X數(shù)控激光切割機設(shè)計

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1、目 錄 摘 要………………………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ 1 緒論1 1.1課題背景1 1.2現(xiàn)實意義1 1.3設(shè)計任務(wù)1 1.4總體設(shè)計方案分析2 2 機械部分XY工作臺及Z軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計4 2.1 XY工作臺的設(shè)計4 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù)4 2.1.2 XY工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析4 初步確定XY工作臺尺寸及估算重量4 2.2 Z軸隨動系統(tǒng)設(shè)計5 3滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算6 3.1 強度計算6 3.2 滾珠絲杠副的傳動效率6 4 直線滾動

2、導(dǎo)軌的選型8 5 步進電機及其傳動機構(gòu)的確定9 5.1 步進電機的選用9 5.1.1 脈沖當(dāng)量和步距角9 步進電機上起動力矩的近似計算9 確定步進電機最高工作頻率10 5.2齒輪傳動機構(gòu)的確定10 傳動比的確定10 齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定11 5.3步進電機慣性負載的計算11 6 傳動系統(tǒng)剛度的討論13 6.1 根據(jù)工作臺不出現(xiàn)爬行的條件來確定傳動系統(tǒng)的剛度13 6.2根據(jù)微量進給的靈敏度來確定傳動系統(tǒng)剛度13 7 消隙方法與預(yù)緊15 7.1消隙方法15 偏心軸套調(diào)整法15 錐度齒輪調(diào)整法16 雙片齒輪錯齒調(diào)整法16 7.2預(yù)緊17 8數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計18

3、8.1 確定機床控制系統(tǒng)方案18 8.2 主要芯片配置18 主要芯片選擇18 8.2.2 主要管腳功能18 8.2.3 EPROM的選用19 8.2.4 RAM的選用20 8.2.5 89C51存儲器及I/O的擴展20 8.2.6 8155工作方式查詢21 狀態(tài)查詢22 8.2.8 8155定時功能22 8.2.9 芯片地址分配23 8.3 鍵盤設(shè)計24 鍵盤定義及功能24 8.3.2 鍵盤程序設(shè)計24 8.4 顯示器設(shè)計28 顯示器顯示方式的選用28 顯示器接口29 8.4.3 8155擴展I/O端口的初始化29 8.5 插補原理30 8.6光電隔離電路

4、31 8.7越界報警電路31 8.8總體程序控制32 8.8.1流程圖32 8.8.2總程序32 9 步進電機接口電路及驅(qū)動34 結(jié)論38 參考文獻39 致謝40 1 緒論 1.1課題背景 激光被譽為二十世紀最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問世就引起了材料科學(xué)家的高度重視。1971年11月，美國通用汽車公司率先使用一臺250W CO2激光器進行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗研究，并于1974年成功地完成了汽車轉(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，世界各國投入了大量資金和人

5、力進行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對材料學(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)濟效益和社會效益。如今在中國，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，并且正逐步實現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國家也將其列為“九五”攻關(guān)重點項目之一?！笆濉钡闹饕ぷ魇谴龠M激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值20％的平均增長率，實現(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)，重點完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進行改造的示范工程；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

6、算機數(shù)控技術(shù)、先進的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。 1.2現(xiàn)實意義 激光切割機是光、機、電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，與傳統(tǒng)機加工相比，激光切割機的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低產(chǎn)品成本，減輕工人負擔(dān)，對制造業(yè)來說，可以說是一場技術(shù)革命。 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(fù)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(yīng)用。因此研究和設(shè)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。 1.3

7、設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一臺單片機（89C51主控芯片）控制激光切割機床，主要設(shè)計對象是XY工作臺部件及89C51單片機控制原理圖。而對激光切割機其他部件如冷水機、激光器等不作為設(shè)計內(nèi)容要求，只作一般了解。單片機對XY工作臺的縱、橫向進給脈沖當(dāng)量0.001mm/ pluse。工作臺部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滾動直線導(dǎo)軌副、步進電機、工作臺等。設(shè)計時應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。 1.4總體設(shè)計方案分析 參考數(shù)控激光切割機的有關(guān)技術(shù)資料，確定總體方案如下： 采用89C51主控芯片對數(shù)據(jù)進行計算處理，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)

8、動，實現(xiàn)進給。其原理示意圖1.1。 X向工作臺 控 制 器 驅(qū) 動 器 步進 電機 步進 電機 驅(qū) 動 器 Y向工作臺 圖1.1 系統(tǒng)總體原理圖 微機控制線路圖參考MCS－51系列單片機控制XY工作臺線路圖。 步進電機參照RORZE株式會社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質(zhì)量和運行精度,同時驅(qū)動器也選用RORZE的配套驅(qū)動器產(chǎn)品。 滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設(shè)計參照了漢江機床廠、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

9、副。 本設(shè)計棄用Z80，而選用單片機。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，性價比大大超過了Z80。比較后選用89C51為主芯片。在使用過程中89C51雖有4K的FLASH（E2PROM），但考慮實際情況需配備EPROM和RAM，并要求時序配備。選晶體頻率為6MHz，89C51讀取時間約為3t，則t＝480ns ,常用EPROM讀取時間約為200~450ns。89C51的讀取時間應(yīng)大于ROM要求的讀取時間。89C51的讀寫時間約為4T，則TR＝660ns，TW=800ns，常用RAM讀寫時間為200ns左右，均滿足要求。根據(jù)需要，擴展I/O接口8155，因顯示數(shù)據(jù)主

10、要為數(shù)字及部分功能字，為簡化電路采用LED顯示器。鍵盤采用非編碼式矩陣電路。為防止強電干擾，采用光電隔離電路。 2 機械部分XY工作臺及Z軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 XY工作臺的設(shè)計 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù) 本設(shè)計的XY工作臺的參數(shù)定為： ①工作臺行程：橫向320mm，縱向450mm ②工作臺最大尺寸（長×寬×高）：1100×900×300mm ③工作臺最大承載重量：120Kg ④脈沖當(dāng)量：0.001mm/pluse ⑤進給速度：60平方毫米/min ⑥表面粗糙度：0.8～1.6 ⑦設(shè)計壽命：15年 XY工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析 因激光切割機床為激光加工,其激光器與工件

11、之間不直接接觸,因此可以認為在加工過程中沒有外力負載作用。其切削力為零。 XY工作臺部件由工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成,各自之間均以滾動直線導(dǎo)軌副相聯(lián),以保證相對運動精度。 設(shè)下底座的傳動系統(tǒng)為橫向傳動系統(tǒng)，即X向，上導(dǎo)軌為縱向傳動系統(tǒng)，即Y向。 一般來說,數(shù)控切割機床的滾動直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計,但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會影響電機的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施,其產(chǎn)生的負載波動應(yīng)控制在很小的范圍。 初步確定XY工作臺尺寸及估算重量 初定工作臺尺寸(長×寬×高度)為:1200×950×70mm，材料為HT200，估重為62

12、5N (W1)。 設(shè)中托座尺寸(長×寬×高度)為:1200×520×220mm，材料為HT200，估重為250N（W2）。 另外估計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載W為: W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N 2.2 Z軸隨動系統(tǒng)設(shè)計 激光切割機對Z軸隨動機構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時檢測和控制切割表面的不平度，通過伺服電機和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點在切割板材的表面位置。由于激光焦點至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量，因此，要求Z軸的

13、檢測精度高于0.010mm：同時，隨動速度應(yīng)大于5m/min。隨動速度太快會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。對加工板材的檢測主要有電容、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。電容式傳感器在運動檢測過程中不發(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加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場合的切割加工(如強磁場、強干擾環(huán)境)。所以在選擇傳感器時，應(yīng)注意檢測精度和對切割材料的適應(yīng)性，同時安裝時還需要注意采取抗干擾措施。 割頭具有多種先進的智能和附加功能，如自動調(diào)整激光噴嘴距離、自

14、動清潔噴嘴、同軸噴水機構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動、切割嘴擺動等。這些功能機構(gòu)的增加,不可避免地增加了切割頭的重量，成切割頭的動態(tài)性能不好,隨動機構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來說，普通數(shù)控激光切割機Z軸拖動重量在5kg以上時，應(yīng)采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機的Z軸拖動重量在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)計中,這一點尤為重要。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軸隨動機構(gòu) 3 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 （一） 根據(jù)機

15、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載大，現(xiàn)只計算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） 具體計算如下。 3.1 強度計算 軸向負荷計算公式： 式（3.1） 式中F——切削力，F(xiàn)=0 W——工件重量加工作臺重量 W=2301N U——滾動導(dǎo)軌上的滾動摩擦系數(shù)（約為0.003-0.004），取U=0.004 則根據(jù)式（3.1

16、）： =0.004×2301=92N 激光切割機滾珠絲杠是在低速條件下工作的。 故本處的Go=（0.2-0.3），。對照樣本參數(shù),這里的Go非常小，選定導(dǎo)程為4的滾珠絲杠副。 3.2 滾珠絲杠副的傳動效率 滾珠絲杠副的傳動效率為: 式（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； 因為ψ=arctg（Ph/πd） 式（3.3）

17、 式中:Ph—導(dǎo)程，4mm d——絲杠公稱直徑，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 無錫青銅 灰鑄鐵 齒面硬度 HRC≥45 其它 HRC≥45 HRC≥45 其它 相對速度 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 0.09

18、0 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

19、 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

20、°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′ 4 直線滾動導(dǎo)軌的

21、選型 導(dǎo)軌主要分為滾動導(dǎo)軌和滑動導(dǎo)軌兩種，直線滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機床中有廣泛的應(yīng)用。相對普通機床所用的滑動導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點： ①定位精度高 直線滾動導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導(dǎo)軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運動靈活，可使驅(qū)動扭矩減少90%，因此，可將機床定位精度設(shè)定到超微米級。 ②降低機床造價并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動導(dǎo)軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進行起動、停止的往復(fù)運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構(gòu)小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。 ③可提高機床的運動速度 直線滾動導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實現(xiàn)

22、機床的高速運動，提高機床的工作效率20～30%。 ④可長期維持機床的高精度 對于滑動導(dǎo)軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小．滾動面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動導(dǎo)軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計及使用維護方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開式直線滾動導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。 型號：選用GGB型四方向

23、等載荷型滾動直線導(dǎo)軌副，如圖4.1。 具體型號：X向選用GGB20BA2P，2 500-4 Y向選用GGB20AB2P，2 1100-4 圖4.1 直線滾動導(dǎo)軌 5 步進電機及其傳動機構(gòu)的確定 5.1 步進電機的選用 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（二倍細分）。 步進電機上起動力矩的近似計算 電機起動力矩： 式（5.1） 式中: M為滾珠絲杠所受總扭矩 Ml為外部負載產(chǎn)生的摩擦扭矩，有: 式（5.2） =92×0.025/2×tg（2.91+0.14） =0.062N·m

24、M2為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有： 式（5.3） 式中: K—預(yù)緊時的摩擦系數(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 此處省略?NN NNNNN NNN NN 字 編程禁止方式一此為向多片2764寫入不同程序而設(shè)置的，當(dāng)VPP=+21V時，為高電平時，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(fù)雜，需要定期刷新,尤其是容易受到干擾

25、，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： ①A0—A1213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 ④ 寫選通信號 ⑤ 片選信號 6264主要工作方式: ①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。 ②寫方式——為低電平，亦為低電平時,允許數(shù)據(jù)輸入。 ③封鎖方式——為高電平時，該芯片沒被選通，不工作。 8.2.5 89C51存儲器及I/O的擴展 可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對應(yīng)的軟件命令來加以改變的接口芯

26、片。這類芯片一般具有多種功能，使用靈活方便，使用前必須由CPU對其編程設(shè)定工作方式，然后按設(shè)定的方式進行操作。 8155可編程并行I/O接口具有功能強，價格便宜，且具有與MCS-51單片機配置簡單、方便等優(yōu)點。是單片機應(yīng)用系統(tǒng)最常用的外部功能擴展器件之一。 (1)存儲器與單片機聯(lián)接，主要是通過三總線聯(lián)接。應(yīng)考慮總線的驅(qū)動能力是否足夠。存儲器2764、6264存儲量均為8K，需13位地址進行存儲單元選擇，將A0—A7腳與地址鎖存器八位地址輸出對應(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。數(shù)據(jù)線聯(lián)接將存儲器數(shù)據(jù)輸出端D

27、0－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對外部RAM進行讀/寫。 (2)8155許多信號與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ALE與89C51ALE相聯(lián)。片選信號經(jīng)譯碼后產(chǎn)生，以高位地址P2.0直接作為IO/信號，此時對8155需要使用16位地址進行編址。 8155的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見圖8.2。 圖8.28155引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8.2.6 8155工作方式查詢 8155I/O工作方式選擇通

28、過對8155內(nèi)部命令寄存器（命令口）設(shè)定命令控制字實現(xiàn)。命令寄存器格式及對應(yīng)的工作方式見下圖8.3。 8155I/O有四種工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符號說明如下： AINTR：A口中斷，請求輸入信號，高電平有效。 BINTR：B口中斷，請求輸入信號，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BF為高電平）。 ASTB（BSTB）：A口（B口）設(shè)備選通信號輸入線，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。

29、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 8155還有一個狀態(tài)寄存器，用于鎖存I/O口和定時器的當(dāng)前狀態(tài)，供CPU 查詢用。其格式如圖8.4： 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

30、以可以認為，CPU讀該地址時，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當(dāng)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。 8.2.8 8155定時功能 8155芯片內(nèi)有一個14位減法計數(shù)器，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8.5。 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

31、）04H，05H。計數(shù)常數(shù)在002H~3FFF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)，在寫入起動命令后，仍可改變定時器的工作方式。 圖8.4 狀態(tài)寄存器格式 M2 M1 方 式 定時器輸出波形 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定時器方式及輸出波形 8.2.9 芯片地址分配 89C51支持的存儲芯片，程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器單獨編址，EPROM與R

32、AM地址分配較為自由,不必考慮會發(fā)生沖突,因89C51復(fù)位后,從0000H開始，內(nèi)部程序存儲器空間為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，8155(1)內(nèi)部RAM地址范圍 E000H-E0FFH /IO＝1時，端口地址：控制口：E100H；PA口：E101H；PB口：E102H；PC口：E103H； 定時器低八位：E104H；定時器高八位：E105H 2#

33、8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示) /IO＝0時，8155(1)內(nèi)部RAM地址范圍0A000H-0A0FFH /IO＝1時，端口地址：控制口：0A00H；PA口：0A01H；PB口：0A02H；PC口：0A03H； 定時器低八位：0A04H；定時器高八位：0A05H 8.3 鍵盤設(shè)計 鍵盤定義及功能 控制面板上布置5個控制鍵，33個功能數(shù)字鍵。其中8個鍵有雙重功能，由SHIFT鍵轉(zhuǎn)換，按下SHIFT鍵，上檔鍵有效。 5個控制鍵各功能如下： 急停鍵——運行時按該鍵，程序立即停止運行。 暫停鍵——運行時按下該鍵，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

34、停。 恢復(fù)運行鍵——處于急?；驎和r，接下該鍵程序繼續(xù)執(zhí)行。用M00實行軟件暫停時，恢復(fù)運行也需要按該鍵。 復(fù)位鍵——編程或運行前，清除內(nèi)存中的隨機數(shù)。 對中心鍵——鉬絲自動找準(zhǔn)預(yù)定的中心位置(原點)。 30個功能數(shù)字鍵包括數(shù)字鍵“0－9”，負號“—”，程序開始字“%”，程序段結(jié)束字“LF”，序號字“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：DEL/INS—刪除/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

35、某一程序段為起割點，單步—步進電機走一拍就停止工作，回零—鉬絲重新置于起點，運行—加工開始確認。 鍵盤程序設(shè)計 本設(shè)計采用非編碼式矩陣式鍵盤，1#8155為鍵盤接口，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，按鍵盤列線，每個鍵對應(yīng)一個鍵碼，根據(jù)鍵碼轉(zhuǎn)至相應(yīng)鍵處理子程序。常用鍵識別方法有掃描法和線翻轉(zhuǎn)法。本設(shè)計采用掃描法。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、列號求得閉合鍵鍵碼。 定義各行首鍵號為00H、06H、0CH、12H、18H，鍵碼=行號＋列號。鍵號鍵功能對應(yīng)表8.1 表8.1 鍵號

36、鍵功能對應(yīng) 鍵號 00H－09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 1E 功能 0－9 — N G M F S 鍵號 13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1F 功能 DEL COPY IDX 單步 回零 運行 SHIFT 圖8.6鍵盤掃描程序流程圖 圖8.7 求鍵值子程序 鍵盤掃描子程序 ORG 0500H SCAN:MOV A,#00H MOV DPTR, #E101H M

37、OVX @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, #1

38、FH, NEXT2 SJMP NEXT3 NEXT2: INC R2 CJNE R2, #01H, NEXT4 MOV R4, A MOV A,R1 MOV R3,A NEXT3: MOV A,R1 RLC A MOV R1,A CJNE A,#40H, LOOP AJMP KCODE NEXT4: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 NEXT1：MOV

39、A， R1 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 R0 MOV A, R0 SJMP REPE RESV: MOV A, R0 RET KTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27H DB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DH DEB1DH,0DH,0BH,07

40、H,03H,1EH DB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DH DB 5FH,57H,5BH,5DH END 8.4 顯示器設(shè)計 顯示器顯示方式的選用 程序輸入時，涉及數(shù)字鍵及N、G、M等功能鍵。采用控制簡單，價格低廉的LED顯示器。因數(shù)控程序較長，顯示數(shù)據(jù)較多，一次把整條指令內(nèi)容全顯示出來很不經(jīng)濟。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，最大控制長度為1m，需6位顯示器才能滿足要求，再加上一位符號位，須7位LED，為清晰顯示N、G、X、Y符號，符號位用一位"米"字顯示。 顯示器顯示

41、方式有靜態(tài)、動態(tài)兩種。本設(shè)計采用動態(tài)掃描法，即逐個點亮各位顯示器，因視覺殘留效應(yīng)，效果與全部顯示器持續(xù)點亮一樣。 顯示器接口 為實現(xiàn)顯示器動態(tài)掃描，對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，通過驅(qū)動器、鎖存器輸出字形到LED，構(gòu)成傳送電路。 圖8.8 鍵盤與顯示系統(tǒng)電路 8.4.3 8155擴展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 定時器低字節(jié) 105H 定時器高字節(jié) 相應(yīng)初始化程序為: ORG

42、 0A00H MOV DPTR,#100H MOV A,#7H MOVX @R0,A …… END 因為P3.3接行程開關(guān),處于高優(yōu)先級，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

43、 SETB IE0 SETB IE1 SETB TR0 SETB TR1 TMOD工作在方式2，所以初始化為： MOV TMOD #66H 8.5插補原理 插補是對直線、圓弧等低次方程曲線的一種逼近方式。通過計算使沿坐標(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)。常用的方法有逐點比較法、積分法。本設(shè)計選用逐點比較法。 逐點比較法工作原理：在控制過程中，逐步計算，判別折線運動與要求軌跡之間的偏差，決定下一步的進給方向。用步進電機控制工作臺沿某一方向進給一步。一個插補由四個節(jié)拍組成，即偏差判別，進給，偏差計算，終點計算。無論是直線插補、順圓插

44、補、逆圓插補都遵守這樣的四步原則。 8.6光電隔離電路 在實際電路中，模擬信號與數(shù)字信號之間有一個強電干擾的問題。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,對輸入和輸出電路可以進行隔離.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、體積小耐沖擊等好處，使其在強-弱電接口，特別是在微機系統(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)計時，應(yīng)該注意輸入信號電路與單片機連接時的隔離。在這里，采用光電藕合是最常用的方法。光電耦合器具有三個特點：①信號傳遞采取電-光-電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，能夠避免輸出端對輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾，②抑制噪聲干

45、擾能力強；③具有耐用、可靠性高和速度快等優(yōu)點，響應(yīng)時間一般為數(shù)以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時間有的甚至小于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。光藕電路原理圖8.9。 VCC1VCC2 R1R2 1 1 GND 圖8.9 光藕電路原理圖 8.7越界報警電路 為防止工作臺行程越界，設(shè)置限位開關(guān)，本設(shè)計中有四個限位開關(guān)，對應(yīng)于四種越界可能。，一旦越界，立即發(fā)出越界信號，啟動中斷方式，停止工作臺的移動。等待處理。并發(fā)出紅燈報警。在正常工作時，則是綠燈亮。兩燈均由8155PB4口控制。 8.8 總體程序控制 流程圖 總程序

46、 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 SE

47、TB PX0 SETB EX0 SETB EX1 SETB EA WE：AJMP WE GONGZUO： LCALL QIUJIAN LCALL XIANSHI LCALL CHULI 9 步進電機接口電路及驅(qū)動 本設(shè)計選用五相步進電機M56853S，工作方式為2細分工作方式，并選擇2CK輸入工作方式。步進電機由驅(qū)動器RD-0534M驅(qū)動。而單片機控制驅(qū)動器啟動和停止及正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動步進電機的脈沖按順序供給電機各相，脈沖發(fā)生由驅(qū)動器內(nèi)部自動產(chǎn)生，并且具有各種系統(tǒng)保護。RD-0534M驅(qū)動器的主要控制端有： 順時方向控制端CW；逆時方向控制

48、端CCW；運行方式控制端4PIN，所需聯(lián)接控制信號由2#8155PB口控制。 X、Y向步進電機各用一個驅(qū)動器控制，電機以五相方式工作。由于RD-0534M驅(qū)動器具有良好的工作性能，并且又具有較強的保護功能，所以系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定。 單片機控制RD-0534M工作時有一個脈沖電流的要求，故在兩者之間加了控制三極管。以滿足控制要求。 圖9.1 硬件連接圖 單片機實現(xiàn)步進電機控制主要在于脈沖分配，實現(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。這里通過單片機發(fā)出信號經(jīng)過環(huán)形分配器驅(qū)動放大直接控制，需要采用軟件實現(xiàn)脈沖分配。 橫向進給采用五相十拍步進電機，五相十拍工作方式通電

49、換相的正序為：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10個通電狀態(tài)。如果P1.4-P1.0輸出的控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，P1.7-P1.5三相六拍步進電機，設(shè)為1（即五相十拍步進電機工作，三相六拍步進電機不工作），控制則可用10個控制字來對應(yīng)這10個通電狀態(tài)。這10個控制字如表9.1所列。 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

50、 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)程序為： CW: INC R0 CJNE R0,#0AH,ZZ MOVE R0,#00H ZZ: MOV A,R0 MOV DPT

51、R,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET ABC: DB 0FCH,0F8H,0F9H,0F1H,0F3H DB 0E3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH 反轉(zhuǎn)程序為： CCW: DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#09H FZ: MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET 縱向進給采用三相六拍步進電機，三相六拍工作方式通電換相的正序為：A-AB-B-BC-

52、C-CA，共有6個通電狀態(tài)。如果P1.7-P1.5輸出的控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，P1.4-P1.0五相十拍步進電機，設(shè)為1（即三相六拍步進電機工作，五相十拍步進電機不工作），控制則可用6個控制字來對應(yīng)這6個通電狀態(tài)。這6個控制字如表9.2所列。 表9.2 狀態(tài)控制字 通電狀態(tài) P1.7(C) P1.6(B) P1.5(5) 控制字 A 1 1 0 DFH AB 1 0 0 9FH B 1 0 1 BFH BC 0 0 1 3FH C 0 1 1 7FH CA 0 1 0 5FH 軟件脈沖分配子程

53、序 正轉(zhuǎn)程序為： CW: INC R1 CJNE R1,#0AH,ZZ MOVE R1,#00H ZZ: MOV A,R1 MOV DPTR,#AB MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET AB: DB 0DFH,9FH,0BFH,3FH,7FH,5FH 反轉(zhuǎn)程序為： CCW: DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#09H FZ: MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,@

54、A+DPTR MOV P1, 結(jié) 論 通過對數(shù)控激光切割機的整體設(shè)計，確定了一臺合理的立式機床結(jié)構(gòu)。 1、根據(jù)題目要求，設(shè)計出了一個結(jié)構(gòu)合理的XY軸工作臺，同時對工作臺進行了受力分析、設(shè)計計算，對滾珠絲杠傳動系統(tǒng)傳動效率、強度等也進行了相應(yīng)的計算，對直線滾動導(dǎo)軌如何選型進行了深度分析，確定步進電機及其傳動機構(gòu)并進行了慣性負載計算、剛度討論等，分別來驗證了其合理性。 2、利用單片機（本設(shè)計采用了89C51為主控芯片），設(shè)計出了一個比較合理的數(shù)控硬件電路與步進電機驅(qū)動相匹配的數(shù)控軟件連接，由單片機控制步進電機來實現(xiàn)XYZ方向的運動。 3、在設(shè)計中對機床數(shù)控部分的I/O進行了擴展

55、，并對鍵盤和顯示器進行了相應(yīng)的設(shè)計，對程序進行了初始化。 4、基本完成了經(jīng)濟型數(shù)控激光切割機的設(shè)計，按此設(shè)計的切割機可以滿足生產(chǎn)的實際需要。 參 考 文 獻 [1] 張學(xué)仁.數(shù)控電火花線切割加工技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2000 [2] 李廣弟.單片機基礎(chǔ).北京：北京航空航天大學(xué)出版社出版，2002 [3] 鄭玉華.典型機械（電）產(chǎn)品構(gòu)造.北京：北京科學(xué)出版社，2006 [4] 陳嬋娟.數(shù)控機床設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006 [5] 李秉操等.單片機原理及其在工業(yè)控制中的應(yīng)用.陜西：陜西電子編輯部，1991 [6] 文秀蘭等.超精密加工技術(shù)與設(shè)備.北京：化學(xué)工業(yè)出版

56、社，2006 [7] RORZE株式會社.RORZE綜合手冊.1996 [8] 胡傳昕.特種加工手冊.北京：北京出版社，2001 [9] 林其俊.機床數(shù)控系統(tǒng).北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1991 [10] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計.北京：兵器工業(yè)出版社，1999 [11] 趙萬生.電火花加工技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2000 [12] 徐灝.新編機械設(shè)計師手冊.北京：機械工業(yè)出版社版，2006 [13] 余承業(yè)等.特種加工新技術(shù).北京：北京國防工業(yè)出版社，1995 [14] 馮辛安.機械制造裝備設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1999 [15] 劉書華.數(shù)控機床與編程

57、.北京：機械工業(yè)出版社，2001 [16]S.卡爾帕基安，S.R.施密德.制造工程與技術(shù)（機加工）（英文版）及學(xué)習(xí)輔導(dǎo)（上冊）.北京：機械工業(yè)出版社 ,1998 [17] Patton W.J. Mechanical Power Transmission. New Jersey:Printice-Hall,1980 致 謝 經(jīng)過3個月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有指導(dǎo)教師的督促指導(dǎo)以及同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師喬水明老師。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從外出實習(xí)到查閱資料，設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設(shè)計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。除了敬佩喬老師淵博的學(xué)識外，他嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、平易近人的作風(fēng)和認真負責(zé)的工作態(tài)度也是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下機械專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。 最后感謝攀枝花學(xué)院四年來對我的栽培。