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普通車床進給系統(tǒng)數控化改造設計
本科學生課程設計（說明書）
機電控制課程設計
（普通車床數控改造設計-交流伺服電機橫向X）
學 生：
學 號：
指導教師：
專 業(yè)：機械電子工程
機械工程學院
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。經過大量實踐證明，將其改造為數控機床，無論是經濟上還是技術都是確實可行。一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數控車床，同時具有數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。
本設計主要是對C6140普通型車床進行數控改造，用微機對縱、橫進給系統(tǒng)進行控制。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，經濟性較好，車床本身所進行的加工尺寸是粗、半精加工。驅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。刀架性能要求是準確快速的換刀，因此采用自動轉位刀架。
目錄
摘要 2
1 課程設計的目的和要求 4
1.1 課程設計的目的 4
1.2 課程設計的內容和要求 4
2 總體方案確定 4
2.1 機械部分設計 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 機械部分的改造設計和計算 6
3.1 橫向進給伺服系統(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 滾珠絲杠設計計算 8
3.1.4 交流伺服電機的選擇 9
4 機床數控系統(tǒng)硬件電路設計 11
4.1 設計內容 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顯示電路設計 15
4.2.6 掃描鍵盤輸入電路 16
4.2.7 其它輔助電路設計 17
5 系統(tǒng)控制軟件的設計 20
5.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內容 20
5.2 系統(tǒng)初始化程序設計 20
5.3 鍵盤掃描程序設計 21
5.4 轉位刀架程序設計 24
5.5 插補程序設計 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 35
1 課程設計的目的和要求
1.1 課程設計的目的
機械電子工程專業(yè)課程設計是機械電子工程專業(yè)有關課程的重要實踐性教學環(huán)節(jié)之是綜合運用所學過的機械、電子和計算機知識而進行的一項機電結合的基本訓練。 其目的是：
（1） 能夠正確運用機械電子學、機電一體化技術、機電液控制技術、數控技術等課程的基本理論和有關知識，學會機電系統(tǒng)方案的擬定、比較、分析及進行必要的計算。
（2） 通過對機電系統(tǒng)的機械部分設計,掌握機電系統(tǒng)典型零件的計算方法以及正確的結構設計方法。
（3） 通過機電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)硬件和軟件設計,掌握簡單控制系統(tǒng)硬件及軟件設計的基本方法。
（4） 通過課程設計，初步樹立正確的設計思想，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。提高應用手冊、標準及編寫文件等資料的能力。
1.2 課程設計的內容和要求
本次課程設計的主要內容有：
（1） 總體方案的分析、比較、論證。機械部分設計。重點是運動傳動機構的結構設計及伺服電機的選擇計算。.
（2） 數控系統(tǒng)設計。硬件部分完成微機控制系統(tǒng)電氣原理圖設計;軟件部分包括主要程序框圖和部分匯編程序(不少于20句)設計。
（3） 編寫課程設計說明書
說明書是課程設計的總結性技術文件,應敘述整個設計的內容,包括總體方案的確定,系統(tǒng)框圖的分析,機械傳動設計計算，電氣部分的設計說明，選用元器件及其參數的說明，軟件設計及其說明等。說明書字數約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)數控系統(tǒng)機械部分方案圖 A2~A3 1張
2) 數控系統(tǒng)面板圖 A2~A3 1張
3) 數控系統(tǒng)總體方案圖 A2~A3 1張
4) 改造布置外觀圖 X Z A1 1張
5) 進給系統(tǒng)裝配圖 X Z A1 1張
6) 數控系統(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 機械部分設計
二維進給運動數控系統(tǒng)機械結構的設計，主要是傳動系統(tǒng)方案的確定。為確保數控系統(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)的設計中采用以下設計:
(1)采用低摩擦的傳動和導向元件。采用滾珠絲杠螺母副、采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。
(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，通過滾動副預緊以提高系統(tǒng)傳動剛度，采用加預載荷的滾珠杠副和滾動導軌及滾動軸承。絲杠支承設計成兩端軸向固定，并加預拉伸的結構等以提高傳動剛度。
2.2 伺服系統(tǒng)的選擇
開環(huán)伺服系統(tǒng)在負荷不大時多采用小功率步進電機作為伺服電機。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)結構簡單,調整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用。
2.3 計算機系統(tǒng)的選擇
計算機數控系統(tǒng)一般由微處理器、 存貯器、外設接口電路、輔助控制接口電路及伺服驅動電路等幾部分組成。在經濟型數控系統(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用系統(tǒng)。本設計中采用8031處理器，配合儲存芯片等來組成系統(tǒng)。數控系統(tǒng)的總體方案見圖 1圖 2。
35
圖 1 數控部分機械方案圖
圖 2 數控部分總體方案圖
3 機械部分的改造設計和計算
3
3.1 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型
進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內容包括：計算切削力、滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。
已知參數和設計要求：
1. 工作臺重量：W＝600N（粗估）
2. 滾珠絲桿導程：T＝4mm（供參考）
3. 行程：S＝190mm
4. 脈沖當量：δ＝0.005mm
5. 快速進給速度：V快＝3m/min
6. 快速進給速度：V進＝1m/min
7. 時間常數：t≤100ms
3.1.1 傳動計算
δ=α360uT
其中： α——步距角（本設計取0.72?），
δ——脈沖當量（本設計是0.005mm）
T——絲杠螺距（本設計取4mm）。
所以 u=δ×360α×T=0.005×3600.72×4=0.625
確定齒輪參數：
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——進給量，取f縱=0.3mm/r，橫向進給量為縱向的1/2，故最終
f橫=0.15mm/r 。
3.1.3 滾珠絲杠設計計算
燕尾型導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K=1.4，摩擦系數μ按氟塑料導軌取0.05。
（1） 疲勞強度計算
滾珠絲杠的當量動載荷Cm為:
Cm=3LfwfQFa
式中 L——工作壽命，L=60nT106=60×V快×1000T2×Ph×106=338(106轉)。n為絲杠轉速，Ph為導程。
T為實用時間壽命，數控機床取T=15000(h)。
fw——運載系數，一般情況取1.3；
fa——精度系數，4級取1.1
因此滾珠絲杠的當量動負荷：
Cm=3LfwfQFa=3338×1.2×1.1×916=8422.5N
由該當量動載荷應小于絲杠的額定動負荷，且使用條件為橫向進給，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
絲杠副內滾珠與滾道的接觸變形:
δ2=Fmk2=9161400=0.654μm，
其中k2是預緊力為額定載荷的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 當軸承預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） 負載轉矩ML
ML=180π×δFmαη
式中 η—— 電機到絲杠的總傳遞效率，查機械設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，聯軸器0.99
導程角：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） 滾珠絲杠副預緊引起的附加轉矩M0
M0=180π?K?δ?F0α
式中 F0——絲杠螺母的預緊力，F0=13Fm≈306N，
K ——預緊螺母內部的摩擦系數，取0.2
因此 M0=180π?K?δ?F0α=180π×0.2×0.005×10-3×3060.75=0.023N?m
（3） 加速度轉矩Ma
Ma=πα180(f1-f0t)J
式中 f1—— 電機工作頻率。
切削進給時：f1=v進×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為電機轉子慣量；對于材料為鋼的圓 柱形零件，其轉動慣量可按下式計算：J=7.8×10-4D4L
齒輪轉動慣量：
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
電機轉子慣量J0為4.06kg.cm2,額定轉矩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 伺服電機的速度轉矩圖
因為額定轉矩為6.37N.m,因此符合M的1.5到2倍，選擇該電機。
4 機床數控系統(tǒng)硬件電路設計
4.1 設計內容
（1） 按照總統(tǒng)方案以及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖；
（2） 選擇計算機或中央處理單元的類型；
（3） 根據控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路；
（4） 根據控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計擴展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測電路，轉換電路以及驅動電路等；
（5） 選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數和型號；
（6） 繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標明各器件的型號，管腳號及參數；
（7） 說明書中對電氣原理圖以及各有關電路進行詳細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)的外部數據存儲器和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，均符合設計要求，故選擇8031處理器。
4.2.2 儲存器擴展電路設計
單片機應用系統(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根數據線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，同時又要作數據線，所以為分時輸出低8位地址和數據的通道口。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聯接。當G=1時373的輸出端1Q~8Q與輸入端的1D-8D 相同，當G從高電平返回低電平時將輸入的數據鎖入1Q-8Q.
（3） 數據存儲器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位數據線直接接到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，單片機數據總線分時地與各個外部芯片進行數據傳送，故需進行片選控制。若芯片內有多個地址單元時，還要進行片內地址選擇。8031單片機應用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外部擴展芯片與數據存儲器統(tǒng)一編址，所以外部芯片不僅占用數據存儲器一定數量的地址單元，而且要使用讀/寫信號與讀/寫指令完成數據傳送。
經濟型數控硬件結構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根地址線用作數據存儲器的內地址線。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)單片機以及外設直接相連，廣泛用作外部并行I/O擴展接口。數據總線（8條）：D0~D7，用于傳送CPU和8255A間的數據、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，將會引起強電氣干擾。輕則影響計算機程序的正常進行，重則導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顯示電路設計
圖 8 LED顯示電路
如圖 8所示顯示電路由一個“米”字形數碼管，和六個八段數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字，從而實現掃描顯示。
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，并根據此鍵對應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
數控系統(tǒng)的硬件框圖如圖 10所示。
CPUU
I/O接口
光電隔 離
驅動
伺服電機機
RAM
ROM
外 設
鍵盤、顯示器
圖 10數控系統(tǒng)硬件框圖
4.2.7 其它輔助電路設計
（1） ８０３１的時鐘電路
單片機的時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。
內部方式利用芯片的內部振蕩電路，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，對時鐘有微調作用。
圖 11時鐘電路
（2） 復位電路
單片機的復位都是靠外部電路實現。在時鐘工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現１０ms以上的高電平，單片機就實現狀態(tài)復位，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)中有芯片需要其復位電平與８０３１復位要求一致時，可以直接相連。
圖 12 復位電路
5 系統(tǒng)控制軟件的設計
5.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內容
數控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現各種控制功能。按照功能可將數控系統(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)軟件中實現系統(tǒng)協(xié)調工作的主體軟件。其功能主要是當系統(tǒng)開機以后初始化系統(tǒng)。如對I/O接口8155，8255A進行必要的初始化工作，預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，對比進行輸入。
（3） 轉位刀架控制程序
（4） 插補程序，3直線4象限順園插補程序。
5.2 系統(tǒng)初始化程序設計
系統(tǒng)的初始化就是要對外設進行控制字的輸入，而控制字的輸入難點在于外設地址的確定，根據連接方式確定3片8255A的地址。具體控制字如圖 13所示。
外設
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，設置AB口輸出，C口輸入，米形數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，設置ABC口輸出控制電機與八段六位數碼管
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控制字詳細解釋
5.3 鍵盤掃描程序設計
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
RR R0,1 ;調整列信號
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 轉位刀架程序設計
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;關閉電機
5.5 插補程序設計
插補技術是數控系統(tǒng)的核心技術。數控加工過程中，數控系統(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成的折線，不是光滑曲線。刀具不能嚴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，根據編程的進給速度將輪廓曲線分割為每個插補周期的進給直線段（又稱輪廓步長）進行數據密化，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?。樱?＃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?。?4EH; 計算終點判別,Xe+Ze之低位
ＡＤＤ?。?４ＣＨ
ＭＯＶ?。担埃?Ａ
ＭＯＶ?。?４ＤＨ; Xe+Ze之高位
ＡＤＤＣ?。?４ＢＨ;低位相加,可能產生進位
ＭＯＶ?。矗疲?Ａ
ＭOVX DPTR，#3000Ｈ; ?。豘伺服電機上電
MOV A, #1110101B;
MOVX @DPTR,A
ＬＰ２:
ＡＣＡＬＬ ＤＬ０; 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,調動Z的偏轉程序
ＡＣＡＬＬ?。兀停? ?。疲荆剑?調Ｘ電動機正轉子程序
ＣＬＲ?。? 計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ－Ｙe
ＭＯＶ?。?４ＡＨ
ＳＵＢＢ?。?４ＣＨ;可向高位字節(jié)借位
ＭＯＶ?。矗粒?Ａ
ＭＯＶ?。?４９Ｈ
ＳＵＢＢ?。?４ＢＨ
ＭＯＶ?。矗梗?Ａ
ＬＰ３：
ＣＬＲ Ｃ;
ＭＯＶ?。?５０Ｈ;
ＳＵＢＢ Ａ,＃０１Ｈ;終判值減一
ＭＯＶ ５０Ｈ,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,否則插補結束
ＬＪＭＰ?。埃埃埃埃?
ＬＰ４：ＡＣＡＬＬ ZＭＰ; 調Z電動機正轉子程序
ＭＯＶ?。?４ＡＨ; 計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ＋Ｘe
ＡＤＤ?。?４ＥＨ;
ＭＯＶ?。矗粒?Ａ
ＭＯＶ Ａ,４９Ｈ
ＡＤＤＣ?。?４ＤＨ
ＭＯＶ?。矗梗?Ａ;
ＳＪＭＰ ＬＰ３
XMP：MOV A,48H ; 取X電動機當前狀態(tài)字
ＣＬＲ?。? 移位法
ＲＲＣ?。?
ＲＲＣ?。?
ＲＲＣ Ａ
ＸＭＰ２：ＣＰＬ?。?
ＡＮＬ?。?＃４９Ｈ; 屏蔽無關位
ＭＯＶ ４８Ｈ,Ａ; 保存Ｘ電動機狀態(tài)字,作為下次轉動的基準
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?。?４８Ｈ
ＣＬＲ
ＲＬＣ?。?
ＲＬＣ?。?
ＲＬＣ?。?
ＳＪＭＰ?。兀停校?
ZＭＰ：ＭＯＶ Ａ,４７Ｈ
ＣＬＲ?。?
ＲＲＣ Ａ
ＲＲＣ Ａ
ＲＲＣ Ａ
ZＭＰ２：ＣＰＬ?。?
ＡＮＬ?。?＃９２Ｈ
ＭＯＶ ４７Ｈ,Ａ
ＯＲＬ?。?４８Ｈ
ＳＪＭＰ?。兀停校?
ZＭＭ：ＭＯＶ?。?４７Ｈ
ＣＬＲ Ｃ
ＲＬＣ?。?
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構相似，唯一不同點在于偏差判別函數的不同。
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X0
MOV 42H,#00H;
MOV 43H,#84H;坐標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,可能產生進位
MOV 4FH,Ａ;終判值儲存
ＭOVX DPTR，#3000Ｈ; ＸZ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,調動X的偏轉程序
ACALL ZMP; ?。疲荆剑?調Z電動機正轉子程序
CLR C; 計算新偏差Ｆ值,Ｆ＝Ｆ－2|Ze|+1
MOV A,43H ;Z坐標值加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,否則插補結束
LJMP 0000H
LP4:
ACALL XMP; 調X電動機正轉子程序
CLR C;
MOV A,41H;
SUBB A,#01H; X坐標值減一
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;可能產生進位位
ADDC A,#00H;
MOV 49H,A;
SJMP LP3;
XMP：
MOV A,40H;更新坐標
DEC A
MOV 40H,A
MOV A,48H ; 取X電動機當前狀態(tài)字
CLR C; 移位法
RRC A
RRC A
RRC A
XMP2:
CPL A
ANL A,#49H; 屏蔽無關位
MOV 48H,A; 保存Ｘ電動機狀態(tài)字,作為下次轉動的基準
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，任務布置在云端，任務提交也在云端，雖然完成課程設計的過程有點艱辛，但是我們依然通過互相幫助，網絡查詢等手段，完成了課程設計。
這次的課程設計把我們大學學的機械相關的課程都復習了一遍，讓我們重溫了一遍工程制圖、機械設計、機械制造技術基礎、機械原理、機械制造技術基礎、單片機接口技術，微機原理等專業(yè)課。這次課程設計讓我們將機械和電子相結合，真正的去理解我們這個專業(yè)為什么叫做機械電子工程。
在本次課程設計剛開始的時候，看到QQ群里面的指導書，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是兩三年前的事情了，但是卻讓我們去完成機床數控化改造，簡直就是空中樓閣。但是漸漸經過老師的答疑，自己在網絡上的搜尋，逐步的完成了絲桿設計計算和電機的選取，但是由于在家設計，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計，對于電氣部分，雖說學過匯編語言，但是匯編語言實在繁瑣，一個普通的帶進位位的加法，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，好在網絡上有插補程序，只需要修改一下坐標值就可以了。
此次課程設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識。課程設計是我們學習中的一個重要實踐性環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了我獨立設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的知識，是一次很好的鍛煉機會，它為我們以后從事技術工作打下了一個良好的基礎。最后感謝楊老師和同學們在此次課程設計中悉心指導與幫助。
7 參考文獻
[1]機械電子工程專業(yè)課程設計指導書[M].機械工程學院,2005.
[2]楊雪寶.機械制造裝備與設計[M].西北工業(yè)大學出版社,2010.
[3]陳立德.機械制造裝備設計[M].高等教育出版社,2010.
[4]聞邦椿.現代機械設計師手冊[M].機械工業(yè)出版社,2012.
[5]丁一、何玉林.工程圖學基礎.高等教育出版社,2005
[6]李良軍.機械設計.高等教育出版社，2010
[7]李朝青 單片機原理及接口技術，2005
[8]機床設計手冊 1,2分上下冊
[9]滾珠絲桿手冊或選型樣本
[10]機床設計圖冊，上海紡織機械出版社