(有CAD图)300×400数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计-论文

毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 毕业设计说明书 数控相贯线切割机XY工作台部件及单片机控制设 计 毕业设计说明书 数控相贯线切割机XY工作台部件及单片机控制设 计 摘要：相贯线切割的适用对象主要是难切割 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ，如高强度、高韧性材料以及精密细小和形 状复杂的零件，因而数控相贯线切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。 本文设计了一台单片机控制的数控相贯线切割机床，主要完成了：机床整体结构设计，Z 轴、XY 轴的结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨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 89C51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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计和步进电机的控制程序设计。 关键词 CNC，相贯线切割机床，XY工作台，单片机 毕业设计说明书 300 × 400 CNC laser cutting machine XY table parts and SCM control design ABSTRACT：Laser 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 playing an important role in China's manufacturing industry. 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, 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; 89C51 chip was mainly used for the design of hardware circuit, the design of system initialization and the design of stepper motor’s controlling program. Key words CNC, laser cutting machine tools, XY table ,Single chip microcomputer 毕业设计说明书 目 录 第一章 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.1相贯线技术概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.2相贯线切割机的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.3设计任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.4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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯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 第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 3.1 滚珠丝杠副导程的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 3.2 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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 11 5.1 步进电机的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 11 5.1.1 脉冲当量和步距角⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 11 5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 11 5.1.3确定步进电机最高工作频率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 12 5.2齿轮传动机构的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 12 5.2.1传动比的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 12 5.2.2齿轮结构主要参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 12 5.3步进电机惯性负载的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 13 第六章 传动系统刚度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 15 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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 15 6.2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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17 7.1消隙方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17 7.1.1偏心轴套调整法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17 7.1.2锥度齿轮调整法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 18 毕业设计说明书 7.1.3双片齿轮错齿调整法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 18 7.2预紧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 19 第八章 控制系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 20 8.1 确定机床控制系统方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 20 8.2 主要硬件配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 20 8.2.1主要芯片选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 20 8.2.2 主要管脚功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 20 8.2.3 EPROM的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 21 8.2.4 RAM的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 22 8.2.5 89C51存储器及 I/O的扩展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 22 8.2.6 8155工作方式查询⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 23 8.2.7状态查询⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 24 8.2.8 8155定时功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 25 8.2.9 芯片地址分配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 26 8.3总体程序控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 27 8.3.1流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 27 8.3.2总程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 27 8.4 键盘设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 28 8.4.1键盘定义及功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 28 8.4.2 键盘程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 29 8.5 显示器设计 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 33 8.5.1显示器显示方式的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 33 8.5.2显示器接口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 34 8.5.3 8155扩展 I/O端口的初始化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 34 8.6 插补原理 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 35 8.7光电隔离电路 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 35 8.8越界报警电路 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 36 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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42 毕业设计说明书 1 第一章 绪论 1.1相贯线切割技术概述 相贯线切割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 相贯线切割器进行利 用相贯线切割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）相贯线切割淬火工艺研究，淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高 了 10倍。这是相贯线切割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 金和人力进行相贯线切割器、相贯线切割加工设备和相贯线切割加工对材料学的研究，促使 相贯线切割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，相贯 线切割技术已在工业、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 步实现相贯线切割技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。“十五”的主要工作 是促进相贯线切割加工产业的发展，保持相贯线切割器年产值 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相贯线切割技术进行改造的示范 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ；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相贯线切割设备和仪器。 数控化和综合化把相贯线切割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，已成为相贯线切割加工发展的一个重要趋 势。 1.2相贯线切割切割技术的应用 相贯线切割切割是用聚焦镜将 CO2相贯线切割束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与 相贯线切割束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使相贯线切割束与材料沿一定轨迹作相 对运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2相贯线切割器及数控技 术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作 为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料, 成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割 的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期, 又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适 用范围。 相贯线切割切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比， 毕业设计说明书 2 相贯线切割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。 相贯线切割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。相贯线切割切割技术、相贯线切割切割机床正 在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控相贯线切割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）控制相贯线切割切割机床，主要设 计对象是 XY工作台部件及 89C51单片机控制原理图。而对相贯线切割切割机其他部件如冷 水机、相贯线切割器等不作为设计 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 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 参考数控相贯线切割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。 图 1-1 系统总体原理图 控 制 器 驱 动 器 驱 动 器 步进 电机 步进 电机 X向工作台 Y向工作台 毕业设计说明书 3 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（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，89C51 读取时间约为 3t，则 t＝480ns ,常用 EPROM 读取时间约为 200~450ns。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。 毕业设计说明书 4 无锡职业技术学院毕业设计说明书 5 第二章 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 因相贯线切割切割机床为相贯线切割加工,其相贯线切割器与工件之间不直 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)。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 6 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 2.2 Z轴随动系统设计 相贯线切割切割机对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，以保证相贯线 切割聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于相贯线切割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、相贯线切割、 红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，相贯线切割、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，而相贯线切割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，如自动调整相贯线切割喷嘴距离、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，普通数控相贯线切割切割机Z轴拖动重量在5kg以上时，应采用 重力平衡设施。而高性能数控相贯线切割切割机的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。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 7 反光镜 平衡气缸 直线导轨 切割头 Z轴丝杆 Z轴电机 图2-1 Z轴随动机构 无锡职业技术学院毕业设计说明书 8 第三章 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 滚珠丝杠副导程的确定 轴向负荷计算公式： aF =F+UW （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）： aF = 0.004×2301=92N 相贯线切割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）， aF =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 tgh y y r= + （3.2） 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） （3.3） 无锡职业技术学院毕业设计说明书 9 式中:Ph—导程，4mm d——丝杠公称直径，25mm 则根据式（3.3）： 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 锡 青 铜 无锡青铜 灰铸铁 齿面硬度 HRC≥45 其它 HRC≥45 HRC≥45 其它 相对速度 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 0.090 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 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°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′ 无锡职业技术学院毕业设计说明书 10 第四章 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 无锡职业技术学院毕业设计说明书 11 图4-1 直线滚动导轨 无锡职业技术学院毕业设计说明书 12 第五章 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： 1 2M M M= + （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: ' 1 / 2 ( )aM F d tg y r= ´ ´ + （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： 2 / 2ao hM K F P p= ´ ´ （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=640N Fao2为轴承的预紧力，轴承型号为 6004轻系列，预紧力为Fao2＝130N。故 根据式（5.3）： M2=0.098 N·m 齿轮传动比公式为：i=φ× Ph /(360×δp)，故步进电机输出轴上起动矩 近似地可估算为： /qT M ih= （5.4） =360×M×δp /φ×η×Ph 式中: δp =lμm/STEP=0.0001cm/STEP； M= M1+ M 2= 0.16N φ=0.36o/STEP 无锡职业技术学院毕业设计说明书 13 q=0.85 Ph＝0.4cm η＝0.953 则根据式（5.4）： Tq=360×0.16×0.0001/(3.6×0.85×0.4)=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 5.1.3确定步进电机最高工作频率 参考有关数控相贯线切割切割机床的资料,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/cm2 5.2齿轮传动机构的确定 5.2.1传动比的确定 要实现脉冲当量 lμm/STEP 的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其 传动比为： /(360 )h pi Pf d= ´ ´ （5.5） 式中：Ph —为滚珠丝杠导程 φ—为步距角 δp—为脉冲当量 根据前面选定的几个参数，由式（5.4）得： i =0.36×4/360×0.001 =4:1=Z2/Z1 根据结构要求,选用 Z1为 30，Z2为 120 5.2.2齿轮结构主要参数的确定 ①齿轮类型：选择直齿加工方便。 ②模数选择：本工作台负载相当轻,参考同类型的机床后,选择 m＝1 齿轮传动侧 隙的消除。 ③中心距的计算： A=m×（Z1+ Z2） （5.6） 无锡职业技术学院毕业设计说明书 14 =1×(30+120)/2=75mm 齿顶高为 1mm，齿根高为 125mm，齿宽为 20mm。 ④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。 5.3步进电机惯性负载的计算 由资料知，相贯线切割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： 0 2 D 1 1 2 2 3 4 m nJ =J +J +(Z / Z ) ( J + J ) + J ( V / ) m Dw ´ （5.7） 式中：JD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e J1为齿轮Zl的转动惯量 J2为齿轮Z2的转动惯量 J3为齿轮Z3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 ωD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， mn=112.5Kg 齿轮惯性转矩计算公式： 2 2J= m= G/g r r （5.8） 其中： ρ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= RLD/32 p （5.9） 无锡职业技术学院毕业设计说明书 15 最后计算可得： J1=0.1×10-3Kg. m2 J2=1.32×10-3Kg. m2 J3=2.98×10-4Kg. m2 J4=1.14×10-5Kg. m2 Vm=12 m/s ωD=2πrad/s 故惯性负载根据式（5.7）得： JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J2＋J3）+ J4 (Vm/ωD)2×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。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 16 第六章 传动系统刚度的分析 相贯线切割切割机 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 K0或 C0 决定的，在估算时，取K=K0，C=C0 对滚珠丝杠传动,其变形主要包括： ①丝杠拉压变形 ②扭转变形 ③丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。 ④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K0，根据支承形式可得： 3/ 3 *10 ( / )oK EF L Kgf mm -= 式（6.1） 式中：E=2.06×10 -4(Kgf/ mm 2) F=754.8mm 2 L=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=230kgf F —静摩擦系数，取0.003-0.004 △ —部件调整时，所需的最小进给量 无锡职业技术学院毕业设计说明书 17 则： F0=230×0.004=0.92KGF A=0.5δp=0.5μm/STEP 即满足微量进给要求的传动系统刚度为: K△≥F0/△＝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。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 18 第七章 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。 7.1.1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。 图7-1 偏心轴套调整法 1-齿轮 2-偏心套 3-齿轮 无锡职业技术学院毕业设计说明书 19 7.1.2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 7.1.3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 无锡职业技术学院毕业设计说明书 20 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。 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。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 21 单 片 机 I/O 口 扩展 驱 动 器 光 电 隔 离 功 率 放 大 X轴电机 纵向丝杠 存 储 器 扩 展 驱动器 Y轴电机 横向丝杠 Z轴电机 Z向丝杠 第八章 控制系统设计 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： 图8-1 控制系统框图 8.2 主要硬件配置 8.2.1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。 8.2.2 主要管脚功能 89C51是40脚双列直插式芯片。主要管脚功能: ①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。 ②PSEN——外部程序存储器选通端,以区别读外部数据存储器。 ③ALE——地址锁存控制端,系统扩展时，ALE控制P0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l/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。 键 盘 显示器 无锡职业技术学院毕业设计说明书 22 ④RESET——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。 ⑤89C51中I/O口的介绍 P0口——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； P0—P3口均为八位双向口。P0口可驱动 8个 TTL门电路，Pl—P3口只能 驱动四个TTL门电路。 ⑥时钟——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P0口经地址锁存器，提供八位A0-A7，高八位A8—A15由P2口直接提供。 数据总线DB——数据总线为8位，自P0口直接提供。, 控制总线CB——由P3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: ①A0—A12 13位地址线 ②D0—D7 数据输出线 ③OE 数据输出允许信号 ④PGM 编程控制信号，用于引入编程脉冲 ⑤CE 片选信号 2764主要工作方式: ①读方式——OE及CE为低电平，Vpp＝＋5V时处于读出方式 ②写方式——OE为低电平, PGM亦为低电平，VPP＝＋21V, CE为高电平 无锡职业技术学院毕业设计说明书 23 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。 ③编程禁止方式一此为向多片2764写入不同程序而设置的，当VPP=+21V时， CE为高电平时，2764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 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： 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 6264主要工作方式: ①读方式——OE及CE为低电平，WE为高电平时，6264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 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 A0—A7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接，将 A8－A13脚与 89C51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89C51P0口联接。控制线89C51 PSEN与2764CE相联， 无锡职业技术学院毕业设计说明书 24 89C51从外部 EPROM取指令。WR、 RD分别与 6264WE、OE相联，89C51 对外部RAM进行读/写。 (2)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 AD0一 AD7与 89C51P0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。 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： 无锡职业技术学院毕业设计说明书 25 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。 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：AST B 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 无锡职业技术学院毕业设计说明书 26 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