重量的平衡气缸(45)，激光器丝杆(44)与Z向步进电机(13)相连，Z向步进电机(13)驱动激光器丝杆(44)沿Z轴方向运动，调整激光头(16)的位置。
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