毕业设计（论文）-300X400数控激光切割机设计（全套图纸）

攀枝花学院本科毕业设计 目录 目目 录录 全套全套 CADCAD 图纸，联系图纸，联系 153893706153893706 摘摘 要要 ABSTRACT 1 1 绪论绪论1 1.11.1 课题背景课题背景.1 1.21.2 现实意义现实意义.1 1.31.3 设计任务设计任务.1 1.41.4 总体设计方案分析总体设计方案分析.2 2 2 机械部分机械部分 XYXY 工作台及工作台及 Z Z 轴的基本结构设计轴的基本结构设计4 2.12.1 XYXY 工作台的设计工作台的设计.4 2.1.1 主要设计参数及依据4 2.1.2 XY 工作台部件进给系统受力分析4 2.1.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重量4 2.22.2 Z Z 轴随动系统设计轴随动系统设计.5 3 3滚珠丝杠传动系统的设计计算滚珠丝杠传动系统的设计计算6 3.13.1 强度计算强度计算6 3.23.2 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率6 4 4 直线滚动直线滚动导导轨的选型轨的选型8 5 5 步进电机及其传动机构的确定步进电机及其传动机构的确定9 5.15.1 步进电机的选用步进电机的选用9 5.1.1 脉冲当量和步距角.9 5.1.2 步进电机上起动力矩的近似计算9 5.1.3 确定步进电机最高工作频率10 攀枝花学院本科毕业设计 目录 5.25.2 齿轮传动机构的确定齿轮传动机构的确定.10 5.2.1 传动比的确定10 5.2.2 齿轮结构主要参数的确定11 5.35.3 步进电机惯性负载的计算步进电机惯性负载的计算.11 6 6 传动系统刚度的讨论传动系统刚度的讨论13 6.16.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度13 6.26.2 根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度.13 7 7 消隙方法与预紧消隙方法与预紧.15 7.17.1 消隙方法消隙方法.15 7.1.1 偏心轴套调整法15 7.1.2 锥度齿轮调整法16 7.1.3 双片齿轮错齿调整法16 7.27.2 预紧预紧.17 8 8 数控系统设计数控系统设计18 8.18.1 确定机床控制系统方案确定机床控制系统方案18 8.28.2 主要芯片配置主要芯片配置18 8.2.1 主要芯片选择18 8.2.2 主要管脚功能.18 8.2.3 EPROM 的选用19 8.2.4 RAM 的选用20 8.2.5 89C51 存储器及 I/O 的扩展20 8.2.6 8155 工作方式查询21 8.2.7 状态查询22 8.2.8 8155 定时功能22 8.2.9 芯片地址分配.23 8.38.3 键盘设计键盘设计24 8.3.1 键盘定义及功能24 8.3.2 键盘程序设计.24 8.48.4 显示器设计显示器设计28 8.4.1 显示器显示方式的选用28 8.4.2 显示器接口29 8.4.3 8155 扩展 I/O 端口的初始化29 8.58.5 插补插补原原理理30 8.68.6 光电隔离电路光电隔离电路.31 攀枝花学院本科毕业设计 目录 8.78.7 越界报警电路越界报警电路.31 8.88.8 总体程序控制总体程序控制.32 8.8.1 流程图32 8.8.2 总程序32 9 9 步进电机接口电路及驱动步进电机接口电路及驱动.34 结结 论论38 参考文献参考文献.39 致致 谢谢40 攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景 激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科 学家的高度重视。1971 年 11 月，美国通用汽车公司率先使用一台 250W CO2 激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于 1974 年成功地 完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，淬硬部位的 耐磨性能比未处理之前提高了 10 倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。 多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光 加工对材料学的研究，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效 益和社会效益。如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们 的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其 列为“九五”攻关重点项目之一。 “十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展， 保持激光器年产值 20的平均增长率，实现年产值 200 亿元以上；在工业生产 应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空 等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、 空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。 数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度 和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展 的一个重要趋势。 1.2 现实意义 激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加 工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率， 降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。 激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高 脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。激光切割技术、激光切割 机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控激光切割有很强的 现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。 1.3 设计任务 本次设计任务是设计一台单片机（89C51 主控芯片）控制激光切割机床， 攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论 2 主要设计对象是 XY 工作台部件及 89C51 单片机控制原理图。而对激光切割机 其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作一般了解。单片机对 XY 工作台的纵、横向进给脉冲当量 0.001mm/ pluse。工作台部件主要构件为滚 珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安 装尺寸和装配工艺。 1.4 总体设计方案分析 参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案如下： 采用 89C51 主控芯片对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出控制信号给驱 动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。 其原理示意图 1.1。 图 1.1 系统总体原理图 微机控制线路图参考 MCS51 系列单片机控制 XY 工作台线路图。 步进电机参照 RORZE 株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度, 同时驱动器也选用 RORZE 的配套驱动器产品。 滚珠丝杠的生产厂家很多，本设计参照了汉江机床厂、南京工艺装备制造 厂的样本资料，力求从技术性能、价格状况、通用互换性等各方面因素考虑， 最后选用南京工艺装备厂的 FFZD 系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚 珠丝杠副。 本设计弃用 Z80，而选用单片机。单片机体积小、抗干扰能力强，对环境 控 制 器 驱 动 器 驱 动 器 步进 电机 步进 电机 X 向工作台 Y 向工作台 攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论 3 要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了 Z80。比较后选用 89C51 为主芯片。在使用过程中 89C51 虽有 4K 的 FLASH（E2PROM） ，但考虑实际情 况需配备 EPROM 和 RAM，并要求时序配备。选晶体频率为 6MHz，89C51 读 取时间约为 3t，则 t480ns ,常用 EPROM 读取时间约为 200450ns。89C51 的 读取时间应大于 ROM 要求的读取时间。89C51 的读写时间约为 4T，则 TR660ns，TW=800ns，常用 RAM 读写时间为 200ns 左右，均满足要求。根 据需要，扩展 I/O 接口 8155，因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电 路采用 LED 显示器。键盘采用非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采用光电 隔离电路。 攀枝花学院本科毕业设计 2 机械部分 XY 工作台及 Z 轴的基本结构设 计 4 2 机械部分 XY 工作台及 Z 轴的基本结构设计 2.1 XY 工作台的设计 2.1.1 主要设计参数及依据 本设计的 XY 工作台的参数定为： 工作台行程：横向 320mm，纵向 450mm 工作台最大尺寸（长宽高）：1100900300mm 工作台最大承载重量：120Kg 脉冲当量：0.001mm/pluse 进给速度：60 平方毫米/min 表面粗糙度：0.81.6 设计寿命：15 年 2.1.2 XY 工作台部件进给系统受力分析 因激光切割机床为激光加工,其激光器与工件之间不直接接触,因此可以认 为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。 XY 工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚 动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。 设下底座的传动系统为横向传动系统，即 X 向，上导轨为纵向传动系统， 即 Y 向。 一般来说,数控切割机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠 副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。 另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范 围。 2.1.3 初步确定 XY 工作台尺寸及估算重量 初定工作台尺寸(长宽高度)为:120095070mm，材料为 HT200，估 重为 625N (W1)。 设中托座尺寸(长宽高度)为:1200520220mm，材料为 HT200，估重 为 250N（W2） 。 另外估计其他零件的重量约为 250N (W3)。 加上工件最大重量约为 120Kg（1176N）(G)。 则下托座导轨副所承受的最大负载 W 为: W=W1+W2+W3+G665+250+250+11762301N 攀枝花学院本科毕业设计 2 机械部分 XY 工作台及 Z 轴的基本结构设 计 5 2.2 Z 轴随动系统设计 激光切割机对 Z 轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割 表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦 后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄 及质量，因此，要求 Z 轴的检测精度高于 0.010mm：同时，随动速度应大于 5m/min。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现 象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方 式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。 电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割 加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特 殊场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。所以在选择传感器时，应注意检 测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。 割头具有多种先进的智能和附加功能，如自动调整激光喷嘴距离、自动清 洁喷嘴、同轴喷水机构、切割头转动、切割嘴摆动等。这些功能机构的增加,不 可避免地增加了切割头的重量，成切割头的动态性能不好,随动机构反应不灵敏。 一般来说，普通数控激光切割机 Z 轴拖动重量在 5kg 以上时，应采用重力平衡 设施。而高性能数控激光切割机的 Z 轴拖动重量在 2kg 以上就必须施加重力平 衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。目前 Z 轴上的重力平 衡设施使用较多的是采用气缸托动方式(图 2.1)。该方式重量轻、体积小、易 安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。 丝丝丝 丝丝丝丝 丝丝丝丝 丝丝丝 Z丝丝丝 Z丝丝丝 图 2.1 Z 轴随动机构 攀枝花学院本科毕业设计 3 滚珠丝杆传动设计的设计计算 6 3 滚珠丝杠传动系统的设计计算 （一） 根据机床的受力情况及结构尺寸，参照南京工艺装备厂的产品系列南京工艺装备厂的产品系列，选 用 FFZD 内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下： X 向： FFZD 2504-3/490500 Y 向： FFZD 2504-3/5001100 （二） 因 X 向的滚珠丝杆比 Y 向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算 X 向丝 杆的相关数据，Y 向根据 X 向的结果相同选用即可满足要求。 （三） 具体计算如下。 3.1 强度计算 轴向负荷计算公式： 式 a F =F+UW （3.1） 式中 F 切削力，F=0 W工件重量加工作台重量 W=2301N U滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为 0.003-0.004） ，取 U=0.004 则根据式（3.1）： = 0.0042301=92N a F 激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。 故本处的 Go=（0.2-0.3） ， =18.4-27.6N。对照样本参数,这里的 Go非常 a F 小，选定导程为 4 的滚珠丝杠副。 3.2 滚珠丝杠副的传动效率 滚珠丝杠副的传动效率为: 式 /()tgtg （3.2） 式中 滚珠丝杠的螺纹升角 当量摩擦角 根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表 3.1），前面已经定 v=1m/s， 材料选择灰铸铁 HRC45。 所以：=400，tg=0.0025 ； 因为 =arctg（Ph/d） 式 （3.3） 攀枝花学院本科毕业设计 3 滚珠丝杆传动设计的设计计算 7 式中:Ph导程，4mm d丝杠公称直径，25mm 则根据式（3.3）： 2.91 则根据式（3.2）得：0.953。 表 3.1 当量摩擦系数f和当量摩擦角 齿圈材料锡 青 铜无锡青铜灰铸铁 齿面硬度HRC45其它HRC45HRC45其它 相对速度 s m/s fffff 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 0.013 617 509 434 343 309 235 217 200 143 136 122 116 102 055 048 045 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 0.020 651 543 509 417 343 309 252 235 217 200 147 140 129 122 109 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 1012 758 724 543 509 400 343 309 252 235 217 200 143 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 102 758 724 543 509 400 343 309 0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 1045 905 758 651 549 509 434 400 攀枝花学院本科毕业设计 3 滚珠丝杆传动设计的设计计算 8 攀枝花学院本科毕业设计 4 直线滚动导轨的选型 9 4 直线滚动导轨的选型 导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广 泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： 定位精度高 直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩擦与静摩擦 系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，因此，可将机床定位精度 设定到超微米级。 降低机床造价并大幅度节约电力 采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停 止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机 床所需电力降低 90%，具有大幅度节能的效果。 可提高机床的运动速度 直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提 高机床的工作效率 2030%。 可长期维持机床的高精度 对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是 无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产 生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉 了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故 能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少， 大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护 方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工南京工 艺装备厂的产品系列。艺装备厂的产品系列。 型号：选用 GGB 型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图 4.1。 具体型号：X 向选用 GGB20BA2P，2 500-4 Y 向选用 GGB20AB2P，2 1100-4 图 4.1 直线滚动导轨 攀枝花学院本科毕业设计 5 步进电机及其传动机构的确定 10 5 步进电机及其传动机构的确定 5.1 步进电机的选用 5.1.1 脉冲当量和步距角 已知脉冲当量为 1m/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为 0.36o/STEP（二倍细分） 。 5.1.2 步进电机上起动力矩的近似计算 电机起动力矩： 式 12 MMM （5.1） 式中: M 为滚珠丝杠所受总扭矩 Ml为外部负载产生的摩擦扭矩，有: 式 1 /2() a MFdtg （5.2） =920.025/2tg（2.91+0.14） =0.062Nm M2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： 式 2 /2 aoh MKFP （5.3） 式中: K预紧时的摩擦系数，0.10.3 Ph导程，4cm Fao预紧力， 有：Fao=Fao1+Fao2 取 Fao1=0.04Ca=0.04 1600=640N Fao2为轴承的预紧力，轴承型号为 6004 轻系列，预紧力为 Fao2130N。故 根据式（5.3）： M2=0.098 Nm 齿轮传动比公式为：i= Ph /(360p)，故步进电机输出轴上起动 矩近似地可估算为： 式/ q TM i （5.4） =360Mp /Ph 式中: p =lm/STEP=0.0001cm/STEP； 攀枝花学院本科毕业设计 5 步进电机及其传动机构的确定 11 M= M1+ M 2= 0.16N =0.36o/STEP q=0.85 Ph0.4cm 0.953 则根据式（5.4）： Tq=3600.160.0001/(3.60.850.4)=0.4 Nm 因 Tq/TJM=0.866(因为电机为五相运行)。则步进电机最大静转矩 TJM=Tq/0.866=0.46 Nm 5.1.3 确定步进电机最高工作频率 参考有关数控激光切割机床的资料,可以知道步进电机最高工作频率不超过 1000Hz。 根据以上讨论并参照样本,确定选取 M56853S 型步进电机，该电机的最大 静止转矩为 0.8 Nm，转动惯量为 235g/cm2 5.2 齿轮传动机构的确定 5.2.1 传动比的确定 要实现脉冲当量 lm/STEP 的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其 传动比为： 式/(360) hp iP （5.5） 式中：Ph 为滚珠丝杠导程 为步距角 p为脉冲当量 根据前面选定的几个参数，由式（5.4）得： =0.364/3600.001i =4:1=Z2/Z1 根据结构要求,选用 Z1为 30，Z2为 120 5.2.2 齿轮结构主要参数的确定 齿轮类型：选择直齿加工方便。 模数选择：本工作台负载相当轻,参考同类型的机床后,选择 m1 齿轮传动侧 隙的消除。 中心距的计算： A=m（Z1+ Z2） 式 （5.6） 攀枝花学院本科毕业设计 5 步进电机及其传动机构的确定 12 =1(30+120)/2=75mm 齿顶高为 1mm，齿根高为 125mm，齿宽为 20mm。 齿轮材料及热处理： 小齿轮 Z1采用 40Cr，齿面高频淬火; 大齿轮 Z2采用 45 号钢，调质处理。 5.3 步进电机惯性负载的计算 由资料知，激光切割机的负载可以认为是惯性负载。机械机构的惯量对运 动特性有直接的影响。不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有 关，在开环系统中对运动的平稳性也有很大的影响，因此要计算惯性负载。限 于篇幅，在此仅对进给系统的负载进行计算。 惯性负载可由以下公式进行计算： 式 0 2 D112234mn J =J +J +(Z /Z )(J +J )+ J (V /)m D （5.7） 式中：JD为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。 J0为步进电机转子轴的转动惯量 e J1为齿轮 Zl的转动惯量 J2为齿轮 Z2的转动惯量 J3为齿轮 Z3的转动惯量 mn为系统工作台质量 Vm 为工作台的最大移动速率 D为折算成单轴系统电动机轴角速度 各项计算如下： 已知： J00 忽略不计， mn=112.5Kg 齿轮惯性转矩计算公式： 式 22 J=m=G/g （5.8） 其中： 为回转半径 G 为转件的重量 滚珠丝杠的惯性矩计算公式： 式J= RLD/32 （5.9） 攀枝花学院本科毕业设计 5 步进电机及其传动机构的确定 13 最后计算可得： J1=0.110-3Kg. m2 J2=1.3210-3Kg. m2 J3=2.9810-4Kg. m2 J4=1.1410-5Kg. m2 Vm=12 m/s D=2rad/s 故惯性负载根据式（5.7）得： JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J2J3）+ J4 (Vm/D)2mn =17.3 Kg. cm2 此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。 攀枝花学院本科毕业设计 6 传动系统刚度的讨论 14 6 传动系统刚度的分析 激光切割机 XY 工作台其实为一进给传动系统，其传动系统的刚度可根据 不出现摩擦自振或保证微量进给灵敏度的条件来确定。 6.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 传动系统中的当量刚度 K 或当扭转刚度 C 主要由最后传动件的刚度 K0或 C0 决定的，在估算时，取 K=K0，C=C0 对滚珠丝杠传动,其变形主要包括： 丝杠拉压变形 扭转变形 丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。 轴承和轴承座的变形。 在工程设计和近似计算时，一般将丝杠的拉压变形刚度的三分之一作为滚 珠丝杠副的传动刚度 K0，根据支承形式可得： 式 3 /3 *10 (/) o KEFLKgfmm （6.1） 式中：E=2.0610 -4(Kgf/ mm 2) F=754.8mm 2 L=Ls250 mm 则根据式（6.1）得： K0=203.2N/mm 传动系统刚度较大，可以满足要求。 6.2 根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 此时传动系统的刚度应满足： KF0/ 式 （6.2） 式中：K传动系统当量刚度 F0部件运动时的静摩擦力 N 正压力,N=W/g=230kgf F 静摩擦系数，取 0.003-0.004 部件调整时，所需的最小进给量 则： 攀枝花学院本科毕业设计 6 传动系统刚度的讨论 15 F0=2300.004=0.92KGF A=0.5p=0.5m/STEP 即满足微量进给要求的传动系统刚度为: KF0/0.92/0.51.84Kgf/mm 结合上述传动系统刚度的讨论可知满足微量进给灵敏度所需要的刚度较小， 可以达到精度要求。 攀枝花学院本科毕业设计 7 消隙方法与预紧 16 7 消隙方法与预紧 7.1 消隙方法 数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩 的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要 求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。 齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随 误差甚至是轮廓误差。 对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常 采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧 间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。 7.1.1 偏心轴套调整法 如图 7.1，齿轮装在电动机轴上，调整偏心轴套可以改变齿轮和之 间的中心距，从而消除齿侧间隙。 1-齿轮 2-偏心套 3-齿轮 图 7.1 偏心轴套调整法 攀枝花学院本科毕业设计 7 消隙方法与预紧 17 7.1.2 锥度齿轮调整法 如图 7.2 所示将一对齿轮和的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿 轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片的厚度就能改变齿轮和的轴向相对 位置，从而消除齿侧间隙。 图 7.2 锥度齿轮调整法 7.1.3 双片齿轮错齿调整法 图 7.3 是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮 1 和 2 套装 一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱 3，用来安装 弹簧 4。装配时使弹簧 4 具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿 轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。 对比三种方案： 第一种需要经常的调整，对于本身就以提高效率为目标的数控机床而言肯 定不合适。 第二种是很不错的方案，但在切割机上并不实用。 第三种方案相比较而言在数控切割机上适用，而且不需要人为经常调整， 很适合数控机床的需要。 本设计方案选用第三种方法本设计方案选用第三种方法。 攀枝花学院本科毕业设计 7 消隙方法与预紧 18 图 7.3 双片齿轮错齿调整法 7.2 预紧 滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有两种。一种是单支承形式；另一种是 两端支承形式，本设计选用两端支承形式中的“双支点各单向固定”的支承方 式。该形式夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧，提高轴承的旋转精度，增加 轴承装置的刚性，减小机器工作时轴承的振动。预紧量由厂家提供。 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 19 单 片 机 I/O 口 扩展 驱 动 器 光 电 隔 离 功 率 放 大 X 轴电 机 纵向丝杠 存 储 器 扩 展 驱动器 Y 轴电 机 横向丝杠 Z 轴电机 Z 向丝杠 8 数控系统设计 8.1 确定机床控制系统方案 根据机械系统方案的要求，可以看出：对机械部分的控制只有进给系统的 步进电机的控制和工作台回转的步进电机控制。控制系统有微机的、有 PLC 的、 也有单片机的，这里采用的是开环控制系统，可以选择经济型的单片机控制系 统。另外，居然要控制，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。 其控制系统框图如图 8.1 所示： 图 8.1 控制系统框图 8.2 主要芯片配置 8.2.1 主要芯片选择 由于 89C51 芯片在性价比上比同类单片机高，加上 8031、8051 市场上已经 停产，所以选择 89C51 作为主芯片。 8.2.2 主要管脚功能 89C51 是 40 脚双列直插式芯片。主要管脚功能: 控制线片外存储器选择端，虽然 89C51 内有 4K 的 FLASH，但为EA 了方便接线和各程序的存放，故不使用内部程序存储器，这样接地，从外EA 部程序存储器读取指令。 外部程序存储器选通端,以区别读外部数据存储器。PSEN ALE地址锁存控制端,系统扩展时，ALE 控制 P0口输出的低八位地址 送锁存器储存，以实现数据和地址隔离。此外 ALE 以 l/6 晶振的固定频率输出 正脉冲,可作为外部时钟或定时脉冲。 RESET复位端,当输入的复位信号延续二个周期以上高电平，完成复 位初始化操作。 键 盘显示器 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 20 89C51 中 I/O 口的介绍 P0口外接存储器时，此口为扩展电路低八位地址和数据总线复用 口； Pl口用户使用的 I/O 口； P2口外接存储器时,作扩展电路高八位的地址总线； P3口双重功能口； P0P3口均为八位双向口。P0口可驱动 8 个 TTL 门电路，PlP3口只 能驱动四个 TTL 门电路。 时钟XTAL1 和 XTAL2，使用内部时钟时，二端接石英和微调电路；使 用外部时钟时，接外部时钟脉冲信号。 89C51 三总线结构： 地址总线 AB地址总线为 16 位，外部存储器直接寻址范围为 64KB，地 址总线由 P0口经地址锁存器，提供八位 A0-A7，高八位 A8A15由 P2 口直接提供。 数据总线 DB数据总线为 8 位，自 P0口直接提供。, 控制总线 CB由 P3口第二功能控制线、ALE、RESET 组成。EAPSEN 8.2.3 EPROM 的选用 为简化电路，此处选用 2764EPROM (8K*8 位)。 本设计采用二片 2764EPROM，分别存放监控程序,各功能模块程序,常用零 件加工程序。以便于更换各功能模块程序和零件加工程序时，只需更换各自芯 片即可，方便升级。 2764 芯片主要引脚功能: A0A12 13 位地址线 D0D7 数据输出线 数据输出允许信号OE 编程控制信号，用于引入编程脉冲PGM 片选信号CE 2764 主要工作方式: 读方式及为低电平，Vpp5V 时处于读出方式OECE 写方式为低电平, 亦为低电平，VPP21V, 为高电OEPGMCE 平时，2764 芯片处于禁止状态。将数据线上数据固化到指定地址单元。 编程禁止方式一此为向多片 2764 写入不同程序而设置的，当 VPP=+21V 时，为高电平时，2764 芯片处于编程禁止状态。CE 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 21 8.2.4 RAM 的选用 数据存储器 RAM 通常采用 MOS 型，MOS 型 RAM 分静态、动态两种。动态 RAM 集成度高，功耗小，成本低，但控制逻辑复杂，需要定期刷新,尤其是容易受到 干扰，对环境、结构、电摞等都有较高的要求。对实时控制系统而言,可靠是第 一位的,此处选用大容量静态 RAM6264(8K*8 位)一片。 6264 主要引脚功能： A0A12 13 位地址线 IO1IO7 数据输入输出线 数据输出允许信号OE 写选通信号WE 片选信号CE 6264 主要工作方式: 读方式及为低电平，为高电平时，6264 将数据输出到指OECEWE 定地址。 写方式为低电平，亦为低电平时,允许数据输入。CEWE 封锁方式为高电平时，该芯片没被选通，不工作。CE 8.2.5 89C51 存储器及 I/O 的扩展 可编程接口芯片是指其工作方式可由与之对应的软件命令来加以改变的接 口芯片。这类芯片一般具有多种功能，使用灵活方便，使用前必须由 CPU 对其 编程设定工作方式，然后按设定的方式进行操作。 8155 可编程并行 I/O 接口具有功能强，价格便宜，且具有与 MCS-51 单片 机配置简单、方便等优点。是单片机应用系统最常用的外部功能扩展器件之一。 (1)存储器与单片机联接，主要是通过三总线联接。应考虑总线的驱动能力 是否足够。存储器 2764、6264 存储量均为 8K，需 13 位地址进行存储单元选择， 将 A0A7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接，将 A8A13脚与 89C51 的 P2 口 P2.0-P2.4相联接，其余地址线经 P2.5P2.7经译码产生片选信号。数据线联接 将存储器数据输出端 D0Dl与 89C51P0 口联接。控制线 89C51 与 2764PSEN 相联，89C51 从外部 EPROM 取指令。、 分别与 6264、相CEWRRDWEOE 联，89C51 对外部 RAM 进行读/写。 (2)8155 许多信号与 89C51 兼容，可直接联接，因 8155 内部已有锁存器， 因此 8155 数据地址复合线 AD0一 AD7与 89C51P0口直接相联。地址锁存信号 ALE 与 89C51ALE 相联。片选信号经译码后产生，以高位地址 P2.0直接作为 IO/CE 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 22 信号，此时对 8155 需要使用 16 位地址进行编址。M 8155 的结构框图及引脚排列见图 8.2。 图 8.2 8155 引脚及内部结构 8.2.6 8155 工作方式查询 8155I/O 工作方式选择通过对 8155 内部命令寄存器（命令口）设定命令控 制字实现。命令寄存器格式及对应的工作方式见下图 8.3。 8155I/O 有四种工作方式，即 ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符号说明如 下： AINTR：A 口中断，请求输入信号，高电平有效。 BINTR：B 口中断，请求输入信号，高电平有效。 ABF（BBF）：A 口（B 口）缓冲器满状态标志输出线， （缓冲器有数据时 BF 为高电平） 。 ASTB（BSTB）：A 口（B 口）设备选通信号输入线，低电平有效。 在 ALT1ALT4 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 口为基本输入/输出，C 口为输入方式。 ALT2：A 口，B 口为基本输入/输出，C 口为输出方式。 ALT3：A 口为选通输入/输出，B 口为基本输入/输出。PC0 为 AINTR，PC1 为 ABF，PC2 为，PC3PC5 为输出。ASTB ALT4：A 口、B 口为选通输入/输出。PC0 为 AINTR，PC1 为 ABF，PC2 为 ，PC3 为 BINTR，PC4 为 BBF，PC5 为。ASTBBSTB 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 23 00：空操作 01：停止计数 10：时间到则停止计数 11：置入工作方式和计数 长度后立即启动计数，若 正在计数，溢出后按新的 方式和长度计数 0：禁止B口中断 1：允许B口中断 0：禁止A口中断 1：允许A口中断 定义端口A 0：输入 1：输出 定义端口B 0：输入 1：输出 定义端口C 00：ALT1、A口、B口基本输入输出，C口输入 01：ALT1、A口、B口基本输入输出，C口输出 10：ALT3，A口选通输入输出，B口基本输入输出 PC0：AINTR PC1：ABF PC2：ASTB PC3PC5：输入输出 PC0：AINTR PC1：ABF PC2：ASTB PC3：BINTR PC4：BBF PC5：BSTB 图 8.3 命令寄存器格式 8.2.7 状态查询 8155 还有一个状态寄存器，用于锁存 I/O 口和定时器的当前状态，供 CPU 查询用。其格式如图 8.4： 状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，命令寄存器只能写入不能读出， 而状态寄存器只能读出不能写入。所以可以认为，CPU 读该地址时，作为状态 寄存器，读出的是当前 I/O 口和定时器的状态，而写该地址时，则作为命令寄 存器对 I/O 口工作方式的选择。 8.2.8 8155 定时功能 8155 芯片内有一个 14 位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。外部 有两个定时器引脚 TINEIN 和 TIMEOUT。TINEIN 为定时器时钟输入，有外部输 入时钟脉冲，TIMEOUT 为定时器输出，输出各种信号脉冲波形。定时器的格式、 输出波形见图 8.5。 由上图可见，定时器的低 8 位和高 6 位计数器定时是出方式由 04H、05H 寄 存器确定。对定时器编程时，首先将计数器及定时器方式送入定时器口， （定时 器的低 8 位和高 6 位，定时器方式 M）04H，05H。计数常数在 002H3FFF 之间。 计数器的起动和停止由命令寄存器的最高两位 TM2 和 TM1 决定。但何时读都可 以置定时器的长度和工作方式，然后必须将起动命令写入命令寄存器。既使计 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 24 数器已经计数，在写入起动命令后，仍可改变定时器的工作方式。 A 口中断标志请求 A 口缓冲器满空标志 A 口中断允许标志 B 口中断标志请求 B 口缓冲器满空标志 B 口中断允许标志 定时器中断标志，定时器计数到 指定长度置“ 1”，读状态后清“0” 图 8.4 状态寄存器格式 M2 M1 方 式定时器输出波形 0 0 单方波 0 1 连续方波 1 0 单脉冲 1 1 连续脉冲 图 8.5 8155 定时器方式及输出波形 8.2.9 芯片地址分配 89C51 支持的存储芯片，程序存储器与数据存储器单独编址，EPROM 与 RAM 地址分配较为自由,不必考虑会发生冲突,因 89C51 复位后,从 0000H 开始，内部 程序存储器空间为 0000H-0FFFH，外部 2 片 2764 芯片地址分别为 0C000H- 0DFFFH，8000H-9FFFH。89C51 内部数据存储器空间为 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) 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 25 /IO0 时，8155(1)内部 RAM 地址范围 E000H-E0FFHM /IO1 时，端口地址：控制口：E100H；PA 口：E101H；PB 口：M E102H；PC 口：E103H； 定时器低八位：E104H；定时器高八位：E105H 2#8155 芯片地址(假定未用地址用“0“表示) /IO0 时，8155(1)内部 RAM 地址范围 0A000H-0A0FFHM /IO1 时，端口地址：控制口：0A00H；PA 口：0A01H；PB 口：M 0A02H；PC 口：0A03H； 定时器低八位：0A04H；定时器高八位：0A05H 8.3 键盘设计 8.3.1 键盘定义及功能 控制面板上布置 5 个控制键，33 个功能数字键。其中 8 个键有双重功能， 由 SHIFT 键转换，按下 SHIFT 键，上档键有效。 5 个控制键各功能如下： 急停键运行时按该键，程序立即停止运行。 暂停键运行时按下该键，执行完本程序段后，停止执行下一程序段， 等待处理，此为硬件暂停。 恢复运行键处于急停或暂停时，接下该键程序继续执行。用 M00 实行 软件暂停时，恢复运行也需要按该键。 复位键编程或运行前，清除内存中的随机数。 对中心键钼丝自动找准预定的中心位置(原点)。 30 个功能数字键包括数字键“09” ，负号“” ，程序开始字“%” ，程序 段结束字“LF” ，序号字“N” ，准备功能字“G” ，辅助功能字“M” ，速度功能 字“F” ，主轴速度功能字“S” ，坐标功能字“X、Y、Z、I、J、W” 。编辑键三 个：DEL/INS删除/插入程序段键，DISP/ZOOMDISP 显示程序全段内容， ZOOM 使加工图形按比例缩放，预置为 1，COPY程序段复制，IDX可设定 某一程序段为起割点，单步步进电机走一拍就停止工作，回零钼丝重新置 于起点，运行加工开始确认。 8.3.2 键盘程序设计 本设计采用非编码式矩阵式键盘，1#8155 为键盘接口，按五行六列布线。 PA0PA4为行线，PC0PC5为列线。 A 口为输出口，C 口为输入口，按键盘 列线，每个键对应一个键码，根据键码转至相应键处理子程序。常用键识别方 法有扫描法和线翻转法。本设计采用扫描法。其原理是：一条列线为低电平， 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 26 若此列线上已闭合键，则各行线状态都为高电平，然后按行号、列号求得闭合 键键码。 定义各行首键号为 00H、06H、0CH、12H、18H，键码=行号列号。键号键功 能对应表 8.1 表 8.1 键号键功能对应 键号00H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H1E 功能09 LF % NGMFS X Y Z 键号13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1F 功能 I J DELCOPY ZOOM DISP IDX 纸带 穿孔 单步回零运行SHIFT W 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 27 返回监视 行值左移一位 扫完一遍 列值 列值 窜键 （）01 加“1“ 窜键标志加“1“ 被按键 列值3在本行 对 口行扫描 延时20抖动窜键标志送 有键按下 （列值3） 全“1“（3FH）送C口 关显示 图 8.6 键盘扫描程序流程图 攀枝花学院本科毕业设计 8 数控系统设计 28 查到关键字 键值送 求键值子程序 行序号加1 键值计数器加1送 行序号初值0送 行值右移一位 行值 行序号左移四位 行列值低四位相加得 关键字 图 8.7 求键值子程序 键盘扫描子程序键盘扫描子程序 ORG 0500H SCAN:MOV A,#00H MOV D