数控十字工作台设计（有全套图纸） .pdf

本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 目目 录录 第一章第一章绪论绪论 1 1 1 数控十字工作台概述 1 1 2 数控十字工作台的应用 1 1 3 设计任务 1 1 4 总体设计方案分析 2 第二章第二章机械部分机械部分 xy 工作台及工作台及 z 轴的基本结构设计轴的基本结构设计 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 第三章第三章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 7 3 1 滚珠丝杠副导程的确定 7 3 2 滚珠丝杠副的传动效率 7 第四章第四章直线滚动导轨的选型直线滚动导轨的选型 9 第五章第五章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 11 5 1 步进电机的选用 11 5 1 1 脉冲当量和步距角 11 5 1 2 步进电机上起动力矩的近似计算 11 5 1 3 确定步进电机最高工作频率 12 5 2 齿轮传动机构的确定 12 5 2 1 传动比的确定 12 5 2 2 齿轮结构主要参数的确定 12 5 3 步进电机惯性负载的计算 13 第六章第六章传动系统刚度的确定传动系统刚度的确定 15 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 15 6 2 根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 15 第七章第七章消隙方法与预紧消隙方法与预紧 17 7 1 消隙方法 17 7 1 1 偏心轴套调整法 17 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 7 1 2 锥度齿轮调整法 18 7 1 3 双片齿轮错齿调整法 18 7 2 预紧 19 第八章第八章控制系统设计控制系统设计 20 8 1 确定机床控制系统方案 20 8 2 主要硬件配置 20 8 2 1 主要芯片选择 20 8 2 2 主要管脚功能 20 8 2 3 eprom 的选用 21 8 2 4 ram 的选用 22 8 2 5 89c51 存储器及 i o 的扩展 22 8 2 6 8155 工作方式查询 23 8 2 7 状态查询 24 8 2 8 8155 定时功能 25 8 2 9 芯片地址分配 26 8 3 总体程序控制 27 8 3 1 流程图 27 8 3 2 总程序 27 8 4 键盘设计 28 8 4 1 键盘定义及功能 28 8 4 2 键盘程序设计 29 8 5 显示器设计 33 8 5 1 显示器显示方式的选用 33 8 5 2 显示器接口 34 8 5 3 8155 扩展 i o 端口的初始化 34 8 6 插补原理 35 8 7 光电隔离电路 35 8 8 越界报警电路 36 第九章第九章步进电机接口电路及驱动步进电机接口电路及驱动 39 第十章第十章总总 结结 40 致致 谢谢 41 参考文献参考文献 42 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 第一章 绪论 1 11 1 数控十字工作台数控十字工作台概述概述 数控十字工作台 十五 的主要工作是促进加工产业的发展 保持年产值 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 已成为发展的一个重要趋势 1 21 2 数控十字工作台数控十字工作台的应用的应用 数控十字工作台是光 机 电一体化高度集成设备 科技含量高 与传统机 加工相比 数控十字工作台的加工精度更高 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 1 31 3 设计任务设计任务 本次设计任务是设计一台单片机 89c51 主控芯片 控制数控十字工作台床 主要设计 对象是 xy 工作台部件及 89c51 单片机控制原理图 而对数控十字工作台其他部件如冷水机 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 41 4 总体设计方案分析总体设计方案分析 参考数控数控十字工作台的有关技术资料 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 图图 1 1系统总体原理图系统总体原理图 微机控制线路图参考 mcs 51 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 t 480ns 常用 eprom 读取时间约为 200 450ns 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 tr 660ns 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 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 第二章机械部分 xy 工作台及 z 轴的基本结构设计 2 12 1 xyxy 工作台的设计工作台的设计 2 1 1 主要设计参数及依据 1 设计可沿 x 向和 y 向数控运动的工作台 2 数控运动驱动力源可以采用步进电机或交流伺服电机驱动 但是所选电 机必须与该电机生产厂所列技术数据一致 3 工作台尺寸 400 250mm x y 4 工作台工作行程为 300 150mm x y 5 脉冲当量 x 向 0 01mm 脉冲 y 向 0 01mm 脉冲 6 x y 向最高工作进给速度 300mm min 7 x y 向最高空载快进速度 700mm min 8 x y z 向切削负载为 2000 2000 1000n 9 工件最大重量 包括夹具 为 150kg 10 工作寿命每天 8 小时 连续工作 5 年 250 天 年 2 1 2 xy 工作台部件进给系统受力分析 因机床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 材料为 ht200 估重为 625n w1 设中托座 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 则下托座导轨副所承受的最大负载 w 为 w w1 w2 w3 g 665 250 250 1176 2301n 2 22 2 z z 轴随动系统设计轴随动系统设计 数控十字工作台对 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高度 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 一般来说 普通数控数控十字工作台 z 轴拖动重量在 5kg 以上时 应 采用重力平衡设施 而高性能数控数控十字工作台的 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 第三章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 3 490 500 y 向 ffzd 2504 3 500 1100 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 13 1 滚珠丝杠副导程的确定滚珠丝杠副导程的确定 轴向负荷计算公式 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 a f 0 004 2301 92n 数控十字工作台滚珠丝杠是在低速条件下工作的 故本处的 go 0 2 0 3 a f 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 23 2 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率 滚珠丝杠副的传动效率为 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 hrc 45 所以 4 00 tg 0 0025 因为 arctg ph d 3 3 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 式中 p h 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 表表 3 13 1当量摩擦系数当量摩擦系数f f 和当量摩擦角和当量摩擦角 齿圈材料锡 青 铜无锡青铜灰铸铁 齿面硬度hrc 45其它hrc 45hrc 45其它 相对速度 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 第四章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 20 30 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 2500 4 y 向选用 ggb20ab2p 21100 4 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 图图 4 14 1直线滚动导轨直线滚动导轨 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 第五章步进电机及其传动机构的确定 5 15 1 步进电机的选用步进电机的选用 5 1 1 脉冲当量和步距角 已知脉冲当量为 1 m step 而步距角越小 则加工精度越高 初选为 0 36 o 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 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 1 2 a mfdtg 5 2 92 0 025 2 tg 2 91 0 14 0 062n m m2为内部预紧所产生的摩擦扭矩 有 2 2 aoh mkfp 5 3 式中 k 预紧时的摩擦系数 0 1 0 3 ph 导程 4cm fao 预紧力 有 fao fao1 fao2 取 fao1 0 04 ca 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 fao2 130n 故 根据式 5 3 m2 0 098 n m 齿轮传动比公式为 i ph 360 p 故步进电机输出轴上起动矩 近似地可估算为 q tm i 5 4 360 m p ph 式中 p l m step 0 0001cm step m m1 m2 0 16n 0 36 o step 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 q 0 85 ph 0 4cm 0 953 则根据式 5 4 tq 360 0 16 0 0001 3 6 0 85 0 4 0 4 n m 因 tq tjm 0 866 因为电机为五相运行 则步进电机最大静转 矩 tjm tq 0 866 0 46 n m 5 1 3 确定步进电机最高工作频率 参考有关数控数控十字工作台床的资料 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 n m 转动惯量为 235g cm2 5 25 2 齿轮传动机构的确定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 l m step 的设计要求 必须通过齿轮机构进行分度 其 传动比为 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 i 0 36 4 360 0 001 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 m 1 齿轮传动侧 隙的消除 中心距的计算 a m z1 z2 5 6 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 35 3 步进电机惯性负载的计算步进电机惯性负载的计算 由资料知 数控十字工作台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 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 j0 0 忽略不计 mn 112 5kg 齿轮惯性转矩计算公式 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 j rld 32 5 9 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 最后计算可得 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 故惯性负载根据式 5 7 得 jd j0 j1 zl z2 j2 j3 j4 vm d 2 mn 17 3 kg cm2 此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 第六章传动系统刚度的分析 数控十字工作台 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 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 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 3 3 10 o keflkgfmm 式 6 1 式中 e 2 06 10 4 kgf mm2 f 754 8mm 2 l ls 250 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 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 此时传动系统的刚度应满足 k f0 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 则 f0 230 0 004 0 92kgf a 0 5 p 0 5 m step 即满足微量进给要求的传动系统刚度为 k f0 0 92 0 5 1 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 第七章消隙方法与预紧 7 17 1 消隙方法消隙方法 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 图图 7 17 1偏心轴套调整法偏心轴套调整法 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 图图 7 27 2 锥度齿轮调整法锥度齿轮调整法 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 图图 7 37 3双片齿轮错齿调整法双片齿轮错齿调整法 7 27 2 预紧预紧 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 第八章控制系统设计 8 18 1 确定机床控制系统方案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 图图 8 18 1控制系统框图控制系统框图 8 28 2 主要硬件配置主要硬件配置 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ea 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ea接地 从外部程 序存储器读取指令 psen 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 键盘显示器 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 p0 p3口均为八位双向口 p0口可驱动 8 个 ttl 门电路 pl p3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 a8 a15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ea psen 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 a0 a1213 位地址线 d0 d7数据输出线 oe数据输出允许信号 pgm编程控制信号 用于引入编程脉冲 ce片选信号 2764 主要工作方式 读方式 oe及ce为低电平 vpp 5v 时处于读出方式 写方式 oe为低电平 pgm亦为低电平 vpp 21v ce为高电平 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 ce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 a0 a1213 位地址线 io1 io7数据输入输出线 oe数据输出允许信号 we写选通信号 ce片选信号 6264 主要工作方式 读方式 oe及ce为低电平 we为高电平时 6264 将数据输出到指 定地址 写方式 ce为低电平 we亦为低电平时 允许数据输入 封锁方式 ce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 a0 a7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接 将 a8 a13脚与 89c51 的 p2口 p2 0 p2 4相联接 其余地址线经 p2 5 p2 7经译码产生片选信号 数据线联接将存储 器数据输出端 d0 dl与 89c51p0 口联接 控制线 89c51psen与 2764ce相联 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 89c51 从外部 eprom 取指令 wr rd分别与 6264we oe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ce经译码后产生 以高位地址 p2 0直接作为 io m 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 图图 8 28 28155 引脚及内部结构引脚及内部结构 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 alt1 alt4 的不同方式下 a 口 b 口及 c 口的各位工作方式如下 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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astb pc3 pc5 为输出 alt4 a 口 b 口为选通输入 输出 pc0 为 aintr pc1 为 abf pc2 为astb pc3 为 bintr pc4 为 bbf pc5 为bstb 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 pc3 pc5 输入输出 pc0 aintr pc1 abf pc2 astb pc3 bintr pc4 bbf pc5 bstb 图图 8 38 3 命令寄存器格式命令寄存器格式 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 002h 3fff 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 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 图图 8 48 4状态寄存器格式状态寄存器格式 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 m2m1方式定时器输出波形 00单方波 01连续方波 10单脉冲 11连续脉冲 图图 8 58 581558155 定时器方式及输出波形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 m io 0 时 8155 1 内部 ram 地址范围e000h e0ffh m io 1 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 e105h 2 8155 芯片地址 假定未用地址用 0 表示 m io 0 时 8155 1 内部 ram 地址范围0a000h 0a0ffh m io 1 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 0a05h 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 8 38 3 总体程序控制总体程序控制 8 3 1 流程图 开始 关中断 初始化 清数据区 读键 开中断 键处理 工作方式判别 编子程序 调试子程序 编程调试 键盘扫描子程序 求键值子程序 8 3 2 主程序 org0000h ajmpmain org0003h 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 ljmpint0 org000bh ljmpt0 org0013h ljmpint1 main mova 00h movr0 00h movdptr 2000h xunhuan movx dptr a incdptr incr0 cjner0 0ffh xunhuan incr1 cjner2 0ffh xunhuan movsp 60h setbpx0 setbex0 setbex1 setbea we ajmpwe gongzuo lcallqiujian lcallxianshi lcallchuli 8 48 4 键盘设计键盘设计 8 4 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 0 9 负号 程序开始字 程序 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 zoom disp 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 4 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 pa0 pa4为行线 pc0 pc5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 表表 8 1键号键功能对应键号键功能对应 键号00h 09h0ah0bh0ch0dh0eh0fh10h11h12h1e 功能0 9 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 图图 8 68 6 键盘扫描程序流程图键盘扫描程序流程图 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 图图 8 7 求键值子程序求键值子程序 键盘扫描子程序键盘扫描子程序 org 0500h scan mov a 00h mov dptr e101h movx dptr a mov a 3fh mov ddptr e103h movx dptr a mov dptr e102h movxa dptr anl a 1fh cjne3 a 1fh next1 sjmp next4 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 next1 acall ds20ms clrc mov r2 00h mov r1 01h loop inc dptr mov a r1 movx dptr a mov dptr 8002h movx a dptr anla 1fh cjnea 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 求键值子程序求键值子程序 org 0560h kcode mov r1 00h mov a r3 clr c loop rrca jznext1 inc r1 sjmp loop 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 58 5 显示器设计显示器设计 8 5 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 1 m 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 本科毕业设计 论文 通过答辩 优秀论文设计 答辩无忧 值得下载 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 5 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 bc