數(shù)控激光切割機X Y工作臺部件及單片機控制設計

1、華東交通大學理工學院Institute of Technology.East China Jiaotong University畢 業(yè) 設 計Graduation Design（20082012年）題 目 數(shù)控激光切割機XY工作臺部件及單片機控制設計分 院： 機電工程分院專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化班 級： 機制20081學 號： 20080410220112姓 名： 金星星指導教師： 唐 剛?cè)A東交通大學理工學院畢業(yè)設計原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的畢業(yè)設計是本人在導師指導下獨立進行的研究工作所取得的研究成果。設計中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均已在設計中特別加以標注引用，除此之外

2、，本設計不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。畢業(yè)設計作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設計版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)設計作者完全了解學院有關保留、使用畢業(yè)設計的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交設計的復印件和電子版，允許設計被查閱和借閱。本人授權(quán)華東交通大學理工學院可以將本設計的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編畢業(yè)設計。（保密的畢業(yè)設計在解密后適用本授權(quán)書）畢業(yè)設計作者簽名： 指導教師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期：

3、 年 月 日華東交通大學理工學院畢業(yè)設計摘 要激光切割的適用對象主要是難切割材料，如高強度、高韌性材料以及精密細小和形狀復雜的零件，因而數(shù)控激光切割在我國制造業(yè)中正發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)也在不斷進步。和普通機床相比，數(shù)控機床具有剛度、抗振性、熱變形小、無間隙、低摩擦、高速下運行平穩(wěn)、定位精度高、跟蹤性好等一系列特點。本文設計了一臺單片機控制的數(shù)控激光切割機床，主要完成了：機床整體結(jié)構(gòu)設計，Z軸、XY軸的結(jié)構(gòu)設計計算、滾珠絲杠、直線滾動導軌的選擇及其強度分析；以步進電機為進給驅(qū)動的驅(qū)動系統(tǒng)及其傳動機構(gòu)的分析設計計算；以8031為主控芯片的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設

4、計、系統(tǒng)初始化設計及系統(tǒng)軟件方案設計和步進電機的控制程序設計。關鍵詞:CNC，激光切割機床，結(jié)構(gòu)，設計1金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計AbstractLaser 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 playi

5、ng an important role in China's manufacturing industry. Along with the micro electron technology ,the computer technology development ,the numerical control system is also progressing .Has the rigidity high with the ordinary engine bed ,the vibration-proof ,the small thermal deformation ,ceasele

6、ss ,the low friction ,high speed under moves steadily ,the pointing accuraly high ,the track is good and so on a series of merits .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

7、, 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;8031 chip was mainly used for the design of hardware circuit, the design of system initialization and the design of stepper motors

8、controlling program.Key words: CNC, laser cutting machine tools, architecture, design2華東交通大學理工學院畢業(yè)設計目 錄摘 要································&#

9、183;··········································· ABSTRACT·····

10、;··················································

11、;·················· 前 言·······························&

12、#183;···································11.1本課題的內(nèi)容及選題意義···········

13、3;····································11.2本課題的原始數(shù)據(jù)及設計要求···········

14、;·································21.2.1原始數(shù)據(jù)···············&

15、#183;·······································21.2.2設計要求········

16、83;··············································21.3 本課題的研究內(nèi)容及設計方案 &#

17、183;·······································31.3.1 研究內(nèi)容········

18、83;··············································31.3.2 設計方案·

19、3;·················································

20、3;····3第二章 機械工作臺XY工作部件的計算與選型···································42.1確定系統(tǒng)的脈沖當量·····

21、;·············································42.2 XY工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析·

22、83;·····································42.3 滾珠絲桿螺母副的計算與選型·········

23、83;································42.3.1最大工作載荷Fm的計算··············

24、3;·······························42.3.2最大動載荷FQ的計算················

25、································42.3.3滾珠絲桿螺母副的選型···············&#

26、183;·······························52.3.4傳動效率的計算················&

27、#183;··································52.3.5剛度的驗算·············&#

28、183;···········································52.4直線滾動導軌副的計算與選型···

29、83;·······································62.5齒輪進給齒輪箱傳動比計算········

30、;·····································72.6步進電動機的計算和選型··········&#

31、183;····································72.6.1計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq·········

32、;···················72.6.2計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq··························&

33、#183;·72.7 消隙與預緊··············································

34、83;·············92.8設計繪制進給伺服系統(tǒng)裝配圖·································

35、3;···········11第三章 單片機控制設計····································

36、83;················123.1硬件電路設計內(nèi)容·······························&#

37、183;······················123.1.1確定機床控制系統(tǒng)方案························

38、83;·····················123.1.2選擇中央處理器CPU類型·························&#

39、183;··················123金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計3.1.3主要管腳功能·························

40、;·······························123.1.4 EPROM的選用················&

41、#183;······································133.1.5 RAM的選用·········

42、;················································143.1.6擴展I/

43、O接口的設計·················································

44、·153.1.7狀態(tài)查詢···············································&

45、#183;············173.1.8 8155定時功能··································

46、83;····················173.2機床數(shù)控系統(tǒng)軟件設計···························

47、·······················183.2.1軟件脈沖分配器 ························

48、83;···························183.2.2步進電機的升降速軟件設計 ···················&

49、#183;······················20第四章 數(shù)控機床零件加工程序 ························&#

50、183;····················24 4.1工藝路線···························

51、3;·································244.2程序···············

52、83;·················································24

53、結(jié)論·················································

54、3;····················26 參考文獻····························

55、83;·····································274華東交通大學理工學院畢業(yè)設計前 言本課題研究數(shù)控激光切割機部件的機械結(jié)構(gòu)和單片機數(shù)控系統(tǒng)。本次設計任務是數(shù)控激光切割機XY工作臺部件及其單片機控

56、制設計。激光切割的適用對象主要是難切割材料，如高強度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密細小和形狀復雜的零件。激光切割技術(shù)、激光切割機床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應用。因此研究和設計數(shù)控激光切割有很強的現(xiàn)實意義。微機控制技術(shù)正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。下面是我國激光切割機的發(fā)展歷史：1994年湖南大學激光研究所研制成功國內(nèi)第一臺析架式折疊準封離型切割與焊接激光器，并獲得國家發(fā)明專利。每臺設備的售價只有國外產(chǎn)品的1/2.2003年3月，中科院長春光機與物理研究所研制的“數(shù)控激光管材加工設備”，改變了我國石油行業(yè)依賴進口設備加工管材的局面。這標志著我國制造先進裝備的能力已達到國際先進水平。濟南鑄

57、鍛所數(shù)控機械公司開發(fā)制造出國產(chǎn)第一臺LC2-18*30型交換式雙工作臺雙邊驅(qū)動數(shù)控精密激光切割機。在設計上突破了兩項關鍵技術(shù)，一是解決了軸雙邊驅(qū)動時兩個電極的同步問題，二是解決了升降工作臺8個氣缸的同步問題。2004年9月，華工科技成功推出第一臺國產(chǎn)化高性能激光切割機。日本目前已擁有CO2激光加工機2萬臺，約占全球激光加工機總量的1/3，其中80%為激光切割機設備。日本自1995年以來，年生產(chǎn)激光加工機已超過500臺左右，其中YAG激光切割機100多臺。全球的高功率數(shù)控激光切割成套設備累計擁有量達35000臺（套）左右，而我國目前高功率數(shù)控激光切割成套設備的擁有量為1500臺左右。國產(chǎn)數(shù)控激光

58、切割機的主要特點是：價格較低，約是進口價格的1/3，激光器功率較低，一般為1.5KW以下。與國外機相比表現(xiàn)為切縫寬，表面質(zhì)量、機械精度、整機的穩(wěn)定性、柔性較差，但具有價格方面的優(yōu)勢。2007年國內(nèi)大型激光切割設備的銷售額達到15億元，在中低端產(chǎn)品方面基本占領國內(nèi)市場，并有部分產(chǎn)品出口。但與美國、歐盟、日本等發(fā)達國家相比，我國的激光切割設備仍然停留在低端產(chǎn)品階段，而且高功率激光器、激光專用控制系統(tǒng)、激光光束傳輸控制、激光切割專有技術(shù)等絕大部分核心技術(shù)還依賴進口。在高端激光切割系統(tǒng)領域，我國與國際先進水平存在較大差距，產(chǎn)品基本依賴進口，每年不得不花費數(shù)十億元從國外引進1金星星：數(shù)控激光切割機XY工

59、作臺部件單片機控制設計相關技術(shù)與設備。如船舶制造業(yè)中厚鋼板的激光切割設備、三維立體激光切割設備、有色金屬激光切割設備等，引進價格昂貴、訂貨周期長、售后服務無法及時保證，嚴重制約了我圍困民經(jīng)濟的發(fā)展。并且由于國外在該領域出口對我國有明確的限制，采用許可證制度，嚴格規(guī)定該項技術(shù)不能用于軍工、航空航天等領域，因此我國急需突破該項技術(shù)。選題意義：高速、高精度激光切割機由于大功率激光器光束模式的改善及32位微機的應用，為激光切割設備的高速、高精度創(chuàng)造了有利條件。1、 厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割機隨著可用于激光切割激光器功率的增大，激光切割正從輕工業(yè)薄板的鈑金加工向著重工業(yè)厚板切割方向發(fā)展。2

60、、 三維立體多軸數(shù)控激光切割機，為了滿足汽車、航空等工業(yè)的立體工件切割的需要，目前已發(fā)展了各種各樣的五軸或六軸三維激光切割機，數(shù)控軸數(shù)達到九軸，加工速度快，精度高。在先進國家的汽車生產(chǎn)線上，激光切割機器人的應用愈來愈多。激光切割單元自動化和無人化為了提高生產(chǎn)率和節(jié)省勞動力，目前激光切割正向著激光切割單元（FMC）和無人化、自動化方向發(fā)展。發(fā)展這種單元自動化系統(tǒng)，必須依賴于現(xiàn)金的自動控制、網(wǎng)絡控制技術(shù)及計算機生產(chǎn)輔助管理系統(tǒng)技術(shù)等。國外已有各種各樣的激光切割單元可供應市場，并有由6臺大型激光切割機為核心組成的無人化的切割生產(chǎn)線在工廠運行。3、 緊湊型和組合一體化數(shù)控激光切割機隨著激光器提及的縮小

61、和功率的增大，以及輔助裝置的不斷完善，出現(xiàn)了把激光器、電源、主機、控制系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)裝置等緊密地組合在一起，形成占地面積小、功能完善的整套緊湊型激光切割機。此外，激光切割技術(shù)正與激光焊接、激光表面淬火等激光加工工藝組合，以發(fā)展一機多用，進一步提高設備的利用率。1.2、本課題的原始數(shù)據(jù)及設計要求1.2.1原始數(shù)據(jù)：工作臺寬度（mm）： 900工作臺長度（mm）： 1100工作臺行程（mm）： 縱向：450 橫向：320工作臺及夾具工件重量（N）： 縱向：2500 橫向：3500起動加速時間（ms）： 302華東交通大學理工學院畢業(yè)設計1.2.2設計要求：1）CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片

62、機。2）兩個坐標的進給伺服系統(tǒng)既查采用步進電機驅(qū)動也可用直流或交流伺服電機驅(qū)動。 3）所編的零件加工程序應符合ISO標準的有關規(guī)定。既可用手工也可用UG等軟件編程。 4）所繪制的機械裝配圖和硬件電路原理圖要求正確、合理、圖面整潔、符合標準。 5）所編寫的軟件應在計算機上進行匯編和通訊等。6）說明書應簡明扼要、計算準確、條理清楚、圖文并茂并全部用計算機打印后裝訂成冊1.3、本課題的研究內(nèi)容及設計方案1.3.1研究內(nèi)容：1）兩個坐標的進給伺服系統(tǒng)機械傳動機構(gòu)的設計和計算。2）CNC系統(tǒng)硬件電路原理圖的設計。3）軸類零件工作圖的設計。4）用計算機進行軸類零件加工程序的編制。5）典型軟件的設計。1.3

63、.2設計方案:：參考數(shù)控激光切割機相關資料及設計要求，確定總體設計方案如下：采用8031單片機，單片機體積小、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好。由I/O接口輸出控制信號給驅(qū)動器，來驅(qū)動步進電機，經(jīng)齒輪機構(gòu)減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)進給。其原理示意圖1.1。3金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計第二章 機械工作臺XY部件的計算與選型脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。數(shù)控激光切割機采用的脈沖當量為0.010.005mmstep。根據(jù)設計任務要求確定脈沖當量：縱向選用：0.01mmstep 橫向選用：0.01mmstep2.2 XY工作臺部件進給系統(tǒng)

64、受力分析因激光切割機床為激光加工，其激光器與工件之間不直接接觸，因此可以認為加工過程中沒有外力負載作用，其切削力為0。XY工作臺部件有工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成，各自之間均以滾珠直線導軌副相聯(lián)，已保證相對運動精度。2.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型縱向進給絲桿因為X向的滾珠絲桿比Y向的滾珠絲桿所受的負載大，現(xiàn)只計算X向絲桿的相關數(shù)據(jù)，Y向根據(jù)X向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。橫向：由上所知：其切屑力為0，則都為零。已知縱向工作臺及夾具工件重量G=2500N，按矩形導軌進行計算，查系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)=0.004。求得滾珠絲杠

65、副的最大工作載荷：Fm=KFx+(Fz +G)=10 N已知進給速度V=1000/min，初選絲杠導程Ph=4，則絲杠轉(zhuǎn)速n=V/Ph=250r/min 取滾動絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/106得絲杠壽命系數(shù)L0=60×200×15000/106=225（單位：106r）。查系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-30，取載荷系數(shù)fW=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬4華東交通大學理工學院畢業(yè)設計度系數(shù)fH=1.0,代入式FQ=QfWfHFm72.9N。根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇G系列1604-3型滾珠絲副為內(nèi)循環(huán)固定反向器單

66、螺母式，其公稱直徑為16，導程為4，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取2級，額定動載荷為4612N，大于FQ，滿足要求。將公稱直徑d0=16，導程Ph=4，代人=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=4°33´。將摩擦角=10´，代入=tan/tan(+)，得傳動效率=96.4%。X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力球接觸球軸承，面對面配合，左、右支承的中心距離約為L=900；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查表3-31，得滾珠直徑Dw=2.381，絲杠低徑=13.1。1、絲桿的拉伸或

67、壓縮變形量1=10N, =13.1, Dw=2.381, d0=16由公式的絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1=Fm L/(ES)=10×900/(2.1×105×134.7)0. 0053。2 、 滾珠與螺紋滾道間接觸變形2根據(jù)公式Z=（d0/Dw）-3,求得單圈滾珠數(shù)Z=18；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公式：Z總=54。絲杠預緊時，取軸向預緊力FYJ=Fm/3=3.3N。由式3-27求得滾珠與螺紋滾道間Fm的接觸變形量2=0.0013=0.00046mm 2DwFYJZ/10因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的

68、1/3，所以變形量可減小一半，取2=0.000153、將以上算出得1 和 2代入總=1+2，求得絲杠變形量總=0.0053+0.00015=5.45um。由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在400500時，行程偏差允許達到10um，可見剛度足夠。根據(jù)公式3-28計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表3-34取支承系數(shù)fk=1；由絲杠低徑d2=13.1，求得界面慣性矩I=d24/641444.94；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式5金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離L取最大值900。代入公式fk 2EIFk= =443.2N。ka2遠大于工作載

69、荷Fm=10N，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。2.4.1滑塊承受工作載荷Fmax 的計算及導軌型號的選取(橫向)工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。題目中工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所承受的最大垂直方向的載荷為：Fmax=G/4+F=2500/4+0=625N查指導書表3-41，根據(jù)工作載荷，初選直線副導軌的型號為KL系列的JSA-LG20，其額定動載荷Ca =11.5KN，額定靜載荷Coa=14.5KN。任務書規(guī)定工作臺尺寸900×1100mm，加工范圍為

70、450×320，考慮工作臺行程應留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導軌長度為1120距離額定壽命L的計算上述選取KL系列的JSA-LG20型的導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100。，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度低，載荷不大。查表3-363-40分別取硬度系數(shù)fH=1.0，溫度系數(shù)fT=1.00，接觸系數(shù)fC=0.81，精度系數(shù)fR=0.9，載荷系數(shù)fW=1.5，6華東交通大學理工學院畢業(yè)設計代人式中得距離壽命：L=（fHfTfCfRCa3）×50=4289km fWFmax遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求已知縱向 量=0.

71、01/脈沖，滾珠絲杠導程Ph=4，初選步進電動機的步距角=1.5°.根據(jù)式3-12，得減速比i=(Ph)/(360)=5/3大小齒輪模數(shù)都為1，齒數(shù)比為60:36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，中心距為(60+36)×1/2=48小齒輪厚度為20，雙片大齒輪厚度為10。因為進給系統(tǒng)的齒輪受力不大，所以可選用較小模數(shù)的齒輪。此處選用m=2的齒輪。已知：滾珠絲杠的公稱直徑為16，總長700，導程為4，材料密度為7.85×10³/²，小齒輪寬度為20，直徑為36；大齒輪寬度為20，直徑為60；傳動比為5/3。查表4-1中公式算得各個零件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲桿的

72、轉(zhuǎn)動慣量：JS=lR42=1.26·² 2P托板折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動慣量：JW= hmj=1.024·² 2小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：Jz1=大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：Jz2=bR142=0.25·² bR242=4.88·²初選型號為90BYG2062，為兩相混合式，從表4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=4·²。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：Jeq=Jm+Jz1+Jz2+JW+JS/i2=6.83·²7 ()金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計2.6.2計算加在

73、步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq 1 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩Teq1 由式4-8可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。 因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式4-12可知，T0相對于另兩項很小，可以忽略不計。則有：Teq1= Tamax+ Tf根據(jù)式4-9有Tamax=2Jeqnm，式中nm對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速；60tata步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時間。 其中nm=vma

74、x=500r/min。設ta=0.5ms。 360所以Tamax=2Jeqnm=0.715N·m 60taTf=(Fz+G)Ph=0.004N·m 2i所以得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所受的負載轉(zhuǎn)矩： Teq1= Tamax+Tf=0.719N·m2 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩Teq2 由式4-13知Teq2包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tt；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式4-12可知，T0相對于另兩

75、項很小，可以忽略不計。則有：Teq2=Tt+TfFfPh(Fz+G)Ph其中Tt由式4-14計算得：Tt=0N·m，再由4-10得：Tf=0.01N·m。最2i2i后由4-14得Teq2=Tt+Tf=0.01N·m.8華東交通大學理工學院畢業(yè)設計綜上所述Teq=0.719N·m。3 電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，因此需考慮安全系數(shù)K=2.54，取K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足：Tjmax4Teq=4×0.719N·m=2.876N·

76、;m該型號的電動機查表4-5得最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=6N·m，滿足要求。1 最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務書給定的工作臺進給速度為1000/min，所以由式4-16求得電動機對應的運動頻率1666 Hz。從90BYG2602電動機的運動矩頻特性曲線圖6-24可看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf5.6N·m，遠大于最大工作負責轉(zhuǎn)矩Teq2=0.0.01N·m，滿足要求。2 最大空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務書給定的工作臺快速移動速度為2400/min，仿照式4-16求得電動機對應的運行頻率為fmax=2000/(600.01)4000Hz。從90B

77、YG2602電動機的運動矩頻特性曲線圖6-24可看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf3.8N·m，大于最大工作負責轉(zhuǎn)矩 Teq1，滿足要求。3 最大空載移動時電動機運行效率校核與最快空載移動速度2400/min對應的電動機運行頻率為4000Hz，查表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行評論可達到20000Hz，可見沒超出上限。4 起動頻率的計算電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率fq=1800Hz(查表4-5)。則由式4-17可求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率：fL=fq1384Hz要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率1+Jeq/Jm必須小于123

78、3Hz。實際上起動頻率通常只有100Hz，所以滿足要求。2.7 消隙與預緊如圖7.1，齒輪裝在電動機軸上，調(diào)整偏心軸套可以改變齒輪和之間的中心距，從而消除齒側(cè)間隙。9金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計1-齒輪 2-偏心套 3-齒輪圖7.1 偏心軸套調(diào)整法數(shù)控機床的機械進給裝置中常采用齒輪傳動副來達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，不可能達到理想齒面的要求，因此一對嚙合的齒輪，總應有一定的齒側(cè)間隙才能正常地工作。齒側(cè)間隙會造成進給系統(tǒng)的反向動作落后于數(shù)控系統(tǒng)指令要求，形成跟隨誤差甚至是輪廓誤差。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側(cè)間隙也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒

79、輪傳動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)控機床上常用的調(diào)整齒側(cè)間隙的方法針對不同類型的齒輪傳動副有不同的方法。滾珠絲杠副在工作臺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，本設計選用兩端支承形式中的“雙支點各單向固定”的支承方式。該形式夾緊一對圓錐滾子軸承的外圈而預緊，提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加軸承裝置的剛性，減小機器工作時軸承的振動。預緊量由廠家提供。見圖110華東交通大學理工學院畢業(yè)設計第三章 單片機控制設計根據(jù)機械系統(tǒng)方案的要求，可以看出：對機械部分的控制只有進給系統(tǒng)的步進電機的控制和工作臺回轉(zhuǎn)的步進電機控制?？刂葡到y(tǒng)有微機的、有PLC的、也有單片機的，這里

80、采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，可以選擇經(jīng)濟型的單片機控制系統(tǒng)。另外，居然要控制，就得有輸入和輸出設備才能對相應的運動進行控制。其控制系統(tǒng)框圖如圖8.1所示：圖3.1 控制系統(tǒng)框圖根據(jù)要求CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機。(1)8031芯片引腳功能8031芯片有40個引腳，引腳配置見（圖3.2）11金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計(2)各引腳按功能可分為三部分： I/O口線：P0、P1、P2、P3共4個8位口 控制線口：、ALE、RST 電源及時鐘：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2 (3)應用特性： I/O口線不能作為用戶I/O口線； I/O口的驅(qū)動能力，P0口可以驅(qū)動8個

81、TTL門電路，P1、P2、P3則只能驅(qū)動4個TTLP3是雙重功能口。 門電路；3.1.4 EPROM的選用為簡化電路，此處選用2764EPROM (8K*8位)。本設計采用二片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，只需更換各自芯片即可，方便升級。 2764芯片主要引腳功能:12華東交通大學理工學院畢業(yè)設計A0A12 13位地址線D0D7 數(shù)據(jù)輸出線 數(shù)據(jù)輸出允許信號 編程控制信號，用于引入編程脈沖 片選信號2764主要工作方式:讀方式及為低電平，Vpp5V時處于讀出方式寫方式為低電平, VPP21V, 為高電平時，27

82、64亦為低電平，芯片處于禁止狀態(tài)。將數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)固化到指定地址單元。編程禁止方式一此為向多片2764寫入不同程序而設置的，當VPP=+21V時，為高電平時，2764芯片處于編程禁止狀態(tài)。3.1.5 RAM的選用數(shù)據(jù)存儲器RAM通常采用MOS型，MOS型RAM分靜態(tài)、動態(tài)兩種。動態(tài)RAM集成度高，功耗小，成本低，但控制邏輯復雜，需要定期刷新,尤其是容易受到干擾，對環(huán)境、結(jié)構(gòu)、電摞等都有較高的要求。對實時控制系統(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：A0A12 13位地址線IO1IO7 數(shù)據(jù)輸入輸出線 數(shù)據(jù)輸出允許信號 寫選通信號 片選信號

83、6264主要工作方式:讀方式及為低電平，為高電平時，6264將數(shù)據(jù)輸出到指定地址。 寫方式為低電平，亦為低電平時,允許數(shù)據(jù)輸入。封鎖方式為高電平時，該芯片沒被選通，不工作。13金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計本系統(tǒng)中采用兩片8155芯片對系統(tǒng)的I/O進行擴展。 (1)8155芯片的特性 8155芯片內(nèi)含有256個字節(jié)的RAM存儲器，RAM的存取時間為400ns。兩個可編程的8位并行口PA和PB，一個可編程的6位并行口PC，以及一個14位減法定時器/計數(shù)器。PA口和PB口可工作于基本輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。8155可直接和MS51單片機連接，不需要增加任何硬件。8155

84、既有I/O口又有RAM和定時/計數(shù)器，是MS51單片機系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。8155共有40個引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳如（圖3.5）所示。14華東交通大學理工學院畢業(yè)設計(2)引腳功能 AD7AD0（8條）：AD7AD0為地址/數(shù)據(jù)總線，可以和MS51的P0口相連，I/O總線（22條）：PA7PA0為通用I/O口線，用于傳送A口上的外設數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用于分時傳送地址/數(shù)據(jù)信息。 傳送方向由8155命令字決定。PB7PB0為通用I/O線，用于傳送B口上的外設數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送的方向也由8155命令字決定。PC5PC0為I/O數(shù)據(jù)/控制線，共6條，在通用I/O方式下，用作傳送I/O數(shù)據(jù)，

85、在選通I/O方式下，用作傳送命令/狀態(tài)信息。控制總線（8） RESET：復位輸入線，在RESET線上輸入一個大于600ns寬的正脈沖時，8155立即處于復位狀態(tài)，A、B、C三口也定義為輸入狀態(tài)。 和IO/為8155片選輸入線，若=1，則CPU選中8155。IO/為I/O端口或RAM存儲器的選通輸入線；若IO/=0，則CPU選中8155的RAM存儲器，若IO/=1，則CPU選中8155片內(nèi)某一寄存器。 和：是8155的讀/寫命令輸入線，為寫命令線，當=0和=1時，8155處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)；當=1和=0時，8155處于寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)。ALE：為允許地址輸入線，高電平有效。若ALE=1，則8155允許A

86、D7AD0上地址鎖存到地址寄存器；否則，8155的地址鎖存處于封閉狀態(tài)。8155的ALE常和MS51的同名端相連。TIMERIN和TIMEROUT：TIMERIN是計數(shù)器輸入線，其脈沖上跳沿用于對8155片內(nèi)14位計數(shù)器減1。TIMEROUT為計數(shù)器輸出線，當14位計數(shù)器從計滿回零時就可以在該引線上輸出脈沖或方波，輸出信號的形狀和計數(shù)器工作方式有關。電源線（2條）：Vcc為+5V電源輸入線，Vss為接地線。 8155I/O擴展的接口電路 電路中138的8031的P2.0口與8155的IO/分別與兩片8155的口連接，口連接，8031的P0口與8155的AD口連接。各芯片對應的存儲空間為：IC3

87、：程序存儲器空間 6000H6FFFH（） IC4：程序存儲器空間 7000H7FFFH（） 其外設I/O口、顯示器、鍵盤等接口電路詳見（附圖2）。8155還有一個狀態(tài)寄存器，用于鎖存I/O口和定時器的當前狀態(tài)，供CPU15金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計查詢用。其格式如圖3.6：狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個地址，命令寄存器只能寫入不能讀出，而狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入。所以可以認為，CPU讀該地址時，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當前I/O口和定時器的狀態(tài)，而寫該地址時，則作為命令寄存器對I/O口工作方式的選擇。3.1.8 8155定時功能8155芯片內(nèi)有一個14位減法計數(shù)器，

88、可對輸入脈沖進行減法計數(shù)。外部有兩個定時器引腳TINEIN 和TIMEOUT。TINEIN為定時器時鐘輸入，有外部輸入時鐘脈沖，TIMEOUT為定時器輸出，輸出各種信號脈沖波形。定時器的格式、輸出波形見圖3.7。由上圖可見，定時器的低8位和高6位計數(shù)器定時是出方式由04H、05H寄存器確定。對定時器編程時，首先將計數(shù)器及定時器方式送入定時器口，（定時器的低8位和高6位，定時器方式M）04H，05H。計數(shù)常數(shù)在002H3FFF之間。計數(shù)器的起動和停止由命令寄存器的最高兩位TM2和TM1決定。但何時讀都可以置定時器的長度和工作方式，然后必須將起動命令寫入命令寄存器。既使計數(shù)器已經(jīng)計數(shù)，在寫入起動命

89、令后，仍可改變定時器的工作方式。×A口中斷標志請求 A口緩沖器滿空標志 A口中斷允許標志 B口中斷標志請求 B口緩沖器滿空標志 B口中斷允許標志定時器中斷標志，定時器計數(shù)到 指定長度置“1”，讀狀態(tài)后清“0”圖3.6 狀態(tài)寄存器格式16圖3.7 8155定時器方式及輸出波形華東交通大學理工學院畢業(yè)設計軟件是硬件的補充，確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計軟件。經(jīng)濟型數(shù)控機床軟件設計一般可分為以下幾個典型的模塊：（1）軟件脈沖分配器 （2）插補模塊 （3）步進電機升降速模塊3.2.1軟件脈沖分配器 根據(jù)步進電機的工作原理，改變其繞組的通電狀態(tài)，步進電機按規(guī)定的方向運轉(zhuǎn)。軟件分配器采用查

90、表法，在微機處理器中專門安排一個輸出寄存器作為步進電機的控制寄存器，步進電機的第一像繞組都與這個寄存器中的某一指定位對應，寄存器中這位為“1”，對應相應繞組的通電狀態(tài)為“0”，表示斷電，否則通電。循環(huán)向寄存器寫入控制信號從而使步進電機繞組按照規(guī)定的運行方式運行。本設計中所用步進電機為三相六拍方式工作，其通電規(guī)律為： AABBBCCCAA 假設脈沖分配表放在程序存儲器的0701H開始的單元中，因為信號輸出口與步進電機表3.1 脈沖分配表之間接反向器，所以其對應控制信號字及地址如（表3.1）所示。X方向的脈沖分配的子程序源程序：PULSE：CJNE R6，#07H，LOOP1 MOV R6，#01

91、H SJMP LOOP2 MOV R6，#06 MOV A，R617 LOOP1： CJNE R6，#00H，LOOP2 LOOP2： MOV DPTR，#0700H金星星：數(shù)控激光切割機XY工作臺部件單片機控制設計MOVC A，A+DPTR SWAP A MOV B，A MOV A，R7 MOVC A，A+DPTR ADD A，B MOV P1，A RETZ方向脈沖分配子程序類似于X方向的。圖3.8 X方向脈沖分配子程序框圖根據(jù)步進電機的矩頻特性，當步進電機運行頻率大于允許的起停突跳頻率時，若直接起動，會使電機失步或不能起動，因此電機在起動或停止時自動升降速。步進電機每更換一個控制字，就轉(zhuǎn)過一個固定