YM-1212多功能数控激光切割机设计【含全套CAD图纸】【答辩毕业资料】

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摘要

激光（LASER）是上世纪60年代发明的一种光源，激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性材料以及精密细复杂的零件，因而数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。
本文设计了一台单片机控制的数控激光切割机床，主要完成了：机床整体结构设计，Z轴、XY轴的结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算；以89C51为主控芯片的数控系统硬件电路设计、系统初始化设计及系统软件方案设计和步进电机的控制程序设计。

关键词 CNC，激光切割机床，结构，设计

ABSTRACT

Laser (LASER) is the invention of the last century, 60 years as a light source, the original Chinese name of laser is called "laser", "les" is that it is a transliteration of the English name of LASER is from the English Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation each word consisting of the head of a letter acronym, meaning "light amplification by stimulated emission of radiation." Laser full name in English has been completely expressed by the main process of manufacturing the laser. 1964, according to China's famous scientist Qian suggested that "light by stimulated emission," renamed "laser."
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, architecture, design

摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT…………………………………………………………………………………… Ⅱ

1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2设计任务 2
1.3总体设计方案分析 2
2 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计 4
2.1 XY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
2.2 Z轴随动系统设计 5
3 滚珠丝杠传动系统的设计计算 6
3.1 强度计算 6
3.2 滚珠丝杠副的传动效率 6
4 直线滚动导轨的选型 8
5 步进电机及其传动机构的确定 9
5.1 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
5.2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 10
5.3步进电机惯性负载的计算 11
6 传动系统刚度的讨论 13
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 13
6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 13
7 消隙方法与预紧 15
7.1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
7.2预紧 17
8 数控系统设计 18
8.1 确定机床控制系统方案 18
8.2 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
8.3 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
8.4 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
8.5 插补原理 30
8.6光电隔离电路 31
8.7越界报警电路 31
8.8总体程序控制 31
8.8.1流程图 32
8.8.2总程序 30
9 步进电机接口电路及驱动 34
结论 38
参考文献 39
致谢 40

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，它被称之为“希望之光”。激光被用于很多领域，传递信息：1977年5月，美国有一家大公司叫电报电话公司，它在芝加哥市内的两个电话局之间，敷设了世界上第一条短距离的光导纤维通信线路，此后在全美国近百个地方建立了总长几百千米的短距离激光

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内容简介：: 毕业设计设计（论文）题目：YM-1212多功能数控激光切割机姓名：专业：指导教师： 2009年月日摘要激光（LASER）是上世纪60年代发明的一种光源，激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性材料以及精密细复杂的零件，因而数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。本文设计了一台单片机控制的数控激光切割机床，主要完成了：机床整体结构设计，Z轴、XY轴的结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算；以89C51为主控芯片的数控系统硬件电路设计、系统初始化设计及系统软件方案设计和步进电机的控制程序设计。关键词 CNC，激光切割机床，结构，设计ABSTRACT Laser (LASER) is the invention of the last century, 60 years as a light source, the original Chinese name of laser is called laser, les is that it is a transliteration of the English name of LASER is from the English Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation each word consisting of the head of a letter acronym, meaning light amplification by stimulated emission of radiation. Laser full name in English has been completely expressed by the main process of manufacturing the laser. 1964, according to Chinas famous scientist Qian suggested that light by stimulated emission, renamed laser. 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 Chinas 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 motors controlling program.Key words CNC, laser cutting machine tools, architecture, designI目录摘要ABSTRACT1 绪论11.1课题背景11.2设计任务21.3总体设计方案分析22 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计42.1 XY工作台的设计42.1.1主要设计参数及依据42.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析42.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量42.2 Z轴随动系统设计53滚珠丝杠传动系统的设计计算63.1 强度计算63.2 滚珠丝杠副的传动效率64 直线滚动导轨的选型85 步进电机及其传动机构的确定95.1 步进电机的选用95.1.1 脉冲当量和步距角95.1.2步进电机上起动力矩的近似计算95.1.3确定步进电机最高工作频率105.2齿轮传动机构的确定105.2.1传动比的确定105.2.2齿轮结构主要参数的确定105.3步进电机惯性负载的计算116 传动系统刚度的讨论136.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度136.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度137 消隙方法与预紧157.1消隙方法157.1.1偏心轴套调整法157.1.2锥度齿轮调整法167.1.3双片齿轮错齿调整法167.2预紧178 数控系统设计188.1 确定机床控制系统方案188.2 主要芯片配置188.2.1主要芯片选择188.2.2 主要管脚功能188.2.3 EPROM的选用198.2.4 RAM的选用208.2.5 89C51存储器及I/O的扩展208.2.6 8155工作方式查询218.2.7状态查询228.2.8 8155定时功能228.2.9 芯片地址分配238.3 键盘设计248.3.1键盘定义及功能248.3.2 键盘程序设计248.4 显示器设计288.4.1显示器显示方式的选用288.4.2显示器接口298.4.3 8155扩展I/O端口的初始化298.5 插补原理308.6光电隔离电路318.7越界报警电路318.8总体程序控制318.8.1流程图328.8.2总程序309 步进电机接口电路及驱动34结论38参考文献39致谢401 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，它被称之为“希望之光”。激光被用于很多领域，传递信息：1977年5月，美国有一家大公司叫电报电话公司，它在芝加哥市内的两个电话局之间，敷设了世界上第一条短距离的光导纤维通信线路，此后在全美国近百个地方建立了总长几百千米的短距离激光通信线路。这就意味着在短距离内，激光通信已开始取代普通的电气通信。到了1983年，美国纽约到波士顿之间长达600千米的光导纤维通信已投入使用；材料加工：钻孔、切割、焊接以及淬火，是加工金属材料时最常用的操作。自从引进了激光后，在加工的强度、质量以及范围等方面开创了全新的局面。除了金属材料外，激光还能加工许多非金属材料；激光武器：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。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。1.2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，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。1.3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。X向工作台控制器驱动器步进电机步进电机驱动器Y向工作台图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。32 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+11762301N2.2 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。图2.1 Z轴随动机构413 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，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 2504-3/490500Y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（3.1）式中F 切削力，F=0W工件重量加工作台重量 W=2301NU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（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）式中:Ph导程，4mmd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/sfffff0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136175094343433092352172001431361221161020550480450.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206515435094173433092522352172001471401291221090.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310127587245435094003433092522352172001430.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0551027587245435094003433090.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.07010459057586515495094344004 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（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（5.2）=920.025/2tg（2.91+0.14）=0.062NmM2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：式（5.3）式中: K预紧时的摩擦系数，0.10.3 Ph导程，4cmFao预紧力，有：Fao=Fao1+Fao2取Fao1=0.04Ca=0.04 1600=640NFao2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（5.4）=360Mp /Ph 式中: p =lm/STEP=0.0001cm/STEP；M= M1+ M 2= 0.16N=0.36o/STEPq=0.85Ph0.4cm0.953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 Nm5.1.3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/cm25.2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（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：=0.364/3600.001=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）=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（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eJ1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（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（5.9）最后计算可得：J1=0.110-3Kg. m2J2=1.3210-3Kg. m2J3=2.9810-4Kg. m2J4=1.1410-5Kg. m2Vm=12 m/sD=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。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（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=230kgfF 静摩擦系数，取0.003-0.004 部件调整时，所需的最小进给量则：F0=2300.004=0.92KGFA=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。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。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。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：存储器扩展光电隔离驱动器I/O口扩展单片机功率放大X轴电机Y轴电机Z轴电机驱动器横向丝杠Z向丝杠纵向丝杠显示器键盘图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。 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。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。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编程控制信号，用于引入编程脉冲片选信号2764主要工作方式:读方式及为低电平，Vpp5V时处于读出方式写方式为低电平, 亦为低电平，VPP21V, 为高电平时，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。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写选通信号片选信号6264主要工作方式:读方式及为低电平，为高电平时，6264将数据输出到指定地址。写方式为低电平，亦为低电平时,允许数据输入。封锁方式为高电平时，该芯片没被选通，不工作。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2764相联，89C51从外部EPROM取指令。、分别与6264、相联，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/信号，此时对8155需要使用16位地址进行编址。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。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。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。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-7FFFH1#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 E000H-E0FFH/IO1时，端口地址：控制口：E100H；PA口：E101H；PB口：E102H；PC口：E103H；定时器低八位：E104H；定时器高八位：E105H2#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-0A0FFH/IO1时，端口地址：控制口：0A00H；PA口：0A01H；PB口：0A02H；PC口：0A03H；定时器低八位：0A04H；定时器高八位：0A05H8.3 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，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09NGMFS键号13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1F功能DELCOPYIDX单步回零运行SHIFT图8.6 键盘扫描程序流程图图8.7 求键值子程序键盘扫描子程序ORG 0500HSCAN:MOV A,#00HMOV DPTR, #E101HMOVX DPTR, AMOV A #3FHMOV DDPTR, #E103HMOVX #DPTR, AMOV DPTR, #E102HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE3 A, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4NEXT1: 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求键值子程序ORG 0560HKCODE：MOV R1，#00HMOV A， R3CLR CLOOP： RRC AJZ NEXT1INC R1SJMP LOOPNEXT1：MOV A， R1SWAP AMOV R1，AMOV A， R4ANL A， #0FHORL A， R1MOV 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 8.4 显示器设计8.4.1显示器显示方式的选用程序输入时，涉及数字键及N、G、M等功能键。采用控制简单，价格低廉的LED显示器。因数控程序较长，显示数据较多，一次把整条指令内容全显示出来很不经济。采用段显示法，即依次显示X、Y 、I 、J等数据，一条指令显示完，再显示下一条指令。以减少LED数量。系统分辨率为1m，最大控制长度为1m，需6位显示器才能满足要求，再加上一位符号位，须7位LED，为清晰显示N、G、X、Y符号，符号位用一位米字显示。显示器显示方式有静态、动态两种。本设计采用动态扫描法，即逐个点亮各位显示器，因视觉残留效应，效果与全部显示器持续点亮一样。8.4.2显示器接口为实现显示器动态扫描，对显示器提供字形代码输入及显示位控制，因此显示器接口需有字形和字位控制。89C51P0口输出BCD码，通过驱动器、锁存器输出字形到LED，构成传送电路。图8.8 键盘与显示系统电路8.4.3 8155扩展I/O端口的初始化由上图的硬件连接得到8155初始化程序：8155有关地址寄存器端口地址为:100H 命令字寄存器104H 定时器低字节105H 定时器高字节相应初始化程序为:ORG 0A00HMOV DPTR,#100HMOV A,#7HMOVX R0,AEND因为P3.3接行程开关,处于高优先级，所以IP、IE初始化为：SETB PX0 SETP PX1CLR PT0CLR PT1CLR PSSETB EX0SETB EX1SETB ET0SETB ET1SETB ESCLS ET2SETB EAPSW、TCON、TMOD初始化：MOV PSW #00HSETB IT0SETB IT1 SETB IE0SETB IE1SETB TR0SETB TR1TMOD工作在方式2，所以初始化为： MOV TMOD #66H8.5 插补原理插补是对直线、圆弧等低次方程曲线的一种逼近方式。通过计算使沿坐标方向的折线所构成的图形与加工图形间的误差保持在允许的范围内。常用的方法有逐点比较法、积分法。本设计选用逐点比较法。逐点比较法工作原理：在控制过程中，逐步计算，判别折线运动与要求轨迹之间的偏差，决定下一步的进给方向。用步进电机控制工作台沿某一方向进给一步。一个插补由四个节拍组成，即偏差判别，进给，偏差计算，终点计算。无论是直线插补、顺圆插补、逆圆插补都遵守这样的四步原则。8.6光电隔离电路在实际电路中，模拟信号与数字信号之间有一个强电干扰的问题。光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。故在系统电路设计时，应该注意输入信号电路与单片机连接时的隔离。在这里，采用光电藕合是最常用的方法。光电耦合器具有三个特点：信号传递采取电-光-电的形式，发光部分和受光部分不接触，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰，抑制噪声干扰能力强；具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般为数以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10ns。在系统图示中，模拟地用AGND表示，而数字地用DGND表示，以示区别。光藕电路原理图8.9。 VCC1 VCC2R1 R211GND 图8.9 光藕电路原理图8.7越界报警电路为防止工作台行程越界，设置限位开关，本设计中有四个限位开关，对应于四种越界可能。，一旦越界，立即发出越界信号，启动中断方式，停止工作台的移动。等待处理。并发出红灯报警。在正常工作时，则是绿灯亮。两灯均由8155PB4口控制。8.8 总体程序控制8.8.1流程图8.8.2总程序 ORG 0000HAJMP MAIN ORG 0003HLJMP INT0ORG 000BHLJMP T0ORG 0013HLJMP INT1MAIN：MOV A，#00H MOV R0, #00H MOV 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 CHULI9 步进电机接口电路及驱动本设计选用五相步进电机M56853S，工作方式为2细分工作方式，并选择2CK输入工作方式。步进电机由驱动器RD-0534M驱动。而单片机控制驱动器启动和停止及正反转。驱动步进电机的脉冲按顺序供给电机各相，脉冲发生由驱动器内部自动产生，并且具有各种系统保护。RD-0534M驱动器的主要控制端有：顺时方向控制端CW；逆时方向控制端CCW；运行方式控制端4PIN，所需联接控制信号由2#8155PB口控制。X、Y向步进电机各用一个驱动器控制，电机以五相方式工作。由于RD-0534M驱动器具有良好的工作性能，并且又具有较强的保护功能，所以系统工作比较稳定。单片机控制RD-0534M工作时有一个脉冲电流的要求，故在两者之间加了控制三极管。以满足控制要求。图9.1 硬件连接图单片机实现步进电机控制主要在于脉冲分配，实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。这里通过单片机发出信号经过环形分配器驱动放大直接控制，需要采用软件实现脉冲分配。横向进给采用五相十拍步进电机，五相十拍工作方式通电换相的正序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。如果P1.4-P1.0输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P1.7-P1.5三相六拍步进电机，设为1（即五相十拍步进电机工作，三相六拍步进电机不工作），控制则可用10个控制字来对应这10个通电状态。这10个控制字如表9.1所列。9.1 状态控制字通电状态P1.4(E)P1.3(D)P1.2(C)P1.1(B)P1.0(A)控制字AB11001FCHABC11000F8HBC11001F9HCBD10001F1HCD10011F3HCD

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