龙门式数控火焰切割机结构设计(毕业设计论文)

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毕业设计(论文)龙门式火焰切割机传动及控制设计THEDESIGNOFTYANSMISSIONANDCONTYOLinthegANTRYFLAMECUTTINGMACHINE学生姓名学院名称专业名称指导教师20**年5月27日摘要本课题针对龙门式火焰切割机的横梁及火焰切割头的控制进行了设计。横梁的机构设计主要对其结构的确定，之后对传动装置进行了选择及计算检验，最后对主要传动的零部件进行选择校核。其中主要对滑动丝杠和滚动丝杠的强度及传动效率等进行了计算校核。并对横梁设计中存在的结构部件的联接问题进行了改进。火焰切割头是在传动装置的基础上运用丝杠的转速控制运动，用单片机控制电机的转速来达到效果。对控制电路设计也做了系统的详解，主要对所涉及的键盘、显示器、主要芯片做了选取应用。关键词火焰切割机；电气控制；横梁设计；单片机AbstractThisessayanalyzesthatthedesignofthebeamandthecontrolofflamecuttingheadofthegantryflamecuttingmachine.Thedesignofthebeamofmechanismmaindeterminingitsstructureofthetransmissiondevice,thentheselectionandoperationofthemaintransmissioninspection,finallythechooseofthepartsinspection.Themajorofslidingscrewandrollingballscrew'sstrengthandtransmissionefficiencyiscalculatedrespectively.Andproblemsexistingintheconnectofparts,inthedesignofstructureofthebeam,arealsoimproved.Flamecuttingintheheadisbasedontransmissiondeviceusingscrewspeedcontrolmovement,withsingle-chipmicrocomputercontrolmotorspeedtoachieveresults.Ialsomakeasystemexplanationofthecontrolofcircuitdesign,involvedmainlytomaketheselectionandapplicationsofthekeyboard,display,mainchip.Keywordsflamecuttingmachineelectricalcontrolthedesignofthebeammicrocontroller目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求 11.1.1课题的意义和目的 11.1.2研究范围和技术要求 11.2龙门式火焰切割机的简介和特点 11.2.1简介 11.2.2特点 2国内外的现状 21.4发展前景 32总体方案设计 52.1总体方案的设计 52.1.1功能与技术参数的分析 52.1.2横梁机构设计简介 5双切割头横向移动电气控制设计简介 52.2立柱的设计 52.2.1机架的设计准则及要求 52.2.2立柱结构 63横梁机械机构设计 93.1龙门式横梁结构设计 93.1.1确定龙门式火焰切割机横梁结构 93.1.2传动装置类型的选用 93.1.3传动方案的选取 103.2机床零部件的设计 103.2.1丝杠副的选取 11导轨的选型及计算 15联轴器的选取 16轴承的选取 18立柱底座横向进给的滚动丝杠的计算 193.2.6步进电机的选取 214电气控制设计 25拟定机床控制系统方案 25组成元件的介绍 25主要芯片的选取 254.2.2键盘接口原理 254.3控制电路设计 264.3.1使用多片EPROM的扩展电路 264.3.289C51主要管脚功能 274.3.3静态RAM芯片的选用 274.3.48155工作方式查询 284.3.589C51的存储器及I/O的扩展 294.3.68155状态查询 304.3.78155内部定时电路 304.3.889C51地址分配 314.3.98155扩展I/O端口的初始化程序设计 324.4键盘电路设计 33键盘功能 33键盘程序设计 33闪光报警电路 364.6显示器设计 36显示器显示方式的选取 36显示器接口电路 36光电隔离电路选用 36结论 38致谢 39参考文献 40谢谢朋友对我文章的赏识，充值后就可以下载此设计说明书（不包含CAD图纸）。我这里还有一个压缩包，里面有相应的word说明书（附带：外文翻译）和CAD图纸。需要压缩包的朋友联系QQ客服1：1459919609或QQ客服2：1969043202。需要其他设计题目直接联系！！！1绪论1.1课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求1.1.1课题的意义和目的火焰切割机是工程中金属板材切割的常用设备，可以根据要求在板材上切割出不同形状。采用数控技术的多点火焰切割机可以同时进行多种切割加工。龙门式火焰切割机是一种针对大型板材的火焰切割设备。本课题要求对龙门式火焰切割机的横梁机械机构进行设计，并设计切割头的横移控制系统。1.1.2研究范围和技术要求本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）控制火焰切割机床，主要设计对象是横梁及89C51单片机控制切割头的原理图。单片机对纵、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、滑动丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。∕秒，且双切割头可以同时做相同或相反移动。1.2龙门式火焰切割机的简介和特点1.2.1简介在机械加工过程中，板材切割常用的方式有手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。手工切割较为灵活方便，但手工切割的质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后续加工的工作量又大，同时劳动条件非常恶劣，生产效率很低。半自动切割机中的仿形切割机，切割工件的质量比较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量和大工件的切割。其它类型半自动切割机虽然降低了工人的劳动强度，但其功能比较简单，只适合一些较为规则形状的零件切割。数控切割相对手动和半自动切割方式来说，可以有效地提高板材切割地效率、切割质量，而且能减轻操作者的劳动强度。目前在我国的一些中小企业甚至在一些大型企业中使用手工切割和半自动切割方式还是较为普遍的。龙门式数控火焰/等离子切割机采用双边驱动，即双切割头，运行稳定，配置好，工作效率很高，可以用于各种异形碳钢、锰钢、不锈钢等金属材料的大、中、小型钢板下料。还可根据用户的要求配置多把割炬。见下图1-1图1-1龙门式数控火焰/等离子切割机1.2.2特点1.横梁：采用方管对焊的结构，具有刚性好，精度高，自重轻，惯量小的特点。所有的焊接件均采用振动时效去应力处理，有效的防止了结构变形；2.纵、横向驱动：横向导轨则采用了台湾进口的直线式导轨，纵向导轨是由精密加工的特质钢轨制成的，保证了切割机的运行平稳，精度高，且经久耐用，清洁美观；3．纵向驱动架（端架）：两端装有水平的导向轮，可调整其驱动架底部偏心轮对导轨的压紧程度，使整机在运动中能够保持稳定的导向；4．驱动系统选用步进电机和驱动技术，使整机运行平稳，速度变速范围宽，加速时间短；5．简单易用的自动编程系统，使编程不再那么的复杂，轻而易举；6．电气系统具有优良稳定性和超强抗干扰；目前来说切割机应用在金属及非金属行业上，一般来说，非金属行业分得比较细致，比如有切割石材的石材切割机、水切割机、锯齿切割机，切割布料、塑料及化纤制品用的激光切割机、刀片式切割机，切割金属材料的则有火焰切割机（火焰切割机又分数控火焰切割机和手动火焰切割机。而手动的又有小跑车、半自动、纯手动的；数控的有龙门式数控切割机、悬臂式数控切割机、台式数控切割机、相贯线数控切割机等等）、等离子切割机。切割成本方面来说，激光切割机是最昂贵的，也是精度和效率最高的一种切割设备，水刀切割机次之，然后就是火焰切割机，等离子切割机是最便宜的。（见下图1-2）图1-2激光切割机经过了几十年的发展，数控切割机在切割能源和数控控制系统两方面均取得了长足的发展，譬如切割能源已经由单一的火焰能源切割发展为目前的多种能源(火焰、等离子、激光、高压水射流等等)切割方式；数控切割机控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式及自动化程度不高已经发展到具有功能完善的、智能化的、图形化的、网络化的控制方式；驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式的伺服驱动。1.4发展前景随着现代化的机械加工业的发展，人们对切割的质量、精度要求的不断提高，并对生产效率的提高、生产成本的降低、高智能化地自动切割的功能要求也在不断的提升。数控切割机必须要去适应现代化机械加工发展的要求。从现在几种通用的数控切割及应用情况来看，数控火焰切割机的功能及性能已经比较完善了，但是对切割材料有局限性（只能切割碳钢板），其切割速度也慢，生产效率低，适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。等离子切割机具有切割范围广（可以切割所有的金属材料），切割速度快，工作效率高等特点，未来的发展方向在于等离子的电源技术的提高、数控系统与离子切割配合的问题，比如电源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精细等离子技术也能提高切割速度、切面质量和切割精度；通过完善和提高数控系统来实现对等离子切割效率和切割质量的提升。激光切割机的切割速度快，精度和切割质量好等特点。在国家指定的长期发展规划时，又是将激光切割列入了关键支撑技术。因其涉及国家安全、国防建设及高新技术的产业化和科技前沿的发展，所以要对激光切割有很高的重视程度，这就将激光切割机的制造和升级带来很大的商机。随着用户对激光切割技术特点的逐步了解和采用的示范性地深入，这就带动了国内企业开发、生产激光切割机。数控管材切割机适用于各种管材上的切割，如切割圆柱正交、斜交、偏心交等相贯线孔、方孔、椭圆孔，并能在管子的端部切割与之相交的相贯线。这种类型的设备已经广泛运用在金属结构件的生产，电力设备、锅炉业、石油业、化工等部门。它是行业内比较高端的产品之一，此类的设备切割功能可以满足焊接工艺众不同的板材开不同角度的坡口要求。随着造船业地发展，船厂在国内率先引进和使用数控等离子切割机。随着技术的发展，目前国内外的船厂纷纷配备了具有回转坡口功能的等离子切割机，为了满足其高技术、高附加值船的建造要求。2总体方案设计2.1总体方案的设计2.1.1功能与技术参数的分析为了提高工作的效率，所以采取双切割头同时工作，来缩短工作的时间。头的支承取用龙门式，这样可以有利于调整龙门的大小来实现加工不同尺寸钢的要求。龙门式的机床不但具有使用寿命长，工作的稳定性高的特点，而且能最大限度地满足加工不同型号钢的要求，其缺点就是只能在固定的地点加工，使用起来不够灵活简便。由于要切割曲线割缝，割头由十字滑台带动，这样既能简化其结构，又能满足其运动要求。2.1.2横梁机构设计简介因为切割速度要满足板厚和火焰对其的要求，所以要以无级调速。传动方式采用丝杠旋转，丝杠螺母带动工作台直线运动，利用调节丝杠的转速来控制割头的速度。而且要求的加工精度为1～4mm,所以丝杠能很好地保证传动精度和平稳性。电机与丝杠用联轴器直接连接就可以使传动系统的转动惯量减小，而且减少对电机的负担，实现无级调速。丝杠的传动采用步进电机来带动其运动。双切割头横向移动电气控制设计简介切割头采用电气控制方式，首先确定电动机，然后对其电流估算。对电气控制的电器元件进行选择。本设计采用MCS-51系列的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，具有很高的性能价格比。控制系统由微机部份，键盘，显示器及I/O接口等组成，由微机控制步进电机的输入频率，来控制电机的输出转速，从而实现割枪的无级调速。2.2立柱的设计2.2.1机架的设计准则及要求1.机架的设计准则机架的设计主要应保证刚度，强度及稳定性。2.机架的设计要求(1)在满足其刚度和强度的前提下，机架的重量应达到轻、成本低的要求；(2)抗振性好、噪声小；(3)温度场分布合理，热变形对精度的影响小；(4)结构设计合理且工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；(5)结构力求方便安装和调整，同事也便于修理和更换零部件；(6)有导轨的机架要求其导轨面受力合理，耐磨性好；(7)造型好看，即经济适用，且美观大方。机架一般分为铸造机架和焊接机架两类，焊接结构与铸造结构相比之下，焊接结构具有高强度和刚度，重量轻，生产周期短及施工简便等优点。表2-1铸造机架和焊接机架的对比铸造机架焊接机架重量较重钢板焊件比铸件轻30%强度，刚度，抗振性刚度强度较低，阻尼大强度刚度大，抗振性差价格便宜价格较贵生产周期周期长，资金周转慢生产周期短设计条件铸件壁厚不能相差过大，只能用开口的结构设计比较灵活，壁厚可以相差较大用途大批量的生产单件小批量生产在比较上述参数和结合本次设计的具体事况，最后选用焊接机架。从可焊性上考虑，一般选取碳含量<0.25%的碳钢。2.2.2立柱结构焊接柱按外形分为实腹柱和格构柱。1．实腹柱实腹柱又分为型钢实腹柱和钢板实腹柱，前者焊缝小应该优先地选用，后者适应性强，可按使用要求设计成各种大小的尺寸。当腹板的计算高度为h，与腹板厚度b之比大于80时，应有横向隔板来加强，间距不得大于3h，柱肢外伸自由宽度b0不宜超过15吨。2.格构柱格构柱分缀板式和缀条式两种。最后设计选择型钢实腹柱。如图2­2图2‐2实腹柱1.立柱截面形状由于零件的抗弯，抗扭强度和刚度除与其截面的面积有关外，还取决于截面的形状，合理改变截面的形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而使其充分发挥材料的作用。从《机械零件手册》里查得取用矩形面，其抗弯与抗扭惯性矩相对值较大。综合上述条件，立柱则采用型钢实腹柱，截面形状为方形，选取结构用冷弯形空心型钢，这样可以减小焊缝和避免焊缝受到集中应力的影响。国标为：GB/T6728—1986（1）一般钢号为Q235-A，20或Mn等，其力学性能与化学成分应符合：GB/T700，GB/T699和GB/T1591的规定。（2）弯曲部分的内弧半径<235,t<4.0时,r<1.4t,4.0<t<8.0时，r<1.8t.选取的型号：71，边长,壁厚,理论重量：,截面面积：惯性矩：回转半径：截面模数：图2­3冷弯形空心型钢结构图为保持尺寸稳定，为消除内应力，焊后应进行热处理，第一次热处理安排在焊接后，第二次热处理安排在粗加工后进行。图2­4第一次热处理图2­5第二次热处理图初步选定机架的主要尺寸：两边的立柱高度为：3130mm.横梁长为：3100mm.滑台1的尺寸为：长=1100mm,宽=220mm,高=30mm.滑台2的尺寸为：长=320mm,宽=100mm,高=30mm.3横梁机械机构设计3.1龙门式横梁结构设计3.1.1确定龙门式火焰切割机横梁结构采用箱式横梁，这样承载力好，整体回火可以消除焊接应力，而且性能稳定可靠。3.1.2传动装置类型的选用机械传支装置的选用是比较复杂的工作，它需要考虑从动力机到工作机多方面的因素，经细致分析对比后才能作出合理的选择。通常，以下几方面是选择机械传动装置类型的基本依据：（1）工作机的工况的性能参数；（2）动力机的性能及与动力机匹配对传动装置机械特性上的要求；（3）综合分析不同类型传动装置的初始费用，运转费用和维修费用，使所选的传动装置具有良好的经济性；（4）能符合运转安全和环境保护方面的要求；（5）使用的控制方便，可靠。在现代的机器设计中，为了优化机器的设计方案，传动方案的确定都是同动力机的选择，工作机构的选定通盘考虑的。也就是考虑动力机，传动装置秘工作机的匹配问题。传动装置的选用，通常并没有一成不变的程序可行，而要根据不同机器的具体条件和复杂程度，经多方案的分析比较才能选定。以下几方面是在选定传动装置类型时要具体分析考虑的：(1)机械特性；(2)功率范围；(3)速度；(4)传动比范围；(5)传动效率；(6)寿命；(7)外廓尺寸；(8)重量；(9)变速要求；(10)价格本次设计主要解决的问题是变速方式无级变速：无极变速能够选用最合理的运动速度，可在运转中变带，操纵控制方便，箭筒化机械结构等，是目前发展的主要方向。无极变速在数控机床上得到广泛的运用，主要利用直流和交流调速主轴电动机。利用直流调速电动机进行机床主轴无级变速发展比较早，应用较广。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般为1～2，很少为3～4，且有换向限制。现在国际上新生产的数控机床已有85﹪采用交流变频主轴驱动系统；交流变频调速电机恒功率调速范围8～30，有的直接驱动主轴。内装主轴就是主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高起动，停止的响应特性，并有利于控制振动和噪声，其缺点是运转中产生的热量容易使主轴产生热变形。因此控制温升和冷却是使用内装主轴电动机的关键。内装主轴电动机转速可达1500r/min。设计无级变速系统时，应注意电动机的机械特性应符合传动链的要求。若不满足要求，还应串联有级变速箱，一般变速级数为2～4级。3.1.3传动方案的选取由于工作台只作直线运动，以下为直线传动的常用方案：方案1.电机 联轴器 变速箱 齿轮齿条方案2.伺服电机 一级齿轮 丝杠 丝杠螺母方案3.步进电机联轴器 丝杠丝杠螺母由于要实现工作台的无级调速，方案1只能实现有限级调速，所以不能使用，动力机使用步进电机就可以实现无级调速，方案2，3都适用，另外工作台要求的运行精度在1—4mm，精度要求不高，如果传动系统用一级齿轮传动会加大传动系统的转动惯量，同时加大电机的负担，如果电机与丝杆用联轴器直接连接就可以使传动系统的转动惯量减小，所以选取方案3传动系统。3.2机床零部件的设计（1）电机与滑动丝杠的联接是通过过盈套筒联轴器、紧定螺钉M4X6、套筒联轴器、平键6X6、轴套和推力球轴承。（图3-1）其优点在于：传动系统的转动惯量减小，减小电机的负载图3-1电机与滑动丝杠的联接（2）电机与滚动丝杠的联接是由变径联轴器、轴承端盖、圆锥滚子轴承和轴承座。（见图3-2）图3-2电机与滚动丝杠的联接3.2.1丝杠副的选取一般丝杠副分为滑动丝杠副和滚动丝杠副。滚动丝杠副的特点：1.传动效率高；2.运动具有可逆性；3.系统刚度好；4.传动精度高；5.使用寿命长；6.不能自锁；7.制造工艺复杂。滑动丝杠特点：滑动丝杠摩擦力较大，传动效率较低，一般为30%--40%，磨损快，低速和微调传容易出现爬行，容易自锁，定位精度和轴向刚度较差，但结构简单，加工方便定位精度和轴向刚度较差，但结构简单，加工方便。由于工作台要实现横向及纵向运动，所以需要横向和纵向丝杠传动。横向丝杠没有工作载荷，而且不需要考虑自锁功能，伺服电机取用步进电机就满足自锁要求，所以横向丝杠副取用滚动丝杠副。纵向丝杠要支承工作台的重力，必须要有很好的自锁功能，所以纵向丝杆取用滑动丝杠副。立柱上支承工作台的纵向滑动丝杆计算：(参考自《机械设计手册》第4版第3卷)最大轴向力为1.5Kg，最大升降行程为1600mm,采用单头梯型开螺纹，螺旋应有自锁性。(1)选择材料和许用应力螺杆材料选用45号钢，调质处理，～5=360/3～5=120～72现取螺母材料选用ZcuAl10Fe3,～～现取许强～取8(2)按耐磨性计算螺纹中径滑动丝杠螺母的主要失效形式是磨损，因此应以耐磨性计算来决定丝杠中径，或由类比，结构决定中径后，进行耐磨性校核，对于细长且受压的丝杠，还应校核压杆稳定性，强度一般不用校核。见式（3.1）式（3.1）整体式螺母取1.2～2.5,现取——轴向载荷——螺纹副许用压强—1986可选的梯形螺纹，中等精度，螺旋副标记为—。螺母高度见式（3.2）式（3.2）取则螺纹圈数圈（1）自锁性验算由于系单头螺纹，导程S=P=5mm,故螺纺升角为摩擦因数f由于是钢对青铜f=0.08～0.1,取f=0.09。梯形螺蚊的夾角由于λ<ρ,故自锁可靠。（2）螺杆强度验算））(5)螺母螺纹强度验算因螺母材料强度低于螺杆，故只验算螺母螺纹强度即可，牙根宽度=基本牙型高<δp(6)螺杆的稳定性验算螺杆的总长按一端固定一端自由，得临界载荷～故稳定性条件满足。(7)效率计算2.横向进给的滚动丝杆的计算（参考于《机电一体化设计基础》）(1)丝杆所受的最大轴向力计算滑台2的重量计算：体积重量重力因为滑台在进给时没有受工作载荷，只受重力的作用，即(滚动导轨的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005)丝杆所受的轴向力很少，为了计算方便和其它因素影响，现取最大动负载C的计算及主要尺寸初选L——工作寿命：n——丝杆转速——选取丝杆圈数×列数由于丝杆没有受工作载荷，而且要求的行程精度不高，所以不用进行刚性校核，只校核丝杆的稳定性。（2）滚动丝杠稳定性验算滚道半径偏心距丝杠内径临界载荷，如式（3.4）式（3.4）Ia——丝杆危险截面的轴惯性矩:E——丝杠材料的弹性模量，对于钢，;——丝杆工作长度；μ——长度系数，一端固定一端简支，～所以丝杆安全不会失稳。导轨的选型及计算1.的设计要求：(1)几何精度就是通常所说的导向精度，即运动的直线度或回转精度；(2)运动精度包括两方面内容：一是运动的平稳性，二是定位精确；(3)具有足够的承载能力和刚度，使用寿命长；(4)结构简单，工艺性好，便于调整和维修；(5)具有良好的润滑和防护装置。导轨的功用是导向和承载，一般分有滚动导轨和滑动导轨两种。滚动导轨在两导轨面间装有球，滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性质，广泛地用于进给运动导轨。滚珠导轨的特点是摩擦阻力小，刚度低，承载能力差，不能承受大的颠覆力矩和水平力。直线滚动导轨副的计算与滚动轴承相仿，以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支承不发生点蚀为依据。这个载荷称为滚动导轨的额定动载荷Ca,可从产品样本中查到。见式（3.5）滚动体为球时式（3.5）L——滚动导轨副的距离额定寿命；Ca——额定动载荷，初选滚动导轨型号后，可从样本中查出；F——每个滑块上的工作载荷；——硬度系数，导轨面的硬度为5864HRC时,=1.0；硬度为55HRC时=0.8；为50HRC时=0.53;fT为温度系数，当工作温度不超过100°C时，fT=1；fC为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时=0.81,装三个时=0.72；fw为载荷速度系数，无冲击振动或v<15m/min时fw=1～1.5.现初选导轨型号为：GDA20···现在计算立柱底座的导轨，底座下每根导轨条安装三个滑块，所以=0.72，现把数据代入上式，有一般球导轨的距离期望寿命为50km，所以此滚动导轨满足要求。由于其它方向的导轨所受的载荷都很少，且其他参数同底座的都相同，所以为了使用方便，把其它导轨统一选择该型号。导轨参数（单位mm）：滑座参数（单位mm）:如图3-1导轨图所示：图3­3导轨联轨器一般分为刚性联轴器和弹性联轴器。刚性联轴器的特点：制造容易，径向尺寸小，装拆时需移动轴，用于要求两轴对中性好，工作平稳，无冲击，经常正反转。在刚性联轴器中，又有联轴套和变径联轴套等，变径联轴套适用于低速，轻载，小尺寸轴的联接。现在滑动丝杠φ24与电机75BF003的连接采用平键联轴套，其主要尺寸如下：平键由于电机的主轴只有8mm,所以在电机轴上再套一个过盈配合套筒联轴器。对过盈配合联接，应根据联轴器传递转矩的大小和轴套不发生滑动条件，确定配合面的压强p，如式（3.6）式（3.6）μ——配合表面的摩擦系数（取μ=0.12）；L——套筒与主动轴伸接触部分长度（=14）；Tc——·m）。所以产生压强p所需的过盈量E为套筒材料的弹性模量，外套筒与内套筒相对轴向推进量e与过盈量δ关系为（见图3-4）图3­4键联轴套轴承的选取1.深沟球轴承（如图3-5）（GB/T276—1994）型号：6005图3­5沟球轴承2.推力球轴承（如图3-6）（GB/T301—1995）轴承代号：51205图3­6推力轴承立柱底座横向进给的滚动丝杠的计算滑台2的重力=75N滑动1的重力（1）滑台1上的导轨，丝杠，电机的重力导轨座面积：导轨面积：合面积：重力：查得电机55BF003的重量为0.83Kg,再加上联轴器，轴承座约为3Kg.重力为30N。滚动丝杆φ20的重力(2）.立柱上的导轨和丝杠重滑动丝杠φ20的重力滑动丝杠φ24的重力(3)．立柱底滑座重力滑座尺寸：体积重力（4）.立柱重力所以立柱重力（5）．总重力在考虑到其他的重力≈因为滑台在进给时没有受工作载荷，只受重力的作用，即(滚动导轨的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005)丝杆所受的轴向力很少，为了计算方便和其它因素影响，现取Fm=40N最大动负载C的计算及主要尺寸初选，式（3.7）式（3.7）L——工作寿命（）；n——丝杆转速（）；fm——运转状态系数（无冲击取1～1.2,取1.2）。选取丝杆圈数×列数,.由于丝杆没有受工作载荷，而且要求的行程精度不高，所以不用进行刚性校核，只校核丝杆的稳定性。滚道半径偏心距丝杆内径临界载荷，式()式()——丝杆危险截面的轴惯性矩（）E——丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206G;l——丝杆工作长度；μ——长度系数(一端固定一端简支，μ=2/3)。～所以丝杆安全不会失稳。3.2.6步进电机的选取（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（2）步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。(1)转动惯量计算：如式()丝杆：式()D——丝杆的公称直径L——丝杆的长度工作台：P—丝杆导程G—工作台的重量总转动惯量：(2)最大静转矩计算加速力矩，如式(3.10)式()Vmax——快进的速度θ——步距角δ——脉冲当量所以(3)空载摩擦力矩,式(3.11)式(3.11)f——导轨摩擦系数G——运动部件的总重力Lo——丝杆导程(4)附加摩擦力矩,如式（3.12）)——丝杆预紧力(=Fm/3)——传动效率·cm，，所以该电机可选用(1)转动惯量计算：丝杆：(D—丝杆的公称直径L—丝杆的长度)工作台：(P—丝杆导程G—工作台的重量)总转动惯量：(2)最大静转矩计算加速力矩(δ=0.042)所以(3)空载摩擦力矩(4)附加摩擦力矩·cm，，所以该电机可选用(5)启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面提出的<,仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。以后还要对快进，工进时的运行矩频特性作校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动：在零时刻，步进电机的启动频率从零突跳为最大运行频率,即瞬间=.事实上，突跳是不可能瞬间完成。但突跳过程极短，则加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此，突跳启动是很少使用的。升速启动：步进电机从静止状态开始渐升速，在零时刻，启动频率=0,在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结速时，步进电机达到了最高运行速度，此时相应的运行频率为,因此，当=，启动过程结束，启动频率已与最高运行频率相等，即=,在整个升速，匀速运行，降速过程中，步进电机所走的步数与应该完成的输入指令脉冲总数相等。升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩中的加速力矩项不会很大，一般不会出现丢步现象，但是降低了工作效率。升速时间过短，则步进电机启动力矩中的加速力矩项就会很大，所以需要校核启动矩频特性。从电机75BF001的启动矩频特性曲线图可得，电机在最大静转距时，对应的启动频率为1240Hz，而该电机最高空载启动频率为1750Hz，实际启动频率小于允许启动频率，所以能保证电机不丢步。（如图3-7）图3-7启动矩频特性曲线4电气控制设计拟定机床控制系统方案控制系统是通过丝杠的转动带动切割头的转动。控制系统有微机的、有PLC的、也有单片机的，这里采用开环控制系统，可以选择一个经济型的单片机控制系统。另外，控制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4-1所示：图4—1控制系统框图组成元件的介绍主要芯片的选取MCS是Intel公司生产的单片机的序列符号，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系列单片机既包括三个基本型8031、8051、8751，也包括对应低功耗型的80C3、180C51、87C51，因而MCS-51系列特指Intel公司的这几种型号的单片机。20世纪80年代中期以后吧，Intel公司以专利转让的形式把8051内核心技术转让给了半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令兼容的单片机。这些兼容机与MCS-51的系统结构（主要指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系统来称呼所有具有8051指令系统的单片机。它们对8051一般都作了一些扩展，更有特点，其功能和市场竞争力更强，不应该把它们直接称为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。MCS-51单片机是把那些操作控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成芯片上。如按功能划分，它由如下功能的部件组成：微处理器、数据处理器、程序处理器（8031没有）、4个8位并行I/O口、1个串行口、2个16位定时器/计数器、中断系统、特殊功能寄存器。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。4.2.2键盘接口原理键盘在单片机应用系统中能实现想单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。下面介绍键盘的工作原理，键盘按键的识别过程及识别方法，键盘与单片机的接口技术和编程。1.在按键数较多的场合，行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻﹢5V上。无按键按下时，行线处于高压电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平亦为高。这一点是识别行列式键盘按键是否按下的关键所在。由于行列式键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平，所以必须少将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。2.扫描法:第一步，识别键盘有无键被按下；第二步，如有键被按下，识别出具体的按键。首先把所有的列线均设置为低电平，检查各行线的电瓶是否变化，如有变化，则说明有键被按下，如果没有变化，则说明无键被按下。上述识别具体按键方法，即先把某一列置低电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行线电平为低电平，则可确定此行此列交叉点处地按键被按下。4.3控制电路设计4.3.1使用多片EPROM的扩展电路为简化电路，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:=1\*GB3①A0—A1213位地址线=2\*GB3②D0—D7数据输出线=3\*GB3③数据输出允许信号=4\*GB3④编程控制信号，用于引入编程脉冲=5\*GB3⑤片选信号2764主要工作方式:=1\*GB3①读方式——及为低电平，Vpp＝＋5V时处于读出方式=2\*GB3②写方式——为低电平,亦为低电平，VPP＝＋21V,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。=3\*GB3③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。4.3.289C51主要管脚功能89C51是40脚双列直插式芯片。主要管脚功能:=1\*GB3①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。=2\*GB3②——外部程序存储器选通端,以区别读外部数据存储器。=3\*GB3③ALE——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。=4\*GB3④RESET——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。=5\*GB3⑤89C51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。=6\*GB3⑥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、、ALE、RESET组成。4.3.3静态RAM芯片的选用数据存储器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：=1\*GB3①A0—A1213位地址线=2\*GB3②IO1—IO7数据输入输出线=3\*GB3③数据输出允许信号=4\*GB3④写选通信号=5\*GB3⑤片选信号6264主要工作方式:=1\*GB3①读方式——及为低电平，为高电平时，6264将数据输出到指定地址。=2\*GB3②写方式——为低电平，亦为低电平时,允许数据输入。=3\*GB3③封锁方式——为高电平时，该芯片没被选通，不工作。4.3.48155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4-3。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：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，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，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为。图4-3命令寄存器格式4.3.589C51的存储器及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——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4-2。图4-28155引脚及内部结构4.3.68155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4-4：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。4.3.78155内部定时电路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4-5。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。图4-4状态寄存器格式M2M1方式定时器输出波形0 0单方波01连续方波10单脉冲11连续脉冲图4-58155定时器方式及输出波形4.3.889C51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):/IO＝0时，8155(1)内部RAM地址范围E000H-E0FFH/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：E105H2#8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示):/IO＝0时，8155(1)内部RAM地址范围0A000H-0A0FFH/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：0A05H4.3.98155扩展I/O端口的初始化程序设计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:ORG0A00HMOVDPTR,#100HMOVA,#7HMOVX@R0,A……END因为P3.3接行程开关,处于高优先级，所以IP、IE初始化为：SETBPX0SETPPX1CLRPT0CLRPT1CLRPSSETBEX0SETBEX1SETBET0SETBET1SETBESCLSET2SETBEAPSW、TCON、TMOD初始化：MOVPSW，#00HSETBIT0SETBIT1SETBIE0SETBIE1SETBTR0SETBTR1TMOD工作在方式2，所以初始化为：MOVTMOD，#66H4.4键盘电路设计控制面板上布置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。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4-1。表4-1键号键功能对应键号00H－09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H1E功能0－9—NGMFS键号13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1F功能DELCOPYIDX单步回零运行SHIFT键盘扫描子程序：ORG0500HSCAN:MOVA,#00HMOVDPTR,#E101HMOVX@DPTR,AMOVA#3FHMOVDDPTR,#E103HMOVX#DPTR,AMOVDPTR,#E102HMOVXA,@DPTRANLA,#1FHCJNE3A,#1FH,NEXT1SJMPNEXT4NEXT1:ACALLDS20msCLRCMOVR2,#00HMOVR1,#01HLOOP:INCDPTRMOVA,R1MOVX#DPTR,AMOVDPTR,#8002HMOVXA,@DPTRANLA,#1FHCJNEA,#1FH,NEXT2SJMPNEXT3NEXT2:INCR2CJNER2,#01H,NEXT4MOVR4,AMOVA,R1MOVR3,ANEXT3:MOVA,R1RLCAMOV