龍門(mén)式數(shù)控火焰切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：密 級(jí)：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)龍門(mén)式火焰切割機(jī)傳動(dòng)及控制設(shè)計(jì) THE DESIGN OF TYANSMISSION AND CONTYOL IN THE GANTRY FLAME CUTTING MACHINE 學(xué)生姓名學(xué)院名稱(chēng)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)指導(dǎo)教師20*年5月27日摘要本課題針對(duì)龍門(mén)式火焰切割機(jī)的橫梁及火焰切割頭的控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。橫梁的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要對(duì)其結(jié)構(gòu)的確定，之后對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行了選擇及計(jì)算檢驗(yàn)，最后對(duì)主要傳動(dòng)的零部件進(jìn)行選擇校核。其中主要對(duì)滑動(dòng)絲杠和滾動(dòng)絲杠的強(qiáng)度及傳動(dòng)效率等進(jìn)行了計(jì)算校核。并對(duì)橫梁設(shè)計(jì)中存在的結(jié)構(gòu)部件的聯(lián)接問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)?；鹧媲懈铑^是在傳動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上運(yùn)用絲杠的轉(zhuǎn)速控制

2、運(yùn)動(dòng)，用單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到效果。對(duì)控制電路設(shè)計(jì)也做了系統(tǒng)的詳解，主要對(duì)所涉及的鍵盤(pán)、顯示器、主要芯片做了選取應(yīng)用。關(guān)鍵詞 火焰切割機(jī)；電氣控制；橫梁設(shè)計(jì)；單片機(jī)AbstractThis essay analyzes that the design of the beam and the control of flame cutting head of the gantry flame cutting machine.The design of the beam of mechanism main determining its structure of the transmission

3、 device, then the selection and operation of the main transmission inspection, finally the choose of the parts inspection. The major of sliding screw and rolling ball screw's strength and transmission efficiency is calculated respectively.And problems existing in the connect of parts, in the des

4、ign of structure of the beam ,are also improved. Flame cutting in the head is based on transmission device using screw speed control movement, with single-chip microcomputer control motor speed to achieve results. I also make a system explanation of the control of circuit design, involved mainly to

5、make the selection and applications of the keyboard, display, main chip. Keywords flame cutting machine electrical control the design of the beam microcontroller 目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題的意義、目的、研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求11.1.1 課題的意義和目的11.1.2 研究范圍和技術(shù)要求11.2 龍門(mén)式火焰切割機(jī)的簡(jiǎn)介和特點(diǎn)11.2.1 簡(jiǎn)介11.2.2 特點(diǎn)21.3國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀21.4 發(fā)展前景32 總

6、體方案設(shè)計(jì)52.1 總體方案的設(shè)計(jì)52.1.1 功能與技術(shù)參數(shù)的分析52.1.2 橫梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介5雙切割頭橫向移動(dòng)電氣控制設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介52.2 立柱的設(shè)計(jì)52.2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及要求52.2.2 立柱結(jié)構(gòu)63 橫梁機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)93.1 龍門(mén)式橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)93.1.1 確定龍門(mén)式火焰切割機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)93.1.2 傳動(dòng)裝置類(lèi)型的選用93.1.3 傳動(dòng)方案的選取103.2 機(jī)床零部件的設(shè)計(jì)103.2.1 絲杠副的選取11導(dǎo)軌的選型及計(jì)算15聯(lián)軸器的選取16 軸承的選取18立柱底座橫向進(jìn)給的滾動(dòng)絲杠的計(jì)算193.2.6 步進(jìn)電機(jī)的選取214 電氣控制設(shè)計(jì)254.1擬定機(jī)床控制系統(tǒng)方案254.2組成元

7、件的介紹25主要芯片的選取254.2.2 鍵盤(pán)接口原理254.3 控制電路設(shè)計(jì)264.3.1 使用多片EPROM的擴(kuò)展電路264.3.2 89C51主要管腳功能274.3.3 靜態(tài)RAM芯片的選用274.3.4 8155工作方式查詢(xún)284.3.5 89C51的存儲(chǔ)器及I/O的擴(kuò)展294.3.6 8155狀態(tài)查詢(xún)304.3.7 8155內(nèi)部定時(shí)電路304.3.8 89C51地址分配314.3.9 8155擴(kuò)展I/O端口的初始化程序設(shè)計(jì)324.4 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)33鍵盤(pán)功能33 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)334.5閃光報(bào)警電路364.6 顯示器設(shè)計(jì)36顯示器顯示方式的選取36顯示器接口電路364.7光電隔離電路選

8、用36結(jié)論38致謝39參考文獻(xiàn)40謝謝朋友對(duì)我文章的賞識(shí)，充值后就可以下載此設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（不包含CAD圖紙）。我這里還有一個(gè)壓縮包，里面有相應(yīng)的word說(shuō)明書(shū)（附帶：外文翻譯）和CAD圖紙。需要壓縮包的朋友聯(lián)系QQ客服1：1459919609或QQ客服2：1969043202。需要其他設(shè)計(jì)題目直接聯(lián)系！ 火焰切割機(jī)是工程中金屬板材切割的常用設(shè)備，可以根據(jù)要求在板材上切割出不同形狀。采用數(shù)控技術(shù)的多點(diǎn)火焰切割機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多種切割加工。龍門(mén)式火焰切割機(jī)是一種針對(duì)大型板材的火焰切割設(shè)備。本課題要求對(duì)龍門(mén)式火焰切割機(jī)的橫梁機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)切割頭的橫移控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)單片機(jī)（89

9、C51主控芯片）控制火焰切割機(jī)床，主要設(shè)計(jì)對(duì)象是橫梁及89C51單片機(jī)控制切割頭的原理圖。單片機(jī)對(duì)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、滑動(dòng)絲杠副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。要求切割頭橫向移動(dòng)距離2.5米，其橫向最大移動(dòng)速度0.3米秒，且雙切割頭可以同時(shí)做相同或相反移動(dòng)。在機(jī)械加工過(guò)程中，板材切割常用的方式有手工切割、半自動(dòng)切割機(jī)切割及數(shù)控切割機(jī)切割。手工切割較為靈活方便，但手工切割的質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后續(xù)加工的工作量又大，同時(shí)勞動(dòng)條件非常惡劣，生產(chǎn)效率很低。半自動(dòng)切割機(jī)中的仿形切割機(jī)，切割工件

10、的質(zhì)量比較好，由于其使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件的切割。其它類(lèi)型半自動(dòng)切割機(jī)雖然降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但其功能比較簡(jiǎn)單，只適合一些較為規(guī)則形狀的零件切割。數(shù)控切割相對(duì)手動(dòng)和半自動(dòng)切割方式來(lái)說(shuō)，可以有效地提高板材切割地效率、切割質(zhì)量，而且能減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前在我國(guó)的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動(dòng)切割方式還是較為普遍的。龍門(mén)式數(shù)控火焰/等離子切割機(jī)采用雙邊驅(qū)動(dòng)，即雙切割頭，運(yùn)行穩(wěn)定，配置好，工作效率很高，可以用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據(jù)用戶(hù)的要求配置多把割炬。見(jiàn)下圖1-11.橫梁：采用方管對(duì)焊的結(jié)構(gòu)，具有剛性好

11、，精度高，自重輕，慣量小的特點(diǎn)。所有的焊接件均采用振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力處理，有效的防止了結(jié)構(gòu)變形；2.縱、橫向驅(qū)動(dòng)：橫向?qū)к墑t采用了臺(tái)灣進(jìn)口的直線式導(dǎo)軌，縱向?qū)к壥怯删芗庸さ奶刭|(zhì)鋼軌制成的，保證了切割機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，精度高，且經(jīng)久耐用，清潔美觀；3縱向驅(qū)動(dòng)架（端架）：兩端裝有水平的導(dǎo)向輪，可調(diào)整其驅(qū)動(dòng)架底部偏心輪對(duì)導(dǎo)軌的壓緊程度，使整機(jī)在運(yùn)動(dòng)中能夠保持穩(wěn)定的導(dǎo)向；4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，速度變速范圍寬，加速時(shí)間短；5簡(jiǎn)單易用的自動(dòng)編程系統(tǒng)，使編程不再那么的復(fù)雜，輕而易舉；6電氣系統(tǒng)具有優(yōu)良穩(wěn)定性和超強(qiáng)抗干擾；目前來(lái)說(shuō)切割機(jī)應(yīng)用在金屬及非金屬行業(yè)上，一般來(lái)說(shuō)，非金屬行業(yè)分得比

12、較細(xì)致，比如有切割石材的石材切割機(jī)、水切割機(jī)、鋸齒切割機(jī)，切割布料、塑料及化纖制品用的激光切割機(jī)、刀片式切割機(jī)，切割金屬材料的則有火焰切割機(jī)（火焰切割機(jī)又分?jǐn)?shù)控火焰切割機(jī)和手動(dòng)火焰切割機(jī)。而手動(dòng)的又有小跑車(chē)、半自動(dòng)、純手動(dòng)的；數(shù)控的有龍門(mén)式數(shù)控切割機(jī)、懸臂式數(shù)控切割機(jī)、臺(tái)式數(shù)控切割機(jī)、相貫線數(shù)控切割機(jī)等等）、等離子切割機(jī)。切割成本方面來(lái)說(shuō)，激光切割機(jī)是最昂貴的，也是精度和效率最高的一種切割設(shè)備，水刀切割機(jī)次之，然后就是火焰切割機(jī)，等離子切割機(jī)是最便宜的。（見(jiàn)下圖1-2）經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，數(shù)控切割機(jī)在切割能源和數(shù)控控制系統(tǒng)兩方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，譬如切割能源已經(jīng)由單一的火焰能源切割發(fā)展為目前

13、的多種能源(火焰、等離子、激光、高壓水射流等等)切割方式；數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)已由當(dāng)初的簡(jiǎn)單功能、復(fù)雜編程和輸入方式及自動(dòng)化程度不高已經(jīng)發(fā)展到具有功能完善的、智能化的、圖形化的、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也從的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、模擬伺服驅(qū)動(dòng)到今天的全數(shù)字式的伺服驅(qū)動(dòng)。隨著現(xiàn)代化的機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)切割的質(zhì)量、精度要求的不斷提高，并對(duì)生產(chǎn)效率的提高、生產(chǎn)成本的降低、高智能化地自動(dòng)切割的功能要求也在不斷的提升。數(shù)控切割機(jī)必須要去適應(yīng)現(xiàn)代化機(jī)械加工發(fā)展的要求。1.數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展從現(xiàn)在幾種通用的數(shù)控切割及應(yīng)用情況來(lái)看，數(shù)控火焰切割機(jī)的功能及性能已經(jīng)比較完善了，但是對(duì)切割材料有局限性（只能切割碳鋼板），

14、其切割速度也慢，生產(chǎn)效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場(chǎng)不可能有大的增加。等離子切割機(jī)具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點(diǎn)，未來(lái)的發(fā)展方向在于等離子的電源技術(shù)的提高、數(shù)控系統(tǒng)與離子切割配合的問(wèn)題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細(xì)等離子技術(shù)也能提高切割速度、切面質(zhì)量和切割精度；通過(guò)完善和提高數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子切割效率和切割質(zhì)量的提升。激光切割機(jī)的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點(diǎn)。在國(guó)家指定的長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃時(shí)，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國(guó)家安全、國(guó)防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對(duì)激光切割有很高的重視程度，這就將

15、激光切割機(jī)的制造和升級(jí)帶來(lái)很大的商機(jī)。隨著用戶(hù)對(duì)激光切割技術(shù)特點(diǎn)的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)激光切割機(jī)。2.專(zhuān)用數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展數(shù)控管材切割機(jī)適用于各種管材上的切割，如切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線孔、方孔、橢圓孔，并能在管子的端部切割與之相交的相貫線。這種類(lèi)型的設(shè)備已經(jīng)廣泛運(yùn)用在金屬結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，電力設(shè)備、鍋爐業(yè)、石油業(yè)、化工等部門(mén)。它是行業(yè)內(nèi)比較高端的產(chǎn)品之一，此類(lèi)的設(shè)備切割功能可以滿(mǎn)足焊接工藝眾不同的板材開(kāi)不同角度的坡口要求。隨著造船業(yè)地發(fā)展，船廠在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)和使用數(shù)控等離子切割機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外的船廠紛紛配備了具有回轉(zhuǎn)坡口功能的等離子切

16、割機(jī)，為了滿(mǎn)足其高技術(shù)、高附加值船的建造要求。為了提高工作的效率，所以采取雙切割頭同時(shí)工作，來(lái)縮短工作的時(shí)間。頭的支承取用龍門(mén)式，這樣可以有利于調(diào)整龍門(mén)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)加工不同尺寸鋼的要求。龍門(mén)式的機(jī)床不但具有使用壽命長(zhǎng)，工作的穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，而且能最大限度地滿(mǎn)足加工不同型號(hào)鋼的要求，其缺點(diǎn)就是只能在固定的地點(diǎn)加工，使用起來(lái)不夠靈活簡(jiǎn)便。由于要切割曲線割縫，割頭由十字滑臺(tái)帶動(dòng)，這樣既能簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，又能滿(mǎn)足其運(yùn)動(dòng)要求。橫梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介因?yàn)榍懈钏俣纫獫M(mǎn)足板厚和火焰對(duì)其的要求，所以要以無(wú)級(jí)調(diào)速。傳動(dòng)方式采用絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動(dòng)工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)，利用調(diào)節(jié)絲杠的轉(zhuǎn)速來(lái)控制割頭的速度。而且要求的加工精度為14

17、mm,所以絲杠能很好地保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性。電機(jī)與絲杠用聯(lián)軸器直接連接就可以使傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，而且減少對(duì)電機(jī)的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。絲杠的傳動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)。雙切割頭橫向移動(dòng)電氣控制設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介切割頭采用電氣控制方式，首先確定電動(dòng)機(jī)，然后對(duì)其電流估算。對(duì)電氣控制的電器元件進(jìn)行選擇。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，具有很高的性能價(jià)格比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部份，鍵盤(pán)，顯示器及I/O接口等組成，由微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的輸入頻率，來(lái)控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)割槍的無(wú)級(jí)調(diào)速。1. 機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)架的設(shè)計(jì)主要

18、應(yīng)保證剛度，強(qiáng)度及穩(wěn)定性。2. 機(jī)架的設(shè)計(jì)要求(1)在滿(mǎn)足其剛度和強(qiáng)度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)達(dá)到輕、成本低的要求；(2)抗振性好、噪聲?。?3)溫度場(chǎng)分布合理，熱變形對(duì)精度的影響??；(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理且工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工；(5)結(jié)構(gòu)力求方便安裝和調(diào)整，同事也便于修理和更換零部件；(6)有導(dǎo)軌的機(jī)架要求其導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性好；(7)造型好看，即經(jīng)濟(jì)適用，且美觀大方。機(jī)架一般分為鑄造機(jī)架和焊接機(jī)架兩類(lèi)，焊接結(jié)構(gòu)與鑄造結(jié)構(gòu)相比之下，焊接結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度和剛度，重量輕，生產(chǎn)周期短及施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。在比較上述參數(shù)和結(jié)合本次設(shè)計(jì)的具體事況，最后選用焊接機(jī)架。從可焊性上考慮，一般選取碳含

19、量<0.25%的碳鋼。焊接柱按外形分為實(shí)腹柱和格構(gòu)柱。1實(shí)腹柱 實(shí)腹柱又分為型鋼實(shí)腹柱和鋼板實(shí)腹柱，前者焊縫小應(yīng)該優(yōu)先地選用，后者適應(yīng)性強(qiáng)，可按使用要求設(shè)計(jì)成各種大小的尺寸。當(dāng)腹板的計(jì)算高度為h，與腹板厚度b之比大于80時(shí)，應(yīng)有橫向隔板來(lái)加強(qiáng)，間距不得大于3h，柱肢外伸自由寬度b0不宜超過(guò)15噸。2. 格構(gòu)柱 格構(gòu)柱分綴板式和綴條式兩種。最后設(shè)計(jì)選擇型鋼實(shí)腹柱。如圖2­2 1.立柱截面形狀 由于零件的抗彎，抗扭強(qiáng)度和剛度除與其截面的面積有關(guān)外，還取決于截面的形狀，合理改變截面的形狀，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高機(jī)架零件的強(qiáng)度和剛度，從而使其充分發(fā)揮材料的作用。從機(jī)械零件手冊(cè)里

20、查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性矩相對(duì)值較大。綜合上述條件，立柱則采用型鋼實(shí)腹柱，截面形狀為方形，選取結(jié)構(gòu)用冷彎形空心型鋼，這樣可以減小焊縫和避免焊縫受到集中應(yīng)力的影響。2.結(jié)構(gòu)用冷彎形空心型鋼國(guó)標(biāo)為：GB/T 67281986（1）一般鋼號(hào)為Q235-A，20或Mn等，其力學(xué)性能與化學(xué)成分應(yīng)符合：GB/T 700，GB/T 699和GB/T 1591的規(guī)定。（2）彎曲部分的內(nèi)弧半徑<235, t<4.0時(shí), r<1.4t, 4.0<t<8.0時(shí)，r<1.8t .選取的型號(hào)：71，邊長(zhǎng), 壁厚, 理論重量： , 截面面積： 慣性矩： 回轉(zhuǎn)半徑： 截面模數(shù)：

21、圖2­4第一次熱處理=立柱底座橫向進(jìn)給的滾動(dòng)絲杠的計(jì)算偏心距 ） (1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：如式(3.9)絲桿： 式(3.9)D絲桿的公稱(chēng)直徑 L絲桿的長(zhǎng)度 工作臺(tái)：P絲桿導(dǎo)程G工作臺(tái)的重量總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：(2)最大靜轉(zhuǎn)矩計(jì)算加速力矩，如式( 3 .10 )式( 3.10) Vmax快進(jìn)的速度步距角脈沖當(dāng)量所以 (3)空載摩擦力矩,式(3 .11)式(3 .11)f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)G運(yùn)動(dòng)部件的總重力Lo絲桿導(dǎo)程(4)附加摩擦力矩,如式（3.12）式（3.12)絲桿預(yù)緊力( =Fm/3)傳動(dòng)效率選取電機(jī)55BF003，其最大靜轉(zhuǎn)距為68.6N·cm， 所以該電機(jī)可選用3.驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)絲杠的電機(jī)

22、的選取(1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：絲桿： (D絲桿的公稱(chēng)直徑 L絲桿的長(zhǎng)度)工作臺(tái)： (P絲桿導(dǎo)程 G工作臺(tái)的重量)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： (2)最大靜轉(zhuǎn)矩計(jì)算加速力矩 (=0.042)所以 (3)空載摩擦力矩(4)附加摩擦力矩選取電機(jī)75BF001，其最大靜轉(zhuǎn)距為39.2N·cm， 所以該電機(jī)可選用 (5)啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。前面提出的<,僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿(mǎn)足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對(duì)快進(jìn)，工進(jìn)時(shí)的運(yùn)行矩頻特性作校核。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)：在零

23、時(shí)刻，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率從零突跳為最大運(yùn)行頻率,即瞬間=.事實(shí)上，突跳是不可能瞬間完成。但突跳過(guò)程極短，則加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此，突跳啟動(dòng)是很少使用的。升速啟動(dòng)：步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率=0,在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)速時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度，此時(shí)相應(yīng)的運(yùn)行頻率為,因此，當(dāng)=，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，啟動(dòng)頻率已與最高運(yùn)行頻率相等，即=,在整個(gè)升速，勻速運(yùn)行，降速過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)不會(huì)很大，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時(shí)間過(guò)

24、短，則步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)就會(huì)很大，所以需要校核啟動(dòng)矩頻特性。從電機(jī)75BF001的啟動(dòng)矩頻特性曲線圖可得，電機(jī)在最大靜轉(zhuǎn)距時(shí)，對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)頻率為1240Hz，而該電機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率為1750Hz，實(shí)際啟動(dòng)頻率小于允許啟動(dòng)頻率，所以能保證電機(jī)不丟步。（如圖3-7）圖3-7啟動(dòng)矩頻特性曲線擬定機(jī)床控制系統(tǒng)方案其控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示：圖41控制系統(tǒng)框圖組成元件的介紹由于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。控制電路設(shè)計(jì)4.3.1 使用多片EPROM的擴(kuò)展電路 89C51主要管腳功能4.3.3 靜態(tài)RAM芯片的選用

25、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：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(hào) 寫(xiě)選通信號(hào) 片選信號(hào)6264主要工作方式: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。寫(xiě)方式為低電平，亦為低電平時(shí),允許數(shù)據(jù)輸入。封鎖方式為高電平時(shí)，該芯片沒(méi)被選通，不工作。4.3.4 8155工作方式查詢(xún)8155

26、I/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4-3。 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(mǎn)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口為基本輸入/輸出，C口為輸入方式。ALT2：A口，

27、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，PC3PC5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4-3 命令寄存器格式4.3.5 89C51的存儲(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-

28、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A0A7腳與地址鎖存器八位地址輸出對(duì)應(yīng)聯(lián)接，將A8A13腳與89C51的P2口相聯(lián)接，其余地址線經(jīng)P2.5P2.7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D0Dl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

29、，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4-2。圖4-2 8155引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3.6 8155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4-4：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

30、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。4.3.7 8155內(nèi)部定時(shí)電路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4-5。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002H3FFF之間。計(jì)數(shù)器的起動(dòng)和停止由命

31、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4-4 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4-5 8155定時(shí)器方式及輸出波形4.3.8 89C51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-0DFF

32、FH，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-7FFFH1#8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示):/IO0時(shí)，8155(1)內(nèi)部RAM地址范圍 E000H-E0FFH/IO1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：E105H2#8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示):/IO0時(shí)，8155(1)內(nèi)部RAM地址范圍 0A000H-0A0FFH/IO1時(shí)，端口地址：控制口：0A00H；PA

33、口：0A01H；PB口：0A02H；PC口：0A03H；定時(shí)器低八位：0A04H；定時(shí)器高八位：0A05H4.3.9 8155擴(kuò)展I/O端口的初始化程序設(shè)計(jì)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 0A00HMOV DPTR,#100HMOV A,#7HMOVX R0,AEND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 PX1CLR PT0CLR PT1CLR PSSETB EX0SETB EX1SETB ET0SETB ET

34、1SETB ESCLS ET2SETB EAPSW、TCON、TMOD初始化：MOV PSW，#00HSETB IT0SETB IT1 SETB IE0SETB IE1SETB TR0SETB TR1TMOD工作在方式2，所以初始化為： MOV TMOD ，#66H4.4 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)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?；謴?fù)運(yùn)行鍵處于急?；驎和r(shí)，接下該鍵程序繼續(xù)執(zhí)

35、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“09”，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刪除/插入程序段鍵，DISP/ZOOMDISP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)。

36、 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。PA0PA4為行線，PC0PC5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4-1。表4-1 鍵號(hào)鍵功能對(duì)應(yīng)鍵號(hào)00H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H1E功能09NGMFS鍵號(hào)13H14H

37、15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1F功能DELCOPYIDX單步回零運(yùn)行SHIFT 鍵盤(pán)掃描子程序：ORG 0500HSCAN:MOV A,#00HMOV DPTR, #E101HMOVX DPTR, AMOV A #3FHMOV DDPTR, #E103HMOVX #DPTR, AMOV DPTR, #E102HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE3 A, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4NEXT1: ACALL DS20msCLR CMOV R2, #00HMOV R1, #01HLOOP: INC DPTRMOV A,R1MOVX #DP

38、TR, A MOV 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求鍵值子程序：ORG 0560HKCODE：MOV R1，#00HMOV A， R3CLR CLOOP ：RRC AJZ NEXT1INC R1SJMP LOOPNEXT1：MOV A， R1

39、SWAP AMOV R1，AMOV A，R4ANL A，#0FHORL A，R1MOV B，AMOV DPTR，#KTABMOV R0，#00HCLR AREPE：MOVC A，A+DPTRCJNE A, B,NEXT2SJMP RESV NEXT2:INC R0MOV A, R0SJMP REPERESV: MOV A, R0RETKTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27HDB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DHDEB1DH,0DH,0BH,07H,03H,1EHDB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DHDB 5FH,57H,5BH,5DHEND 4

40、.5閃光報(bào)警電路在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)生故障或處于某種緊急狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出提醒人們警覺(jué)信號(hào)或者提示信號(hào)，常見(jiàn)的報(bào)警信號(hào)可分為閃光報(bào)警、鳴音報(bào)警和音樂(lè)報(bào)警。這里選擇閃光報(bào)警。閃光報(bào)警可用89C51的某一I/O口線驅(qū)動(dòng)LED閃爍，只要該I/O口線發(fā)出具有一定頻率的高低電平信號(hào)，即可使LED閃爍。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。4.6 顯示器設(shè)計(jì)顯示器顯示方式的選取程序輸入時(shí)，涉及數(shù)字鍵及N、G、M等功能

41、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0.1m，最大控制長(zhǎng)度為0.1m，需5位顯示器才能滿(mǎn)足要求，再加上一位符號(hào)位，須6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。顯示器接口電路為實(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

42、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。4.7光電隔離電路選用采用光電耦合器可以將單片機(jī)與前向、后向及其他部分切斷電路地聯(lián)系，能有效的防止干擾從過(guò)程通道進(jìn)入單片機(jī)。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,以光為煤介傳送的信號(hào),對(duì)輸入和輸出的電路可以進(jìn)行隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)的噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長(zhǎng)、體積小耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，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的應(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方法之一。光電耦合器具有三個(gè)特點(diǎn)：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)輸入端所能產(chǎn)生的反饋和干擾，抑制尖峰脈沖以及各