山東英才學院畢業設計題 目 ym-1212 多功能數控激光切割機專 業 機電一體化姓 名 指導教師 二o一o年一月二日41山東大學自學考試課程設計（本科）目 錄第一章 緒論61.1設計任務61.2總體設計方案分析6第二章 機械部分的結構設計82.1 xy工作臺的設計82.1.1主要設計參數及依據82.1.2 xy工作臺部件進給系統受力分析82.1.3初步確定xy工作臺尺寸及估算重量82.2 z軸傳動系統設計9第三章 滾珠絲杠傳動系統的設計計算113.1 強度計算113.2 滾珠絲杠副的傳動效率11第四章 直線滾動導軌的選型13導軌主要分為滾動導軌和滑動導軌兩種，13型號：選用ggb型四方向等載荷型滾動直線導軌副13第五章 步進電機及其傳動機構的確定145.1 步進電機的選用145.2齒輪傳動機構的確定155.2.1傳動比的確定155.2.2齒輪結構主要參數的確定155.3步進電機慣性負載的計算16第六章 傳動系統剛度的分析18第七章 消隙方法與預緊207.1消隙方法207.2預緊21第八章 數控系統設計228.1 確定機床控制系統方案228.2 主要芯片配置228.2.1主要芯片選擇228.2.2 主要管腳功能228.2.3 eprom的選用238.2.4 ram的選用248.2.5 89c51存儲器及i/o的擴展248.2.6 8155工作方式查詢258.2.7狀態查詢278.2.8 8155定時功能278.2.9 芯片地址分配288.3 鍵盤設計298.3.1鍵盤定義及功能298.3.2 鍵盤程序設計298.4 顯示器設計328.4.1顯示器顯示方式的選用328.4.2顯示器接口328.4.3 8155擴展i/o端口的初始化338.5 插補原理358.6光電隔離電路358.7越界報警電路368.8 總體程序控制368.8.1流程圖368.8.2總程序36第九章 步進電機接口電路及驅動38結 論41參 考 文 獻42摘要激光是20世紀人類的重大科技發明之一，它對人類的社會生活產生了廣泛而深遠的影響。作為高技術的研究成果，它不僅廣泛應用于科學技術研究的各個前沿領域，而且已經在人類生產和生活的許多方面得到了大量的應用，與激光相關的產業已在全球形成了超過千億美元的年產值。激光加工技術發展非常迅速，其應用范圍日趨廣闊，激光被譽為“萬能加工工具”“未來制造系統的共同加工手段”。 激光切割的適用對象主要是難切割材料，如高強度、高韌性材料以及精密細復雜的零件，因而數控激光切割在我國制造業中正發揮出巨大的優越性。本文設計了一臺單片機控制的數控激光切割機床，主要完成了：機床整體結構設計，z軸、xy軸的結構設計計算、滾珠絲杠、直線滾動導軌的選擇及其強度分析；以步進電機為進給驅動的驅動系統及其傳動機構的分析設計計算；以89c51為主控芯片的數控系統硬件電路設計、系統初始化設計及系統軟件方案設計和步進電機的控制程序設計。關鍵詞 激光切割機床、cnc、結構、設計abstract laser is the 20th century, one of the major scientific and technological invention, its social life of mankind will have a broad and far-reaching impact. as a high-tech research results, it is not only widely used in scientific and technological research in various frontier areas, and has been in human life in many aspects of the production and obtained a large number of applications, and laser-related industries around the world have been formed more than 100 billion u.s. dollars the annual output value. laser processing technology developed very rapidly, and its increasingly wide range of applications, the laser known as the universal processing tool future manufacturing systems a common processing means.the main target application of laser cutting is hard to cut materials, such as high strength, high toughness materials, and fine complex precision parts, and thus cnc laser cutting in chinas manufacturing industry is playing an enormous advantage.this paper designed a microcontroller-controlled cnc laser cutting machine tools, mainly completed: the overall structure of machine tool design, z-axis, xy-axis of the structural design calculation, ball screws, linear motion guide the choice and intensity of analysis; to step motor drive for the feed drive system and its drive mechanism analysis and design calculation; to 89c51 as the master chip cnc system hardware circuit design, system design and system software to initialize the program design and stepper motor control programming.key words laser cutting machine、cnc、structure、design第一章 緒論1.1設計任務本次設計任務是設計一臺單片機（89c51主控芯片）控制激光切割機床，主要設計對象是xy工作臺部件及89c51單片機控制原理圖。而對激光切割機其他部件如冷水機、激光器等不作為設計內容要求，只作一般了解。單片機對xy工作臺的縱、橫向進給脈沖當量0.001mm/ pluse。工作臺部件主要構件為滾珠絲杠副、滾動直線導軌副、步進電機、工作臺等。設計時應兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。1.2總體設計方案分析參考數控激光切割機的有關技術資料，確定總體方案如下：采用89c51主控芯片對數據進行計算處理，由i/o接口輸出控制信號給驅動器，來驅動步進電機，經齒輪機構減速后，帶動滾珠絲杠轉動，實現進給。其原理示意圖1.1。 微機控制線路圖參考mcs51系列單片機控制xy工作臺線路圖。步進電機參照rorze株式會社的產品樣本選取，以保證質量和運行精度,同時驅動器也選用rorze的配套驅動器產品。滾珠絲杠的生產廠家很多，本設計參照了漢江機床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料，力求從技術性能、價格狀況、通用互換性等各方面因素考慮，最后選用南京工藝裝備廠的ffzd系列滾珠絲杠，即內循環墊片預緊螺母式滾珠絲杠副。本設計棄用z80，而選用單片機。單片機體積小、抗干擾能力強，對環境要求不高，可靠性高，靈活性好，性價比大大超過了z80。比較后選用89c51為主芯片。在使用過程中89c51雖有4k的flash（e2prom），但考慮實際情況需配備eprom和ram，并要求時序配備。選晶體頻率為6mhz，89c51讀取時間約為3t，則t480ns ,常用eprom讀取時間約為200450ns。89c51的讀取時間應大于rom要求的讀取時間。89c51的讀寫時間約為4t，則tr660ns，tw=800ns，常用ram讀寫時間為200ns左右，均滿足要求。根據需要，擴展i/o接口8155，因顯示數據主要為數字及部分功能字，為簡化電路采用led顯示器。鍵盤采用非編碼式矩陣電路。為防止強電干擾，采用光電隔離電路。第二章 機械部分的結構設計2.1 xy工作臺的設計2.1.1主要設計參數及依據本設計的xy工作臺的參數定為：工作臺：12001200mm激光器：軸快流co2激光器，激光功率400w定位速度最大：10m/min重復定位精度：0.05mm/m電源：380vac5%;50/60hz5kva環境溫度：0-45環境濕度：50-95%rh整機重量：1800kg外型尺寸（lwh）:274020201300mm2.1.2 xy工作臺部件進給系統受力分析因激光切割機床為激光加工,其激光器與工件之間不直接接觸,因此可以認為在加工過程中沒有外力負載作用。其切削力為零。xy工作臺部件由工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成,各自之間均以滾動直線導軌副相聯,以保證相對運動精度。設下底座的傳動系統為橫向傳動系統，即x向，上導軌為縱向傳動系統，即y向。一般來說,數控切割機床的滾動直線導軌的摩擦力可忽略不計,但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會影響電機的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預緊措施,其產生的負載波動應控制在很小的范圍2.1.3初步確定xy工作臺尺寸及估算重量初定工作臺尺寸(長寬高度)為:1200120080mm，材料為ht200，估重為650n (w1)。設中托座尺寸(長寬高度)為:12001200250mm，材料為ht200，估重為250n（w2）。另外估計其他零件的重量約為250n (w3)。加上工件最大重量約為120kg（1176n）(g)。則下托座導軌副所承受的最大負載w為:w=w1+w2+w3+g650+250+250+11762286n2.2 z軸傳動系統設計圖3 絲杠示意圖激光切割機對z軸隨動機構要求非常高。在切割中需隨時檢測和控制切割表面的不平度，通過伺服電機和滾珠絲桿調整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點在切割板材的表面位置。由于激光焦點至板面的距離將影響割縫寬窄及質量，因此，要求z軸的檢測精度高于0.010mm：同時，隨動速度應大于5m/min。隨動速度太快會造成切割頭上下震蕩，太慢又造成切割頭跟不上的現象。目前。對加工板材的檢測主要有電容、電感、電阻、激光、紅外等幾種方式。電感式和電阻式屬于傳感器，激光、紅外及電容式屬于非接觸式傳感器。電容式傳感器在運動檢測過程中不發生摩擦阻力，最適于金屬板材和高速切割加工，而激光和紅外位移傳感器對加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場合的切割加工(如強磁場、強干擾環境)。所以在選擇傳感器時，應注意檢測精度和對切割材料的適應性，同時安裝時還需要注意采取抗干擾措施。z軸結構示意圖,如圖2所示 構工作原理為:數控系統向伺服電機發出指令,伺服電機開始旋轉,電機軸與小帶輪通過鍵相連接,從而帶動小帶輪轉動,假定額定轉速為3000 r/min,大小帶輪的配比為1:2,通過同步帶傳動后,大帶輪額定轉速為1500 r/min。大帶輪與絲杠也是通過鍵連接的,絲杠隨之與大帶輪同速同向旋轉。絲杠上的螺母隨著絲杠的旋轉,順著絲杠螺紋而上下移動,從而帶動螺母座上下移動。螺母座與溜板通過螺釘相連接,進而帶動與溜板相連的外導光管上下運動。切割頭是安裝在外導光管上的,從而實現了切割頭的上下運動。為了防止絲杠上沾染灰塵,如圖3所示。在軸承座與軸承蓋上都設計了粘圈,使整個機構密封性更好。第三章 滾珠絲杠傳動系統的設計計算根據機床的受力情況及結構尺寸，參照南京工藝裝備廠的產品系列，選用ffzd內循環墊片預緊螺母式滾珠絲桿，具體型號如下： x向： ffzd 2504-3/490500y向： ffzd 2504-3/5001100因x向的滾珠絲桿比y向的滾珠絲桿所受的負載大，現只計算x向絲桿的相關數據，y向根據x向的結果相同選用即可滿足要求。3.1 強度計算軸向負荷計算公式： （3.1）式中f 切削力，f=0w工件重量加工作臺重量 w=2286nu滾動導軌上的滾動摩擦系數（約為0.003-0.004），取u=0.004則根據式（3.1）： = 0.0042286=9.1n激光切割機滾珠絲杠是在低速條件下工作的。故本處的 go=（0.2-0.3）， =18.4-27.6n。對照樣本參數,這里的go非常小，選定導程為4的滾珠絲杠副。3.2 滾珠絲杠副的傳動效率滾珠絲杠副的傳動效率為: （3.2）式中滾珠絲杠的螺紋升角當量摩擦角 根據當量摩擦系數和當量摩擦角關系（見表3.1），前面已經定v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵hrc45。 所以：=400，tg=0.0025 ；因為=arctg（ph/d） （3.3）式中:ph導程，4mmd絲杠公稱直徑，25mm則根據式（3.3）：2.91則根據式（3.2）得：0.953。表3.1 當量摩擦系數f和當量摩擦角齒圈材料錫 青 銅無錫青銅灰鑄鐵齒面硬度hrc45其它hrc45hrc45其它相對速度 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 山東大學自學考試課程設計（本科）第四章 直線滾動導軌的選型導軌主要分為滾動導軌和滑動導軌兩種， 直線滾動導軌在數控機床中有廣泛的應用。相對普通機床所用的滑動導軌而言，它有以下幾方面的優點：定位精度高：直線滾動導軌可使摩擦系數減小到滑動導軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數相差很小，運動靈活，可使驅動扭矩減少90%，因此，可將機床定位精度設定到超微米級。降低機床造價并大幅度節約電力：采用直線滾動導軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復進行起動、停止的往復運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低90%，具有大幅度節能的效果。可提高機床的運動速度：直線滾動導軌由于摩擦阻力小，因此發熱少，可實現機床的高速運動，提高機床的工作效率2030%。可長期維持機床的高精度對于滑動導軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數情況下，流體潤滑只限于邊界區域，由金屬接觸而產生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小滾動面的摩擦損耗也相應減少，故能使直線滾動導軌系統長期處于高精度狀態。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統設計及使用維護方面都變的非常容易了。所以在結構上選用：開式直線滾動導軌。型號：選用ggb型四方向等載荷型滾動直線導軌副，如圖4.1。圖4.1 直線滾動導軌具體型號：x向選用ggb20ba2p，2 500-4 ；y向選用ggb20ab2p，2 1100-4第五章 步進電機及其傳動機構的確定5.1 步進電機的選用1. 脈沖當量和步距角已知脈沖當量為1m/step，而步距角越小，則加工精度越高。初選為0.36o/step（二倍細分）。2.步進電機上起動力矩的近似計算 電機起動力矩： （5.1）式中: m為滾珠絲杠所受總扭矩ml為外部負載產生的摩擦扭矩，有: （5.2）=920.025/2tg（2.91+0.14）=0.062nmm2為內部預緊所產生的摩擦扭矩，有： （5.3）式中: k預緊時的摩擦系數，0.10.3 ph導程，4cmfao預緊力，有：fao=fao1+fao2取fao1=0.04ca=0.04 1600=640nfao2為軸承的預緊力，軸承型號為6004輕系列，預緊力為fao2130n。故根據式（5.3）： m2=0.098 nm齒輪傳動比公式為：i= ph /(360p)，故步進電機輸出軸上起動矩近似地可估算為： （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則根據式（5.4）：tq=3600.160.0001/(3.60.850.4)=0.4 nm 因tq/tjm=0.866(因為電機為五相運行)。則步進電機最大靜轉矩tjm=tq/0.866=0.46 nm3.確定步進電機最高工作頻率參考有關數控激光切割機床的資料,可以知道步進電機最高工作頻率不超過1000hz。根據以上討論并參照樣本,確定選取m56853s型步進電機，該電機的最大靜止轉矩為0.8 nm，轉動慣量為235g/cm25.2齒輪傳動機構的確定5.2.1傳動比的確定要實現脈沖當量lm/step的設計要求，必須通過齒輪機構進行分度，其傳動比為： （5.5）式中：ph 為滾珠絲杠導程為步距角p為脈沖當量根據前面選定的幾個參數，由式（5.4）得：=0.364/3600.001=4:1=z2/z1根據結構要求,選用z1為30，z2為120 5.2.2齒輪結構主要參數的確定齒輪類型：選擇直齒加工方便。模數選擇：本工作臺負載相當輕,參考同類型的機床后,選擇m1齒輪傳動側隙的消除。中心距的計算：a=m（z1+ z2） （5.6）=1(30+120)/2=75mm齒頂高為1mm，齒根高為125mm，齒寬為20mm。齒輪材料及熱處理：小齒輪z1采用40cr，齒面高頻淬火; 大齒輪z2采用45號鋼，調質處理。5.3步進電機慣性負載的計算由資料知，激光切割機的負載可以認為是慣性負載。機械機構的慣量對運動特性有直接的影響。不但對加速能力、加速時驅動力矩及動態的快速反應有關，在開環系統中對運動的平穩性也有很大的影響，因此要計算慣性負載。限于篇幅，在此僅對進給系統的負載進行計算。慣性負載可由以下公式進行計算： （5.7）式中：jd為整個傳動系統折算到電機軸上的慣性負載。j0為步進電機轉子軸的轉動慣量ej1為齒輪zl的轉動慣量j2為齒輪z2的轉動慣量j3為齒輪z3的轉動慣量mn為系統工作臺質量vm為工作臺的最大移動速率d為折算成單軸系統電動機軸角速度各項計算如下：已知：j00忽略不計， mn=112.5kg齒輪慣性轉矩計算公式： （5.8）其中：為回轉半徑g為轉件的重量滾珠絲杠的慣性矩計算公式： （5.9）最后計算可得：j1=0.110-3kg. m2j2=1.3210-3kg. m2j3=2.9810-4kg. m2j4=1.1410-5kg. m2vm=12 m/sd=2rad/s故慣性負載根據式（5.7）得：jd=j0+j1+(zl/z2)（j2j3）+ j4 (vm/d)2mn=17.3 kg. cm2此值為近似值故此值小于所選電機的轉動慣量。第六章 傳動系統剛度的分析激光切割機xy工作臺其實為一進給傳動系統，其傳動系統的剛度可根據不出現摩擦自振或保證微量進給靈敏度的條件來確定。1. 根據工作臺不出現爬行的條件來確定傳動系統的剛度傳動系統根據工作臺不出現爬行的條件來確定傳動系統的剛度中的當量剛度k或當扭轉剛度c主要由最后傳動件的剛度k0或c0決定的，在估算時，取k=k0，c=c0對滾珠絲杠傳動,其變形主要包括：絲杠拉壓變形扭轉變形絲杠和螺母的螺紋接觸變形及螺母座的變形。軸承和軸承座的變形。在工程設計和近似計算時，一般將絲杠的拉壓變形剛度的三分之一作為滾珠絲杠副的傳動剛度k0，根據支承形式可得： （6.1）式中：e=2.0610 -4(kgf/ mm 2)f=754.8mm 2 l=ls250 mm則根據式（6.1）得：k0=203.2n/mm傳動系統剛度較大，可以滿足要求。2.根據微量進給的靈敏度來確定傳動系統剛度此時傳動系統的剛度應滿足： kf0/ （6.2）式中：k傳動系統當量剛度f0部件運動時的靜摩擦力n 正壓力,n=w/g=230kgff 靜摩擦系數，取0.003-0.004 部件調整時，所需的最小進給量則：f0=2300.004=0.92kgfa=0.5p=0.5m/step即滿足微量進給要求的傳動系統剛度為:kf0/0.92/0.51.84kgf/mm結合上述傳動系統剛度的討論可知滿足微量進給靈敏度所需要的剛度較小，可以達到精度要求。第七章 消隙方法與預緊7.1消隙方法數控機床的機械進給裝置中常采用齒輪傳動副來達到一定的降速比和轉矩的要求。由于齒輪在制造中總是存在著一定的誤差，不可能達到理想齒面的要求，因此一對嚙合的齒輪，總應有一定的齒側間隙才能正常地工作。齒側間隙會造成進給系統的反向動作落后于數控系統指令要求，形成跟隨誤差甚至是輪廓誤差。對閉環系統來說，齒側間隙也會影響系統的穩定性。因此，齒輪傳動副常采用各種消除側隙的措施，以盡量減小齒輪側隙。數控機床上常用的調整齒側間隙的方法針對不同類型的齒輪傳動副有不同的方法。1.偏心軸套調整法 如圖7.1，齒輪裝在電動機軸上，調整偏心軸套可以改變齒輪和之間的中心距，從而消除齒側間隙。2.錐度齒輪調整法如圖7.2所示將一對齒輪和的輪齒沿齒寬方向制成小錐度，使齒厚在齒輪的軸向稍有變化。調整時改變墊片的厚度就能改變齒輪和的軸向相對位置，從而消除齒側間隙。3.雙片齒輪錯齒調整法 圖7.3是另一種雙片齒輪周向彈簧錯齒消隙結構，兩片薄齒輪1和2套裝一起，每片齒輪各開有兩條周向通槽，在齒輪的端面上裝有短柱3，用來安裝彈簧4。裝配時使彈簧4具有足夠的拉力，使兩個薄齒輪的左右面分別與寬齒輪的左右面貼緊，以消除齒側間隙。對比三種方案：第一種需要經常的調整，對于本身就以提高效率為目標的數控機床而言肯定不合適。第二種是很不錯的方案，但在切割機上并不實用。第三種方案相比較而言在數控切割機上適用，而且不需要人為經常調整，很適合數控機床的需要。本設計方案選用第三種方法。7.2預緊滾珠絲杠副在工作臺上的支承方式有兩種。一種是單支承形式；另一種是兩端支承形式，本設計選用兩端支承形式中的“雙支點各單向固定”的支承方式。該形式夾緊一對圓錐滾子軸承的外圈而預緊，提高軸承的旋轉精度，增加軸承裝置的剛性，減小機器工作時軸承的振動。預緊量由廠家提供。第八章 數控系統設計8.1 確定機床控制系統方案根據機械系統方案的要求，可以看出：對機械部分的控制只有進給系統的步進電機的控制和工作臺回轉的步進電機控制。控制系統有微機的、有plc的、也有單片機的，這里采用的是開環控制系統，可以選擇經濟型的單片機控制系統。另外，居然要控制，就得有輸入和輸出設備才能對相應的運動進行控制。其控制系統框圖如圖8.1所示：8.2 主要芯片配置8.2.1主要芯片選擇由于89c51芯片在性價比上比同類單片機高，加上8031、8051市場上已經停產，所以選擇89c51作為主芯片。8.2.2 主要管腳功能89c51是40腳雙列直插式芯片。主要管腳功能: 控制線片外存儲器選擇端，雖然89c51內有4k的flash，但為了方便接線和各程序的存放，故不使用內部程序存儲器，這樣接地，從外部程序存儲器讀取指令。外部程序存儲器選通端,以區別讀外部數據存儲器。 ale地址鎖存控制端,系統擴展時，ale控制p0口輸出的低八位地址送鎖存器儲存，以實現數據和地址隔離。此外ale以l/6晶振的固定頻率輸出正脈沖,可作為外部時鐘或定時脈沖。reset復位端,當輸入的復位信號延續二個周期以上高電平，完成復位初始化操作。89c51中i/o口的介紹p0口外接存儲器時，此口為擴展電路低八位地址和數據總線復用口；pl口用戶使用的i/o口；p2口外接存儲器時,作擴展電路高八位的地址總線；p3口雙重功能口；p0p3口均為八位雙向口。p0口可驅動8個ttl門電路，plp3口只能驅動四個ttl門電路。時鐘xtal1和xtal2，使用內部時鐘時，二端接石英和微調電路；使用外部時鐘時，接外部時鐘脈沖信號。89c51三總線結構：地址總線ab地址總線為16位，外部存儲器直接尋址范圍為64kb，地址總線由p0口經地址鎖存器，提供八位a0-a7，高八位a8a15由p2口直接提供。數據總線db數據總線為8位，自p0口直接提供。,控制總線cb由p3口第二功能控制線、ale、reset組成。8.2.3 eprom的選用為簡化電路，此處選用2764eprom (8k*8位)。本設計采用二片2764eprom，分別存放監控程序,各功能模塊程序,常用零件加工程序。以便于更換各功能模塊程序和零件加工程序時，只需更換各自芯片即可，方便升級。2764芯片主要引腳功能:a0a12 13位地址線d0d7 數據輸出線 數據輸出允許信號 編程控制信號，用于引入編程脈沖 片選信號2764主要工作方式:讀方式及為低電平，vpp5v時處于讀出方式寫方式為低電平, 亦為低電平，vpp21v, 為高電平時，2764芯片處于禁止狀態。將數據線上數據固化到指定地址單元。編程禁止方式一此為向多片2764寫入不同程序而設置的，當vpp=+21v時，為高電平時，2764芯片處于編程禁止狀態。8.2.4 ram的選用數據存儲器ram通常采用mos型，mos型ram分靜態、動態兩種。動態ram集成度高，功耗小，成本低，但控制邏輯復雜，需要定期刷新,尤其是容易受到干擾，對環境、結構、電摞等都有較高的要求。對實時控制系統而言,可靠是第一位的,此處選用大容量靜態ram6264(8k*8位)一片。6264主要引腳功能：a0a12 13位地址線io1io7 數據輸入輸出線 數據輸出允許信號 寫選通信號 片選信號6264主要工作方式:讀方式及為低電平，為高電平時，6264將數據輸出到指定地址。寫方式為低電平，亦為低電平時,允許數據輸入。封鎖方式為高電平時，該芯片沒被選通，不工作。8.2.5 89c51存儲器及i/o的擴展可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對應的軟件命令來加以改變的接口芯片。這類芯片一般具有多種功能，使用靈活方便，使用前必須由cpu對其編程設定工作方式，然后按設定的方式進行操作。8155可編程并行i/o接口具有功能強，價格便宜，且具有與mcs-51單片機配置簡單、方便等優點。是單片機應用系統最常用的外部功能擴展器件之一。(1)存儲器與單片機聯接，主要是通過三總線聯接。應考慮總線的驅動能力是否足夠。存儲器2764、6264存儲量均為8k，需13位地址進行存儲單元選擇，將a0a7腳與地址鎖存器八位地址輸出對應聯接，將a8a13腳與89c51的p2口p2.0-p2.4相聯接，其余地址線經p2.5p2.7經譯碼產生片選信號。數據線聯接將存儲器數據輸出端d0dl與89c51p0口聯接。控制線89c51 與2764相聯，89c51從外部eprom取指令。、 分別與6264、相聯，89c51對外部ram進行讀/寫。 (2)8155許多信號與89c51兼容，可直接聯接，因8155內部已有鎖存器，因此8155數據地址復合線ad0一ad7與89c51p0口直接相聯。地址鎖存信號ale與89c51ale相聯。片選信號經譯碼后產生，以高位地址p2.0直接作為io/信號，此時對8155需要使用16位地址進行編址。8155的結構框圖及引腳排列見圖8.2。8.2.6 8155工作方式查詢8155i/o工作方式選擇通過對8155內部命令寄存器（命令口）設定命令控制字實現。命令寄存器格式及對應的工作方式見下圖8.3。 8155i/o有四種工作方式，即alt1，alt2，alt3，alt4。其中各符號說明如下：aintr：a口中斷，請求輸入信號，高電平有效。bintr：b口中斷，請求輸入信號，高電平有效。abf（bbf）：a口（b口）緩沖器滿狀態標志輸出線，（緩沖器有數據時bf為高電平）。astb（bstb）：a口（b口）設備選通信號輸入線，低電平有效。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口為基本輸入/輸出，c口為輸入方式。alt2：a口，b口為基本輸入/輸出，c口為輸出方式。alt3：a口為選通輸入/輸出，b口為基本輸入/輸出。pc0為aintr，pc1為abf，pc2為，pc3pc5為輸出。alt4：a口、b口為選通輸入/輸出。pc0為aintr，pc1為abf，pc2為，pc3為bintr，pc4為bbf，pc5為。8.2.7狀態查詢8155還有一個狀態寄存器，用于鎖存i/o口和定時器的當前狀態，供cpu 查詢用。其格式如圖8.4：狀態寄存器和命令寄存器共用一個地址，命令寄存器只能寫入不能讀出，而狀態寄存器只能讀出不能寫入。所以可以認為，cpu讀該地址時，作為狀態寄存器，讀出的是當前i/o口和定時器的狀態，而寫該地址時，則作為命令寄存器對i/o口工作方式的選擇。8.2.8 8155定時功能8155芯片內有一個14位減法計數器，可對輸入脈沖進行減法計數。外部有兩個定時器引腳tinein 和timeout。tinein為定時器時鐘輸入，有外部輸入時鐘脈沖，timeout為定時器輸出，輸出各種信號脈沖波形。定時器的格式、輸出波形見圖8.5。由上圖可見，定時器的低8位和高6位計數器定時是出方式由04h、05h寄存器確定。對定時器編程時，首先將計數器及定時器方式送入定時器口，（定時器的低8位和高6位，定時器方式m）04h，05h。計數常數在002h3fff之間。計數器的起動和停止由命令寄存器的最高兩位tm2和tm1決定。但何時讀都可以置定時器的長度和工作方式，然后必須將起動命令寫入命令寄存器。既使計數器已經計數，在寫入起動命令后，仍可改變定時器的工作方式。8.2.9 芯片地址分配89c51支持的存儲芯片，程序存儲器與數據存儲器單獨編址，eprom與ram地址分配較為自由,不必考慮會發生沖突,因89c51復位后,從0000h開始，內部程序存儲器空間為0000h-0fffh，外部2片2764芯片地址分別為0c000h-0dfffh，8000h-9fffh。89c51內部數據存儲器空間為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時，8155(1)內部ram地址范圍 e000h-e0ffh/io1時，端口地址：控制口：e100h；pa口：e101h；pb口：e102h；pc口：e103h；定時器低八位：e104h；定時器高八位：e105h2#8155芯片地址(假定未用地址用0表示)/io0時，8155(1)內部ram地址范圍 0a000h-0a0ffh/io1時，端口地址：控制口：0a00h；pa口：0a01h；pb口：0a02h；pc口：0a03h；定時器低八位：0a04h；定時器高八位：0a05h8.3 鍵盤設計8.3.1鍵盤定義及功能控制面板上布置5個控制鍵，33個功能數字鍵。其中8個鍵有雙重功能，由shift鍵轉換，按下shift鍵，上檔鍵有效。5個控制鍵各功能如下：急停鍵運行時按該鍵，程序立即停止運行。暫停鍵運行時按下該鍵，執行完本程序段后，停止執行下一程序段，等待處理，此為硬件暫停。恢復運行鍵處于急停或暫停時，接下該鍵程序繼續執行。用m00實行軟件暫停時，恢復運行也需要按該鍵。復位鍵編程或運行前，清除內存中的隨機數。對中心鍵鉬絲自動找準預定的中心位置(原點)。30個功能數字鍵包括數字鍵“09”，負號“”，程序開始字“%”，程序段結束字“lf”，序號字“n”，準備功能字“g”，輔助功能字“m”，速度功能字“f”，主軸速度功能字“s”，坐標功能字“x、y、z、i、j、w”。編輯鍵三個：del/ins刪除/插入程序段鍵，disp/zoomdisp顯示程序全段內容，zoom使加工圖形按比例縮放，預置為1，copy程序段復制，idx可設定某一程序段為起割點，單步步進電機走一拍就停止工作，回零鉬絲重新置于起點，運行加工開始確認。8.3.2 鍵盤程序設計本設計采用非編碼式矩陣式鍵盤，1#8155為鍵盤接口，按五行六列布線。pa0pa4為行線，pc0pc5為列線。 a口為輸出口，c口為輸入口，按鍵盤列線，每個鍵對應一個鍵碼，根據鍵碼轉至相應鍵處理子程序。常用鍵識別方法有掃描法和線翻轉法。本設計采用掃描法。其原理是：一條列線為低電平，若此列線上已閉合鍵，則各行線狀態都為高電平，然后按行號、列號求得閉合鍵鍵碼。定義各行首鍵號為00h、06h、0ch、12h、18h，鍵碼=行號列號。鍵號鍵功能對應表8.1 圖8.6 鍵盤掃描流程圖求鍵值子程序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 8.4 顯示器設計8.4.1顯示器顯示方式的選用程序輸入時，涉及數字鍵及n、g、m等功能鍵。采用控制簡單，價格低廉的led顯示器。因數控程序較長，顯示數據較多，一次把整條指令內容全顯示出來很不經濟。采用段顯示法，即依次顯示x、y 、i 、j等數據，一條指令顯示完，再顯示下一條指令。以減少led數量。系統分辨率為1m，最大控制長度為1m，需6位顯示器才能滿足要求，再加上一位符號位，須7位led，為清晰顯示n、g、x、y符號，符號位用一位米字顯示。顯示器顯示方式有靜態、動態兩種。本設計采用動態掃描法，即逐個點亮各位顯示器，因視覺殘留效應，效果與全部顯示器持續點亮一樣。8.4.2顯示器接口為實現顯示器動態掃描，對顯示器提供字形代碼輸入及顯示位控制，因此顯示器接口需有字形和字位控制。89c51p0口輸出bcd碼，通過驅動器、鎖存器輸出字形到led，構成傳送電路。8.4.3 8155擴展i/o端口的初始化由上圖的硬件連接得到8155初始化程序：8155有關地址寄存器端口地址為:100h 命令字寄存器104h 定時器低字節105h 定時器高字節相應初始化程序為:org 0a00hmov dptr,#100hmov a,#7hmovx r0,aend因為p3.3接行程開關,處于高優先級，所以ip、ie初始化為：setb px0 setp px1clr pt0clr pt1clr pssetb ex0setb ex1setb et0setb et1setb escls et2setb eapsw、tcon、tmod初始化：mov psw #00hsetb it0setb it1 setb ie0setb ie1setb tr0setb tr1tmod工作在方式2，所以初始化為： mov tmod #66h山東大學自學考試課程設計（本科）8.5 插補原理插補是對直線、圓弧等低次方程曲線的一種逼近方式。通過計算使沿坐標方向的折線所構成的圖形與加工圖形間