430×430数控机床XY工作台部设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321第一章 绪论1.1数控技术概述当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。（一）、数控技术的发展趋势。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1)、 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min左右。目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10m提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到 11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 、5 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。(3) 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。（二）、对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。（三）、对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1) 、战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。(2)、发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。1.2数控技术的应用 当今世界电子技术非常迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。1.3设计任务本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）控制数控机床，主要设计对象是XY工作台部件及89C51单片机控制原理图。而对数控机其他部件如冷水机、刀刃器等不作为设计内容要求，只作一般了解。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.005mm/ pluse。工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。1.4总体设计方案分析参考数控数控机的有关技术资料，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。X向工作台控制器驱动器步进电机步进电机驱动器Y向工作台图1-1 系统总体原理图微机控制线路图参考MCS51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t480ns ,常用EPROM读取时间约为200450ns。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TR660ns，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。第二章 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计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：工作台行程：横向430mm，纵向430mm工作台最大尺寸（长宽高）：1100900300mm工作台最大承载重量：150Kg脉冲当量：0.005mm/pluse进给速度：0.24m/min最快移动速度： 2.4m/min设计寿命：15年2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析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:120095070mm，材料为HT200，估重为625N (W1)。设中托座尺寸(长宽高度)为:1200520220mm，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+G665+250+250+11762301N第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算（一） 根据机床的受力情况及结构尺寸，参照南京工艺装备厂的产品系列，选用FFZD内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下： X向： FFZD 2504-3/490500Y向： FFZD 2504-3/5001100（二） 因X向的滚珠丝杆比Y向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算X向丝杆的相关数据，Y向根据X向的结果相同选用即可满足要求。（三） 具体计算如下。3.1 滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式： （3.1）式中F 切削力，F=0W工件重量加工作台重量 W=2301NU滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为0.003-0.004），取U=0.004则根据式（3.1）： = 0.0042301=92N数控机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的 Go=（0.2-0.3）， =18.4-27.6N。对照样本参数,这里的Go非常小，选定导程为4的滚珠丝杠副。3.2 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为: （3.2）式中滚珠丝杠的螺纹升角当量摩擦角 根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表3-1），前面已经定v=1m/s，材料选择灰铸铁HRC45。 所以：=400，tg=0.0025 ；因为=arctg（Ph/d） （3.3）式中:Ph导程，4mmd丝杠公称直径，25mm则根据式（3.3）：2.91则根据式（3.2）得：0.953。表3-1 当量摩擦系数f和当量摩擦角齿圈材料锡 青 铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度HRC45其它HRC45HRC45其它相对速度 s m/sfffff0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136175094343433092352172001431361221161020550480450.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206515435094173433092522352172001471401291221090.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310127587245435094003433092522352172001430.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0551027587245435094003433090.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.0701045905758651549509434400第四章 直线滚动导轨的选型导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。型号：选用GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图4-1。具体型号：X向选用GGB20BA2P，2 500-4 Y向选用GGB20AB2P，2 1100-4 图4-1 直线滚动导轨第五章 步进电机及其传动机构的确定5.1 步进电机的选用5.1.1 脉冲当量和步距角已知脉冲当量为1m/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为0.36o/STEP（二倍细分）。5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 电机起动力矩： （5.1）式中: M为滚珠丝杠所受总扭矩Ml为外部负载产生的摩擦扭矩，有: （5.2）=920.025/2tg（2.91+0.14）=0.062NmM2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： （5.3）式中: K预紧时的摩擦系数，0.10.3 Ph导程，4cmFao预紧力，有：Fao=Fao1+Fao2取Fao1=0.04Ca=0.04 1600=640NFao2为轴承的预紧力，轴承型号为6004轻系列，预紧力为Fao2130N。故根据式（5.3）： M2=0.098 Nm齿轮传动比公式为：i= Ph /(360p)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： （5.4）=360Mp /Ph 式中: p =lm/STEP=0.0001cm/STEP；M= M1+ M 2= 0.16N=0.36o/STEPq=0.85Ph0.4cm0.953则根据式（5.4）：Tq=3600.160.0001/(3.60.850.4)=0.4 Nm 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 Nm5.1.3确定步进电机最高工作频率参考有关数控数控机床的资料,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 Nm，转动惯量为235g/cm25.2齿轮传动机构的确定5.2.1传动比的确定要实现脉冲当量lm/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为： （5.5）式中：Ph 为滚珠丝杠导程为步距角p为脉冲当量根据前面选定的几个参数，由式（5.4）得：=0.364/3600.001=4:1=Z2/Z1根据结构要求,选用Z1为30，Z2为120 5.2.2齿轮结构主要参数的确定齿轮类型：选择直齿加工方便。模数选择：本工作台负载相当轻,参考同类型的机床后,选择m1齿轮传动侧隙的消除。中心距的计算：A=m（Z1+ Z2） （5.6）=1(30+120)/2=75mm齿顶高为1mm，齿根高为125mm，齿宽为20mm。齿轮材料及热处理：小齿轮Z1采用40Cr，齿面高频淬火; 大齿轮Z2采用45号钢，调质处理。 5.3步进电机惯性负载的计算由资料知，数控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： （5.7）式中：JD为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。J0为步进电机转子轴的转动惯量eJ1为齿轮Zl的转动惯量J2为齿轮Z2的转动惯量J3为齿轮Z3的转动惯量mn为系统工作台质量Vm为工作台的最大移动速率D为折算成单轴系统电动机轴角速度各项计算如下：已知：J00忽略不计， mn=112.5Kg齿轮惯性转矩计算公式： （5.8）其中：为回转半径G为转件的重量滚珠丝杠的惯性矩计算公式： （5.9）最后计算可得：J1=0.110-3Kg. m2J2=1.3210-3Kg. m2J3=2.9810-4Kg. m2J4=1.1410-5Kg. m2Vm=12 m/sD=2rad/s故惯性负载根据式（5.7）得：JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J2J3）+ J4 (Vm/D)2mn=17.3 Kg. cm2此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。第六章 传动系统刚度的分析数控机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。6.1 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K0或C0决定的，在估算时，取K=K0，C=C0对滚珠丝杠传动,其变形主要包括：丝杠拉压变形扭转变形丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。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K0，根据支承形式可得： 式（6.1）式中：E=2.0610 -4(Kgf/ mm 2)F=754.8mm 2 L=Ls250 mm则根据式（6.1）得：K0=203.2N/mm传动系统刚度较大，可以满足要求。6.2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： KF0/ 式（6.2）式中：K传动系统当量刚度F0部件运动时的静摩擦力N 正压力,N=W/g=230kgfF 静摩擦系数，取0.003-0.004 部件调整时，所需的最小进给量则：F0=2300.004=0.92KGFA=0.5p=0.5m/STEP即满足微量进给要求的传动系统刚度为:KF0/0.92/0.51.84Kgf/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，可以达到精度要求。第七章 消隙方法与预紧7.1消隙方法数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。7.1.1偏心轴套调整法 如图7-1，齿轮装在电动机轴上，调整偏心轴套可以改变齿轮和之间的中心距，从而消除齿侧间隙。1-齿轮 2-偏心套 3-齿轮 图7-1 偏心轴套调整法7.1.2锥度齿轮调整法 如图7-2所示将一对齿轮和的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片的厚度就能改变齿轮和的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。图7-2 锥度齿轮调整法 7.1.3双片齿轮错齿调整法 图7-3是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时使弹簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。对比三种方案：第一种需要经常的调整，对于本身就以提高效率为目标的数控机床而言肯定不合适。第二种是很不错的方案，但在加工机上并不实用。第三种方案相比较而言在数控机上适用，而且不需要人为经常调整，很适合数控机床的需要。本设计方案选用第三种方法。图7-3 双片齿轮错齿调整法7.2预紧滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有两种。一种是单支承形式；另一种是两端支承形式，本设计选用两端支承形式中的“双支点各单向固定”的支承方式。该形式夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧，提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴承的振动。预紧量由厂家提供。第八章 控制系统设计8.1 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：存储器扩展光电隔离驱动器I/O口扩展单片机功 率 放 大X轴电机Y轴电机Z轴电机驱动器横向丝杠Z向丝杠纵向丝杠显示器键 盘图8-1 控制系统框图8.2 主要硬件配置8.2.1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。8.2.2 主要管脚功能89C51是40脚双列直插式芯片。主要管脚功能: 控制线片外存储器选择端，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，这样接地，从外部程序存储器读取指令。外部程序存储器选通端,以区别读外部数据存储器。 ALE地址锁存控制端,系统扩展时，ALE控制P0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。RESET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。89C51中I/O口的介绍P0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；Pl口用户使用的I/O口；P2口外接存储器时,作扩展电路高八位的地址总线；P3口双重功能口；P0P3口均为八位双向口。P0口可驱动8个TTL门电路，PlP3口只能驱动四个TTL门电路。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P0口经地址锁存器，提供八位A0-A7，高八位A8A15由P2口直接提供。数据总线DB数据总线为8位，自P0口直接提供。,控制总线CB由P3口第二功能控制线、ALE、RESET组成。8.2.3 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:A0A12 13位地址线D0D7 数据输出线 数据输出允许信号 编程控制信号，用于引入编程脉冲 片选信号2764主要工作方式:读方式及为低电平，Vpp5V时处于读出方式写方式为低电平, 亦为低电平，VPP21V, 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。编程禁止方式一此为向多片2764写入不同程序而设置的，当VPP=+21V时，为高电平时，2764芯片处于编程禁止状态。8.2.4 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：A0A12 13位地址线IO1IO7 数据输入输出线 数据输出允许信号 写选通信号 片选信号6264主要工作方式:读方式及为低电平，为高电平时，6264将数据输出到指定地址。写方式为低电平，亦为低电平时,允许数据输入。封锁方式为高电平时，该芯片没被选通，不工作。8.2.5 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A0A7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接，将A8A13脚与89C51的P2口P2.0-P2.4相联接，其余地址线经P2.5P2.7经译码产生片选信号。数据线联接将存储器数据输出端D0Dl与89C51P0口联接。控制线89C51 与2764相联，89C51从外部EPROM取指令。、 分别与6264、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AD0一AD7与89C51P0口直接相联。地址锁存信号ALE与89C51ALE相联。片选信号经译码后产生，以高位地址P2.0直接作为IO/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8.2.6 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。在ALT1ALT4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，PC3PC5为输出。ALT4：A口、B口为选通输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为。 图8-3 命令寄存器格式8.2.7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。8.2.8 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8-4 状态寄存器格式 M2 M1方 式定时器输出波形0 0单方波0 1连续方波1 0单脉冲1 1连续脉冲图8-5 8155定时器方式及输出波形8.2.9 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-7FFFH1#8155芯片地址(假定未用地址用0表示)/IO0时，8155(1)内部RAM地址范围 E000H-E0FFH/IO1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：E105H2#8155芯片地址(假定未用地址用0表示)/IO0时，8155(1)内部RAM地址范围 0A000H-0A0FFH/IO1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：0A05H8.3 总体程序控制8.3.1流程图8.3.2主程序 ORG 0000HAJMP MAIN ORG 0003HLJMP INT0ORG 000BHLJMP T0ORG 0013HLJMP INT1MAIN： MOV A，#00H MOV R0,#00H MOV DPTR，#2000HXUNHUAN : MOVX DPTR, AINC DPTRINC R0CJNE R0,#0FFH, XUNHUANINC R1CJNE R2,#0FFH, XUNHUANMOV SP,#60HSETB PX0SETB EX0SETB EX1SETB EAWE : AJMP WEGONGZUO：LCALL QIUJIANLCALL XIANSHILCALL CHULI8.4 键盘设计8.4.1键盘定义及功能控制面板上布置5个控制键，33个功能数字键。其中8个键有双重功能，由SHIFT键转换，按下SHIFT键，上档键有效。5个控制键各功能如下：急停键运行时按该键，程序立即停止运行。暂停键运行时按下该键，执行完本程序段后，停止执行下一程序段，等待处理，此为硬件暂停。恢复运行键处于急停或暂停时，接下该键程序继续执行。用M00实行软件暂停时，恢复运行也需要按该键。复位键编程或运行前，清除内存中的随机数。对中心键钼丝自动找准预定的中心位置(原点)。30个功能数字键包括数字键“09”，负号“”，程序开始字“%”，程序段结束字“LF”，序号字“N”，准备功能字“G”，辅助功能字“M”，速度功能字“F”，主轴速度功能字“S”，坐标功能字“X、Y、Z、I、J、W”。编辑键三个：DEL/INS删除/插入程序段键，DISP/ZOOMDISP显示程序全段内容，ZOOM使加工图形按比例缩放，预置为1，COPY程序段复制，IDX可设定某一程序段为起割点，单步步进电机走一拍就停止工作，回零钼丝重新置于起点，运行加工开始确认。8.4.2 键盘程序设计本设计采用非编码式矩阵式键盘，1#8155为键盘接口，按五行六列布线。PA0PA4为行线，PC0PC5为列线。 A口为输出口，C口为输入口，按键盘列线，每个键对应一个键码，根据键码转至相应键处理子程序。常用键识别方法有扫描法和线翻转法。本设计采用扫描法。其原理是：一条列线为低电平，若此列线上已闭合键，则各行线状态都为高电平，然后按行号、列号求得闭合键键码。定义各行首键号为00H、06H、0CH、12H、18H，键码=行号列号。键号键功能对应表8-1表8-1 键号键功能对应键号00H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H1E功能09NGMFS键号13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1F功能DELCOPYIDX单步回零运行SHIFT图8-6 键盘扫描程序流程图图8-7 求键值子程序键盘扫描子程序ORG 0500HSCAN:MOV A,#00HMOV DPTR, #E101HMOVX DPTR, AMOV A #3FHMOV DDPTR, #E103HMOVX #DPTR, AMOV DPTR, #E102HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE3 A, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4NEXT1: ACALL DS20msCLR CMOV R2, #00HMOV R1, #01HLOOP: INC DPTRMOV A,R1MOVX #DPTR, A MOV DPTR, #8002HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE A, #1FH, NEXT2SJMP NEXT3NEXT2: INC R2CJNE R2, #01H, NEXT4MOV R4, AMOV A,R1MOV R3,ANEXT3: MOV A,R1RLC AMOV R1,ACJNE A,#40H, LOOPAJMP KCODENEXT4:CLR ARETEND求键值子程序ORG 0560HKCODE：MOV R1，#00HMOV A， R3CLR CLOOP ：RRC AJZ NEXT1INC R1SJMP LOOPNEXT1：MOV A， R1SWAP AMOV R1，AMOV A，R4ANL A，#0FHORL A，R1MOV B，AMOV DPTR，#KTABMOV R0，#00HCLR AREPE：MOVC A，A+DPTRCJNE A, B,NEXT2SJMP RESV NEXT2:INC R0MOV A, R0SJMP REPERESV: MOV A, R0RETKTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27HDB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DHDEB1DH,0DH,0BH,07H,03H,1EHDB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DHDB 5FH,57H,5BH,5DHEND 8.5 显示器设计8.5.1显示器显示方式的选用程序输入时，涉及数字键及N、G、M等功能键。采用控制简单，价格低廉的LED显示器。因数控程序较长，显示数据较多，一次把整条指令内容全显示出来很不经济。采用段显示法，即依次显示X、Y 、I 、J等数据，一条指令显示完，再显示下一条指令。以减少LED数量。系统分辨率为1m，最大控制长度为1m，需6位显示器才能满足要求，再加上一位符号位，须7位LED，为清晰显示N、G、X、Y符号，符号位用一位米字显示。显示器显示方式有静态、动态两种。本设计采用动态扫描法，即逐个点亮各位显示器，因视觉残留效应，效果与全部显