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目 录
设 计 总 说 明 .....................................................................................................
I
GENERAL DESING INTRODUCTIO………………………………………... Ⅲ 目 录 ..................................................................................................................... Ⅵ 第一章 引 言 ....................................................................................................... 1.1数控机床的发展............................................................................................. 1.2数控机床的改造的必要性............................................................................. 1.3本课题的研究对象及其相关参数................................................................. 第二章纵向进给系统总体方案的拟订和论证 ..................................................... 2.1 设计任务 ........................................................................................................ 2.2总体方案的论证............................................................................................. 2.3总体方案的确定............................................................................................. 第三章进给伺服系统机械部分设计 ..................................................................... 3.1切削力的计算................................................................................................. 3.2滚珠丝杆螺母副的计算和选型..................................................................... 3.3齿轮传动比的计算......................................................................................... 3.4步进进电机的计算和选型............................................................................. 第四章 数控系统硬件控制设计 ........................................................................... 4.1控制系统方案确定......................................................................................... 4.1.1数控系统基本硬件组成.......................................................................... 4.1.2总体组成.................................................................................................. 4.2总体组成及软硬件的分配............................................................................. 4.3主控部分的设计............................................................................................. 4.3.1主控芯片选择.......................................................................................... 4.3.2 MCS—51系列单片机介绍 .................................................................... 4.3.3三总线结构.............................................................................................. 4.3.4存储器结构.............................................................................................. 4.3.5时序.......................................................................................................... - VII -
1 1 2 3 4 4 4 5 6 6 7
10 11 16 16 16 16 16 17 17 17 19 19 19
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4.3.6中断功能.................................................................................................. 20 4.3.7MCS---51单片机常用系统扩展芯片 ..................................................... 21 4.4存储器扩展设计............................................................................................. 22 4.4.1芯片选择.................................................................................................. 22 4.4.2地址分配及译码...................................................................................... 23 4.5接口电路及辅助电路具体设计..................................................................... 26 4.5.1.步进电机接口电路................................................................................. 26 4.5.2.键盘、显示接口..................................................................................... 27 4.5.3其他辅助电路………………………………………………………… 29 第五章经济型数控系统软件设计 ......................................................................... 30 5.1软件的组成..................................................................................................... 30 5.2插补原理及其程序设计................................................................................. 30 5.2.1插补方法概述.......................................................................................... 30 5.2.2逐点比较法的直线插补及其程序设计.................................................. 31 5.2.3逐点比较法的圆弧插补及其程序设计.................................................. 34 5.3步进电机运行程序控制设计......................................................................... 36 5.4经济性数控系统的软件模型......................................................................... 37 5.4.1模块组成.................................................................................................. 37 5.4.2缓冲区设置.............................................................................................. 37 5.4.3中段处理器.............................................................................................. 38 5.4.4各模块说明及流程图.............................................................................. 38 结论 ......................................................................................................................... 42 参考文献 ................................................................................................................. 43 致谢及声明 ............................................................................................................. 44
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引 言
1.1机床的发展
机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。
数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。
数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：
1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。
2. 加工精度高； 3. 生产效率高；
4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益；
6. 有利于生产管理的现代化。
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数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。
1.2 数控机床改造的必要性
我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待需要新的制造方法及技术。
科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一，它不仅能够提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。
我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，
全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国一般的中小型企业购置困难，但是中小型企业为了发展生产，急待对原有机床进行改造。
随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。
可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计
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实例具有典型性和实用性。
1.3本课题的研究对象及其相关参数
根据以上分析，本设计选择对CA6140 普通车床地纵向进给系统进行数控改造。横向进给系统的改造与纵向类同。 相关参数：
加工最大直径：在床面上 ?400mm 在床鞍上: ?210mm 最大加工长度： 1000mm
溜板及刀架重力： 纵向 800N 刀架快速速度： 纵向 2.4 mm/min 最大进给速度： 纵向 0.6mm/min 主电机功率 7.5kw 启动加速时间 30ms 机床定位精度 0.015mm
此机床进给伺服系统脉冲当量选择：
根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/step, 横向：0.005 mm/step （半径）。
第二章 纵向进给系统总体方案的设计
2.1 设计任务
本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝
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杠副。
2.2 总体方案的论证
对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。
（1）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。
（2）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：
1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。
除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。
2.3 总体方案的确定
经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造示意图如图所示。车床的纵向（Z轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，
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由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向进给运动。
加工工件图纸数控程序编制手工输入计算机磁带或控制计算机车床功率放大器变速箱步进电机
第三章 机 械 部 分 设 计
纵向进给系统的设计与计算
1、纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任一端。对车床改造来说外观不必项产品设计要求的那么高，而从改造方便，使用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端。
2、纵向进给系统的设计计算，已知条件： 加工最大直径：在床面上 ?400mm 在床鞍上: ?210mm 最大加工长度： 1000mm
溜板及刀架重力： 纵向 800N 刀架快速速度： 纵向 2.4 mm/min
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最大进给速度： 纵向 0.6mm/min 主电机功率 7.5kw 启动加速时间 30ms 机床定位精度 0.015mm
此机床进给伺服系统脉冲当量选择：
根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/step, 横向：0.005 mm/step （半径）
3.1计算切削力
纵车外圆
主切削力FX（N）按经验公式估算：
1.5.5FX=0.67D1=5360 max=0.67×400
车窗创身上加工最大直径，单位为mm 按切削力各分力比例： Fz：FX：FY=1：0.25：0.4 FX=5360×0.25=1340 FY=5360×0.4=2144
FX——走刀方向的切削分力（N）； FY——垂直走刀方向的切削分力（N）。
3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型
滚珠丝杠副传动低效率高，摩擦损失小；启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好，磨损小，使用寿命长，精度保持型好等优点。在经济型数控机床的进
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给系统中，广泛采用滚珠丝杠副传动机构来实现精密进给运动。
纵向进给丝杠设计如下： 1.计算进给率引力Fm(N)
纵向进给为综合性导轨Fm=K+f'(FZ+G)
=1.15×1340+0.16(5360+800)=2530（N） 式中 K-----考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨为1.15; f'----滑动导轨摩擦系数：0.15～0.18 G------溜板及刀架重力 ：800N 2.计算最大动负载c
c=3Lfw Fm L=
60?n?T 610 n=
1000?vs L0L0---滚珠丝杠导程，初选为6mm；
vs—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的12~13，此处为0.6m/min;
T—使用寿命，按15000h;
fw—运转系数，按一般运转取 =1.2～1.5；
L—寿命，以10转为1单位。
61000?vs1000?0.6?0.5n===50r/min
6L0L=
60?n?T60?50?1500==45 661010c=3LfwFm=345?1.2?2530=10798.7N 3、滚珠丝杠螺母副的选型
查阅系列外循环滚珠丝杠副系列尺寸，可选用 4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠，1列2.5圈，其额定动负载为16400N。等级精度选为3级。
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4、传动效率计算
tg?tg2044'????0.94
tg(???)tg(2044'?10')式中?—螺旋升角
?—摩擦角取10滚动摩擦系数0.003～0.004
‘
5、刚度验算
（1）先画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图。最大牵引力为2530N。支撑间距L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。
查滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图，根据Pm=2530N,D0=40mm，查出
?1=
?LL=1.3×10?5
?L×L=1.3×10?5×1500=1.95×10?2(mm) L由于两端采用推力球轴承，且丝杠又进行了与拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量δ
'1（mm）为
'δ
1=
1 ×δ41=
1?2?2×1.95×10=0.4875×10(mm) 4(2)滚珠丝杠与螺纹滚道之间接触变形
查w系列2.5圈1列滚珠丝杠副滚珠和螺纹滚道接触变形图，得变形量
?Q，因进行
11?了预紧 ?2=2Q=2×6.4=3.2μm
(3)支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形
?3
采用51106型推力球轴承，d1=30mm,滚动体直径dQ=8mm,滚动体数量z=8
3Fm253?c=0.00243=0.00243=0.012 2dQ.Z6.35?82公式中Fm单位未kgf
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因施加预紧力，故?3=根据以上计算： δ=δ
1+
1?c=0.006 2?2+?3=0.0045+0.0032+0.006=0.0137mm<定位精度
6．稳定性校核
滚珠丝杠两端推力球轴承，不会产生失稳现象，不需作稳定性校核。 名 称 公称直径 螺 导程 纹 接触角 滚 钢球直径 道 滚道法面直径 偏心距 螺纹升角 螺杆外径 螺 螺杆内经 杆 螺杆接触直径 螺 螺母螺纹直径 母 螺母内经 符 号 d0 L0 β dq R e γ d d1 dz D D11 R=0.52 dq e=(R-w1L4006 40 6 2?44' 3.969 2.064 0.056 2?44' 39 35.984 36.0355 44.016 40.7938 2L0γ=arctg 3.14d0d1= d0+2e-2R dq)sinβ d=d0-(0.2~0.5) dq dz= d0- dqcosβ D= d0-2e+2R D1= d0+(0.2~0.5) dq 3.3齿轮传动比计算
在伺服系统中起间隙主要来自驱动机构中的传动链，它主要有组成传动链的齿轮、丝杠螺母副以及支撑用的轴承制织造与装配误差所产生。丝杠螺母副采用双螺母预进来消除部分间隙，齿轮传动采用双片齿轮传动来消除间隙。 1、纵向进给齿轮箱传动比计算
已确定纵向进给脉冲当量?p=0.01mm/step，滚珠丝杠导程L0=6mm，初选步进电动机步距角0.75。可计算出传动比i:
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i=
360?p
?bL0
=
360?0.01=0.8
0.75?62、可选定齿轮齿数为：
i=
Z13220?或 Z24025 z1=32 ,Z2=40或z1=20 ,Z2=25 齿轮参数表： 齿数 齿顶圆直径 分度圆直径 齿根圆直径 齿宽
经过综合考虑，选第一组数据。
32 68 64 59 12 40 84 80 75 12 20 44 40 35 12 25 54 50 45 12 3.4步进电机的计算和选型
步进电机的选择原则：首先必须保证步进电机的输出转矩大于负载转矩。所以应先计算机械系统的负载转矩，并使所选电机的输出转矩有一定余量，以保证可靠运行。
其次应使步进电机的步矩角与机械系统匹配，已得到机床所需的脉冲当量。
最后应使被选电机能与机械系统的负载惯量及机床要球的启动频率相匹配，并有一定余量，还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求
1． 等效转动惯量
传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量J? (kg.cm) 可由下列计算： J?=Jm+J1+(
2Z12GL)[（J2+JS）+(0)2] Z2g2?2式中 Jm-----步进电机转子转动惯量 (kg.cm)；
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J1、J2------齿轮z1,Z2的转动惯量 (kg.cm2)； JS------滚珠丝杠转动惯量 (kg.cm2)。
参考同类型机床，初选反映式步进电机150BF，其转子转动惯量Jm=10 kg.cm2 J1=0.78?10?3?d11L1=0.78×10?3×6.44?2=2.62 kg.cm2
4J2=0.78?10?3?d24?L2?0.78?10?3?84?2=6.39 kg.cm2 JS=0.78?10?3?44?150=29.952 kg.cm2
G=800N
代入上式
J?=Jm+J1+(
=10+2.62+(
Z12GL)[（J2+JS）+(0)2] Z2g2?3228000.62)[（6.39+29.952）+()] 409.82? =36.355 kg.cm2
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，
Jm/ J?=10/36.355=0.275 基本满足惯量匹配的要求。
2． 电机力矩计算
机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算： （1） 快速空载起动力矩M起
在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：
M起=Mamax+Mf+M0
nmax2??nmax?10?2?2Mamax=J???=J?×10=J??
6060?ta*ta2?nmax?vmax?p??b360?
将前面的数据代入，式中各符号意义同前。
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nmax?vmax?p??b360?=
24000.75=500r/min ?0.01360起动加速时间ta=30ms
2??nmax?10?22??500=30.66×?10?2=534.85N.cm Mamax=J??60?0.0360?ta折核算到电机轴上的摩擦力矩Mf： 当η=0.8，f'=0.16时
F0L0f'(PZ?G)?L00.16(5360?800)?0.6??=94N.cm Mf=
z22??i2??0.8?1.252??z1附加摩擦力矩M0
1?Fm?L0FP0L02 M0= (1??0)?3Z2??i2??2Z11?2530?0.63（1?0.92）==805.3×0.19=153N.cm 2??0.8?1.25 FP0------滚珠丝杠预加负荷，一般取1Fm
3
?0------滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取?0?0.9
上述三项合计：
M起=Mamax+Mf+M0 =634.5+94+153=881.5 （2）快速移动时所需力矩M快
M快=Mf+M0=94+153=247N.cm
（3）最大切削负载时所需力矩M切
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M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+
FxL01340?0.6 ?94?153?2??i2??0.8?1.25 =94+153+127.96
=374.96N.cm
从上面计算可以看出，M起、M快、M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以西向作为初选步进电动机的依据。
由步进电动机起动转矩Mq与最大静转矩Mjmax关系查出 当步进电机为五相十拍时，??MqMjmax=0.951
最大静转矩Mjmax=Mq/λ=782/0.951=822.3N.cm
按此最大静转矩从表《国产BF反应式步进电机技术数据》查出150BF的最大静转矩
Mjmax=13.72N.cm，大于所需最大静转矩。可作为初选型号，但必须进一步考核步进电机
起动矩频特性和运行矩频特性。
3．计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率
1000vmax1000?2.4fk??=4000HZ
60?p60?0.01fe?1000vs1000?0.6?=1000HZ
60?p60?0.01查出150BF002型步进电机的最高起动频率为2800HZ，运行频率为8000HZ，在从图起动频矩频率特性看出，当步进电机起动时，f起=2500HZ时，M=100N.cm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩822.3N.cm，直接使用 则会产生时步现象，所以必须采用升降速控制（用软件控制），将起动频率降到1000HZ，起动力矩可增高到588.4N.cm,然后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。
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第四章 数控系统硬件电路设计
4.1控制系统方案确定
4.1.1数控系统基本硬件组成
任何一个数控系统都有硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统的硬件电路由四部分组成：
（1） 中央处理单元CPU；
（2） 总线。包括数据总线（DB）、地址总线(AD)、控制总线（CB）； （3） 存储器。包括只读可编程存储器和随即读写存储器； （4） I/O输入/输出接口电路。 该控制的组成如下：
4.1.2.总体组成
主控器：单片机
存储器：EPROM RAM
主 控 I/O接口：键盘、显示及步进电机
制 器 键盘 存储系统 显示器 电机接口 系统总体确定后，进行各部分设计 图4-1 控制系统图 - XXII -
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4.2软、硬件任务合理分配
涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用专用硬件芯片实现，也可以用软件编程实现。用硬件实现，编程时较简单，但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种何法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软、硬件方面的实际经验及能力。此处决定如下：控制步进电机用的脉冲发生器用硬件，采用国产YB104环形分配器实现。字符发生及键盘扫描均由软件实现。
4.3主控器
4.3.1主控芯片选择
近年来国外一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种8位的单片微型计算机----单片机。主要有Inter公司的MCS—48 系列，MCS--51系列等等，目前在国内用的较广，开发工具较齐的是MCS--51系列。这里选用MCS—51系列中的8031。
4.3.2.MCS—51系列单片机介绍
下面介绍与硬件设计及软件编程关系密切的有关MCS—51系列单片机的一些特性。
1） MCS—51系列单片机的基本特性
单片机是集CPU、 I/O端口及部分RAM与一体的功能很强的控制器。现用得较广泛的是MCS—51系列。该系列包括三个产品8031、8051、8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有一些差异，主要是：8031是无ROM的8051，而8751则使用EPROM代替ROM的8051。通常所说的MCS—51单片机是该系列的简称。
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用得较多的是该系列中的8031。
MCS—51单片机的基本特性如下（以8051为例） (1)具有8位的中央处理器； (2)芯片内有时钟发生电路； (3)具有4KROM； (4)具有128字节RAM；
(5)具有21个特殊功能的寄存器； (6)具有4个I/O 端口，32根I/O线； (7)可寻址64K外部数据存储器 (8)可寻址64K字节外部程序存储器； (9)具有两个16位定时/计数器；
（10）具有5个中断源，配备2个优先级； （11）具有一个双全功能串行接口； （12）具有位寻址能力，适于逻辑运算。
从上述特性可以发现，一块8051芯片，功能几乎相当于由一块Z80CPU、一块2732EPROM、 一块Z80CTC、一块RAM、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机计算机系统。
2）．管脚功能及应用特性简介 (1)引脚功能分类
按引脚功能可分为三类，即
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①I/O线：P0、P1、P2、P3共4个8位口。
②控制线：PSEN(片外取指令控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制)。
③电源及时钟：Vcc、Vss 、XTAL1、XTAL2 (2)应用特性
①I/O口线不能都用作用户线，除8051、8751外，真正可完全为用户使用的口线只有P1口，以及部分作为第一功能使用的P3口；
P1、P2 、3口则只能②I/O口的驱动能力为：P0口驱动8个TTL门电路，P驱动4个TTL门；
③P3口试双重功能；
④时钟频率：外接时钟频率可在1.2M～12MHZ间选择。
4.3.3三总线结构
单片机的三总线结构如下。 （1）地址总线AB
地址总线宽度为16位，故其外部存储器直接寻址范围达64字节，16位地
AAAA
址总线由P0 口经地址锁存器提供低8位0～7,高8位8～15 由P2口直接提供。
（2）数据总线DB 数据总线宽度为8位，由（3）控制总线CB
P0口直接提供。
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由P3口的第二功能状态和4根独立的控制线RESET、EA、ALE、PSEA组成。
4.3.4存储器结构
单片机存储器包括程序存储器(EPROM ROM)和数据存储器(RAM)，可直接寻址的存储器结构如图4-2。
其中外部程序存储器和数据存储器都需要扩展电路。
4.3.5时序
由于单片机中程序存储器和数据存储器严格分开，因此，程序存储器的操作时序中分为两种情况：不执行MOVEX指令和执行MOVE指令。两种情况的操作时序如图4-3。对于存储器的扩展、芯片的选择极为重要。
4.3.6中断功能
INT1 输入的外部中断MCS---51单片机提供5个中断请求源。两个由INT0、请求， 两个位片内的定时器/计数器溢出请求T0、T1 ，一个为片内的串行口中P断请求TXD或RXD。这些中断源的引脚如图所示，为3口的第二功能。对于每个中断请求源，都可编程为高级优先级或低级优先级，实现二级中断嵌套。当CPU 执行关中断指令后才有可能接受中断申请，每一个中断源可由软件编程为允许或禁止中断。
8031个中断源的优先级及入口地址如表1，入口地址不因优先级的改变而改变。
表 1 中断源、优先级及入口地址 中断源 外部中断INT0 优先级 入口地址 中断源 优先级 0 0003H 定时器/计数器T1 3 - XXVI -
入口地址 001BH 本科毕业设计（论文）通过答辩
定时器/计数器1 T0 外部中断INT 12 000BH 0013H 串行中断 4 0023H 表中0级为最高，4级为最低。
图4-2 MCS---51存储器结构。
4.3.7MCS---51单片机常用系统扩展芯片
在MCS---51单片机应用系统中，常用的系统扩展芯片有程序存储器、数据存储器、口以及其它功能芯片，如定时器/计数器、中断控制器等。现分述如下：
程序存储器
主要是紫外线擦抹得可编程只读存储器。通常采用标准芯片如2716、2736、2764、27128、27256和27512。
数据存储器
静态RAM。无需刷新，但功耗大，成本高。目前常用的静态RAM是6116和6264。
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动态RAM。功耗小，成本低，但须刷新。主要动态RAM有2164 和41464。 一般控制系统多采用静态。 I/O口扩展集成芯片
I/O口扩展芯片可分为三种类型。
专用I/O口扩展芯片，这类芯片专用于扩展I/O口用。主要有8255。 I/O扩展复合芯片。这类芯片除了能扩展I/O口外，还能扩展其它外围功能电力路，主要有8155。
电路芯片。这是一类广泛用作MCS---51单片机I/O口扩展芯片，主要有74LS373、273、374、244等。
其它各种功能芯片
MCS---51还可扩展下列具有各种专用功能的外围芯片。 8259：可编程中断控制器 8279：可编程键盘/显示控制器 8253：可编程通用定时器。 8251：可编程通信控制器
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图4-3 外部程序存储器的操作时序
4.4存储系统扩展设计
4.4.1芯片选择
1）．选择
MCS---51单片机应用系统中，使用最多的EPROM是典型系列芯片2716、2732、2764、27128、27256，各芯片的管脚及其兼容性能如图所示。各种型号的EPROM有不同的应用参数，主要由最大读出速度、工作温度及容量。
在容量确定时，选择EPROM的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确工作的前提。根据CPU与EPROM时序匹配要求，应满足这样一个
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关系：即8031所能提供的读取时间大于EPROM所要求的读取时间。
8031访问EPROM时，其所能提供的读取时间t与所选用的晶体时钟有关，约为3T，其中T为时钟周期。如选用晶体频率为12MHZ，则t?240ns，若晶体频率选用6MHZ，则t?480ns。本系统选用晶体频率为6MHZ。
根据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需大量计算来确定存储系统总容量，包括EPROM容量和RAM容量。在产品研制阶段，存储容量一般不易精确确定，设计者可以作粗步估算，或凭工作经验，或与其它相似控制系统类不确定。另外，对EPROM和RAM都应留有一定余量，以备系统功能扩充之用。在实际设计中，应考虑尽量使系统电路简化，在满足容量要求是尽可能选择大容量芯片，以减小芯片组合数量。目前大容量芯片价格日趋便宜，小容量芯片面临减产价格上升的局面，故采用较大容量芯片，从长远的经济效益也有好处。
据此，选用一片2764，EPROM具体型号根据市场货源及价格选购。 2）、RAM选择
RAM分为静态RAM和动态RAM，静态RAM无需考虑保持数据而设置刷新电路，扩展电路简单。单片机的扩展RAM 多选用静态。
在选RAM时，主要考虑因素同样是RAM 的读些速度与CPU所提供的读些时序的匹配要求。类似，也应满足这样一个关系：即8031所能提供的读些时间应大于RAM所要求的读些时间。
常用RAM主要有6116和6264。典型读些时间为200ns左右。8031所能提
t供的对RAM的读些时间与所选时钟频率有关，其大致关系为 tR=4T，W=5T。tR、
tR?331ns，、 T分别为读时间、写时间及时钟周期。当选时钟频率为12MHZ时，
tW?400ns。由此可见，常用的RAM都能满足单片机时序要求。
类似，这里选用大容量的RAM6264一片。
tW- XXX -
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4.4.2地址分配及译码
1)、地址分配
与一般存储系统不同，8031单片机所支持的存储系统，其程序存储器与数据存储器独立编址。因此，EPROM和RAM的地址分配比较自由，不必考虑是否发生冲突。
由于8031复位后从000H单元开始执行程序，故程序存储器地址应从000H开始，有多片组成的情况下，各片间地址可连续，也可不连续，只是后者浪费一些空间。这里只用了一片，故不存在此问题。因此8K的地址为0000H～1FFFH。
扩展RAM的地址与I/O口及外围设备实行统一编址，任何扩展的I/O口及外围设备均占用数据存储器的地址空间。对本系统，RAM容量及扩展I/O外围设备数量不是很多。64K 空间只需很小一部分，为便于RAM和I/O的统一编码，作如下安排：RAM占0000H～FFFFH,I/O占2000H～1FFFH，其余未作分配。8K的RAM可以分配在0000H～1FFFH。
2）、地址译码及译码线路
地址译码有线性译码法、译码器译码法等。一般译码时首先应根据地址分配，列出参加译码芯片的地址变化情况，然后便可画出其译码线路。由于EPROM RAM各只有一片，故可用线性译码法。据此很容易得到EPROM、RAM的译码线路图。如图4-4。
3）、EPROM、 RAM与8031的联接
存储器与单片机的联接，主要是三总线的联接。应考虑单片机总线的驱动能力是否足够，若不够，应加适当的驱动，如加总线驱动器74244、74245等。根据前面介绍的单片机8031的驱动特性知，在此不必加驱动。下面给出 EPROM、 RAM与8031的具体联接。
（1）地址总线
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将 A0~A12与A0~A12的EPROM 一一对应相连，A0~A12与RAM的A0~A12 一一对应相连，其余地址线经译码器产生片选信号。
（2）数据总线
数据线的联接是将D0~D7分别与存储器的D0~D7一一对应相连。 （3）控制总线
单片机返访问EPROM 和RAM的控制信号主要有：
PSEN：外部EPROM 取指令信号。 WR：即P3.6，外部RAM写信号。 RD：即P3.7，外部RAM读信号。
根据上述控制信号的功能，可将PSEN与EPROM的OE相连，WR、RD分别与RAM 的WR、RD相连即可。
这样，可以得到如图4-5所示的8031及其扩展存储器的连线图。
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本科毕业设计（论文）通过答辩
图4-4EPROM、 RAM译码线路
图4-5 EPROM、 RAM与8031的接线图
至此，完成了本系统存储器部分的设计。
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4.5接口电路及辅助电路具体设计
本系统接口电路包括键盘、数码显示及步进电机接口电路。辅助电路包括
复位电路、时钟电路及报警指示电路。
8031单片机的P1口可以用作I/O接口，为管理上述接口电路，还需扩展接口，作如下分配，用8031单片机的P1口管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。
4.5.1.步进电机接口电路
有前面总体设计知，步进电机的脉冲发生采用硬件实现，所用芯片为YB104相4拍环形分配器。
一般情况下，该芯片的两个输入控制端E1、E2可直接接地，如工作方式设定在4相4拍，只需将A0、A1接地即可。这样，该芯片的所剩控制端主要还有方向控制端：-Δ、+Δ、选出输出控制端E0、时钟输出控制端CP及清零端R0。要正确控制步进电机，必须正确控制这些信号。在此确定所需的方向机输出控制信号由单片机的P1 口控制，所需的时钟脉冲有定时器提供，清零端由8031的P1.5 引脚提供，以防乱相。
X、Z向步进电机各自用一个环形分配器控制。用P1.0、P1.1 分别用作X向所需的方向机输出控制信号，P1.3、P1.4分别用作Z向的方向及输出控制信号。
4.5.2.键盘、显示接口
1）、键盘
确定键盘的键数及结构，应根据工作台的要求。为简单，设置几个功能键： “↑”、“↓”、“←”、“→”、复位键、暂停键、其对应功能见表3。
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本科毕业设计（论文）通过答辩
表2 环形分配器引脚功能
表3 功能键及作用
键盘的结构多为矩阵结构，这里由于键数少，故采用简单的结构，每一个键相当于一个开关，如图4-6所示。
2）、数码显示
根据工作台的精度及工作范围，采用5位数码显示。其中整数部分（包括小数点）3位，小数部分2位，坐标原点设定在工作台的左下角。
3）、扩展接口
在单片机应用系统中，同时需用使用键盘和显示时，常常把键盘和显示电路做在一起，以节省I/O 线。这里选通用可编程接口芯片8155管理键盘和显示。
根据键盘的结构和显示器的输入要求，8155的I/O口分配见表4。 4）、8155与8031的联接
8155与8031的联接也可归结为其三总线的联接。8155具有地址所存信号控制，故可直接将8031的P0口线对应的联至8155的AD0～AD7,同时将8031的地址所存ALE与8155的ALE联接。其他如读写控制线也相应联接即可。8155的
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本科毕业设计（论文）通过答辩
地址已在前面存储器扩展时作了安排，其地址占为：2000～2FFF，故可将 P2。5 经一反相器直接联至8155的片选脚CE。
图4-6 键盘结构
表4 8155I/O功能分配
4.5.3其他辅助电路
1、复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上高电平，单片机变实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。
单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。本系统硬是用上电与按钮复位组合。
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本科毕业设计（论文）通过答辩
复位电路中的电阻、电容参数与CPU 所采用的时钟频率有关，要保证RESET出现10ms 以上高电平，最好由试验调整。
2、时钟电路
三片机的时钟可以有两种方式产生：内部方式和外部方式。
内部方式：利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件。晶体可以在1.2～12MHZ间任选，电容在5～30pF之间，对时钟有微调作用。
外部时钟方式：XTAL1接地，XTAL接外部时钟源。 这里选用内部方式，时钟频率为6MHZ。 3.其它
为了整体控制需要，在硬件上应将8155的定时输入端TMOUT 联接到8031的 TMOUT端，其作用在软件部分再作说明。另外，还应将8155的定时输入端与步进电机控制用的环形分配器的CP端相连，其作用已在前面说明。
由此，硬件部分设计完成，可画出完整的单片机控制系统的线路图。可见连好的图纸5。
第五章 控制系统软件设计
5.1软件设计的组成
软件设计工作，按其功能可分为两类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如步进电机控制、插补、误差补偿计算、零件加工程序、显示输出等；另一类是监控（管理）软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序，它完成人机通信并协调各执行程序和操作者之间的关系，在阮籍系统中充当组织调度的角色，如系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令等。
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本科毕业设计（论文）通过答辩
进行软件设计时，常将整个系统的任务按功能分成一个一个的模块，并为每一个执行定义。显现介绍几个主要模块的设计技术。
5.2插补方法及程序设计
5.2.1插补方法概述
经济性数控机床是用步进电机或伺服电机驱动机构，是刀具相对工件沿着制定的路径运动，切削零件的轮廓，并保证切削过程中每一点精度和表面粗糙度符合一定的要求。当加工具有与坐标方向一致的直线轮廓的工件时，只要沿其坐标方向进给就能满足加工要求。如果加工斜线和圆弧，就必在两坐标轴方向上控制进给才能加工出制定的轮廓。如果加工复杂的曲面，就必须在三坐标轴上控制进给才能满足轮廓加工要求。
每一方向的进给运动是靠步进电机拖板产生的，而步进电机的运动则是靠数字脉冲来控制的。一个脉冲能使拖板产生的位移量成为脉冲当量，常用Δx、Δy表示。因而知道了平行轴向的加工轮廓长度，就可换算成步进电机控制脉冲总数，从而完成零件加工。但问题是在加工斜线和圆弧轮廓时，实际是二坐标交替运动，刀具运动的轨迹是折线而不是斜直线和圆弧，如图所示。这就必须要求数控装置沿两个坐标不断地发出相互协调的脉冲，控制机床拖板作相应地移动，使道具轨迹按一定要求的精度符合设计的表面轮廓。这种保证完成直线或曲线加工的坐标轴间合理脉冲分配计算，就成为插补运算。若在坐标轴间按一定比例或规律分配脉冲，就可加工出斜直线或曲线轮廓。脉冲当量是脉冲分配的基本单位，按加工单位选定。经济性数控机床通常为0.01mm，精度较高的为0.005mm。
目前常用的各种插补算法大致分为两类： （一）脉冲增量插补（形成标量插补） （二）数字增量插补（时间标量插补）
这两种插补方法各有其长处和短处，并且不断发展和改善。其中，较为成熟并得到广泛应用的是脉冲增量插补中的逐点比较法，它是一种最早的插补算
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法，该法的原理是：系统在控制过程中，能逐点的计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给轴向给定轮廓靠近，缩小偏差，使加工轮廓逼近给定轮廓。
逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧曲线的，它与规定的直线或圆弧之间的最大误差不超过一脉冲当量，因此，只要将脉冲当量取得足够小，就可以达到精度要求。
5.2.2逐点比较法的直线插补及其程序设计
1．逐点比较法的直线插补
经济性数控系统中，刀具的二坐标方向常按迪卡尔坐标系建立与分析。在迪卡尔坐标系中，x、y轴把一个平面化分为四个象限。若在插补过程中，只允许沿一个坐标轴的方向上单独进给脉冲，即插补所得的中间点的位置可以向四个坐标轴方向中任一个方向移动，来逼近要求的线型，称为四方向插补。若在插补过程中，除允许四个坐标方向进给外，允许两个坐标上同时进给脉冲，即允许+x、-x、+y、-y 任一作为进给方向外，还允许+x与+y，+x与-y，-x与-y，+y与-x同时运动所形成的四个合成方向作为进给方向这样插补所得的中间点的位置可以有八种方向共给选择，来逼近要求的线型，这种插补成为八方向插补。
一般而言，采用八方向插补方法加工出来的工件质量要高些。现已四方向插补方法介绍各种插补方法和程序设计。
其原理是：计算机在控制加工轨迹过程中，逐点计算和判别加工偏差以控制坐标进给方向，从而按规定的图形加工出合格工件。这种插补方法的特点在于每控制机床坐标走一步时都要完成四个工作节拍，即
Ⅰ.偏差判别。判别加工点对规定几何轨迹的偏离位置，然后决定拖板的走向；
Ⅱ.进给。控制某坐标工作台进给一步，向规定的轨迹靠拢，缩小偏差； Ⅲ.偏差计算。计算新的加工点对规定轨迹的偏差，作为下一步判别走向的依据；
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Ⅳ.终点判断。判别是否到达程序规定的加工终点，若到达终点，则停止插补，否则再回到第一拍。如此不断的重复上述循环过程，就能加工出所要求的轮廓形状。
1).第一象限直线插补方法 (1) 加工偏差计算与进给
如图所示，设要在x、y平面第一象限内加工以坐标原点O为起点，以A(xe,ye)为终点的直线段， 与x坐标轴的夹角为?，对于某一时刻加工点M的坐标(xi,yi)，直线起点O到加工点M的连线与x轴的夹角为?i。
若?i>?，表示加工点M在规定直线上的上方，为了缩小偏差，应控制拖板沿+x方向给一步；
若?i
对于?i=?，表示加工点M在规定直线上，为了继续工作，也必须控制拖板走一步。如果把这种情况归纳在第一种情况，则应向+x方向走一步。
有三角函数可知：
yiy tg??e xixe比较?i与?的大小只要比较tg?i与tg?的大小即可，故
yytg?i?tg??i?e?(xeyi?xiye)/xe?xi
xixe由于在同一象限内xexi同号，所以xexi?0。这样，比较tg?i与tg?的大小
tg?i?就归结为比较xeyi和yexi的大小。因此取PI,J?xeyi?xiye作为直线加工偏差公式。
当加工点M(xi,yi) 在直线上时，PI,J?0； 当加工点M(xi,yi) 在直线上方时，PI,J?0； 当加工点M(xi,yi) 在直线下方时，PI,J?0； 这里PI,J的值为偏差。
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本科毕业设计（论文）通过答辩
（2）偏差计算
按上述偏差计算公式进行插补计算，既要做一般的乘法运算，又要做减法运算，比较麻烦。为了简化计算，将判别式中的乘法运算过程变为加、减运算过程。这种方法的特点还在于：每走一步，新加工的点的加工偏差用前一点加工偏差递推出来，这种方法称为递推法。
若加工点M(xi,yi)在OA 直线上方（或在直线上）即PI,J?0，则沿x轴正
xi?1=xi?1, yi=yi，向发一进给脉冲，使加工点移动一步至点M1 (xi?1,yi) ，得：所以，M1点的偏差：
PI,J?xeyi?(xi?1)ye?xeyi?xiye?ye?PI,J?ye
若点M1在直线下方，即PI,J?0，那么应向y轴正向发一进给脉冲，使加工点到达点M2，得：xi?1=xi?1, yi?1=yi+1于是
PI,J?xeyi?1?xi?1ye?xe(yi?1)?xi?1ye?xeyi?xi?1ye?xe?PI,J?xe 由上述偏差计算的递推算式中可看出，新加工点的偏差值完全可以用前一加工点的偏差值的推出来。
综上所述，第一象限偏差公式与进给关系如下表所示：
P>0 进给 +ΔX 计算 P<0 进给 +ΔY 计算 PI?1,J?PI,J?ye PI,J?1?PI,J?xe （3）终点判别 如果加工点到达直线终点(
xe,ye)时，必须自动停止进给。
因此，在插补过程中，每走一步在计算偏差的同时还要进行一次终点判断，以确定是否到达加工终点。如果没有到达终点，就继续作插补运算。如果已到达加工终点，就必须自动停止插补运算，发出停机信号或换新程序段输入信号。判别终点的方法通常有两种：
一是利用终点二坐标值之和作为判别终点的依据。 一是取终点坐标
xe和
ye中较大之值为判别重点依据。
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上面说的是第一象限的插补运算，其它三象限的可以仿照第一象限获得，区别只在于控制进给运动方向不同。
2.直线插补的程序设计
由表5-1可知，直线插补是和线型、加工偏差及进给方向有关。直线插补的主程序图件图纸5。程序应用说明如下：
线型 F≥0 进给 L1 L3 L32 L4 +Δx -Δx +Δy -Δy 偏差计算 F≤0 进给 +Δy -Δy 偏差计算 F'?F?ycF'?F?xcF'?F?xc-Δx +Δx F'?F?yc
1）、PIO设端口为输出状态，其中B口控制x方向步进电机，A口控制y方向步进电机，步进电机均采用五相十拍。
2）、数据单元：设 Xe与 Ye均小于128，2900 单元放xe ;2901单元放ye；2801为 x向步进电机控制码首址，2811为y 向步进电机控制码首址。
3）、控制状态标志：2820中，D0 、D2分别为向步进电机转、停控制位，0位停，1为转；DD 分别为 项的正反转控制位，0位反转，1为正转。
5.2.3逐点比较法的圆弧插补及其程序设计
如果知道了圆心坐标、半径、始点和终点坐标值，就可以唯一的画出一段圆弧。因此，当圆心在笛卡尔坐标系的原点时，只需给出始点坐标（x0,y0），终点坐标（xe,ye），这段圆弧也就做出来了，此时的圆弧半径可算出
R?x0?y0 。
1.第一象限圆弧插补方法
22- XLII -
本科毕业设计（论文）通过答辩
（1）偏差判别 设要加工的圆弧AE属于逆圆弧，其圆心在坐标原点，起点坐标为A（x0,y0），终点坐标为E（xe,ye）。圆弧AE把第一象限分为两个区域:A?表示圆外区域,A?表示圆内区域。
当某一时刻的加工点坐标为 M（xi,yi）时，则其点M相当于圆弧的偏离位置可视M落在A?或A?区域内来区别，于是有：
??R2?22?2OM?xi?yi??R2?2??R?22M点在A?区域M点在圆弧上M点在A?区域
式中R?x0?y0 为圆弧半径。
若令 F?xi?yi?R2 (3)
??0M点在A?区域?则有 F???0M点在圆弧上??0M点在A区域??22
式（3）称为圆弧插补判别式。
（2）进给 为了使加工点逼近理想圆弧，对于逆圆弧的加工，当F＞0时，应控制刀尖沿方向走一步；当F< 0时，归并到F＞0的情况。
同理，对顺圆弧加工时，当F ≥0时，向-y方向进给一步；当F< 0时，向 +x方向进给一步.
（3）偏差计算 偏差判别式的缺点是驻点进行平方计算，然后再作加减运算，既麻烦又费时。为简化偏差判别式的计算，仍用递推法来推算下一步的加工点的偏差。
现以逆圆弧加工情况为例。担任一时刻加工点在圆弧外或圆上，坐标为
M1(xi,yi)时，即F> 0或F <0，由上分析，应向-x方向走一步，移到新加工点 M'1(xi?1,yi)那么有xi?1?xi?1。此新点的偏差计算为：
Fi?1?xi?1?yi?R2?(x?1)2?yi?R2
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222本科毕业设计（论文）通过答辩
当任一时刻的加工点在圆内，坐标为M21(xi,yi)时，即F< 0，应向+Z方向进给一步，移到新点M'2(xi?1,yi)，那么有yi?1?yi?1 。此时新点的偏差计算为：
Fi?1?xi?yi?1?R2?xi?(y?1)2?R2?Fi?2yi?1 上面二式中，Fi为进给的老偏差，xi、yi为进给前那点的坐标值。 同样的分析方法，可获得顺圆加工情况下的递推公式，如下表。
弧形 逆圆弧 顺圆弧 进给 -Δx -Δy F≥0 偏差计算 进给 +Δy +Δx F≤0 偏差计算 222F'?F?2xi?1xi?xi?1F'?F?2yi?1y'i?yi?1' F'?F?2yi?1yi?yi?1F'?F?2xi?1x'i?xi?1' （4）终点判断 圆弧插补的判别终点的方法，与直线插补的判别终点的方法一样，一是利用X、Y两个方向进给的总步数之和；二是利用二方向的总步数较大者作为判终点的依据。所不同的是总步数计算要取终始两点坐标值之差的绝对值。
2.圆弧插的程序设计 根据逐点比较法的特点和圆弧插补的规律，可概括出圆弧插补程序的流程图，如图纸6所示。
5.3步进电机运行程序控制设计
只要给步进电机各项绕组按规定的控制模型输出时序脉冲，步进电机就能按一定的方向转动。在数控技术中，经常要求步进电机工作时随时改变运动方向，才能满足机械加工的需要。步进电机运行控制程序设计的主要任务是：判断运动方向，按顺序送出控制脉冲，判断所要的脉冲是否送完。下面以三相六步步进电机为例，用单片机两种汇编语言说明步进电机运行控制程序的设计方法。
2．单片机汇编程序设计 根据图纸6上的步进电机控制程序框图程序图，编制单片机汇编语言程序如下：
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本科毕业设计（论文）通过答辩
ORG 2000
KZCX: PUSH AF ; PUSH BC ; MOV R2, #NH ; LOOP0: MOV R3, #00H ; MPVE DPTR, #POINT ; JNB 00H, LOOP2 ; LOOP1: MOVE A, R3 ;
MOVC A, A+DPTR ; JZ LOOP0 ; MOV P1, A ; ACALL YANS ; INC R3 ; DHNZ R2, LOOP1 ; POP BC ; POP AF ; RET ;
LOOP2: MOV A, R3 ;
ADD A, #7H ; MOV R3, A ; AJMP LOOP1 ;
POINT: DB 01H ; DB 03H ; DB 02H ; DB 06H ; DB 04H ; DB 05H ; DB 00H ; DB 01H ; DB 05H ; DB 04H ; DB 06H ; DB 02H ; DB 03H ; DB 00H ; POINT: EQU 150H ; YANS: (略)
经济型数控车床控制部分的软件设计采用模块化。
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5.4经济型数控软件部分设计
5.4.1模块组成
同一硬件控制系统，可以采用不同的软件结构和编程方法。本控制软件决定采用模块化设计方法，本程序主要有如下模块组成：
? ? ? ?
主模块，用于系统初始化和监控。 子程序模块。
实时修改显示缓冲区数据模块。 键盘、显示定时扫描管理模块。
其中除了主模块和子程序模块外，其余均为中断执行方式模块。
5.4.2缓冲区设置
应设置两个缓冲区：键盘缓冲区和显示缓冲区。 1.键盘缓冲区
主要用于存放由键盘输入的命令，长度为4字节，地址为8031内部RAM区20H ~23H。第一字可用于缓冲区空、满等标志，定义如下：（20H）=00H，缓冲区为空，（20H）=01H~03H，缓冲区未处理完的命令个数，显然（20H）=03H时即为满。其余3个字节内存放具体的命令码。为防止误操作，可以进一步规定：命令码若为00H，为无效命令。
从本系统的实际情况及后面的软件框图可以看出，键盘缓冲区很少出现两个或两以上未处理命令码，一般情况只要出现一个命令码，马上会得到处理。
2.显示缓冲区
主要用于存放欲显示的具体数据，每一字节对应一显示位，共5个字节，地址为8031内部RAM25H~29H，分别对应百位、十位、个位（包括小数点）、
10-1位和10-2。
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除上述缓冲区外，根据需要，可以设立一些标志位，在具体碰到实在说明。
5.4.3中段处理器
所处理时间最为紧急的则其中段级别应为最高。根据本题实际情况，中段模块的优先级如下：
模块名 级别
越界报警、急停处理模块 0 高 实时修改显示缓冲期数据模块 1 ↓ 键盘、显示定时扫描管理模块 2 低
5.4.4各模块说明及流程图
（1）主模块
主模块功能为：初始化、监控。其中初始化包括8155初始化、缓冲区清零、定时/技术常数的设置、开中断等处理；监控主要是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。
主模块流程简图见图5-1。
（2）“↑”、“↓”、“←”、“→”子程序模块
根据键盘功能的设定，相应的字程序模块包括：“→”命令处理模块、“↑”、“↓”、“←” 命令及暂停命令处理模块。这里设定一标志，其作用是反映工作台的当前运动方向。标志位为RAM区的2BH，其定义如下： 2BH单元 当前运定方向 （2B）=01H “→” +Z （2B）=02H “←” -Z （2B）=03H “↑” +X
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初始化(2B)=01H停止8155定时工作查询键盘缓冲区有 建按下否？NY取该键码，清相应键盘缓冲区重设8155定时常数本科毕业设计（论文）通过答辩 判别该命令有效 （2B）=04H 向及脉冲信号 “↓” -X 否？Y调用相应的功能子模块N选通X向通道包括脉冲方（2B）=00H 初始时为00H 启动8155定时工作现以“→” 命令为例，其余几个只需略作修改即可。不再一一给出。“→” 方向命令子模块流程见图5-2。 返回
图5-1主模块流程图 图5-2 “→” 功能字模块流程
图
（3）暂停键“STOP”子模块
暂停键功能是暂时使XY工作台停止工作，因此只需停止步进脉冲即可。 （4）中段模块
现在主要介绍一下键盘、显示定时扫描管理模块。
根据键盘的接口电路，可以用编程扫描方式和定时扫描方式。这里选择后一种，用定时中段模块同时完成键盘和现实的扫描。
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对于键盘扫描，应该解决去抖问题，一般调用延时10ms左右来实现。而对于显示扫描，为保证多位同时显示而无闪烁，应使扫描频率（扫描n位，本题设置5位为扫描一次）高于50HZ，这里是这样实现的。
设定定时时间为3ms，即每隔3ms中断一次，修改一次显示位，每位显示的点亮时间是3ms，扫描一遍共需5×3=15ms，扫描频率约64HZ，高于50HZ。
键盘采用每隔3×3=9ms扫描一次，其目的是消除键盘抖动。设置一标志位，其地址为内部RAM30H 单元，用于计数中段次数，当其等于3时，正好隔9ms，马上查询键盘。另外还应设一标志位，用以标志连续两次查询到键盘值是否一样，其地址为31H，定义如下：（30H）=1，表明上次查询有键按下；（31H）=0,则为无键按下。只有当上次有键按下，且隔9ms后再次查询时有同一键按下时，才能确定有键按下，否则均视为误动作，不予理睬。根据上述想法，可以画出定时中断模块的框图，见图5-3。
（5）实时修改显示缓冲区数据模块
本模块采用中段方式，其作用是通过对8155定时/计数的输出信号，也即对步进电机计数，来修改显示缓冲区中工作台当前工作位置。根据步进电机的实际脉冲当量，一个步进脉冲相当于工作台移增量0.01mm。可以设定中段计数常数为10 ，每中段一次，工作台运动0.1mm。这里用RAM内部2AH单元作为中段次数计数器。
实时修改显示缓冲区数据模块的流程框图见图5-4。
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图5-3键盘、显示定时扫描子模块
图5-4 实时修改显示缓冲取数据模块
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结 论
毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的经济型数控车床伺服系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。
虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各个部分方案的确定，各种部分的选用标准，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。
本次设计，是在科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率要求越来越高和我国当时现有的经济的条件下提出来的。数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，正好适合我国现在经济水平的发展要求。
设计中，主要确定改造的整体方案并对各部分进行具体的设计，为真正的数控机床的设计提供了一些技术支持和经验。
致 谢 及 声 明
本课题在研究过程中得到董爱梅副教授的悉心指导。董老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。董老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神给以终生受益无穷之道。
从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在此感谢所有关心和帮助过我的人们，请接受我诚挚
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的谢意！
本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果，对于文中采用的内容，已在论文中注明，所设计的所有成果全部归属于山东理工大学。
参考文献
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