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黑龙江职业学院毕业论文（设计）题 目：三坐标铣床的数控化改造设计专业：机电一体化班级：电信12-301学生姓名：王鹏 指导教师：杨俊伟二O15 年 月 日摘要毕业设计是在原有普通铣床的基础上，对其进行改造，成为三坐标数控铣床。该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。所设计的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。设计主要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面：X、Y、Z工作台的传动机构设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。数控机床系统中，加工精度和加工可靠性是私服系统决定的，本文对普通铣床的数控化改造进行了分析和设计，通过对普通铣床的数控化改造提高了普通铣床的加工能力和加工范围，节省了直接购买机床的部分资金，具有很好的经济效益。 关键词： 铣床 数控 三坐标目录摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .第一章 绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1数控机床的产生及发展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2数控机床的组成及分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1数控机床的组成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2数控机床的分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3数控机床的特点及应用范围. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1数控机床的特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.2数控机床的应用范围. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第二章 设计主要参数及基本思想. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1课题要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1题目名称及技术要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.2课题内容及工作量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2设计要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3总结构设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.1数控机床的机构设计要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.2提高机床的结构钢度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.3提高进给运动的平稳性和精度. . . . . . . . . . . . . . .第三章 三坐标数控铣床的设计和计算3.1主传动系统的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1主传动变速系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2主轴系统计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3进给伺服系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1对进给伺服系统的进本要求. . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2进给伺服系统的设计要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能的分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.4 进给传动的计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 X轴滚珠丝杠副. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Y轴滚珠丝杠副. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Z轴滚珠丝杠副. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4滚珠丝杠的安装与使用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .第四章 微机控制系统的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1微机控制系统组成及特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1微机控制系统的组成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2微机数控系统的特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2微机控制系统设备介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1主控制器CPU的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2存储器电路的扩展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 I/O口电路的扩展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4步进电机驱动电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5其他辅助电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3程序部分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .致 谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .附 录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .前言随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机截面极为友好，并且有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋于完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统以使用化。用数控铣床加工零件时，首先应编制该零件的加工程序，这时数控铣床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启动、停止、进给运动的方向、速度和位移量，以及工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其他辅助装置严格按照加工工序规定的顺序、运动轨迹加工出符合要求的零件。三坐标数控铣床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传东京都、灵敏度和稳定性的影响。为此，要注意以下三点进给运动要求。（1） 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件，但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。（2） 提高传动精度和刚度。在进给系统中滚珠丝杠和支撑结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，因此，必须首先保证它们的加工精度。（3） 减少运动惯量。进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。设计是在原有普通铣床的基础上，对其进行改造，成为三坐标数控铣床。该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。 所涉及的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。 此设计主要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要由以下几个方面：X、Y、Z工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。三坐标铣床的数控化改造设计第一章 绪论1.1数控机床的产生及发展 随着社会生产和科学技术的发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。特别是在宇航、造船、军事等领域所需的零件，精密要求高，形状复杂，批量小。普通机床已不能适应这些需求。为了满足上述要求，一种新型的机床数字程序控制机床（简称数控机床）应运而生。最早进行数控机床研制的是美国人。1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的数控机床。但这台数控机床仅是一台实验性的机床，但使用的电子元件是电子管。直到1954年11月，第一台工业用的数控机床才生产出来。从此以后，世界上其他一些工业国家也多开始开发、生产及应用数控机床。我国数控机床的研制是从1958年起步的。1965年国内开始研制晶体管数控系统。从70年代开始，数控技术广泛应用于车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。1985年，我国数控机床品种有了新的发展。早起的数控机床控制系统采用电子管，体积大、功耗高，只有在微处理机用于数控机床后，才真正是数控机床得到了普及。目前数控技术的主要发展趋势是：实现高速度，高精度，大功率，多功能；采用微处理机和微型计算机，向着增强功能、降低杂家、方便使用的目标进展；积极应用计算技术、系统工程理论和控制技术的最新成果，向着综合自动化方向变革。1.2 数控机床的组成及分类1.2.1数控机床的组成数控机床种类繁多，但从组成一台完整的数控机床上讲，它由控制介质、数控装备、伺服系统机床本体组成。1 控制介质控制介质是指零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置的类型不同而不同，常用的有穿孔纸袋、穿孔卡、磁带、磁盘等。另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其他计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。2.数控装备数控装置是数控机床的控制中心。它由输入装置、控制装置和输出装置等组成。输入装置受控制介质上的信息，经过识别与译码之后，送到控制运算器。这些信息将作为控制与运算的原始依据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令输送往输出装置，输出装置将控制器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放大，驱动机床完成相应的动作。3.伺服系统伺服系统，亦称随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。它是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接收数控系统数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床移动部件的运动，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一脉冲使机床移动部件产生的位移叫脉冲当量（常用的脉冲当量为0.001mm0.01mm）。从自动控制理论的角度来分析，无论多么复杂的伺服系统，都是有一些功能元件组成的。目前数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电机和交流伺服电动机，后两者都带有光电编码器等位置测量元件。4.机床本体3 本论文研究主要内容 本设计采用89C51及其外围扩展系统，软件方面而主要是应用C语言设计程序。系统以89C51单片机为核心，配置相应的外设及接口电路，用C语言开发，组成一个多功能信号发生系统。同时，本系统中任何一部分电路模块均可移植于实用开发系统的设计中，电路设计具有实用性。 本设计将完成以下几个方面的工作：（1） 选芯片，尽量满足一般工业控制要求，以增强其实用性。（2） 原理图设计在保证正确的前提下，尽量采用典型的电路设计。（3） 固化于单片机芯片中的软件采用模块设计，层次清楚，具有上电复位及初始化功能，具有很好的软件开发框架。第二章 信号发生器方案设计与选择21 方案设计与选择 信号发生器的设计方案可用多种方案来实现，在设计前对各种方案进行比较得到最优的涉及方案： 采用软硬件结合法，此波形发生器设计方法同时兼具硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能型。辅以数模转换、LED显示等电路，设计出功能胶圈、性能更优的波形发生器，同时还可以扩展波形发生器的功能，比如利用单片机AT89C51和8位D/A转换芯片来实现。 此方案利用单片机构成的应用系统有较高的可靠性，系统的扩展和系统的配置灵活方便，容易构成各种规模的应用系统，且应用胸有较高的软硬件利用参数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，低成本，可靠性高。因此选本方案作为设计方案。2.2设计原理简介 该信号发生器原理框图如图2-1，总体原理为：利用AT89C51单片机构造低频信号发生器，可产生正弦波，方波，三角波，锯齿波四种波形，通过C语言对单片机的编程即可产生相应的波形信号，并可以通过键盘进行各种功能的转换和信号频率的控制，当输出的数字信号通过数模转换成模拟信号也就得到所需要的信号波形，通过运算放大器的放大输出波形，同时让显示器输出波形信息。2.3 设计功能（1）按键GW、SW、BW、QW、WW分别控制信号频率的个位、十位、百位、千位、万位 按键BX控制波形的转换选择按键ZKBZ、ZKBJ分别控制方波占空比的加减按键FW控制电路的复位滑动变阻器控制输出电压大小，控制方波的幅度（2）本方案输出利用8位LED显示器，该显示器为共阴极，输入段选码低电平有效，用于显示输出信号的类型和频率，如1KHz正弦波，显示为1.01000.根据设计要求，我们在系统启动时，还要在LED中显示“年纪-专业-学号”2秒钟，即显示“12-301-15”。(3) 信号频率范围要求：1-1KHz 。（4）输出信号幅度：0-5V。第三章 AT89C51单片机介绍 3.1单片机简介 AT89C51 是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2015是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时、计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时、计数器。串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。其外形及引脚排列如图3-1所示。3.2单片机内部结构概述 典型的MCS-51单片机集成了以下几个基本组成部分。1 一个8位CPU2 128B或256B单元内数据存储器（RAM）3 4KB或8KB片内程序存储器（ROM/EPROM）4 4个8位并行I/O接口P0-P3。5 两个定时、计数器。6 5个中断源的中断管理控制系统。7 一个全双工串行I/O口UART（通用异步接收、发送器）8 一个片内振荡器和时钟产生电路。3.3 管脚功能说明VCC:电源，接5VGND:接地PO口：是一个8位漏极开路输出型双向I/O端口，作为输出端口时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序或数据存储器时，它是时分多路转换的地址（低8位）、数据总线，在访问期间将激活内部的上拉电阻。P1口：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入，对端口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉倒高电位，这时可作为输入口。P2口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2口的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。对端口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉倒高电位，这时可作为输入口。P2口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器时和16位外部地址的外部数据存储器，P2口送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器，P2口引脚上的内容，在整个访问期间不会改变。XTAL1：振荡器反相放大器内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。第四章 信号发生器方案设计4.1 总体硬件设计单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元（如ROM、I/O、定时、计数器等）容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计适当的电路。二是系统配置，即按照功能要求配置外围设备如显示器、D/A转换等，要设计合适的电路。系统的扩展和模块设计应遵循下列原则：（1） 尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。（2） 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求。（3） 硬件结构应结合应用方案一并考虑。（4） 可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择，去耦滤波等。（5） 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。（6） 系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。（7） 在考虑硬件总体结构的同时要注意通用性的问题。 根据以上原则，进行硬件设计。系统采用较为普及的89C51单片机作为系统的核心。它不但容易实现设计指标，而且还有较好的性价比。（1） 程序存储器89C51内部自带8K的ROM，512B的RAM，所以不需要对其扩展存储器。（2） 键盘接口矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，系统采用了行列式键盘设计即矩阵键盘，用I/O线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上，2X4的行列结构可构成8个键的键盘。因此，在按键数量较多时，还可以节省I/O线。按键的识别方法有两种，一种为扫描法，另一种为线反转法。此设计采用了行列式及与之相适应的行列扫描法。（3） 数码管驱动本设计实现了89C51的I/O口对2X4键盘和8位数码管显示的控制。（4） D/A转换本设计D/A转换部分采用DACO832芯片（5） 信号变换部分对信号的变换部分采用四运放集成芯片LM358，它采用8脚双列直插塑料封装，它的内部包含两组形式完全相同的运算放大器。（6） 可靠性方面在使用应用系统时，可能会受到多种干扰的侵袭，直接影响到系统的可靠性，因此，本系统适当加入去耦电容，以减少干扰，确保精度。4.2 单片机引脚分配 XTAL1、XTAL2：外接电路，产生时钟信号； RST：外接复位电路； P0：外接数模转换与放大电路，波形信号输出； P1：外接矩阵键盘； P2：LED显示器段选码； P3：LED显示器位选码；4.3 单片机外围电路介绍 4.3.1 时钟电路 AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器仪器构成自激振荡器，振荡电路参见图4-1.外接石英晶体（或陶瓷振器）及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里选择使用石英晶体，我们的电容使用30pF。如果用陶瓷谐振器的话，应选择40pF+(-)10pF的容值得电容。 也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路情况时，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。 4.3.2 复位电路 当MCS-51系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC=0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM位随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，复位时任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个震荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。4.3.3 数模转换电路 由于单片机产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，就要把数字信号转换成模拟信号，所以该文选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并具有8位分辨率的数模转换器DAC0832。连接电路如图4-4所示。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。但实际上，DAC0832输出的电量也不是真正能连续可调，而是以其绝对分辨率为单位增减。是准模拟量的输出。DAC0832是电流型输出，在应用时外接运放LM358使之成为电压型输出。 根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通、单缓冲和双缓冲方式。本设计选用直通方式。 DAC0832的数据口和单片机的P0口相连。 第五章 系统软件设计5.1程序流程图 首先对程序初始化，静态显示12-301-15 两秒，然后判断是否有键值按下，若有键值按下则计算相关参数，一方面利用中断定时和查询查表输出波形，另一方面送段选口和位选口数据使LED显示相关波形类型和频率，最后反馈回去构成循环，判断按键相关信息。其程序框图如图5-1所示。5.2 软件整体设计 本系统的软件包括以下几个程序模块：（1） 初始化程序；（2） 显示程序；（3） 键盘扫描程序与处理程序；（4） 定时器0服务程序；（5） 正选波发生程序及其服务程序；（6） 三角波发生程序；（7） 方波发生程序；（8） 锯齿波发生程序。5.3 程序模块功能设计5.3.1系统初始化设计 复位程序完成如下工作：1 显示2秒12-301-15初始界面；2 吃屎频率设置为888HZ；3 将频率值转换成定时器的初值；4 置定时器0工作方式1，即16位定时器方式，送入定时器0定时初值，启动定时器0工作；5 显示初始频率和产生波形的类型；6 转键盘扫描程序。5.3.2键盘扫描程序与处理程序设计 键盘采用矩阵式键盘（如表5-1所示），由软件产生相应编码，再根据相应编码调用相应的子程序。编码产生原理：P1口四位表示行，高四位表示列。键盘所在的行和所在的列用0表示，其它的行和列用1表示。如第一行第一列GW编码值为（11101110）2=0xee,第二行第三列ZKBJ编码值为（10111101）2=0xbd. 键盘扫描程序如下： Void judge(void) unsigned char X,Y,X; P1 = 0xff; P2 = 0x0f; If(P1 != 0x0f) delay10ms（）； if(P1 !=0x0f) X = P1; P1 = 0xf0; Y = P1; Z = X | Y; Switch ( Z ) Case 0x7d: key1();break; Case 0xee: key2();break;/对键值赋值 Case 0xde