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机械毕业设计全套

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JX04-167@数控十字工作台设计,机械毕业设计全套

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数控十字工作台设计 一、 设计 主要技术要求 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 11、进给机械系统均采用滚动 （珠） 丝杠 副 和滚动 （珠） 导轨副； 12、 所设计的工作台应结构合理、 设计参数与 上述 要求符合 ； 13、 设计装配图应表达正确、完整，技术标注规范、全面； 14、 独立完成设计，同学之间设计 结构 不允许雷同，否则认定为 抄袭 。 二、综合作业内容 1、数控十字工作台装配图一张 （提供打印 稿 并签名） ； 2、设计说明书一份 （ 主要内容： 电机选型计算 （脉冲当量， 扭矩计算、转动惯量匹配计算） ； 滚动丝杠选型与计算； 滚动导轨选型与计算） ； 3、参加答辩。 三、设计完成时间 答辩及交作业时间 ： 2010 年 6 月 19 日 地 点： 潮王路 浙江工业大学机械楼 B 703； tel:0571 88320939 指导教师：卢 波 nts 数控十字工作台设计 目 录 第一章 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 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 第三章 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 直线滚动导轨的选型 9 第五章 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 nts 第六章 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 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 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 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 nts 8.7 光电隔离电路 35 8.8 越界报警电路 36 第九章 步进电机接口电路及驱动 39 第十章 总 结 40 致 谢 41 参考文献 42 第一章 绪论 1.1数控十字工作台 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。 1.2数控十字工作台 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。 1.3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 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。 nts 1.4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。 图 1-1 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 nts 5 第二章 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 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)。 nts 6 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 2.2 Z 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。 nts 7 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。 3.1 滚珠丝杠副导程的确定 轴向负荷计算公式： aF =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）： aF= 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。 3.2 滚珠丝杠副的传动效率 滚珠丝杠副的传动效率为 : / ( )tg tg （ 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） （ 3.3） nts 8 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 HRC45 HRC45 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 0.013 617 509 434 343 309 235 217 200 143 136 122 116 102 055 048 045 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 3 09 252 235 217 200 143 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 10 2 758 724 543 509 400 343 309 0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 1045 905 758 651 549 509 434 400 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 9 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： 错误 !未找到引用源。 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。 错误 !未找到引用源。 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。 错误 !未找到引用源。 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%。 错误 !未找到引用源。 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 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 10 图 4-1 直线滚动导轨 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 11 第五章 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 1 m/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： 12M M M（ 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 ( )aM F d tg （ 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 /2a o hM K F P （ 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： /qT M i（ 5.4） =360 M p / Ph 式中 : p =l m/STEP=0.0001cm/STEP； M= M1+ M 2= 0.16N =0.36o/STEP nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 12 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 5.2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 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： / ( 3 6 0 )hpiP （ 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 错误 !未找到引用源。 齿轮类型：选择直齿加工方便。 错误 !未找到引用源。 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。 错误 !未找到引用源。 中心距的计算： A=m（ Z1+ Z2） （ 5.6） nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 13 =1 (30+120)/2=75mm 齿顶高为 1mm，齿根高为 125mm，齿宽为 20mm。 错误 !未找到引用源。 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， 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 2D 1 1 2 2 3 4 m nJ = 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： 22J = 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= R L D /32 （ 5.9） nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 14 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。 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 15 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。 6.1 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： 错误 !未找到引用源。 丝杠拉压变形 错误 !未找到引用源。 扭转变形 错误 !未找到引用源。 丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。 错误 !未找到引用源。 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 * 1 0 ( / )oK E F L K g f m m 式（ 6.1） 式中： E=2.06 10 -4(Kgf/ mm 2) 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。 6.2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： 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 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 16 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。 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 17 第七章 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。 图 7-1 偏心轴套调整法 1-齿轮 2-偏心套 3-齿轮 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 18 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nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 19 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。 nts 20 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 8.1 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 : 错误 !未找到引用源。 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。 错误 !未找到引用源。 PSEN 外部程序存储器选通端 ,以区别读外部数据存储器。 错误 !未找到引用源。 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晶振键 盘 显示器 nts 21 的固定频率输出正脉冲 ,可作为外部时钟或定时脉冲。 错误 !未找到引用源。 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。 错误 !未找到引用源。 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。 错误 !未找到引用源。 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 : 错误 !未找到引用源。 A0 A12 13位地址线 错误 !未找到引用源。 D0 D7 数据输出线 错误 !未找到引用源。 OE 数据输出允许信号 错误 !未找到引用源。 PGM 编 程控制信号，用于引入编程脉冲 错误 !未找到引用源。 CE 片选信号 2764主要工作方式 : 错误 !未找到引用源。 读方式 OE 及 CE 为低电平， Vpp 5V时处于读nts 22 出方式 错误 !未找到引用源。 写方式 OE 为低电平 , PGM 亦为低电平， VPP 21V, CE 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。 错误 !未找到引用源。 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： 错误 !未找到引用源。 A0 A12 13位地址线 错误 !未找到引用源。 IO1 IO7 数据输入输出线 错误 !未找到引用源。 OE 数据输出允许信号 错误 !未找到引用源。 WE 写选通信号 错误 !未找到引用源。 CE 片选信号 6264主要工作方式 : 错误 !未找到引用源。 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。 错误 !未找到引用源。 写方式 CE 为低电平， WE 亦为低电平时 ,允许数据输入。 错误 !未找到引用源。 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。 nts 23 (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 89C51 PSEN 与 2764CE 相联，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 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。 nts 24 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： 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 ： A L T 1 、 A 口、 B 口基本输入输出， C 口输入 01 ： A L T 1 、 A 口、 B 口基本输入输出， C 口输出 10 ： A L T 3 ， A 口选通输入输出， B 口基本输入输出 P C 0 ： A I N T R P C 1 ： A B F P C 2 ： AS TB P C 3 P C 5 ：输入输出 P C 0 ： A I N T R P C 1 ： A B F P C 2 ： A S T B P C 3 ： B I N T R P C 4 ： BBF P C 5 ： B S T B 图 8-3 命令寄存器格式 nts 25 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。 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 nts 26 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 ) 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 nts 27 8.3 总体程序控制 8.3.1流程图 nts 28 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 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP T0 nts 29 ORG 0013H LJMP INT1 MAIN： MOV A， #00H MOV R0,#00H MOV DPTR， #2000H XUNHUAN : MOVX DPTR, A I