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無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書
無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書
第一章 緒論
1.1激光技術概述
激光被譽為二十世紀最重大的科學發(fā)現(xiàn)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，并于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(yè)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(fā)展，并獲得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。如今在中國，激光技術已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應用，并且正逐步實現(xiàn)激光技術產(chǎn)業(yè)化，國家也將其列為“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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值20％的平均增長率，實現(xiàn)年產(chǎn)值200億元以上；在工業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)工業(yè)應用激光技術進行改造的示范工程；為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領域提供嶄新的激光設備和儀器。
數(shù)控化和綜合化把激光器與計算機數(shù)控技術、先進的光學系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。
1.2激光切割技術的應用
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運動,從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀七十年代以來隨著CO2激光器及數(shù)控技術的不斷完善和發(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：對于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對于薄板采用剪床下料,成形復雜零件大批量的采用沖壓,單件的采用振動剪。七十年代后,為了改善和提高火焰切割的切口質量,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。各種切割下料方法都有其有缺點,在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。
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(tǒng)機加工相比，激光切割機的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低產(chǎn)品成本，減輕工人負擔，對制造業(yè)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復雜的零件。激光切割技術、激光切割機床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應用。因此研究和設計數(shù)控激光切割有很強的現(xiàn)實意義。微機控制技術正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)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）控制激光切割機床，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、激光器等不作為設計內容要求，只作一般了解。單片機對XY工作臺的縱、橫向進給脈沖當量0.001mm/ pluse。工作臺部件主要構件為滾珠絲杠副、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(shù)控激光切割機的有關技術資料，確定總體方案如下：
采用89C51主控芯片對數(shù)據(jù)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(jīng)齒輪機構減速后，帶動滾珠絲杠轉動，實現(xiàn)進給。其原理示意圖1-1。
X向工作臺
控
制
器
驅
動
器
步進
電機
步進
電機
驅
動
器
Y向工作臺
圖1-1 系統(tǒng)總體原理圖
微機控制線路圖參考MCS－51系列單片機控制XY工作臺線路圖。
步進電機參照RORZE株式會社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質量和運行精度,同時驅動器也選用RORZE的配套驅動器產(chǎn)品。
滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設計參照了漢江機床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料，力求從技術性能、價格狀況、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，即內循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠副。
本設計棄用Z80，而選用單片機。單片機體積小、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，性價比大大超過了Z80。比較后選用89C51為主芯片。在使用過程中89C51雖有4K的FLASH（E2PROM），但考慮實際情況需配備EPROM和RAM，并要求時序配備。選晶體頻率為6MHz，89C51讀取時間約為3t，則t＝480ns ,常用EPROM讀取時間約為200~450ns。89C51的讀取時間應大于ROM要求的讀取時間。89C51的讀寫時間約為4T，則TR＝660ns，TW=800ns，常用RAM讀寫時間為200ns左右，均滿足要求。根據(jù)需要，擴展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。為防止強電干擾，采用光電隔離電路。
3
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第二章 機械部分XY工作臺及Z軸的基本結構設計
2.1 XY工作臺的設計
2.1.1主要設計參數(shù)及依據(jù)
本設計的XY工作臺的參數(shù)定為：
①工作臺行程：橫向320mm，縱向450mm
②工作臺最大尺寸（長×寬×高）：1100×900×300mm
③工作臺最大承載重量：120Kg
④脈沖當量：0.001mm/pluse
⑤進給速度：60平方毫米/min
⑥表面粗糙度：0.8～1.6
⑦設計壽命：15年
2.1.2 XY工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析
因激光切割機床為激光加工,其激光器與工件之間不直接接觸,因此可以認為在加工過程中沒有外力負載作用。其切削力為零。
XY工作臺部件由工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成,各自之間均以滾動直線導軌副相聯(lián),以保證相對運動精度。
設下底座的傳動系統(tǒng)為橫向傳動系統(tǒng)，即X向，上導軌為縱向傳動系統(tǒng)，即Y向。
一般來說,數(shù)控切割機床的滾動直線導軌的摩擦力可忽略不計,但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會影響電機的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預緊措施,其產(chǎn)生的負載波動應控制在很小的范圍。
2.1.3初步確定XY工作臺尺寸及估算重量
初定工作臺尺寸(長×寬×高度)為:1200×950×70mm，材料為HT200，估重為625N (W1)。
設中托座尺寸(長×寬×高度)為:1200×520×220mm，材料為HT200，估重為250N（W2）。
另外估計其他零件的重量約為250N (W3)。
加上工件最大重量約為120Kg（1176N）(G)。
則下托座導軌副所承受的最大負載W為:
W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N
2.2 Z軸隨動系統(tǒng)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，以保證激光聚焦后的焦點在切割板材的表面位置。由于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軸的檢測精度高于0.010mm：同時，隨動速度應大于5m/min。隨動速度太快會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。電容式傳感器在運動檢測過程中不發(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加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場合的切割加工(如強磁場、強干擾環(huán)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采取抗干擾措施。
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(tài)性能不好,隨動機構反應不靈敏。一般來說，普通數(shù)控激光切割機Z軸拖動重量在5kg以上時，應采用重力平衡設施。而高性能數(shù)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,這一點尤為重要。目前Z軸上的重力平衡設施使用較多的是采用氣缸托動方式(圖2-1)。該方式重量輕、體積小、易安裝，還可根據(jù)要求調整氣缸的平衡力。
圖2-1 Z軸隨動機構
45
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第三章 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設計計算
（一） 根據(jù)機床的受力情況及結構尺寸，參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列，選用FFZD內循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲桿，具體型號如下：
X向： FFZD 2504-3/490×500
Y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載大，現(xiàn)只計算X向絲桿的相關數(shù)據(jù)，Y向根據(jù)X向的結果相同選用即可滿足要求。
（三） 具體計算如下。
3.1 滾珠絲杠副導程的確定
軸向負荷計算公式：
（3.1）
式中F—— 切削力，F(xiàn)=0
W——工件重量加工作臺重量 W=2301N
U——滾動導軌上的滾動摩擦系數(shù)（約為0.003-0.004），取U=0.004
則根據(jù)式（3.1）：
= 0.004×2301=92N
激光切割機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。對照樣本參數(shù),這里的Go非常小，選定導程為4的滾珠絲杠副。
3.2 滾珠絲杠副的傳動效率
滾珠絲杠副的傳動效率為:
（3.2）
式中ψ—滾珠絲杠的螺紋升角
ρ＇—當量摩擦角
根據(jù)當量摩擦系數(shù)和當量摩擦角關系（見表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 ；
因為ψ=arctg（Ph/πd） （3.3）
式中:P h—導程，4mm
d——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 當量摩擦系數(shù)f＇和當量摩擦角ρ＇
齒圈材料
錫 青 銅
無錫青銅
灰鑄鐵
齒面硬度
HRC≥45
其它
HRC≥45
HRC≥45
其它
相對速度 υs m/s
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
0.01
0.05
0.10
0.25
0.50
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
4
5
8
10
15
24
0.110
0.090
0.080
0.065
0.055
0.045
0.040
0.035
0.030
0.028
0.024
0.022
0.018
0.016
0.014
0.013
6°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′
0.120
0.100
0.90
0.075
0.065
0.055
0.05
0.045
0.040
0.035
0.031
0.029
0.026
0.024
0.020
6°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′
0.180
0.140
0.130
0.100
0.090
0.070
0.065
0.055
0.05
0.045
0.040
0.035
0.03
10°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′
0.180
0.140
0.130
0.100
0.090
0.070
0.065
0.055
10°2′
7°58′
7°24′
5°43′
5°09′
4°00′
3°43′
3°09′
0.190
0.160
0.140
0.120
0.100
0.090
0.080
0.070
10°45
9°05
7°58′
6°51′
5°49′
5°09′
4°34′
4°00′
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第四章 直線滾動導軌的選型
導軌主要分為滾動導軌和滑動導軌兩種， 直線滾動導軌在數(shù)控機床中有廣泛的應用。相對普通機床所用的滑動導軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點：
①定位精度高
直線滾動導軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運動靈活，可使驅動扭矩減少90%，因此，可將機床定位精度設定到超微米級。
②降低機床造價并大幅度節(jié)約電力
采用直線滾動導軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復進行起動、停止的往復運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。
③可提高機床的運動速度
直線滾動導軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實現(xiàn)機床的高速運動，提高機床的工作效率20～30%。
④可長期維持機床的高精度
對于滑動導軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小．滾動面的摩擦損耗也相應減少，故能使直線滾動導軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設計及使用維護方面都變的非常容易了。所以在結構上選用：開式直線滾動導軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。
型號：選用GGB型四方向等載荷型滾動直線導軌副，如圖4-1。
具體型號：X向選用GGB20BA2P，2 500-4
Y向選用GGB20AB2P，2 1100-4
圖4-1 直線滾動導軌
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第五章 步進電機及其傳動機構的確定
5.1 步進電機的選用
5.1.1 脈沖當量和步距角
已知脈沖當量為1μm/STEP，而步距角越小，則加工精度越高。初選為0.36o/STEP（二倍細分）。
5.1.2步進電機上起動力矩的近似計算
電機起動力矩：
（5.1）
式中: M為滾珠絲杠所受總扭矩
Ml為外部負載產(chǎn)生的摩擦扭矩，有:
（5.2）
=92×0.025/2×tg（2.91+0.14）
=0.062N·m
M2為內部預緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有：
（5.3）
式中: K—預緊時的摩擦系數(shù)，0.1—0.3
Ph—導程，4cm
Fao——預緊力，
有：Fao=Fao1+Fao2
取Fao1=0.04×Ca=0.04 ×1600=640N
Fao2為軸承的預緊力，軸承型號為6004輕系列，預緊力為Fao2＝130N。故根據(jù)式（5.3）：
M2=0.098 N·m
齒輪傳動比公式為：i=φ× Ph /(360×δp)，故步進電機輸出軸上起動矩近似地可估算為：
（5.4）
=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
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(因為電機為五相運行)。則步進電機最大靜轉矩TJM=Tq/0.866=0.46 N·m
5.1.3確定步進電機最高工作頻率
參考有關數(shù)控激光切割機床的資料,可以知道步進電機最高工作頻率不超過1000Hz。
根據(jù)以上討論并參照樣本,確定選取M56853S型步進電機，該電機的最大靜止轉矩為0.8 N·m，轉動慣量為235g/cm2
5.2齒輪傳動機構的確定
5.2.1傳動比的確定
要實現(xiàn)脈沖當量lμm/STEP的設計要求，必須通過齒輪機構進行分度，其傳動比為：
（5.5）
式中：Ph —為滾珠絲杠導程
φ—為步距角
δp—為脈沖當量
根據(jù)前面選定的幾個參數(shù)，由式（5.4）得：
=0.36×4/360×0.001
=4:1=Z2/Z1
根據(jù)結構要求,選用Z1為30，Z2為120
5.2.2齒輪結構主要參數(shù)的確定
①齒輪類型：選擇直齒加工方便。
②模數(shù)選擇：本工作臺負載相當輕,參考同類型的機床后,選擇m＝1齒輪傳動側隙的消除。
③中心距的計算：
A=m×（Z1+ Z2） （5.6）
=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號鋼，調質處理。
5.3步進電機慣性負載的計算
由資料知，激光切割機的負載可以認為是慣性負載。機械機構的慣量對運動特性有直接的影響。不但對加速能力、加速時驅動力矩及動態(tài)的快速反應有關，在開環(huán)系統(tǒng)中對運動的平穩(wěn)性也有很大的影響，因此要計算慣性負載。限于篇幅，在此僅對進給系統(tǒng)的負載進行計算。
慣性負載可由以下公式進行計算：
（5.7）
式中：JD為整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的慣性負載。
J0為步進電機轉子軸的轉動慣量e
J1為齒輪Zl的轉動慣量
J2為齒輪Z2的轉動慣量
J3為齒輪Z3的轉動慣量
mn為系統(tǒng)工作臺質量
Vm為工作臺的最大移動速率
ωD為折算成單軸系統(tǒng)電動機軸角速度
各項計算如下：
已知：
J0＝0忽略不計， mn=112.5Kg
齒輪慣性轉矩計算公式：
（5.8）
其中：
ρ為回轉半徑
G為轉件的重量
滾珠絲杠的慣性矩計算公式：
（5.9）
最后計算可得：
J1=0.1×10-3Kg. m2
J2=1.32×10-3Kg. m2
J3=2.98×10-4Kg. m2
J4=1.14×10-5Kg. m2
Vm=12 m/s
ωD=2πrad/s
故慣性負載根據(jù)式（5.7）得：
JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J2＋J3）+ J4 (Vm/ωD)2×mn
=17.3 Kg. cm2
此值為近似值故此值小于所選電機的轉動慣量。
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第六章 傳動系統(tǒng)剛度的分析
激光切割機XY工作臺其實為一進給傳動系統(tǒng)，其傳動系統(tǒng)的剛度可根據(jù)不出現(xiàn)摩擦自振或保證微量進給靈敏度的條件來確定。
6.1 根據(jù)工作臺不出現(xiàn)爬行的條件來確定傳動系統(tǒng)的剛度
傳動系統(tǒng)中的當量剛度K或當扭轉剛度C主要由最后傳動件的剛度K0或C0決定的，在估算時，取K=K0，C=C0
對滾珠絲杠傳動,其變形主要包括：
①絲杠拉壓變形
②扭轉變形
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。
在工程設計和近似計算時，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剛度K0，根據(jù)支承形式可得：
式（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
傳動系統(tǒng)剛度較大，可以滿足要求。
6.2根據(jù)微量進給的靈敏度來確定傳動系統(tǒng)剛度
此時傳動系統(tǒng)的剛度應滿足：
K△≥F0/△ 式（6.2）
式中：K△—傳動系統(tǒng)當量剛度
F0—部件運動時的靜摩擦力
N —正壓力,N=W/g=230kgf
F —靜摩擦系數(shù)，取0.003-0.004
△ —部件調整時，所需的最小進給量
則：
F0=230×0.004=0.92KGF
A=0.5δp=0.5μm/STEP
即滿足微量進給要求的傳動系統(tǒng)剛度為:
K△≥F0/△＝0.92/0.5＝1.84Kgf/mm
結合上述傳動系統(tǒng)剛度的討論可知滿足微量進給靈敏度所需要的剛度較小，可以達到精度要求。
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第七章 消隙方法與預緊
7.1消隙方法
數(shù)控機床的機械進給裝置中常采用齒輪傳動副來達到一定的降速比和轉矩的要求。由于齒輪在制造中總是存在著一定的誤差，不可能達到理想齒面的要求，因此一對嚙合的齒輪，總應有一定的齒側間隙才能正常地工作。
齒側間隙會造成進給系統(tǒng)的反向動作落后于數(shù)控系統(tǒng)指令要求，形成跟隨誤差甚至是輪廓誤差。
對閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側間隙也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動副常采用各種消除側隙的措施，以盡量減小齒輪側隙。數(shù)控機床上常用的調整齒側間隙的方法針對不同類型的齒輪傳動副有不同的方法。
7.1.1偏心軸套調整法
如圖7-1，齒輪１裝在電動機軸上，調整偏心軸套２可以改變齒輪１和３之間的中心距，從而消除齒側間隙。
1-齒輪 2-偏心套 3-齒輪
圖7-1 偏心軸套調整法
7.1.2錐度齒輪調整法
如圖7-2所示將一對齒輪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。調整時改變墊片３的厚度就能改變齒輪１和２的軸向相對位置，從而消除齒側間隙。
圖7-2 錐度齒輪調整法
7.1.3雙片齒輪錯齒調整法
圖7-3是另一種雙片齒輪周向彈簧錯齒消隙結構，兩片薄齒輪1和2套裝一起，每片齒輪各開有兩條周向通槽，在齒輪的端面上裝有短柱3，用來安裝彈簧4。裝配時使彈簧4具有足夠的拉力，使兩個薄齒輪的左右面分別與寬齒輪的左右面貼緊，以消除齒側間隙。
對比三種方案：
第一種需要經(jīng)常的調整，對于本身就以提高效率為目標的數(shù)控機床而言肯定不合適。
第二種是很不錯的方案，但在切割機上并不實用。
第三種方案相比較而言在數(shù)控切割機上適用，而且不需要人為經(jīng)常調整，很適合數(shù)控機床的需要。
本設計方案選用第三種方法。
圖7-3 雙片齒輪錯齒調整法
7.2預緊
滾珠絲杠副在工作臺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，本設計選用兩端支承形式中的“雙支點各單向固定”的支承方式。該形式夾緊一對圓錐滾子軸承的外圈而預緊，提高軸承的旋轉精度，增加軸承裝置的剛性，減小機器工作時軸承的振動。預緊量由廠家提供。
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第八章 控制系統(tǒng)設計
8.1 確定機床控制系統(tǒng)方案
根據(jù)機械系統(tǒng)方案的要求，可以看出：對機械部分的控制只有進給系統(tǒng)的步進電機的控制和工作臺回轉的步進電機控制。控制系統(tǒng)有微機的、有PLC的、也有單片機的，這里采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，可以選擇經(jīng)濟型的單片機控制系統(tǒng)。另外，居然要控制，就得有輸入和輸出設備才能對相應的運動進行控制。其控制系統(tǒng)框圖如圖8-1所示：
存儲器擴展
光電隔離
驅動器
I/O
口
擴展
單片機
功 率 放 大
X軸電機
Y軸電機
Z軸電機
驅動器
橫向絲杠
Z向絲杠
縱向絲杠
顯示器
鍵 盤
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芯片在性價比上比同類單片機高，加上8031、8051市場上已經(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——片外存儲器選擇端，雖然89C51內有4K的FLASH，但為了方便接線和各程序的存放，故不使用內部程序存儲器，這樣接地，從外部程序存儲器讀取指令。
②——外部程序存儲器選通端,以區(qū)別讀外部數(shù)據(jù)存儲器。
③ALE——地址鎖存控制端,系統(tǒng)擴展時，ALE控制P0口輸出的低八位地址送鎖存器儲存，以實現(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,可作為外部時鐘或定時脈沖。
④RESET——復位端,當輸入的復位信號延續(xù)二個周期以上高電平，完成復位初始化操作。
⑤89C51中I/O口的介紹
P0口——外接存儲器時，此口為擴展電路低八位地址和數(shù)據(jù)總線復用口；
Pl口——用戶使用的I/O口；
P2口——外接存儲器時,作擴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。P0口可驅動8個TTL門電路，Pl—P3口只能驅動四個TTL門電路。
⑥時鐘——XTAL1和XTAL2，使用內部時鐘時，二端接石英和微調電路；使用外部時鐘時，接外部時鐘脈沖信號。
89C51三總線結構：
地址總線AB——地址總線為16位，外部存儲器直接尋址范圍為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。
8.2.3 EPROM的選用
為簡化電路，此處選用2764EPROM (8K*8位)。
本設計采用二片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，只需更換各自芯片即可，方便升級。
2764芯片主要引腳功能:
①A0—A12 13位地址線
②D0—D7 數(shù)據(jù)輸出線
③ 數(shù)據(jù)輸出允許信號
④ 編程控制信號，用于引入編程脈沖
⑤ 片選信號
2764主要工作方式:
①讀方式——及為低電平，Vpp＝＋5V時處于讀出方式
②寫方式——為低電平, 亦為低電平，VPP＝＋21V, 為高電平時，2764芯片處于禁止狀態(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寫入不同程序而設置的，當VPP=+21V時，為高電平時，2764芯片處于編程禁止狀態(tài)。
8.2.4 RAM的選用
數(shù)據(jù)存儲器RAM通常采用MOS型，MOS型RAM分靜態(tài)、動態(tài)兩種。動態(tài)RAM集成度高，功耗小，成本低，但控制邏輯復雜，需要定期刷新,尤其是容易受到干擾，對環(huán)境、結構、電摞等都有較高的要求。對實時控制系統(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：
①A0—A12 13位地址線
②IO1—IO7 數(shù)據(jù)輸入輸出線
③ 數(shù)據(jù)輸出允許信號
④ 寫選通信號
⑤ 片選信號
6264主要工作方式:
①讀方式——及為低電平，為高電平時，6264將數(shù)據(jù)輸出到指定地址。
②寫方式——為低電平，亦為低電平時,允許數(shù)據(jù)輸入。
③封鎖方式——為高電平時，該芯片沒被選通，不工作。
8.2.5 89C51存儲器及I/O的擴展
可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對應的軟件命令來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對其編程設定工作方式，然后按設定的方式進行操作。
8155可編程并行I/O接口具有功能強，價格便宜，且具有與MCS-51單片機配置簡單、方便等優(yōu)點。是單片機應用系統(tǒng)最常用的外部功能擴展器件之一。
(1)存儲器與單片機聯(lián)接，主要是通過三總線聯(lián)接。應考慮總線的驅動能力是否足夠。存儲器2764、6264存儲量均為8K，需13位地址進行存儲單元選擇，將A0—A7腳與地址鎖存器八位地址輸出對應聯(lián)接，將A8－A13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。數(shù)據(jù)線聯(lián)接將存儲器數(shù)據(jù)輸出端D0－Dl與89C51P0口聯(lián)接?？刂凭€89C51 與2764相聯(lián)，89C51從外部EPROM取指令。、 分別與6264、相聯(lián)，89C51對外部RAM進行讀/寫。
(2)8155許多信號與89C51兼容，可直接聯(lián)接，因8155內部已有鎖存器，因此8155數(shù)據(jù)地址復合線AD0一AD7與89C51P0口直接相聯(lián)。地址鎖存信號ALE與89C51ALE相聯(lián)。片選信號經(jīng)譯碼后產(chǎn)生，以高位地址P2.0直接作為IO/信號，此時對8155需要使用16位地址進行編址。
8155的結構框圖及引腳排列見圖8-2。
圖8-2 8155引腳及內部結構
8.2.6 8155工作方式查詢
8155I/O工作方式選擇通過對8155內部命令寄存器（命令口）設定命令控制字實現(xiàn)。命令寄存器格式及對應的工作方式見下圖8-3。
8155I/O有四種工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符號說明如下：
AINTR：A口中斷，請求輸入信號，高電平有效。
BINTR：B口中斷，請求輸入信號，高電平有效。
ABF（BBF）：A口（B口）緩沖器滿狀態(tài)標志輸出線，（緩沖器有數(shù)據(jù)時BF為高電平）。
ASTB（BSTB）：A口（B口）設備選通信號輸入線，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。
ALT4：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。
圖8-3 命令寄存器格式
8.2.7狀態(tài)查詢
8155還有一個狀態(tài)寄存器，用于鎖存I/O口和定時器的當前狀態(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。所以可以認為，CPU讀該地址時，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當前I/O口和定時器的狀態(tài)，而寫該地址時，則作為命令寄存器對I/O口工作方式的選擇。
8.2.8 8155定時功能
8155芯片內有一個14位減法計數(shù)器，可對輸入脈沖進行減法計數(shù)。外部有兩個定時器引腳TINEIN 和TIMEOUT。TINEIN為定時器時鐘輸入，有外部輸入時鐘脈沖，TIMEOUT為定時器輸出，輸出各種信號脈沖波形。定時器的格式、輸出波形見圖8-5。
由上圖可見，定時器的低8位和高6位計數(shù)器定時是出方式由04H、05H寄存器確定。對定時器編程時，首先將計數(shù)器及定時器方式送入定時器口，（定時器的低8位和高6位，定時器方式M）04H，05H。計數(shù)常數(shù)在002H~3FFF之間。計數(shù)器的起動和停止由命令寄存器的最高兩位TM2和TM1決定。但何時讀都可以置定時器的長度和工作方式，然后必須將起動命令寫入命令寄存器。既使計數(shù)器已經(jīng)計數(shù)，在寫入起動命令后，仍可改變定時器的工作方式。
圖8-4 狀態(tài)寄存器格式
M2 M1
方 式
定時器輸出波形
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定時器方式及輸出波形
8.2.9 芯片地址分配
89C51支持的存儲芯片，程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器單獨編址，EPROM與RAM地址分配較為自由,不必考慮會發(fā)生沖突,因89C51復位后,從0000H開始，內部程序存儲器空間為0000H-0FFFH，外部2片2764芯片地址分別為0C000H-0DFFFH，8000H--9FFFH。89C51內部數(shù)據(jù)存儲器空間為00H-0FFH，外部6264芯片地址：6000H-7FFFH
1#8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示)
/IO＝0時，8155(1)內部RAM地址范圍 E000H-E0FFH
/IO＝1時，端口地址：控制口：E100H；PA口：E101H；PB口：E102H；PC口：E103H；
定時器低八位：E104H；定時器高八位：E105H
2#8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示)
/IO＝0時，8155(1)內部RAM地址范圍 0A000H-0A0FFH
/IO＝1時，端口地址：控制口：0A00H；PA口：0A01H；PB口：0A02H；PC口：0A03H；
定時器低八位：0A04H；定時器高八位：0A05H
8.3 總體程序控制
8.3.1流程圖
8.3.2主程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
LJMP INT0
ORG 000BH
LJMP T0
ORG 0013H
LJMP INT1
MAIN： MOV A，#00H
MOV R0,#00H
MOV DPTR，#2000H
XUNHUAN : MOVX @DPTR, A
INC DPTR
INC R0
CJNE R0,#0FFH, XUNHUAN
INC R1
CJNE R2,#0FFH, XUNHUAN
MOV SP,#60H
SETB PX0
SETB EX0
SETB EX1
SETB EA
WE : AJMP WE
GONGZUO：
LCALL QIUJIAN
LCALL XIANSHI
LCALL CHULI
8.4 鍵盤設計
8.4.1鍵盤定義及功能
控制面板上布置5個控制鍵，33個功能數(shù)字鍵。其中8個鍵有雙重功能，由SHIFT鍵轉換，按下SHIFT鍵，上檔鍵有效。
5個控制鍵各功能如下：
急停鍵——運行時按該鍵，程序立即停止運行。
暫停鍵——運行時按下該鍵，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。
恢復運行鍵——處于急停或暫停時，接下該鍵程序繼續(xù)執(zhí)行。用M00實行軟件暫停時，恢復運行也需要按該鍵。
復位鍵——編程或運行前，清除內存中的隨機數(shù)。
對中心鍵——鉬絲自動找準預定的中心位置(原點)。
30個功能數(shù)字鍵包括數(shù)字鍵“0－9”，負號“—”，程序開始字“%”，程序段結束字“LF”，序號字“N”，準備功能字“G”，輔助功能字“M”，速度功能字“F”，主軸速度功能字“S”，坐標功能字“X、Y、Z、I、J、W”。編輯鍵三個：DEL/INS—刪除/插入程序段鍵，DISP/ZOOM—DISP顯示程序全段內容，ZOOM使加工圖形按比例縮放，預置為1，COPY—程序段復制，IDX—可設定某一程序段為起割點，單步—步進電機走一拍就停止工作，回零—鉬絲重新置于起點，運行—加工開始確認。
8.4.2 鍵盤程序設計
本設計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，PC0—PC5為列線。 A口為輸出口，C口為輸入口，按鍵盤列線，每個鍵對應一個鍵碼，根據(jù)鍵碼轉至相應鍵處理子程序。常用鍵識別方法有掃描法和線翻轉法。本設計采用掃描法。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、列號求得閉合鍵鍵碼。
定義各行首鍵號為00H、06H、0CH、12H、18H，鍵碼=行號＋列號。鍵號鍵功能對應表8-1
表8-1 鍵號鍵功能對應
鍵號
00H－09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
10H
11H
12H
1E
功能
0－9
—
N
G
M
F
S
鍵號
13H
14H
15H
16H
17H
18H
19H
1AH
1BH
1CH
1DH
1F
功能
DEL
COPY
IDX
單步
回零
運行
SHIFT
圖8-6 鍵盤掃描程序流程圖
圖8-7 求鍵值子程序
鍵盤掃描子程序
ORG 0500H
SCAN:MOV A,#00H
MOV DPTR, #E101H
MOVX @DPTR, A
MOV A #3FH
MOV DDPTR, #E103H
MOVX #DPTR, A
MOV DPTR, #E102H
MOVX A, @DPTR
ANL A, #1FH
CJNE3 A, #1FH, NEXT1
SJMP NEXT4
NEXT1: ACALL DS20ms
CLR C
MOV R2 , #00H
MOV R1, #01H
LOOP: INC DPTR
MOV A,R1
MOVX #DPTR, A
MOV DPTR, #8002H
MOVX A, @DPTR
ANL A, #1FH
CJNE A, #1FH, NEXT 2
SJMP NEXT3
NEXT2: INC R 2
CJNE R 2, #01H, NEXT 4
MOV R4, A
MOV A,R 1
MOV R3,A
NEXT3: MOV A,R1
RLC A
MOV R 1,A
CJNE A,#40H, LOOP
AJMP KCODE
NEXT 4:CLR A
RET
END
求鍵值子程序
ORG 0560H
KCODE：MOV R1，#00H
MOV A， R3
CLR C
LOOP ：RRC A
JZ NEXT1
INC R1
SJMP LOOP
NEXT 1：MOV A， R 1
SWAP A
MOV R1，A
MOV A，R4
ANL A，#0FH
ORL A，R1
MOV B，A
MOV DPTR，#KTAB
MOV R0，#00H
CLR A
REPE：MOVC A，@A+DPTR
CJNE A, B,NEXT2
SJMP RESV
NEXT2:INC R 0
MOV A, R0
SJMP REPE
RESV: MOV A, R 0
RET
KTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27H
DB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DH
DEB1DH,0DH,0BH,07H,03H,1EH
DB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DH
DB 5FH,57H,5BH,5DH
END
8.5 顯示器設計
8.5.1顯示器顯示方式的選用
程序輸入時，涉及數(shù)字鍵及N、G、M等功能鍵。采用控制簡單，價格低廉的LED顯示器。因數(shù)控程序較長，顯示數(shù)據(jù)較多，一次把整條指令內容全顯示出來很不經(jīng)濟。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，最大控制長度為1m，需6位顯示器才能滿足要求，再加上一位符號位，須7位LED，為清晰顯示N、G、X、Y符號，符號位用一位"米"字顯示。
顯示器顯示方式有靜態(tài)、動態(tài)兩種。本設計采用動態(tài)掃描法，即逐個點亮各位顯示器，因視覺殘留效應，效果與全部顯示器持續(xù)點亮一樣。
8.5.2顯示器接口
為實現(xiàn)顯示器動態(tài)掃描，對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。89C51P0口輸出BCD碼，通過驅動器、鎖存器輸出字形到LED，構成傳送電路。（顯示電路見附圖1）
8.5.3 8155擴展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有關地址寄存器端口地址為:
100H 命令字寄存器
104H 定時器低字節(jié)
105H 定時器高字節(jié)
相應初始化程序為:
ORG 0A00H
MOV DPTR,#100H
MOV A,#7H
MOVX @R0,A
……
END
因為P3.3接行程開關,處于高優(yōu)先級，所以IP、IE初始化為：
SETB PX0
SETP PX1
CLR PT0
CLR PT1
CLR PS
SETB EX0
SETB EX1
SETB ET0
SETB ET1
SETB ES
CLS ET2
SETB EA
PSW、TCON、TMOD初始化：
MOV PSW，#00H
SETB IT0
SETB IT1
SETB IE0
SETB IE1
SETB TR0
SETB TR1
TMOD工作在方式2，所以初始化為：
MOV TMOD ，#66H
8.6 插補原理
插補是對直線、圓弧等低次方程曲線的一種逼近方式。通過計算使沿坐標方向的折線所構成的圖形與加工圖形間的誤差保持在允許的范圍內。常用的方法有逐點比較法、積分法。本設計選用逐點比較法。
逐點比較法工作原理：在控制過程中，逐步計算，判別折線運動與要求軌跡之間的偏差，決定下一步的進給方向。用步進電機控制工作臺沿某一方向進給一步。一個插補由四個節(jié)拍組成，即偏差判別，進給，偏差計算，終點計算。無論是直線插補、順圓插補、逆圓插補都遵守這樣的四步原則。
8.7光電隔離電路
在實際電路中，模擬信號與數(shù)字信號之間有一個強電干擾的問題。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,對輸入和輸出電路可以進行隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強-弱電接口，特別是在微機系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應用。故在系統(tǒng)電路設計時，應該注意輸入信號電路與單片機連接時的隔離。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特點：①信號傳遞采取電-光-電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，能夠避免輸出端對輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾，②抑制噪聲干擾能力強；③具有耐用、可靠性高和速度快等優(yōu)點，響應時間一般為數(shù)以內，高速型光電耦合器的響應時間有的甚至小于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。
VCC1 VCC2
R1 R2
1
1
GND
圖8-9 光耦電路原理圖
8.8越界報警電路
為防止工作臺行程越界，設置限位開關，本設計中有四個限位開關，對應于四種越界可能。，一旦越界，立即發(fā)出越界信號，啟動中斷方式，停止工作臺的移動。等待處理。并發(fā)出紅燈報警。在正常工作時，則是綠燈亮。兩燈均由8155Pb4口控制。
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第九章 步進電機接口電路及驅動
本設計選用五相步進電機M56853S，工作方式為2細分工作方式，并選擇2CK輸入工作方式。步進電機由驅動器RD-0534M驅動。而單片機控制驅動器啟動和停止及正反轉。驅動步進電機的脈沖按順序供給電機各相，脈沖發(fā)生由驅動器內部自動產(chǎn)生，并且具有各種系統(tǒng)保護。RD-0534M驅動器的主要控制端有：
順時方向控制端CW；逆時方向控制端CCW；運行方式控制端4PIN，所需聯(lián)接控制信號由2#8155PB口控制。
X、Y向步進電機各用一個驅動器控制，電機以五相方式工作。由于RD-0534M驅動器具有良好的工作性能，并且又具有較強的保護功能，所以系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定。
單片機控制RD-0534M工作時有一個脈沖電流的要求，故在兩者之間加了控制三極管。以滿足控制要求。（硬件布置見附圖1）
單片機實現(xiàn)步進電機控制主要在于脈沖分配，實現(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。這里通過單片機發(fā)出信號經(jīng)過環(huán)形分配器驅動放大直接控制，需要采用軟件實現(xiàn)脈沖分配。
橫向進給采用五相十拍步進電機，五相十拍工作方式通電換相的正序為：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10個通電狀態(tài)。如果P1.4-P1.0輸出的控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，P1.7-P1.5三相六拍步進電機，設為1（即五相十拍步進電機工作，三相六拍步進電機不工作），控制則可用10個控制字來對應這10個通電狀態(tài)。這10個控制字如表9-1所列。
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
FCH
ABC
1
1
0
0
0
F8H
BC
1
1
0
0
1
F9H
CBD
1
0
0
0
1
F1H
CD
1
0
0
1
1
F3H
CDE
0
0
0
1
1
E3H
DE
0
0
1
1
1
E7H
DEA
0
0
1
1
0
E6H
EA
0
1
1
1
0
EEH
EAB
0
1
1
0
0
ECH
軟件脈沖分配子程序
正轉程序為：
CW: INC R0
CJNE R0,#0AH,ZZ
MOVE R0,#00H
ZZ: MOV A,R0
MOV DPTR,#ABC
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
RET
A