【正文】 用對(duì)于數(shù)控領(lǐng)域的發(fā)展起了重要的作用。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用可以說(shuō)是人類進(jìn)入現(xiàn)代化以后的一次產(chǎn)業(yè)化革命。 singlechip microputer。 同時(shí)，數(shù)控激光焊接 、 切割 技術(shù)和數(shù)控機(jī)床 在我國(guó) 制造業(yè) 中發(fā)揮的作用愈來(lái)愈大 ，它 具有普通機(jī)床難以比擬的精度和可靠性 。它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開(kāi)關(guān)量。高的產(chǎn)品生產(chǎn)效率、高精度、高規(guī)模、高速度。 對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì) 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制起步于 1958 年 ， 我們可以將 50 多 年的發(fā)展歷程大致可分為幾個(gè)階段：第 一階段從 1958 年到 1979 年 ， 即封閉式發(fā)展階段。 （二）形成了一批數(shù)控系統(tǒng)骨干企業(yè) 目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè) 50～ 60 家，其中能夠開(kāi)發(fā)普及型數(shù)控系統(tǒng)的企業(yè)近10 家。 3 國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)與國(guó)外有較大差距，也無(wú)統(tǒng)一的可靠性測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)。 （五）用戶的信任度問(wèn)題 由于用戶對(duì)國(guó)產(chǎn)品牌市場(chǎng) 的 認(rèn)同度 比較 低，我國(guó)中高檔數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)一直為FANUC、西門子等國(guó)外品牌所壟斷。 4 （一）政府主導(dǎo)，從政策層面支持國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)加速占領(lǐng)市場(chǎng) “ 高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備 ” 國(guó)家重大科技專項(xiàng)中，盡快啟動(dòng)中、高檔數(shù)控系統(tǒng)及關(guān)鍵功能部件可靠性應(yīng)用示范工程，在軍工、汽車、發(fā)電設(shè)備、造船、機(jī)床制造等行業(yè)，建立國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)及關(guān)鍵功能部件應(yīng)用示范基地。 。 激光切割是把激光凝聚成一條細(xì)的具有高能量密度的光束射到加工工件上，通過(guò)金屬和激光的作用，將工件按照一定形狀給融化掉。而 70 年代以來(lái)，隨著千瓦級(jí)大功率 CO2 激光器的出現(xiàn)，激光深熔焊得到了迅猛的發(fā)展。這種方法非常奇特。例如采用激光焊接技術(shù)焊接裝核燃料棒的核供熱堆鋯元件盒，外形尺寸為 2384mm，采用 2mm 厚高活性鋯合金板焊接而成，最后在鋯盒全長(zhǎng)范圍內(nèi)，各面及相互間的平面度、平行度、垂直度和尺寸公差均達(dá)到在 ～ 范圍內(nèi)，正反面焊縫表面不平度小于 。 可 以 焊接 一些 難以接近的部位，靈活性 較大 。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?，F(xiàn)在很多的企業(yè)都在對(duì)這個(gè)方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)， 7 希望在以后能將其提高到一個(gè)更新的水平上來(lái)。我們能夠運(yùn)用到我們這幾年所學(xué)到的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)原理等課程來(lái)設(shè)計(jì)完成工作臺(tái)和控 制系統(tǒng)。伺服電動(dòng)機(jī)是用來(lái)做執(zhí)行元件來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，而滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，使得工作臺(tái)能夠在 X、 Y 方向直線移動(dòng)。 MCS51 單片機(jī)系列的主要特點(diǎn)是可靠性好、運(yùn)算速度快、功能強(qiáng)、集成度高、具有很高的性能價(jià)格比。 綜上所訴，系統(tǒng)的總體框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)總體框圖 11 第 3 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) X 方向工作臺(tái)尺寸確定 根據(jù)設(shè)計(jì) 要求，我們?nèi)?X 方向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?180mm， Y 方向?qū)к壷С? 鋼球的中心距為 230mm，設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖 ： 圖 工作臺(tái)簡(jiǎn)圖 托板尺寸：長(zhǎng)寬高 666mm 320mm 25mm 上導(dǎo)軌（ X 方向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 pl =230mm 動(dòng)導(dǎo)軌行程 l=250mm 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 L= pl +l =230+250=480mm 保持器長(zhǎng)度 al =pl +l /2=355mm Y 方向工作臺(tái)尺寸 確定 托板尺寸：長(zhǎng)寬高 666mm 320mm 25mm 下導(dǎo)軌（ Y 方向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 pl =320 12 動(dòng)導(dǎo)軌行程 l =250mm 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 L=pl+l =320+250=570 保持器長(zhǎng)度 al =pl+l /2=445mm 工作臺(tái)重量估算 上托板重量： 321 6 6 6 3 2 0 2 5 1 0 7 .8 1 0 4 1 5 .5 8 4WN??? ? ? ? ? ? ? (1) 下托板重量： 322 6 6 6 3 2 0 2 5 1 0 7 .8 1 0 4 1 5 .5 8 4??? ? ? ? ? ? ? (2) X方向?qū)к壷亓浚? 232 ( 2 3 0 4 8 0 ) 2 0 2 0 7 .8 1 0 1 0 4 4 .3 0 4 N??? ? ? ? ? ? ? ? (3) Y方向?qū)к壷亓浚? 232 ( 3 2 0 4 8 0 ) 2 0 2 0 7 .8 1 0 1 0 4 9 .9 2 N??? ? ? ? ? ? ? ? (4) 焊接工件重量暫?。? 160N (5) X工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分重量： ( 1 ) ( 3 ) / 2 ( 5 ) 4 1 5 .5 8 4 4 4 .3 0 4 / 2 1 6 0 6 0 0XGN? ? ? ? ? ? ? XY 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總 重量： (1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 1 0 8 5XGN? ? ? ? ? ? 滾動(dòng)導(dǎo)軌 的選用 導(dǎo)軌形式及尺寸確定 首先根據(jù)上述系統(tǒng)總體方案要求，選用的是雙 V 形滾珠導(dǎo)軌。 滾珠絲杠副的 選用 最大工作載荷的計(jì)算 最大工作載荷 mF 是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠 承受的軸向力，由于本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)主要適用于激光焊接（切割）加工，所以其工作臺(tái)主要承受工件的重力作用，且導(dǎo)軌形式為矩形導(dǎo)軌，則計(jì)算公式如下： 39。 同時(shí)由于滾珠絲杠副在靜態(tài)低速長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷，應(yīng)使額定靜載荷(2 ~ 3)oa mCF? 。 雙螺母墊片式預(yù)緊：①特點(diǎn)： 簡(jiǎn)單可靠 ，裝卸方便， 剛性好 ，剛度高； 在雙螺母間加墊片的形式可有專業(yè)生產(chǎn)廠根據(jù)用戶要求事先調(diào)整好預(yù)緊力，使用時(shí)裝卸非常方便 但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。 17 傳 動(dòng)效率計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：)( ?? ?? ?? tg tg 39。 齒輪設(shè)計(jì) 絲杠傳動(dòng)比的確定 因步進(jìn)電機(jī)步距角 ?? 滾珠絲杠螺距 t=4mm, 要 實(shí) 現(xiàn) 脈 沖 當(dāng) 量 5 /p mm ste p? ? ,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng) . 齒輪傳動(dòng)比： 0360b PLi ? ??，初選步進(jìn)電機(jī)步距角： α = ?/step。在這設(shè)計(jì)里我采用雙片直齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法來(lái)消除間隙 [12]。 hP 為傳動(dòng)效率， ?一般區(qū) ，帶入數(shù)據(jù)計(jì)算如下： h 3 . 7 3 5 0 . 0 0 4 0 . 0 0 0 9 0 1 N m2 2 3 . 1 4 0 . 8 3 . 3f FPT i?? ?? ? ? ?? ? ?摩 X( G + G ) = 0. 00 3 ( 16 0+ 10 85 ) = 3. 73 5NF ???摩 0T 為滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，且由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率很高， 0T 的值與 fT 和 amaxT 比起來(lái)，很小，此處忽略不計(jì)。內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，必須外接 EPROM程序存儲(chǔ)器。此類引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)用功能。 ALE 端可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載。所以該引腳必須接地。 (3)應(yīng)用特性： I/O 口線不能作為用戶 I/O 口線； I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力， P0 口可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 門電路， P P P3 則只能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 門電路； 26 P3 是雙重功能口。 圖 MCS51 單片機(jī)的復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把程序計(jì)算器 PC 的 內(nèi)容初始化為0000H。 系統(tǒng)的擴(kuò)展 在 以 8031 單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展 程序存儲(chǔ)器，用以存放控制程序。 由于 MCS51 單片機(jī)的 P0 口是分別復(fù)用的地址 /數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存貯器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號(hào)。 圖 2764芯片 2764 芯片主要引腳功能 : ① A0— A12 13 位地址線 ② D0— D7 數(shù)據(jù)輸出線 ③ OE 數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào) ④ PGM 編程控制信號(hào)，用于引入編程脈沖 ⑤ CE 片選信號(hào) 2764 主要工作方式 : ① 讀方式 —— OE及 CE 為低電平， Vpp＝＋ 5V時(shí)處于讀出方式 29 ② 寫方式 —— OE為低電平 , PGM 亦為低電平， VPP＝＋ 21V, CE 為高電平時(shí)，2764 芯片處于禁止?fàn)顟B(tài)。在這種情況下，可利用 MCS51 的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存貯器。從圖可知： 6264 的片選 1CS 接 8031 的 ，第二片選線 2CS 接高電平，保持一直有效狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中， P0 口常被用作為數(shù)據(jù)總線和低 8 位地址總線使用， P2 口常被用作為高 8 位 地址總線使用， P3 口某些位又常用它的第二功能，特別是無(wú) ROM 型的單片機(jī)因必須擴(kuò)展外部程序存貯器，則更是如此。 在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇 8255 的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫入操作口。 圖 (2)引腳功能 ① AD7～ AD0（ 8 條）： 三態(tài)數(shù)據(jù) /地址復(fù)用線 。 ALE：為允許地址輸入線，高電平有效。 ③ 控制總線（ 8） RESET：復(fù)位 輸入信號(hào)。 PA 口和 PB 口可工作于基本輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。 在單片機(jī)的 I/O 口擴(kuò)展 8255 芯片，其接口相當(dāng)簡(jiǎn)單，如圖 所示 ： 32 圖 8255的擴(kuò)展電路圖 圖中 8255 的 RDWR、 分別與 MCS51 的 RDWR、 相連； 8255 的 D0D7 直接 MCS51的 P0 口。 8031 單片機(jī)外部擴(kuò)展兩片 2764EPROM 和兩片 6264 靜態(tài) RAM。 圖 6264芯片 6264 主要引腳功能： ① A0— A12 13 位地址線 ② IO1— IO7 數(shù)據(jù)輸入輸出線 ③ OE 數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào) ④ WE 寫選通信號(hào) ⑤ CE 片選信號(hào) 6264 主要工作方式 : ① 讀方式 —— OE及 CE 為低電平， WE 為高電平時(shí)， 6264 將數(shù)據(jù)輸出到指定地址。同時(shí)， 8031 運(yùn)行所需的程序指令來(lái)自 2764A，要把其 EA端接地，否則， 8031 將不會(huì)運(yùn)行。因?yàn)?2764 是 8KB 容量的 EPROM，故用到了 13 根地址線，A0A12。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時(shí)，僅有幾個(gè)內(nèi)部 I/O 接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片 。通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，如圖 所示： 圖 復(fù)位電路 對(duì)于 CMOS 型單片機(jī)因 RST 引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻，故電阻 R2 可不接。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種，大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。 P1（ ）：為 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，它的每一位都可分別定義為輸入線或輸出線（作為 輸入口時(shí)，鎖存器置 1），可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL負(fù)載。 PSEN 同樣可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)TTL 負(fù)載。當(dāng) ccV 下降到低于規(guī)定值，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi) ? ?5 V? 時(shí)， VPD 就向內(nèi)部 RAM 提供備用能源。 ccV （ 40 腳）：接 +5V 電源。 起動(dòng)頻率的校核： 1800 2 7 7 . 8 1 8 0 01 / 1 2 . 4 5 8 0 / 0 . 0 6 0qL e q mff JJ? ? ? ???符合設(shè)計(jì)要求。 所以有： 3 4 3 4 20. 78 10 0. 78 10 2. 5 66 .5 2. 02 6sJ D L k g c m??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3 4 3 4 213 0. 78 10 0. 78 10 3. 7 1. 6 0. 23 4zzJ J D L k g c m??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3 4 3 4 224 0. 78 10 0. 78 10 6. 6 1. 6 2. 36 8zzJ J D L k g c m? ?