×数控激光切割机设计方案

作者：Pan Hon glia ng仅供个人学习400 X 600数控激光切割机设计摘要：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。本文设计了一台基于ARM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升降，XY轴的结构设计计算、机械平台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STM32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 电机的控制程序设计。关键词 CNC，激光切割机床，XY工作台，ARM我们提供机械结构图纸，软件源码代码不提供，硬件板卡只提供部分资料提供成品机器一台供你调试这样能够让你顺利进行科研项目研究，为争取更多立项资金提供保障有需求者，可以直接加我 QQ1454237210其他更多解决方案，价格等等详细咨询，也请加我Q后联系目录第一章绪论 11.1激光技术概述 11.2激光切割机的应用 11.3设计任务 11.4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42.1 XY工作台的设计 4主要设计参数及依据 42.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析 4初步确定XY工作台尺寸及估算重量 42.2 Z轴升降平台设计 5第三章滚珠丝杠传动系统的设计计算73.1滚珠丝杠副导程的确定 73.2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 115.1步进电机的选用 11脉冲当量和步距角 11步进电机上起动力矩的近似计算 11确定步进电机最高工作频率 125.2齿轮传动机构的确定 12传动比的确定 12522齿轮结构主要参数的确定 125.3步进电机惯性负载的计算 13第六章传动系统刚度的确定156.1根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 156.2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177.1消隙方法 17偏心轴套调整法 17锥度齿轮调整法 18双片齿轮错齿调整法 187.2预紧 19第八章控制系统设计 208.1确定机床控制系统方案 208.2主要硬件配置 20主要芯片选择 20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421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内表面（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；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。1.2现实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。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）控制激光切割机床，主毕业设计目录要设计对象是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/ pluseo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。1.4总体设计方案分析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 理示意图1.1。X向工作台丫向工作台图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，对环境要毕业设计目录求不高，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 (E2PR0M),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。1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内表面(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；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。1.2现实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。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）控制激光切割机床，主毕业设计1绪论要设计对象是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/ pluseo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。1.4总体设计方案分析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 理示意图1.1。X向工作台控制器驱动器驱动器步进电机步进电机丫向工作台图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，对环境要毕业设计1绪论求不高，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 (E2PR0M),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。毕业设计2机械部分.XY工作台及.Z轴的基本结构设计.2机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计2.1 XY工作台的设计主要设计参数及依据本设计的.XY工作台的参数定为： 工作台行程：横向.320mm,纵向.450mm 工作台最大尺寸(长x宽x高)：.1100X 900x 300mm 工作台最大承载重量：.120Kg 脉冲当量：.0.001mm/pluse 进给速度：.60平方毫米/min 表面粗糙度：.0.81.6 设计寿命：.15年2.1.2 XY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 丫向。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范围。 初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台尺寸(长X宽X高度)为:1200X 950X 70mm,材料为.HT200,估重 为.625N (W1)。设中托座尺寸(长X宽X高度)为:1200X 520X 220mm,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)。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毕业设计2机械部分.XY工作台及.Z轴的基本结构设计.2.2 Z轴随动系统设计激光切割机对.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 （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。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（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。Z轴电机Z轴丝杆.平衡气缸 直线导轨5反光镜 切割头图.2.1 Z轴随动机构勿做商业用途个人收集整理毕业设计3滚珠丝杆传动设计的设计计算.3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 2504-3/490X 500Y 向：FFZD 2504-3/500X 1100（二）因.X向的滚珠丝杆比.丫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，.丫向根据.X向的结果相同选用即可满足要求。（三）具体计算如下。3.1强度计算轴向负荷计算公式：.a式（.3.1）F =F+UW式中.F切削力，.F=0W工件重量加工作台重量 W=2301NU滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为），取.U=0.004则根据式（ 3.1）：.Fa= 0.004 2X01=92N激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的.Go=（），。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： h= tg y/ tg （yr+）式（3.2） 式中书一滚珠丝杠的螺纹升角P /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：p / . =4 00,. tgp/ . =0.0025;因为书.=arctg （Ph/n d）式（.3.3）式中:Ph导程，.4mmd丝杠公称直径，.25mm则根据式（ 3.3）：6毕业设计3滚珠丝杆传动设计的设计计算.书=.2.91 则根据式（ 3.2）得:n = 0.953。表.3.1当量摩擦系数f/和当量摩擦角p/齿圈材料锡青铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度.HRC45其它.HRC 45 HRC45其它相对速度u S毕业设计4直线滚动导轨的选型.4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。参照南京工艺装备厂的产品系列。.4.1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丫 向选用.GGB20AB2P，2 1100-4图.4.1直线滚动导轨毕业设计5步进电机及其传动机构的确定.5步进电机及其传动机构的确定5.1步进电机的选用脉冲当量和步距角已知脉冲当量为.1卩m/STEP，而步距角越小，贝U加工精度越高。初选为.0.36O/STEP （二倍细分）。步进电机上起动力矩的近似计算电机起动力矩：.M = M1 +M2 式（ 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：M1 = Fa d /2 tg（yr）式（5.2）+=92X 0.025/2X tg （2.91+0.14）.=0.062N mM2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：.M2 = K Fao Ph /2p 式（5.3）式中：K 预紧时的摩擦系数，0.1 0.3Ph导程，4cmFao预紧力，有：Fao=Fao 1+Fao2取.Fao 1=0.04X Ca=0.04 X 1600=640NFao2为轴承的预紧力，轴承型号为.6004轻系列，预紧力为.Fao 2= 130N。故根据式（5.3）:.M2=0.098 N m齿轮传动比公式为：i= X P h /（360X s p）,故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为：.Tq=Mi/ h 式（5.4）.=360 X Mxs p / XnX Ph式中:S . p =1 卩 m/STEP=0.0001cm/STEPM= M1+ M 2= 0.16N =0.36o/STEPq=0.85Ph= 0.4cm9毕业设计5步进电机及其传动机构的确定.n = 0.953则根据式（5.4）:.Tq=3600.16 0001/（3.6 0.85 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-确定步进电机最高工作频率参考有关数控激光切割机床的资料.,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/cm25.2齿轮传动机构的确定传动比的确定要实现脉冲当量.1卩m/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其 传动比为：.i = f Ph /（360 d p ）式（5.5）式中：Ph为滚珠丝杠导程 为步距角.S 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 4360 0.001=4:仁Z2/Z1根据结构要求，选用.Z1为.30, Z2为.120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.渗考同类型的机床后，选择.m= 1齿轮传动 侧隙的消除。 中心距的计算:A=m X（. Z1+ 乙2）式（5.6）.=1x（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。毕业设计5步进电机及其传动机构的确定.5.3步进电机惯性负载的计算由资料知，激光切割机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：.D=01 1223 4 m wD ) mn 式(5.7)J J +J +(Z/Z)(J+J)+ J (V/ 2式中：J D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.eJ1为齿轮.Z l的转动惯量.J2为齿轮.Z 2的转动惯量.J3为齿轮.Z 3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.3 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， m n=112.5Kg齿轮惯性转矩计算公式：.J=r2m=r2G/g 式(5.8)其中：P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=p RLD/32 式(5.9)最后计算可得：.J1=0.1 W-3Kg. m2J2=1.32 10-3Kg. m2J3=2.98 10-4Kg. m2J4=1.14 10-5Kg. m2Vm=12 m/s3 D=2n rad/s故惯性负载根据式（5.7）得:11毕业设计5步进电机及其传动机构的确定JD=J0+J1+(ZI/Z2)( J2+ J3) + J4 (Vm/ 3 D)2 X 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。12毕业设计6传动系统刚度的讨论.6传动系统刚度的分析激光切割机.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.K 0或.C 0决定的，在估算时，取.K=K 0，C=C 0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.K 0，根据支承形式可得：.Ko =EF /3 L *10 -3（Kgf / mm）式（6.1）式中：E=2.06X 10 -4（Kgf/ mm 2）F=754.8mm 2L=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=230kgfF 静摩擦系数，取.部件调整时，所需的最小进给量则：.F0=230X).004=0.92KGF毕业设计6传动系统刚度的讨论A=0.5 S p=0.5 卩 m/STEP即满足微量进给要求的传动系统刚度为：K F0/A =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。14毕业设计7消隙方法与预紧7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。偏心轴套调整法如图7.1,齿轮1装在电动机轴上，调整偏心轴套2可以改变齿轮1和3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7.1偏心轴套调整法毕业设计7消隙方法与预紧锥度齿轮调整法如图7.2所示将一对齿轮1和2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3的厚度就能改变齿轮1和2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。毕业设计7消隙方法与预紧图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。17毕业设计8数控系统设计.8数控系统设计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：单片机I/O口扩展驱动器存储器扩展驱动器键盘显示器X轴电机丫轴电机Z轴电机纵向丝杠横向丝杠图.8.1控制系统框图8.2主要芯片配置821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。822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.P 0 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.1/6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。光电隔离功率放大Z向丝杠.毕业设计8数控系统设计. 89C51中.I/O 口的介绍.P0 口 一一外接存储器时，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；.PO P3 口均为八位双向口。P 0 口可驱动.8个.TTL门电路，P P3 口只能 驱动四个.TTL门电路。 时钟一一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.P 0口经地址锁存器，提供八位.A 0-A7,高八位.A 8A15由.P2 口直 接提供。数据总线.DB数据总线为.8位，自.P 0 口直接提供。,控制总线.CB由.P 3 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： A0A12 13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： 读方式一一.OE及CE为低电平，Vpp = + 5V时处于读出方式 写方式一一.OE为低电平,PGM亦为低电平，V PP= + 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。 编程禁止方式一此为向多片.2764写入不同程序而设置的，当.V PP=+21V 时，CE为高电平时，2764芯片处于编程禁止状态。19毕业设计8数控系统设计.824 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：. A0A1213位地址线 101 107数据输入输出线 0E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： 读方式一一.0E及CE为低电平，.WE为高电平时，6264将数据输出到指定地址。 写方式一一.CE为低电平，.WE亦为低电平时，允许数据输入。 封锁方式一一.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.A 0-A7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接， 将.A 8- A 13脚与.89C51 的.P 2 口.相联接，其余地址线经.P 2.5-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.D 0 D l与.89C51P0 口联接。控制线.89C51 PSEN与.2764 CE相联，89C51从外部.EPROM取指令。.WR、. RD分别与.6264 WE、OE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内部已有锁存器，因此.8155数据地址复合线.AD 0 一 AD 7与89C51P 0 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.P 2.0直接作为.10/ 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.8220毕业设计8数控系统设计.图.8.2 8155引脚及内部结构826 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.ALT 1, ALT 2，ALT 3，ALT 4。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.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。PCO为.AINTR，PC1为ABF，PC2 为.ASTB，PC3PC5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。毕业设计8数控系统设计.定义端口 . A0:输入.00：空操作.0:禁止.A 口中断.1输出01:停止计数.1允许.A 口中断10:时间到则停止计数.11置入工作方式和计数定义端口 . B 长度后立即启动计数，若0:输入.正在计数，溢出后按新的1:输出方式和长度计数.0:禁止.B 口中断.1:允许.B 口中断.定义端口 . C00: 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: AINTRPC1: ABFPC2: ASTBPC3PC5:输入输出.PC0: AINTRPC1: ABFPC2: ASTBPC3: BINTRPC4: BBFPC5: BSTB图.8.3命令寄存器格式状态查询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。毕业设计8数控系统设计.xA 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-9FFFH89C51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)M/IO = 0 时，8155(1)内部.RAM 地址范围 E000H-E0FFH23毕业设计8数控系统设计.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：.E105H2#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-0A0FFHM /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：.0A05H8.3键盘设计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：急停键一一运行时按该键，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。恢复运行键一一处于急停或暂停时，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“一”，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、丫、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 疋某一程序段为起割点，单步一步进电机走一拍就停止工作，回零一钼丝重新置于起点，运行一加工开始确认。832键盘程序设计本设计米用非编码式矩阵式键盘，.1#8155为键盘接口，按五行六列布线。.PAO 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。24毕业设计8数控系统设计.定义各行首键号为.OOH、06H、OCH、12H、18H，键码.二行号+列号。键号键功能对应表.8.1表.8.1键号键功能对应键号.OOH- 09H OAH OBH OCH ODH OEH OFH 10H 11H 12H 1E功能.O 9 .LF%N G M F SX键号.13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1F 功能.IDEL COPY ZOOMDISP IDX纸带穿孔单步回零运行.SHIFTW全1 (. 3FH)送.C 口关显示返回监视行值左移一位扫完一遍列值列值窜键().工 01 加1窜键标志加1被按键列值.丰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)图.8.6键盘扫描程序流程图毕业设计8数控系统设计. 求键值子程序查到关键字行序号加 1键值计数器加.1送行序号初值.0送行值右移一位行值行序号左移四位行列值低四位相加得关键字键值送图.8.7求键值子程序键盘扫描子程序ORG 0500HSCAN:MOV A,#OOHMOV DPTR, #E101HMOVX DPTR, AMOV A #3FHMOV DDPTR, #E103HMOVX #DPTR, AMOV DPTR, #E102HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE3 A, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4毕业设计8数控系统设计.NEXT1: ACALL DS20msCLR CMOV R2, #00HMOV R1, #01HLOOP: INC DPTRMOV A,R1MOVX #DPTR, AMOV DPTR, #8002HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE A, #1FH, NEXT2SJMP NEXT3NEXT2: INC R2CJNE R2, #01H, NEXT4MOV R4, AMOV A,R1MOV R3,ANEXT3: MOV A,R1RLC AMOV R1,ACJNE A,#40H, LOOPAJMP KCODENEXT4:CLR ARETEND求键值子程序.ORG 0560HKCODE: . MOV R 1，. #00HMOV A，CLR CLOOP: RRC AJZ NEXT1INC R1SJMP LOOP