【机械毕业设计】数控十字滑台设计【有全套CAD图和WORD论文】 .pdf

generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 数字控制技术的产生和发展 最早采用数字控制技术进行机械加工的思想，是在2 0 世纪4 0 年代提出的。当时美 国北密执安的一个小型飞机叶片轮廓样板时， 利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加 工路径进行了处理，并考虑了刀具对加工路径的影响，使加工精度达到0 . 0 3 8 1 m m 。 以当时的水平来看，是相当高的。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院研制出一套实验性数字控制系统，并把它装在一台数 字立式铣床上，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上 的第一台数控机床，是数控机床的第一代。但是这台机床毕竟是一台实验性机床，到 了1 9 5 4 年1 1 月，在帕尔森专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克公司 生产出来的。 1 9 5 9 年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷 电路版，从而使数控机床跨入了第二代。同年3 月，由美国克耐杜列克公司发明了 带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。现在加工中心已成为数控机床中 一种非常重要的品种，在工业发达的国家中占数控机床总量的1 / 4 左右。 1 9 6 0 年，研制出了小规模集成电路。由于它的体积小，功耗低，使数控系统的可 靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。 以上三代，都是采用专用控制的硬件数控系统（n c ）。 1 9 6 7 年，英国首先把几台数控机床联成具有柔性的加工系统，这就是最初的f m s f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n g s y s t e m 柔性制造系统。之后，美、欧、日等国也相继进 行了开发和应用。 随着计算机技术的发展，小型计算机的价格和使用了微处理器。1 9 7 4 年，美、日 等国首先先研制出以微处理器为核心的数控机床。3 0 多年来，微处理机数控系统的数 控机床得到飞速发展和应用，这是第五代数控。后来，人们将m n c 也统称为c n c 。 2 0 世纪8 0 年代初，国际上又出现了柔性制造单元f m c 。这种单元投资少、见效快， 既可单独长时间少人看管运行，也可集成制造系统中使用。所以近几十年来，得到快 速发展和应用。 f m c 和f m s 被认为是实现c i m s c o m p u t e r i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g s y s t e m 计 算机集成制造系统的必经阶段和基础。 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 2 1.2 我国数控机床的发展情况 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术， 一直到2 0 世纪6 0 年代中期处于研制、 开发时期。 1 9 6 5 年，国内开始研制晶体管数控系统。2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初研制成功x 5 3 k 1 g 立式数控铣床、c j k - 1 8 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。 从2 0 世纪7 0 年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领 域全面开展，数控加工中心在上海、北京研制成功。但数控系统的可靠性、稳定性未 得到解决。在这一时期，数控机床结构简单，使用方便。2 0 世纪8 0 年代，我国从国外 引进部分系列的数控系统和直流主轴电机技术和一些新的技术， 使我国的数控机床在 性能上有了质的飞跃。 1 9 9 5 年以后，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格 齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。 现在我国已经建立了以中，低档数控机床为主的产业体系，未来几十年，我国将 成为数控机床的生产，使用大国。 1.3 数控机床中十字滑台的设计 随着制造业的发展，人们深刻的感受到数控机床在生产中的地位是越来越重要， 虽然近几年我国组合机床的技术在不断的发展，然而组合机床通用部件中的大型滑 台，至今仍主要是单坐标的滑台。而有些国家的组合机床早在7 0 年代（或更早些）就 有了双坐标的十字滑台。 机电一体化技术的数控机械如数控机床、绘图机、火焰切割机、电加工机床以及 衣料开片机等都有一个在x - y 平面内作配合运动的工作台。这种工作台通常与整机设 计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有 着共同点。该设计的数控x - y 工作台是一个既能用于生产实际又可用于数控教学的典 型机电一体化产品。考虑到8 0 3 1 单片微机具有较高的性能价格比，具有强有力的指令 系统，决定选用i n t e r 公司生产的8 位8 0 3 1 单片机芯片作为本系统的微处理器。 x y 工作台是指能分别沿着x 向和y 向移动的工作台。 本文通过对x y 工作台的机 械系统、控制系统及接口电路的设计，阐述了机电一体化系统设计中的共性和关键的 技术。 在超精密机床和超精密加工中，为使机床微位移的分辨率进一步提高；为进行机 床和加工误差的在线补偿， 以提高加工精度； 为进行某些特殊的非轴对称表面的加工， 都需要使用微量进给装置。 高精度微量进给装置现在已成为超精度机床的一个重要的 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 3 关键装置。现在高精度微量进给装置已可达到0 . 0 0 1 0 . 0 1 m 的分辨率。这对实现超 薄切削，实现高精度尺寸加工和实现在线误差补偿是十分有用的。 3 数控x - y 工作台、数控钻床等设备实际上是2 轴半的系统，即工作台的两个方向联 动、垂直于工作台的刀具不必与工作台联动。在对一些x y 工作台的研究调查中发现 目前的简易数控控制系统基本上是基于普通单片机，显示为l e d 数码管的系统，操作 很不方便而且通用性不强。为此，在此基础上设计了通用的2 轴半数控控制器。其基 本思想是采用最新的微处理技术和集成电路技术， 提高系统集成度， 从而提高可靠性， 降低成本，减小体积。它具有良好的人机交互界面，满足一般2 轴半数控系统的需 要。 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 4 2 机 床 改 造 总 体 方 案 设 计 对数控十字滑台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决 定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本 低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝 杠螺母副和滚珠滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙，计算机系统仍采用m c s - 5 1 系列单片 机扩展系统。 x - y 数控十字滑台的总体框图如下 6 14 ： 微 机 环形分配器 光 电 隔 离 功 率 放 大 步进电机 步进电机 工 作台执 行元件 环形分配器 光 电 隔 离 功 率 放 大 图 2 1 （结构总体框图） generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 5 3 确 定 机 械 传 动 改 造 方 案 3.1 设计原始参数 ( 1 ) 、工作滑台面长x 宽（m m ） 2 5 0 m m x 2 5 0 m m ( 2 ) 、铣刀 2 0 m m ( 3 ) 、铣削深度 p = 5 m m ( 4 ) 、铣刀齿数 z = 3 ( 5 ) 、齿进给量 0.2 z fmm= ( 6 ) 、被加工材料 h b = 2 5 0 ( 7 ) 、工作台移动速度 x = 2 、y = 2 m / m i n 3.2 确定切削用量 根据加工方式不同，切削用量选择方式也不同。对铣削而言，主要是切削速度v， 切削深度 p a, 切削宽度 e a, 每齿进给量 z f, 铣刀齿数z, 铣刀直径d。切削用量主要根据 刀具的类型，刀具的材料，被加工工件的材料等参数和有关手册及教科书确定。除了 工作进给速度而外， 还有一个快进速度问题， 一般情况下， 推荐快进速度为v=0.2/min。 4 这里要注意把机床的主运动与进给速度分开。 3.3 进给运动的切削负载分析及计算方法 设计参数为：铣刀的直径 d = 2 0 m m ，齿数 z = 3 ，切削深度5 p amm=，每齿进给 量0.2 z fmm=, 被加工材料h b = 2 5 0 。 据实际工作情况可认为同时工作的齿数为2 齿， 每 齿 切 削 层 面 积 为s = 0 . 2 5 = 1 . 0 0 m m ,两 齿 为2 1 = 2 m m ,则 圆 周 力 f c = 2 2 5 0 = 5 0 0 k g f = 5 0 0 0 n 3.3.1、各个方向的分力 沿进给方向的水平分力 f h = 0 . 4 f c = 2 0 0 0 n 沿进给方向的垂直分力 f v = 0 . 9 0 f c = 4 5 0 0 n 沿铣刀轴向分力 f a = 0 . 5 5 f c = 2 7 5 0 n 3.3.2、摩擦阻力 铣床工作台与导轨间的相对运动为滑动摩擦，取摩擦系数u = 0 . 1 。摩擦力等于正 压力乘摩擦系数。正压力应包括主切削力 a f j及工作台之动力矩，设工作台重量为 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 6 100kg，故可算出其摩擦阻力为：f 摩= （1 0 0 1 0 + 2 7 5 0 ）0 . 1 = 3 7 5 n 3.3.3、等效转动惯量计算 0 0 360 t i = 5 其中： i 齿轮传动比， 步距角， 0 t 螺距，d 脉冲当量 i = 0 . 7 5 6 / 3 6 0 0 . 0 1 = 1 . 2 5 z 1 = 2 0 ; z 2 = 2 5 ; m = 1 . 5 ( 模数) ; b = 2 0 m m ( 齿宽) ；压力角为2 0 d f 1 = m z 1 = 3 0 m m ; d f 2 = m z 2 = 3 7 . 5 m m ; d e 1 = 3 3 m m ; d e 2 = 4 0 . 5 m m 若将齿轮看作近似的圆柱体，齿轮材料为4 5 钢，则齿轮的转动惯量分别为： j z 1 = 4452 7.8 3.32 101.85 10 kgm = j z 2 = 445 7.8 4.052 104.2 10 kgm = 根据类比的方法，滚珠系直径选择为d 0 = 3 2 m m ; l = 0 . 5 5 m ; 材料为4 5 钢，则系杠的 转动惯量可近似算出为 j s = 4432 7.8 3.255 100.45 10 kgm = 查手册预选电机为1 1 0 b f 0 0 3 查得的电机转子轴的转动惯量为 42 4.6 10 m jkgm =, 拆算到电动机轴上的总转 动惯量为： 2232 120 ()(/2 3.14)0.85 10 mzzs jjjjjim itkgm =+ = 7 3.3.4、丝杠摩擦阻力矩的计算 由于床用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。 3.3.5、等效负载转矩 tm的计算 t m = 1 / 2 3 . 1 4 ( f 纵+ f 摩) v 溜/ n t m = 1 / ( 2 2 3 . 1 4 ) ( 2 0 0 0 + 3 7 5 ) 2 / 4 1 6 . 6 7 = 1 . 8 1 n m 3.3.6、起动惯性阻力矩的计算 以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间t = 0 . 3 s ，由于 步进电机的角速度 m = = 2 3 . 1 4 4 1 6 . 6 7 / 6 0 = 4 3 . 6 3 则角加速度为： m = 4 3 . 6 3 / 0 . 3 = 1 4 5 . 4 则: t 惯= j m = 0 . 8 5 1 0 3- 1 4 5 . 4 = 0 . 1 2 4 ( n m ) 3.3.7、步进电机输出轴总的负载转矩的计算 j = t m + t 惯 j = 1 . 8 1 + 0 . 1 2 4 = 1 . 9 3 4 （n m ） generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 7 3.4 步进电机的匹配选择 考虑到机械传动系统的效率为n ，安全系数取k ，此时的负载总转矩 t = ( 1 . 5 / 0 . 7 ) 1 . 9 3 4 = 4 . 1 5 n m 由预选的步进电机型号为三相六拍，步距角0 . 7 5 ，其最大静转矩t y m a x = 7 . 8 4 n m , 为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩t g 必须大于或等于t 由下表可以查 出t g / t y m a x 之比值 11 。 电机相数 3 4 5 6 运行拍数 3 6 4 8 5 1 0 6 t g / t y m a x 0 . 5 0 . 8 6 6 0 . 7 0 7 0 . 7 0 7 0 . 8 0 9 0 . 9 1 5 0 . 8 6 6 则可算出 tg=0.8667.84=6.789(nm)，因为比4.15 nm大，所以选择合适。 3.5 滚珠丝杠的选择与校核 3.5.1、工作原理及结构 丝杠和螺母的螺纹滚道间置有滚珠， 当丝杠或螺母转动时， 滚珠沿螺纹滚道滚动， 则丝杠与螺母之间相对运动时产生的滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的 旋转槽两端设有回程引导装置。 3.5.2、滚珠丝杠副的特点 （1 ）刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度，可满足各种机 械传动要求，无爬行现象，始终保持传动高效率，效率高达9 0 % 9 5 % ，耗费的能量仅 为滑动丝杠的1 / 3 。 （2 ）传动具有可逆性 既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转 运动，且逆传递可保持运动的平稳性和灵敏性。 （3 ） 传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制 造精度，又由于摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。 （4 ）使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，长期使用后仍 能保持其精度，因而受命长，具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠要高5 6 倍。 （5 ）不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下 滑，故常需设置制动装置。 （6 ）制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 8 成本高。 滚珠丝杠的选择，一般是根据机床原来丝杠的大小，按类比法来选择直径，因 此必须进行以下项目的校核。 3.5.3、承载能力的校核 3 max0hw ql ffpc= 9 式中 滚珠丝杠寿命系数= 6 0 n t / 6 10 f w 载荷系数，中等冲击1 . 2 - 1 . 5 t 使用寿命时间 1 5 0 0 0 h f 硬度系数 1 . 0 max p= f 纵+ f 摩= 2 0 0 0 + 3 7 5 = 2 3 7 5 n 则q= 63 60 333.3 15000/101.0 1.2237549361n= 查表可知道满足要求。 3.5.4、压杆稳定性验算 () 22 3.14/maxpkfkeirdp= 12 式中 p k 实际承受载荷的能力 f k 压杆稳定的支承系数, 双推- 双推时为4 , 单推- 单推时为1 , 又推简支时为2 , 双推自由式为0 . 2 5 ; e 刚的弹性模量2 . 1 1 0 ( m p a ) ; i 丝杆稳定安全系数, 一般取2 . 5 - - - 4 , 垂直安装取小值. 由上例，取 由上例, 取f k = 2 , i = 3 . 1 4 / 3 2 * 2 . 5 = 3 . 8 3 , d 1 = 2 5 m m ; 取k = 4 , l = l a = 1 2 0 c m ( 系杠长度) 4 则 p k = 1 . 7 2 1 0 n p m a x ( p m a x = 2 3 7 5 n ) 3.5.5、刚度验算 丝杠的刚度是要保证第一导程的变形量在允许的范围内, 起变形计算公式为: l = 00 2 /2 3.14 tt pesmie+ 14 式中 s - 丝杠最小截面积; m - 扭距( n . m ) , 系数符号同上. 式中的正号用于拉伸, 负号用于压缩. 若都为拉伸, 有如下计算结果: 设 t = 0 . 6 m m , s = 3 . 1 4 1 6 r 1 2 = 3 . 1 4 1 6 0 ( 1 . 4 2 / 2 ) 2 = 1 . 5 8 m m i = 0 . 4 c m , m = t m a x . i = 7 . 8 4 1 . 2 5 = 9 . 0 ( n . m ) , p = p m a x = 2 3 7 5 n generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 9 则: l = 2 3 7 5 0 . 6 / ( 2 . 1 * 1 0 ) 1 . 5 8 + 9 8 0 8 0 . 6 / ( 2 3 . 1 4 1 6 0 . 4 2 . 1 8 10) = 4 9 6 . 4 8 10 c m = 5 . 0 u 满足使用要求 所以, 我们的电机选择型号: 1 1 0 b f 0 0 3 丝杠选 l l 3 2 6 。 图 31(滚珠丝杠螺母副) 即螺纹调隙式的滚珠丝杠螺母副， 其一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没 有凸缘而制有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可 消除间隙，并产生预紧拉力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。 这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，虽轴向位移不太精确，但应用较广泛。 3.6 齿轮的校核计算 所选齿轮参数如下： z 1 = 2 0 ; z 2 = 2 5 ; m = 1 . 5 ( 模数) ; b = 2 0 m m ( 齿宽) ；压力角为2 0 d f 1 = m z 1 = 3 0 m m ; d f 2 = m z 2 = 3 7 . 5 m m ; d e 1 = 3 3 m m ; d e 2 = 4 0 . 5 m m 小齿轮用 4 0 c r , 调质处理， 硬度为 2 4 1 h b - 2 8 6 h b , 平均为 2 6 0 h b 。 大齿轮用 4 5 钢， 调质处理，硬度为 2 2 9 h b - 2 8 6 h b ，平均取 2 4 0 h b 。 1516 12 11 1.883.2cos 1 cos01.592 25 4 0.89 a zz z =+ 1 = 1.883.2+= 20 = 3 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 10 齿间载荷分布系数： 22 11 1.26 0.89 h k z = 齿向载荷分布系数： 22 33 1 20 101.170.160.61 10201.25 30 hb b kabcb d =+=+= 查表得：1.5,1.2 av kk= 荷系数：1.5 1.2 1.25 1.262.7 avhh kkkkk = 弹性系数： e z查表得 e z=189.8 a mp 节点区域系数： h z查图得2.5 h z= 接触最小安全系数：由表得 min 1.05 h s= 工作时间：10 300 8 0.24800 h th= = 应力循环次数：查表可估计 79 1010 l n 则指数 m=8.78 () 8.78 11 11 maxmax 8.878.878.877 6060 60 1 416.67 4800 10.20.50.20.32.39 10 m nn iihi vi nin ii h ttt nnty t ttt = = = += 故原估计应力次数正确。 77 2 /2.39 10 /1.251.912 10 l nn i= 接触寿命系数查图得： 12 1.221.24 nn zz=， 由 12 , nn zz查表得： lim1lim2 710,580mpampa = 许用接触应力()： lim11 min lim22 2 min 11 710 1.22 825 1.05 580 1.24 685 1.05 20 1.530 n h n h z mpa s z mpa s dz m 1 = = = 算接触应力： 1 2 1 212 2.7 1984 1.251 189.8 2.5 0.89432 20 301.25 eh ktu z z zmpa bdu + = 2 故所选轴承合格。 3.8 导轨的选择 根据导轨的设计要求，选择滚动导轨。 滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠，滚针，滚柱等滚动体，使相配的两个导轨面 只同滚动体接触而不直接接触导轨。 滚动导轨的特点是导轨面之间是滚动摩擦，而不是滑动摩擦。由于摩擦阻力小， 故使工作部件移动起来很灵敏。 滚动摩擦的摩擦系数小， 并且它和运动速度快慢无关， 低速时运动也均匀，工作部件的定位精度高，并且不易出现爬行现象。因为滚动摩擦 阻力小，所以工作部件的启动和运行的功率小。滚动导轨的磨损小，它的精度持久性 好。但滚动导轨对赃物比较敏感，故必须有良好的防护装置。 经比较，选用滚动导轨中的滚珠导轨。 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 14 4 控 制 系 统 的 硬 件 及 软 件 设 计 4.1 确定控制系统方案 微机实现机电一体化方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是 采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要重新设计控制系统， 比较复杂；后者选用单片机控制系统，由单片机、步进电机及专用控制程序组成的开 环控制。其结构简单，价格低廉，对机床的控制过程大多是由单片机接照输入的加工 程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉分配，输出一系列脉冲，经功率 放大，驱动工作台，纵横运动的步进电动机，实现工作台按规定的轮廓线轨迹运动。 拟订方案如图（2 1 ）。 4.2 单片机控制系统硬件设计 对十字滑台x - y 轴控制要求作如下规定：步进电机3 相6 拍，脉冲当量为0 . 0 1 ，能 用键盘输入命令，控制x , y 向运动及实现其它功能，能实时显示工作台的当前运动位 置，具有越程指示报警及提示功能，采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描均 由软件实现。 4.2.1、单片机控制系统的硬件构成 现选用8 0 3 1 单片机芯片为主芯片。它有p 0- p3四个8 位口，p0可驱动8 个t t l 14 6 纵横 等轴 限位 主轴 脉冲 发生 器 急停 功能按扭 电机 电机 电机 功 率 放 大 器 光 电 隔 离 驱 动 器 扩长 接口 存储 扩长 器 微机 图 4 1 （硬件构成） generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 15 门电路，16 根地址线由它经地址锁存器（74ls373）提供第 8 位 a0- a7，而高 8 位 a8- a15由由 p2 口提供。 数据总线由 p0口提供。 控制总线有 p3口的第二功能状态 和 4 根独立的控制线 reset，- ea，ale，- psen 组成。仅剩 p1 口可供控制外设， 因此不能满足上述要求，又由 8031 总片无 rom，且只有 128 字节的 ram，也不 够用，故需要扩展。现采用 8155 和 2764，6264 作为 i/o 和存储器扩展芯片，显示 器采用 led 数码显示，从控制要求来看，需要 5 位数码显示，其中整数部分 3 位， 小数部分 3 位。其它辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路，延时可 利用 8155 的定时器/计数器的引脚 tmrin 和 tmrout。 4.2.2、单片机引脚及其功能 ( 1 ) 电源线 2 根 13 v c c ：编程和正常操作时的电源电压，接+ 5 v v s s ：地电平 ( 2 ) 晶振 2 根 x t a l 1：震荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器时必须接地。 x t a l 2：震荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部震荡器 时用于输入外边震荡信号。 ( 3 ) i / o 口共有p 0 p1 p2 p3四个8 位口，3 2 根i / o 线，其功能 p 0 . 0- p0 . 7 ( a d 0- a d7) ： 是i / o 端口o 的引脚。 端口o 是一个8 位漏极开路的双向i / o 端口。 在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8 位的地址线和8 位双向的数据端口。 p 1 . 0- p1 . 7 ：端口1 的引脚，是一个带内部上拉电阻的8 位双向i / o 口通道，专供用户使 用。 p 2 . 0- p2 . 7 ( a8- a1 5) ：端口2 的引脚。端口2 是一个百内部上拉电阻的8 位双向i / o 口， 在访问外部存储器时，它输出高8 位地址a 8- a1 5。 p 3 . 0- p3 . 7 ：端口 3的引脚。端口 3是一个带内部上拉电阻的 8位双向 i / o口，该 口的每一位均可独立地定义第一 i/o 口功能或第二 i/o 口功能。作为第一功能使用 时，口的结构与操作与 p1口完全相同。 4.2.3、控制线 ( 1 ) p s e n ：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号，低电平有 效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。 ( 2 ) v p p：e a 为高电平时，c p u 执行内部程序存储器的指令。e a 为低电平时c p u 仅执 行外部程序存储器的指令。因8 0 3 1 没有内部程序存储器，故e a 必须接地。v p p是在 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 16 8 7 5 1 e p r o m 编程时为+ 2 1 的编程电源输入端。 ( 3 ) p r o g ，a l e 是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为p 0 端口是分时传送数据和低8 位地址。故访问外部存储器时，a l e 信号锁存低8 位地址。 即使在不访问外部存储器时，也可以1 / 6 振荡频率的固定频率产生a l e ，因此可以用它 作为外部的时钟信号。a l e 主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取令时， 把p 0口的低8 位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。 ( 4 ) t / v p d 是复位/ 备用电源端。在振荡器运行时，使r s t 行脚至少保持两个机器周 期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0 0 0 0 h 单元开始执 行。在v c c 关断之前加上v p d（掉电保护）r a m 的内容将不变。 单片机时钟利用内部振荡电路，在 x t l 1 ，x t a l 2 引脚上外接定时元件，晶振可 以在 1 . 2 - 1 2 m h z间任选，电容在 5 - 3 0 pf之间，对时钟有微调作用。越界报警，指示 电路，采用 4 个点位开关。一旦越界，应立即停止工作台运动，这里采用中断方式， 利用 8 0 3 1 外部中断- i n t 0，只要有一个开关闭合，即工作台的 x 向或 y 向有一越界， 便能产生中断信号- i n t 0 。为了报警，设置了两个发光二极管灯，一个红用于报警， 绿的为正常工作，两灯均由 8 0 3 1的 p 1 . 4控制。为了整体控制需要，应将 8 1 5 5的输 出端 t m r o u t与 8 0 3 1的 t 0端相连，而且应与不进电机控制用环形分配器的 c p端相 连接。 4.3 单片机的选择 由于对机床进行数控，其控制功能简单，为了结约成本，因而，采用价格低廉的 m c s 5 1 系列的8 0 3 1 单片机作为该控制系统的c p u 已能满足控制要求。 该单片机内部集 成r o m 存储器，需要对其进行存储器的扩展。 4.4 存储器的选用与扩展 由控制系统所迁用单片机内部集成r o m 存储器，同时1 2 8 位的r a m 输出不能满足控 制系统程序和数据的存储量，因此要进行存储器扩展。 4.5 存储器的选用及连接 程序存储器选用i n t e r 2 7 6 4 ，它是一种5 v 的8 k u v e p r o m 存储器芯片，采用h m o s 工 艺制成，标准存取时间2 5 0 n s 具有可擦除特性，管脚数2 8 。 由于车削加工的指令数量较少，因而所需程序存储器容量较少，所以选用 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 17 i n t e r 6 2 6 4 静态 r a m 足够，该存储器具有 8 k 的容量，2 0 0 n s 的存取时间，所需电源 为 5 v ，采用 h m o s 工艺， 管脚数 28 13 。 图 4 2 （8 0 3 1 与 2 7 6 4 ，6 2 6 4 的扩展接线图） 4.6 地址锁存器 由于单片机 8 0 3 1 芯片的 p 0口是分时传送低 8 位地址线和数据线， 故 8 0 3 1 扩展 系统中一定要有地址锁存器。常用的地址锁存器芯片是 7 4 l s 3 7 3 。7 4 l s 3 7 3是带三 态缓冲输入的 8 d 触发器。其引脚结构如下图 13 ： generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 18 图 4 3 （8 0 3 1 引脚结构） 4.7 键盘与显示电路及其程序 单片机应用系统中，键盘扫描只是c p u 工作的内容之一。c p u 在忙于各项工作任务 时， 如何兼顾键盘扫描又不占用过多的时间。 则采用程序扫描工作方式， 它是利用c p u 在完成其他工作的空闲，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程 序时，c p u 不再响应键输入要求。 由于非编码键盘，硬件电路极为简单，应用广泛，因而选用非编码键盘作为数据 输入键盘。 非编码键盘常用一些按键排列成行列矩阵按键的作用只是使相应接点接通 或数据开，在相应程序配合下也可产生被按按键的键码。 为了减少硬件开锁，提高系统可靠性和降低成本，单片机控制系采用动态显示。 这里用8 1 5 5 来实现键盘、显示的接口控制。 8 1 5 5 的结构框图及引脚排列见下图 13 ： generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 19 图 4 4 （8 1 5 5 的逻辑结构和引脚图） 8155 具有 40 条引脚的双列直插式芯片，其引脚的功能见下表： 引脚 含义 引脚 含义 a d 0 a d7 地址数据线 a l e 地址锁存 p a 0 p a7 a 口 r d 读 p b 0 p b7 b 口 w r 写 p c 0 p c7 c 口 r e s e t 复位 t i m e r i n 定时输入 v s s 地 t i m e r o u t 定时输出 v c c 电源 i o / m i o / r a m 口选择 c e 片选 其中io/m是内部ram和i/o 口的选择线， io/m=0 （低电平时） 选择片内 ram， ad0ad7上的地址信息为 8155 中的 ram 单元地址。当 io/m=1 时，选择 i/o 口， ad0ad7上的地址信息为 i/o 口地址。它利用 ale 的下降沿将此信息锁存到片 锁存器中。 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 20 4.7.1、8155 工作方式设定 8 1 5 5 i / o 工作方式选择通过对 8 1 5 5 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 13 ： 图 4 5 （8 1 5 5 工作方式） 8 1 5 5 i / o 有四种工作方式，即a l t 1，a l t2，a l t3，a l t4。其中各符号说明如下： a i n t r ：a 口中断，请求输入信号，高电平有效。 b i n t r ：b 口中断，请求输入信号，高电平有效。 a b f （b b f ）：a 口（b 口）缓冲器满状态标志输出线，（缓冲器有数据时b f 为高电 平）；a s t b （b s t b ）：a 口（b 口）设备选通信号输入线，低电平有效。 4.7.2、状态查询 8 1 5 5 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c p u 查询用。其格式如下 13 ： 图 46（8155 状态查询格式） generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 21 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。 4.7.3、8155 定时功能 8 1 5 5芯片内有一个 1 4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、输出波形见下 13 ： 定时器方式记数长度高位 记数长度低位 方式 单方波 持续方波 单脉冲 持续脉冲 定时器输出波形 图 47（8155 记数方式和输出波形图） 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 002h3fff 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。 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 22 图 4 8 （8 0 3 1 与 8 1 5 5 接线图） 上图中画出了 8031 通过 8155 对六只共阴极 led 的接口和 30 个按键的键盘。 按键分为三类：一是数字键 0 f，二是功能键 12 个；三是两个键没有定义，作为 扩展有键位 13 。 4.7.4、键盘显示电路工作原理 ( 1 ) 判数是否有键按下 c p u把全“ 1 ” 送到 8 1 5 5 c口就可以在所有行线 l 5 l 0上得到 t t l低电平，然后 读取 b口的列值就可以判断是否有键按下，若无键按下则所读列值必为 1 f h ；若有 键按下，则列值必因被按按键的行列线接通而不等于 1 f h 。 ( 2 ) 被按按键行值和列值的读取 若c p u 发现有键按下，c p u 获取被按接键行值和列值只要逐行对、键盘扫描，即轮 流地使c 口中每条行线变为低电平以及读取和判断b 口的值。若列值为1 f h ，则表明有 被按按键不在本行，若列值不为1 f h ，则对应的行值和列值就是被按按键的的列值和 行值。 ( 3 ) 按键的去抖动和窜键处理 在按下某个按键时，被按按键的簧片总会能轻微的抖动，这个科动常会持续1 0 m s generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 23 左右时间。因此，c p u 在按键拌动期间扫描键盘必然会得到错误的行值和列值，最好 的办法是使c p u 在检测到有键按下时延时 2 0 m s 再进行行扫描。 较低当用户在操作时常常不小心同时按下个以上的键时，即发生窜键盘，c p u 处 理窜键是以最后放开的按键认和真正被按的键。c p u 在行扫描时必须不以发现第一个 被近键为满足，而是继续完成对所有行的一遍扫描，并在该行扫描结束后根据窜键标 志来判断是否发生窜键。 如果未发现窜键，则本遍扫描的行值和列值就是被按按键的行值和列值；如果发 现了窜键，则c p u 再进行一遍行扫描就可获取最后放开键的行值和列值了。 求键值 求键值必须选先求关键字，求关键字必须知道行值和列值 求行号：行序号和行值的关可以从键盘电路中看出c p u 把被按按键的行值右移到 全“ 0 ” 时得到的移位次数减1 必为行序号。 求键字：由键值表可以看到，c p u 把行序号移到高四位并和列值低四位相加便可 得到相应关键字。 求键值：被按按键的键值是查表次数减1 。 被按按键的类型判别：在键值表中，数字键的键值必小于1 0 h ，功能键的键值大 于1 0 h 的。因此，c p u 用被按按键的键值是大于1 0 h 或是小于1 0 h 来判断按键的类型。 键盘按键分布图、键盘扫描程序流程图、求键值子程序流程图。 generated by unregistered batch doc to pdf converter 2012.4.816.1629, please register! 邵阳学院毕业设计（论文） 24 键盘按键分布图 关键字 键值 行值 列值 按键 0 f h 0 0 h 0 1 h 0 f h 0 1 f h 0 1 h 0 2 h 0 f h 1 1 7 h 0 2 h 0 2 h 1 7 h 2 1 b h 0 3 h 0 2 h 1 b h 3 2 f h 0 4 h 0 4 h 0 f h 4 2 7 h 0 5 h 0 4 h 1 7 h 5 1 b h 0 6 h 0 4 h 1 b h 6 3 f h 0 7 h 0 8 h 0 f h 7 3 7 h 0 8 h 0 8 h 1 7 h 8 3 b h 0 9 h 0 8 h 1 b h 9 3 d h 0 a h 0 8 h 1 d h a 2 d h 0 b h 0 4 h 1 d h b 1 d h 0 c h 0 2 h 1 d h c 0 d h 0 d h 0 1 h 1 d h d 0 b h 0 e h 0 1 h 1 b h e 0 7 h 0 f h 0 1 h 1 7 h f 0 e h 1 0 h 0 1 h 1 e h 1 e h 1 1 h 0 2 h 1 e h 2 e h 1 2 h 0 4