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畢業設計(論文)龍門式火焰切割機傳動及控制設計THEDESIGNOFTYANSMISSIONANDCONTYOLinthegANTRYFLAMECUTTINGMACHINE學生姓名學院名稱專業名稱指導教師20**年5月27日摘要本課題針對龍門式火焰切割機的橫梁及火焰切割頭的控制進行了設計。橫梁的機構設計主要對其結構的確定，之后對傳動裝置進行了選擇及計算檢驗，最后對主要傳動的零部件進行選擇校核。其中主要對滑動絲杠和滾動絲杠的強度及傳動效率等進行了計算校核。并對橫梁設計中存在的結構部件的聯接問題進行了改進?；鹧媲懈铑^是在傳動裝置的基礎上運用絲杠的轉速控制運動，用單片機控制電機的轉速來達到效果。對控制電路設計也做了系統的詳解，主要對所涉及的鍵盤、顯示器、主要芯片做了選取應用。關鍵詞火焰切割機；電氣控制；橫梁設計；單片機AbstractThisessayanalyzesthatthedesignofthebeamandthecontrolofflamecuttingheadofthegantryflamecuttingmachine.Thedesignofthebeamofmechanismmaindeterminingitsstructureofthetransmissiondevice,thentheselectionandoperationofthemaintransmissioninspection,finallythechooseofthepartsinspection.Themajorofslidingscrewandrollingballscrew'sstrengthandtransmissionefficiencyiscalculatedrespectively.Andproblemsexistingintheconnectofparts,inthedesignofstructureofthebeam,arealsoimproved.Flamecuttingintheheadisbasedontransmissiondeviceusingscrewspeedcontrolmovement,withsingle-chipmicrocomputercontrolmotorspeedtoachieveresults.Ialsomakeasystemexplanationofthecontrolofcircuitdesign,involvedmainlytomaketheselectionandapplicationsofthekeyboard,display,mainchip.Keywordsflamecuttingmachineelectricalcontrolthedesignofthebeammicrocontroller目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1課題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術要求 11.1.1課題的意義和目的 11.1.2研究范圍和技術要求 11.2龍門式火焰切割機的簡介和特點 11.2.1簡介 11.2.2特點 2國內外的現狀 21.4發展前景 32總體方案設計 52.1總體方案的設計 52.1.1功能與技術參數的分析 52.1.2橫梁機構設計簡介 5雙切割頭橫向移動電氣控制設計簡介 52.2立柱的設計 52.2.1機架的設計準則及要求 52.2.2立柱結構 63橫梁機械機構設計 93.1龍門式橫梁結構設計 93.1.1確定龍門式火焰切割機橫梁結構 93.1.2傳動裝置類型的選用 93.1.3傳動方案的選取 103.2機床零部件的設計 103.2.1絲杠副的選取 11導軌的選型及計算 15聯軸器的選取 16軸承的選取 18立柱底座橫向進給的滾動絲杠的計算 193.2.6步進電機的選取 214電氣控制設計 25擬定機床控制系統方案 25組成元件的介紹 25主要芯片的選取 254.2.2鍵盤接口原理 254.3控制電路設計 264.3.1使用多片EPROM的擴展電路 264.3.289C51主要管腳功能 274.3.3靜態RAM芯片的選用 274.3.48155工作方式查詢 284.3.589C51的存儲器及I/O的擴展 294.3.68155狀態查詢 304.3.78155內部定時電路 304.3.889C51地址分配 314.3.98155擴展I/O端口的初始化程序設計 324.4鍵盤電路設計 33鍵盤功能 33鍵盤程序設計 33閃光報警電路 364.6顯示器設計 36顯示器顯示方式的選取 36顯示器接口電路 36光電隔離電路選用 36結論 38致謝 39參考文獻 40謝謝朋友對我文章的賞識，充值后就可以下載此設計說明書（不包含CAD圖紙）。我這里還有一個壓縮包，里面有相應的word說明書（附帶：外文翻譯）和CAD圖紙。需要壓縮包的朋友聯系QQ客服1：1459919609或QQ客服2：1969043202。需要其他設計題目直接聯系?。?！1緒論1.1課題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術要求1.1.1課題的意義和目的火焰切割機是工程中金屬板材切割的常用設備，可以根據要求在板材上切割出不同形狀。采用數控技術的多點火焰切割機可以同時進行多種切割加工。龍門式火焰切割機是一種針對大型板材的火焰切割設備。本課題要求對龍門式火焰切割機的橫梁機械機構進行設計，并設計切割頭的橫移控制系統。1.1.2研究范圍和技術要求本次設計任務是設計一臺單片機（89C51主控芯片）控制火焰切割機床，主要設計對象是橫梁及89C51單片機控制切割頭的原理圖。單片機對縱、橫向進給脈沖當量0.001mm/pluse。工作臺部件主要構件為滾珠絲杠副、滑動絲杠副、滾動直線導軌副、步進電機等。設計時應兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。∕秒，且雙切割頭可以同時做相同或相反移動。1.2龍門式火焰切割機的簡介和特點1.2.1簡介在機械加工過程中，板材切割常用的方式有手工切割、半自動切割機切割及數控切割機切割。手工切割較為靈活方便，但手工切割的質量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續加工的工作量又大，同時勞動條件非常惡劣，生產效率很低。半自動切割機中的仿形切割機，切割工件的質量比較好，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。其它類型半自動切割機雖然降低了工人的勞動強度，但其功能比較簡單，只適合一些較為規則形狀的零件切割。數控切割相對手動和半自動切割方式來說，可以有效地提高板材切割地效率、切割質量，而且能減輕操作者的勞動強度。目前在我國的一些中小企業甚至在一些大型企業中使用手工切割和半自動切割方式還是較為普遍的。龍門式數控火焰/等離子切割機采用雙邊驅動，即雙切割頭，運行穩定，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。還可根據用戶的要求配置多把割炬。見下圖1-1圖1-1龍門式數控火焰/等離子切割機1.2.2特點1.橫梁：采用方管對焊的結構，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點。所有的焊接件均采用振動時效去應力處理，有效的防止了結構變形；2.縱、橫向驅動：橫向導軌則采用了臺灣進口的直線式導軌，縱向導軌是由精密加工的特質鋼軌制成的，保證了切割機的運行平穩，精度高，且經久耐用，清潔美觀；3．縱向驅動架（端架）：兩端裝有水平的導向輪，可調整其驅動架底部偏心輪對導軌的壓緊程度，使整機在運動中能夠保持穩定的導向；4．驅動系統選用步進電機和驅動技術，使整機運行平穩，速度變速范圍寬，加速時間短；5．簡單易用的自動編程系統，使編程不再那么的復雜，輕而易舉；6．電氣系統具有優良穩定性和超強抗干擾；目前來說切割機應用在金屬及非金屬行業上，一般來說，非金屬行業分得比較細致，比如有切割石材的石材切割機、水切割機、鋸齒切割機，切割布料、塑料及化纖制品用的激光切割機、刀片式切割機，切割金屬材料的則有火焰切割機（火焰切割機又分數控火焰切割機和手動火焰切割機。而手動的又有小跑車、半自動、純手動的；數控的有龍門式數控切割機、懸臂式數控切割機、臺式數控切割機、相貫線數控切割機等等）、等離子切割機。切割成本方面來說，激光切割機是最昂貴的，也是精度和效率最高的一種切割設備，水刀切割機次之，然后就是火焰切割機，等離子切割機是最便宜的。（見下圖1-2）圖1-2激光切割機經過了幾十年的發展，數控切割機在切割能源和數控控制系統兩方面均取得了長足的發展，譬如切割能源已經由單一的火焰能源切割發展為目前的多種能源(火焰、等離子、激光、高壓水射流等等)切割方式；數控切割機控制系統已由當初的簡單功能、復雜編程和輸入方式及自動化程度不高已經發展到具有功能完善的、智能化的、圖形化的、網絡化的控制方式；驅動系統也從的步進驅動、模擬伺服驅動到今天的全數字式的伺服驅動。1.4發展前景隨著現代化的機械加工業的發展，人們對切割的質量、精度要求的不斷提高，并對生產效率的提高、生產成本的降低、高智能化地自動切割的功能要求也在不斷的提升。數控切割機必須要去適應現代化機械加工發展的要求。從現在幾種通用的數控切割及應用情況來看，數控火焰切割機的功能及性能已經比較完善了，但是對切割材料有局限性（只能切割碳鋼板），其切割速度也慢，生產效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場不可能有大的增加。等離子切割機具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點，未來的發展方向在于等離子的電源技術的提高、數控系統與離子切割配合的問題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細等離子技術也能提高切割速度、切面質量和切割精度；通過完善和提高數控系統來實現對等離子切割效率和切割質量的提升。激光切割機的切割速度快，精度和切割質量好等特點。在國家指定的長期發展規劃時，又是將激光切割列入了關鍵支撐技術。因其涉及國家安全、國防建設及高新技術的產業化和科技前沿的發展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機的制造和升級帶來很大的商機。隨著用戶對激光切割技術特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內企業開發、生產激光切割機。數控管材切割機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。這種類型的設備已經廣泛運用在金屬結構件的生產，電力設備、鍋爐業、石油業、化工等部門。它是行業內比較高端的產品之一，此類的設備切割功能可以滿足焊接工藝眾不同的板材開不同角度的坡口要求。隨著造船業地發展，船廠在國內率先引進和使用數控等離子切割機。隨著技術的發展，目前國內外的船廠紛紛配備了具有回轉坡口功能的等離子切割機，為了滿足其高技術、高附加值船的建造要求。2總體方案設計2.1總體方案的設計2.1.1功能與技術參數的分析為了提高工作的效率，所以采取雙切割頭同時工作，來縮短工作的時間。頭的支承取用龍門式，這樣可以有利于調整龍門的大小來實現加工不同尺寸鋼的要求。龍門式的機床不但具有使用壽命長，工作的穩定性高的特點，而且能最大限度地滿足加工不同型號鋼的要求，其缺點就是只能在固定的地點加工，使用起來不夠靈活簡便。由于要切割曲線割縫，割頭由十字滑臺帶動，這樣既能簡化其結構，又能滿足其運動要求。2.1.2橫梁機構設計簡介因為切割速度要滿足板厚和火焰對其的要求，所以要以無級調速。傳動方式采用絲杠旋轉，絲杠螺母帶動工作臺直線運動，利用調節絲杠的轉速來控制割頭的速度。而且要求的加工精度為1～4mm,所以絲杠能很好地保證傳動精度和平穩性。電機與絲杠用聯軸器直接連接就可以使傳動系統的轉動慣量減小，而且減少對電機的負擔，實現無級調速。絲杠的傳動采用步進電機來帶動其運動。雙切割頭橫向移動電氣控制設計簡介切割頭采用電氣控制方式，首先確定電動機，然后對其電流估算。對電氣控制的電器元件進行選擇。本設計采用MCS-51系列的8031單片機擴展控制系統。MCS-51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，具有很高的性能價格比?？刂葡到y由微機部份，鍵盤，顯示器及I/O接口等組成，由微機控制步進電機的輸入頻率，來控制電機的輸出轉速，從而實現割槍的無級調速。2.2立柱的設計2.2.1機架的設計準則及要求1.機架的設計準則機架的設計主要應保證剛度，強度及穩定性。2.機架的設計要求(1)在滿足其剛度和強度的前提下，機架的重量應達到輕、成本低的要求；(2)抗振性好、噪聲小；(3)溫度場分布合理，熱變形對精度的影響小；(4)結構設計合理且工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工；(5)結構力求方便安裝和調整，同事也便于修理和更換零部件；(6)有導軌的機架要求其導軌面受力合理，耐磨性好；(7)造型好看，即經濟適用，且美觀大方。機架一般分為鑄造機架和焊接機架兩類，焊接結構與鑄造結構相比之下，焊接結構具有高強度和剛度，重量輕，生產周期短及施工簡便等優點。表2-1鑄造機架和焊接機架的對比鑄造機架焊接機架重量較重鋼板焊件比鑄件輕30%強度，剛度，抗振性剛度強度較低，阻尼大強度剛度大，抗振性差價格便宜價格較貴生產周期周期長，資金周轉慢生產周期短設計條件鑄件壁厚不能相差過大，只能用開口的結構設計比較靈活，壁厚可以相差較大用途大批量的生產單件小批量生產在比較上述參數和結合本次設計的具體事況，最后選用焊接機架。從可焊性上考慮，一般選取碳含量<0.25%的碳鋼。2.2.2立柱結構焊接柱按外形分為實腹柱和格構柱。1．實腹柱實腹柱又分為型鋼實腹柱和鋼板實腹柱，前者焊縫小應該優先地選用，后者適應性強，可按使用要求設計成各種大小的尺寸。當腹板的計算高度為h，與腹板厚度b之比大于80時，應有橫向隔板來加強，間距不得大于3h，柱肢外伸自由寬度b0不宜超過15噸。2.格構柱格構柱分綴板式和綴條式兩種。最后設計選擇型鋼實腹柱。如圖2-2圖2‐2實腹柱1.立柱截面形狀由于零件的抗彎，抗扭強度和剛度除與其截面的面積有關外，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，可提高機架零件的強度和剛度，從而使其充分發揮材料的作用。從《機械零件手冊》里查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性矩相對值較大。綜合上述條件，立柱則采用型鋼實腹柱，截面形狀為方形，選取結構用冷彎形空心型鋼，這樣可以減小焊縫和避免焊縫受到集中應力的影響。國標為：GB/T6728—1986（1）一般鋼號為Q235-A，20或Mn等，其力學性能與化學成分應符合：GB/T700，GB/T699和GB/T1591的規定。（2）彎曲部分的內弧半徑<235,t<4.0時,r<1.4t,4.0<t<8.0時，r<1.8t.選取的型號：71，邊長,壁厚,理論重量：,截面面積：慣性矩：回轉半徑：截面模數：圖2-3冷彎形空心型鋼結構圖為保持尺寸穩定，為消除內應力，焊后應進行熱處理，第一次熱處理安排在焊接后，第二次熱處理安排在粗加工后進行。圖2-4第一次熱處理圖2-5第二次熱處理圖初步選定機架的主要尺寸：兩邊的立柱高度為：3130mm.橫梁長為：3100mm.滑臺1的尺寸為：長=1100mm,寬=220mm,高=30mm.滑臺2的尺寸為：長=320mm,寬=100mm,高=30mm.3橫梁機械機構設計3.1龍門式橫梁結構設計3.1.1確定龍門式火焰切割機橫梁結構采用箱式橫梁，這樣承載力好，整體回火可以消除焊接應力，而且性能穩定可靠。3.1.2傳動裝置類型的選用機械傳支裝置的選用是比較復雜的工作，它需要考慮從動力機到工作機多方面的因素，經細致分析對比后才能作出合理的選擇。通常，以下幾方面是選擇機械傳動裝置類型的基本依據：（1）工作機的工況的性能參數；（2）動力機的性能及與動力機匹配對傳動裝置機械特性上的要求；（3）綜合分析不同類型傳動裝置的初始費用，運轉費用和維修費用，使所選的傳動裝置具有良好的經濟性；（4）能符合運轉安全和環境保護方面的要求；（5）使用的控制方便，可靠。在現代的機器設計中，為了優化機器的設計方案，傳動方案的確定都是同動力機的選擇，工作機構的選定通盤考慮的。也就是考慮動力機，傳動裝置秘工作機的匹配問題。傳動裝置的選用，通常并沒有一成不變的程序可行，而要根據不同機器的具體條件和復雜程度，經多方案的分析比較才能選定。以下幾方面是在選定傳動裝置類型時要具體分析考慮的：(1)機械特性；(2)功率范圍；(3)速度；(4)傳動比范圍；(5)傳動效率；(6)壽命；(7)外廓尺寸；(8)重量；(9)變速要求；(10)價格本次設計主要解決的問題是變速方式無級變速：無極變速能夠選用最合理的運動速度，可在運轉中變帶，操縱控制方便，箭筒化機械結構等，是目前發展的主要方向。無極變速在數控機床上得到廣泛的運用，主要利用直流和交流調速主軸電動機。利用直流調速電動機進行機床主軸無級變速發展比較早，應用較廣。但直流調速電動機恒功率調速范圍很小，一般為1～2，很少為3～4，且有換向限制。現在國際上新生產的數控機床已有85﹪采用交流變頻主軸驅動系統；交流變頻調速電機恒功率調速范圍8～30，有的直接驅動主軸。內裝主軸就是主軸與電機轉子合為一體，其優點是主軸部件結構緊湊、重量輕、慣量小，可提高起動，停止的響應特性，并有利于控制振動和噪聲，其缺點是運轉中產生的熱量容易使主軸產生熱變形。因此控制溫升和冷卻是使用內裝主軸電動機的關鍵。內裝主軸電動機轉速可達1500r/min。設計無級變速系統時，應注意電動機的機械特性應符合傳動鏈的要求。若不滿足要求，還應串聯有級變速箱，一般變速級數為2～4級。3.1.3傳動方案的選取由于工作臺只作直線運動，以下為直線傳動的常用方案：方案1.電機 聯軸器 變速箱 齒輪齒條方案2.伺服電機 一級齒輪 絲杠 絲杠螺母方案3.步進電機聯軸器 絲杠絲杠螺母由于要實現工作臺的無級調速，方案1只能實現有限級調速，所以不能使用，動力機使用步進電機就可以實現無級調速，方案2，3都適用，另外工作臺要求的運行精度在1—4mm，精度要求不高，如果傳動系統用一級齒輪傳動會加大傳動系統的轉動慣量，同時加大電機的負擔，如果電機與絲桿用聯軸器直接連接就可以使傳動系統的轉動慣量減小，所以選取方案3傳動系統。3.2機床零部件的設計（1）電機與滑動絲杠的聯接是通過過盈套筒聯軸器、緊定螺釘M4X6、套筒聯軸器、平鍵6X6、軸套和推力球軸承。（圖3-1）其優點在于：傳動系統的轉動慣量減小，減小電機的負載圖3-1電機與滑動絲杠的聯接（2）電機與滾動絲杠的聯接是由變徑聯軸器、軸承端蓋、圓錐滾子軸承和軸承座。（見圖3-2）圖3-2電機與滾動絲杠的聯接3.2.1絲杠副的選取一般絲杠副分為滑動絲杠副和滾動絲杠副。滾動絲杠副的特點：1.傳動效率高；2.運動具有可逆性；3.系統剛度好；4.傳動精度高；5.使用壽命長；6.不能自鎖；7.制造工藝復雜。滑動絲杠特點：滑動絲杠摩擦力較大，傳動效率較低，一般為30%--40%，磨損快，低速和微調傳容易出現爬行，容易自鎖，定位精度和軸向剛度較差，但結構簡單，加工方便定位精度和軸向剛度較差，但結構簡單，加工方便。由于工作臺要實現橫向及縱向運動，所以需要橫向和縱向絲杠傳動。橫向絲杠沒有工作載荷，而且不需要考慮自鎖功能，伺服電機取用步進電機就滿足自鎖要求，所以橫向絲杠副取用滾動絲杠副。縱向絲杠要支承工作臺的重力，必須要有很好的自鎖功能，所以縱向絲桿取用滑動絲杠副。立柱上支承工作臺的縱向滑動絲桿計算：(參考自《機械設計手冊》第4版第3卷)最大軸向力為1.5Kg，最大升降行程為1600mm,采用單頭梯型開螺紋，螺旋應有自鎖性。(1)選擇材料和許用應力螺桿材料選用45號鋼，調質處理，～5=360/3～5=120～72現取螺母材料選用ZcuAl10Fe3,～～現取許強～取8(2)按耐磨性計算螺紋中徑滑動絲杠螺母的主要失效形式是磨損，因此應以耐磨性計算來決定絲杠中徑，或由類比，結構決定中徑后，進行耐磨性校核，對于細長且受壓的絲杠，還應校核壓桿穩定性，強度一般不用校核。見式（3.1）式（3.1）整體式螺母取1.2～2.5,現取——軸向載荷——螺紋副許用壓強—1986可選的梯形螺紋，中等精度，螺旋副標記為—。螺母高度見式（3.2）式（3.2）取則螺紋圈數圈（1）自鎖性驗算由于系單頭螺紋，導程S=P=5mm,故螺紡升角為摩擦因數f由于是鋼對青銅f=0.08～0.1,取f=0.09。梯形螺蚊的夾角由于λ<ρ,故自鎖可靠。（2）螺桿強度驗算））(5)螺母螺紋強度驗算因螺母材料強度低于螺桿，故只驗算螺母螺紋強度即可，牙根寬度=基本牙型高<δp(6)螺桿的穩定性驗算螺桿的總長按一端固定一端自由，得臨界載荷～故穩定性條件滿足。(7)效率計算2.橫向進給的滾動絲桿的計算（參考于《機電一體化設計基礎》）(1)絲桿所受的最大軸向力計算滑臺2的重量計算：體積重量重力因為滑臺在進給時沒有受工作載荷，只受重力的作用，即(滾動導軌的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005)絲桿所受的軸向力很少，為了計算方便和其它因素影響，現取最大動負載C的計算及主要尺寸初選L——工作壽命：n——絲桿轉速——選取絲桿圈數×列數由于絲桿沒有受工作載荷，而且要求的行程精度不高，所以不用進行剛性校核，只校核絲桿的穩定性。（2）滾動絲杠穩定性驗算滾道半徑偏心距絲杠內徑臨界載荷，如式（3.4）式（3.4）Ia——絲桿危險截面的軸慣性矩:E——絲杠材料的彈性模量，對于鋼，;——絲桿工作長度；μ——長度系數，一端固定一端簡支，～所以絲桿安全不會失穩。導軌的選型及計算1.的設計要求：(1)幾何精度就是通常所說的導向精度，即運動的直線度或回轉精度；(2)運動精度包括兩方面內容：一是運動的平穩性，二是定位精確；(3)具有足夠的承載能力和剛度，使用壽命長；(4)結構簡單，工藝性好，便于調整和維修；(5)具有良好的潤滑和防護裝置。導軌的功用是導向和承載，一般分有滾動導軌和滑動導軌兩種。滾動導軌在兩導軌面間裝有球，滾子或滾針等滾動元件，具有滾動摩擦性質，廣泛地用于進給運動導軌。滾珠導軌的特點是摩擦阻力小，剛度低，承載能力差，不能承受大的顛覆力矩和水平力。直線滾動導軌副的計算與滾動軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支承不發生點蝕為依據。這個載荷稱為滾動導軌的額定動載荷Ca,可從產品樣本中查到。見式（3.5）滾動體為球時式（3.5）L——滾動導軌副的距離額定壽命；Ca——額定動載荷，初選滾動導軌型號后，可從樣本中查出；F——每個滑塊上的工作載荷；——硬度系數，導軌面的硬度為5864HRC時,=1.0；硬度為55HRC時=0.8；為50HRC時=0.53;fT為溫度系數，當工作溫度不超過100°C時，fT=1；fC為接觸系數，每根導軌條上裝二個滑塊時=0.81,裝三個時=0.72；fw為載荷速度系數，無沖擊振動或v<15m/min時fw=1～1.5.現初選導軌型號為：GDA20···現在計算立柱底座的導軌，底座下每根導軌條安裝三個滑塊，所以=0.72，現把數據代入上式，有一般球導軌的距離期望壽命為50km，所以此滾動導軌滿足要求。由于其它方向的導軌所受的載荷都很少，且其他參數同底座的都相同，所以為了使用方便，把其它導軌統一選擇該型號。導軌參數（單位mm）：滑座參數（單位mm）:如圖3-1導軌圖所示：圖3-3導軌聯軌器一般分為剛性聯軸器和彈性聯軸器。剛性聯軸器的特點：制造容易，徑向尺寸小，裝拆時需移動軸，用于要求兩軸對中性好，工作平穩，無沖擊，經常正反轉。在剛性聯軸器中，又有聯軸套和變徑聯軸套等，變徑聯軸套適用于低速，輕載，小尺寸軸的聯接?，F在滑動絲杠φ24與電機75BF003的連接采用平鍵聯軸套，其主要尺寸如下：平鍵由于電機的主軸只有8mm,所以在電機軸上再套一個過盈配合套筒聯軸器。對過盈配合聯接，應根據聯軸器傳遞轉矩的大小和軸套不發生滑動條件，確定配合面的壓強p，如式（3.6）式（3.6）μ——配合表面的摩擦系數（取μ=0.12）；L——套筒與主動軸伸接觸部分長度（=14）；Tc——·m）。所以產生壓強p所需的過盈量E為套筒材料的彈性模量，外套筒與內套筒相對軸向推進量e與過盈量δ關系為（見圖3-4）圖3-4鍵聯軸套軸承的選取1.深溝球軸承（如圖3-5）（GB/T276—1994）型號：6005圖3-5溝球軸承2.推力球軸承（如圖3-6）（GB/T301—1995）軸承代號：51205圖3-6推力軸承立柱底座橫向進給的滾動絲杠的計算滑臺2的重力=75N滑動1的重力（1）滑臺1上的導軌，絲杠，電機的重力導軌座面積：導軌面積：合面積：重力：查得電機55BF003的重量為0.83Kg,再加上聯軸器，軸承座約為3Kg.重力為30N。滾動絲桿φ20的重力(2）.立柱上的導軌和絲杠重滑動絲杠φ20的重力滑動絲杠φ24的重力(3)．立柱底滑座重力滑座尺寸：體積重力（4）.立柱重力所以立柱重力（5）．總重力在考慮到其他的重力≈因為滑臺在進給時沒有受工作載荷，只受重力的作用，即(滾動導軌的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005)絲桿所受的軸向力很少，為了計算方便和其它因素影響，現取Fm=40N最大動負載C的計算及主要尺寸初選，式（3.7）式（3.7）L——工作壽命（）；n——絲桿轉速（）；fm——運轉狀態系數（無沖擊取1～1.2,取1.2）。選取絲桿圈數×列數,.由于絲桿沒有受工作載荷，而且要求的行程精度不高，所以不用進行剛性校核，只校核絲桿的穩定性。滾道半徑偏心距絲桿內徑臨界載荷，式()式()——絲桿危險截面的軸慣性矩（）E——絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206G;l——絲桿工作長度；μ——長度系數(一端固定一端簡支，μ=2/3)?！越z桿安全不會失穩。3.2.6步進電機的選取（1）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。（2）步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。（3）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。（4）步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。(1)轉動慣量計算：如式()絲桿：式()D——絲桿的公稱直徑L——絲桿的長度工作臺：P—絲桿導程G—工作臺的重量總轉動慣量：(2)最大靜轉矩計算加速力矩，如式(3.10)式()Vmax——快進的速度θ——步距角δ——脈沖當量所以(3)空載摩擦力矩,式(3.11)式(3.11)f——導軌摩擦系數G——運動部件的總重力Lo——絲桿導程(4)附加摩擦力矩,如式（3.12）)——絲桿預緊力(=Fm/3)——傳動效率·cm，，所以該電機可選用(1)轉動慣量計算：絲桿：(D—絲桿的公稱直徑L—絲桿的長度)工作臺：(P—絲桿導程G—工作臺的重量)總轉動慣量：(2)最大靜轉矩計算加速力矩(δ=0.042)所以(3)空載摩擦力矩(4)附加摩擦力矩·cm，，所以該電機可選用(5)啟動矩頻特性校核步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。前面提出的<,僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉矩是否滿足要求，但是不能保證電機在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。以后還要對快進，工進時的運行矩頻特性作校核。步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動：在零時刻，步進電機的啟動頻率從零突跳為最大運行頻率,即瞬間=.事實上，突跳是不可能瞬間完成。但突跳過程極短，則加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此，突跳啟動是很少使用的。升速啟動：步進電機從靜止狀態開始漸升速，在零時刻，啟動頻率=0,在一段時間內，按一定的升速規律升速。啟動結速時，步進電機達到了最高運行速度，此時相應的運行頻率為,因此，當=，啟動過程結束，啟動頻率已與最高運行頻率相等，即=,在整個升速，勻速運行，降速過程中，步進電機所走的步數與應該完成的輸入指令脈沖總數相等。升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩項不會很大，一般不會出現丟步現象，但是降低了工作效率。升速時間過短，則步進電機啟動力矩中的加速力矩項就會很大，所以需要校核啟動矩頻特性。從電機75BF001的啟動矩頻特性曲線圖可得，電機在最大靜轉距時，對應的啟動頻率為1240Hz，而該電機最高空載啟動頻率為1750Hz，實際啟動頻率小于允許啟動頻率，所以能保證電機不丟步。（如圖3-7）圖3-7啟動矩頻特性曲線4電氣控制設計擬定機床控制系統方案控制系統是通過絲杠的轉動帶動切割頭的轉動?？刂葡到y有微機的、有PLC的、也有單片機的，這里采用開環控制系統，可以選擇一個經濟型的單片機控制系統。另外，控制得有輸入和輸出設備才能對相應的運動進行控制。其控制系統框圖如圖4-1所示：圖4—1控制系統框圖組成元件的介紹主要芯片的選取MCS是Intel公司生產的單片機的序列符號，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列單片機既包括三個基本型8031、8051、8751，也包括對應低功耗型的80C3、180C51、87C51，因而MCS-51系列特指Intel公司的這幾種型號的單片機。20世紀80年代中期以后吧，Intel公司以專利轉讓的形式把8051內核心技術轉讓給了半導體芯片生產廠家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司等。這些廠家生產的芯片是MCS-51系列的兼容產品，準確地說是與MCS-51指令兼容的單片機。這些兼容機與MCS-51的系統結構（主要指令系統）相同，采用CMOS工藝，因而常用80C51系統來稱呼所有具有8051指令系統的單片機。它們對8051一般都作了一些擴展，更有特點，其功能和市場競爭力更強，不應該把它們直接稱為MCS-51系列單片機，因為MCS只是Intel公司專用的單片機系列符號。MCS-51單片機是把那些操作控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成芯片上。如按功能劃分，它由如下功能的部件組成：微處理器、數據處理器、程序處理器（8031沒有）、4個8位并行I/O口、1個串行口、2個16位定時器/計數器、中斷系統、特殊功能寄存器。由于89C51芯片在性價比上比同類單片機高，加上8031、8051市場上已經停產，所以選擇89C51作為主芯片。4.2.2鍵盤接口原理鍵盤在單片機應用系統中能實現想單片機輸入數據、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。下面介紹鍵盤的工作原理，鍵盤按鍵的識別過程及識別方法，鍵盤與單片機的接口技術和編程。1.在按鍵數較多的場合，行列式鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節省很多的I/O口線。按鍵設置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻﹢5V上。無按鍵按下時，行線處于高壓電平狀態，而當有按鍵按下時，行線電平狀態將由與此行線相連的列線的電平決定。列線的電平如果為低，則行線電平為低；列線的電平如果為高，則行線的電平亦為高。這一點是識別行列式鍵盤按鍵是否按下的關鍵所在。由于行列式鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平，所以必須少將行、列線信號配合起來并作適當的處理，才能確定閉合鍵的位置。2.掃描法:第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如有鍵被按下，識別出具體的按鍵。首先把所有的列線均設置為低電平，檢查各行線的電瓶是否變化，如有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，則說明無鍵被按下。上述識別具體按鍵方法，即先把某一列置低電平，其余各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行線電平為低電平，則可確定此行此列交叉點處地按鍵被按下。4.3控制電路設計4.3.1使用多片EPROM的擴展電路為簡化電路，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:=1\*GB3①A0—A1213位地址線=2\*GB3②D0—D7數據輸出線=3\*GB3③數據輸出允許信號=4\*GB3④編程控制信號，用于引入編程脈沖=5\*GB3⑤片選信號2764主要工作方式:=1\*GB3①讀方式——及為低電平，Vpp＝＋5V時處于讀出方式=2\*GB3②寫方式——為低電平,亦為低電平，VPP＝＋21V,為高電平時，2764芯片處于禁止狀態。將數據線上數據固化到指定地址單元。=3\*GB3③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。4.3.289C51主要管腳功能89C51是40腳雙列直插式芯片。主要管腳功能:=1\*GB3①控制線——片外存儲器選擇端，雖然89C51內有4K的FLASH，但為了方便接線和各程序的存放，故不使用內部程序存儲器，這樣接地，從外部程序存儲器讀取指令。=2\*GB3②——外部程序存儲器選通端,以區別讀外部數據存儲器。=3\*GB3③ALE——地址鎖存控制端,系統擴展時，ALE控制P0口輸出的低八位地址送鎖存器儲存，以實現數據和地址隔離。此外ALE以l/6晶振的固定頻率輸出正脈沖,可作為外部時鐘或定時脈沖。=4\*GB3④RESET——復位端,當輸入的復位信號延續二個周期以上高電平，完成復位初始化操作。=5\*GB3⑤89C51中I/O口的介紹:P0口——外接存儲器時，此口為擴展電路低八位地址和數據總線復用口；Pl口——用戶使用的I/O口；P2口——外接存儲器時,作擴展電路高八位的地址總線；P3口——雙重功能口；P0—P3口均為八位雙向口。P0口可驅動8個TTL門電路，Pl—P3口只能驅動四個TTL門電路。=6\*GB3⑥時鐘——XTAL1和XTAL2，使用內部時鐘時，二端接石英和微調電路；使用外部時鐘時，接外部時鐘脈沖信號。89C51三總線結構：地址總線AB——地址總線為16位，外部存儲器直接尋址范圍為64KB，地址總線由P0口經地址鎖存器，提供八位A0-A7，高八位A8—A15由P2口直接提供。數據總線DB——數據總線為8位，自P0口直接提供。,控制總線CB——由P3口第二功能控制線、、ALE、RESET組成。4.3.3靜態RAM芯片的選用數據存儲器RAM通常采用MOS型，MOS型RAM分靜態、動態兩種。動態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，對環境、結構、電摞等都有較高的要求。對實時控制系統而言,可靠是第一位的,此處選用大容量靜態RAM6264(8K*8位)一片。6264主要引腳功能：=1\*GB3①A0—A1213位地址線=2\*GB3②IO1—IO7數據輸入輸出線=3\*GB3③數據輸出允許信號=4\*GB3④寫選通信號=5\*GB3⑤片選信號6264主要工作方式:=1\*GB3①讀方式——及為低電平，為高電平時，6264將數據輸出到指定地址。=2\*GB3②寫方式——為低電平，亦為低電平時,允許數據輸入。=3\*GB3③封鎖方式——為高電平時，該芯片沒被選通，不工作。4.3.48155工作方式查詢8155I/O工作方式選擇通過對8155內部命令寄存器（命令口）設定命令控制字實現。命令寄存器格式及對應的工作方式見下圖4-3。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）緩沖器滿狀態標志輸出線，（緩沖器有數據時BF為高電平）。ASTB（BSTB）：A口（B口）設備選通信號輸入線，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。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4-3命令寄存器格式4.3.589C51的存儲器及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的軟件命令來加以改變的接口芯片。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對其編程設定工作方式，然后按設定的方式進行操作。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、方便等優點。是單片機應用系統最常用的外部功能擴展器件之一。(1)存儲器與單片機聯接，主要是通過三總線聯接。應考慮總線的驅動能力是否足夠。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——P2.7經譯碼產生片選信號。數據線聯接將存儲器數據輸出端D0－Dl與89C51P0口聯接?？刂凭€89C51與2764相聯，89C51從外部EPROM取指令。、分別與6264、相聯，89C51對外部RAM進行讀/寫。(2)8155許多信號與89C51兼容，可直接聯接，因8155內部已有鎖存器，因此8155數據地址復合線AD0一AD7與89C51P0口直接相聯。地址鎖存信號ALE與89C51ALE相聯。片選信號信號，此時對8155需要使用16位地址進行編址。8155的結構框圖及引腳排列見圖4-2。圖4-28155引腳及內部結構4.3.68155狀態查詢8155還有一個狀態寄存器，用于鎖存I/O口和定時器的當前狀態，供CPU查詢用。其格式如圖4-4：狀態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，作為狀態寄存器，讀出的是當前I/O口和定時器的狀態，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。4.3.78155內部定時電路8155芯片內有一個14位減法計數器，可對輸入脈沖進行減法計數。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4-5。由上圖可見，定時器的低8位和高6位計數器定時是出方式由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。計數常數在002H~3FFF之間。計數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。既使計數器已經計數，在寫入起動命令后，仍可改變定時器的工作方式。圖4-4狀態寄存器格式M2M1方式定時器輸出波形0?0單方波01連續方波10單脈沖11連續脈沖圖4-58155定時器方式及輸出波形4.3.889C51地址分配89C51支持的存儲芯片，程序存儲器與數據存儲器單獨編址，EPROM與RAM地址分配較為自由,不必考慮會發生沖突,因89C51復位后,從0000H開始，內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內部數據存儲器空間為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):/IO＝0時，8155(1)內部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：E105H2#8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示):/IO＝0時，8155(1)內部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：0A05H4.3.98155擴展I/O端口的初始化程序設計由上圖的硬件連接得到8155初始化程序：8155有關地址寄存器端口地址為:100H命令字寄存器104H定時器低字節105H定時器高字節相應初始化程序為:ORG0A00HMOVDPTR,#100HMOVA,#7HMOVX@R0,A……END因為P3.3接行程開關,處于高優先級，所以IP、IE初始化為：SETBPX0SETPPX1CLRPT0CLRPT1CLRPSSETBEX0SETBEX1SETBET0SETBET1SETBESCLSET2SETBEAPSW、TCON、TMOD初始化：MOVPSW，#00HSETBIT0SETBIT1SETBIE0SETBIE1SETBTR0SETBTR1TMOD工作在方式2，所以初始化為：MOVTMOD，#66H4.4鍵盤電路設計控制面板上布置5個控制鍵，33個功能數字鍵。其中8個鍵有雙重功能，由SHIFT鍵轉換，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，執行完本程序段后，停止執行下一程序段，等待處理，此為硬件暫停。恢復運行鍵——處于急停或暫停時，接下該鍵程序繼續執行。用M00實行軟件暫停時，恢復運行也需要按該鍵。復位鍵——編程或運行前，清除內存中的隨機數。對中心鍵——鉬絲自動找準預定的中心位置(原點)。30個功能數字鍵包括數字鍵“0－9”，負號“—”，程序開始字“%”，程序段結束字“LF”，序號字“N”，準備功能字“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顯示程序全段內容，ZOOM使加工圖形按比例縮放，預置為1，COPY—程序段復制，IDX—可設定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。鍵盤程序設計本設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，每個鍵對應一個鍵碼，根據鍵碼轉至相應鍵處理子程序。常用鍵識別方法有掃描法和線翻轉法。本設計采用掃描法。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。鍵號鍵功能對應表4-1。表4-1鍵號鍵功能對應鍵號00H－09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H1E功能0－9—NGMFS鍵號13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1F功能DELCOPYIDX單步回零運行SHIFT鍵盤掃描子程序：ORG0500HSCAN:MOVA,#00HMOVDPTR,#E101HMOVX@DPTR,AMOVA#3FHMOVDDPTR,#E103HMOVX#DPTR,AMOVDPTR,#E102HMOVXA,@DPTRANLA,#1FHCJNE3A,#1FH,NEXT1SJMPNEXT4NEXT1:ACALLDS20msCLRCMOVR2,#00HMOVR1,#01HLOOP:INCDPTRMOVA,R1MOVX#DPTR,AMOVDPTR,#8002HMOVXA,@DPTRANLA,#1FHCJNEA,#1FH,NEXT2SJMPNEXT3NEXT2:INCR2CJNER2,#01H,NEXT4MOVR4,AMOVA,R1MOVR3,ANEXT3:MOVA,R1RLCAMOV