激光切割机床.doc

攀枝花学院本科毕业设计 目录目 录摘 要ABSTRACT1 绪论11.1课题背景11.2现实意义11.3设计任务11.4总体设计方案分析22 机械部分XY工作台及Z轴的设计42.1 XY工作台的设计42.1.1主要设计参数及依据42.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析42.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量42.2 Z轴主轴头系统设计52.3滚珠丝杠传动系统的设计计算62.3.1 强度计算62.3.2滚珠丝杠副的传动效率62.3.3直线滚动导轨的选型72.4 消隙方法与预紧82.4.1消隙方法82.4.2预紧83 步进电机及其传动机构的确定103.1联轴器的选用和校核103.1.1联轴器的选用103.1.2联轴器的校核113.2步进电机惯性负载的计算113.3 步进电机的选用124 传动系统刚度的讨论144.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度144.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度145 数控系统设计165.1 确定机床控制系统方案165.2 主要芯片配置165.2.1主要芯片选择165.2.2 主要管脚功能165.2.3 EPROM的选用175.2.4 RAM的选用175.2.5 89C51存储器及I/O的扩展185.2.6 8155工作方式查询205.2.7状态查询205.2.8 8155定时功能215.2.9 芯片地址分配225.3 键盘设计225.3.1键盘定义及功能225.3.2 键盘程序设计235.4 显示器设计275.4.1显示器显示方式的选用275.4.2显示器接口285.4.3 8155扩展I/O端口的初始化285.4.4 IP初始化295.4.5 PSW初始化295.5 总体程序控制305.5.1控制流程图305.5.2控制程序305.6 步进电机接口电路及驱动315.7光电隔离电路345.8越界报警电路356 结 论36参 考 文 献37致谢38攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论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高了10倍。这是激光表面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。1.2现实意义激光切割机是光、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。数控激光切割利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短的时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，从而达到切割材料的目的。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。1.3设计任务本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）控制激光切割机床，主要设计对象是XY工作台部件及89C51单片机控制原理图。而对激光切割机其他部件如冷水机、激光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0.01mm/ 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。X向工作台步进电机驱动器控制器步进电机驱动器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和8255，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。3攀枝花学院本科毕业设计 2 机械部分XY工作台及Z轴的设计2 机械部分XY工作台及Z轴的设计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450mm，纵向650mm工作台加工工件最大尺寸（长宽高）：600400200mm工作台最大承载重量：120Kg脉冲当量：0.01mm/pluse进给速度：60平方毫米/min表面粗糙度：0.81.6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:60040050mm，材料为HT200，估重为665N (W1)。设中托座尺寸(长宽高度)为:440110069mm，材料为HT200，估重为1240N（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+1240+250+11763330N2.2 Z轴主轴头系统设计激光切割机对Z轴主轴头要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄及质量，因此，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，主轴头进给速度应大于5m/min。移动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特殊场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。所以在选择传感器时，应注意检测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。因为设计要求加工工件最大高度不超过200mm，所以初选丝杠高度为220mm，参照南京工艺装备厂的产品系列，考虑到尽量减轻主轴头的重量，故具体型号定为FFZD 2504-3/220130。由于重力的作用，螺母不需预紧，所以Z方向的螺母采用单螺母无预紧，使机构更加简化。 图2.1 Z轴主轴头原理机构图39攀枝花学院本科毕业设计 2 机械部分XY工作台及Z轴的设计2.3滚珠丝杠传动系统的设计计算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 2504-3/1050550Y向： FFZD 2504-3/670320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。具体计算如下:2.3.1 强度计算轴向负荷计算公式：式中F 切削力，F=0W工件重量+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 Fa=F+UW=0.0042301=92N激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的Go=（0.2-0.3） Fa=18.4-27.6N对照样本参数,这里的Go非常小。选定导程为4mm的滚珠丝杠副。2.3.2滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为:= tg/tg（+）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2.1）前面已经定v=1m/s 材料选择灰铸铁 HRC45 所以=400 tg=0.0025 =arctg（Ph/d）式中:Ph导程，4mmd丝杠公称直径，27mm则：=arctg（Ph/d）2.91则传动效率 = tg/tg（+）0.953表2. 1 当量摩擦系数f和当量摩擦角滚珠材料锡青铜无锡青铜灰铸铁丝杠表面硬度HRC45其它HRC45HRC45其它相对滑动速度 s m/sfffff0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136175094343433092352172001431361221161020550480450.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206515435094173433092522352172001471401291221090.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310127587245435094003433092522352172001430.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0551027587245435094003433090.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.07010459057586515495094344002.3.3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。具体型号 X向选用GGB20BA2P，2 420-4 Y向选用GGB20AB2P，2 560-4图2.2 直线导轨副2.4 消隙方法与预紧2.4.1消隙方法XY轴在设计的时候采用了精度很高的膜片联轴器，所以不存在如齿轮传动的间隙，采用负间隙的直线导轨，也极好的达到了消隙的目的。而数控激光切割机相对于其他数控机床而言，加工的工件精度要求较低，所以这样的消隙方法完全可以满足加工需要。2.4.2预紧滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有四种。本设计选用“一端固定，一端绞支”的支承方式。按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳：磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。由于本设计是数控激光切割机，精度要求相对较低，所以选用双螺母螺纹预紧，预紧量根据实际调节，本设计要求螺母副装好后，左右串动不超过0.01mm，如图2.3所示。图2.3 螺母副攀枝花学院本科毕业设计 3 步进电机及其传动机构的确定3 步进电机及其传动机构的确定3.1联轴器的选用和校核3.1.1联轴器的选用联轴器种类很多，大多数都已经标准和系列化，所以不需要设计，直接从标准中选用即可。 联轴器类型的选择根据联轴器的类型和特点，联轴器被分为刚性联轴器和弹性联轴器两种： 如表3.1刚性联轴器柔性联轴器(1) 传递转矩大；(2)运转可靠；(3)工作寿命长；(4)对冲击载荷比较敏感。(1)具有缓冲性和吸振性，适于频繁起动和正反转的工作条件；(2)弹性元件比较薄弱，不适于低速和大转矩；(3)可移性是借助于弹性元件的变形实现的，因此，安装误差和工作中轴的变形会加快弹性元件的损坏。固定式刚性联轴器可移式刚性联轴器要求安装精度高和工作中轴的变形小能不同程度地适应两轴的安装误差和工作中的变形表3.1 连轴器分类由于丝杠的轴向载荷几乎为零，而且频繁起动和正反转，加之使用了滚珠螺母副，其转矩很小，所以选用弹性联轴器。 联轴器型号的选择根据激光加工的特点及精度要求，本设计选用膜片联轴器，膜片联轴器的特点为：膜片联轴器的许用补偿量，X，Y都相对最小，虽然其价格相对较高，但对于提高激光切割精度，增加切割效率是最合适的。联轴器具体型号为L646123/RIGIFLEX，其参数见表3.2公称转矩/N.m许用转速/rad轴孔直径d/mm轴孔长度/mmDD1螺栓数量螺栓直径LA润滑脂用量/mL转动惯量/kg. 45001800302028266M864325502.16表3.2膜片联轴器参数对照表3.1.2联轴器的校核由于该联轴器所承受的转动速度不高所以在转速度之上可以不用校核.在轴向上几乎不受力,所以联接螺钉也不用校核。3.2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：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：J=2m=2G/g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：J=RLD/32最后计算可得：J10.110-3Kg. m2J21.3210-3Kg. m2J32.9810-4Kg. m2J41.1410-5Kg. m2Vm=12 m/sD=2 rad/s此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。3.3 步进电机的选用已知脉冲当量为10m/STEP，激光切割机对于加工精度要求相对于其他数控机床要低，所以初选为0.9o/STEP。步进电机上起动力矩的近似计算：M=M1+ M 2 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:M1=Fad/2tg（+）=920.025/2tg（2.91+0.14）=0.062NmM2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：M2=KFaoPh/2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7202C系列，预紧力为Fao2130N。故 M2=0.2(640+130) 0.004/2=0.098 Nm传动比公式为：i= Ph /(360p)= =1，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为：Tq=M/i=360Mp /Ph式中: p =10m/STEP=0.01mm/STEP；M= M1+ M 2= 0.16N=0.9o/STEPq=0.85Ph0.4cm0.953则 Tq=3600.160.01/(0.90.850.4)=1.88Nm 因Tq/TJM=7.4(因为电机为五相运行)。则步进电机最大静转矩TJM=Tq/7.4=0.25 Nm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55BF009型步进电机该电机的最大静止转矩为0.6Nm，转动惯量为210g/cm2攀枝花学院本科毕业设计 4 传动系统刚度的讨论4传动系统刚度的讨论激光切割机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：(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K0，根据支承形式(一端固定，一端绞支)可得K0=EF/3L10 -3(Kgf/mm)式中： E2.0610 -4(Kgf/ mm 2)F754.8mm 2 LLs250 mm则 K02.0610 754.8/(3250)10=20.73Kgf/mm=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：KF0/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 则F0=2300.004=0.92KGF 部件调整时，所需的最小进给量，A=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。攀枝花学院本科毕业设计 5 数控系统设计5 数控系统设计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5.1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5.1 控制系统框图5.2 主要芯片配置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: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。5.2.3 EPROM的选用为简化电路，此处选用2764EPROM (8K*8位)。本设计采用三片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。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：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。5.2.5 89C51存储器及I/O的扩展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。 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下页图5.1。 图5.2 8155结构框图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接地TIMEROUT定时输出 Vcc电源IO/MIO/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内锁存器中。图5.2是以8155为主构成的动态扫描显示与键盘接口电路。8155由单片机8031控制，片选线为P2.0，这时8255各口的地址分别是PA口：100H；PB口：101H；PC口：102H；命令状态口：100H。PA口做动态显示数据输出口，经TTL7407后驱动共阴极LED数码管；7407是开极输出形式，在数据口输出线上必须外加上电阻，本电路中上拉电阻为100。PC口的PC0PC4做显示与键盘的动态扫描口，送出数据采用BCD编码，经TTL74LS04译码驱动输出，供LED数据管扫描驱动和键盘扫描。PB0PB8作键盘数据回送线.本电路中扫描口输出BCD编码，由硬件进行译码。在显示扫描过程中，扫描口PC0PC4依次输出BCD码0到7，PA口输出各位显示数据的段码。在键盘上扫描时，PC0PC4输出07，从PB0PB8依次读取键盘回送数据。当读回的数据取反后全为0时，则无键闭合；若不等于0，则有键闭合，将PB0PB8读回的数据与扫描口输出的数据结合即可得到各键的代码。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5.2。 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。 图5.3 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5.3：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5.4：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5.4 状态寄存器格式D7D6D5D4D3D2D1D004HT7T6T5T4T3T2T1T0T0到T13记数长度M2M1T13T12T11T10T9T8M1、M2是设定定时器的输出方式图5.5 8155定时器方式及输出波形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，3片2764芯片地址分别为0000H-lFFFH，2000H-3FFFH，4000H-5FFFH。6264芯片地址：6000H-7FFFH8155芯片地址(假定未用地址用0表示)/IO0时，8155内部RAM地址范围 E000H-E0FFH/IO1时，端口地址：控制口：E100HPA口：E101HPB口：E102HPC口：E103H定时器低八位：E104H定时器高八位：E105H8255芯片地址: A 口8000H、B口8001H、C口8002H控制口8003H5.3 键盘设计5.3.1键盘定义及功能控制面板上布置5个控制键，30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、I、J”。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。5.3.2 键盘程序设计本设计采用非编码式矩阵式键盘，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5.1键号00H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H功能09NGMFS键号13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH功能DELCOPYIDX单步回零运行SHIFT表5.1 键号键功能对应图5.6 键盘扫描程序流程图图5.7 键盘扫描子程序流程图键盘扫描子程序ORG 0500HSCAN:MOV A,#00HMOV DPTR, #101HMOVX DPTR, AMOV A #3FHMOV DDPTR, #103HMOVX #DPTR, AMOV DPTR, #102HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE3 A, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4NEXT1: ACALL DS20msCLR CMOV R2, #00HMOV R1, #01HLOOP: INC DPTRMOV A,R1MOVX #DPTR, A MOV DOTR, #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,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,5DHEND 5.4 显示器设计5.4.1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，效果与全部显示器持续点亮一样。5.4.2显示器接口为实现显示器动态扫描，对显示器提供字形代码输入及显示位控制，因此显示器接口需有字形和字位控制。89C51P0口输出BCD码，通过驱动器、锁存器输出字形到LED，构成传送电路。图5.8 键盘与显示系统电路5.4.3 8155扩展I/O端口的初始化由上图的硬件连接得到8155初始化程序：8155有关地址寄存器端口地址为:100H 命令字寄存器104H 定时器低字节105H 定时器高字节相应初始化程序为:ORG 0A00HMOV DPTR,#100HMOV A,#7HMOVX R0,AEND5.4.4 IP初始化因为P3.3接行程开关,处于高优先级，所以IP初始化为SETB PX0 SETP PX1CLR PT0CLR PT1CLR PSIE初始化SETB EX0SETB EX1SETB ET0SETB ET1SETB ESCLS ET2