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普通車床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控化改造設(shè)計
本科學(xué)生課程設(shè)計（說明書）
機電控制課程設(shè)計
（普通車床數(shù)控改造設(shè)計-交流伺服電機橫向X）
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
專 業(yè)：機械電子工程
機械工程學(xué)院
二O二O年三月
摘要
C6140型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會擁有量較大的普通型車床。經(jīng)過大量實踐證明，將其改造為數(shù)控機床，無論是經(jīng)濟上還是技術(shù)都是確實可行。一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車床，同時具有數(shù)控控制和原機床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。
本設(shè)計主要是對C6140普通型車床進(jìn)行數(shù)控改造，用微機對縱、橫進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)可采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制雖然有不穩(wěn)定、振動等缺點，但其成本較低，經(jīng)濟性較好，車床本身所進(jìn)行的加工尺寸是粗、半精加工。驅(qū)動原件采用伺服電動機。系統(tǒng)傳動主要有：滑動絲杠螺母傳動和滾珠絲杠螺母傳動兩種，經(jīng)比較分析：前者傳動效率及精度較低，后者精度和效率高，但成本高，考慮對車床的性能要求，故采用滾珠絲杠螺母傳動。刀架性能要求是準(zhǔn)確快速的換刀，因此采用自動轉(zhuǎn)位刀架。
目錄
摘要 2
1 課程設(shè)計的目的和要求 4
1.1 課程設(shè)計的目的 4
1.2 課程設(shè)計的內(nèi)容和要求 4
2 總體方案確定 4
2.1 機械部分設(shè)計 4
2.2 伺服系統(tǒng)的選擇 5
2.3 計算機系統(tǒng)的選擇 5
3 機械部分的改造設(shè)計和計算 6
3.1 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 6
3.1.1 傳動計算 7
3.1.2 切削力計算 7
3.1.3 滾珠絲杠設(shè)計計算 8
3.1.4 交流伺服電機的選擇 9
4 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 11
4.1 設(shè)計內(nèi)容 11
4.2 元器件選型 12
4.2.1 CPU選擇 12
4.2.2 儲存器擴展電路設(shè)計 12
4.2.3 I/O擴展電路 14
4.2.4 伺服電機控制隔離電路 15
4.2.5 LED顯示電路設(shè)計 15
4.2.6 掃描鍵盤輸入電路 16
4.2.7 其它輔助電路設(shè)計 17
5 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 20
5.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 20
5.2 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計 20
5.3 鍵盤掃描程序設(shè)計 21
5.4 轉(zhuǎn)位刀架程序設(shè)計 24
5.5 插補程序設(shè)計 24
5.5.1 第三象限直線插補 25
5.5.2 第四象限順圓插補 28
6 心得體會 34
7 參考文獻(xiàn) 35
1 課程設(shè)計的目的和要求
1.1 課程設(shè)計的目的
機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計是機械電子工程專業(yè)有關(guān)課程的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之是綜合運用所學(xué)過的機械、電子和計算機知識而進(jìn)行的一項機電結(jié)合的基本訓(xùn)練。 其目的是：
（1） 能夠正確運用機械電子學(xué)、機電一體化技術(shù)、機電液控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等課程的基本理論和有關(guān)知識，學(xué)會機電系統(tǒng)方案的擬定、比較、分析及進(jìn)行必要的計算。
（2） 通過對機電系統(tǒng)的機械部分設(shè)計,掌握機電系統(tǒng)典型零件的計算方法以及正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。
（3） 通過機電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計,掌握簡單控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計的基本方法。
（4） 通過課程設(shè)計，初步樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。提高應(yīng)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)及編寫文件等資料的能力。
1.2 課程設(shè)計的內(nèi)容和要求
本次課程設(shè)計的主要內(nèi)容有：
（1） 總體方案的分析、比較、論證。機械部分設(shè)計。重點是運動傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及伺服電機的選擇計算。.
（2） 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計。硬件部分完成微機控制系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計;軟件部分包括主要程序框圖和部分匯編程序(不少于20句)設(shè)計。
（3） 編寫課程設(shè)計說明書
說明書是課程設(shè)計的總結(jié)性技術(shù)文件,應(yīng)敘述整個設(shè)計的內(nèi)容,包括總體方案的確定,系統(tǒng)框圖的分析,機械傳動設(shè)計計算，電氣部分的設(shè)計說明，選用元器件及其參數(shù)的說明，軟件設(shè)計及其說明等。說明書字?jǐn)?shù)約8千字。
（4） 圖紙(要求手工繪圖，另有計算機繪圖可考慮加分)
1)數(shù)控系統(tǒng)機械部分方案圖 A2~A3 1張
2) 數(shù)控系統(tǒng)面板圖 A2~A3 1張
3) 數(shù)控系統(tǒng)總體方案圖 A2~A3 1張
4) 改造布置外觀圖 X Z A1 1張
5) 進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖 X Z A1 1張
6) 數(shù)控系統(tǒng)電氣原理圖 A1 1張
7) 軟件框圖 A2~A3 1張
2 總體方案確定
2
2.1 機械部分設(shè)計
二維進(jìn)給運動數(shù)控系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要是傳動系統(tǒng)方案的確定。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，對傳動系統(tǒng)通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間際、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在傳動系統(tǒng)的設(shè)計中采用以下設(shè)計:
(1)采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。采用滾珠絲杠螺母副、采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。
(2)盡量消除傳動間隙。包括絲杠、齒輪的傳動間隙，軸承游隙及鍵聯(lián)接的間隙。
(3)縮短傳動鏈?？s短傳動鏈不僅可以減小傳動誤差，還可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，因此采用一級齒輪減速。
此外，通過滾動副預(yù)緊以提高系統(tǒng)傳動剛度，采用加預(yù)載荷的滾珠杠副和滾動導(dǎo)軌及滾動軸承。絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等以提高傳動剛度。
2.2 伺服系統(tǒng)的選擇
開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)荷不大時多采用小功率步進(jìn)電機作為伺服電機。開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用。
2.3 計算機系統(tǒng)的選擇
計算機數(shù)控系統(tǒng)一般由微處理器、 存貯器、外設(shè)接口電路、輔助控制接口電路及伺服驅(qū)動電路等幾部分組成。在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用位微處理器的微型計算機。如可采用ZCPU或MCS-51單片機組成的微機應(yīng)用系統(tǒng)。本設(shè)計中采用8031處理器，配合儲存芯片等來組成系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的總體方案見圖 1圖 2。
35
圖 1 數(shù)控部分機械方案圖
圖 2 數(shù)控部分總體方案圖
3 機械部分的改造設(shè)計和計算
3
3.1 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型
進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：計算切削力、滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進(jìn)電機的計算和選型等。
已知參數(shù)和設(shè)計要求：
1. 工作臺重量：W＝600N（粗估）
2. 滾珠絲桿導(dǎo)程：T＝4mm（供參考）
3. 行程：S＝190mm
4. 脈沖當(dāng)量：δ＝0.005mm
5. 快速進(jìn)給速度：V快＝3m/min
6. 快速進(jìn)給速度：V進(jìn)＝1m/min
7. 時間常數(shù)：t≤100ms
3.1.1 傳動計算
δ=α360uT
其中： α——步距角（本設(shè)計取0.72?），
δ——脈沖當(dāng)量（本設(shè)計是0.005mm）
T——絲杠螺距（本設(shè)計取4mm）。
所以 u=δ×360α×T=0.005×3600.72×4=0.625
確定齒輪參數(shù)：
取 Z1=24，Z2=40，m=2mm
則 d1=mZ1=2×24mm=48mm
d2=mZ2=2×40mm=80mm
大齒輪齒寬b1取20mm，小齒輪b2略寬取25mm。齒寬系數(shù)此時為Ψd=2048=0.41符合對稱配置且載荷較小的要求。
3.1.2 切削力計算
由《金屬切削原理》知，車削時（外圓車削、橫車、內(nèi)孔車削）
主切削力：FC=1840apf0.75=1840×2.5×0.150.75=1108N
切深抗力：Fp=(0.1-0.6)Fc=0.5Fc=0.5×1108=554N
走刀抗力：Ff=(0.15-0.7)Fc=0.5Fc=0.5×1108=554N
式中 ap——切削深度，取ap=2.5mm
f——進(jìn)給量，取f縱=0.3mm/r，橫向進(jìn)給量為縱向的1/2，故最終
f橫=0.15mm/r 。
3.1.3 滾珠絲杠設(shè)計計算
燕尾型導(dǎo)軌車床的軸向力按下列實驗公式計算：
Fm=KFf+μ(Fc+2Fp+W)==1.4×554+0.05(1108+2×554+600)=916N
式中 系數(shù)K=1.4，摩擦系數(shù)μ按氟塑料導(dǎo)軌取0.05。
（1） 疲勞強度計算
滾珠絲杠的當(dāng)量動載荷Cm為:
Cm=3LfwfQFa
式中 L——工作壽命，L=60nT106=60×V快×1000T2×Ph×106=338(106轉(zhuǎn))。n為絲杠轉(zhuǎn)速，Ph為導(dǎo)程。
T為實用時間壽命，數(shù)控機床取T=15000(h)。
fw——運載系數(shù)，一般情況取1.3；
fa——精度系數(shù)，4級取1.1
因此滾珠絲杠的當(dāng)量動負(fù)荷：
Cm=3LfwfQFa=3338×1.2×1.1×916=8422.5N
由該當(dāng)量動載荷應(yīng)小于絲杠的額定動負(fù)荷，且使用條件為橫向進(jìn)給，故選擇絲杠BIF 2004-10，絲杠外徑為20mm，基本額定動載荷為8.6kN。
圖 3 絲杠選型表
（2） 剛度驗算
滾珠絲杠的剛度按照下式校核：
δ=δ1+δ2+δ3≤δ
絲杠的支撐方式為兩端端固定。
故絲杠拉壓彈性位移：
δ1=Fml14AE=916×2684×π（17.82）2×2.1×105=1.174×10-3mm
其中：l1=1.4S+10T=1.2×190+10×4=268mm
絲杠副內(nèi)滾珠與滾道的接觸變形:
δ2=Fmk2=9161400=0.654μm，
其中k2是預(yù)緊力為額定載荷的1/3時的接觸剛度，查手冊得k1=700N/um，則k2=1400 N/um
滾動軸承的接觸變形：
δ3=0.52（1DwZ2）1/3?Fm2/3，
初選推力球軸承51104,Dw=5.56，Z=14，代入上式得，δ3=4.76μm 當(dāng)軸承預(yù)緊時候可以取上述值的1/2，則δ3=2.38μm。
絲杠精度取4級，故δ=δ1'+δ2'+δ3'l1=1.174+0.654+2.380.268=15.7<δ=16，合格。
3.1.4 交流伺服電機的選擇
（1） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML
ML=180π×δFmαη
式中 η—— 電機到絲杠的總傳遞效率，查機械設(shè)計手冊取齒輪傳遞效率為 0.98，滾動軸承0.99，推力軸承0.99，聯(lián)軸器0.99
導(dǎo)程角：γ=tan-1(2sπd)=tan-1(2×4π×20)=7.25。
效率： η=tanγtan(λ+φ)=tan7.25°tan(7.25°+10')=0.977
因此總效率：η總=0.98×0.995×0.977=0.910
故 ML=180π×δFmαη=180π×0.005×10-3×9160.75×0.919≈0.380N?m
（2） 滾珠絲杠副預(yù)緊引起的附加轉(zhuǎn)矩M0
M0=180π?K?δ?F0α
式中 F0——絲杠螺母的預(yù)緊力，F(xiàn)0=13Fm≈306N，
K ——預(yù)緊螺母內(nèi)部的摩擦系數(shù)，取0.2
因此 M0=180π?K?δ?F0α=180π×0.2×0.005×10-3×3060.75=0.023N?m
（3） 加速度轉(zhuǎn)矩Ma
Ma=πα180(f1-f0t)J
式中 f1—— 電機工作頻率。
切削進(jìn)給時：f1=v進(jìn)×100060δ=0.5×100060×0.005=50003Hz
空行程時：f1=v快×100060δ=3×100060×0.005=10000Hz
f0——突跳起動頻率,f0=200Hz。
t ——加速時間,t=0.1s。
J ——傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量。對于一級齒輪傳動系 統(tǒng)，按下式計算：J=(J0+J1)+(Z2Z1)2[(J2+J3)+m(180δπd)2]
式中，J0為電機轉(zhuǎn)子慣量；對于材料為鋼的圓 柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式計算：J=7.8×10-4D4L
齒輪轉(zhuǎn)動慣量：
J1=7.8×10-4D14L1=7.8×10-4×4.84×2.5=1.035kg?cm2
J2=7.8×10-4D24L2=7.8×10-4×84×2=6.38kg?cm2
絲桿轉(zhuǎn)動慣量：
J3=7.8×10-4D34L3=7.8×10-4×24×26.8=0.3344kg?cm2
電機初選為MHMF系列系列，MSMF202L1C5型號
電機轉(zhuǎn)子慣量J0為4.06kg.cm2,額定轉(zhuǎn)矩M為6.37N.m
J=(J0+J1)+(Z2Z1)2[(J2+J3)+m(180δπα)2]
=4.06+1.035+1.62[6.38+0.5616+6009.8(180×0.005×10-1π×0.75)2]
=23.094kg?cm2
切削進(jìn)給時：
Ma=π×0.75180×(50003-2000.1)×2.3×10-3=0.44N?m
空行程時：
Ma=π×0.75180×(10000-2000.1)×2.3×10-3=2.95N?m
故總轉(zhuǎn)矩：
因此選取Mm(空)
因此M總=ML+M0+Mm（空）=0.38+0.023+2.95
=3.353N?m
圖 4 伺服電機的速度轉(zhuǎn)矩圖
因為額定轉(zhuǎn)矩為6.37N.m,因此符合M的1.5到2倍，選擇該電機。
4 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
4.1 設(shè)計內(nèi)容
（1） 按照總統(tǒng)方案以及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖；
（2） 選擇計算機或中央處理單元的類型；
（3） 根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計存儲器擴展電路；
（4） 根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計擴展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動電路等；
（5） 選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號；
（6） 繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號，管腳號及參數(shù)；
（7） 說明書中對電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證。
4.2 元器件選型
4.2.1 CPU選擇
（1） 8031單片機的基本特性
（2） 具有8位中央處理單元(CPU)。
（3） 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路(6MHz或12MHz),每執(zhí)行一條指令時間為2μs或1μs。具有128字節(jié)RAM.
（4） 具有21個特殊功能寄存器。
（5） 可尋址64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64k字節(jié)的外部程序存儲器。
（6） 具有4個I/O端口。
（7） 具有兩個16位定時器/計數(shù)器。
（8） 具有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級。
（9） 具有一個全雙功串行接口。
（10） 具有位尋址能力，適用邏輯運算。
8031單片在處理速度快，可擴展儲存器能力強，指令系統(tǒng)功能強，I/O擴展能力強，開發(fā)手段多樣，均符合設(shè)計要求，故選擇8031處理器。
4.2.2 儲存器擴展電路設(shè)計
單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器采用EPROM芯片。常用的EPROM存儲器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分別為2K、4K、8K、16K，32K。選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配。即8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。此外，還需考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量。在滿足容量要求時,盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。因此選取一片2764EPROM芯片。
（1） 2764EPROM芯片介紹
2764與27128、27256的管腳分布完全相同，都是雙列直桶式28腳芯片。圖4-5為其引腳排列圖。共有13根地址線A0~-412，8根數(shù)據(jù)線Do~D7，其余為控制線，定義分別是：CE——片選信號端: OE——取指允許; PGM——編程控制器; Vp——編程電壓端(21V或125V); Vc2—— +5V 電源; Vss——地電平; NC——空腳， 不用。
（2） 地址鎖存器74LS373
單片機規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時又要作數(shù)據(jù)線，所以為分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出為保存，以便為外接存儲器提供低8位地址信息，一般采用74LS373作為地址鎖存器,并由CPU發(fā)出地址允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。74LS373 是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，用作地址鎖存器時，應(yīng)使其使能端E為低電平(接地),輸入端G與8031的地址鎖存信號ALE聯(lián)接。當(dāng)G=1時373的輸出端1Q~8Q與輸入端的1D-8D 相同，當(dāng)G從高電平返回低電平時將輸入的數(shù)據(jù)鎖入1Q-8Q.
（3） 數(shù)據(jù)存儲器6264
6264低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031P0口相接，高5位地址線分別與P2.0～P2.4相連，8位數(shù)據(jù)線直接接到8031P0口，讀寫控制引腳OE,WE與8031的讀寫控制引腳RD,WR直接相連，片選端CE1通過譯碼電路與8031相連。
（4） 譯碼電路
外部芯片都通過總線與單片機連接，單片機數(shù)據(jù)總線分時地與各個外部芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故需進(jìn)行片選控制。若芯片內(nèi)有多個地址單元時，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。8031單片機應(yīng)用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外部擴展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，所以外部芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器一定數(shù)量的地址單元，而且要使用讀/寫信號與讀/寫指令完成數(shù)據(jù)傳送。
經(jīng)濟型數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)中采用全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼是：低位地址作為片內(nèi)地址，高位地址用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選擇信號作為片選線連至每個外部芯片的片選端。地址譯碼常用74LS138譯碼器，G1、G2A和G2B是賦能端，A、B、C是選擇端，Y0～Y7是輸出端。
74LS138地址譯碼電路輸入端出占用了8031單片機的P2.5～P2.7三根高位地址線，剩余的13根地址線用作數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)地址線。74LS138譯碼器每一個輸出端可接一個外部芯片的片選端實現(xiàn)分時片選控制，因此，一個74LS138譯碼器的8根輸出端可以連接8個8K字節(jié)地址空間。單片機的讀/寫信號經(jīng)過與門后控制譯碼器的賦能端G2A、G2B，這就保證只有在讀/寫狀態(tài)時譯碼器輸出端才會輸出片選。
最終儲存器擴展電路如圖 5 儲存器擴展電路圖 5所示。
圖 5 儲存器擴展電路
4.2.3 I/O擴展電路
8255A是一種可編程的I/O接口芯片，可以與MCS-51系統(tǒng)單片機以及外設(shè)直接相連，廣泛用作外部并行I/O擴展接口。數(shù)據(jù)總線（8條）：D0~D7，用于傳送CPU和8255A間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字。 CS：片選線，低電平有效。與譯碼電路相連。 /RD/WR：/RD為讀命令線，/WR為寫命令線，皆為低電平有效，與8031讀寫端相連。A0、A1：地址輸入線：用于選中PA、PB、PC口和控制寄存器中哪一個工作。與地址總線最低兩位相連。 并行I/O總線（24條） ：用于和外設(shè)相連，共分三組。
圖 6 IO擴展電路
4.2.4 伺服電機控制隔離電路
圖 7 光電耦合隔離
在伺服電機控制電路中，由于伺服控制器需要的驅(qū)動電壓較高(24伏),電流也較大，如果將輸出信號直接與控制器相聯(lián)，將會引起強電氣干擾。輕則影響計算機程序的正常進(jìn)行，重則導(dǎo)致計舞機和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器，如圖 7所示。
4.2.5 LED顯示電路設(shè)計
圖 8 LED顯示電路
如圖 8所示顯示電路由一個“米”字形數(shù)碼管，和六個八段數(shù)碼管組成分別由第一片8255A的B、C控制，和第二片8255A的B、C口進(jìn)行控制。顯示方式分別采用靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，動態(tài)顯示即采用掃描方式顯示。由8255APB口送出的八段碼，只有LED公共端為低時，這一位顯示塊才能顯示出字形，通過8255APC驅(qū)動器分別接至各LED的公共端。計算機以人眼不能分辯的速度輪流對6根字位線(PC2~PC7)輸出低電平,可在6個顯示器上顯示出不同的數(shù)字，從而實現(xiàn)掃描顯示。
4.2.6 掃描鍵盤輸入電路
鍵盤工作過程是:無鍵按下時C口引線由10k電阻上拉至高電平，B口的8條列線按一定時間間隔輪流送出低民平。當(dāng)被掃描到某一列線 上有一鍵按下時，
行線被讓成低電平(=0)。這個“0”電平信號被C口捕獲后，計算機讀取信息，并根據(jù)此鍵對應(yīng)的行線和列線計算出鍵值，完成鍵掃描的全部工作。如圖 9所示。
圖 9 鍵盤掃描電路
數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如圖 10所示。
CPUU
I/O接口
光電隔 離
驅(qū)動
伺服電機機
RAM
ROM
外 設(shè)
鍵盤、顯示器
圖 10數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖
4.2.7 其它輔助電路設(shè)計
（1） ８０３１的時鐘電路
單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。
內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時元件，如圖 11所示。晶體可以在１.２～１２之間任意選擇，耦合電容在５～３０pF之間，對時鐘有微調(diào)作用。
圖 11時鐘電路
（2） 復(fù)位電路
單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn)１０ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后ＣＰＵ便從００００Ｈ單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與８０３１復(fù)位要求一致時，可以直接相連。
圖 12 復(fù)位電路
5 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計
5.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容
數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分：
（1） 系統(tǒng)初始化程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是當(dāng)系統(tǒng)開機以后初始化系統(tǒng)。如對I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。
（2） 鍵盤掃描程序。通過掃描方式形成鍵值，對比進(jìn)行輸入。
（3） 轉(zhuǎn)位刀架控制程序
（4） 插補程序，3直線4象限順園插補程序。
5.2 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計
系統(tǒng)的初始化就是要對外設(shè)進(jìn)行控制字的輸入，而控制字的輸入難點在于外設(shè)地址的確定，根據(jù)連接方式確定3片8255A的地址。具體控制字如圖 13所示。
外設(shè)
A15
A14
A13
A12
A11
A10
A9
A8
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
P2.7
P2.6
P2.5
P2.4
P2.3
P2.2
P2.1
P2.0
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
8255(1)
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
8255(2)
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
8255
(3)
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
初始化源程序如下：
ORG 0000h;上電復(fù)位
SJMP START
PORTA EQU #4000H
PORTB EQU #4001H
PORTC EQU #4002H
CTRL EQU #4003H
KA EQU 0BBH
KB EQU 0B7H
START:
MOV DPTR,#2003H; 第一片8255A地址為：0100 0000 0000 0011
MOV A,#10001001B; 方式0，設(shè)置AB口輸出，C口輸入，米形數(shù)碼管與功能按鍵輸入
MOVX @DPTR,A;
MOV DPTR,#3003H，;第二片8255A地址為：0110 0000 0000 0011
MOV A,#10000000B; 方式0，設(shè)置ABC口輸出控制電機與八段六位數(shù)碼管
MOV @DPTR,A;
MOV DPTR,#4003H，;第三片8255A地址為：1000 0000 0000 0011
MOV A,#10011001B; 方式0，設(shè)置B口輸出，AC口輸入，功能按鍵與掃描鍵盤
MOVX @DPTR,A;
圖 13 8255A控制字詳細(xì)解釋
5.3 鍵盤掃描程序設(shè)計
由于I/O口的限制與成本限制，使用掃描鍵盤可以節(jié)約I/O口。源程序設(shè)計如下。
源程序：
KSCAN: MOV R0,0DFH ;從Q5列開始掃描
NXTCOL: MOV A,R0
MOV DPTR,PORTB
MOVX @DPTR,A ;送出列信號
PUSH A;
MOV DPTR,PORTC ;讀入行信號
MOVX A,@DPTR
ANL A,3FH
CJNE A,3FH,FNDKEY ;有鍵按下 跳轉(zhuǎn)
RR R0,1 ;調(diào)整列信號
JC NXTCOL
JMP KSCAN ;無鍵按下 重新掃描
FNDKEY:
CALL NUM;
MOV R2,A
MOV B,A ;列信號存儲到R2 行信號存儲到R3 形成鍵特征值
POP A;
CALL NUM;
MOV R3,A;
INC R3
MOV A,R3
MUL A,B
ADD A,R2;
MOV DPTR,#TABLE
MOVC A,@A+DPTR; 最終鍵值序號被儲存在A中
CALL DLY0
KEYUP: MOV A,0 ;判斷按鍵是否釋放
MOV DPTR,PORTB
MOVX @DPTR,A
MOV DPTR,PORTC
MOVX A,@DPTR
ANL A,3FH
CJNE A,3FH,KEYUP
JMP KSCAN
WT: JMP WT
NUM：;計數(shù)子程序，計算是第幾行或者第幾列鍵盤；
MOV R5,0;
CLR C
NUM0: RRC A;
JNC JIAYI
INC R5;
JMP NUM0;
JIAYI: MOV A,R5
RET
DLY0：;延長時間子程序
PUSH CX
MOV CX,8FH
DLY0AGN: NOP
LOOP DLY0AGN
POP CX
RET
TABLE:
DB '0','1','2','3','4','5'
DB '6','7','8','9','.','+'
DB '-','G','I','K','T','M'
DB 'F','U','W','N','L','Z'
DB 'X','l','C','→','%','↑';l代表LF,C代表copy
DB 'O','H','D','←','*','↓';O代表YON，H代表SON,D代表DEL
END
5.4 轉(zhuǎn)位刀架程序設(shè)計
圖 14 刀架電機連接端口
如圖 14所示為刀架電機的端口連接為刀架電機的I/O口為為第二片8255A的A6端口，與A7端口因此地址為3001H，因此控制刀架電機的源程序為。而刀架位置信號由P1.5反饋，如果轉(zhuǎn)到位則為“1”。
部分源程序如下所示：
MOV DPTR,3001H
MOV A,0100 0000B
GOON: ;啟動電機
MOVX @DPTR,A
JNB P1.5, GOON;判斷電機
POP A
MOV @DPTR,A;關(guān)閉電機
5.5 插補程序設(shè)計
插補技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù)。數(shù)控加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)要解決控制刀具或工件運動軌跡的問題。刀具或工件一步步移動，移動軌跡是一個個小線段構(gòu)成的折線，不是光滑曲線。刀具不能嚴(yán)格按照所加工零件的廓型運動，而用折線逼近輪廓線型。采用時間分割思想，根據(jù)編程的進(jìn)給速度將輪廓曲線分割為每個插補周期的進(jìn)給直線段（又稱輪廓步長）進(jìn)行數(shù)據(jù)密化，以此來逼近輪廓曲線。
5.5.1 第三象限直線插補
圖 15 第三象限直線插補程序流程框圖
源程序：
ＬＰ：
MOV ＳＰ,＃６０Ｈ; 定義堆棧指針
MOV?。矗粒?＃００Ｈ; 偏差單元清零
ＭOV?。矗梗?＃００Ｈ;
MOV DPTR，#3000Ｈ;初始化ＸZ伺服電機
MOV A, #1110000B;
MOVX @DPTR,A
ＭＯＶ Ａ,4EH; 計算終點判別,Xe+Ze之低位
ＡＤＤ Ａ,４ＣＨ
ＭＯＶ?。担埃?Ａ
ＭＯＶ?。?４ＤＨ; Xe+Ze之高位
ＡＤＤＣ?。?４ＢＨ;低位相加,可能產(chǎn)生進(jìn)位
ＭＯＶ?。矗疲?Ａ
ＭOVX DPTR，#3000Ｈ; ＸZ伺服電機上電
MOV A, #1110101B;
MOVX @DPTR,A
ＬＰ２:
ＡＣＡＬＬ?。模蹋? 延時子程序
ＭＯＶ?。?４９Ｈ; 取偏差Ｆ的高８位
ＪＢ?。粒茫茫?ＬＰ４; 偏差Ｆ< 0,去ＬＰ４,調(diào)動Z的偏轉(zhuǎn)程序
ＡＣＡＬＬ ＸＭＰ; ?。疲荆剑?調(diào)Ｘ電動機正轉(zhuǎn)子程序
ＣＬＲ Ｃ; 計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ－Ｙe
ＭＯＶ?。?４ＡＨ
ＳＵＢＢ Ａ,４ＣＨ;可向高位字節(jié)借位
ＭＯＶ?。矗粒?Ａ
ＭＯＶ?。?４９Ｈ
ＳＵＢＢ?。?４ＢＨ
ＭＯＶ ４９Ｈ,Ａ
ＬＰ３：
ＣＬＲ?。?
ＭＯＶ?。?５０Ｈ;
ＳＵＢＢ Ａ,＃０１Ｈ;終判值減一
ＭＯＶ?。担埃?Ａ;
ＭＯＶ?。?４ＦＨ;
ＳＵＢＢ?。?＃００Ｈ ；考慮低位字節(jié)借位
ＭＯＶ?。矗疲?Ａ; 終判值判零
ＯＲＬ?。?５０Ｈ;
ＪＮＺ?。蹋校? 終判值不為零,去ＬＰ２,否則插補結(jié)束
ＬＪＭＰ?。埃埃埃埃?
ＬＰ４：ＡＣＡＬＬ ZＭＰ; 調(diào)Z電動機正轉(zhuǎn)子程序
ＭＯＶ?。?４ＡＨ; 計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ＋Ｘe
ＡＤＤ Ａ,４ＥＨ;
ＭＯＶ ４ＡＨ,Ａ
ＭＯＶ?。?４９Ｈ
ＡＤＤＣ Ａ,４ＤＨ
ＭＯＶ?。矗梗?Ａ;
ＳＪＭＰ?。蹋校?
XMP：MOV A,48H ; 取X電動機當(dāng)前狀態(tài)字
ＣＬＲ?。? 移位法
ＲＲＣ?。?
ＲＲＣ?。?
ＲＲＣ Ａ
ＸＭＰ２：ＣＰＬ?。?
ＡＮＬ?。?＃４９Ｈ; 屏蔽無關(guān)位
ＭＯＶ?。矗福?Ａ; 保存Ｘ電動機狀態(tài)字,作為下次轉(zhuǎn)動的基準(zhǔn)
ＯＲＬ?。?４７Ｈ; 保存Ｙ電動機原狀態(tài)不變
ＸＭＰ４：ＭＯＶ?。模校裕?＃3000Ｈ
ＭＯＶＸ @ＤＰＴＲ,Ａ
ＲＥＴ
ＸＭＭ：ＭＯＶ Ａ,４８Ｈ
ＣＬＲ
ＲＬＣ?。?
ＲＬＣ?。?
ＲＬＣ?。?
ＳＪＭＰ?。兀停校?
ZＭＰ：ＭＯＶ?。?４７Ｈ
ＣＬＲ?。?
ＲＲＣ?。?
ＲＲＣ Ａ
ＲＲＣ?。?
ZＭＰ２：ＣＰＬ?。?
ＡＮＬ Ａ,＃９２Ｈ
ＭＯＶ?。矗罚?Ａ
ＯＲＬ Ａ,４８Ｈ
ＳＪＭＰ?。兀停校?
ZＭＭ：ＭＯＶ?。?４７Ｈ
ＣＬＲ?。?
ＲＬＣ Ａ
ＲＬＣ?。?
ＲＬＣ?。?
ＳＪＭＰ ZＭＰ２
DLY0：;延長時間子程序
PUSH CX
MOV CX,8FH
DLY0AGN: NOP
LOOP DLY0AGN
POP CX
RET
5.5.2 第四象限順圓插補
圖 16 第四象限順圓插補程序
可見，順圓插補程序與直線插補程序結(jié)構(gòu)相似，唯一不同點在于偏差判別函數(shù)的不同。
源程序： LP:
MOV SP,60H; 定義堆棧指針
MOV 4AH,#00H; 偏差單元清零
MOV 49H,#00H;
MOV DPTR，#3000Ｈ;初始化ＸZ伺服電機
MOV A, #1110000B;
MOVX @DPTR,A
MOV 41H,#00H;坐標(biāo)X0
MOV 42H,#00H;
MOV 43H,#84H;坐標(biāo)X0
MOV 42H,#00H;
MOV A,4EH; 計算終點判別,Xe+Ze之低位
ADD A,4CH
MOV A,50H ;終判值儲存
MOV A,4DH; Xe+Ze之高位
ADDC A,4BH; 低位相加,可能產(chǎn)生進(jìn)位
MOV 4FH,Ａ;終判值儲存
ＭOVX DPTR，#3000Ｈ; ?。豘伺服電機上電
MOV A, #1111111B;
MOVX @DPTR,A
LP2:
ACALL DLY0; 延時子程序
MOV A,49H; 取偏差Ｆ
JB ACC.7,LP4; 偏差Ｆ< 0,調(diào)動X的偏轉(zhuǎn)程序
ACALL ZMP; Ｆ＞＝０,調(diào)Z電動機正轉(zhuǎn)子程序
CLR C; 計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ－2|Ze|+1
MOV A,43H ;Z坐標(biāo)值加1
ADD A,#01H;
MOV 43H,A;
MOV A,42H;
ADDC A,#00H;
MOV 42H,A;
MOV A,42H;
ANL A,#01111111B;除去坐標(biāo)符號位
MOV R0,A;
MOV A,4AH;
SUBB, A,43H;可向高位字節(jié)借位
MOV 4AH,A
MOV A,49H
SUBB A,R0
MOV 49H,A
MOV A,4AH;
SUBB, A,43H;可向高位字節(jié)借位
MOV 4AH,A
MOV A,49H
SUBB A,R0
MOV 49H,A
MOV A,4AH;
SUBB A,#01H; 終判值減一
MOV 4AH,A
MOV A,49H
SUBB A,#00H;考慮低位字節(jié)借位
MOV 49H,A
LP3:
CLR C;
MOV A,50H;
SUBB A,#01H; 終判值減一
MOV 50H,A
MOV A,4FH
SUBB A,#00H;考慮低位字節(jié)借位
MOV 4FH,A; 終判值判零
ORL A,50H;
JNZ LP2; 終判值不為零,去ＬＰ２,否則插補結(jié)束
LJMP 0000H
LP4:
ACALL XMP; 調(diào)X電動機正轉(zhuǎn)子程序
CLR C;
MOV A,41H;
SUBB A,#01H; X坐標(biāo)值減一
MOV 50H,A
MOV A,40H
SUBB A,#00H;考慮低位字節(jié)借位
MOV 4FH,A;
CLR C;
MOV A,40H;
ANL A,#01111111B;除去坐標(biāo)符號位
MOV R0,A
MOV A,4AH ;計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ＋2|Ｘi|+1
ADD A,41H;
MOV 4AH,A;
MOV A,49H;
ADDC A,R0;
MOV 49H,A;
CLR C;
MOV A,4AH ;計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ＋2|Ｘi|+1
ADD A,41H;
MOV 4AH,A;
MOV A,49H;
ADDC A,40H;
MOV 49H,A;
CLR C;
MOV A,4AH ;計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ＋2|Ｘi|+1
ADD A,#01H;
MOV 4AH,A;
MOV A,49H;可能產(chǎn)生進(jìn)位位
ADDC A,#00H;
MOV 49H,A;
SJMP LP3;
XMP：
MOV A,40H;更新坐標(biāo)
DEC A
MOV 40H,A
MOV A,48H ; 取X電動機當(dāng)前狀態(tài)字
CLR C; 移位法
RRC A
RRC A
RRC A
XMP2:
CPL A
ANL A,#49H; 屏蔽無關(guān)位
MOV 48H,A; 保存Ｘ電動機狀態(tài)字,作為下次轉(zhuǎn)動的基準(zhǔn)
ORL A,47H; 保存Z電動機原狀態(tài)不變
XMP4:
MOV DPTR,A,#3000H
MOVX @DPTR,A
RET
ZMP:
MOV A,47H
CLR C
RRC A
RRC A
RRC A
ZMP2:
CPL A
ANL A,#92H
MOV 47H,A
ORL A,48H
SJMP XMP4
ZMM:
MOV A,47H
CLR A
RLC A
RLC A
RLC A
SJMP ZMP2
XMM:
MOV A,48H
CLR
RLC A
RLC A
RLC A
SJMP XMP2
DLY0：;延長時間子程序
PUSH CX
MOV CX,8FH
DLY0AGN: NOP
LOOP DLY0AGN
POP CX
RET
6 心得體會
疫情來襲，刻不容緩，宅在家中的我們也迎來了這場沒有硝煙的戰(zhàn)役，任務(wù)布置在云端，任務(wù)提交也在云端，雖然完成課程設(shè)計的過程有點艱辛，但是我們依然通過互相幫助，網(wǎng)絡(luò)查詢等手段，完成了課程設(shè)計。
這次的課程設(shè)計把我們大學(xué)學(xué)的機械相關(guān)的課程都復(fù)習(xí)了一遍，讓我們重溫了一遍工程制圖、機械設(shè)計、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機械原理、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、單片機接口技術(shù)，微機原理等專業(yè)課。這次課程設(shè)計讓我們將機械和電子相結(jié)合，真正的去理解我們這個專業(yè)為什么叫做機械電子工程。
在本次課程設(shè)計剛開始的時候，看到QQ群里面的指導(dǎo)書，雖然通過老師的講解，但是仍然是一頭霧水。本身我們使用車床已經(jīng)是兩三年前的事情了，但是卻讓我們?nèi)ネ瓿蓹C床數(shù)控化改造，簡直就是空中樓閣。但是漸漸經(jīng)過老師的答疑，自己在網(wǎng)絡(luò)上的搜尋，逐步的完成了絲桿設(shè)計計算和電機的選取，但是由于在家設(shè)計，效率不是很高，過了一周多才完成，大大的超出了日程安排，也使得我們在后面畫圖的時間很緊張。之后我們又開始了電氣部分的設(shè)計，對于電氣部分，雖說學(xué)過匯編語言，但是匯編語言實在繁瑣，一個普通的帶進(jìn)位位的加法，就要四五行程序才能完成，實在是繁瑣。
這次課程設(shè)計讓我感覺到有難度的地方就是，插補環(huán)節(jié)，算法本身難懂加上又必須要用匯編語言來寫，又增加了難度，好在網(wǎng)絡(luò)上有插補程序，只需要修改一下坐標(biāo)值就可以了。
此次課程設(shè)計無論是在機械方面還是，電子方面都讓我有了一個更加深入的認(rèn)識。課程設(shè)計是我們學(xué)習(xí)中的一個重要實踐性環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了我獨立設(shè)計思考和分析解決問題的能力，拓寬了我的知識面，同時也鞏固了自己所學(xué)的知識，是一次很好的鍛煉機會，它為我們以后從事技術(shù)工作打下了一個良好的基礎(chǔ)。最后感謝楊老師和同學(xué)們在此次課程設(shè)計中悉心指導(dǎo)與幫助。
7 參考文獻(xiàn)
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