激光切割机

《课程设计》任务书

班级：姓名：

设计题目：激光切割机传动工作台机械结构

设计及控制电路设计

要求完成的内容：1双坐标数控工作台机械伺服结

构数字化三维建模；

2双坐标数控工作台机械伺服结

构装配图(A1图)1张；

3运动控制电路原理图设计

(A2)1张；

4设计计算说明书一份（1万字

左右，20～25页）。

发题日期：2012年2月20日

完成日期：2012年3月24日

指导教师：

摘要

激光是一种光，与自然界其电发光一样，是由原子(分子或离子筝)跃迁产生的，而且是自发辐射引起勺。激光虽然是光，但它与普通光明显不同是激光仅

在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由激辐射决定，因此激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性,雕刻机，极高的发光强度。激光同时又具有高相干性、高强度性、高方向性，激光通过激光器产生后由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的融化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工的目的。激光加工技术在广告行业的应用主要分为：激光切割、激光雕刻两种工作方式，对于每一种工作方式，我们在操作流程中有一些不尽相同的地方。间单的说，由激光器，机床，切割头，光路系统以及配套（空压机，冷干机，冷水机）等组成；

动力方面是用几台步进电机，按照顺序控制指令，进行轮流交换，以缩短钣材加工结束后上下料时间，从而提高生产效率。

激光切割：我们可以理解为是边缘的分离。对这样的加工目的，我们应该先在CORELDRAW、AUTOCAD里将图形做成矢量线条的形式,气动打标机，然后存为相应的PLT、DXF格式，用激光切割机操作软件打开该文件，根据我们所加工的材料进行能量和速度等参数的设置再运行即可。激光切割机在接到计算机的指令后会根据软件产生的飞行路线进行自动切割。如：现有金运激光切割机，可以根据电脑绘制好的模板，然后直接输入电脑，自动切割图形。现有的激光切割机一般都有自己的硬盘，可输入海量数据源。简介方便。

关键词：激光切割、激光器、机床、切割头、光路系统、步进电机

目录

1、绪论 (1)

1. 课题背景 (1)

1.2完成内容 (2)

1.3 总体设计方案分析 (2)

2、机械部分XY工作台及激光切割机详细构造 (4)

2.1 XY工作台的设计 (4)

2.2激光切割机详细构造 (5)

3、步进电机及其传动机构的确定 (6)

3.1步进电机的选用 (6)

3.2齿轮传动机构的确定 (7)

3.3步进电机惯性负载的计算 (7)

4、传动系统刚度的分析 (9)

4.1根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 (9)

4.2量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 (9)

5、控制系统设计 (10)

5.1确定机床控制系统方案 (10)

5.2 主要硬件配置 (10)

6、结论 (20)

参考文献 (21)

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这是激光表面高了10倍。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。

激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光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激光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。

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，可以说是一场技术革命。

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。

1.2完成内容

（1）横向进给伺服系统机构部分设计

（2）数控化系统控制与驱动硬件电路原理设计

（3）零件图设计

（4）说明书一份

1.3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

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。

2、机械部分XY工作台及激光切割机详细构造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420mm，纵向250mm

②工作台最大尺寸（长×宽×高）：1100×900×300mm

③工作台最大承载重量：280kg

④脉冲当量：0.005mm\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

2.2激光切割机详细构造

两轴运动控制系统，包括导轨，滑块，步进电机，同步带，驱动器，驱动主板，电源。激光光路系统包括，激光管，激光电源，激光控制系统，反射镜，聚光镜。压缩空气系统包括，气泵，气路。激光管降温系统包括，恒温水泵，水管。附上：新光源激光切割设备各结构的作用

（1）激光电源供给激光振荡用的高压电源。

（2）激光振荡器产生激光的主要设备

（3）折射反射镜用于将激光导向所需要的方向。为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要用保护罩加以保护。

（4）割炬主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。

（5）切割工作平台用于安放被切割工件，并能按控制程序正确而精确地进行移动，通常由伺机电机驱动。

（6）割炬驱动装置用于按照程序驱动割炬沿X轴和Z轴方向运动，由伺服电动机和丝杆等传动件组成。

（7）数控装置对切割平台和割炬的运动进行控制，同时也控制激光器的输出功率。

（8）操作盘用于控制整个切割装置的工作过程。

(9) 气瓶包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光振荡的工作气体和供给切割用辅助气体

(10) 冷却水循环装置用于冷却激光振荡器。激光器是利用电能转换成光能的装置，如CO2气体激光器的转换效率一般为 20%，剩余的80%能量就变换为热量。冷却水把多余的热量带走以保持振荡器的正常工作。

(11) 空气干燥器用于向激光振荡器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工

3、步进电机及其传动机构的确定

3.1步进电机的选用

3.1.1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）。

3.1.2步进电机上起动力矩的近似计算

电机起动力矩：

12M M M =+ （5.1）

式中: M 为滚珠丝杠所受总扭矩

M l 为外部负载产生的摩擦扭矩，有:

'1/2()a M F d tg ψρ=??+ （5.2）

=92×0.025/2×tg （2.91+0.14） =0.062N ·m

M 2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：

2/2ao h M K F P π=?? （5.3）

式中: K —预紧时的摩擦系数，0.1—0.3

P h —导程，4cm Fao ——预紧力， 有：Fao=Fao 1+Fao 2

取Fao 1=0.04×Ca=0.04 ×1600=640N

Fao 2为轴承的预紧力，轴承型号为6004轻系列，预紧力为Fao 2＝130N 。故根据式（5.3）：

M 2=0.098 N ·m

齿轮传动比公式为：i=φ× P h /(360×δp )，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为：

/q T M i η= （5.4）

=360×M ×δp /φ×η×P h

式中: δp =l μm/STEP=0.0001cm/STEP ；

M= M 1+ M 2= 0.16N φ=0.36o /STEP q=0.85 P h ＝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

参考有关数控激光切割机床的资料,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/cm 2

3.2齿轮传动机构的确定 3.2.1传动比的确定

要实现脉冲当量l μm/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 p i P φδ=?? （5.5）

式中：P h —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=Z 2/Z 1

根据结构要求,选用Z 1为30，Z 2为120

3.2.2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 ×（Z 1+ Z 2） （5.6） =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Z 1采用40Cr ，齿面高频淬火; 大齿轮Z 2采用45号钢，调质处理。

3.3步进电机惯性负载的计算

由资料知，激光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：

02D 112234m n J =J +J +(Z /Z )(J +J )+ J (V /)m D ω? （5.7）

式中：J D 为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。

J 0为步进电机转子轴的转动惯量e J 1为齿轮Z l 的转动惯量 J 2为齿轮Z 2的转动惯量 J 3为齿轮Z 3的转动惯量 m n 为系统工作台质量

Vm 为工作台的最大移动速率

ω

D

为折算成单轴系统电动机轴角速度各项计算如下：

已知：

J 0＝0忽略不计， m

n

=112.5Kg

齿轮惯性转矩计算公式：

22

J=m=G/g

ρρ（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

π（5.9）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

ω

D

=2πrad/s

故惯性负载根据式（5.7）得：

J D=J0+J1+(Z l/Z2)（J2＋J3）+ J4 (Vm/ωD)2×m n

=17.3 Kg. cm2

此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。

4、传动系统刚度的分析

激光切割机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。

4.1 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K

0或C

决定的，在估算时，取K=K 0，C=C 0

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K 0，根据支承形式可得：

3/3*10(/)o K 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：

K 0=203.2N/mm

传动系统刚度较大，可以满足要求。

4.2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 △≥F 0/△ 式（6.2） 式中：K △—传动系统当量刚度

F 0—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 则：

F 0=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 △≥F 0/△＝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

5、控制系统设计

5.1 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

5.2 主要硬件配置 5.2.1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。

5.2.2 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P 0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。

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

P

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；

P

l

口——用户使用的I/O口；

P

2

口——外接存储器时,作扩展电路高八位的地址总线；

P

3

口——双重功能口；

P 0—P

3

口均为八位双向口。P

口可驱动8个TTL门电路，P

l

—P

3

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P

0口经地址锁存器，提供八位A

-A

7

，高八位A

8

—A

15

由P2口直接提供。

数据总线DB——数据总线为8位，自P

口直接提供。,

控制总线CB——由P

3

口第二功能控制线EA、PSEN、ALE、RESET组成。

5.2.3 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:

①A

0—A

12

13位地址线

②D

0—D

7

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，V PP＝＋21V,CE为高电平

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V

PP

=+21V时，CE为高电平时，2764芯片处于编程禁止状态。

5.2.4 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：

①A 0—A 12 13位地址线

②IO 1—IO 7 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。

5.2.5 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A 0—A 7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接，将A 8－A 13脚与89C51的P 2口P 2.0-P 2.4相联接，其余地址线经P 2.5—P 2.7经译码产生片选信号。数据线联接将存储器数据输出端D 0－D l 与89C51P0口联接。控制线89C51 PSEN 与2764CE 相联，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AD 0一AD 7与89C51P 0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P 2.0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

5.2.6 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ALT

1，ALT

2

，ALT

3

，ALT

4

。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。

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

5.2.7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。

5.2.8 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。

×

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

5.2.9 芯片地址分配

89C51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89C51复位后,从0000H开始，内部程序存储器空间为0000H-0FFFH，外部2片2764芯片地址分别为0C000H-0DFFFH，8000H--9FFFH。89C51内部数据存储器空间为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)

M/IO＝0时，8155(1)内部RAM地址范围 E000H-E0FFH

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

6、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。

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。

利用单片机（本设计采用了89C51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。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。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.

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