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。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t＝480ns ,常用EPROM读取时间约为200~450ns。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TR＝660ns，TW=800ns，常用RAM读写时间为200ns左右，均满足要求。根据需要，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。
第二章 机械部分XY工作台的基本结构设计
2.1.1主要设计参数及依据
本设计的XY工作台的参数定为： 工作台行程：横向320mm，纵向450mm
工作台最大尺寸（长×宽×高）：1100×900×300mm 工作台最大承载重量：120Kg 脉冲当量：0.001mm/pluse 进给速度：60平方毫米/min 表面粗糙度：0.8～1.6 设计寿命：15年
2.1.2 XY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。
XY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X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。 一般来说,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。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。
2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量
初定工作台尺寸(长×宽×高度)为:1200×950×70mm，材料为HT200，估重为625N (W1)。 设中托座尺寸(长×宽×高度)为:1200×520×220mm，材料为HT200，估重为250N（W2）。 另外估计其他零件的重量约为250N (W3)。 加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。
则下托座导轨副所承受的最大负载W为:
W=W1+W2+W3＝665+250+250+1176＝2301
第三章 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1/50。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90%，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90%，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20～30%。
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GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图4-1。 具体型号：X向选用GGB20BA2P，2 500-4
Y向选用GGB20AB2P，2 1100-4
图3-1 直线滚动导轨
第四章 步进电机及其传动机构的确定
4.1 步进电机的选用
4.1.1 脉冲当量和步距角
已知脉冲当量为1μm/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为0.36o/STEP（二倍细分）。
4.1.2步进电机上起动力矩的近似计算
电机起动力矩：
M?M1?M2 （4.1）
式中: M为滚珠丝杠所受总扭矩
Ml为外部负载产生的摩擦扭矩，有:
M1?Fa?d/2?tg(???) （4.2）
'=92×0.025/2×tg（2.91+0.14） =0.062N·m
M2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：
M2?K?Fao?Ph/2? （4.3）
式中: K—预紧时的摩擦系数，0.1—0.3
Ph—导程，4cm Fao——预紧力， 有：Fao=Fao1+Fao2
取Fao1=0.04×Ca=0.04 ×1600=640N
Fao2为轴承的预紧力，轴承型号为6004轻系列，预紧力为Fao2＝130N。故根据式（4.3）：
M2=0.098 N·m
齿轮传动比公式为：i=φ× Ph /(360×δp)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为：
Tq?M/i? （4.4）
=360×M×δp /φ×η×Ph
式中: δp =lμm/STEP=0.0001cm/STEP；
M= M1+ M 2= 0.16N φ=0.36o/STEP q=0.85 Ph＝0.4cm η＝0.953
则根据式（4.4）：
Tq=360×0.16×0.0001/(3.6×0.85×0.4)=0.4 N·m
因Tq/TJM=0.866(因为电机为五相运行)。则步进电机最大静转矩TJM=Tq/0.866=0.46 N·m 4.1.3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1000Hz。 根据以上讨论并参照样本,确定选取M56853S型步进电机，该电机的最大静止转矩为0.8 N·m，转动惯量为235g/cm2
4.2齿轮传动机构的确定
4.2.1传动比的确定
要实现脉冲当量lμm/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为：
i???Ph/(36?0?p ) （4.5）
式中：Ph —为滚珠丝杠导程
φ—为步距角 δp—为脉冲当量
根据前面选定的几个参数，由式（5.4）得：
i=0.36×4/360×0.001 =4:1=Z2/Z1
根据结构要求,选用Z1为30，Z2为120 4.2.2齿轮的结构主要参数确定 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m＝1齿轮传动侧隙的消除。
中心距的计算：
A=m×（Z1+ Z2） （4.6） =1×(30+120)/2=75mm
齿顶高为1mm，齿根高为125mm，齿宽为20mm。 齿轮材料及热处理：
小齿轮Z1采用40Cr，齿面高频淬火; 大齿轮Z2采用45号钢，调质处理。
4.3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：
JD=J+J1+(Z1/Z2)(J2+J3)+ J4 (Vm/?D)?mn 02 （4.7）
式中：JD为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。
J0为步进电机转子轴的转动惯量e J1为齿轮Zl的转动惯量 J2为齿轮Z2的转动惯量 J3为齿轮Z3的转动惯量 mn为系统工作台质量 Vm为工作台的最大移动速率
ωD为折算成单轴系统电动机轴角速度 各项计算如下：
已知：
J0＝0忽略不计， mn=112.5Kg
齿轮惯性转矩计算公式：
J=?2m=?2G/g （4.8）
其中：
ρ为回转半径 G为转件的重量
滚珠丝杠的惯性矩计算公式：