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1 激光切割機(jī)圖 包含 cad 圖紙 說明書 摘要 激光切割的適用對(duì)象主要是難切割材料 如高強(qiáng)度 高韌性材料以及精密細(xì)小和形狀 復(fù)雜的零件 因而數(shù)控激光切割在我國制造業(yè)中正發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性 本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)單片機(jī)控制的數(shù)控激光切割機(jī)床 主要完成了 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Z 軸 XY 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選擇及其強(qiáng)度分析 以步進(jìn)電機(jī)為 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)計(jì)算 以 89C51 為主控芯片的數(shù)控系統(tǒng)硬件 電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)的控制程序設(shè)計(jì) 關(guān)鍵詞 CNC 激光切割機(jī)床 XY 工作臺(tái) 單片機(jī) 2 300 400 CNC laser cutting machine XY table parts and SCM control design ABSTRACT Laser cutting machine tool was usually used for the hard cutting material such as high strength material high precision ductile materials and smart and complicated components So CNC laser cutting has been playing an important role in China s manufacturing industry This paper describes the design of a SCM controlled CNC laser cutting machine tools More attention was paid on the overall machine design Z axis XY axis in the design ball screw and the choice of linear motion guide and intensity analysis the drive system into which stepper motor was put and the analysis of the drive system design 89C51 chip was mainly used for the design of hardware circuit the design of system initialization and the design of stepper motor s controlling program Key words CNC laser cutting machine tools XY table Single chip microcomputer 3 目 錄 第一章 緒論 1 1 1 激光技術(shù)概述 1 1 2 激光切割機(jī)的應(yīng)用 1 1 3 設(shè)計(jì)任務(wù) 1 1 4 總體設(shè)計(jì)方案分析 2 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) 4 2 1 XY 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 4 2 1 1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù) 4 2 1 2 XY 工作臺(tái)部件進(jìn)給系統(tǒng)受力分析 4 2 1 3 初步確定 XY 工作臺(tái)尺寸及估算重量 4 2 2 Z 軸隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 第三章 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 7 3 1 滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定 7 3 2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 7 第四章 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型 9 第五章 步進(jìn)電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 11 5 1 步進(jìn)電機(jī)的選用 11 5 1 1 脈沖當(dāng)量和步距角 11 5 1 2 步進(jìn)電機(jī)上起動(dòng)力矩的近似計(jì)算 11 5 1 3 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 12 5 2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 12 5 2 1 傳動(dòng)比的確定 12 5 2 2 齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定 12 5 3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 13 第六章 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的確定 15 6 1 根據(jù)工作臺(tái)不出現(xiàn)爬行的條件來確定傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 15 6 2 根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來確定傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 15 第七章 消隙方法與預(yù)緊 17 7 1 消隙方法 17 7 1 1 偏心軸套調(diào)整法 17 4 7 1 2 錐度齒輪調(diào)整法 18 7 1 3 雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 18 7 2 預(yù)緊 19 第八章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 8 1 確定機(jī)床控制系統(tǒng)方案 20 8 2 主要硬件配置 20 8 2 1 主要芯片選擇 20 8 2 2 主要管腳功能 20 8 2 3 EPROM 的選用 21 8 2 4 RAM 的選用 22 8 2 5 89C51 存儲(chǔ)器及 I O 的擴(kuò)展 22 8 2 6 8155 工作方式查詢 23 8 2 7 狀態(tài)查詢 24 8 2 8 8155 定時(shí)功能 25 8 2 9 芯片地址分配 26 8 3 總體程序控制 27 8 3 1 流程圖 27 8 3 2 總程序 27 8 4 鍵盤設(shè)計(jì) 28 8 4 1 鍵盤定義及功能 28 8 4 2 鍵盤程序設(shè)計(jì) 29 8 5 顯示器設(shè)計(jì) 33 8 5 1 顯示器顯示方式的選用 33 8 5 2 顯示器接口 34 8 5 3 8155 擴(kuò)展 I O 端口的初始化 34 8 6 插補(bǔ)原理 35 8 7 光電隔離電路 35 8 8 越界報(bào)警電路 36 第九章 步進(jìn)電機(jī)接口電路及驅(qū)動(dòng) 39 第十章 總 結(jié) 40 致 謝 41 參考文獻(xiàn) 42 5 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 它剛一問世就引起了材料科學(xué)家的高度重 視 1971 年 11 月 美國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 世界各國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 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 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)來說 可以說是一場技術(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 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 6 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 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 控 制 器 驅(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) 7 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)比大大超過了 Z80 比較后選用 89C51 為主芯片 在使用過程中 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 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 工作臺(tái)行程 橫向 320mm 縱向 450mm 工作臺(tái)最大尺寸 長 寬 高 1100 900 300mm 工作臺(tái)最大承載重量 120Kg 脈沖當(dāng)量 0 001mm pluse 進(jìn)給速度 60 平方毫米 min 表面粗糙度 0 8 1 6 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) 為在加工過程中沒有外力負(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 一般來說 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 寬 高度 為 1200 950 70mm 材料為 HT200 估 重為 625N W1 設(shè)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(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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 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 2301N 2 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)檢測和控制切割 表面的不平度 通過伺服電機(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(duì)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(qiáng)磁場 強(qiáng)干擾環(huán)境 所以在選擇傳感器時(shí) 應(yīng)注意檢 測精度和對(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 一般來說 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 反 光 鏡平 衡 氣 缸直 線 導(dǎo) 軌 切 割 頭 Z軸 絲 桿Z軸 電 機(jī) 圖 2 1 Z 軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu) 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 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 3 490 500 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(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 0 W 工件重量加工作臺(tái)重量 W 2301N U 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 滾珠絲杠的螺紋升角 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 見表 3 1 前面已經(jīng)定 v 1m s 材料選擇灰鑄鐵 HRC 45 所以 4 00 tg 0 0025 因?yàn)?arctg P h d 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 3 3 式中 P h 導(dǎo)程 4mm d 絲杠公稱直徑 25mm 則根據(jù)式 3 3 2 91 則根據(jù)式 3 2 得 0 953 表 3 1 當(dāng)量摩擦系數(shù) f 和當(dāng)量摩擦角 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(duì)速度 s m s f f f f f 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 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) 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) 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 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 可長期維持機(jī)床的高精度 對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤滑 由于油膜的浮動(dòng) 產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)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(fèi)掉 了 與之相反 滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能小 滾動(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)長期處于高精度狀態(tài) 同時(shí) 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(jī)床的潤滑系統(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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 圖 4 1 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 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 1 m 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 m M2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 4cm Fao 預(yù)緊力 有 Fao Fao 1 Fao2 取 Fao1 0 04 Ca 0 04 1600 640N Fao2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 Ph 360 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 p P h 式中 p l m STEP 0 0001cm STEP M M1 M 2 0 16N 0 36 o STEP 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 q 0 85 Ph 0 4cm 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 m 5 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 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 cm2 5 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 l m STEP 的設(shè)計(jì)要求 必須通過齒輪機(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 為步距角 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 齒輪類型 選擇直齒加工方便 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 中心距的計(jì)算 A m Z 1 Z2 5 6 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 1 30 120 2 75mm 齒頂高為 1mm 齒根高為 125mm 齒寬為 20mm 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 e J1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 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 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 最后計(jì)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 D 2 rad 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 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 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)給靈敏度的條件來確定 6 1 根據(jù)工作臺(tái)不出現(xiàn)爬行的條件來確定傳動(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 絲杠拉壓變形 扭轉(zhuǎn)變形 絲杠和螺母的螺紋接觸變形及螺母座的變形 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 F 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 92KGF A 0 5 p 0 5 m 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 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)來說 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 裝在電動(dòng)機(jī)軸上 調(diào)整偏心軸套 可以改變齒輪 和 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 7 1 2 錐度齒輪調(diào)整法 如圖 7 2 所示將一對(duì)齒輪 和 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 的厚度就能改變齒輪 和 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 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(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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 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 控制系統(tǒng)有微機(jī)的 有 PLC 的 也有單片機(jī)的 這里采用的是開環(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 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 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 PSN ALE 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 RESET 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 89C51 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 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 ESN 8 2 3 EPROM 的選用 為簡化電路 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 A 0 A12 13 位地址線 D 0 D7 數(shù)據(jù)輸出線 數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)OE 編程控制信號(hào) 用于引入編程脈沖PGM 片選信號(hào)C 2764 主要工作方式 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 讀方式 及 為低電平 Vpp 5V 時(shí)處于讀出方式OEC 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 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) C 8 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 A 0 A12 13 位地址線 IO 1 IO7 數(shù)據(jù)輸入輸出線 數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)OE 寫選通信號(hào)W 片選信號(hào)C 6264 主要工作方式 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 寫方式 為低電平 亦為低電平時(shí) 允許數(shù)據(jù)輸入 封鎖方式 為高電平時(shí) 該芯片沒被選通 不工作 C 8 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 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 控制線 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 M 8155 的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見圖 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 ABF 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 ST 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 STBST 00 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 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 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 8 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 輸出波形見圖 8 5 由上圖可見 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 度 置 1 讀 狀 態(tài) 后 清 0 圖 8 4 狀態(tài)寄存器格式 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 M2 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 7FFFH 1 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 E105H 2 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 32 8 3 總體程序控制 8 3 1 流程圖 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 33 開 始關(guān) 中 斷初 始 化清 數(shù) 據(jù) 區(qū) 讀 鍵開 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 0000H AJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP T0 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 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(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 恢復(fù)運(yùn)行鍵 處于急?；驎和r(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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 個(gè) DEL INS 刪除 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 36 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 37 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 38 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 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 R 1 00H MOV A R 3 CLR C LOOP RRC A JZ NEXT1 INC R1 SJMP LOOP 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 39 NEXT1 MOV A R 1 SWAP A MOV R1 A MOV A R 4 ANL A 0FH ORL A R 1 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 07H 03H 1EH DB 23H 3EH 4FH 47H 4BH 4DH DB 5FH 57H 5BH 5DH END 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 采用控制簡單 價(jià)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(nèi)容全顯 示出來很不經(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 1 m 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(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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 40 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 0A00H MOV DPTR 100H MOV A 7H MOVX R0 A END 因?yàn)?P3 3 接行程開關(guān) 處于高優(yōu)先級(jí) 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 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 41 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(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