300X400数控激光切割机设计

目 录

摘 要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅰ ABSTRACT„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ Ⅱ

1 绪论 ............................................................................................................................................. 1

1.1课题背景 ............................................................................................................................. 1 1.2现实意义 ............................................................................................................................. 1 1.3设计任务 ............................................................................................................................. 1 1.4总体设计方案分析.............................................................................................................. 2

2 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计 ................................................................. 4

2.1 XY工作台的设计 ............................................................................................................... 4 2.1.1主要设计参数及依据 ................................................................................................. 4 2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析 ............................................................................ 4 2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量 ........................................................................ 4 2.2 Z轴随动系统设计.............................................................................................................. 5

3 滚珠丝杠传动系统的设计计算 ......................................................................................... 6

3.1 强度计算 ............................................................................................................................ 6 3.2 滚珠丝杠副的传动效率..................................................................................................... 6

4 直线滚动导轨的选型 ............................................................................................................. 8 5 步进电机及其传动机构的确定........................................................................................... 9

5.1 步进电机的选用................................................................................................................. 9 5.1.1 脉冲当量和步距角 .................................................................................................... 9 5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 .............................................................................. 9 5.1.3确定步进电机最高工作频率.................................................... 错误！未定义书签。 5.2齿轮传动机构的确定........................................................................ 错误！未定义书签。 5.2.1传动比的确定 ........................................................................... 错误！未定义书签。 5.2.2齿轮结构主要参数的确定 ....................................................... 错误！未定义书签。 5.3步进电机惯性负载的计算................................................................ 错误！未定义书签。

6 传动系统刚度的讨论 ........................................................................... 错误！未定义书签。

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 ............... 错误！未定义书签。 6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 ................................ 错误！未定义书签。

7 消隙方法与预紧 .................................................................................... 错误！未定义书签。

7.1消隙方法 ........................................................................................... 错误！未定义书签。

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7.1.1偏心轴套调整法 ....................................................................... 错误！未定义书签。 7.1.2锥度齿轮调整法 ....................................................................... 错误！未定义书签。 7.1.3双片齿轮错齿调整法 ............................................................... 错误！未定义书签。 7.2预紧 ................................................................................................... 错误！未定义书签。

8 数控系统设计 ........................................................................................ 错误！未定义书签。

8.1 确定机床控制系统方案................................................................... 错误！未定义书签。 8.2 主要芯片配置................................................................................... 错误！未定义书签。 8.2.1主要芯片选择 ........................................................................... 错误！未定义书签。 8.2.2 主要管脚功能 .......................................................................... 错误！未定义书签。 8.2.3 EPROM的选用 ........................................................................... 错误！未定义书签。 8.2.4 RAM的选用 ................................................................................................................. 9 8.2.5 C51存储器及I/O的扩展.................................................................................... 10 8.2.6 8155工作方式查询 ................................................................................................. 11 8.2.7状态查询 ................................................................................................................... 12 8.2.8 8155定时功能 ......................................................................................................... 12 8.2.9 芯片地址分配 .......................................................................................................... 13 8.3 键盘设计 .......................................................................................................................... 14 8.3.1键盘定义及功能 ....................................................................................................... 14 8.3.2 键盘程序设计 .......................................................................................................... 14 8.4 显示器设计....................................................................................................................... 18 8.4.1显示器显示方式的选用 ........................................................................................... 18 8.4.2显示器接口 ............................................................................................................... 19 8.4.3 8155扩展I/O端口的初始化 .................................................................................. 19 8.5 插补原理 .......................................................................................................................... 20 8.6光电隔离电路.................................................................................................................... 21 8.7越界报警电路.................................................................................................................... 21 8.8总体程序控制.................................................................................................................... 21 8.8.1流程图 ....................................................................................................................... 20 8.8.2总程序 ....................................................................................................................... 20

9 步进电机接口电路及驱动 .................................................................................................. 24 结 论 ........................................................................................................................................... 28 参考文献 ...................................................................................................................................... 29 致 谢 ........................................................................................................................................... 40

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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。

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（C51主控芯片）控制激光切割机床，主

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要设计对象是XY工作台部件及C51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/ 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。

1.4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C51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。

控 制 器 驱 动 器 步进 电机 X向工作台 驱 动 器 步进 电机 Y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

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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C51为主芯片。在使用过程中C51虽有4K的FLASH（E2PROM），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，C51读取时间约为3t，则t＝480ns ,常用EPROM读取时间约为200~450ns。C51的读取时间应大于ROM要求的读取时间。C51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。

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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

2.1.1主要设计参数及依据

本设计的XY工作台的参数定为：

①工作台行程：横向320mm，纵向450mm

②工作台最大尺寸（长×宽×高）：1100×900×300mm ③工作台最大承载重量：120Kg ④脉冲当量：0.001mm/pluse ⑤进给速度：60平方毫米/min ⑥表面粗糙度：0.8～1.6 ⑦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范围。

2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量

初定工作台尺寸(长×宽×高度)为:1200×950×70mm，材料为HT200，估重为625N (W1)。

设中托座尺寸(长×宽×高度)为:1200×520×220mm，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

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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轴电机反光镜 Z轴丝杆平衡气缸直线导轨 切割头 图2.1 Z轴随动机构

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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 2504-3/490×500 Y向： FFZD 2504-3/500×1100

（二） 因X向的滚珠丝杆比Y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，Y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：

Fa=F+UW 式（3.1）

式中F—— 切削力，F=0

W——工件重量加工作台重量 W=2301N

U——滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为0.003-0.004），取U=0.004 则根据式（3.1）：

Fa = 0.004×2301=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=（0.2-0.3），Fa =18.4-27.6N。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:

tg/t(（3.2） g' ) 式

式中ψ—滚珠丝杠的螺纹升角

ρ＇—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HRC≥45。

所以：ρ＇=4°00′，tgρ＇=0.0025 ；

因为ψ=arctg（Ph/πd） 式（3.3） 式中:Ph—导程，4mm d——丝杠公称直径，25mm

则根据式（3.3）：

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毕业设计 3 滚珠丝杆传动设计的设计计算

ψ＝2.91°

则根据式（3.2）得：η＝0.953。

表3.1 当量摩擦系数f＇和当量摩擦角ρ＇

齿圈材料 齿面硬度 相对速度 υs m/s 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 6°17′ 0.120 6°51′ 0.180 0.090 5°09′ 0.100 5°43′ 0.140 0.080 4°34′ 0.90 5°09′ 0.130 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°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′ 锡 青 铜 HRC≥45 其它 无锡青铜 HRC≥45 HRC≥45 灰铸铁 其它 f＇ ρ＇ f＇ ρ＇ f＇ ρ＇ f＇ ρ＇ f＇ ρ＇ 0.065 3°43′ 0.075 4°17′ 0.100 0.055 3°09′ 0.065 3°43′ 0.090 0.045 2°35′ 0.055 3°09′ 0.070 0.040 2°17′ 0.05 2°52′ 0.065 0.035 2°00′ 0.045 2°35′ 0.055 0.030 1°43′ 0.040 2°17′ 0.05 0.028 1°36′ 0.035 2°00′ 0.045 0.024 1°22′ 0.031 1°47′ 0.040 0.022 1°16′ 0.029 1°40′ 0.035 0.018 1°02′ 0.026 1°29′ 0.016 0°55′ 0.024 1°22′ 0.014 0°48′ 0.020 1°09′ 0.013 0°45′ 0.03

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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： ①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。

②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。 ③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20～30%。 ④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。

型号：选用GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图4.1。 具体型号：X向选用GGB20BA2P，2 500-4

Y向选用GGB20AB2P，2 1100-4

图4.1 直线滚动导轨

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5 步进电机及其传动机构的确定

5.1 步进电机的选用

5.1.1 脉冲当量和步距角

已知脉冲当量为1μm/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为0.36o/STEP（二倍细分）。

5.1.2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(') 式（5.2）=92×0.025/2×tg（2.91+0.14） =0.062N·m

M2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：

M2KFaoPh/2 式（5.3）

式中: K—预紧时的摩擦系数，0.1—0.3

Ph—导程，4cm Fao——预紧力， 有：Fao=Fao1+Fao2

取Fao1=0.04×Ca=0.04 ×1600=0N

此处省略 NN

NNNNN NNN NN 字

编程禁止方式一此为向多片27写入不同程序而设置的，当VPP=+21V时，

CE为高电平时，27芯片处于编程禁止状态。

8.2.4 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

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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RAM62(8K*8位)一片。 62主要引脚功能： ①A0—A12 13位地址线 ②IO1—IO7 数据输入输出线 ③OE 数据输出允许信号 ④WE 写选通信号 ⑤CE 片选信号 62主要工作方式:

①读方式——OE及CE为低电平，WE为高电平时，62将数据输出到指定地址。

②写方式——CE为低电平，WE亦为低电平时,允许数据输入。 ③封锁方式——CE为高电平时，该芯片没被选通，不工作。

8.2.5 C51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27、62存储量均为8K，需13位地址进行存储单元选择，将A0—A7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接，将A8－A13脚与C51的P2口P2.0-P2.4相联接，其余地址线经P2.5—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D0－Dl与C51P0口联接。控制线C51 PSEN与27CE相联，C51从外部EPROM取指令。WR、 RD分别与62WE、OE相联，C51对外部RAM进行读/写。

(2)8155许多信号与C51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AD0一AD7与C51P0口直接相联。地址锁存信号ALE与C51ALE相联。片选信号CE经译码后产生，以高位地址P2.0直接作为IO/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8.2。

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图8.2 8155引脚及内部结构

8.2.6 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。

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ASTB，PC3～PC5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。

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00：空操作 01：停止计数 10：时间到则停止计数 11：置入工作方式和计数长度后立即启动计数，若正在计数，溢出后按新的方式和长度计数 0：禁止B口中断 1：允许B口中断 0：禁止A口中断 1：允许A口中断 定义端口A 0：输入 1：输出 定义端口B 0：输入 1：输出

定义端口C 00：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：AINTR PC1：ABF PC2：ASTB PC3～PC5：输入输出 PC0：AINTR PC1：ABF PC2：ASTB PC3：BINTR PC4：BBF PC5：BSTB

图8.3 命令寄存器格式

8.2.7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。

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002H~3FFF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。

需完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八12

需完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

× A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 0 0 0 1 1 0 1 1 方 式 单方波 连续方波 单脉冲 连续脉冲 定时器输出波形 图8.5 8155定时器方式及输出波形

8.2.9 芯片地址分配

C51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C51复位后,从0000H开始，内部程序存储器空间为0000H-0FFFH，外部2片27芯片地址分别为0C000H-0DFFFH，8000H--9FFFH。C51内部数据存储器空间为00H-0FFH，外部62芯片地址：6000H-7FFFH

1#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-E0FFH

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需完整说明书和图纸找扣扣 二五一一三三四零八

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：E105H 2#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-0A0FFH

M/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：0A05H

8.3 键盘设计

8.3.1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“—”，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/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。

8.3.2 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。PA0—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。

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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8.1

表8.1 键号键功能对应

键号 功能 00H－09H 0－9 14H 0AH — 15H 0BH 0CH N 17H DISP ZOOM0DH G 18H IDX 0EH M 19H 0FH F 1AH 10H S 1BH 11H 12H 1E % LF16H  X1CH  Y1DH  Z1F 键号 13H 功能  I JDEL COPY 穿孔 单步 回零 运行 SHIFT 纸带W关显示全\"1\"（3FH）送C口 有键按下（列值＝3）延时20抖动窜键标志送对口行扫描 被按键列值≠3在本行窜键标志加\"1\" 窜键（）≠01加\"1\"返回监视列值列值行值左移一位扫完一遍

图8.6 键盘扫描程序流程图

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求键值子程序行序号初值0送行值右移一位行序号加1行值行序号左移四位行列值低四位相加得 关键字键值计数器加1送查到关键字键值送

图8.7 求键值子程序

键盘扫描子程序

ORG 0500H SCAN:MOV A,#00H MOV DPTR, #E101H MOVX @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

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求键值子程序

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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, #1FH, 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

ORG 0560H

KCODE：MOV R1，#00H MOV A， R3 CLR C LOOP： RRC A JZ NEXT1 INC R1 SJMP LOOP

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NEXT1：MOV 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,07H,03H,1EH DB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DH DB 5FH,57H,5BH,5DH END

8.4 显示器设计

8.4.1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，一次把整条指令内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1μm，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

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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。

8.4.2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。C51P0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。

接CBA74LS138+5VC2AC2BG1GNDY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7ΩCE RESET Vcc VppPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA77407驱动器+5VABCDEFGH SP74LS048155IO/MΩ接1

图8.8 键盘与显示系统电路

8.4.3 8155扩展I/O端口的初始化

由上图的硬件连接得到8155初始化程序： 8155有关地址寄存器端口地址为: 100H 命令字寄存器 104H 定时器低字节 105H 定时器高字节 相应初始化程序为:

ORG 0A00H MOV DPTR,#100H MOV A,#7H MOVX @R0,A „„

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END

因为P3.3接行程开关,处于高优先级，所以IP、IE初始化为：

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 SETB IE0 SETB IE1 SETB TR0

SETB TR1

TMOD工作在方式2，所以初始化为：

MOV TMOD #66H

8.5 插补原理

插补是对直线、圆弧等低次方程曲线的一种逼近方式。通过计算使沿坐标方向的折线所构成的图形与加工图形间的误差保持在允许的范围内。常用的方法有逐点比较法、积分法。本设计选用逐点比较法。

逐点比较法工作原理：在控制过程中，逐步计算，判别折线运动与要求轨迹之间的偏差，决定下一步的进给方向。用步进电机控制工作台沿某一方向进给一步。一个插补由四个节拍组成，即偏差判别，进给，偏差计算，终点计算。无论是直线插补、顺圆插补、逆圆插补都遵守这样的四步原则。

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8.6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：①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，②抑制噪声干扰能力强；③具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般为数以内，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。光藕电路原理图8.9。

VCC1 VCC2

R1 R2

1 GND 图8.9 光藕电路原理图

1 8.7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。两灯均由8155PB4口控制。

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毕业设计 8 数控系统设计

8.8 总体程序控制

8.8.1流程图

开始关中断初始化清数据区开中断读键键处理工作方式判别编程调试编子程序键盘扫描子程序调试子程序求键值子程序

8.8.2总程序

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

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毕业设计 8 数控系统设计

XUNHUAN :MOVX @DPTR, A

INC DPTR INC R0

CJNE R0,#0FFH, XUNHUAN INC R1

CJNE R2,#0FFH, XUNHUAN MOV SP,#60H SETB PX0 SETB EX0 SETB EX1 SETB EA WE：AJMP WE GONGZUO：

LCALL QIUJIAN LCALL XIANSHI LCALL CHULI

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毕业设计 9 步进电机接口电路及驱动

9 步进电机接口电路及驱动

本设计选用五相步进电机M56853S，工作方式为2细分工作方式，并选择2CK输入工作方式。步进电机由驱动器RD-0534M驱动。而单片机控制驱动器启动和停止及正反转。驱动步进电机的脉冲按顺序供给电机各相，脉冲发生由驱动器内部自动产生，并且具有各种系统保护。RD-0534M驱动器的主要控制端有： 顺时方向控制端CW；逆时方向控制端CCW；运行方式控制端4PIN，所需联接控制信号由2#8155PB口控制。

X、Y向步进电机各用一个驱动器控制，电机以五相方式工作。由于RD-0534M驱动器具有良好的工作性能，并且又具有较强的保护功能，所以系统工作比较稳定。

单片机控制RD-0534M工作时有一个脉冲电流的要求，故在两者之间加了控制三极管。以满足控制要求。

+5V-3VA0A1PA0VccABCDE+-CPPA1E0YB015E1（1）E2RGND光电耦合电路高低压驱动电路 X向 步进电机PA2A0A1PA3VccABCDE+-CPE0E1E2RGNDYB015（1）光电耦合电路高低压驱动电路 Y向 步进电机PA4A0A1PA5VccABC+-CPE0E1E2RGNDYB013（2）光电耦合电路高低压驱动电路 Z向 步进电机PA6接8155TIM/OUT

图9.1 硬件连接图

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毕业设计 9 步进电机接口电路及驱动

单片机实现步进电机控制主要在于脉冲分配，实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。这里通过单片机发出信号经过环形分配器驱动放大直接控制，需要采用软件实现脉冲分配。

横向进给采用五相十拍步进电机，五相十拍工作方式通电换相的正序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。如果P1.4-P1.0输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P1.7-P1.5三相六拍步进电机，设为1（即五相十拍步进电机工作，三相六拍步进电机不工作），控制则可用10个控制字来对应这10个通电状态。这10个控制字如表9.1所列。

9.1 状态控制字 通电状态 AB ABC BC CBD CD CDE DE DEA EA EAB P1.4(E) 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 P1.3(D) 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 P1.2(C) 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 P1.1(B) 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 P1.0(A) 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 控制字 FCH F8H F9H F1H F3H E3H E7H E6H EEH ECH 软件脉冲分配子程序 正转程序为：

CW: INC R0

CJNE R0,#0AH,ZZ MOVE R0,#00H ZZ: MOV A,R0

MOV DPTR,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET

ABC: DB 0FCH,0F8H,0F9H,0F1H,0F3H

DB 0E3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH 反转程序为： CCW: DEC R0

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毕业设计 9 步进电机接口电路及驱动

CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#09H FZ: MOV A,R0

MOV DPTR,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET

纵向进给采用三相六拍步进电机，三相六拍工作方式通电换相的正序为：A-AB-B-BC-C-CA，共有6个通电状态。如果P1.7-P1.5输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P1.4-P1.0五相十拍步进电机，设为1（即三相六拍步进电机工作，五相十拍步进电机不工作），控制则可用6个控制字来对应这6个通电状态。这6个控制字如表9.2所列。

表9.2 状态控制字

通电状态 A AB B BC C CA P1.7(C) 1 1 1 0 0 0 P1.6(B) 1 0 0 0 1 1 P1.5(5) 0 0 1 1 1 0 控制字 DFH 9FH BFH 3FH 7FH 5FH 软件脉冲分配子程序 正转程序为：

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 反转程序为：

CCW: DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ

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毕业设计 9 步进电机接口电路及驱动

MOV R0,#09H FZ: MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,

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毕业设计 结论

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C51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。

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毕业设计 参考文献

参 考 文 献

[1] 张学仁.数控电火花线切割加工技术. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2000 [2] 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社出版，2002 [3] 郑玉华.典型机械（电）产品构造. 北京：北京科学出版社，2006 [4] 陈婵娟.数控机床设计. 北京：化学工业出版社，2006

[5] 李秉操等.单片机原理及其在工业控制中的应用. 陕西：陕西电子编辑部，1991 [6] 文秀兰等.超精密加工技术与设备. 北京：化学工业出版社，2006 [7] RORZE株式会社.RORZE综合手册.1996

[8] 胡传昕.特种加工手册. 北京：北京出版社，2001 [9] 林其俊.机床数控系统. 北京：中国科学技术出版社，1991 [10] 王爱玲.现代数控机床结构与设计. 北京：兵器工业出版社，1999 [11] 赵万生.电火花加工技术. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2000 [12] 徐灏.新编机械设计师手册. 北京：机械工业出版社版，2006 [13] 余承业等.特种加工新技术. 北京：北京国防工业出版社，1995 [14] 冯辛安.机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社，1999 [15] 刘书华.数控机床与编程. 北京：机械工业出版社，2001

[16] S.卡尔帕基安，S.R.施密德.制造工程与技术（机加工）（英文版）及学习辅导（上册）.

北京：机械工业出版社 ,1998

[17] Patton W.J. Mechanical Power Transmission. New Jersey: Printice-Hall,1980

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毕业设计 致 谢

致 谢

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。

在这里首先要感谢我的导师乔水明老师。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。除了敬佩乔老师渊博的学识外，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。

其次要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，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。

最后感谢攀枝花学院四年来对我的栽培。

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