畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告書(shū)
課題名稱 數(shù) 控 十 字 滑 臺(tái) 的 設(shè) 計(jì)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
院（系）、專業(yè)
指導(dǎo)教師
一、課題的來(lái)源、目的意義（包括應(yīng)用前景）、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
（1）課題的來(lái)源：隨著制造業(yè)的發(fā)展，人們深刻的感受到數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中的地位是越來(lái)越重要，雖然近幾年我國(guó)組合機(jī)床的技術(shù)在不斷的發(fā)展，然而組合機(jī)床通用部件中的大型滑臺(tái)，至今仍主要是單坐標(biāo)的滑臺(tái)。我們?cè)趯?duì)一些X－Y工作臺(tái)的研究調(diào)查中發(fā)現(xiàn)目前的簡(jiǎn)易數(shù)控控制系統(tǒng)基本上是基于普通單片機(jī)，顯示為L(zhǎng)ED數(shù)碼管的系統(tǒng)，操作很不方便而且通用性不強(qiáng)。為此，本課題此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了通用的2軸半數(shù)控控制器。其基本思想是采用最新的微處理技術(shù)和集成電路技術(shù)，提高系統(tǒng)集成度，從而提高可靠性，降低成本，減小體積。它具有良好的人－機(jī)交互界面，滿足一般2軸半數(shù)控系統(tǒng)的需要。（X－Y工作臺(tái)是指能分別沿著X向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)）
（2）目的意義：本文通過(guò)對(duì)X－Y工作臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的共性和關(guān)鍵的技術(shù)。該數(shù)控十字滑臺(tái)可靈活用于銑床和鉆床的數(shù)控改造，而且改造簡(jiǎn)單方便，技術(shù)難度不大，可廣泛應(yīng)用。
（3）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀：從上世紀(jì)80年代起，機(jī)床制造業(yè)的發(fā)展雖有起伏，但對(duì)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床一直給予較大的關(guān)注。經(jīng)過(guò)“九五”數(shù)控車床和加工中心（包括數(shù)控銑床）的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的形成，所生產(chǎn)的中檔普及型數(shù)控機(jī)床的功能、性能和可靠性方面已具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但在中、高檔數(shù)控機(jī)床方面，與國(guó)外一些先進(jìn)產(chǎn)品相比，仍存在較大差距，這是由于歐美日等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家于80年代先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)進(jìn)程，其中一些著名機(jī)床公司致力于科技創(chuàng)新和新產(chǎn)品的研發(fā)，引導(dǎo)著數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展，如美國(guó)英格索爾公司和德國(guó)惠勒喜樂(lè)公司對(duì)用于汽車工業(yè)和航空工業(yè)高速數(shù)控銑床的發(fā)展，日本牧野公司對(duì)高效精密加工中心所作的貢獻(xiàn)，德國(guó)瓦德里希公司在重型龍門(mén)五面加工銑床方面的開(kāi)發(fā)，以及日本馬扎克公司研發(fā)的車銑中心對(duì)高效復(fù)合加工的推進(jìn)等等。相比之下，我國(guó)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床產(chǎn)品在技術(shù)上都處于跟蹤階段。
基于這一現(xiàn)實(shí)，為了加速振興我國(guó)的機(jī)床制造業(yè)，當(dāng)前宜加強(qiáng)如下五方面的研究和發(fā)展工作：(1)以高速化為先導(dǎo)，提高數(shù)控機(jī)床的綜合性能。(2)加快數(shù)控機(jī)床向高效柔性化和高精化發(fā)展的步伐，推進(jìn)mm級(jí)精度機(jī)床工程的規(guī)劃和實(shí)施。(3)加強(qiáng)發(fā)展多功能復(fù)合加工的數(shù)控機(jī)床來(lái)提高單件和中小批量生產(chǎn)的加工精度和高效柔性化。(4)對(duì)于中大批量生產(chǎn)、發(fā)展快速重組制造系統(tǒng)(Rapidly Reconfigurable Manufacturing System簡(jiǎn)稱RRMS)和可重構(gòu)機(jī)床(Reconfigurable Machine Tool簡(jiǎn)稱RMT)將是一個(gè)合理的解決方案。(5)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)制造單元以適應(yīng)數(shù)字化企業(yè)的構(gòu)建。
二、課題研究的主要內(nèi)容、研究方法或工程技術(shù)方案和準(zhǔn)備采取的措施
（1）主要內(nèi)容：隨著制造業(yè)的發(fā)展，人們深刻的感受到數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中的地位是越來(lái)越重要，雖然近幾年我國(guó)組合機(jī)床的技術(shù)在不斷的發(fā)展，然而組合機(jī)床通用部件中的大型滑臺(tái)，至今仍主要是單坐標(biāo)的滑臺(tái)。本課題設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的X-Y型工作臺(tái)（X－Y工作臺(tái)是指能分別沿著X向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)）。通過(guò)對(duì)X-Y型工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制電路接口的設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中的共性和關(guān)鍵技術(shù)。
（2）工程技術(shù)方案及措施：機(jī)械傳動(dòng)方面，設(shè)計(jì)時(shí)仍采用的傳統(tǒng)方式。一軸配備一對(duì)減速齒輪，選滾珠螺母副，軸承支撐。結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但可以滿足強(qiáng)度各方面的要求，而且所有零部件價(jià)格便宜訂購(gòu)方便,這樣就減小了生產(chǎn)的難度。
由于在設(shè)計(jì)要求中明確指出此工作臺(tái)為數(shù)控裝置，有獨(dú)立的數(shù)控操作和控制系統(tǒng)，這就對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制提出了要求，在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選擇步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，采用單片機(jī)控制，這樣就能滿足設(shè)計(jì)所提出的要求。
該數(shù)控十字滑臺(tái)可靈活用于銑床和鉆床的數(shù)控改造，而且改造簡(jiǎn)單方便，技術(shù)難度不大，可廣泛應(yīng)用。
三、現(xiàn)有基礎(chǔ)和具備的條件
控制工程實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)樓215室，主要儀器： PT數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)1臺(tái)，XY軸步進(jìn)數(shù)控工作1臺(tái)，四軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)2臺(tái)，液壓PLC控制系統(tǒng)，機(jī)械手控制系統(tǒng)，D/A和A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，MCS-51主機(jī)板1套，直流數(shù)字安培表，直流數(shù)字毫安表，指針式交流電流表。提供中國(guó)期刊網(wǎng)、提供超星數(shù)字圖書(shū)館有關(guān)圖書(shū)，萬(wàn)芳數(shù)據(jù)資源庫(kù)，讀秀知識(shí)庫(kù)，CNKI數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)。
四、總的工作任務(wù)，進(jìn)度安排以及預(yù)期結(jié)果
工作任務(wù)和預(yù)期結(jié)果：本文通過(guò)對(duì)X－Y工作臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設(shè)計(jì)，了解機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的共性和關(guān)鍵的技術(shù)。
進(jìn)度安排：
2006.12.20 ~ 12.31：選定課題題目交給指導(dǎo)老師，通過(guò)老師綜合分析和思考后，最后確定論文題目。
2007.2.20 ~ 2.28： 根據(jù)指導(dǎo)老師下達(dá)的畢業(yè)論文任務(wù)書(shū)，確定論文的主要內(nèi)容并寫(xiě)好開(kāi)題報(bào)告，交給指導(dǎo)老師。
2007.3.1 ~ 3.5： 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)并查閱相關(guān)資料，確定設(shè)計(jì)方案。
2007.3.6~ 5.16： 在現(xiàn)有基礎(chǔ)條件下，定期和指導(dǎo)老師聯(lián)系，進(jìn)行課題論文的編寫(xiě)，完成初稿。
2007.5.16 ~ 5.22： 根據(jù)指導(dǎo)老師的修改意見(jiàn)修改論文，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的論文格式打印除論文修改稿，
并于22前交給指導(dǎo)老師。
2007.5.23 ~ 5.28： 通過(guò)指導(dǎo)老師審定，畢業(yè)論文按要求設(shè)計(jì)完畢。
2007.6.7~6.10： 畢業(yè)論文答辯。
五、指導(dǎo)教師審查意見(jiàn)
指導(dǎo)教師（簽名）
年 月 日
六、教研室審查意見(jiàn)
教研室主任（簽名）
年 月 日
七、院（系）審查意見(jiàn)
院（系）主任（簽名）
年 月 日
備 注
摘 要
隨著制造業(yè)的發(fā)展，人們深刻的感受到數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中的地位是越來(lái)越重要。本文結(jié)合機(jī)電一體化的需要，設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的X-Y型工作臺(tái)（X－Y工作臺(tái)是指能分別沿著X向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)）。通過(guò)對(duì)X-Y型工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制電路接口的設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中的共性和關(guān)鍵技術(shù)。這種工作臺(tái)通常與整機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，其形狀，尺寸，結(jié)構(gòu)因機(jī)器類型不同而有較大差異，但其工作原理有著共同點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：X-Y數(shù)控十字滑臺(tái)；機(jī)電一體化；單片機(jī)
Abstract
Along with manufacturing industry development，people's profound feeling numerical control engine bed in production status is more and more important. Combine mechanical-electrical integration’s 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 mechanical’s 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 錄
1 緒論 1
1.1數(shù)字控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 1
1.2我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展情況 2
1.3數(shù)控機(jī)床中十字滑臺(tái)的設(shè)計(jì) 2
2 機(jī)床改造總體方案設(shè)計(jì) 4
3 確定機(jī)械傳動(dòng)改造方案 5
3.1 設(shè)計(jì)原始參數(shù) 5
3.2 確定切削用量 5
3.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的切削負(fù)載分析及計(jì)算方法 5
3.3.1、各個(gè)方向的分力 5
3.3.2、摩擦阻力 5
3.3.3、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 6
3.3.4、絲杠摩擦阻力矩的計(jì)算 6
3.3.5、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm的計(jì)算 6
3.3.6、起動(dòng)慣性阻力矩的計(jì)算 6
3.3.7、步進(jìn)電機(jī)輸出軸總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 6
3.4 步進(jìn)電機(jī)的匹配選擇 7
3.5 滾珠絲杠的選擇與校核 7
3.5.1、工作原理及結(jié)構(gòu) 7
3.5.2、滾珠絲杠副的特點(diǎn) 7
3.5.3、承載能力的校核 8
3.5.4、壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 8
3.5.5、剛度驗(yàn)算 8
3.6 齒輪的校核計(jì)算 9
3.7 軸承的選擇與校核 12
3.8 導(dǎo)軌的選擇 13
4 控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì) 14
4.1 確定控制系統(tǒng)方案 14
4.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 14
4.2.1、單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 14
4.2.2、單片機(jī)引腳及其功能 15
4.2.3、控制線 15
4.3 單片機(jī)的選擇 16
4.4 存儲(chǔ)器的選用與擴(kuò)展 16
4.5 存儲(chǔ)器的選用及連接 16
4.6 地址鎖存器 17
4.7 鍵盤(pán)與顯示電路及其程序 18
4.7.1、8155工作方式設(shè)定 19
4.7.2、狀態(tài)查詢 20
4.7.3、8155定時(shí)功能 20
4.7.4、鍵盤(pán)顯示電路工作原理 22
4.8 步進(jìn)電機(jī)接口電路 29
5 總結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
致謝 34
1 緒論
1.1數(shù)字控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展
最早采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，是在20世紀(jì)40年代提出的。當(dāng)時(shí)美國(guó)北密執(zhí)安的一個(gè)小型飛機(jī)葉片輪廓樣板時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)葉片輪廓的加工路徑進(jìn)行了處理，并考慮了刀具對(duì)加工路徑的影響，使加工精度達(dá)到±0.0381mm。以當(dāng)時(shí)的水平來(lái)看，是相當(dāng)高的。
1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出一套實(shí)驗(yàn)性數(shù)字控制系統(tǒng)，并把它裝在一臺(tái)數(shù)字立式銑床上，成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)。這臺(tái)數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，是數(shù)控機(jī)床的第一代。但是這臺(tái)機(jī)床畢竟是一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性機(jī)床，到了1954年11月，在帕爾森專利的基礎(chǔ)上，第一臺(tái)工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國(guó)本迪克公司生產(chǎn)出來(lái)的。
1959年，電子行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路版，從而使數(shù)控機(jī)床跨入了第二代。同年3月，由美國(guó)克耐·杜列克公司發(fā)明了帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“加工中心”。現(xiàn)在加工中心已成為數(shù)控機(jī)床中一種非常重要的品種，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中占數(shù)控機(jī)床總量的1/4左右。
1960年，研制出了小規(guī)模集成電路。由于它的體積小，功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。
以上三代，都是采用專用控制的硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）。
1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS－Flexible Manufacturing System 柔性制造系統(tǒng)。之后，美、歐、日等國(guó)也相繼進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)的價(jià)格和使用了微處理器。1974年，美、日等國(guó)首先先研制出以微處理器為核心的數(shù)控機(jī)床。30多年來(lái)，微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到飛速發(fā)展和應(yīng)用，這是第五代數(shù)控。后來(lái)，人們將MNC也統(tǒng)稱為CNC。
20世紀(jì)80年代初，國(guó)際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC。這種單元投資少、見(jiàn)效快，既可單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間少人看管運(yùn)行，也可集成制造系統(tǒng)中使用。所以近幾十年來(lái)，得到快速發(fā)展和應(yīng)用。
FMC和FMS被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)CIMS－Computer Integrated Manufacturing System 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。
1.2我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展情況
我國(guó)從1958年開(kāi)始研究數(shù)控技術(shù)，一直到20世紀(jì)60年代中期處于研制、開(kāi)發(fā)時(shí)期。
1965年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末70年代初研制成功X53K－1G立式數(shù)控銑床、CJK-18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。
從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面開(kāi)展，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決。在這一時(shí)期，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)部分系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流主軸電機(jī)技術(shù)和一些新的技術(shù)，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在性能上有了質(zhì)的飛躍。
1995年以后，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床、重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來(lái)。
現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)建立了以中，低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系，未來(lái)幾十年，我國(guó)將成為數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)，使用大國(guó)。
1.3數(shù)控機(jī)床中十字滑臺(tái)的設(shè)計(jì)
隨著制造業(yè)的發(fā)展，人們深刻的感受到數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中的地位是越來(lái)越重要，雖然近幾年我國(guó)組合機(jī)床的技術(shù)在不斷的發(fā)展，然而組合機(jī)床通用部件中的大型滑臺(tái)，至今仍主要是單坐標(biāo)的滑臺(tái)。而有些國(guó)家的組合機(jī)床早在70年代（或更早些）就有了雙坐標(biāo)的十字滑臺(tái)。
機(jī)電一體化技術(shù)的數(shù)控機(jī)械如數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、火焰切割機(jī)、電加工機(jī)床以及衣料開(kāi)片機(jī)等都有一個(gè)在X-Y平面內(nèi)作配合運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)。這種工作臺(tái)通常與整機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，其形狀，尺寸，結(jié)構(gòu)因機(jī)器類型不同而有較大差異，但其工作原理有著共同點(diǎn)。該設(shè)計(jì)的數(shù)控X-Y工作臺(tái)是一個(gè)既能用于生產(chǎn)實(shí)際又可用于數(shù)控教學(xué)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品?？紤]到8031單片微機(jī)具有較高的性能價(jià)格比，具有強(qiáng)有力的指令系統(tǒng)，決定選用INTER公司生產(chǎn)的8位8031單片機(jī)芯片作為本系統(tǒng)的微處理器。
X－Y工作臺(tái)是指能分別沿著X向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)。本文通過(guò)對(duì)X－Y工作臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的共性和關(guān)鍵的技術(shù)。
在超精密機(jī)床和超精密加工中，為使機(jī)床微位移的分辨率進(jìn)一步提高；為進(jìn)行機(jī)床和加工誤差的在線補(bǔ)償，以提高加工精度；為進(jìn)行某些特殊的非軸對(duì)稱表面的加工，都需要使用微量進(jìn)給裝置。高精度微量進(jìn)給裝置現(xiàn)在已成為超精度機(jī)床的一個(gè)重要的關(guān)鍵裝置?，F(xiàn)在高精度微量進(jìn)給裝置已可達(dá)到0.001～0.01μm的分辨率。這對(duì)實(shí)現(xiàn)超薄切削，實(shí)現(xiàn)高精度尺寸加工和實(shí)現(xiàn)在線誤差補(bǔ)償是十分有用的。
數(shù)控X-Y工作臺(tái)、數(shù)控鉆床等設(shè)備實(shí)際上是2軸半的系統(tǒng)，即工作臺(tái)的兩個(gè)方向聯(lián)動(dòng)、垂直于工作臺(tái)的刀具不必與工作臺(tái)聯(lián)動(dòng)。在對(duì)一些X－Y工作臺(tái)的研究調(diào)查中發(fā)現(xiàn)目前的簡(jiǎn)易數(shù)控控制系統(tǒng)基本上是基于普通單片機(jī)，顯示為L(zhǎng)ED數(shù)碼管的系統(tǒng)，操作很不方便而且通用性不強(qiáng)。為此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了通用的2軸半數(shù)控控制器。其基本思想是采用最新的微處理技術(shù)和集成電路技術(shù)，提高系統(tǒng)集成度，從而提高可靠性，降低成本，減小體積。它具有良好的人－機(jī)交互界面，滿足一般2軸半數(shù)控系統(tǒng)的需要。
2 機(jī)床改造總體方案設(shè)計(jì)
對(duì)數(shù)控十字滑臺(tái)而言，主要是縱橫方向兩個(gè)坐標(biāo)的傳動(dòng)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，決定采用點(diǎn)位控制，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，這樣可以使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，調(diào)試維修容易，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，此工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母副和滾珠滾動(dòng)導(dǎo)軌，為盡量消除齒側(cè)間隙，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍采用MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
X-Y數(shù)控十字滑臺(tái)的總體框圖如下：
圖 2－1（結(jié)構(gòu)總體框圖）
3 確定機(jī)械傳動(dòng)改造方案
3.1 設(shè)計(jì)原始參數(shù)
(1)、工作滑臺(tái)面長(zhǎng)X寬（mm） 250mmX250mm
(2)、銑刀 Φ20mm
(3)、銑削深度 αp=5mm
(4)、銑刀齒數(shù) Z=3
(5)、齒進(jìn)給量
(6)、被加工材料 HB=250
(7)、工作臺(tái)移動(dòng)速度 x=2 、y=2m/min
3.2 確定切削用量
根據(jù)加工方式不同，切削用量選擇方式也不同。對(duì)銑削而言，主要是切削速度V，切削深度,切削寬度,每齒進(jìn)給量,銑刀齒數(shù)z,銑刀直徑D。切削用量主要根據(jù)刀具的類型，刀具的材料，被加工工件的材料等參數(shù)和有關(guān)手冊(cè)及教科書(shū)確定。除了工作進(jìn)給速度而外，還有一個(gè)快進(jìn)速度問(wèn)題，一般情況下，推薦快進(jìn)速度為V≤0.2/min。這里要注意把機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給速度分開(kāi)。
3.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的切削負(fù)載分析及計(jì)算方法
設(shè)計(jì)參數(shù)為：銑刀的直徑D=20mm，齒數(shù)Z=3，切削深度，每齒進(jìn)給量,被加工材料HB=250。據(jù)實(shí)際工作情況可認(rèn)為同時(shí)工作的齒數(shù)為2齒，每齒切削層面積為S=0.2×5=1.00mm,兩齒為2×1=2mm,則圓周力 Fc=2×250=500kgf=5000N
3.3.1、各個(gè)方向的分力
沿進(jìn)給方向的水平分力 Fh=0.4×Fc=2000N
沿進(jìn)給方向的垂直分力 Fv=0.90×Fc=4500N
沿銑刀軸向分力 Fa=0.55×Fc=2750N
3.3.2、摩擦阻力
銑床工作臺(tái)與導(dǎo)軌間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為滑動(dòng)摩擦，取摩擦系數(shù)u=0.1。摩擦力等于正壓力乘摩擦系數(shù)。正壓力應(yīng)包括主切削力及工作臺(tái)之動(dòng)力矩，設(shè)工作臺(tái)重量為100kg，故可算出其摩擦阻力為：F摩=（100×10+2750）×0.1=375N
3.3.3、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
其中：
i—齒輪傳動(dòng)比，—步距角，—螺距，δ—脈沖當(dāng)量
i=0.75×6/360×0.01=1.25
Z1=20;Z2=25;m=1.5(模數(shù));b=20mm(齒寬)；壓力角為20
df1=mZ1=30mm;df2=mZ2=37.5mm;de1=33mm;de2=40.5mm
若將齒輪看作近似的圓柱體，齒輪材料為45鋼，則齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為：
Jz1=
Jz2=
根據(jù)類比的方法，滾珠系直徑選擇為d0=32mm;L=0.55 m;材料為45鋼，則系杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可近似算出為
Js=
查手冊(cè)預(yù)選電機(jī)為110BF003
查得的電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為,拆算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
3.3.4、絲杠摩擦阻力矩的計(jì)算
由于床用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計(jì)。
3.3.5、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm的計(jì)算
Tm=1/2×3.14(F縱+F摩) V溜/n
Tm=1/(2×23.14)×(2000+375)×2/416.67=1.81Nm
3.3.6、起動(dòng)慣性阻力矩的計(jì)算
以最不利條件下的快速起動(dòng)計(jì)算，設(shè)起動(dòng)加速式制動(dòng)減速的時(shí)間△t=0.3S，由于步進(jìn)電機(jī)的角速度==2×3.14×416.67/60=43.63
則角加速度為：=43.63/0.3=145.4
則: T慣=JΣ×=0.85×103?×145.4=0.124(Nm)
3.3.7、步進(jìn)電機(jī)輸出軸總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
JΣ=Tm+T慣
JΣ=1.81+0.124=1.934（Nm）
3.4 步進(jìn)電機(jī)的匹配選擇
考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率為n，安全系數(shù)取K，此時(shí)的負(fù)載總轉(zhuǎn)矩
TΣ=(1.5/0.7) ×1.934=4.15Nm
由預(yù)選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為三相六拍，步距角0.75，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tymax=7.84Nm,為保證正常的起動(dòng)與停止，步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣ由下表可以查出Tg/Tymax之比值。
電機(jī)相數(shù)
3
4
5
6
運(yùn)行拍數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
Tg/Tymax
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.915
0.866
則可算出 Tg=0.866×7.84=6.789(Nm)，因?yàn)楸?.15 Nm大，所以選擇合適。
3.5 滾珠絲杠的選擇與校核
3.5.1、工作原理及結(jié)構(gòu)
絲杠和螺母的螺紋滾道間置有滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，則絲杠與螺母之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦，為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的旋轉(zhuǎn)槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置。
3.5.2、滾珠絲杠副的特點(diǎn)
（1）剛度好 通過(guò)給螺母組件內(nèi)施加預(yù)壓來(lái)獲得較高的系統(tǒng)剛度，可滿足各種機(jī)械傳動(dòng)要求，無(wú)爬行現(xiàn)象，始終保持傳動(dòng)高效率，效率高達(dá)90%~95%，耗費(fèi)的能量?jī)H為滑動(dòng)絲杠的1/3。
（2）傳動(dòng)具有可逆性 既可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，又可將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且逆?zhèn)鬟f可保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈敏性。
（3）傳動(dòng)精度高 經(jīng)過(guò)淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，絲杠副工作時(shí)溫升和熱變形小，容易獲得較高的傳動(dòng)精度。
（4）使用壽命長(zhǎng) 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，磨損極小，長(zhǎng)期使用后仍能保持其精度，因而受命長(zhǎng)，具有很高的可靠性。其壽命一般比滑動(dòng)絲杠要高5～6倍。
（5）不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，螺母將在重力作用下下滑，故常需設(shè)置制動(dòng)裝置。
（6）制造工藝復(fù)雜 滾珠絲杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。
滾珠絲杠的選擇，一般是根據(jù)機(jī)床原來(lái)絲杠的大小，按類比法來(lái)選擇直徑，因此必須進(jìn)行以下項(xiàng)目的校核。
3.5.3、承載能力的校核
式中——滾珠絲杠壽命系數(shù)=60nT/
fw——載荷系數(shù)，中等沖擊1.2-1.5
T——使用壽命時(shí)間 15000
——硬度系數(shù) 1.0
=F縱+F摩=2000+375=2375N
則Q=
查表可知道滿足要求。
3.5.4、壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
式中 Pk——實(shí)際承受載荷的能力
FK——壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù),雙推-雙推時(shí)為4,單推-單推時(shí)為1,又推簡(jiǎn)支時(shí)為2,雙推自由式為0.25;
E——?jiǎng)偟膹椥阅Ａ?.1×10 (Mpa);
I——絲桿穩(wěn)定安全系數(shù),一般取2.5---4,垂直安裝取小值.
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(系杠長(zhǎng)度) 4
則 Pk=1.72×10N≥Pmax(Pmax=2375N)
3.5.5、剛度驗(yàn)算
絲杠的剛度是要保證第一導(dǎo)程的變形量在允許的范圍內(nèi),起變形計(jì)算公式為: △L=
式中 S-絲杠最小截面積;
M-扭距(N.m),系數(shù)符號(hào)同上.
式中的正號(hào)用于拉伸,負(fù)號(hào)用于壓縮.若都為拉伸,有如下計(jì)算結(jié)果:
設(shè) t=0.6mm,S=3.1416×R1^2=3.14160× (1.42/2)^2=1.58mm2
I=0.4cm,M=Tmax.i=7.84×1.25=9.0(N.m),P=Pmax=2375N
則:
ΔL=2375×0.6/(2.1*10)×1.58+9808×0.62/(2×3.1416×0.4×2.1×)
=496.4×
Cm=5.0u 滿足使用要求
所以,我們的電機(jī)選擇型號(hào):110BF003 絲杠選 LL32×6。
圖3－1(滾珠絲杠螺母副)
即螺紋調(diào)隙式的滾珠絲杠螺母副，其一個(gè)螺母的外端有凸緣而另一個(gè)螺母的外端沒(méi)有凸緣而制有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個(gè)圓螺母固定著。旋轉(zhuǎn)圓螺母時(shí)，即可消除間隙，并產(chǎn)生預(yù)緊拉力，調(diào)整好后再用另一個(gè)圓螺母把它鎖緊。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，雖軸向位移不太精確，但應(yīng)用較廣泛。
3.6 齒輪的校核計(jì)算
所選齒輪參數(shù)如下：
Z1=20;Z2=25;m=1.5(模數(shù));b=20mm(齒寬)；壓力角為20
df1=mZ1=30mm;df2=mZ2=37.5mm;de1=33mm;de2=40.5mm
小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理，硬度為241HB-286HB,平均為260HB。大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為229HB-286HB，平均取240HB。
齒間載荷分布系數(shù)：
齒向載荷分布系數(shù)：
查表得：
荷系數(shù)：
彈性系數(shù)：查表得=189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)：查圖得
接觸最小安全系數(shù)：由表得
工作時(shí)間：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：查表可估計(jì)
則指數(shù)m=8.78
故原估計(jì)應(yīng)力次數(shù)正確。
接觸壽命系數(shù)查圖得：
由查表得：
許用接觸應(yīng)力：
算接觸應(yīng)力：
故選擇合適
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算：
重合度系數(shù)：
齒間載荷分配系數(shù)：
齒向載荷分布系數(shù)：
由查圖可得：
載荷系數(shù)K：
齒形系數(shù) 查圖得：=2.8，
應(yīng)力修正系數(shù) 查圖得：=1.54，
彎曲疲勞極限 查圖得：
彎曲最小安全系數(shù) 由表估計(jì)得：
原估計(jì)循環(huán)次數(shù)正確
彎曲壽命系數(shù)由圖得：
尺寸系數(shù)由圖得：
許用彎曲應(yīng)力：
校核：
3.7 軸承的選擇與校核
在軸承的選擇上選用深溝球軸承和推力球軸承配合。深溝球軸承承受軸向力，推力球軸承承受軸向力。
預(yù)選軸承：
深溝球軸承6205 d=25 D=52 B=18
推力球軸承51305 d=25 D=52 B=18
有輕微沖擊，預(yù)期使用壽命為：=5000h 采用脂潤(rùn)滑
E查機(jī)械零件設(shè)計(jì)表18.7得 e=0.38
故查表18.7得：X=1，Y=0
故所選軸承合格。
3.8 導(dǎo)軌的選擇
根據(jù)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)要求，選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌。
滾動(dòng)導(dǎo)軌是在導(dǎo)軌面之間放置滾珠，滾針，滾柱等滾動(dòng)體，使相配的兩個(gè)導(dǎo)軌面只同滾動(dòng)體接觸而不直接接觸導(dǎo)軌。
滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)是導(dǎo)軌面之間是滾動(dòng)摩擦，而不是滑動(dòng)摩擦。由于摩擦阻力小，故使工作部件移動(dòng)起來(lái)很靈敏。滾動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)小，并且它和運(yùn)動(dòng)速度快慢無(wú)關(guān)，低速時(shí)運(yùn)動(dòng)也均勻，工作部件的定位精度高，并且不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。因?yàn)闈L動(dòng)摩擦阻力小，所以工作部件的啟動(dòng)和運(yùn)行的功率小。滾動(dòng)導(dǎo)軌的磨損小，它的精度持久性好。但滾動(dòng)導(dǎo)軌對(duì)贓物比較敏感，故必須有良好的防護(hù)裝置。
經(jīng)比較，選用滾動(dòng)導(dǎo)軌中的滾珠導(dǎo)軌。
4 控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)
4.1 確定控制系統(tǒng)方案
微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化方法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用單片機(jī)控制系統(tǒng)，由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及專用控制程序組成的開(kāi)環(huán)控制。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，對(duì)機(jī)床的控制過(guò)程大多是由單片機(jī)接照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，縱橫運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)按規(guī)定的輪廓線軌跡運(yùn)動(dòng)。擬訂方案如圖（2－1）。
4.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
對(duì)十字滑臺(tái)X-Y軸控制要求作如下規(guī)定：步進(jìn)電機(jī)3相6拍，脈沖當(dāng)量為0.01，能用鍵盤(pán)輸入命令，控制X,Y向運(yùn)動(dòng)及實(shí)現(xiàn)其它功能，能實(shí)時(shí)顯示工作臺(tái)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置，具有越程指示報(bào)警及提示功能，采用硬件進(jìn)行環(huán)形分配，字符發(fā)生及鍵盤(pán)掃描均由軟件實(shí)現(xiàn)。
4.2.1、單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
現(xiàn)選用8031單片機(jī)芯片為主芯片。它有P0-P3四個(gè)8位口，P0可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL
圖4－1（硬件構(gòu)成）
門(mén)電路，16根地址線由它經(jīng)地址鎖存器（74LS373）提供第8位A0-A7，而高8位A8-A15由由P2口提供。數(shù)據(jù)總線由P0口提供?？刂瓶偩€有P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立的控制線RESET，-EA，ALE，-PSEN組成。僅剩P1口可供控制外設(shè)，因此不能滿足上述要求，又由8031總片無(wú)ROM，且只有128字節(jié)的RAM，也不夠用，故需要擴(kuò)展?，F(xiàn)采用8155和2764，6264作為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片，顯示器采用LED數(shù)碼顯示，從控制要求來(lái)看，需要5位數(shù)碼顯示，其中整數(shù)部分3位，小數(shù)部分3位。其它輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路，延時(shí)可利用8155的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的引腳TMRIN和TMROUT。
4.2.2、單片機(jī)引腳及其功能
(1)電源線 2根
Vcc：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V
Vss：地電平
(2)晶振 2根
XTAL1：震蕩器的反相放大器輸入。使用外部震蕩器時(shí)必須接地。
XTAL2：震蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部震蕩器時(shí)用于輸入外邊震蕩信號(hào)。
(3)I/O口共有p0 p1 p2 p3四個(gè)8位口，32根I/O線，其功能
p0.0-p0.7 (AD0-AD7)：是I/O端口O的引腳。端口O是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O端口。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口。
p1.0-p1.7：端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口通道，專供用戶使用。
p2.0-p2.7 (A8-A15)：端口2的引腳。端口2是一個(gè)百內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址A8-A15。
p3.0-p3.7：端口3的引腳。端口3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨(dú)立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與p1口完全相同。
4.2.3、控制線
(1)PSEN：程序存儲(chǔ)器的使能引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。
(2)Vpp：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。EA為低電平時(shí)CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令。因8031沒(méi)有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，故EA必須接地。Vpp是在8751EPROM編程時(shí)為+21的編程電源輸入端。
(3)PROG，ALE是地址鎖存使能信號(hào)。作為地址鎖存允許時(shí)高電平有效。因?yàn)閜0端口是分時(shí)傳送數(shù)據(jù)和低8位地址。故訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)鎖存低8位地址。即使在不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，也可以1/6振蕩頻率的固定頻率產(chǎn)生ALE，因此可以用它作為外部的時(shí)鐘信號(hào)。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在從外部程序存儲(chǔ)器取令時(shí)，把p0口的低8位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。
(4)T/VPD 是復(fù)位/備用電源端。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST行腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器清零，即程序從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行。在Vcc關(guān)斷之前加上VPD（掉電保護(hù)）RAM的內(nèi)容將不變。
單片機(jī)時(shí)鐘利用內(nèi)部振蕩電路，在XTL1，XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件，晶振可以在1.2-12MHz間任選，電容在5-30PF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。越界報(bào)警，指示電路，采用4個(gè)點(diǎn)位開(kāi)關(guān)。一旦越界，應(yīng)立即停止工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，這里采用中斷方式，利用8031外部中斷-INT0，只要有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，即工作臺(tái)的X向或Y向有一越界，便能產(chǎn)生中斷信號(hào)-INT0。為了報(bào)警，設(shè)置了兩個(gè)發(fā)光二極管燈，一個(gè)紅用于報(bào)警，綠的為正常工作，兩燈均由8031的P1.4控制。為了整體控制需要，應(yīng)將8155的輸出端TMROUT與8031的T0端相連，而且應(yīng)與不進(jìn)電機(jī)控制用環(huán)形分配器的CP端相連接。
4.3 單片機(jī)的選擇
由于對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控，其控制功能簡(jiǎn)單，為了結(jié)約成本，因而，采用價(jià)格低廉的MCS—51系列的8031單片機(jī)作為該控制系統(tǒng)的CPU已能滿足控制要求。該單片機(jī)內(nèi)部集成ROM存儲(chǔ)器，需要對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。
4.4 存儲(chǔ)器的選用與擴(kuò)展
由控制系統(tǒng)所遷用單片機(jī)內(nèi)部集成ROM存儲(chǔ)器，同時(shí)128位的RAM輸出不能滿足控制系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，因此要進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。
4.5 存儲(chǔ)器的選用及連接
程序存儲(chǔ)器選用Inter2764，它是一種5V的8K UVEPROM存儲(chǔ)器芯片，采用HMOS工藝制成，標(biāo)準(zhǔn)存取時(shí)間250ns具有可擦除特性，管腳數(shù)28。
由于車削加工的指令數(shù)量較少，因而所需程序存儲(chǔ)器容量較少，所以選用Inter6264靜態(tài)RAM足夠，該存儲(chǔ)器具有8K的容量，200ns的存取時(shí)間，所需電源
為5V，采用HMOS工藝， 管腳數(shù)28。
圖4－2（8031與2764，6264的擴(kuò)展接線圖）
4.6 地址鎖存器
由于單片機(jī)8031芯片的p0口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸入的8D觸發(fā)器。其引腳結(jié)構(gòu)如下圖：
圖4－3（8031引腳結(jié)構(gòu)）
4.7 鍵盤(pán)與顯示電路及其程序
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描只是CPU工作的內(nèi)容之一。CPU在忙于各項(xiàng)工作任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)掃描又不占用過(guò)多的時(shí)間。則采用程序掃描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空閑，調(diào)用鍵盤(pán)掃描子程序，來(lái)響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時(shí)，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。
由于非編碼鍵盤(pán)，硬件電路極為簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，因而選用非編碼鍵盤(pán)作為數(shù)據(jù)輸入鍵盤(pán)。非編碼鍵盤(pán)常用一些按鍵排列成行列矩陣按鍵的作用只是使相應(yīng)接點(diǎn)接通或數(shù)據(jù)開(kāi)，在相應(yīng)程序配合下也可產(chǎn)生被按按鍵的鍵碼。
為了減少硬件開(kāi)鎖，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，單片機(jī)控制系采用動(dòng)態(tài)顯示。
這里用8155來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)、顯示的接口控制。
8155的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見(jiàn)下圖：
圖4－4（8155的邏輯結(jié)構(gòu)和引腳圖）
8155具有40條引腳的雙列直插式芯片，其引腳的功能見(jiàn)下表：
引腳
含義
引腳
含義
AD0~AD7
地址數(shù)據(jù)線
ALE
地址鎖存
PA0~PA7
A口
RD
讀
PB0~PB7
B口
WR
寫(xiě)
PC0~PC7
C口
RESET
復(fù)位
TIMERIN
定時(shí)輸入
Vss
地
TIMEROUT
定時(shí)輸出
Vcc
電源
IO/M
IO/RAM口選擇
CE
片選
其中IO/M是內(nèi)部RAM和I/O口的選擇線，IO/M=0（低電平時(shí)）選擇片內(nèi)RAM，AD0~AD7上的地址信息為8155中的RAM單元地址。當(dāng)IO/M=1時(shí)，選擇I/O口，AD0~AD7上的地址信息為I/O口地址。它利用ALE的下降沿將此信息鎖存到片
鎖存器中。
4.7.1、8155工作方式設(shè)定
8155I/O工作方式選擇通過(guò)對(duì)8155內(nèi)部命令寄存器（命令口）設(shè)定命令控制字實(shí)現(xiàn)。命令寄存器格式及對(duì)應(yīng)的工作方式見(jiàn)下圖：
圖4－5（8155工作方式）
8155I/O有四種工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符號(hào)說(shuō)明如下：
AINTR：A口中斷，請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。
BINTR：B口中斷，請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。
ABF（BBF）：A口（B口）緩沖器滿狀態(tài)標(biāo)志輸出線，（緩沖器有數(shù)據(jù)時(shí)BF為高電平）；ASTB（BSTB）：A口（B口）設(shè)備選通信號(hào)輸入線，低電平有效。
4.7.2、狀態(tài)查詢
8155還有一個(gè)狀態(tài)寄存器，用于鎖存I/O口和定時(shí)器的當(dāng)前狀態(tài)，供CPU
查詢用。其格式如下：
圖4－6（8155狀態(tài)查詢格式）
狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個(gè)地址，命令寄存器只能寫(xiě)入不能讀出，而狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫(xiě)入。所以可以認(rèn)為，CPU讀該地址時(shí)，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當(dāng)前I/O口和定時(shí)器的狀態(tài)，而寫(xiě)該地址時(shí)，則作為命令寄存器對(duì)I/O口工作方式的選擇。
4.7.3、8155定時(shí)功能
8155芯片內(nèi)有一個(gè)14位減法計(jì)數(shù)器，可對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。外部有兩個(gè)定時(shí)器引腳TINEIN 和TIMEOUT。TINEIN為定時(shí)器時(shí)鐘輸入，有外部輸入時(shí)鐘脈沖，TIMEOUT為定時(shí)器輸出，輸出各種信號(hào)脈沖波形。
定時(shí)器的格式、輸出波形見(jiàn)下：
圖4－7（8155記數(shù)方式和輸出波形圖）
由上圖可見(jiàn)，定時(shí)器的低8位和高6位計(jì)數(shù)器定時(shí)是出方式由04H、05H寄存器確定。對(duì)定時(shí)器編程時(shí)，首先將計(jì)數(shù)器及定時(shí)器方式送入定時(shí)器口，（定時(shí)器的低8位和高6位，定時(shí)器方式M）04H，05H。計(jì)數(shù)常數(shù)在002H~3FFF之間。計(jì)數(shù)器的起動(dòng)和停止由命令寄存器的最高兩位TM2和TM1決定。但何時(shí)讀都可以置定時(shí)器的長(zhǎng)度和工作方式，然后必須將起動(dòng)命令寫(xiě)入命令寄存器。既使計(jì)數(shù)器已經(jīng)計(jì)數(shù)，在寫(xiě)入起動(dòng)命令后，仍可改變定時(shí)器的工作方式。
圖4－8（8031與8155接線圖）
上圖中畫(huà)出了8031通過(guò)8155對(duì)六只共陰極LED的接口和30個(gè)按鍵的鍵盤(pán)。按鍵分為三類：一是數(shù)字鍵0—F，二是功能鍵12個(gè)；三是兩個(gè)鍵沒(méi)有定義，作為擴(kuò)展有鍵位。
4.7.4、鍵盤(pán)顯示電路工作原理
(1)判數(shù)是否有鍵按下
CPU把全“1”送到8155C口就可以在所有行線L5—L0上得到TTL低電平，然后讀取B口的列值就可以判斷是否有鍵按下，若無(wú)鍵按下則所讀列值必為1FH；若有鍵按下，則列值必因被按按鍵的行列線接通而不等于1FH。
(2)被按按鍵行值和列值的讀取
若CPU發(fā)現(xiàn)有鍵按下，CPU獲取被按接鍵行值和列值只要逐行對(duì)、鍵盤(pán)掃描，即輪流地使C口中每條行線變?yōu)榈碗娖揭约白x取和判斷B口的值。若列值為1FH，則表明有被按按鍵不在本行，若列值不為1FH，則對(duì)應(yīng)的行值和列值就是被按按鍵的的列值和行值。
(3)按鍵的去抖動(dòng)和竄鍵處理
在按下某個(gè)按鍵時(shí)，被按按鍵的簧片總會(huì)能輕微的抖動(dòng)，這個(gè)科動(dòng)常會(huì)持續(xù)10ms左右時(shí)間。因此，CPU在按鍵拌動(dòng)期間掃描鍵盤(pán)必然會(huì)得到錯(cuò)誤的行值和列值，最好的辦法是使CPU在檢測(cè)到有鍵按下時(shí)延時(shí) 20ms再進(jìn)行行掃描。
較低當(dāng)用戶在操作時(shí)常常不小心同時(shí)按下個(gè)以上的鍵時(shí)，即發(fā)生竄鍵盤(pán)，CPU處理竄鍵是以最后放開(kāi)的按鍵認(rèn)和真正被按的鍵。CPU在行掃描時(shí)必須不以發(fā)現(xiàn)第一個(gè)被近鍵為滿足，而是繼續(xù)完成對(duì)所有行的一遍掃描，并在該行掃描結(jié)束后根據(jù)竄鍵標(biāo)志來(lái)判斷是否發(fā)生竄鍵。
如果未發(fā)現(xiàn)竄鍵，則本遍掃描的行值和列值就是被按按鍵的行值和列值；如果發(fā)現(xiàn)了竄鍵，則CPU再進(jìn)行一遍行掃描就可獲取最后放開(kāi)鍵的行值和列值了。
求鍵值
求鍵值必須選先求關(guān)鍵字，求關(guān)鍵字必須知道行值和列值
求行號(hào)：行序號(hào)和行值的關(guān)可以從鍵盤(pán)電路中看出CPU把被按按鍵的行值右移到全“0”時(shí)得到的移位次數(shù)減1必為行序號(hào)。
求鍵字：由鍵值表可以看到，CPU把行序號(hào)移到高四位并和列值低四位相加便可得到相應(yīng)關(guān)鍵字。
求鍵值：被按按鍵的鍵值是查表次數(shù)減1。
被按按鍵的類型判別：在鍵值表中，數(shù)字鍵的鍵值必小于10H，功能鍵的鍵值大于10H的。因此，CPU用被按按鍵的鍵值是大于10H或是小于10H來(lái)判斷按鍵的類型。
鍵盤(pán)按鍵分布圖、鍵盤(pán)掃描程序流程圖、求鍵值子程序流程圖。
鍵盤(pán)按鍵分布圖
關(guān)鍵字
鍵值
行值
列值
按鍵
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
鍵盤(pán)掃描程序流程圖
圖4－9
求鍵值子程序流程圖
圖4－10
顯示子程序
ORG 0600
MOV B ,A
DISPIY: MOV A, #105
MOV DPTR, #8000H
MOVX @DPTR, A
DISPIY1: MOV R5, #FEH
MOV A, R5
LD: MOV DPTR, #8003H
MOVX @DPTR, A
MOV DPTR, #8001H
MOV A, B
ADD A, #DTAB
MOVC @DPTR, A
ACALL DELAY
MOV A, R3
JNB 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
鍵盤(pán)掃描子程序
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, NEXT1
SJMP NEXT4
NEXT1: ACALL DS20ms
CLR C
MOV R2, #00H
MOV R1, #01H
LOOP: INC DPTR
MOV A,R1
MOVX #DPTR, A
MOV DOTR, #8002H
MOVX A, @DPTR
ANL A, #1FH
CJNE A, #1FH, NEXT2
SJMP NEXT3
NEXT2: INC R2
CJNE R2, #01H, NEXT4
MOV R4, A
MOV A,R1
MOV R3,A
NEXT3: MOV A,R1
RLC A
MOV R1,A
CJNE A,#40H, LOOP
AJMP KCODE
NEXT4:CLR A
RET
END
求鍵值子程序
ROG 0960H
KCODE：MOV R1，#00H
MOV A， R3
CLR C
LOOP： RRC A
JZ NEXT1
INC R1
SJMP LOOP
NEXT1：MOV A， R1
SWAP A
MOV R1，A
MOV A， R4
ANL A， #0FH
ORL A， R1
MOV B， A
MOV DPTR， #KTAB
MOV R0， #00H
CLR A
REPE：MOVC A，@A+DPTR
CJNE A, B,NEXT2
SJMP RESV
NEXT2:INC R0
MOV A, R0
SJMP REPE
RESV: MOV A, R0
RET
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
END
4.8 步進(jìn)電機(jī)接口電路
由于該數(shù)控改造機(jī)床采用步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)是由控制繞組輸入脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制，每步的角度和方向是由三相控制繞組中的通電方式?jīng)Q定的，因此，步進(jìn)電機(jī)的控制是要求單片機(jī)和軟件產(chǎn)生按上述規(guī)律變化的序脈沖,然后通過(guò)接口和驅(qū)動(dòng)放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制繞組工作。
由于采用三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其工作方式為： A→AB→B→BC→C→CA→A
控制模型表
圖4－11
R4 放X軸步進(jìn)電機(jī)要走的步數(shù)
R5 放Y軸步進(jìn)電機(jī)要走的步數(shù)
PWS.4 放X軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向標(biāo)志。若要正轉(zhuǎn)，則F0H中放“0”；否則，放“1”。
PWS.5 放Y軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向標(biāo)志。若要正轉(zhuǎn)，則F0H中放“0”；否則，放“1”。
20H—25H 放X軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模型。
26H放X軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模型結(jié)束標(biāo)志00H。
27H—2CH放X軸步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)模型。
2DH放X軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模型結(jié)束標(biāo)志00H。
30H—35H 放Y軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模型。
36H放Y軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模型結(jié)束標(biāo)志00H。
37H—3CH放Y軸步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)模型。
3DH放Y軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模型結(jié)束標(biāo)志00H。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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,#30H
AJMP NEXT2
ROTEY:MOV R1,#37H
NEXT2: DJNZ R4,ABC1
NEXT3: DJNZ R5,ABC2
MOV A,R4
MOV 40H,R5
CJNE A,40H,NEXT2
AJMP END
ABC1: MOV A,@R0
MOV P1,A
ACALL DELAY
INC R0
MOV A, #00H
ORL A, @R0
JZ TPL1
AJMP NEXT3
ABC2:MOV A,@R1
MOV P1,A
ACALL DELAY
INC R1
MOV A, #00H
ORL A,@R1
JZ TPL2
AJMP NEXT2
TPL1:MOV A,R0
CLR C
SUBB A, #06H
MOV R0,A
AJMP NEXT3
TPL2:MOV A, R1
CLR C
SUBB C
MOV R0,A
AJ