关 键 词：

含CAD图纸、说明书 17 数控 十字 设计 cad 图纸 说明书 仿单

资源描述：

内容简介：

毕业设计（论文）开题报告书课题名称 数 控 十 字 滑 台 的 设 计 学生姓名学 号院（系）、专业 指导教师一、课题的来源、目的意义（包括应用前景）、国内外现状（1）课题的来源：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。我们在对一些XY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LED数码管的系统，操作很不方便而且通用性不强。为此，本课题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。（XY工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台）（2）目的意义：本文通过对XY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。该数控十字滑台可灵活用于铣床和钻床的数控改造，而且改造简单方便，技术难度不大，可广泛应用。（3）国内外现状：从上世纪80年代起，机床制造业的发展虽有起伏，但对数控技术和数控机床一直给予较大的关注。经过“九五”数控车床和加工中心（包括数控铣床）的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距，这是由于欧美日等先进工业国家于80年代先后完成了数控机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发，引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展，日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发，以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。相比之下，我国大部分数控机床产品在技术上都处于跟踪阶段。基于这一现实，为了加速振兴我国的机床制造业，当前宜加强如下五方面的研究和发展工作：(1)以高速化为先导，提高数控机床的综合性能。(2)加快数控机床向高效柔性化和高精化发展的步伐，推进mm级精度机床工程的规划和实施。(3)加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量生产的加工精度和高效柔性化。(4)对于中大批量生产、发展快速重组制造系统(Rapidly Reconfigurable Manufacturing System简称RRMS)和可重构机床(Reconfigurable Machine Tool简称RMT)将是一个合理的解决方案。(5)发展网络制造单元以适应数字化企业的构建。二、课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施（1）主要内容：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。本课题设计以单片机作为控制系统的X-Y型工作台（XY工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台）。通过对X-Y型工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。 （2）工程技术方案及措施：机械传动方面，设计时仍采用的传统方式。一轴配备一对减速齿轮，选滚珠螺母副，轴承支撑。结构虽然简单，但可以满足强度各方面的要求，而且所有零部件价格便宜订购方便,这样就减小了生产的难度。 由于在设计要求中明确指出此工作台为数控装置，有独立的数控操作和控制系统，这就对工作台运动的控制提出了要求，在设计时优先选择步进电机作为动力源，采用单片机控制，这样就能满足设计所提出的要求。 该数控十字滑台可灵活用于铣床和钻床的数控改造，而且改造简单方便，技术难度不大，可广泛应用。三、现有基础和具备的条件控制工程实验室：实验楼215室，主要仪器： PT数控转台1台，XY轴步进数控工作1台，四轴运动控制平台2台，液压PLC控制系统，机械手控制系统，D/A和A/D转换系统，MCS-51主机板1套，直流数字安培表，直流数字毫安表，指针式交流电流表。提供中国期刊网、提供超星数字图书馆有关图书，万芳数据资源库，读秀知识库，CNKI数据资源系统。四、总的工作任务，进度安排以及预期结果工作任务和预期结果：本文通过对XY工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计，了解机电一体化系统设计中的共性和关键的技术。进度安排：2006.12.20 12.31：选定课题题目交给指导老师，通过老师综合分析和思考后，最后确定论文题目。2007.2.20 2.28： 根据指导老师下达的毕业论文任务书，确定论文的主要内容并写好开题报告，交给指导老师。2007.3.1 3.5： 根据设计任务书并查阅相关资料，确定设计方案。2007.3.6 5.16： 在现有基础条件下，定期和指导老师联系，进行课题论文的编写，完成初稿。2007.5.16 5.22： 根据指导老师的修改意见修改论文，并根据标准的论文格式打印除论文修改稿， 并于22前交给指导老师。2007.5.23 5.28： 通过指导老师审定，毕业论文按要求设计完毕。2007.6.76.10： 毕业论文答辩。五、指导教师审查意见指导教师（签名） 年 月 日 六、教研室审查意见教研室主任（签名） 年 月 日 七、院（系）审查意见院（系）主任（签名） 年 月 日 备 注摘 要随着制造业的发展，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。本文结合机电一体化的需要，设计以单片机作为控制系统的X-Y型工作台（XY工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台）。通过对X-Y型工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。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。关键词：X-Y数控十字滑台；机电一体化；单片机 Abstract Along with manufacturing industry development，peoples profound feeling numerical control engine bed in production status is more and more important. Combine mechanical-electrical integrations need, design a Model X-Y working bench with one-chip computer as the of the control system(X-Y working bench is separately along X and Y motion work table.). Though describing the working bench mechanicals design of structure and interface of the control circuit to Model X-Y, have explained generality in the design of mechanical-electrical integration and its key technology. This kind of working bench is usually designed with the complete machine into a whole , its form , size, there is a greater difference because types of the machine are different in the structure, but its operation principle has common point. Keywords: X-Y numerical control cross slippery platform; The mechanical-electrical integration; One-chip computer目 录1 绪论11.1数字控制技术的产生和发展11.2我国数控机床的发展情况21.3数控机床中十字滑台的设计22 机床改造总体方案设计43 确定机械传动改造方案53.1 设计原始参数53.2 确定切削用量53.3 进给运动的切削负载分析及计算方法53.3.1、各个方向的分力53.3.2、摩擦阻力53.3.3、等效转动惯量计算63.3.4、丝杠摩擦阻力矩的计算63.3.5、等效负载转矩Tm的计算63.3.6、起动惯性阻力矩的计算63.3.7、步进电机输出轴总的负载转矩的计算63.4 步进电机的匹配选择73.5 滚珠丝杠的选择与校核73.5.1、工作原理及结构73.5.2、滚珠丝杠副的特点73.5.3、承载能力的校核83.5.4、压杆稳定性验算83.5.5、刚度验算83.6 齿轮的校核计算93.7 轴承的选择与校核123.8 导轨的选择134 控制系统的硬件及软件设计144.1 确定控制系统方案144.2 单片机控制系统硬件设计144.2.1、单片机控制系统的硬件构成144.2.2、单片机引脚及其功能154.2.3、控制线154.3 单片机的选择164.4 存储器的选用与扩展164.5 存储器的选用及连接164.6 地址锁存器174.7 键盘与显示电路及其程序184.7.1、8155工作方式设定194.7.2、状态查询204.7.3、8155定时功能204.7.4、键盘显示电路工作原理224.8 步进电机接口电路295 总结32参考文献33致谢341 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20世纪40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0.0381mm。以当时的水平来看，是相当高的。1952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1954年11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。1959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。1960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（NC）。1967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FMSFlexible Manufacturing System 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。1974年，美、日等国首先先研制出以微处理器为核心的数控机床。30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MNC也统称为CNC。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。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。FMC和FMS被认为是实现CIMSComputer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统的必经阶段和基础。1.2我国数控机床的发展情况我国从1958年开始研究数控技术，一直到20世纪60年代中期处于研制、开发时期。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。20世纪60年代末70年代初研制成功X53K1G立式数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从20世纪70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。20世纪80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。1995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70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8031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INTER公司生产的8位8031单片机芯片作为本系统的微处理器。 XY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XY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关键装置。现在高精度微量进给装置已可达到0.0010.01m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。 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XY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LED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。 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MCS-51系列单片机扩展系统。 X-Y数控十字滑台的总体框图如下： 图 21（结构总体框图）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（mm） 250mmX250mm (2)、铣刀 20mm (3)、铣削深度 p=5mm (4)、铣刀齿数 Z=3 (5)、齿进给量 (6)、被加工材料 HB=250 (7)、工作台移动速度 x=2 、y=2m/min3.2 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,切削宽度,每齿进给量,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V0.2/min。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=20mm，齿数Z=3，切削深度，每齿进给量,被加工材料HB=250。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=0.25=1.00mm,两齿为21=2mm,则圆周力 Fc=2250=500kgf=5000N3.3.1、各个方向的分力 沿进给方向的水平分力 Fh=0.4Fc=2000N 沿进给方向的垂直分力 Fv=0.90Fc=4500N 沿铣刀轴向分力 Fa=0.55Fc=2750N 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及工作台之动力矩，设工作台重量为100kg，故可算出其摩擦阻力为：F摩=（10010+2750）0.1=375N 3.3.3、等效转动惯量计算其中： i齿轮传动比，步距角，螺距，脉冲当量 i=0.756/3600.01=1.25 Z1=20;Z2=25;m=1.5(模数);b=20mm(齿宽)；压力角为20 df1=mZ1=30mm;df2=mZ2=37.5mm;de1=33mm;de2=40.5mm 若将齿轮看作近似的圆柱体，齿轮材料为45钢，则齿轮的转动惯量分别为： Jz1=Jz2=根据类比的方法，滚珠系直径选择为d0=32mm;L=0.55 m;材料为45钢，则系杠的转动惯量可近似算出为 Js=查手册预选电机为110BF003 查得的电机转子轴的转动惯量为,拆算到电动机轴上的总转动惯量为：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 Tm=1/23.14(F纵+F摩) V溜/n Tm=1/(223.14)(2000+375)2/416.67=1.81Nm3.3.6、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=0.3S，由于步进电机的角速度=23.14416.67/60=43.63则角加速度为：=43.63/0.3=145.4则: T惯=J=0.85103145.4=0.124(Nm) 3.3.7、步进电机输出轴总的负载转矩的计算 J=Tm+T惯 J=1.81+0.124=1.934（Nm） 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) 1.934=4.15Nm 由预选的步进电机型号为三相六拍，步距角0.75，其最大静转矩Tymax=7.84Nm,为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于T由下表可以查出Tg/Tymax之比值。电机相数3456运行拍数 3 6485106Tg/Tymax0.50.8660.7070.7070.8090.9150.866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90%95%，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56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 式中滚珠丝杠寿命系数=60nT/ fw载荷系数，中等冲击1.2-1.5 T使用寿命时间 15000 硬度系数 1.0 =F纵+F摩=2000+375=2375N 则Q= 查表可知道满足要求。 3.5.4、压杆稳定性验算式中 Pk实际承受载荷的能力 FK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0.25; E刚的弹性模量2.110 (Mpa); 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Fk=2,I=3.14/32*2.5=3.83,d1=25mm;取K=4,L=La=120cm(系杠长度) 4则 Pk=1.7210NPmax(Pmax=2375N)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=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=0.6mm,S=3.1416R12=3.14160 (1.42/2)2=1.58mmI=0.4cm,M=Tmax.i=7.841.25=9.0(N.m),P=Pmax=2375N则: L=23750.6/(2.1*10)1.58+98080.6/(23.14160.42.1) =496.4 Cm=5.0u 满足使用要求 所以,我们的电机选择型号:110BF003 丝杠选 LL326。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： Z1=20;Z2=25;m=1.5(模数);b=20mm(齿宽)；压力角为20 df1=mZ1=30mm;df2=mZ2=37.5mm;de1=33mm;de2=40.5mm 小齿轮用40Cr,调质处理，硬度为241HB-286HB,平均为260HB。大齿轮用45钢，调质处理，硬度为229HB-286HB，平均取240HB。齿间载荷分布系数：齿向载荷分布系数：查表得：荷系数：弹性系数：查表得=189.8节点区域系数：查图得接触最小安全系数：由表得 工作时间：应力循环次数：查表可估计则指数m=8.78 故原估计应力次数正确。 接触寿命系数查图得：由查表得：许用接触应力：算接触应力： 故选择合适齿根弯曲疲劳强度验算：重合度系数：齿间载荷分配系数：齿向载荷分布系数：由查图可得：载荷系数K：齿形系数 查图得：=2.8，应力修正系数 查图得：=1.54， 弯曲疲劳极限 查图得：弯曲最小安全系数 由表估计得：原估计循环次数正确弯曲寿命系数由图得：尺寸系数由图得：许用弯曲应力：校核： 3.7 轴承的选择与校核 在轴承的选择上选用深沟球轴承和推力球轴承配合。深沟球轴承承受轴向力，推力球轴承承受轴向力。预选轴承：深沟球轴承6205 d=25 D=52 B=18 推力球轴承51305 d=25 D=52 B=18 有轻微冲击，预期使用寿命为：=5000h 采用脂润滑 E查机械零件设计表18.7得 e=0.38 故查表18.7得：X=1，Y=0 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。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（21）。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0.01，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8031单片机芯片为主芯片。它有P0-P3四个8位口，P0可驱动8个TTL 图41（硬件构成）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 Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V Vss：地电平 (2)晶振 2根 XTAL1：震荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器时必须接地。 XTAL2：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p0 p1 p2 p3四个8位口，32根I/O线，其功能 p0.0-p0.7 (AD0-AD7)：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。 p1.0-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。 p2.0-p2.7 (A8-A15)：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A8-A15。 p3.0-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)PSEN：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)Vpp：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时CPU仅执行外部程序存储器的指令。因8031没有内部程序存储器，故EA必须接地。Vpp是在8751EPROM编程时为+21的编程电源输入端。 (3)PROG，ALE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p0端口是分时传送数据和低8位地址。故访问外部存储器时，ALE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ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取令时，把p0口的低8位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。 (4)T/VPD 是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST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0000H单元开始执行。在Vcc关断之前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。 单片机时钟利用内部振荡电路，在XTL1，XTAL2 引脚上外接定时元件，晶振可以在1.2-12MHz间任选，电容在5-30PF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8031外部中断-INT0，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-INT0。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8031的P1.4控制。为了整体控制需要，应将8155的输出端TMROUT与8031的T0端相连，而且应与不进电机控制用环形分配器的CP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MCS51系列的8031单片机作为该控制系统的CPU已能满足控制要求。该单片机内部集成ROM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ROM存储器，同时128位的RAM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Inter2764，它是一种5V的8K UVEPROM存储器芯片，采用HMOS工艺制成，标准存取时间250ns具有可擦除特性，管脚数28。 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Inter6264静态RAM足够，该存储器具有8K的容量，200ns的存取时间，所需电源为5V，采用HMOS工艺， 管脚数28。 图42（8031与2764，6264的扩展接线图）4.6 地址锁存器由于单片机8031芯片的p0口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031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74LS373。74LS373是带三态缓冲输入的8D触发器。其引脚结构如下图： 图43（8031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CPU工作的内容之一。CPU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CPU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，CPU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8155来实现键盘、显示的接口控制。 8155的结构框图及引脚排列见下图： 图44（8155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 AD0AD7地址数据线 ALE 地址锁存 PA0PA7A口 RD 读 PB0PB7B口 WR 写 PC0PC7C口 RESET 复位 TIMERIN 定时输入 Vss 地 TIMEROUT 定时输出 Vcc 电源 IO/M IO/RAM口选择 CE 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。4.7.1、8155工作方式设定 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： 图45（8155工作方式）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。4.7.2、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。其格式如下：图46（8155状态查询格式）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 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、输出波形见下： 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。 图48（8031与8155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0F，二是功能键12个；三是两个键没有定义，作为扩展有键位。4.7.4、键盘显示电路工作原理 (1)判数是否有键按下 CPU把全“1”送到8155C口就可以在所有行线L5L0上得到TTL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1FH；若有键按下，则列值必因被按按键的行列线接通而不等于1FH。(2)被按按键行值和列值的读取 若CPU发现有键按下，CPU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1FH，则表明有被按按键不在本行，若列值不为1FH，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10ms左右时间。因此，CPU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CPU在检测到有键按下时延时 20ms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，CPU处理窜键是以最后放开的按键认和真正被按的键。CPU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CPU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CPU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，CPU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10H，功能键的键值大于10H的。因此，CPU用被按按键的键值是大于10H或是小于10H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。键盘按键分布图关键字 键值 行值 列值 按键 0F H 00 H 01 H 0F H 0 1F H 01 H 02 H 0F H 1 17 H 02 H 02 H 17 H 2 1B H 03 H 02 H 1B H 3 2F H 04 H 04 H 0F H 4 27 H 05 H 04 H 17 H 5 1B H 06 H 04 H 1B H 6 3F H 07 H 08 H 0F H 7 37 H 08 H 08 H 17 H 8 3B H 09 H 08 H 1B H 9 3D H 0A H 08 H 1D H A 2D H 0B H 04 H 1D H B 1D H 0C H 02 H 1D H C 0D H 0D H 01 H 1D H D 0B H 0E H 01 H 1B H E 07 H 0F H 01 H 17 H F 0E H 10 H 01 H 1E H 1E H 11 H 02 H 1E H 2E H 12 H 04 H 1E H 3E H 13 H 08 H 1E H 4F H 14 H 10 H 0F H 47 H 15 H 10 H 17 H 4B H 16 H 10 H 1B H 4D H 17 H 10 H 1D H 5F H 18 H 20 H 0F H 57 H 19 H 20 H 17 H 5B H 1A H 20 H 1B H 5D H 1B H 20 H 1D H 键盘扫描程序流程图 图49求键值子程序流程图 图410显示子程序 ORG 0600 MOV B ,A DISPIY: MOV A, #105 MOV DPTR, #8000H MOVX DPTR, A DISPIY1: MOV R5, #FEH MOV A, R5LD: MOV DPTR, #8003H MOVX DPTR, A MOV DPTR, #8001H MOV A, B ADD A, #DTAB MOVC DPTR, AACALL DELAY MOV A, R3JNB ACC.5 LD1 RL A MOV R5, A LD1: RET DTAB: DB 0C0H, 0F9H, 0A4H, 0B0H, 99H DB 92H, 82H, 0F8H, 80H, 90H DB 88H, 83H, 0C6H, 0A1H, 86H DB 83H, 0FFH, 0CH, 89H, 7FH DB 0BFH DELAY: MOV R7, #02H DELAY1: MOV R6, #0FFH DELAY2: DJNZ R6, DELAY2 DJNZ R7, DELAY1 RET END键盘扫描子程序 GRG 0900H SCAN:MOV A,#00H MOV DPTR, #8001H MOVX DPTR, A MOV A #3FH MOV DDPTR, #8003H MOVX #DPTR, A MOV DPTR, #8002H MOVX A, DPTR ANL A, #1FH CJNE3 A, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4NEXT1: ACALL DS20ms CLR C MOV R2, #00H MOV R1, #01H LOOP: INC DPTR MOV A,R1MOVX #DPTR, AMOV DOTR, #8002H MOVX A, DPTR ANL A, #1FH CJNE A, #1FH, NEXT2SJMP NEXT3NEXT2: INC R2CJNE R2, #01H, NEXT4MOV R4, A MOV A,R1MOV R3,A NEXT3: MOV A,R1RLC A MOV R1,A CJNE A,#40H, LOOP AJMP KCODE NEXT4:CLR A RET END 求键值子程序 ROG 0960H KCODE：MOV R1，#00H MOV A， R3CLR C LOOP： RRC A JZ NEXT1INC R1SJMP LOOP NEXT1：MOV A， R1SWAP A MOV R1，A MOV A， R4ANL A， #0FH ORL A， R1MOV B， A MOV DPTR， #KTAB MOV R0， #00H CLR AREPE：MOVC A，A+DPTR CJNE A, B,NEXT2SJMP RESV NEXT2:INC R0MOV A, R0SJMP REPE RESV: MOV A, R0RET KTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27H DB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DH DEB1DH,0DH,0BH,07H,03H,1EH DB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DH DB 5FH,57H,5BH,5DH END4.8 步进电机接口电路由于该数控改造机床采用步进电机控制，步进电机是否转动是由控制绕组输入脉冲的个数来控制，每步的角度和方向是由三相控制绕组中的通电方式决定的，因此，步进电机的控制是要求单片机和软件产生按上述规律变化的序脉冲,然后通过接口和驱动放大电路来驱动步进电机控制绕组工作。 由于采用三相六拍步进电动机，其工作方式为： AABBBCCCAA 控制模型表 图411 R4 放X轴步进电机要走的步数 R5 放Y轴步进电机要走的步数 PWS.4 放X轴步进电机转向标志。若要正转，则F0H中放“0”；否则，放“1”。 PWS.5 放Y轴步进电机转向标志。若要正转，则F0H中放“0”；否则，放“1”。 20H25H 放X轴步进电机正转模型。 26H放X轴步进电机正转模型结束标志00H。 27H2CH放X轴步进电机反转模型。 2DH放X轴步进电机正转模型结束标志00H。 30H35H 放Y轴步进电机正转模型。 36H放Y轴步进电机正转模型结束标志00H。 37H3CH放Y轴步进电机反转模型。 3DH放Y轴步进电机正转模型结束标志00H。 步进电机驱动程序： ORG 2100H PUSH ACC MOV R5,#N MOV R6,#N CLR C ORL C,PWS.4 JC ROTEX MOV R0,#20H AJMP NEXT1 ROTEX: MOV R0,#27H MEXT1: CLR C ORL C,PSW.5 JC ROTEY MOV R1,#30HAJMP NEXT2 ROTEY:MOV R1,#37H NEXT2: DJNZ R4,ABC