4000数控多工位钻床设计x.y向进给系统回转工作台系统 毕业设计

目录第一章数控机床概述11数控机床简介12数控机床的工作原理与组成33数控技术的发展现状与趋势34我国数控产业现状及发展55本文所做的工作6第二章机械结构选择7第三章机械传动部件设计81切削力的计算82主轴齿轮传动方案确定103主轴结构设计及计算154纵向进给运动的分析及计算185横向进给运动的分析及计算226Z向进给运动的分析及计算257齿轮强度校核288回转工作台运动的分析及计算309齿轮强度校核3310滑动导轨的结构3511导轨及齿轮传动间隙调整分析4112本章小结42第四章数控系统设计431确定机床控制系统方案432单片机型号的选用433存储器的选用、扩展及连接454地址锁存器465键盘与显示接口电路4668255与8031的连接597步进电机接口电路618总程序流程框图649本章小结64第五章总结65参考文献66第一章数控机床概述11数控机床简介111数控机床的产生及其重要性随着科学技术的飞跃发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加。同时，随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件高效和高质量的加工要求。数字控制机床，就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而生产的。1947年，美国PARSONS公司为了精确制造直升机翼、桨叶和直升机框架，开始探讨用三坐标曲线数据来控制机床的运动，并进行实验，加工飞机零件。1949年，为了能在短时间内制造出经常变更设计的零件，美国空军（U。S。AIRFORCE）与PARSONS公司签定了制造第一台数控机床的合同。1951年，美国麻省理工学院MIT（MASSACHUSETTSINSTIUTEOFTECHNOLOGY）承担了这一项目。1952年，MIT伺服机构研究所用实验室制造的控制装置和辛辛那提（CINCINNATIHYDROTEL）公司的立式铣床成功地实现了三轴联动数控运动，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。随着不断的改进与完善，1955年，NC（数控）机床开始用于工业加工。数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在40多年中，数控技术的发展非常迅速，使制造技术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，数控技术也会在绘图仪、坐标测量仪、激光加工与线切割机等机械设备中得到广泛的应用。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。从20世纪50年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品。1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。经过多年的不断努力，数控产业取得了长足的发展国产数控系统基本上掌握了关键技术，可靠性已有很大提高；新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世纪80年代中期水平，部分达到国际20世纪90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床；技术上也取得很大突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换刀、柔性制造等技术，为国产数控机床的下一步发展奠定了基础。虽然在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在迅速缩小。数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产效率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性化自动化水平不断提高。数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。美国与西方各国在高档数控机床与技工技术方面，一直通过巴黎统筹委员会对我国进行封锁限制，应为许多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。如著名的“东芝事件”，即是由于前苏联利用从日本获得的大型五坐标数控铣床，用其制造出具有复杂曲面的潜艇的噪声大为降低，西方的反潜艇设备顿时失效，对西方构成了重大威胁。我国的航空、能源、交通等行业也从西方引入了一些五坐标机床等高档数控设备，但其使用受到国外的监控和限制，不准用语军事用途的零件加工。特别是1999年美国的考克斯报告，其中一项主要内容就是指责我国将从美国购买的二手数控机床用于军事工业，这一切均说明数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。112数控机床应用范围及特点目前的数控加工主要应用于以下两方面一方面的应用是常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。其目的在于提高加工效率，避免认为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件一般形状较简单，实现上述目的的关键一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速精加工能力、加工过程的可靠性与设备的操作性能，另一方面在于合理的生产组织、计划调度和工艺过程安排。另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机床品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动）外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点高柔性、生产效率高、加工精度高、加工质量稳定可靠、自动化程度高、能完成复杂型面的加工、有利于生产管理的现代化。12数控机床的工作原理与组成121数控机床的工作原理数控机床是数字信息进行控制的机床。即凡是用代码化和数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工基本过程见图1所示计算机数字控制装置（CN装置）通信线路编程器CAD/M系统上位机输出装置输入装置程序清单信息载体机床速度控制单元位置检测器进给电动机可编程控制器（PLC）主轴控制单元主轴电动机图1、计算机数字控制（CNC）系统框图数控机床加工零件时，首先编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换，工件夹紧、松开和冷却、润滑的启、停等动作，使刀具与其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度等符合要求的零件。122数控机床的组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床来讲，它由信息输入装置、数控装置、伺服系统、机床本体以及复杂装置组成。13数控技术的发展现状与趋势近十几年来，数控机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步着高精度、多功能、高速化、高效率、，正向复合加工功能、智能化等方向迈进，明显地反映出时代的特征，其主要表现为以下几方面。131精度化当代工业产品对精度提出了越来越高的要求，像仪表、钟表、家用电器等都有相当高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等，这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。因此，加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。132高速度化提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一，而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切学速度和减少辅助时间。随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大为提高。133高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力，当代产品的多样化和个性化，对机床提供了更高的柔性加工要求。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。不仅中、小批量的生产方式在努力提高柔性化能力，就是在大批量生产方式中，也积极向柔性化方向转向。如出现了可编程控制器（PLC）控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效率加工设备，柔性加工单元（FMC），柔性制造系统（FMS）以及介于传统自动线与FMS之间的柔性制造线（FTL）。134高自动化高自动化是指在全部加工过程中尽量减少“人”的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。自20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”的自动化（单台数控机床）发展到“线”的自动化（柔性制造车间），结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化，并出现了FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。尽管由于这种高自动化的技术还不够完备。投资过大，回收期较长，而提出“有人介入”的自动化观点，但数控机床的高自动化并向FMC，FMS集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。数控机床的自动化除进一步提高其自动编程、上下料、加工等自动化程度外，还在自动检索、监控、诊断、自动对刀、自动传输等方向进一步发展。135复合化复合化包含了工序复合化和功能复合化。在一台数控设备上能完成多工序切削加工（如车、铣、镗、钻等）的加工中心，打破了传统的工序界限和分开加工的规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的镗铣加工中心，不仅一次装夹便可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体件五个面粗、精加工的全部工序。此外，还出现了与车削或磨削复合的加工中心。136智能化数控技术的一个重要发展趋势是加工过程的智能化。带有自适应控制功能的控制系统，可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加工过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工表面质量等目的。刀具破损监控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作状态。以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统被用于指导加工。137网络化为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能也日趋重要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源和信息共享，适应未来车间的面向任务的定单的生产发展模式，使得底蹭生产控制系统的集成更加简便有效。在生产企业之间，数控系统的网络化功能可以更好地适应敏捷制造（AM）等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过系统的网络功能进行远程诊断服务。138高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标，数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性的重要的量化指标是平均无故障工作时间（MTBF），数控系统的MTBF已由20世纪80年代的10000H以上，提高到90年代的30000H以上，而数控整机的MTBF也从20世纪80年代的100200H，提高到现在的500800H。除上述发展趋势外，近年来还出现了全新结构的数控机床，最早在美国IMTS94机床博览会上，出现了被称为“六条腿”的机床。这种新型结构机床的六条腿能自由伸缩，没有导轨和拖板，也称为虚轴机床（VIRTUALAXISMACHINE）。其精度相当于测量机，比传统机械加工中心高210倍；刚度为传统机械加工的5倍；对零件轮廓的加工效率是传统加工中心的510倍。这种机床结构设想是德国STEWART1962年提出的，称之为数学造型机床，今天借助计算机技术的进步得以实现。14我国数控产业现状及发展20世纪80年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主版权数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，产业化规模有了较大幅度的提高，形成了十几个普及型数控机床的产业化基地和开发中心，数控机床的年销量从“八五”末期底000多台发展到2000年的14万多台，机床的产值数控化率从“八五”的12增长到2000年的近30，一些重点企业已达到70以上，使高档数控机床的进口幅度减少，突破了西方在关键设备方面对我国的进口限制，国产数控机床“八五”期间的市场占有率只有23，到2000年已达到50。数控机床新开发品种300个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技术上也取得了突破，如高速主轴制造技术（12000R/MIN1800R/MIN）、快速进给（60M/MIN）、快速换刀（15S）、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床的发展奠定了基础。当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过度的关键时期，也是由封闭型数控系统向开放型系统过渡的时期。从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所等可实现批量生产的产业化基地。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平，以开发出具有自主知识产权的基于PC机的开放式智能化数控系统。数控机床的可靠性指标有大幅度提高。我国数控机床的可靠性指标（MTBF）一直是其市场信誉及市场竞争力的主要问题。“九五”时期，我国加工中心的MTBF已达到400H，数控车床从平均200H提高到平均450H；数控系统从5000H提高到10000H以上，最高达到20000H。曾长期捆扰我国，并受到西方国家封锁的多坐标联动数控系统和数控技术已渐成熟，并进入生产应用阶段。“九五”期间，我国生产的五轴联动及五面加工机床已有多个品种，并在军工、航天、船舶等领域里应用，有效地打破了国外对我国进口此类设备的限制。15本文所做的工作151完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可行的方案152完成机床的机械结构设计计算与电气控制系统设计，初步完成控制系统的软硬件设计；提交论文及机械系统的装配与关键零部件的相应图纸及数控系统的硬件图，同时提交电子文档153编写设计计算说明书。第二章机械结构选择经过毕业设计给出的题目要求和数据要设计加工工件的最大直径为10MM，且其工作行程为30030070的数孔多工位钻床。根据这一特点表明要设计的机床是一台中小型的数控钻床，而且是用于一般的机加工中。所以设计这样的机床考虑其经济性、合理性应该是最为重要的和成为设计的主导思想查相关数控机床资料和数控机床的市场调查，选择确定合理的机床结构很重要。传统的数控机床结构包括立式、卧式两大类。立式机床的主轴定位多数是相同的，它的优点在于机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工工件较小及加工尺寸小的场合。而卧式数控机床的主轴结构及主轴箱布局可为单面悬挂主轴箱和主轴箱位于立柱对面内。后者的优点在于主轴箱的自重不会使立柱产生弯曲变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小。这样就相当于提高了机床的刚度。故要是采用对数控机床结构设计成为卧式结构的话就应该选用主轴箱位于立柱内的布局形式。然而一般的卧式数控机床的加工尺寸都很大，对于我们要设计的机床加工零件的尺寸是很小的仅为最大加工为10MM的孔。从经济的角度上来说我们设计的机床采用立式的结构更为节省空间，节省材料。同时机床看上去更为小巧，然而完全可以达到要求加工范围的要求。包括此类机床的其它特点都很满足我们要设计机床的要求。所以，我们通过对数控机床结构的了解和认识我们认为对于我们即将设计的机床，采用立式的结构是完全可行的。方案的确定结果是数控多工位立式钻床。第三章机械传动部件设计由于电机工作时，其负载阻力有切削力、摩察阻力、惯性力，只有克服这些阻力，才能正常启动及运行。因此要对进给系统进行必要的设计及计算。31切削力的计算311、要求加工的最大孔为D010MM,刀具为高速钢麻花钻（以磨损）。工件材料为45井钢（B0638GPA）；灰铸铁190HBS。加工精度为IT8IT10级以下孔初加工。312、确定切削力和扭矩3121、计算34纵向进给运动的分析及计算35横向进给运动的分析及计算351、横向进给负载分析及计算3511、摩擦阻力当钻床的工作台与导轨间的相对运动为滑动摩擦，取摩擦系数摩擦10阻力应等于正压力乘摩擦系数。正压力应包括轴向力及工作台之重力。工作台的重量为400KG。故可算出起摩擦阻力为F摩（4001175）015175N36Z向进给运动的分析及计算361、Z向进给负载分析及计算38回转工作台运动的分析计算回转工作台是靠蜗杆蜗轮传递运动的，其传动比为I30蜗轮蜗杆的计算为381、初选D1/A值当量摩擦系数设VS4M/S7M/S查表136取大值V003选D1/A值在图1311的I30线上选取A点，查得D1/A025R130Z12108839滑动导轨的结构由金属切削机床设计，导轨的截面形状与组合选择为双矩形导轨（数控钻床用滑动导轨贴塑就可以了，可不用滚动导轨）这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高，加工、检验和维修都方便，特别是数控机床双矩形、动导轨贴塑料软带，是滑动导轨的主要形式。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整（采用窄式组合）。391、X轴向移动导轨的预选根据以知条件和加工要求，预选导轨机床坐标如图5所示图5、数控钻床坐标系机械毕业设计课题名数控多工位钻床设计XY向进给系统回转工作台系统说明书DOC66页24000字毕业设计任务书DOC此毕业设计已通过答辩，详细计算，完整说明书和全套设计图纸请联系扣扣叁贰伍柒捌肆壹陆零肆，玖玖捌柒贰壹捌肆310导轨及齿轮传动间隙调整分析3101、导轨的分析对导轨的要求主要有要有一定的导向精度；要有良好的耐磨性，足够的刚度；要减少热变形影响；要使运动轻便平稳和一定的工艺性。因此，在考虑到要求加工精度为7级，且钻床为一般机床，所以可以选用贴塑的矩形滑动导轨。由于机床上的运动部件都是沿导轨而作运动，则导轨的磨损就非常大，所以要采用一系列措施来提高导轨耐磨性。其中除了选用合适材料、热处理、润滑外，还应该采用保护装置，即采用防护罩，使机床导轨不外露，这样直接能防止切屑及灰尘等落到导轨上。3102、齿轮传动间隙调整分析由于要求达到一定的加工精度及表面粗糙度，所以要求齿轮啮合时要无侧隙啮合，且转动灵活，因此要求对齿轮进行间隙调整。因双片可调式薄齿轮错齿调整法能够调整齿侧隙，使加工精度及表面粗糙度达一定要求，所以可采用该方法调整以消除齿轮间隙。311、本章小结完成了机械传动部件设计。单片机I/O口扩展驱动器光电隔离功率放大X轴电机纵向丝杠存储器扩展驱动器急停、STOP、清零等功能按钮主轴脉冲发生器龙套纵横等轴限位继电器机械手控制电路电机主轴Y轴电机横向丝杠Z轴电机Z向丝杠W轴电机蜗杆蜗轮第四章数控系统设计41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9所示图图9、控制系统框图42单片机型号的选用按照要求，此控制系统只对进给系统的两个轴进行控制，而且是开环系统，因此控制较为简单；再加上键盘和显示器的控制，也不复杂，应采用较为经济的单片机。由单片机原理及其接口技术查得INTEL公司的8031最为经济，因此选用8031单片机。8031单片机有P0P3四个8位口，P0可驱动8个TTL门电路，16根地址线由它经地址锁存器（74LS373）提供第8位A0A7，而高8位A8A15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根独立的控制线键盘显示器刀库（铣床）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2761，6261作为I/O和存储器扩展芯片，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。421、单片机引脚及其功能4211、电源线2根VCC编程和正常操作时的电源电压，接5VVSS地电平4212、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。422、I/O口共有P0P1P2P3四个8位口，32根I/O线，其功能4221、P00P07AD0AD7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。4212、P10P17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。4223、P20P27A8A15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A8A15。4224、P30P37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。423、控制线4231、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。4232、EA/VPPEA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。4233、ALE/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。4234、RST/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。424、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1212MHZ间任选，电容在530PF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P14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。43存储器的选用、扩展及连接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。程序存储器选用INTER2764，它是一种5V的8KUVEPROM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。8031对片外RAM和ROM的连接如图10所示其扩展连线如下8031和2764、6264的连线说明由于2764和6264的存储容量都为8KB，故8031的地址线P24P20直接和2746以及6264的A12A8相连，P07P00经74LS373地址锁存器输出后接到2764和6264的A7A0，ROM和RAM各13条。片选地址线共3条，其中P25、P26、P27通过译码器分别与2764（1）、2764（2）、6264、8155、8255相连。因此，它们的地址分配如下8031分给ROM（1）（2764）的地址范围是2000H3FFFH0图10、8031对片外RAM和ROM的连接8031分给ROM（2）（2764）的地址范围是0000H1FFFH8031分给RAM（6264）的地址范围是2000H3FFFH8031分给（8155）的地址范围是00HFFH8031分给（8255）的地址范围是4000H4003H44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。45键盘与显示接口电路在单片机控制系统中，键盘与显示系统是不可缺少的部件，它们由硬件电路和软件程序两部分组成。如图所示，这是键盘与显示系统常用的电路。451、键盘接口方式行列方式行列方式是用N条I/O线组成行输入口，M条I/O线组成列输入口，在行列线的每一个交点上，设置一个按键。读键值方法一般采用扫描方式，即输出口按位轮换输出低电平，再从输入口读入键信息，最后通过软件方法获得键码。这种方式占用I/O线较少，因此，在单片机应用系统最为常用。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，单片机控制系统采用动态显示。接PA01234567驱动器接图11、键盘与显示系统电路这里用8155来实现键盘、显示的接口控制。452、8155的引脚及其功能8155的结构框图及引脚排列见12、13图图12、8155结构框图8031引脚排列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片选图13、8031引脚接线图其中IO/M是内部RAM和I/O口的选择线，IO/M0（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/M1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11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P20，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。4538155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148155I/O有四种工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符号说明如下AINTRA口中断，请求输入信号，高电平有效。BINTRB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）。图14、命令寄存器格式ASTB（BSTB）A口（B口）设备选通信号输入线，低电平有效。454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15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。455、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16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。但何时读都可以图15、状态寄存器格式图16、8155定时器方式及输出波形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。456、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ORG0A00HMOVDPTR,100HMOVA,7HMOVXR0,AEND457、IP初始化因为P33接行程开关,处于高优先级，所以IP初始化为SETBPX0SETPPX1CLRPT0CLRPT1CLRPS458、IE初始化SETBEX0SETBEX1SETBET0SETBET1SETBESCLSET2SETBEA459、PSW初始化MOVPSW00H4510、TCON初始化SETBIT0SETBIT1SETBIE0SETBIE1SETBTR0SETBTR14511、TMOD初始化TMOD工作在方式2，所以初始化为MOVTMOD66H4512、键盘显示电路工作原理图键盘与显示系统电路中画出了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。45121、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。45122、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。45123、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。45124、其它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。图17、键盘按键分布图R4R3R2R1R0/PROM/MOVE/RAM/BPL5DISP/MEMREGDUMP/LASTLOAD/NEXTL47/IP8/P19/P3AMONL34/IE5/SBUF6/SCONB/TMODMONL21/PC2/T03/T1C/PCONSTEPL10/DPTRF/SPE/PSWD/TCONEXECL0键值表关键字键值行值列值按键0FH00H01H0FH01FH01H02H0FH117H02H02H17H21BH03H02H1BH32FH04H04H0FH427H05H04H17H52BH06H04H1BH63FH07H08H0FH737H08H08H17H83BH09H08H1BH93DH0AH08H1DHA2DH0BH04H1DHB1DH0CH02H1DHC0DH0DH01H1DHD0BH0EH01H1BHE07H0FH01H17HF0EH10H01H1EHEXEC1EH11H02H1EHSTEP2EH12H04H1EHMON3EH13H08H1EHMON4FH14H10H0FHDISP47H15H10H17HREG4BH16H10H1BHDUMP4DH17H10H1DHLOAD5FH18H20H0FHPROG57H19H20H17HMOVE5BH1AH20H1BHRAM5DH1BH20H1DHBP返回监视行值左移一位扫完一遍列值列值窜键（）01加“窜键标志加被按键列值3在本行对口行扫描延时20抖动窜键标志送有键按下（列值3）全“1（FH）送C口关显示图18、键盘扫描程序流程图查到关键字键值送求键值子程序行序号加1键值计数器加1送行序号初值0送行值右移一位行值行序号左移四位行列值低四位相加得关键字显示子程序键盘扫描子程序ORG0500HSCANMOVA,00HMOVDPTR,101HMOVXDPTR,AMOVA3FHMOVDDPTR,103HMOVXDPTR,AMOVDPTR,102HMOVXA,DPTRANLA,1FHCJNE3A,1FH,NEXT1SJMPNEXT4NEXT1ACALLDS20MSCLRCMOVR2,00HMOVR1,01HLOOPINCDPTRMOVA,R1MOVXDPTR,AMOVDOTR,8002HMOVXA,DPTRANLA,1FHCJNEA,1FH,NEXT2SJMPNEXT3NEXT2INCR2CJNER2,01H,NEXT4MOVR4,AMOVA,R1MOVR3,ANEXT3MOVA,R1RLCAMOVR1,ACJNEA,40H,LOOPAJMPKCODENEXT4CLRARETEND求键值子程序ORG0560HKCODEMOVR1，00HMOVA，R3CLRCLOOPRRCAJZNEXT1INCR1SJMPLOOPNEXT1MOVA，R1SWAPAMOVR1，AMOVA，R4ANLA，0FHORLA，R1MOVB，AMOVDPTR，KTABMOVR0，00HCLRAREPEMOVCA，ADPTRCJNEA,B,NEXT2SJMPRESVNEXT2INCR0MOVA,R0SJMPREPERESVMOVA,R0RETKTABDB0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27HDB2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DHDEB1DH,0DH,0BH,07H,03H,1EHDB23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DHDB5FH,57H,5BH,5DHEND4513、显示器的控制单片机应用系统中，常采用八段LED（发光二极管）作为显示器件，其成本低、配置灵活、与单片机接口方便LED显示器接口方式这里LED显示器是指发光二极管和发光二极管构成的LED数码管、LED点阵显示器等。LED显示器显示接口按驱动方式可分成静态显示和动态显示两种显示方式，动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成；按CPU向显示器接口传送数据的方式则可分成并行传送接口和串行传送接口两种显示数据传送方式。静态显示时，除变更显示数据期间外，各显示器均处于通电显示状态，每个显示器通电占空比约为100。静态显示的优点是显示稳定，亮度高；缺点是占用硬件电路（如I/O口、驱动器等）多。动态显示时，N个显示器共占用一个显示数据驱动器，每个显示器通电占空比时间为1/N。动态显示的优点是节省件电路（如I/O口、驱动器等）；缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多，与软件扫描相比，采用硬件扫描时将增加硬件成本。除此之外，动态显示位数较多时，显示器亮度将受到影响。所以选择动态显示其程序清单如下MOVR3,7FHMOVA,R3LD0MOVDPTR,60O0HMOVXDPTR,AINCDPTRMOVA,R0ADDA,0DHMOVCA,APCMOVXA,DPTR,AACALLDL1INCR0MOVA,R3JNBACC0,LD1RRAMOVR3,AAJMPLD0LD1RETDSEGDB3FH,06H,5BH,4FH,“0”“1”“2”“3”66H,6DH,7DH,07H,“4”“5”“6”“7”7FH,6FH,77H,7CH,“8”“9”“A”“B”39H,5EH,79H,71H“C”“D”“E”“F”DL1MOVR7,02HDLMOVR6,0FFHDL6DJNZR6,DL6DJNZR7,DLRET468255与8031的连接461、8255内部结构和引脚功能4611、内部结构8255内部由四部分电路组成。它们是A口、B口和C口，A组控制器和B组控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑。46111、A口、B口和C口A口、B口和C口均为8位I/O数据口，但结构略有差别。A口由一个8位数据输出缓冲/锁存器和一个8位数据输入缓冲/锁存器组成，B口和C口各有一个8位数据输出缓冲/锁存器和一个8位数据输入缓冲器（无输入数据锁存器，故B口不可在模式2下工作）组成。在使用功能上，A口、B口和C口三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入/输出数据或控制信息。但在MODE1和MODE2方式下，A口和B口常作为数据口，用于传输I/O数据；C口为控制器，高四位属于A口，传送A口上外设的控制/状态信息，低四位属于B口，传送B口所需的控制/状态信息。46112A口控制器和B组控制器都由控制字寄存器和控制逻辑组成。控制字寄存器接收CPU送来的控制字，用来决定8255A的工作模式，控制逻辑用于对8255A工作模式的控制。A组控制字寄存器控制A口和C口上半部（PC7PC4），B组控制器控制B口和C口下半（PC3PC0）。46113数据缓冲器这是一个双向8位缓冲器，用于传送MCS51和8255A间的控制字、状态字和数据字。46113读写控制逻辑这部分电路可以接收MCS51送来的读写命令和选口地址，用于控制对8255A的读写。4612引脚的功能8255A有401条引脚，采用双列直插式封装。46121数据总线（8条）D7D0为数据总线，用于传送CPU和8255A间的数据、命令和状态字。46122控制总线（6条）RESET复位线，高电平有效。/CS片选线，低电位有效。若/CS为高电平，则本8255A不被选中工作；若/CS为低电平，则8255A检测到后处于工作状态。/RD和/WR/RD为读命令线，/WR为写命令线，皆为低电平有效。若/RD为高电平（/WR必为低电平），则本片8255A处于写状态；若/RD为低电平（/WR必为高电平），则所选8255A处于读状态。4613、A0和A1地址输入线，用于选中A口、B口、C口和控制字寄存器中哪个工作。46131、并行I/O总线（24条）这些总线用于和外设相连，工分三组。PA7PA0双向I/O总线，PA7为最高位，用来传送I/O数据，可以设定为输入或输出方式，也可设定为输入/输出双向方式，由控制字决定。PB7PB0双向I/O总线，PB7为最高位，用来传送I/O数据，可以设定为输入或输出方式，也由控制字决定。PC7PC0双向数据控制总线，PC7为最高位，用来传送I/O数据或控制/状态信息，可以设定为输入或输出方式，也可设定为控制/状态方式，由控制字决定。若8255A处于模式0，则PC7PC0为I/O数据总线；若8255A处于模式2或模式2，则PC7PC0作为控制/状态线用。46132、电源线（2条）VCC为5V电源线，允许变化10；GND为地址462、8155扩展I/O端口的初始化8255有关地址寄存器端口地址为4000H命令字寄存器相应初始化程序为ORG0AA0HMOVDPTR,4000HMOVA,8FHMOVXR0,AEND47步进电机接口电路根据数控设计的经济性的要求以及该数控机床是开环控制的，因此，采用步进电机。步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。它的硬件连接如下图19接815TIM/OU（2）功率放大电路光电耦合电路（1）功率放大电路光电耦合电路（1）光电耦合电路功率放大电路向步进电机向步进电机向步进电机图19、硬件连接图单片机实现步进电机控制主要在于脉冲分配，实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种软件法和硬件法。这里通过单片机发出信号经过环形分配器驱动放大直接控制，需要采用软件实现脉冲分配。横向进给采用五相十拍步进电机，五相十拍工作方式通电换相的正序为ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB，共有10个通电状态。如果P14P10输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P17P15三相六拍步进电机，设为1（即五相十拍步进电机工作，三相六拍步进电机不工作），控制