1066-300×400數(shù)控激光切割機(jī)XY工作臺(tái)部件及單片機(jī)控制設(shè)計(jì)（2）

1066-300×400數(shù)控激光切割機(jī)XY工作臺(tái)部件及單片機(jī)控制設(shè)計(jì)（2）,數(shù)控,激光,切割機(jī),xy,工作臺(tái),部件,單片機(jī),控制,節(jié)制,設(shè)計(jì) 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1第一章 緒論1.1 激光技術(shù)概述激光被譽(yù)為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問(wèn)世就引起了材料科學(xué)家的高度重視。1971 年 11 月，美國(guó)通用汽車公司率先使用一臺(tái) 250W CO2 激光器進(jìn)行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗(yàn)研究，并于 1974 年成功地完成了汽車轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)表面（可鍛鑄鐵材質(zhì)）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(shù)的首次工業(yè)應(yīng)用。多年以來(lái)，世界各國(guó)投入了大量資金和人力進(jìn)行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對(duì)材料學(xué)的研究，促使激光加工得到了飛速發(fā)展，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如今在中國(guó)，激光技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用，并且正逐步實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國(guó)家也將其列為“九五”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目之一。 “十五 ”的主要工作是促進(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值 20％的平均增長(zhǎng)率，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值 200 億元以上；在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加工技術(shù)，重點(diǎn)完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行改造的示范工程；為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器。數(shù)控化和綜合化把激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動(dòng)化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。1.2 激光切割技術(shù)的應(yīng)用激光切割是用聚焦鏡將 CO2 激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來(lái)隨著 CO2 激光器及數(shù)控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進(jìn)的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對(duì)于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對(duì)于薄板采用剪床下料,成形復(fù)雜零件大批量的采用沖壓,單件的采用振動(dòng)剪。七十年代后,為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量,又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期,又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術(shù)。各種切割下料方法都有其有缺點(diǎn),在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。激光切割機(jī)是光、機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，激光切割機(jī)的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低產(chǎn)品成本，減輕工人負(fù)擔(dān)，對(duì)制造業(yè)來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是一場(chǎng)技術(shù)革命。激光切割的適用對(duì)象主要是難切割材料，如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2料，以及精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件。激光切割技術(shù)、激光切割機(jī)床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。因此研究和設(shè)計(jì)數(shù)控激光切割有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。微機(jī)控制技術(shù)正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)單片機(jī)（89C51 主控芯片）控制激光切割機(jī)床，主要設(shè)計(jì)對(duì)象是 XY 工作臺(tái)部件及 89C51 單片機(jī)控制原理圖。而對(duì)激光切割機(jī)其他部件如冷水機(jī)、激光器等不作為設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，只作一般了解。單片機(jī)對(duì) XY 工作臺(tái)的縱、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.001mm/ pluse。工作臺(tái)部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)、工作臺(tái)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。1.4 總體設(shè)計(jì)方案分析參考數(shù)控激光切割機(jī)的有關(guān)技術(shù)資料，確定總體方案如下：采用 89C51 主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。其原理示意圖 1-1。圖 1-1 系統(tǒng)總體原理圖微機(jī)控制線路圖參考 MCS－51 系列單片機(jī)控制 XY 工作臺(tái)線路圖。步進(jìn)電機(jī)參照 RORZE 株式會(huì)社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質(zhì)量和運(yùn)行精度 ,同時(shí)驅(qū)動(dòng)器也選用 RORZE 的配套驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品?？刂破黩?qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)X 向工作臺(tái)Y 向工作臺(tái)無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設(shè)計(jì)參照了漢江機(jī)床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料，力求從技術(shù)性能、價(jià)格狀況、通用互換性等各方面因素考慮，最后選用南京工藝裝備廠的FFZD 系列滾珠絲杠，即內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副。本設(shè)計(jì)棄用 Z80，而選用單片機(jī)。單片機(jī)體積小、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，性價(jià)比大大超過(guò)了 Z80。比較后選用 89C51 為主芯片。在使用過(guò)程中89C51 雖有 4K 的 FLASH（E 2PROM） ，但考慮實(shí)際情況需配備 EPROM 和 RAM，并要求時(shí)序配備。選晶體頻率為 6MHz，89C51 讀取時(shí)間約為 3t，則 t＝480ns ,常用 EPROM 讀取時(shí)間約為 200~450ns。89C51 的讀取時(shí)間應(yīng)大于 ROM 要求的讀取時(shí)間。89C51 的讀寫時(shí)間約為4T，則 TR＝660ns，TW=800ns ，常用 RAM 讀寫時(shí)間為 200ns 左右，均滿足要求。根據(jù)需要，擴(kuò)展 I/O 接口 8155，因顯示數(shù)據(jù)主要為數(shù)字及部分功能字，為簡(jiǎn)化電路采用 LED 顯示器。鍵盤采用非編碼式矩陣電路。為防止強(qiáng)電干擾，采用光電隔離電路。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4第二章 機(jī)械部分 XY 工作臺(tái)及 Z 軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 XY 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)2.1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù)本設(shè)計(jì)的 XY 工作臺(tái)的參數(shù)定為：①工作臺(tái)行程：橫向 320mm，縱向 450mm②工作臺(tái)最大尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：1100×900×300mm③工作臺(tái)最大承載重量：120Kg④脈沖當(dāng)量：0.001mm/pluse⑤進(jìn)給速度：60 平方毫米/min⑥表面粗糙度：0.8～1.6⑦設(shè)計(jì)壽命：15 年2.1.2 XY 工作臺(tái)部件進(jìn)給系統(tǒng)受力分析因激光切割機(jī)床為激光加工,其激光器與工件之間不直接接觸,因此可以認(rèn)為在加工過(guò)程中沒(méi)有外力負(fù)載作用。其切削力為零。XY 工作臺(tái)部件由工作臺(tái)、中間滑臺(tái)、底座等零部件組成,各自之間均以滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副相聯(lián),以保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度。設(shè)下底座的傳動(dòng)系統(tǒng)為橫向傳動(dòng)系統(tǒng)，即 X 向，上導(dǎo)軌為縱向傳動(dòng)系統(tǒng)，即 Y 向。一般來(lái)說(shuō),數(shù)控切割機(jī)床的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計(jì),但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動(dòng)摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會(huì)影響電機(jī)的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施,其產(chǎn)生的負(fù)載波動(dòng)應(yīng)控制在很小的范圍。2.1.3 初步確定 XY 工作臺(tái)尺寸及估算重量初定工作臺(tái)尺寸(長(zhǎng)×寬×高度)為:1200×950×70mm，材料為 HT200，估重為 625N (W1)。設(shè)中托座尺寸(長(zhǎng)×寬×高度)為:1200×520×220mm，材料為 HT200，估重為 250N（W2） 。另外估計(jì)其他零件的重量約為 250N (W3)。加上工件最大重量約為 120Kg（1176N）(G)。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載 W 為:W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N2.2 Z 軸隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)激光切割機(jī)對(duì) Z 軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時(shí)檢測(cè)和控制切割表面的不平度，通過(guò)伺服電機(jī)和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點(diǎn)在切割板材的表面位置。由于激光焦點(diǎn)至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量，因此，要求 Z 軸的檢測(cè)精度高于 0.010mm：同時(shí)，隨動(dòng)速度應(yīng)大于5m/min。隨動(dòng)速度太快會(huì)造成切割頭上下震蕩，太慢又造成切割頭跟不上的現(xiàn)象。目前。對(duì)加工板材的檢測(cè)主要有電容、電感、電阻、激光、紅外等幾種方式。電感式和電阻式屬于傳感器，激光、紅外及電容式屬于非接觸式傳感器。電容式傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中不發(fā)生摩擦阻力，最適于金屬板材和高速切割加工，而激光和紅外位移傳感器對(duì)加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場(chǎng)合的切割加工(如強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)干擾環(huán)境)。所以在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)注意檢測(cè)精度和對(duì)切割材料的適應(yīng)性，同時(shí)安裝時(shí)還需要注意采取抗干擾措施。割頭具有多種先進(jìn)的智能和附加功能，如自動(dòng)調(diào)整激光噴嘴距離、自動(dòng)清潔噴嘴、同軸噴水機(jī)構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動(dòng)、切割嘴擺動(dòng)等。這些功能機(jī)構(gòu)的增加,不可避免地增加了切割頭的重量，成切割頭的動(dòng)態(tài)性能不好,隨動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來(lái)說(shuō)，普通數(shù)控激光切割機(jī) Z 軸拖動(dòng)重量在 5kg 以上時(shí)，應(yīng)采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機(jī)的 Z 軸拖動(dòng)重量在 2kg 以上就必須施加重力平衡設(shè)施，特別是在高速飛行光路設(shè)計(jì)中,這一點(diǎn)尤為重要。目前 Z 軸上的重力平衡設(shè)施使用較多的是采用氣缸托動(dòng)方式(圖 2-1)。該方式重量輕、體積小、易安裝，還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡力。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)6絲絲 絲 Z絲Z絲圖 2-1 Z 軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)7第三章 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算（一） 根據(jù)機(jī)床的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸，參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列，選用 FFZD 內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿，具體型號(hào)如下： X 向： FFZD 2504-3/490×500Y 向： FFZD 2504-3/500×1100（二） 因 X 向的滾珠絲桿比 Y 向的滾珠絲桿所受的負(fù)載大，現(xiàn)只計(jì)算 X 向絲桿的相關(guān)數(shù)據(jù)，Y 向根據(jù) X 向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。（三） 具體計(jì)算如下。3.1 滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定軸向負(fù)荷計(jì)算公式：（3.1）aF=+UW式中 F—— 切削力， F=0W——工件重量加工作臺(tái)重量 W=2301NU——滾動(dòng)導(dǎo)軌上的滾動(dòng)摩擦系數(shù)（約為 0.003-0.004） ，取 U=0.004則根據(jù)式（3.1）： = 0.004×2301=92NaF激光切割機(jī)滾珠絲杠是在低速條件下工作的。故本處的 Go=（0.2-0.3 ） ， =18.4-27.6N。對(duì)照樣本參數(shù),這里的 Go 非常a小，選定導(dǎo)程為 4 的滾珠絲杠副。3.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為:（3.2）'/()tg?????式中 ψ—滾珠絲杠的螺紋升角ρ＇—當(dāng)量摩擦角 根據(jù)當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角關(guān)系（見(jiàn)表 3-1），前面已經(jīng)定 v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵 HRC≥45。所以：ρ＇=4°00′，tgρ＇=0.0025 ；因?yàn)?ψ=arctg（P h/πd） 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)8（3.3）式中:P h—導(dǎo)程， 4mmd——絲杠公稱直徑，25mm則根據(jù)式（3.3）：ψ＝2.91°則根據(jù)式（3.2）得：η＝0.953。表 3-1 當(dāng)量摩擦系數(shù) f＇ 和當(dāng)量摩擦角 ρ ＇齒圈材料 錫 青 銅 無(wú)錫青銅 灰鑄鐵齒面硬度 HRC≥45 其它 HRC≥45 HRC≥45 其它相對(duì)速度 υ s m/sf＇ ρ ＇ f＇ ρ ＇ f＇ ρ ＇ f＇ ρ ＇ f＇ ρ ＇0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136°17′5°09′4°34′3°43′3°09′2°35′2°17′2°00′1°43′1°36′1°22′1°16′1°02′0°55′0°48′0°45′0.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206°51′5°43′5°09′4°17′3°43′3°09′2°52′2°35′2°17′2°00′1°47′1°40′1°29′1°22′1°09′0.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310°12′7°58′7°24′5°43′5°09′4°00′3°43′3°09′2°52′2°35′2°17′2°00′1°43′0.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.05510°2′7°58′7°24′5°43′5°09′4°00′3°43′3°09′0.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.07010°459°057°58′6°51′5°49′5°09′4°34′4°00′無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)9無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)10第四章 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型導(dǎo)軌主要分為滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌兩種， 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：①定位精度高直線滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的 1/50。由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動(dòng)靈活，可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少 90%，因此，可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級(jí)。②降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)、停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低 90%，具有大幅度節(jié)能的效果。③可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率 20～30%。④可長(zhǎng)期維持機(jī)床的高精度對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤(rùn)滑，由于油膜的浮動(dòng)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)精度的誤差是無(wú)法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤(rùn)滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無(wú)法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能?。疂L動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高精度狀態(tài)。同時(shí)，由于使用潤(rùn)滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤(rùn)滑就足夠了，這使得在機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開(kāi)式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。型號(hào)：選用 GGB 型四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，如圖 4-1。具體型號(hào)：X 向選用 GGB20BA2P，2 500-4 Y 向選用 GGB20AB2P， 2 1100-4無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)11圖 4-1 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)12第五章 步進(jìn)電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定5.1 步進(jìn)電機(jī)的選用5.1.1 脈沖當(dāng)量和步距角已知脈沖當(dāng)量為 1μm/STEP，而步距角越小，則加工精度越高。初選為0.36o/STEP（二倍細(xì)分） 。5.1.2 步進(jìn)電機(jī)上起動(dòng)力矩的近似計(jì)算 電機(jī)起動(dòng)力矩：（5.1）12M??式中: M 為滾珠絲杠所受總扭矩Ml為外部負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩，有:（5.2）'1/()aFdtg???=92×0.025/2×tg（2.91+0.14）=0.062N·mM2為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有：（5.3）2/2aohKFP???式中: K—預(yù)緊時(shí)的摩擦系數(shù)，0.1—0.3 Ph—導(dǎo)程，4cmFao——預(yù)緊力，有：Fao=Fao 1+Fao2取 Fao1=0.04×Ca=0.04 ×1600=640NFao2為軸承的預(yù)緊力，軸承型號(hào)為 6004 輕系列，預(yù)緊力為 Fao2＝130N。故根據(jù)式（5.3）： M2=0.098 N·m齒輪傳動(dòng)比公式為：i=φ× Ph /(360×δ p)，故步進(jìn)電機(jī)輸出軸上起動(dòng)矩近似地可估算為： （5.4）/qTi??=360×M×δ p /φ×η×P h 式中: δ p =lμm/STEP=0.0001cm/STEP；M= M1+ M 2= 0.16Nφ=0.36 o/STEP無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)13q=0.85Ph＝0.4cmη＝0.953則根據(jù)式（5.4）：Tq=360×0.16×0.0001/(3.6×0.85×0.4)=0.4 N·m 因 Tq/TJM=0.866(因?yàn)殡姍C(jī)為五相運(yùn)行)。則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩TJM=Tq/0.866=0.46 N·m5.1.3 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率參考有關(guān)數(shù)控激光切割機(jī)床的資料,可以知道步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率不超過(guò)1000Hz。根據(jù)以上討論并參照樣本,確定選取 M56853S 型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的最大靜止轉(zhuǎn)矩為 0.8 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 235g/cm25.2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定5.2.1 傳動(dòng)比的確定要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量 lμm/STEP 的設(shè)計(jì)要求，必須通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行分度，其傳動(dòng)比為：（5.5）/(360)hpiP????式中：P h —為滾珠絲杠導(dǎo)程φ—為步距角δ p—為脈沖當(dāng)量根據(jù)前面選定的幾個(gè)參數(shù)，由式（5.4）得：=0.36×4/360×0.001i=4:1=Z2/Z1根據(jù)結(jié)構(gòu)要求,選用 Z1 為 30，Z 2 為 120 5.2.2 齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定①齒輪類型：選擇直齒加工方便。②模數(shù)選擇：本工作臺(tái)負(fù)載相當(dāng)輕,參考同類型的機(jī)床后,選擇 m＝1 齒輪傳動(dòng)側(cè)隙的消除。③中心距的計(jì)算：A=m×（Z 1+ Z2） （5.6）無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)14=1×(30+120)/2=75mm齒頂高為 1mm，齒根高為 125mm，齒寬為 20mm。④齒輪材料及熱處理：小齒輪 Z1 采用 40Cr，齒面高頻淬火; 大齒輪 Z2 采用 45 號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。5.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算由資料知，激光切割機(jī)的負(fù)載可以認(rèn)為是慣性負(fù)載。機(jī)械機(jī)構(gòu)的慣量對(duì)運(yùn)動(dòng)特性有直接的影響。不但對(duì)加速能力、加速時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩及動(dòng)態(tài)的快速反應(yīng)有關(guān)，在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中對(duì)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性也有很大的影響，因此要計(jì)算慣性負(fù)載。限于篇幅，在此僅對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。慣性負(fù)載可由以下公式進(jìn)行計(jì)算：（5.7）0 2D1234mnJ=+(Z/)J+ (V/)D??式中：J D為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載。J0為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 eJ1為齒輪 Zl的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2為齒輪 Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3為齒輪 Z3的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量mn為系統(tǒng)工作臺(tái)質(zhì)量Vm 為工作臺(tái)的最大移動(dòng)速率ω D為折算成單軸系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)軸角速度各項(xiàng)計(jì)算如下：已知：J0＝0 忽略不計(jì)， m n=112.5Kg齒輪慣性轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式：（5.8）2J=G/g?其中：ρ 為回轉(zhuǎn)半徑G 為轉(zhuǎn)件的重量滾珠絲杠的慣性矩計(jì)算公式：（5.9）J=RLD/32?無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)15最后計(jì)算可得：J1=0.1×10-3Kg. m2J2=1.32×10-3Kg. m2J3=2.98×10-4Kg. m2J4=1.14×10-5Kg. m2Vm=12 m/sω D=2πrad/s故慣性負(fù)載根據(jù)式（5.7）得：JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J 2＋J 3）+ J 4 (Vm/ω D)2×mn=17.3 Kg. cm2此值為近似值故此值小于所選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)16第六章 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的分析激光切割機(jī) XY 工作臺(tái)其實(shí)為一進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度可根據(jù)不出現(xiàn)摩擦自振或保證微量進(jìn)給靈敏度的條件來(lái)確定。6.1 根據(jù)工作臺(tái)不出現(xiàn)爬行的條件來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度傳動(dòng)系統(tǒng)中的當(dāng)量剛度 K 或當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度 C 主要由最后傳動(dòng)件的剛度 K0或 C0決定的，在估算時(shí)，取 K=K0，C=C 0對(duì)滾珠絲杠傳動(dòng),其變形主要包括：①絲杠拉壓變形②扭轉(zhuǎn)變形③絲杠和螺母的螺紋接觸變形及螺母座的變形。④軸承和軸承座的變形。在工程設(shè)計(jì)和近似計(jì)算時(shí)，一般將絲杠的拉壓變形剛度的三分之一作為滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度 K0，根據(jù)支承形式可得：式3/*10(/)oEFLKgfm??（6.1）式中：E=2.06×10 -4(Kgf/ mm 2)F=754.8mm 2 L=Ls＝250 mm則根據(jù)式（6.1）得：K0=203.2N/mm傳動(dòng)系統(tǒng)剛度較大，可以滿足要求。6.2 根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)剛度此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度應(yīng)滿足：K△ ≥F 0/△ 式（6.2）式中：K △ —傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)量剛度F0—部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的靜摩擦力N —正壓力,N=W/g=230kgf無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)17F —靜摩擦系數(shù)，取 0.003-0.004 △ —部件調(diào)整時(shí)，所需的最小進(jìn)給量則：F0=230×0.004=0.92KGFA=0.5δp=0.5 μm/STEP即滿足微量進(jìn)給要求的傳動(dòng)系統(tǒng)剛度為:K△ ≥F 0/△＝ 0.92/0.5＝1.84Kgf/mm結(jié)合上述傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的討論可知滿足微量進(jìn)給靈敏度所需要的剛度較小，可以達(dá)到精度要求。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)18第七章 消隙方法與預(yù)緊7.1 消隙方法數(shù)控機(jī)床的機(jī)械進(jìn)給裝置中常采用齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到一定的降速比和轉(zhuǎn)矩的要求。由于齒輪在制造中總是存在著一定的誤差，不可能達(dá)到理想齒面的要求，因此一對(duì)嚙合的齒輪，總應(yīng)有一定的齒側(cè)間隙才能正常地工作。齒側(cè)間隙會(huì)造成進(jìn)給系統(tǒng)的反向動(dòng)作落后于數(shù)控系統(tǒng)指令要求，形成跟隨誤差甚至是輪廓誤差。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，齒側(cè)間隙也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動(dòng)副常采用各種消除側(cè)隙的措施，以盡量減小齒輪側(cè)隙。數(shù)控機(jī)床上常用的調(diào)整齒側(cè)間隙的方法針對(duì)不同類型的齒輪傳動(dòng)副有不同的方法。7.1.1 偏心軸套調(diào)整法 如圖 7-1，齒輪１裝在電動(dòng)機(jī)軸上，調(diào)整偏心軸套２可以改變齒輪１和３之間的中心距，從而消除齒側(cè)間隙。1-齒輪 2-偏心套 3-齒輪圖 7-1 偏心軸套調(diào)整法無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)197.1.2 錐度齒輪調(diào)整法 如圖 7-2 所示將一對(duì)齒輪１和２的輪齒沿齒寬方向制成小錐度，使齒厚在齒輪的軸向稍有變化。調(diào)整時(shí)改變墊片３的厚度就能改變齒輪１和２的軸向相對(duì)位置，從而消除齒側(cè)間隙。圖 7-2 錐度齒輪調(diào)整法7.1.3 雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 圖 7-3 是另一種雙片齒輪周向彈簧錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)，兩片薄齒輪 1 和 2 套裝無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)20一起，每片齒輪各開(kāi)有兩條周向通槽，在齒輪的端面上裝有短柱 3，用來(lái)安裝彈簧 4。裝配時(shí)使彈簧 4 具有足夠的拉力，使兩個(gè)薄齒輪的左右面分別與寬齒輪的左右面貼緊，以消除齒側(cè)間隙。對(duì)比三種方案：第一種需要經(jīng)常的調(diào)整，對(duì)于本身就以提高效率為目標(biāo)的數(shù)控機(jī)床而言肯定不合適。第二種是很不錯(cuò)的方案，但在切割機(jī)上并不實(shí)用。第三種方案相比較而言在數(shù)控切割機(jī)上適用，而且不需要人為經(jīng)常調(diào)整，很適合數(shù)控機(jī)床的需要。本設(shè)計(jì)方案選用第三種方法。圖 7-3 雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法7.2 預(yù)緊滾珠絲杠副在工作臺(tái)上的支承方式有兩種。一種是單支承形式；另一種是兩端支承形式，本設(shè)計(jì)選用兩端支承形式中的“雙支點(diǎn)各單向固定”的支承方式。該形式夾緊一對(duì)圓錐滾子軸承的外圈而預(yù)緊，提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加軸承裝置的剛性，減小機(jī)器工作時(shí)軸承的振動(dòng)。預(yù)緊量由廠家提供。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)21單片機(jī)I/O口擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)器光電隔離功 率 放 大X 軸電機(jī)縱向絲杠存儲(chǔ)器擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)器Y 軸電機(jī)橫向絲杠Z 軸電機(jī)Z 向絲杠第八章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.1 確定機(jī)床控制系統(tǒng)方案根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)方案的要求，可以看出：對(duì)機(jī)械部分的控制只有進(jìn)給系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的控制和工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)控制?？刂葡到y(tǒng)有微機(jī)的、有 PLC 的、也有單片機(jī)的，這里采用的是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，可以選擇經(jīng)濟(jì)型的單片機(jī)控制系統(tǒng)。另外，居然要控制，就得有輸入和輸出設(shè)備才能對(duì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。其控制系統(tǒng)框圖如圖 8-1 所示：圖 8-1 控制系統(tǒng)框圖8.2 主要硬件配置8.2.1 主要芯片選擇由于 89C51 芯片在性價(jià)比上比同類單片機(jī)高，加上 8031、8051 市場(chǎng)上已經(jīng)停產(chǎn)，所以選擇 89C51 作為主芯片。8.2.2 主要管腳功能89C51 是 40 腳雙列直插式芯片。主要管腳功能:①控制線 ——片外存儲(chǔ)器選擇端，雖然 89C51 內(nèi)有 4K 的 FLASH，但為EA了方便接線和各程序的存放，故不使用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，這樣 接地，從外EA部程序存儲(chǔ)器讀取指令。② ——外部程序存儲(chǔ)器選通端,以區(qū)別讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。PSN③ALE——地址鎖存控制端,系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE 控制 P0口輸出的低八位地址送鎖存器儲(chǔ)存，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和地址隔離。此外 ALE 以 l/6 晶振的固定頻率輸出正脈沖,可作為外部時(shí)鐘或定時(shí)脈沖。鍵 盤 顯示器無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)22④RESET——復(fù)位端,當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)二個(gè)周期以上高電平，完成復(fù)位初始化操作。⑤89C51 中 I/O 口的介紹P0口——外接存儲(chǔ)器時(shí)，此口為擴(kuò)展電路低八位地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用口；Pl口——用戶使用的 I/O 口；P2口——外接存儲(chǔ)器時(shí),作擴(kuò)展電路高八位的地址總線；P3口——雙重功能口；P0—P3口均為八位雙向口。P 0口可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 門電路，P l—P3口只能驅(qū)動(dòng)四個(gè) TTL 門電路。⑥時(shí)鐘——XTAL1 和 XTAL2，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，二端接石英和微調(diào)電路；使用外部時(shí)鐘時(shí)，接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。89C51 三總線結(jié)構(gòu)：地址總線 AB——地址總線為 16 位，外部存儲(chǔ)器直接尋址范圍為 64KB，地址總線由 P0口經(jīng)地址鎖存器，提供八位 A0-A7，高八位 A8—A15由 P2 口直接提供。數(shù)據(jù)總線 DB——數(shù)據(jù)總線為 8 位，自 P0口直接提供。,控制總線 CB——由 P3口第二功能控制線 、 、ALE、RESET 組成。ESN8.2.3 EPROM 的選用為簡(jiǎn)化電路，此處選用 2764EPROM (8K*8 位)。本設(shè)計(jì)采用二片 2764EPROM，分別存放監(jiān)控程序,各功能模塊程序,常用零件加工程序。以便于更換各功能模塊程序和零件加工程序時(shí)，只需更換各自芯片即可，方便升級(jí)。2764 芯片主要引腳功能:①A 0—A12 13 位地址線②D 0—D7 數(shù)據(jù)輸出線③ 數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)OE④ 編程控制信號(hào)，用于引入編程脈沖PGM⑤ 片選信號(hào)C2764 主要工作方式:無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)23①讀方式—— 及 為低電平，Vpp＝＋5V 時(shí)處于讀出方式OEC②寫方式—— 為低電平, 亦為低電平，V PP＝＋21V, 為高電PGMCE平時(shí)，2764 芯片處于禁止?fàn)顟B(tài)。將數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)固化到指定地址單元。③編程禁止方式一此為向多片 2764 寫入不同程序而設(shè)置的，當(dāng) VPP=+21V時(shí)， 為高電平時(shí)，2764 芯片處于編程禁止?fàn)顟B(tài)。C8.2.4 RAM 的選用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 通常采用 MOS 型，MOS 型 RAM 分靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種。動(dòng)態(tài) RAM集成度高，功耗小，成本低，但控制邏輯復(fù)雜，需要定期刷新,尤其是容易受到干擾，對(duì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)、電摞等都有較高的要求。對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)而言,可靠是第一位的,此處選用大容量靜態(tài) RAM6264(8K*8 位)一片。6264 主要引腳功能：①A 0—A12 13 位地址線②IO 1—IO7 數(shù)據(jù)輸入輸出線③ 數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)OE④ 寫選通信號(hào)W⑤ 片選信號(hào)C6264 主要工作方式:①讀方式—— 及 為低電平， 為高電平時(shí)，6264 將數(shù)據(jù)輸出到指EW定地址。②寫方式—— 為低電平， 亦為低電平時(shí),允許數(shù)據(jù)輸入。③封鎖方式—— 為高電平時(shí)，該芯片沒(méi)被選通，不工作。C8.2.5 89C51 存儲(chǔ)器及 I/O 的擴(kuò)展可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對(duì)應(yīng)的軟件命令來(lái)加以改變的接口芯片。這類芯片一般具有多種功能，使用靈活方便，使用前必須由 CPU 對(duì)其編程設(shè)定工作方式，然后按設(shè)定的方式進(jìn)行操作。8155 可編程并行 I/O 接口具有功能強(qiáng)，價(jià)格便宜，且具有與 MCS-51 單片機(jī)配置簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)。是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的外部功能擴(kuò)展器件之一。(1)存儲(chǔ)器與單片機(jī)聯(lián)接，主要是通過(guò)三總線聯(lián)接。應(yīng)考慮總線的驅(qū)動(dòng)能力是否足夠。存儲(chǔ)器 2764、6264 存儲(chǔ)量均為 8K，需 13 位地址進(jìn)行存儲(chǔ)單元選擇，無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)24將 A0—A7腳與地址鎖存器八位地址輸出對(duì)應(yīng)聯(lián)接，將 A8－A 13腳與 89C51 的 P2口 P2.0-P2.4相聯(lián)接，其余地址線經(jīng) P2.5—P2.7經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。數(shù)據(jù)線聯(lián)接將存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸出端 D0－D l與 89C51P0 口聯(lián)接?？刂凭€ 89C51 與 2764SEN相聯(lián)，89C51 從外部 EPROM 取指令。 、 分別與 6264 、 相CEWRDO聯(lián)，89C51 對(duì)外部 RAM 進(jìn)行讀/寫。(2)8155 許多信號(hào)與 89C51 兼容，可直接聯(lián)接，因 8155 內(nèi)部已有鎖存器，因此 8155 數(shù)據(jù)地址復(fù)合線 AD0一 AD7與 89C51P0口直接相聯(lián)。地址鎖存信號(hào) ALE與 89C51ALE 相聯(lián)。片選信號(hào) 經(jīng)譯碼后產(chǎn)生，以高位地址 P2.0直接作為 IO/CE信號(hào)，此時(shí)對(duì) 8155 需要使用 16 位地址進(jìn)行編址。M8155 的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見(jiàn)圖 8-2。圖 8-2 8155 引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.2.6 8155 工作方式查詢8155I/O 工作方式選擇通過(guò)對(duì) 8155 內(nèi)部命令寄存器（命令口）設(shè)定命令控制字實(shí)現(xiàn)。命令寄存器格式及對(duì)應(yīng)的工作方式見(jiàn)下圖 8-3。 8155I/O 有四種工作方式，即 ALT1，ALT 2，ALT 3，ALT 4。其中各符號(hào)說(shuō)明如下：AINTR：A 口中斷，請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。BINTR：B 口中斷，請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)25ABF（BBF）：A 口（B 口）緩沖器滿狀態(tài)標(biāo)志輸出線， （緩沖器有數(shù)據(jù)時(shí) BF為高電平） 。ASTB（BSTB）：A 口（B 口）設(shè)備選通信號(hào)輸入線，低電平有效。在 ALT1～ALT4 的不同方式下，A 口、B 口及 C 口的各位工作方式如下：ALT1：A 口，B 口為基本輸入/輸出，C 口為輸入方式。ALT2：A 口，B 口為基本輸入/輸出，C 口為輸出方式。ALT3：A 口為選通輸入/輸出，B 口為基本輸入/輸出。PC0 為 AINTR，PC1為 ABF，PC2 為 ，PC3～PC5 為輸出。STALT4：A 口、B 口為選通輸入/輸出。PC0 為 AINTR，PC1 為 ABF，PC2 為，PC3 為 BINTR，PC4 為 BBF，PC5 為 。STBST00： 空 操 作 01： 停 止 計(jì) 數(shù) 10： 時(shí) 間 到 則 停 止 計(jì) 數(shù) 11： 置 入 工 作 方 式 和 計(jì) 數(shù)長(zhǎng) 度 后 立 即 啟 動(dòng) 計(jì) 數(shù) ， 若正 在 計(jì) 數(shù) ， 溢 出 后 按 新 的方 式 和 長(zhǎng) 度 計(jì) 數(shù) 0： 禁 止 B口 中 斷 1： 允 許 B口 中 斷 0： 禁 止 A口 中 斷 1： 允 許 A口 中 斷 定 義 端 口 A 0： 輸 入 1： 輸 出 定 義 端 口 B 0： 輸 入 1： 輸 出 定 義 端 口 C 00： ALT1、 A口 、 B口 基 本 輸 入 輸 出 ， C口 輸 入 01： ALT1、 A口 、 B口 基 本 輸 入 輸 出 ， C口 輸 出 10： ALT3， A口 選 通 輸 入 輸 出 ， B口 基 本 輸 入 輸 出 PC0： AINTR PC1： ABF PC2： ASTB PC3～ PC5： 輸 入 輸 出 PC0： AINTR PC1： ABF PC2： ASTB PC3： BINTR PC4： BBF PC5： BSTB 圖 8-3 命令寄存器格式無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)268.2.7 狀態(tài)查詢8155 還有一個(gè)狀態(tài)寄存器，用于鎖存 I/O 口和定時(shí)器的當(dāng)前狀態(tài)，供 CPU 查詢用。其格式如圖 8-4：狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個(gè)地址，命令寄存器只能寫入不能讀出，而狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入。所以可以認(rèn)為，CPU 讀該地址時(shí)，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當(dāng)前 I/O 口和定時(shí)器的狀態(tài)，而寫該地址時(shí)，則作為命令寄存器對(duì) I/O 口工作方式的選擇。8.2.8 8155 定時(shí)功能8155 芯片內(nèi)有一個(gè) 14 位減法計(jì)數(shù)器，可對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。外部有兩個(gè)定時(shí)器引腳 TINEIN 和 TIMEOUT。TINEIN 為定時(shí)器時(shí)鐘輸入，有外部輸入時(shí)鐘脈沖，TIMEOUT 為定時(shí)器輸出，輸出各種信號(hào)脈沖波形。定時(shí)器的格式、輸出波形見(jiàn)圖 8-5。由上圖可見(jiàn)，定時(shí)器的低 8 位和高 6 位計(jì)數(shù)器定時(shí)是出方式由 04H、05H 寄存器確定。對(duì)定時(shí)器編程時(shí)，首先將計(jì)數(shù)器及定時(shí)器方式送入定時(shí)器口， （定時(shí)器的低 8 位和高 6 位，定時(shí)器方式 M）04H，05H。計(jì)數(shù)常數(shù)在 002H~3FFF 之間。計(jì)數(shù)器的起動(dòng)和停止由命令寄存器的最高兩位 TM2 和 TM1 決定。但何時(shí)讀都可以置定時(shí)器的長(zhǎng)度和工作方式，然后必須將起動(dòng)命令寫入命令寄存器。既使計(jì)數(shù)器已經(jīng)計(jì)數(shù)，在寫入起動(dòng)命令后，仍可改變定時(shí)器的工作方式。 × A口 中 斷 標(biāo) 志 請(qǐng) 求 A口 緩 沖 器 滿 空 標(biāo) 志 口 中 斷 允 許 標(biāo) 志 B口 中 斷 標(biāo) 志 請(qǐng) 求 B口 緩 沖 器 滿 空 標(biāo) 志 B口 中 斷 允 許 標(biāo) 志 定 時(shí) 器 中 斷 標(biāo) 志 ， 定 時(shí) 器 計(jì) 數(shù) 到 指 定 長(zhǎng) 度 置 “1”， 讀 狀 態(tài) 后 清 “0” 圖 8-4 狀態(tài)寄存器格式無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)27M2 M1 方 式 定時(shí)器輸出波形0 ? 0 單方波 0 1 連續(xù)方波 1 0 單脈沖 1 1 連續(xù)脈沖 圖 8-5 8155 定時(shí)器方式及輸出波形8.2.9 芯片地址分配89C51 支持的存儲(chǔ)芯片，程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單獨(dú)編址，EPROM 與 RAM地址分配較為自由,不必考慮會(huì)發(fā)生沖突,因 89C51 復(fù)位后,從 0000H 開(kāi)始，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間為 0000H-0FFFH，外部 2 片 2764 芯片地址分別為 0C000H-0DFFFH，8000H--9FFFH。89C51 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間為 00H-0FFH，外部 6264 芯片地址：6000H-7FFFH1#8155 芯片地址(假定未用地址用"0"表示)/IO＝0 時(shí)，8155(1)內(nèi)部 RAM 地址范圍 E000H-E0FFHM/IO＝1 時(shí)，端口地址：控制口：E100H；PA 口：E101H；PB 口：E102H；PC 口：E103H；定時(shí)器低八位：E104H；定時(shí)器高八位：E105H2#8155 芯片地址(假定未用地址用"0"表示)/IO＝0 時(shí)，8155(1) 內(nèi)部 RAM 地址范圍 0A000H-0A0FFH/IO＝1 時(shí)，端口地址：控制口：0A00H；PA 口：0A01H；PB 口：0A02H；PC 口：0A03H；定時(shí)器低八位：0A04H；定時(shí)器高八位：0A05H無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)288.3 總體程序控制8.3.1 流程圖無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)29開(kāi) 始關(guān) 中 斷初 始 化清 數(shù) 據(jù) 區(qū)讀 鍵開(kāi) 中 斷鍵 處 理工 作 方 式 判 別編 子 程 序 調(diào) 試 子 程 序編 程 調(diào) 試 鍵 盤 掃 描 子 程 序 求 鍵 值 子 程 序8.3.2 主程序ORG 0000HAJMP MAIN ORG 0003HLJMP INT0ORG 000BHLJMP T0無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)30ORG 0013HLJMP INT1MAIN： MOV A，#00HMOV R0,#00HMOV DPTR，#2000HXUNHUAN : MOVX @DPTR, AINC DPTRINC R0CJNE R0,#0FFH, XUNHUANINC R1CJNE R2,#0FFH, XUNHUANMOV SP,#60HSETB PX0SETB EX0SETB EX1SETB EAWE : AJMP WEGONGZUO：LCALL QIUJIANLCALL XIANSHILCALL CHULI8.4 鍵盤設(shè)計(jì)8.4.1 鍵盤定義及功能控制面板上布置 5 個(gè)控制鍵，33 個(gè)功能數(shù)字鍵。其中 8 個(gè)鍵有雙重功能，由 SHIFT 鍵轉(zhuǎn)換，按下 SHIFT 鍵，上檔鍵有效。5 個(gè)控制鍵各功能如下：急停鍵——運(yùn)行時(shí)按該鍵，程序立即停止運(yùn)行。暫停鍵——運(yùn)行時(shí)按下該鍵，執(zhí)行完本程序段后，停止執(zhí)行下一程序段，等待處理，此為硬件暫停?；謴?fù)運(yùn)行鍵——處于急停或暫停時(shí)，接下該鍵程序繼續(xù)執(zhí)行。用 M00 實(shí)行軟件暫停時(shí)，恢復(fù)運(yùn)行也需要按該鍵。復(fù)位鍵——編程或運(yùn)行前，清除內(nèi)存中的隨機(jī)數(shù)。對(duì)中心鍵——鉬絲自動(dòng)找準(zhǔn)預(yù)定的中心位置(原點(diǎn))。30 個(gè)功能數(shù)字鍵包括數(shù)字鍵“0－9” ，負(fù)號(hào)“—” ，程序開(kāi)始字“%” ，程序段結(jié)束字“LF” ，序號(hào)字“N” ，準(zhǔn)備功能字“G” ，輔助功能字“M” ，速度功能字“F” ，主軸速度功能字“S ”，坐標(biāo)功能字“X、Y 、Z 、I、J 、W ”。編輯鍵三無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)31個(gè)：DEL/INS—?jiǎng)h除/插入程序段鍵，DISP/ZOOM—DISP 顯示程序全段內(nèi)容，ZOOM 使加工圖形按比例縮放，預(yù)置為 1，COPY—程序段復(fù)制，IDX—可設(shè)定某一程序段為起割點(diǎn)，單步—步進(jìn)電機(jī)走一拍就停止工作，回零—鉬絲重新置于起點(diǎn)，運(yùn)行—加工開(kāi)始確認(rèn)。8.4.2 鍵盤程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用非編碼式矩陣式鍵盤，1#8155 為鍵盤接口，按五行六列布線。PA0—PA4 為行線，PC 0—PC5 為列線。 A 口為輸出口， C 口為輸入口，按鍵盤列線，每個(gè)鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)鍵碼，根據(jù)鍵碼轉(zhuǎn)至相應(yīng)鍵處理子程序。常用鍵識(shí)別方法有掃描法和線翻轉(zhuǎn)法。本設(shè)計(jì)采用掃描法。其原理是：一條列線為低電平，若此列線上已閉合鍵，則各行線狀態(tài)都為高電平，然后按行號(hào)、列號(hào)求得閉合鍵鍵碼。定義各行首鍵號(hào)為 00H、06H、0CH、12H、18H，鍵碼 =行號(hào)＋列號(hào)。鍵號(hào)鍵功能對(duì)應(yīng)表 8-1表 8-1 鍵號(hào)鍵功能對(duì)應(yīng)鍵號(hào) 00H－09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 1E功能 0－9 — LF%N G M F S X?YZ鍵號(hào) 13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1F功能 I?J?DEL COPY ZODISPIDX 紙 帶穿 孔 單步 回零 運(yùn)行 SHIFT W無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)32返 回 監(jiān) 視行 值 左 移 一 位掃 完 一 遍 列 值列 值 竄 鍵（ ） ≠ 01加 "竄 鍵 標(biāo) 志 加 "1 被 按 鍵列 值 ≠ 3在 本 行對(duì) 口 行 掃 描延 時(shí) 20抖 動(dòng) 竄 鍵 標(biāo) 志 送有 鍵 按 下（ 列 值 ＝ 3）全 "1（ 3FH） 送 C口關(guān) 顯 示圖 8-6 鍵盤掃描程序流程圖無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)33圖 8-7 求鍵值子程序鍵盤掃描子程序ORG 0500HSCAN:MOV A,#00HMOV DPTR, #E101HMOVX @DPTR, AMOV A #3FHMOV DDPTR, #E103HMOVX #DPTR, AMOV DPTR, #E102HMOVX A, @DPTRANL A, #1FHCJNE3 A, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)34NEXT1: ACALL DS20msCLR CMOV R2, #00HMOV R1, #01HLOOP: INC DPTRMOV A,R1MOVX #DPTR, A MOV DPTR, #8002HMOVX A, @DPTRANL A, #1FHCJNE A, #1FH, NEXT2SJMP NEXT3NEXT2: INC R2CJNE R2, #01H, NEXT4MOV R4, AMOV A,R1MOV R3,ANEXT3: MOV A,R1RLC AMOV R1,ACJNE A,#40H, LOOPAJMP KCODENEXT4:CLR ARETEND求鍵值子程序ORG 0560HKCODE：MOV R 1，#00HMOV A， R 3CLR CLOOP ：RRC AJZ NEXT1INC R1SJMP LOOP無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)35NEXT1：MOV A， R 1SWAP AMOV R1，AMOV A，R 4ANL A，#0FHORL A，R 1MOV B，AMOV DPTR，#KTABMOV R0，#00HCLR AREPE：MOVC A，@A+DPTRCJNE A, B,NEXT2SJMP RESV NEXT2:INC R0MOV A, R0SJMP REPERESV: MOV A, R0RETKTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27HDB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DHDEB1DH,0DH,0BH,07H,03H,1EHDB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DHDB 5FH,57H,5BH,5DHEND 8.5 顯示器設(shè)計(jì)8.5.1 顯示器顯示方式的選用程序輸入時(shí)，涉及數(shù)字鍵及 N、G、M 等功能鍵。采用控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的 LED 顯示器。因數(shù)控程序較長(zhǎng)，顯示數(shù)據(jù)較多，一次把整條指令內(nèi)容全顯示出來(lái)很不經(jīng)濟(jì)。采用段顯示法，即依次顯示 X、 Y 、I 、J 等數(shù)據(jù)，一條指令顯示完，再顯示下一條指令。以減少 LED 數(shù)量。系統(tǒng)分辨率為 1μm，最大控制長(zhǎng)度為 1m，需 6 位顯示器才能滿足要求，再加上一位符號(hào)位，須 7 位 LED，為清晰顯示 N、G 、X 、Y 符號(hào)，符號(hào)位用一位" 米" 字顯示。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)36顯示器顯示方式有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種。本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)掃描法，即逐個(gè)點(diǎn)亮各位顯示器，因視覺(jué)殘留效應(yīng)，效果與全部顯示器持續(xù)點(diǎn)亮一樣。8.5.2 顯示器接口為實(shí)現(xiàn)顯示器動(dòng)態(tài)掃描，對(duì)顯示器提供字形代碼輸入及顯示位控制，因此顯示器接口需有字形和字位控制。89C51P 0 口輸出 BCD 碼，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器、鎖存器輸出字形到 LED，構(gòu)成傳送電路。 （顯示電路見(jiàn)附圖 1）8.5.3 8155 擴(kuò)展 I/O 端口的初始化由上圖的硬件連接得到 8155 初始化程序：8155 有關(guān)地址寄存器端口地址為:100H 命令字寄存器104H 定時(shí)器低字節(jié)105H 定時(shí)器高字節(jié)相應(yīng)初始化程序?yàn)?ORG 0A00HMOV DPTR,#100HMOV A,#7HMOVX @R0,A……END因?yàn)?P3.3 接行程開(kāi)關(guān),處于高優(yōu)先級(jí)，所以 IP、IE 初始化為：SETB PX0 SETP PX1CLR PT0CLR PT1CLR PSSETB EX0SETB EX1SETB ET0SETB ET1SETB ESCLS ET2SETB EAPSW、TCON、 TMOD 初始化 ：MOV PSW，#00H無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)37SETB IT0SETB IT1 SETB IE0SETB IE1SETB TR0SETB TR1TMOD 工作在方式 2，所以初始化為： MOV TMOD ，#66H8.6 插補(bǔ)原理插補(bǔ)是對(duì)直線、圓弧等低次方程曲線的一種逼近方式。通過(guò)計(jì)算使沿坐標(biāo)方向的折線所構(gòu)成的圖形與加工圖形間的誤差保持在允許的范圍內(nèi)。常用的方法有逐點(diǎn)比較法、積分法。本設(shè)計(jì)選用逐點(diǎn)比較法。逐點(diǎn)比較法工作原理：在控制過(guò)程中，逐步計(jì)算，判別折線運(yùn)動(dòng)與要求軌跡之間的偏差，決定下一步的進(jìn)給方向。用步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)沿某一方向進(jìn)給一步。一個(gè)插補(bǔ)由四個(gè)節(jié)拍組成，即偏差判別，進(jìn)給，偏差計(jì)算，終點(diǎn)計(jì)算。無(wú)論是直線插補(bǔ)、順圓插補(bǔ)、逆圓插補(bǔ)都遵守這樣的四步原則。8.7 光電隔離電路在實(shí)際電路中，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間有一個(gè)強(qiáng)電干擾的問(wèn)題。光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號(hào),對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長(zhǎng)、體積小耐沖擊等好處，使其在強(qiáng)-弱電接口，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。故在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意輸入信號(hào)電路與單片機(jī)連接時(shí)的隔離。在這里，采用光電耦合是最常用的方法。光電耦合器具有三個(gè)特點(diǎn)：①信號(hào)傳遞采取電-光-電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，能夠避免輸出端對(duì)輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾，②抑制噪聲干擾能力強(qiáng)；③具有耐用、可靠性高和速度快等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于 10ns。在系統(tǒng)圖示中，模擬地用 AGND 表示，而數(shù)字地用 DGND 表示，以示區(qū)別。光耦電路原理圖 8-9。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)38VCC1 VCC2R1 R2GND圖 8-9 光耦電路原理圖8.8 越界報(bào)警電路為防止工作臺(tái)行程越界，設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，本設(shè)計(jì)中有四個(gè)限位開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)于四種越界可能。 ，一旦越界，立即發(fā)出越界信號(hào)，啟動(dòng)中斷方式，停止工作臺(tái)的移動(dòng)。等待處理。并發(fā)出紅燈報(bào)警。在正常工作時(shí)，則是綠燈亮。兩燈均由8155Pb4 口控制。11無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)39第九章 步進(jìn)電機(jī)接口電路及驅(qū)動(dòng)本設(shè)計(jì)選用五相步進(jìn)電機(jī) M56853S，工作方式為 2 細(xì)分工作方式，并選擇2CK 輸入工作方式。步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器 RD-0534M 驅(qū)動(dòng)。而單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)和停止及正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖按順序供給電機(jī)各相，脈沖發(fā)生由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生，并且具有各種系統(tǒng)保護(hù)。RD-0534M 驅(qū)動(dòng)器的主要控制端有：順時(shí)方向控制端 CW；逆時(shí)方向控制端 CCW；運(yùn)行方式控制端 4PIN，所需聯(lián)接控制信號(hào)由 2#8155PB 口控制。X、Y 向步進(jìn)電機(jī)各用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制，電機(jī)以五相方式工作。由于 RD-0534M 驅(qū)動(dòng)器具有良好的工作性能，并且又具有較強(qiáng)的保護(hù)功能，所以系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定。單片機(jī)控制 RD-0534M 工作時(shí)有一個(gè)脈沖電流的要求，故在兩者之間加了控制三極管。以滿足控制要求。 （硬件布置見(jiàn)附圖 1）單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制主要在于脈沖分配，實(shí)現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法。這里通過(guò)單片機(jī)發(fā)出信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器驅(qū)動(dòng)放大直接控制，需要采用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配。橫向進(jìn)給采用五相十拍步進(jìn)電機(jī)，五相十拍工作方式通電換相的正序?yàn)椋篈B-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有 10 個(gè)通電狀態(tài)。如果 P1.4-P1.0輸出的控制信號(hào)中，0 代表使繞組通電，1 代表使繞組斷電，P1.7-P1.5 三相六拍步進(jìn)電機(jī)，設(shè)為 1（即五相十拍步進(jìn)電機(jī)工作，三相六拍步進(jìn)電機(jī)不工作） ，控制則可用 10 個(gè)控制字來(lái)對(duì)應(yīng)這 10 個(gè)通電狀態(tài)。這 10 個(gè)控制字如表 9-1 所列。無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)40表 9-1 狀態(tài)控制字通電狀態(tài) P1.4(E) P1.3(D) P1.2(C) P1.1(B) P1.0(A) 控制字AB 1 1 0 0 1 FCHABC 1 1 0 0 0 F8HBC 1 1 0 0 1 F9HCBD 1 0 0 0 1 F1HCD 1 0 0 1 1 F3HCDE 0 0 0 1 1 E3HDE 0 0 1 1 1 E7HDEA 0 0 1 1 0 E6HEA 0 1 1 1 0 EEHEAB 0 1 1 0 0 ECH軟件脈沖分配子程序正轉(zhuǎn)程序?yàn)椋篊W: INC R0 CJNE R0,#0AH,ZZMOVE R0,#00HZZ: MOV A,R0MOV DPTR,#ABCMOVC A,@A+DPTRMOV P1,ARETABC: DB 0FCH,0F8H,0F9H