数控激光切割机

摘 要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小和形状复杂的零件,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流程设计。关键词: CNC 激光切割机床 结构 设计1 / 43ABSTRACTLaser 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.Keywords:CNC;laser cutting machine tools;architecture;design目录摘要IABSTRACTII目录III第一章绪论11.1课题背景11.2课题研究的目的和意义11.3国外现状21.4存在的主要问题31.5设计任务31.6总体设计方案4第二章机械部分设计52.1机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计52.1.1XY工作台设计52.1.2.Z轴随动系统52.2滚珠丝杠传动系统的设计计算62.2.1滚珠丝杠的选型62.2.2丝杠的校核72.3直线滚动导轨的选型82.4步进电机及其传动机构的确定92.4.1 步进电机的特点优点92.5齿轮传动机构的确定102.5.1传动比确定102.5.2消隙方法112.6轴承的选择11第三章数控系统设计123.1确定机床控制系统方案123.2主要芯片配置133.2.1主要芯片选择133.2.2 主要管脚功能133.2.3 EPROM的选用143.2.4 RAM的选用143.2.5 89C51存储器及I/O的扩展153.2.6 8155工作方式查询163.2.7状态查询173.2.8 8155定时功能173.3键盘设计183.3.1键盘定义及功能183.3.2 键盘程序设计183.4显示器设计203.4.1显示器显示方式的选用203.4.2显示器接口203.5步进电机的驱动233.6光电隔离电路243.7越界报警电路25结论26致27参考文献28第一章 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。的高度重视。1971年11月,美国通用汽车公司率先使用一台250W CO2激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究,并于1974年成功地完成了汽车转向器壳表面可锻铸铁材质激光淬火工艺研究,淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。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。1.2课题研究的目的和意义激光切割机是光、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。在高功率数控激光切割成套设备开发及制造方面,经过十几年的发展,我国激光切割技术及装备从无到有,已逐步形成一定产业规模。20XX国大型激光切割设备的销售额达到15亿元,在中低端产品方面基本占领国市场,并有部分产品出口。但与美国、欧盟、日本等发达国家相比,我国的激光切割设备仍然停留在低端产品阶段,而且高功率激光器、激光专用控制系统、激光光束传输控制、激光切割专有技术等绝大部分核心技术还依赖进口。目前,国际上德国通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和意大利PRIMA等国际知名公司已经开发出大功率、大幅面、高速、飞行光路、多维立体、数控自动的激光切割机。在高端激光切割系统领域,我国与国际先进水平存在较大差距,产品基本依赖进口,每年不得不花费数十亿元从国外引进相关技术与设备。如船舶制造业中厚钢板的激光切割设备、三维立体激光切割设备、有色金属激光切割设备等,引进价格昂贵、订货周期长、售后服务无法及时保证,严重制约了我围困民经济的发展。并且由于国外在该领域出口对我国有明确的限制,采用许可证制度,严格规定该项技术不能用于军工、航空航天等领域,因此我国急需突破该项技术。1.3国外现状激光加工是国外激光应用中最大的项目,也是对传统产业改造的重要手段,主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。 激光加工应用领域中,CO2激光器以切割和焊接应用最广,分别占到70和20,表面处理则不到10。而YAG激光器的应用是以焊接、标记50和切割15为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了7080。我国激光加工中以切割为主的占10,其中98以上的CO2激光器,功率在1.5kW2kW围,而以热处理为主的约占15,大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高,故有很大的市场前景。 在汽车工业中,激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产量使用三维激光切割机,不仅节省了样板及工装设备,还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔,速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺,日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接,将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起,然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍,但在汽车工业中仍应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家,激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合,派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型,而且还可以直接由金属粉末熔融,制造出金属模具。 到了80年代,YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度,但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件,如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。 目前,国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达3050kw,打孔用的脉冲宽度越来越窄,重复频率越来越高,激光器输出参数的提高,很大程度上改善了打孔质量,提高了打孔速度,也扩大了打孔的应用围。国目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。1.4存在的主要问题1、科研成果转化为商品的能力差,许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段；2、激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差。国外不仅二级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中,而且二级管激光器也被应用,而我国二极管泵浦的全固态激光器还处在刚开始研究开发阶段。 3、对加工技术的研究少,尤其对精细加工技术的研究更为薄弱,对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。4、激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差,难以满足工业生产的需要。总结：激光加工与柔性制造系统有很好的的相容性,把两者结合起来形成激光柔性加工系统,在彼此相互配合良好的条件下肯定会收到非凡的效果并取得良好的收益。1.5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0.01mm/ 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。1.6总体设计方案图1-1 系统原理图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。其原理示意如图1-6.。滚珠丝杠的生产厂家很多,本设计参照了汉江机床厂、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SFK系列滚珠丝杠,即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FLASHE2PROM,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。第二章 机械部分设计2.1机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计2.1.1XY工作台设计.本设计的XY工作台的参数定为：工作台行程：横向300mm,纵向400mm工作台最大尺寸长宽高：46034050mm,材料HT200,约536N中杔座尺寸80036090mm,材料HT200,约重1778N估计其他零件重量为250N工作台最大承载重量：120Kg则下托座导轨副承受的最大载荷为：536+1778+250+1200=3764NXY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围。2.1.2.Z轴随动系统激光切割机对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。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。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轴示意图2.2滚珠丝杠传动系统的设计计算滚珠丝杠的优点：1传动效率高。2灵敏度高。无颤动、无爬行,同步性好。3定位精度高。4使用寿命长。是普通滑动丝杠的4倍以上,磨损小,精度保持期长。5使用、润滑和维修方便、可靠。6可逆向传动,不自锁。在垂直使用或需急停时,应附加自锁或制动装置 相对于梯形丝杠价位偏高,但是性价比还是很好的,目前大部分需要使用丝杠的部位都是用的滚珠丝杠2.2.1滚珠丝杠的选型初定导程=4mm轴向负载工作载荷 查表取,则额定动载荷= 所要选取的滚珠丝杠额定动载荷必须要大于153.5N,查资料选取SFK1004型滚珠丝杠。其中,D=26mm,l=400mm,。2.2.2丝杠的校核一端固定的长丝杠可能会发生失稳,可验算安全系数s丝杠不失稳的临界载荷其中E=206GPa l=0.4m 取u= 则=3.65 则S= 符合要求 长丝杠可能发生共振,验证不发生共振的最高转速 要求 符合要求。此外滚珠丝杠副还收最大进给速度的影响,通常要求 合格滚珠丝杠在工作负载F和转矩T作用下引起的每个导程变形量为： 式中：A为横截面积 A= T为转矩 T=0.p01N P= G=83.3GPa钢符合要求效率验算 要求 合格：螺旋升角：摩擦角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。2.3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。具体型号：X向选用GGB20BA2P,2 500-4 Y向选用GGB20AB2P,2 1100-42.4步进电机及其传动机构的确定2.4.1步进电机的特点优点1. 电机旋转的角度正比于脉冲数； 2. 电机停转的时候具有最大的转矩当绕组激磁时； 3. 由于每步的精度在百分之三到百分之五,而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4 优秀的起停和反转响应； 5 由于没有电刷,可靠性较高,因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命； 6 电机的响应仅由数字输入脉冲确定,因而可以采用开环控制,这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本 7 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 8 由于速度正比于脉冲频率,因而有比较宽的转速围 缺点1 如果控制不当容易产生共振； 2 难以运转到较高的转速。2.4.2步进电机的选择脉冲当量为0.01mm 步距角起动力矩：M=步进电机快速空载起动时折算到电机轴上的最大加速转矩为 , 是移动件的摩擦转矩 材料为钢的圆柱体的转动惯量：其中为由0所需时间定为0.4s,总效率=0.7因此选用110BYG260C-0402型步进电机其最大静转矩为8N.M5.7N.M 步距角为 相数为3。2.5齿轮传动机构的确定2.5.1传动比确定降速传动比i= 取齿轮1齿数 齿轮2齿数 模数m=2d1=m=36 中心距 材料为45号钢.2.5.2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。本文采用双片齿轮错齿调整法,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,用来安装弹簧。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。图2-3双片齿轮错齿调整法2.6轴承的选择滚珠丝杠上靠近电机端选用圆锥滚子轴承：TIMEN32304d=20mm D=52mm B=21mm另一端选用深沟球轴承中的FAG6204 径d=20mm D=47mm B=14mm第三章 数控系统设计3.1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。图3-1 总流程图机床开始工作时,首先应该关闭中断,然后进行初始化,将数据区清空以便进行新的而操作,然后重新把中断打开,再去读键,知道是哪一个键被按下,然后进行相应的键处理,判断是需要机床进行什么操作,然后调用相应的子程序。进行相应的操作。3.2主要芯片配置3.2.1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。3.2.2 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有4K的FLASH,但为了方便接线和各程序的存放,故不使用部程序存储器,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。3.2.3 EPROM的选用为简化电路,此处选用2764EPROM 。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。3.2.4 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。3.2.5 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。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。8155许多信号与89C51兼容,可直接联接,因8155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图3-2 8155引脚及部结构3.2.6 8155工作方式查询8155I/O工作方式选择通过对8155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。ABFBBF：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。ASTBBSTB：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3-3 命令寄存器格式3.2.7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。3.2.8 8155定时功能8155芯片有一个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M04H,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。3.3键盘设计3.3.1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,清除存中的随机数。对中心键钼丝自动找准预定的中心位置。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。3.3.2 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3-1.表3-1 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3-4 键盘扫描流程图3.4显示器设计3.4.1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。3.4.2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3-5 显示器接口此处为6位8段LED动态显示电路,所谓动态显示就是指无论在任何时刻只有一个LED数码管处于显示状态,为简化硬件电路,将所有显示位的段码线相应段并联在一起,有一个8位的I/O口控制,而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口线控制,形成各位的分时选通。虽然这些字符是在不同时刻出现,但由于数码管的余晖和人眼的视觉暂留作用,只要各位显示间隔足够短,则可以造成多位同时亮的假象,达到同时显示的效果。图3-6 显示流程图3.5步进电机的驱动图3-7 步进电机的驱动电路对步进电机的驱动采用如图所示的驱动电路,高压开关管T3在刚开始通电时,由于电流增大,变压器两侧存在电势差,T3导通,使高电压为电动机绕组供电,当电流稳定时,变压器两端不存在电势差,开关管T3截止,使低压为电动机绕组供电。以达到高压起动,低压维持的目的。一般高压的选择围为80150V,低压选择围是520V。选择时不要偏离步进电机的额定值太远。图3-8 8713芯片接线图本课题采用硬件法实现脉冲分配,选用8713芯片,8713可以选择单时钟或双时钟,具有正反转控制,初始化复位,工作方式和输入脉冲状态监视功能,所有输入端部都设有施密特整形电路,提高抗干扰能力,使用418V直流电源,输出电流为20mA。由于采用了脉冲分配器,故单片机只需要提供步进脉冲,进行速度控制和转向控制,脉冲分配的工作交给脉冲分配器来自动完成。因此,CPU的负担减轻许多。3.6光电隔离电路图3-9 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,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。3.7越界报警电路图3-10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。机床的X,Y,Z三个方向分别有两个行程开关,如果碰到形成开关,则红灯发出报警,每个方向的2个开关时或连接,只要有一个达到要求,就会触发报警。同时三个方向的形成开关又组成一个与门,只要有一个方向的开关闭合,则也会触发报警装置。结 论通过对数控激光切割机的整体设计,确定了一台合理的立式机床结构。1、根据题目要求,设计出了一个结构合理的XY轴工作台,同时对工作台进行了受力分析、设计计算,对滚珠丝杠传动系统传动效率、强度等也进行了相应的计算,对直线滚动导轨如何选型进行了深度分析,确定步进电机及其传动机构并进行了惯性负载计算、刚度讨论等,分别来验证了其合理性。2、利用单片机本设计采用了89C51为主控芯片,设计出了一个比较合理的数控硬件电路与步进电机驱动相匹配的数控软件连接,由单片机控制步进电机来实现XYZ方向的运动。3、在设计中对机床数控部分的I/O进行了扩展,并对键盘和显示器进行了相应的设计,对程序进行了初始化。4、基本完成了经济型数控激光切割机的设计,按此设计的切割机可以满足生产的实际需要。致 经过3个月的忙碌和工作,本次毕业设计已经接近尾声,作为一个本科生,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有指导教师的督促指导以及同学们的支持,想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感我的导师,他平日里工作繁多,但在我做毕业设计的每个阶段,从外出实习到查阅资料,设计草案的确定和修改,中期检查,后期详细设计,装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。除了敬佩邓老师渊博的学识外,他严谨的治学态度、平易近人的作风和认真负责的工作态度也是我永远学习的榜样,并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感大学四年来所有的老师,为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感所有的同学们,正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。 最后感理工大学四年来对我的栽培。参考文献1蓝信钜等编著.激光技术. ：科学,20052 学仁.数控电火花线切割加工技术. ：工业,20003 广弟.单片机基础.：航空航天大学出版,20024 玉华.典型机械电产品构造. ：科学,20065 婵娟.数控机床设计. ：化学工业,20066 秉操等.单片机原理及其在工业控制中的应用. ：电子编辑部,19917 文秀兰等.超精密加工技术与设备. ：化学工业,20068 RORZE株式会社.RORZE综合手册.19969 胡传昕.特种加工手册. ：,200110 林其俊.机床数控系统. ：中国科学技术,199111 王爱玲.现代数控机床结构与设计. ：兵器工业,199912 万生.电火花加工技术. ：工业,200013 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Mechanical Power Transmission. New Jersey: Printice-Hall,198019 8-bit Microcontrolller With 4K Bytes Flash AT89C51. ATMEL,2000.20 IR.High Performance Configurable Digital AC Servo Control IC.2004.21 Vishay Siliconix.3 Phase Brushless DC Moter Controller.2004