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1、目 錄 摘 要………………………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ 1 緒論1 1.1課題背景1 1.2現(xiàn)實意義1 1.3設計任務1 1.4總體設計方案分析2 2 機械部分XY工作臺及Z軸的基本結構設計4 2.1 XY工作臺的設計4 主要設計參數(shù)及依據(jù)4 2.1.2 XY工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析4 初步確定XY工作臺尺寸及估算重量4 2.2 Z軸隨動系統(tǒng)設計5 3滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設計計算6 3.1 強度計算6 3.2 滾珠絲杠副的傳動效率6 4 直線滾動

2、導軌的選型8 5 步進電機及其傳動機構的確定9 5.1 步進電機的選用9 5.1.1 脈沖當量和步距角9 步進電機上起動力矩的近似計算9 確定步進電機最高工作頻率10 5.2齒輪傳動機構的確定10 傳動比的確定10 齒輪結構主要參數(shù)的確定11 5.3步進電機慣性負載的計算11 6 傳動系統(tǒng)剛度的討論13 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13 6.2根據(jù)微量進給的靈敏度來確定傳動系統(tǒng)剛度13 7 消隙方法與預緊15 7.1消隙方法15 偏心軸套調整法15 錐度齒輪調整法16 雙片齒輪錯齒調整法16 7.2預緊17 8數(shù)控系統(tǒng)設計18

3、8.1 確定機床控制系統(tǒng)方案18 8.2 主要芯片配置18 主要芯片選擇18 8.2.2 主要管腳功能18 8.2.3 EPROM的選用19 8.2.4 RAM的選用20 8.2.5 89C51存儲器及I/O的擴展20 8.2.6 8155工作方式查詢21 狀態(tài)查詢22 8.2.8 8155定時功能22 8.2.9 芯片地址分配23 8.3 鍵盤設計24 鍵盤定義及功能24 8.3.2 鍵盤程序設計24 8.4 顯示器設計28 顯示器顯示方式的選用28 顯示器接口29 8.4.3 8155擴展I/O端口的初始化29 8.5 插補原理30 8.6光電隔離電路

4、31 8.7越界報警電路31 8.8總體程序控制32 8.8.1流程圖32 8.8.2總程序32 9 步進電機接口電路及驅動34 結論38 參考文獻39 致謝40 1 緒論 1.1課題背景 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

5、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)激光技術產業(yè)化，國家也將其列為“九五”攻關重點項目之一?！笆濉钡闹饕ぷ魇谴龠M激光加工產業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產值20％的平均增長率，實現(xiàn)年產值200億元以上；在工業(yè)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(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

6、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，形成研制和生產加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。 1.2現(xiàn)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(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

7、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

8、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的配套驅動器產品。 滾珠絲杠的生產廠家很多，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

9、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

10、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。 2 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 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 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

11、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,其產生的負載波動應控制在很小的范圍。 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62

12、5N (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

13、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

14、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 3 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設計計算 （一） 根據(jù)機

15、床的受力情況及結構尺寸，參照南京工藝裝備廠的產品系列，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 強度計算 軸向負荷計算公式： 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

16、）： =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），。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: 式（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） 式（3.3）

17、 式中:Ph—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 0.09

18、0 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

19、 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

20、°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′ 4 直線滾動導軌的

21、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)

22、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品系列。 型號：選用GGB型四方向

23、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 5 步進電機及其傳動機構的確定 5.1 步進電機的選用 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）。 步進電機上起動力矩的近似計算 電機起動力矩： 式（5.1） 式中: M為滾珠絲杠所受總扭矩 Ml為外部負載產生的摩擦扭矩，有: 式（5.2） =92×0.025/2×tg（2.91+0.14） =0.062N·m

24、M2為內部預緊所產生的摩擦扭矩，有： 式（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 此處省略?NN NNNNN NNN NN 字 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

25、，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—A1213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

26、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)譯碼產生片選信號。數(shù)據(jù)線聯(lián)接將存儲器數(shù)據(jù)輸出端D

27、0－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8.28155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

28、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。

29、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

30、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

31、）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R

32、AM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#

33、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 鍵盤設計 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

34、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

35、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。 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

36、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 M

37、OVX @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, #1

38、FH, NEXT2 SJMP NEXT3 NEXT2: INC R2 CJNE R2, #01H, NEXT4 MOV R4, A MOV A,R1 MOV R3,A NEXT3: MOV A,R1 RLC A MOV R1,A CJNE A,#40H, LOOP AJMP KCODE NEXT4: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 NEXT1：MOV

39、A， R1 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 R0 MOV A, R0 SJMP REPE RESV: MOV A, R0 RET KTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27H DB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DH DEB1DH,0DH,0BH,07

40、H,03H,1EH DB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DH DB 5FH,57H,5BH,5DH END 8.4 顯示器設計 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

41、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。 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。 圖8.8 鍵盤與顯示系統(tǒng)電路 8.4.3 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

42、 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

43、 SETB IE0 SETB IE1 SETB TR0 SETB TR1 TMOD工作在方式2，所以初始化為： MOV TMOD #66H 8.5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

44、補、逆圓插補都遵守這樣的四步原則。 8.6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，采用光電藕合是最常用的方法。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生的反饋和干擾，②抑制噪聲干

45、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。光藕電路原理圖8.9。 VCC1VCC2 R1R2 1 1 GND 圖8.9 光藕電路原理圖 8.7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。 8.8 總體程序控制 流程圖 總程序

46、 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 SE

47、TB PX0 SETB EX0 SETB EX1 SETB EA WE：AJMP WE GONGZUO： LCALL QIUJIAN LCALL XIANSHI LCALL CHULI 9 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

48、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。 圖9.1 硬件連接圖 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

49、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。 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

50、 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 DPT

51、R,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET ABC: DB 0FCH,0F8H,0F9H,0F1H,0F3H DB 0E3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH 反轉程序為： CCW: DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#09H FZ: MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET 縱向進給采用三相六拍步進電機，三相六拍工作方式通電換相的正序為：A-AB-B-BC-

52、C-CA，共有6個通電狀態(tài)。如果P1.7-P1.5輸出的控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，P1.4-P1.0五相十拍步進電機，設為1（即三相六拍步進電機工作，五相十拍步進電機不工作），控制則可用6個控制字來對應這6個通電狀態(tài)。這6個控制字如表9.2所列。 表9.2 狀態(tài)控制字 通電狀態(tài) P1.7(C) P1.6(B) P1.5(5) 控制字 A 1 1 0 DFH AB 1 0 0 9FH B 1 0 1 BFH BC 0 0 1 3FH C 0 1 1 7FH CA 0 1 0 5FH 軟件脈沖分配子程

53、序 正轉程序為： CW: INC R1 CJNE R1,#0AH,ZZ MOVE R1,#00H ZZ: MOV A,R1 MOV DPTR,#AB MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET AB: DB 0DFH,9FH,0BFH,3FH,7FH,5FH 反轉程序為： CCW: DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#09H FZ: MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,@

54、A+DPTR MOV P1, 結 論 通過對數(shù)控激光切割機的整體設計，確定了一臺合理的立式機床結構。 1、根據(jù)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，對滾珠絲杠傳動系統(tǒng)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并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（本設計采用了89C51為主控芯片），設計出了一個比較合理的數(shù)控硬件電路與步進電機驅動相匹配的數(shù)控軟件連接，由單片機控制步進電機來實現(xiàn)XYZ方向的運動。 3、在設計中對機床數(shù)控部分的I/O進行了擴展

55、，并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(jīng)濟型數(shù)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。 參 考 文 獻 [1] 張學仁.數(shù)控電火花線切割加工技術.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2000 [2] 李廣弟.單片機基礎.北京：北京航空航天大學出版社出版，2002 [3] 鄭玉華.典型機械（電）產品構造.北京：北京科學出版社，2006 [4] 陳嬋娟.數(shù)控機床設計.北京：化學工業(yè)出版社，2006 [5] 李秉操等.單片機原理及其在工業(yè)控制中的應用.陜西：陜西電子編輯部，1991 [6] 文秀蘭等.超精密加工技術與設備.北京：化學工業(yè)出版

56、社，2006 [7] RORZE株式會社.RORZE綜合手冊.1996 [8] 胡傳昕.特種加工手冊.北京：北京出版社，2001 [9] 林其俊.機床數(shù)控系統(tǒng).北京：中國科學技術出版社，1991 [10] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床結構與設計.北京：兵器工業(yè)出版社，1999 [11] 趙萬生.電火花加工技術.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2000 [12] 徐灝.新編機械設計師手冊.北京：機械工業(yè)出版社版，2006 [13] 余承業(yè)等.特種加工新技術.北京：北京國防工業(yè)出版社，1995 [14] 馮辛安.機械制造裝備設計.北京：機械工業(yè)出版社，1999 [15] 劉書華.數(shù)控機床與編程

57、.北京：機械工業(yè)出版社，2001 [16]S.卡爾帕基安，S.R.施密德.制造工程與技術（機加工）（英文版）及學習輔導（上冊）.北京：機械工業(yè)出版社 ,1998 [17] Patton W.J. Mechanical Power Transmission. New Jersey:Printice-Hall,1980 致 謝 經(jīng)過3個月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生，由于經(jīng)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。 在這里首先要感謝我的導師喬水明老師。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從外出實習到查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。除了敬佩喬老師淵博的學識外，他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、平易近人的作風和認真負責的工作態(tài)度也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 其次要感謝大學四年來所有的老師，為我們打下機械專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設計才會順利完成。 最后感謝攀枝花學院四年來對我的栽培。