【026】6300×400數(shù)控激光切割機(jī)XY工作臺(tái)部(論文+DWG圖紙)
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無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
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第一章 緒論
1.1激光技術(shù)概述
激光被譽(yù)為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問(wèn)世就引起了材料科學(xué)家的高度重視。1971年11月，美國(guó)通用汽車(chē)公司率先使用一臺(tái)250W CO2激光器進(jìn)行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗(yàn)研究，并于1974年成功地完成了汽車(chē)轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)表面（可鍛鑄鐵材質(zhì)）激光淬火工藝研究，淬硬部位的耐磨性能比未處理之前提高了10倍。這是激光表面改性技術(shù)的首次工業(yè)應(yīng)用。多年以來(lái)，世界各國(guó)投入了大量資金和人力進(jìn)行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對(duì)材料學(xué)的研究，促使激光加工得到了飛速發(fā)展，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如今在中國(guó)，激光技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用，并且正逐步實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國(guó)家也將其列為“九五”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目之一。“十五”的主要工作是促進(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值20％的平均增長(zhǎng)率，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值200億元以上；在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加工技術(shù)，重點(diǎn)完成電子、汽車(chē)、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行改造的示范工程；為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器。
數(shù)控化和綜合化把激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動(dòng)化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。
1.2激光切割技術(shù)的應(yīng)用
激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來(lái)隨著CO2激光器及數(shù)控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進(jìn)的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對(duì)于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對(duì)于薄板采用剪床下料,成形復(fù)雜零件大批量的采用沖壓,單件的采用振動(dòng)剪。七十年代后,為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量,又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期,又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術(shù)。各種切割下料方法都有其有缺點(diǎn),在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。
激光切割機(jī)是光、機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，激光切割機(jī)的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低產(chǎn)品成本，減輕工人負(fù)擔(dān)，對(duì)制造業(yè)來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是一場(chǎng)技術(shù)革命。
激光切割的適用對(duì)象主要是難切割材料，如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件。激光切割技術(shù)、激光切割機(jī)床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。因此研究和設(shè)計(jì)數(shù)控激光切割有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。微機(jī)控制技術(shù)正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。
1.3設(shè)計(jì)任務(wù)
本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)單片機(jī)（89C51主控芯片）控制激光切割機(jī)床，主要設(shè)計(jì)對(duì)象是XY工作臺(tái)部件及89C51單片機(jī)控制原理圖。而對(duì)激光切割機(jī)其他部件如冷水機(jī)、激光器等不作為設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，只作一般了解。單片機(jī)對(duì)XY工作臺(tái)的縱、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.001mm/ pluse。工作臺(tái)部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)、工作臺(tái)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。
1.4總體設(shè)計(jì)方案分析
參考數(shù)控激光切割機(jī)的有關(guān)技術(shù)資料，確定總體方案如下：
采用89C51主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。其原理示意圖1-1。
X向工作臺(tái)
控
制
器
驅(qū)
動(dòng)
器
步進(jìn)
電機(jī)
步進(jìn)
電機(jī)
驅(qū)
動(dòng)
器
Y向工作臺(tái)
圖1-1 系統(tǒng)總體原理圖
微機(jī)控制線路圖參考MCS－51系列單片機(jī)控制XY工作臺(tái)線路圖。
步進(jìn)電機(jī)參照RORZE株式會(huì)社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質(zhì)量和運(yùn)行精度,同時(shí)驅(qū)動(dòng)器也選用RORZE的配套驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。
滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設(shè)計(jì)參照了漢江機(jī)床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料，力求從技術(shù)性能、價(jià)格狀況、通用互換性等各方面因素考慮，最后選用南京工藝裝備廠的FFZD系列滾珠絲杠，即內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副。
本設(shè)計(jì)棄用Z80，而選用單片機(jī)。單片機(jī)體積小、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，性?xún)r(jià)比大大超過(guò)了Z80。比較后選用89C51為主芯片。在使用過(guò)程中89C51雖有4K的FLASH（E2PROM），但考慮實(shí)際情況需配備EPROM和RAM，并要求時(shí)序配備。選晶體頻率為6MHz，89C51讀取時(shí)間約為3t，則t＝480ns ,常用EPROM讀取時(shí)間約為200~450ns。89C51的讀取時(shí)間應(yīng)大于ROM要求的讀取時(shí)間。89C51的讀寫(xiě)時(shí)間約為4T，則TR＝660ns，TW=800ns，常用RAM讀寫(xiě)時(shí)間為200ns左右，均滿足要求。根據(jù)需要，擴(kuò)展I/O接口8155，因顯示數(shù)據(jù)主要為數(shù)字及部分功能字，為簡(jiǎn)化電路采用LED顯示器。鍵盤(pán)采用非編碼式矩陣電路。為防止強(qiáng)電干擾，采用光電隔離電路。
3
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第二章 機(jī)械部分XY工作臺(tái)及Z軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 XY工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
2.1.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù)
本設(shè)計(jì)的XY工作臺(tái)的參數(shù)定為：
①工作臺(tái)行程：橫向320mm，縱向450mm
②工作臺(tái)最大尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：1100×900×300mm
③工作臺(tái)最大承載重量：120Kg
④脈沖當(dāng)量：0.001mm/pluse
⑤進(jìn)給速度：60平方毫米/min
⑥表面粗糙度：0.8～1.6
⑦設(shè)計(jì)壽命：15年
2.1.2 XY工作臺(tái)部件進(jìn)給系統(tǒng)受力分析
因激光切割機(jī)床為激光加工,其激光器與工件之間不直接接觸,因此可以認(rèn)為在加工過(guò)程中沒(méi)有外力負(fù)載作用。其切削力為零。
XY工作臺(tái)部件由工作臺(tái)、中間滑臺(tái)、底座等零部件組成,各自之間均以滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副相聯(lián),以保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度。
設(shè)下底座的傳動(dòng)系統(tǒng)為橫向傳動(dòng)系統(tǒng)，即X向，上導(dǎo)軌為縱向傳動(dòng)系統(tǒng)，即Y向。
一般來(lái)說(shuō),數(shù)控切割機(jī)床的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計(jì),但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動(dòng)摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會(huì)影響電機(jī)的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施,其產(chǎn)生的負(fù)載波動(dòng)應(yīng)控制在很小的范圍。
2.1.3初步確定XY工作臺(tái)尺寸及估算重量
初定工作臺(tái)尺寸(長(zhǎng)×寬×高度)為:1200×950×70mm，材料為HT200，估重為625N (W1)。
設(shè)中托座尺寸(長(zhǎng)×寬×高度)為:1200×520×220mm，材料為HT200，估重為250N（W2）。
另外估計(jì)其他零件的重量約為250N (W3)。
加上工件最大重量約為120Kg（1176N）(G)。
則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載W為:
W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N
2.2 Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
激光切割機(jī)對(duì)Z軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時(shí)檢測(cè)和控制切割表面的不平度，通過(guò)伺服電機(jī)和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點(diǎn)在切割板材的表面位置。由于激光焦點(diǎn)至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量，因此，要求Z軸的檢測(cè)精度高于0.010mm：同時(shí)，隨動(dòng)速度應(yīng)大于5m/min。隨動(dòng)速度太快會(huì)造成切割頭上下震蕩，太慢又造成切割頭跟不上的現(xiàn)象。目前。對(duì)加工板材的檢測(cè)主要有電容、電感、電阻、激光、紅外等幾種方式。電感式和電阻式屬于傳感器，激光、紅外及電容式屬于非接觸式傳感器。電容式傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中不發(fā)生摩擦阻力，最適于金屬板材和高速切割加工，而激光和紅外位移傳感器對(duì)加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場(chǎng)合的切割加工(如強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)干擾環(huán)境)。所以在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)注意檢測(cè)精度和對(duì)切割材料的適應(yīng)性，同時(shí)安裝時(shí)還需要注意采取抗干擾措施。
割頭具有多種先進(jìn)的智能和附加功能，如自動(dòng)調(diào)整激光噴嘴距離、自動(dòng)清潔噴嘴、同軸噴水機(jī)構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動(dòng)、切割嘴擺動(dòng)等。這些功能機(jī)構(gòu)的增加,不可避免地增加了切割頭的重量，成切割頭的動(dòng)態(tài)性能不好,隨動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來(lái)說(shuō)，普通數(shù)控激光切割機(jī)Z軸拖動(dòng)重量在5kg以上時(shí)，應(yīng)采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機(jī)的Z軸拖動(dòng)重量在2kg以上就必須施加重力平衡設(shè)施，特別是在高速飛行光路設(shè)計(jì)中,這一點(diǎn)尤為重要。目前Z軸上的重力平衡設(shè)施使用較多的是采用氣缸托動(dòng)方式(圖2-1)。該方式重量輕、體積小、易安裝，還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡力。
圖2-1 Z軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)
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第三章 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
（一） 根據(jù)機(jī)床的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸，參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列，選用FFZD內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿，具體型號(hào)如下：
X向： FFZD 2504-3/490×500
Y向： FFZD 2504-3/500×1100
（二） 因X向的滾珠絲桿比Y向的滾珠絲桿所受的負(fù)載大，現(xiàn)只計(jì)算X向絲桿的相關(guān)數(shù)據(jù)，Y向根據(jù)X向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。
（三） 具體計(jì)算如下。
3.1 滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定
軸向負(fù)荷計(jì)算公式：
（3.1）
式中F—— 切削力，F(xiàn)=0
W——工件重量加工作臺(tái)重量 W=2301N
U——滾動(dòng)導(dǎo)軌上的滾動(dòng)摩擦系數(shù)（約為0.003-0.004），取U=0.004
則根據(jù)式（3.1）：
= 0.004×2301=92N
激光切割機(jī)滾珠絲杠是在低速條件下工作的。
故本處的 Go=（0.2-0.3）， =18.4-27.6N。對(duì)照樣本參數(shù),這里的Go非常小，選定導(dǎo)程為4的滾珠絲杠副。
3.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為:
（3.2）
式中ψ—滾珠絲杠的螺紋升角
ρ＇—當(dāng)量摩擦角
根據(jù)當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角關(guān)系（見(jiàn)表3-1），前面已經(jīng)定v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵HRC≥45。
所以：ρ＇=4°00′，tgρ＇=0.0025 ；
因?yàn)棣?arctg（Ph/πd） （3.3）
式中:P h—導(dǎo)程，4mm
d——絲杠公稱(chēng)直徑，25mm
則根據(jù)式（3.3）：
ψ＝2.91°
則根據(jù)式（3.2）得：η＝0.953。
表3-1 當(dāng)量摩擦系數(shù)f＇和當(dāng)量摩擦角ρ＇
齒圈材料
錫 青 銅
無(wú)錫青銅
灰鑄鐵
齒面硬度
HRC≥45
其它
HRC≥45
HRC≥45
其它
相對(duì)速度 υs m/s
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
f＇
ρ＇
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′
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第四章 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型
導(dǎo)軌主要分為滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌兩種， 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
①定位精度高
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50。由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動(dòng)靈活，可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少90%，因此，可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級(jí)。
②降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力
采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)、停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。
③可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率20～30%。
④可長(zhǎng)期維持機(jī)床的高精度
對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤(rùn)滑，由于油膜的浮動(dòng)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)精度的誤差是無(wú)法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤(rùn)滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無(wú)法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能?。疂L動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高精度狀態(tài)。同時(shí)，由于使用潤(rùn)滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤(rùn)滑就足夠了，這使得在機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開(kāi)式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。
型號(hào)：選用GGB型四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，如圖4-1。
具體型號(hào)：X向選用GGB20BA2P，2 500-4
Y向選用GGB20AB2P，2 1100-4
圖4-1 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌
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第五章 步進(jìn)電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
5.1 步進(jìn)電機(jī)的選用
5.1.1 脈沖當(dāng)量和步距角
已知脈沖當(dāng)量為1μm/STEP，而步距角越小，則加工精度越高。初選為0.36o/STEP（二倍細(xì)分）。
5.1.2步進(jìn)電機(jī)上起動(dòng)力矩的近似計(jì)算
電機(jī)起動(dòng)力矩：
（5.1）
式中: M為滾珠絲杠所受總扭矩
Ml為外部負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩，有:
（5.2）
=92×0.025/2×tg（2.91+0.14）
=0.062N·m
M2為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有：
（5.3）
式中: K—預(yù)緊時(shí)的摩擦系數(shù)，0.1—0.3
Ph—導(dǎo)程，4cm
Fao——預(yù)緊力，
有：Fao=Fao1+Fao2
取Fao1=0.04×Ca=0.04 ×1600=640N
Fao2為軸承的預(yù)緊力，軸承型號(hào)為6004輕系列，預(yù)緊力為Fao2＝130N。故根據(jù)式（5.3）：
M2=0.098 N·m
齒輪傳動(dòng)比公式為：i=φ× Ph /(360×δp)，故步進(jìn)電機(jī)輸出軸上起動(dòng)矩近似地可估算為：
（5.4）
=360×M×δp /φ×η×Ph
式中: δp =lμm/STEP=0.0001cm/STEP；
M= M1+ M 2= 0.16N
φ=0.36o/STEP
q=0.85
Ph＝0.4cm
η＝0.953
則根據(jù)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?yàn)殡姍C(jī)為五相運(yùn)行)。則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩TJM=Tq/0.866=0.46 N·m
5.1.3確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
參考有關(guān)數(shù)控激光切割機(jī)床的資料,可以知道步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率不超過(guò)1000Hz。
根據(jù)以上討論并參照樣本,確定選取M56853S型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的最大靜止轉(zhuǎn)矩為0.8 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為235g/cm2
5.2齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
5.2.1傳動(dòng)比的確定
要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量lμm/STEP的設(shè)計(jì)要求，必須通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行分度，其傳動(dòng)比為：
（5.5）
式中：Ph —為滾珠絲杠導(dǎo)程
φ—為步距角
δp—為脈沖當(dāng)量
根據(jù)前面選定的幾個(gè)參數(shù)，由式（5.4）得：
=0.36×4/360×0.001
=4:1=Z2/Z1
根據(jù)結(jié)構(gòu)要求,選用Z1為30，Z2為120
5.2.2齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定
①齒輪類(lèi)型：選擇直齒加工方便。
②模數(shù)選擇：本工作臺(tái)負(fù)載相當(dāng)輕,參考同類(lèi)型的機(jī)床后,選擇m＝1齒輪傳動(dòng)側(cè)隙的消除。
③中心距的計(jì)算：
A=m×（Z1+ Z2） （5.6）
=1×(30+120)/2=75mm
齒頂高為1mm，齒根高為125mm，齒寬為20mm。
④齒輪材料及熱處理：
小齒輪Z1采用40Cr，齒面高頻淬火;
大齒輪Z2采用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。
5.3步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算
由資料知，激光切割機(jī)的負(fù)載可以認(rèn)為是慣性負(fù)載。機(jī)械機(jī)構(gòu)的慣量對(duì)運(yùn)動(dòng)特性有直接的影響。不但對(duì)加速能力、加速時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩及動(dòng)態(tài)的快速反應(yīng)有關(guān)，在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中對(duì)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性也有很大的影響，因此要計(jì)算慣性負(fù)載。限于篇幅，在此僅對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。
慣性負(fù)載可由以下公式進(jìn)行計(jì)算：
（5.7）
式中：JD為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載。
J0為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量e
J1為齒輪Zl的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J2為齒輪Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J3為齒輪Z3的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
mn為系統(tǒng)工作臺(tái)質(zhì)量
Vm為工作臺(tái)的最大移動(dòng)速率
ωD為折算成單軸系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)軸角速度
各項(xiàng)計(jì)算如下：
已知：
J0＝0忽略不計(jì)， mn=112.5Kg
齒輪慣性轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式：
（5.8）
其中：
ρ為回轉(zhuǎn)半徑
G為轉(zhuǎn)件的重量
滾珠絲杠的慣性矩計(jì)算公式：
（5.9）
最后計(jì)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
ωD=2πrad/s
故慣性負(fù)載根據(jù)式（5.7）得：
JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J2＋J3）+ J4 (Vm/ωD)2×mn
=17.3 Kg. cm2
此值為近似值故此值小于所選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
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第六章 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的分析
激光切割機(jī)XY工作臺(tái)其實(shí)為一進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度可根據(jù)不出現(xiàn)摩擦自振或保證微量進(jìn)給靈敏度的條件來(lái)確定。
6.1 根據(jù)工作臺(tái)不出現(xiàn)爬行的條件來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度
傳動(dòng)系統(tǒng)中的當(dāng)量剛度K或當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度C主要由最后傳動(dòng)件的剛度K0或C0決定的，在估算時(shí)，取K=K0，C=C0
對(duì)滾珠絲杠傳動(dòng),其變形主要包括：
①絲杠拉壓變形
②扭轉(zhuǎn)變形
③絲杠和螺母的螺紋接觸變形及螺母座的變形。
④軸承和軸承座的變形。
在工程設(shè)計(jì)和近似計(jì)算時(shí)，一般將絲杠的拉壓變形剛度的三分之一作為滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度K0，根據(jù)支承形式可得：
式（6.1）
式中：E=2.06×10 -4(Kgf/ mm 2)
F=754.8mm 2
L=Ls＝250 mm
則根據(jù)式（6.1）得：
K0=203.2N/mm
傳動(dòng)系統(tǒng)剛度較大，可以滿足要求。
6.2根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度應(yīng)滿足：
K△≥F0/△ 式（6.2）
式中：K△—傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)量剛度
F0—部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的靜摩擦力
N —正壓力,N=W/g=230kgf
F —靜摩擦系數(shù)，取0.003-0.004
△ —部件調(diào)整時(shí)，所需的最小進(jìn)給量
則：
F0=230×0.004=0.92KGF
A=0.5δp=0.5μm/STEP
即滿足微量進(jìn)給要求的傳動(dòng)系統(tǒng)剛度為:
K△≥F0/△＝0.92/0.5＝1.84Kgf/mm
結(jié)合上述傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的討論可知滿足微量進(jìn)給靈敏度所需要的剛度較小，可以達(dá)到精度要求。
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第七章 消隙方法與預(yù)緊
7.1消隙方法
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械進(jìn)給裝置中常采用齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到一定的降速比和轉(zhuǎn)矩的要求。由于齒輪在制造中總是存在著一定的誤差，不可能達(dá)到理想齒面的要求，因此一對(duì)嚙合的齒輪，總應(yīng)有一定的齒側(cè)間隙才能正常地工作。
齒側(cè)間隙會(huì)造成進(jìn)給系統(tǒng)的反向動(dòng)作落后于數(shù)控系統(tǒng)指令要求，形成跟隨誤差甚至是輪廓誤差。
對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，齒側(cè)間隙也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動(dòng)副常采用各種消除側(cè)隙的措施，以盡量減小齒輪側(cè)隙。數(shù)控機(jī)床上常用的調(diào)整齒側(cè)間隙的方法針對(duì)不同類(lèi)型的齒輪傳動(dòng)副有不同的方法。
7.1.1偏心軸套調(diào)整法
如圖7-1，齒輪１裝在電動(dòng)機(jī)軸上，調(diào)整偏心軸套２可以改變齒輪１和３之間的中心距，從而消除齒側(cè)間隙。
1-齒輪 2-偏心套 3-齒輪
圖7-1 偏心軸套調(diào)整法
7.1.2錐度齒輪調(diào)整法
如圖7-2所示將一對(duì)齒輪１和２的輪齒沿齒寬方向制成小錐度，使齒厚在齒輪的軸向稍有變化。調(diào)整時(shí)改變墊片３的厚度就能改變齒輪１和２的軸向相對(duì)位置，從而消除齒側(cè)間隙。
圖7-2 錐度齒輪調(diào)整法
7.1.3雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法
圖7-3是另一種雙片齒輪周向彈簧錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)，兩片薄齒輪1和2套裝一起，每片齒輪各開(kāi)有兩條周向通槽，在齒輪的端面上裝有短柱3，用來(lái)安裝彈簧4。裝配時(shí)使彈簧4具有足夠的拉力，使兩個(gè)薄齒輪的左右面分別與寬齒輪的左右面貼緊，以消除齒側(cè)間隙。
對(duì)比三種方案：
第一種需要經(jīng)常的調(diào)整，對(duì)于本身就以提高效率為目標(biāo)的數(shù)控機(jī)床而言肯定不合適。
第二種是很不錯(cuò)的方案，但在切割機(jī)上并不實(shí)用。
第三種方案相比較而言在數(shù)控切割機(jī)上適用，而且不需要人為經(jīng)常調(diào)整，很適合數(shù)控機(jī)床的需要。
本設(shè)計(jì)方案選用第三種方法。
圖7-3 雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法
7.2預(yù)緊
滾珠絲杠副在工作臺(tái)上的支承方式有兩種。一種是單支承形式；另一種是兩端支承形式，本設(shè)計(jì)選用兩端支承形式中的“雙支點(diǎn)各單向固定”的支承方式。該形式夾緊一對(duì)圓錐滾子軸承的外圈而預(yù)緊，提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加軸承裝置的剛性，減小機(jī)器工作時(shí)軸承的振動(dòng)。預(yù)緊量由廠家提供。
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第八章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
8.1 確定機(jī)床控制系統(tǒng)方案
根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)方案的要求，可以看出：對(duì)機(jī)械部分的控制只有進(jìn)給系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的控制和工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)控制?？刂葡到y(tǒng)有微機(jī)的、有PLC的、也有單片機(jī)的，這里采用的是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，可以選擇經(jīng)濟(jì)型的單片機(jī)控制系統(tǒng)。另外，居然要控制，就得有輸入和輸出設(shè)備才能對(duì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。其控制系統(tǒng)框圖如圖8-1所示：
存儲(chǔ)器擴(kuò)展
光電隔離
驅(qū)動(dòng)器
I/O
口
擴(kuò)展
單片機(jī)
功 率 放 大
X軸電機(jī)
Y軸電機(jī)
Z軸電機(jī)
驅(qū)動(dòng)器
橫向絲杠
Z向絲杠
縱向絲杠
顯示器
鍵 盤(pán)
圖8-1 控制系統(tǒng)框圖
8.2 主要硬件配置
8.2.1主要芯片選擇
由于89C51芯片在性?xún)r(jià)比上比同類(lèi)單片機(jī)高，加上8031、8051市場(chǎng)上已經(jīng)停產(chǎn)，所以選擇89C51作為主芯片。
8.2.2 主要管腳功能
89C51是40腳雙列直插式芯片。主要管腳功能:
①控制線——片外存儲(chǔ)器選擇端，雖然89C51內(nèi)有4K的FLASH，但為了方便接線和各程序的存放，故不使用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，這樣接地，從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令。
②——外部程序存儲(chǔ)器選通端,以區(qū)別讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
③ALE——地址鎖存控制端,系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE控制P0口輸出的低八位地址送鎖存器儲(chǔ)存，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和地址隔離。此外ALE以l/6晶振的固定頻率輸出正脈沖,可作為外部時(shí)鐘或定時(shí)脈沖。
④RESET——復(fù)位端,當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)二個(gè)周期以上高電平，完成復(fù)位初始化操作。
⑤89C51中I/O口的介紹
P0口——外接存儲(chǔ)器時(shí)，此口為擴(kuò)展電路低八位地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用口；
Pl口——用戶使用的I/O口；
P2口——外接存儲(chǔ)器時(shí),作擴(kuò)展電路高八位的地址總線；
P3口——雙重功能口；
P0—P3口均為八位雙向口。P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門(mén)電路，Pl—P3口只能驅(qū)動(dòng)四個(gè)TTL門(mén)電路。
⑥時(shí)鐘——XTAL1和XTAL2，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，二端接石英和微調(diào)電路；使用外部時(shí)鐘時(shí)，接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。
89C51三總線結(jié)構(gòu)：
地址總線AB——地址總線為16位，外部存儲(chǔ)器直接尋址范圍為64KB，地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器，提供八位A0-A7，高八位A8—A15由P2口直接提供。
數(shù)據(jù)總線DB——數(shù)據(jù)總線為8位，自P0口直接提供。,
控制總線CB——由P3口第二功能控制線、、ALE、RESET組成。
8.2.3 EPROM的選用
為簡(jiǎn)化電路，此處選用2764EPROM (8K*8位)。
本設(shè)計(jì)采用二片2764EPROM，分別存放監(jiān)控程序,各功能模塊程序,常用零件加工程序。以便于更換各功能模塊程序和零件加工程序時(shí)，只需更換各自芯片即可，方便升級(jí)。
2764芯片主要引腳功能:
①A0—A12 13位地址線
②D0—D7 數(shù)據(jù)輸出線
③ 數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)
④ 編程控制信號(hào)，用于引入編程脈沖
⑤ 片選信號(hào)
2764主要工作方式:
①讀方式——及為低電平，Vpp＝＋5V時(shí)處于讀出方式
②寫(xiě)方式——為低電平, 亦為低電平，VPP＝＋21V, 為高電平時(shí)，2764芯片處于禁止?fàn)顟B(tài)。將數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)固化到指定地址單元。
③編程禁止方式一此為向多片2764寫(xiě)入不同程序而設(shè)置的，當(dāng)VPP=+21V時(shí)，為高電平時(shí)，2764芯片處于編程禁止?fàn)顟B(tài)。
8.2.4 RAM的選用
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM通常采用MOS型，MOS型RAM分靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種。動(dòng)態(tài)RAM集成度高，功耗小，成本低，但控制邏輯復(fù)雜，需要定期刷新,尤其是容易受到干擾，對(duì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)、電摞等都有較高的要求。對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)而言,可靠是第一位的,此處選用大容量靜態(tài)RAM6264(8K*8位)一片。
6264主要引腳功能：
①A0—A12 13位地址線
②IO1—IO7 數(shù)據(jù)輸入輸出線
③ 數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)
④ 寫(xiě)選通信號(hào)
⑤ 片選信號(hào)
6264主要工作方式:
①讀方式——及為低電平，為高電平時(shí)，6264將數(shù)據(jù)輸出到指定地址。
②寫(xiě)方式——為低電平，亦為低電平時(shí),允許數(shù)據(jù)輸入。
③封鎖方式——為高電平時(shí)，該芯片沒(méi)被選通，不工作。
8.2.5 89C51存儲(chǔ)器及I/O的擴(kuò)展
可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對(duì)應(yīng)的軟件命令來(lái)加以改變的接口芯片。這類(lèi)芯片一般具有多種功能，使用靈活方便，使用前必須由CPU對(duì)其編程設(shè)定工作方式，然后按設(shè)定的方式進(jìn)行操作。
8155可編程并行I/O接口具有功能強(qiáng)，價(jià)格便宜，且具有與MCS-51單片機(jī)配置簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)。是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的外部功能擴(kuò)展器件之一。
(1)存儲(chǔ)器與單片機(jī)聯(lián)接，主要是通過(guò)三總線聯(lián)接。應(yīng)考慮總線的驅(qū)動(dòng)能力是否足夠。存儲(chǔ)器2764、6264存儲(chǔ)量均為8K，需13位地址進(jìn)行存儲(chǔ)單元選擇，將A0—A7腳與地址鎖存器八位地址輸出對(duì)應(yīng)聯(lián)接，將A8－A13腳與89C51的P2口P2.0-P2.4相聯(lián)接，其余地址線經(jīng)P2.5—P2.7經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。數(shù)據(jù)線聯(lián)接將存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸出端D0－Dl與89C51P0口聯(lián)接?？刂凭€89C51 與2764相聯(lián)，89C51從外部EPROM取指令。、 分別與6264、相聯(lián)，89C51對(duì)外部RAM進(jìn)行讀/寫(xiě)。
(2)8155許多信號(hào)與89C51兼容，可直接聯(lián)接，因8155內(nèi)部已有鎖存器，因此8155數(shù)據(jù)地址復(fù)合線AD0一AD7與89C51P0口直接相聯(lián)。地址鎖存信號(hào)ALE與89C51ALE相聯(lián)。片選信號(hào)經(jīng)譯碼后產(chǎn)生，以高位地址P2.0直接作為IO/信號(hào)，此時(shí)對(duì)8155需要使用16位地址進(jìn)行編址。
8155的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見(jiàn)圖8-2。
圖8-2 8155引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
8.2.6 8155工作方式查詢(xún)
8155I/O工作方式選擇通過(guò)對(duì)8155內(nèi)部命令寄存器（命令口）設(shè)定命令控制字實(shí)現(xiàn)。命令寄存器格式及對(duì)應(yīng)的工作方式見(jiàn)下圖8-3。
8155I/O有四種工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符號(hào)說(shuō)明如下：
AINTR：A口中斷，請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。
BINTR：B口中斷，請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。
ABF（BBF）：A口（B口）緩沖器滿狀態(tài)標(biāo)志輸出線，（緩沖器有數(shù)據(jù)時(shí)BF為高電平）。
ASTB（BSTB）：A口（B口）設(shè)備選通信號(hào)輸入線，低電平有效。
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口為基本輸入/輸出，C口為輸入方式。
ALT2：A口，B口為基本輸入/輸出，C口為輸出方式。
ALT3：A口為選通輸入/輸出，B口為基本輸入/輸出。PC0為AINTR，PC1為ABF，PC2為，PC3～PC5為輸出。
ALT4：A口、B口為選通輸入/輸出。PC0為AINTR，PC1為ABF，PC2為，PC3為BINTR，PC4為BBF，PC5為。
圖8-3 命令寄存器格式
8.2.7狀態(tài)查詢(xún)
8155還有一個(gè)狀態(tài)寄存器，用于鎖存I/O口和定時(shí)器的當(dāng)前狀態(tài)，供CPU
查詢(xún)用。其格式如圖8-4：
狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個(gè)地址，命令寄存器只能寫(xiě)入不能讀出，而狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫(xiě)入。所以可以認(rèn)為，CPU讀該地址時(shí)，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當(dāng)前I/O口和定時(shí)器的狀態(tài)，而寫(xiě)該地址時(shí)，則作為命令寄存器對(duì)I/O口工作方式的選擇。
8.2.8 8155定時(shí)功能
8155芯片內(nèi)有一個(gè)14位減法計(jì)數(shù)器，可對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。外部有兩個(gè)定時(shí)器引腳TINEIN 和TIMEOUT。TINEIN為定時(shí)器時(shí)鐘輸入，有外部輸入時(shí)鐘脈沖，TIMEOUT為定時(shí)器輸出，輸出各種信號(hào)脈沖波形。定時(shí)器的格式、輸出波形見(jiàn)圖8-5。
由上圖可見(jiàn)，定時(shí)器的低8位和高6位計(jì)數(shù)器定時(shí)是出方式由04H、05H寄存器確定。對(duì)定時(shí)器編程時(shí)，首先將計(jì)數(shù)器及定時(shí)器方式送入定時(shí)器口，（定時(shí)器的低8位和高6位，定時(shí)器方式M）04H，05H。計(jì)數(shù)常數(shù)在002H~3FFF之間。計(jì)數(shù)器的起動(dòng)和停止由命令寄存器的最高兩位TM2和TM1決定。但何時(shí)讀都可以置定時(shí)器的長(zhǎng)度和工作方式，然后必須將起動(dòng)命令寫(xiě)入命令寄存器。既使計(jì)數(shù)器已經(jīng)計(jì)數(shù)，在寫(xiě)入起動(dòng)命令后，仍可改變定時(shí)器的工作方式。
圖8-4 狀態(tài)寄存器格式
M2 M1
方 式
定時(shí)器輸出波形
0 ?0
單方波
0 1
連續(xù)方波
1 0
單脈沖
1 1
連續(xù)脈沖
圖8-5 8155定時(shí)器方式及輸出波形
8.2.9 芯片地址分配
89C51支持的存儲(chǔ)芯片，程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單獨(dú)編址，EPROM與RAM地址分配較為自由,不必考慮會(huì)發(fā)生沖突,因89C51復(fù)位后,從0000H開(kāi)始，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間為0000H-0FFFH，外部2片2764芯片地址分別為0C000H-0DFFFH，8000H--9FFFH。89C51內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間為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)
/IO＝0時(shí)，8155(1)內(nèi)部RAM地址范圍 E000H-E0FFH
/IO＝1時(shí)，端口地址：控制口：E100H；PA口：E101H；PB口：E102H；PC口：E103H；
定時(shí)器低八位：E104H；定時(shí)器高八位：E105H
2#8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示)
/IO＝0時(shí)，8155(1)內(nèi)部RAM地址范圍 0A000H-0A0FFH
/IO＝1時(shí)，端口地址：控制口：0A00H；PA口：0A01H；PB口：0A02H；PC口：0A03H；
定時(shí)器低八位：0A04H；定時(shí)器高八位：0A05H
8.3 總體程序控制
8.3.1流程圖
8.3.2主程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
LJMP INT0
ORG 000BH
LJMP T0
ORG 0013H
LJMP INT1
MAIN： MOV A，#00H
MOV R0,#00H
MOV DPTR，#2000H
XUNHUAN : MOVX @DPTR, A
INC DPTR
INC R0
CJNE R0,#0FFH, XUNHUAN
INC R1
CJNE R2,#0FFH, XUNHUAN
MOV SP,#60H
SETB PX0
SETB EX0
SETB EX1
SETB EA
WE : AJMP WE
GONGZUO：
LCALL QIUJIAN
LCALL XIANSHI
LCALL CHULI
8.4 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)
8.4.1鍵盤(pán)定義及功能
控制面板上布置5個(gè)控制鍵，33個(gè)功能數(shù)字鍵。其中8個(gè)鍵有雙重功能，由SHIFT鍵轉(zhuǎn)換，按下SHIFT鍵，上檔鍵有效。
5個(gè)控制鍵各功能如下：
急停鍵——運(yùn)行時(shí)按該鍵，程序立即停止運(yùn)行。
暫停鍵——運(yùn)行時(shí)按下該鍵，執(zhí)行完本程序段后，停止執(zhí)行下一程序段，等待處理，此為硬件暫停。
恢復(fù)運(yùn)行鍵——處于急?；驎和r(shí)，接下該鍵程序繼續(xù)執(zhí)行。用M00實(shí)行軟件暫停時(shí)，恢復(fù)運(yùn)行也需要按該鍵。
復(fù)位鍵——編程或運(yùn)行前，清除內(nèi)存中的隨機(jī)數(shù)。
對(duì)中心鍵——鉬絲自動(dòng)找準(zhǔn)預(yù)定的中心位置(原點(diǎn))。
30個(gè)功能數(shù)字鍵包括數(shù)字鍵“0－9”，負(fù)號(hào)“—”，程序開(kāi)始字“%”，程序段結(jié)束字“LF”，序號(hào)字“N”，準(zhǔn)備功能字“G”，輔助功能字“M”，速度功能字“F”，主軸速度功能字“S”，坐標(biāo)功能字“X、Y、Z、I、J、W”。編輯鍵三個(gè)：DEL/INS—?jiǎng)h除/插入程序段鍵，DISP/ZOOM—DISP顯示程序全段內(nèi)容，ZOOM使加工圖形按比例縮放，預(yù)置為1，COPY—程序段復(fù)制，IDX—可設(shè)定某一程序段為起割點(diǎn)，單步—步進(jìn)電機(jī)走一拍就停止工作，回零—鉬絲重新置于起點(diǎn)，運(yùn)行—加工開(kāi)始確認(rèn)。
8.4.2 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用非編碼式矩陣式鍵盤(pán)，1#8155為鍵盤(pán)接口，按五行六列布線。PA0—PA4為行線，PC0—PC5為列線。 A口為輸出口，C口為輸入口，按鍵盤(pán)列線，每個(gè)鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)鍵碼，根據(jù)鍵碼轉(zhuǎn)至相應(yīng)鍵處理子程序。常用鍵識(shí)別方法有掃描法和線翻轉(zhuǎn)法。本設(shè)計(jì)采用掃描法。其原理是：一條列線為低電平，若此列線上已閉合鍵，則各行線狀態(tài)都為高電平，然后按行號(hào)、列號(hào)求得閉合鍵鍵碼。
定義各行首鍵號(hào)為00H、06H、0CH、12H、18H，鍵碼=行號(hào)＋列號(hào)。鍵號(hào)鍵功能對(duì)應(yīng)表8-1
表8-1 鍵號(hào)鍵功能對(duì)應(yīng)
鍵號(hào)
00H－09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
10H
11H
12H
1E
功能
0－9
—
N
G
M
F
S
鍵號(hào)
13H
14H
15H
16H
17H
18H
19H
1AH
1BH
1CH
1DH
1F
功能
DEL
COPY
IDX
單步
回零
運(yùn)行
SHIFT
圖8-6 鍵盤(pán)掃描程序流程圖
圖8-7 求鍵值子程序
鍵盤(pán)掃描子程序
ORG 0500H
SCAN:MOV A,#00H
MOV DPTR, #E101H
MOVX @DPTR, A
MOV A #3FH
MOV DDPTR, #E103H
MOVX #DPTR, A
MOV DPTR, #E102H
MOVX A, @DPTR
ANL A, #1FH
CJNE3 A, #1FH, NEXT1
SJMP NEXT4
NEXT1: ACALL DS20ms
CLR C
MOV R2 , #00H
MOV R1, #01H
LOOP: INC DPTR
MOV A,R1
MOVX #DPTR, A
MOV DPTR, #8002H
MOVX A, @DPTR
ANL A, #1FH
CJNE A, #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
求鍵值子程序
ORG 0560H
KCODE：MOV R1，#00H
MOV A， R3
CLR C
LOOP ：RRC A
JZ NEXT1
INC R1
SJMP LOOP
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
8.5 顯示器設(shè)計(jì)
8.5.1顯示器顯示方式的選用
程序輸入時(shí)，涉及數(shù)字鍵及N、G、M等功能鍵。采用控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的LED顯示器。因數(shù)控程序較長(zhǎng)，顯示數(shù)據(jù)較多，一次把整條指令內(nèi)容全顯示出來(lái)很不經(jīng)濟(jì)。采用段顯示法，即依次顯示X、Y 、I 、J等數(shù)據(jù)，一條指令顯示完，再顯示下一條指令。以減少LED數(shù)量。
系統(tǒng)分辨率為1μm，最大控制長(zhǎng)度為1m，需6位顯示器才能滿足要求，再加上一位符號(hào)位，須7位LED，為清晰顯示N、G、X、Y符號(hào)，符號(hào)位用一位"米"字顯示。
顯示器顯示方式有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種。本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)掃描法，即逐個(gè)點(diǎn)亮各位顯示器，因視覺(jué)殘留效應(yīng)，效果與全部顯示器持續(xù)點(diǎn)亮一樣。
8.5.2顯示器接口
為實(shí)現(xiàn)顯示器動(dòng)態(tài)掃描，對(duì)顯示器提供字形代碼輸入及顯示位控制，因此顯示器接口需有字形和字位控制。89C51P0口輸出BCD碼，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器、鎖存器輸出字形到LED，構(gòu)成傳送電路。（顯示電路見(jiàn)附圖1）
8.5.3 8155擴(kuò)展I/O端口的初始化
由上圖的硬件連接得到8155初始化程序：
8155有關(guān)地址寄存器端口地址為:
100H 命令字寄存器
104H 定時(shí)器低字節(jié)
105H 定時(shí)器高字節(jié)
相應(yīng)初始化程序?yàn)?
ORG 0A00H
MOV DPTR,#100H
MOV A,#7H
MOVX @R0,A
……
END
因?yàn)镻3.3接行程開(kāi)關(guān),處于高優(yōu)先級(jí)，所以IP、IE初始化為：
SETB PX0
SETP PX1
CLR PT0
CLR PT1
CLR PS
SETB EX0
SETB EX1
SETB ET0
SETB ET1
SETB ES
CLS ET2
SETB EA
PSW、TCON、TMOD初始化：
MOV PSW，#00H
SETB IT0
SETB IT1
SETB IE0
SETB IE1
SETB TR0
SETB TR1
TMOD工作在方式2，所以初始化為：
MOV TMOD ，#66H
8.6 插補(bǔ)原理
插補(bǔ)是對(duì)直線、圓弧等低次方程曲線的一種逼近方式。通過(guò)計(jì)算使沿坐標(biāo)方向的折線所構(gòu)成的圖形與加工圖形間的誤差保持在允許的范圍內(nèi)。常用的方法有逐點(diǎn)比較法、積分法。本設(shè)計(jì)選用逐點(diǎn)比較法。
逐點(diǎn)比較法工作原理：在控制過(guò)程中，逐步計(jì)算，判別折線運(yùn)動(dòng)與要求軌跡之間的偏差，決定下一步的進(jìn)給方向。用步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)沿某一方向進(jìn)給一步。一個(gè)插補(bǔ)由四個(gè)節(jié)拍組成，即偏差判別，進(jìn)給，偏差計(jì)算，終點(diǎn)計(jì)算。無(wú)論是直線插補(bǔ)、順圓插補(bǔ)、逆圓插補(bǔ)都遵守這樣的四步原則。
8.7光電隔離電路
在實(shí)際電路中，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間有一個(gè)強(qiáng)電干擾的問(wèn)題。光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號(hào),對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長(zhǎng)、體積小耐沖擊等好處，使其在強(qiáng)-弱電接口，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。故在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意輸入信號(hào)電路與單片機(jī)連接時(shí)的隔離。在這里，采用光電耦合是最常用的方法。光電耦合器具有三個(gè)特點(diǎn)：①信號(hào)傳遞采取電-光-電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，能夠避免輸出端對(duì)輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾，②抑制噪聲干擾能力強(qiáng)；③具有耐用、可靠性高和速度快等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)以?xún)?nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于10ns。在系統(tǒng)圖示中，模擬地用AGND表示，而數(shù)字地用DGND表示，以示區(qū)別。光耦電路原理圖8-9。
VCC1 VCC2
R1 R2
1
1
GND
圖8-9 光耦電路原理圖
8.8越界報(bào)警電路
為防止工作臺(tái)行程越界，設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，本設(shè)計(jì)中有四個(gè)限位開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)于四種越界可能。，一旦越界，立即發(fā)出越界信號(hào)，啟動(dòng)中斷方式，停止工作臺(tái)的移動(dòng)。等待處理。并發(fā)出紅燈報(bào)警。在正常工作時(shí)，則是綠燈亮。兩燈均由8155Pb4口控制。
無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
第九章 步進(jìn)電機(jī)接口電路及驅(qū)動(dòng)
本設(shè)計(jì)選用五相步進(jìn)電機(jī)M56853S，工作方式為2細(xì)分工作方式，并選擇2CK輸入工作方式。步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器RD-0534M驅(qū)動(dòng)。而單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)和停止及正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖按順序供給電機(jī)各相，脈沖發(fā)生由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生，并且具有各種系統(tǒng)保護(hù)。RD-0534M驅(qū)動(dòng)器的主要控制端有：
順時(shí)方向控制端CW；逆時(shí)方向控制端CCW；運(yùn)行方式控制端4PIN，所需聯(lián)接控制信號(hào)由2#8155PB口控制。
X、Y向步進(jìn)電機(jī)各用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制，電機(jī)以五相方式工作。由于RD-0534M驅(qū)動(dòng)器具有良好的工作性能，并且又具有較強(qiáng)的保護(hù)功能，所以系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定。
單片機(jī)控制RD-0534M工作時(shí)有一個(gè)脈沖電流的要求，故在兩者之間加了控制三極管。以滿足控制要求。（硬件布置見(jiàn)附圖1）
單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制主要在于脈沖分配，實(shí)現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法。這里通過(guò)單片機(jī)發(fā)出信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器驅(qū)動(dòng)放大直接控制，需要采用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配。
橫向進(jìn)給采用五相十拍步進(jìn)電機(jī)，五相十拍工作方式通電換相的正序?yàn)椋篈B-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10個(gè)通電狀態(tài)。如果P1.4-P1.0輸出的控制信號(hào)中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，P1.7-P1.5三相六拍步進(jìn)電機(jī)，設(shè)為1（即五相十拍步進(jìn)電機(jī)工作，三相六拍步進(jìn)電機(jī)不工作），控制則可用10個(gè)控制字來(lái)對(duì)應(yīng)這10個(gè)通電狀態(tài)。這10個(gè)控制字如表9-1所列。
表9-1 狀態(tài)控制字
通電狀態(tài)
P1.4(E)
P1.3(D)
P1.2(C)
P1.1(B)
P1.0(A)
控制字
AB
1
1
0
0
1
FCH
ABC
1
1
0
0
0
F8H
BC
1
1
0
0
1
F9H
CBD
1
0
0
0
1
F1H
CD
1
0
0
1
1
F3H
CDE
0
0
0
1
1
E3H
DE
0
0
1
1
1
E7H
DEA
0
0
1
1
0
E6H
EA
0
1
1
1
0
EEH
EAB
0
1
1
0
0
ECH
軟件脈沖分配子程序
正轉(zhuǎn)程序?yàn)椋?
CW: INC R0
CJNE R0,#0AH,ZZ
MOVE R0,#00H
ZZ: MOV A,R0
MOV DPTR,#ABC
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
RET
A
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