便攜式樹木涂白灰漿裝置設計【含CAD圖紙資料】

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畢 業(yè) 設 計 一種便攜式樹木涂白灰漿裝 置設計 學 院 專業(yè)班級 設 計 者 指導教師 完成日期 2 目 錄 第一章 緒論 1 第二章 便攜式涂漿機的總體結構設計 2 一 設計任務和內(nèi)容 2 二 設計要求 2 三 便攜式涂漿機總體方案的擬定 2 四 便攜式涂漿機的主要技術參數(shù) 3 第三章 便攜式涂漿機機械部分設計 5 一 總體結構設計 5 二 傳動裝置設計 5 一 電機和連軸器的選取 6 二 滾珠絲杠及絲杠螺母的選取 8 三 滾動導軌的選取 10 四 步進電機的選擇與校核 11 五 涂漿彎臂的螺栓強度校核 13 六 涂漿夾具的設計 13 七 變速齒輪的設計 14 第四章 硬件及接口電路的設計 16 一 概述 16 二 主要芯片的說明及接口簡圖 16 1 8031 引角說明 16 2 程序存儲器的擴展 18 3 I O 口的擴展 19 4 8255A 的外部引線與內(nèi)部結構 20 3 5 8279 芯片的接口引線 22 三 驅動電路設計 26 一 概論 26 二 驅動電路設計及說明 25 1 驅動電路原理 27 2 驅動電路源部分 27 四 控制面板 29 第五章 便攜式涂漿機執(zhí)行程序設 計 31 一 涂漿軌跡的確 定 31 二 涂漿的程序框 圖 31 第六章 結論 32 第七章 設計體會 33 致 謝 34 參考文獻 35 4 第一章 緒 論 近年來 伴隨著生產(chǎn)和技術的發(fā)展 機電一體化有了很大的發(fā)展 便攜式涂漿機 在我國機械設備的裝配與維修中得到了廣泛的應用 不僅提高了勞動生產(chǎn)率 同時 也節(jié)省了能源和材料 尤其是汽車行業(yè) 對汽車零部件的結合面有一定的密封性要 求 其結合面都需要涂漿 涂漿的精度對汽車的性能至關重要 自然對便攜式涂漿機 提出了更高的要求 以往涂漿都是依靠工人的手工來完成 涂漿的效率極低 而且 很難保證涂漿的均勻性和漿體的厚度 便攜式涂漿機既能保證涂漿的均勻性又能有 效的節(jié)省材料 大大提高了工作效率和工作質量 減少了工人的勞動強度 因此針 對不同的工作需要 便攜式涂漿機可以采用框架式機器人或多自由度機器人來實現(xiàn)對 結合面進行涂漿 同時 這項技術的應用也意味著每天給國家企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟 效益 本次設計的目標是為第一汽車集團設計一臺自動涂漿的設備 軸承座與減速器 間的密封圈 使它能在實現(xiàn)日常工作目的的基礎上 盡量使機械結構合理的簡化 降低成本 增加其實用性和性價比 此機構采用框架式機械手操作機 由步進電機 作為驅動裝置 X Y 軸聯(lián)動可合成各種平面的各種曲線 XYZ 軸聯(lián)動并可合成空間曲線 或直線 但必須考慮漿的流動 保證系統(tǒng)可靠性及涂漿精度的前提下降低造價 提 高性能 價格比 本次設計的便攜式涂漿機硬件控制采用的是 MCS 51 單片機進行三坐標聯(lián)動運動 進行控制 通過匯編語言編程來實現(xiàn)涂漿機的 X 向 Y 向 Z 向運動的數(shù)據(jù)量 來控 制涂漿的速度和均勻性 隨著數(shù)控技術 機電行業(yè)的不斷發(fā)展及對機器性能的高要求 便攜式涂漿機一 定會有著更廣泛的應用前景 5 第二章 便攜式涂漿機的總體結構設計 一 設計任務和內(nèi)容 設計一臺便攜式涂漿機 對汽車密封圈進行自動涂漿 利用步進電機進行驅動 控制 保證涂漿的范圍 速度和均勻性 1 機械系統(tǒng)設計包括機械結構設計和各種標準件的選取 2 便攜式涂漿機的控制系統(tǒng)設計包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設計 3 硬件系統(tǒng)設計就是用單片機及驅動電路來控制 X 向 Y 向 Z 向電機的正常 工作 4 軟件系統(tǒng)設計就是控制程序設計 利用 MCS 51 單片機控制 采用匯編語言 進行程序設計 二 設計要求 機械部分要考慮整體布局 工作行程要能滿足要求 傳動裝置要平穩(wěn)且準確 還要兼顧速度 另外需考慮經(jīng)濟性 該設備要求成本低 盡量選用標準件 減少額 外的工作量 設備的使用壽命不低于 15 年 每年工作 330 天 每天工作 12 小時 載荷持續(xù)率為 90 需要批量生產(chǎn) 電路部分主要是芯片的選取和電路的擴展連接 及三個電機控制電路的設計 由于涂漿屬于輕載荷工作 對電機功率要求不是太高 所以采用步進電機 設計電 路控制電機的運轉和方向 以達到設計要求 執(zhí)行程序要考慮到不同拐點處涂漿量問題 可通過改變 X Y 向運動速度調(diào)節(jié)也 可單一 Z 向運動調(diào)節(jié) 以保證涂漿均勻 此次設計采用后者方式 原因是一個電機 工作方式比較好控制 三 便攜式涂漿機總體方案的擬定 結構的詳細說明 由于涂漿過程中存在拐點涂漿量的控制 本設計采用了在 X Y 向運動速度不改變的前提下 調(diào)整 Z 向擠漿活塞速度的方式 三向運動的形式不盡 相 同 所以共用了三個電機 通過程序控制分別做相應運動 來保證涂漿的厚度和均 勻 6 性 方 案 框 圖機 械 部 分電 路 部 分 涂 膠 軌 跡涂 膠 的 量 Z 向是用來控制出漿的量的 且要求傳動平穩(wěn) 故選用絲杠螺母工作 絲杠螺 母有自鎖能力 可保證涂漿的厚度和均勻性 通過改變 Z 向絲杠螺母的轉速 以 保證 Z 軸的升降速度 來達到涂漿的要求 由于 X Y 向運動要求平穩(wěn) 準確 所以采用了滾珠絲杠傳動 滾珠絲杠傳動 效率高 剛度好 傳動精度高且使用壽命長 導向機構承載大 且需要平穩(wěn) 所以 X Y 向采用滾動導軌 滾動導軌承載較 大 且導向準確 為了滿足傳動比和結構簡化的要求 采用齒輪系統(tǒng)進行變速 齒輪的結構緊湊 工作可靠 壽命長且傳動比穩(wěn)定 四 便攜式涂漿機的主要技術參數(shù) 1 每一工件涂漿時間 15s 20s 2 漿型 東泰嚴氧平面密封漿 51s 3 步進電機型號 X Y 取 70BF003 Z 取 55BF003 4 步進電機相數(shù) 3 相 5 步進電機拍數(shù) 6 拍 6 步進電機步距角 x 3 y 3 z 1 5 7 步進電機電壓 X 向 Y 向用 DC27V Z 向電機 用 DC27V 8 步進電機電流 7 X 向 Y 向 3 0A Z 向 3 0A 9 步進電機最大靜轉距 X 向 Y 向電機 0 784Nm Z 向 電機 0 49Nm 保持轉距 X 向 Y 向 0 646Nm Z 向 0 3Nm 10 步進電機空載起動頻率 X 向 Y 向 1800pps Z 向 3100pps 運行頻率 X 向 Y 向 1800Hz Z 向 1600Hz 11 步進電機的重量 X 向 Y 向 1 2kg Z 向 0 8kg 8 第三章 便攜式涂漿機機械部分設計 一 總體結構設計 考慮到整個機構的平衡性 故將承載夾持部分的彎臂方向與 Y 向電機在一條線 上 因為漿棒的夾持嚴格要求對心 故選用了 V 行塊來設計夾具 具體結構如下圖 涂漿機裝置傳遞要求精度很高 為了使涂漿機的結構簡單 齒輪間隙的調(diào)整采 用偏心軸套進行消隙 滾珠絲杠增加了緊定螺釘 消除了軸向間隙 同時與鍵配合 下也消除了周向間隙 具體結構框架如下圖 9 二 傳動裝置設計 一 電機和連軸器的選取 1 Z 向電機的選取 電機的選取原則是滿足精度要求即步距角 滿足輸出功率要求即轉矩問題 步距角 5 12 08 36 360ti 其中 脈沖當量 0 008 I 1 0 其中 電機的型號 55BF003 電機的參數(shù)如下 相數(shù) 步距角 電壓 相電流 最大靜轉矩 最高空載啟動頻率 3 1 5 3 27 3 0 686 1800 轉子轉動慣量 質量 外徑 長度 軸徑 0 617 105kgm2 0 83 55 70 6 因為密封圈的密封性要求很高 每次出漿的量不是很多 所以擠漿力不是很大 故選用步距角為 1 50 步 扭矩偏小點的便可以滿足要求 經(jīng)過計算 擠漿的力度一 般在 1N 25N 之間 選用保持轉距為 0 686N m 的 55BF003 型步進電機 便可以滿 足扭矩要求 所以選擇 55BF003 型號的步進電機 就能滿足設計的要求 Z 向連軸器的選取 由于 z 向電機的輸出軸的軸徑為 6 為了使其結構簡單且拆裝方便 故采用過 盈配合套筒連軸器 采用高壓油膨脹的方式使 V 型套筒發(fā)生軸向竄動使兩軸連接在 10 一起 具體結構如圖所示 連 軸 器 2 X 向電機的選取 中拖板和上拖版加上涂漿裝置總重量 58HRC 取 1 0 KA 精度等級 取 1 1 2 額定動載荷計算值 Ca Ca Fc 3410 nmL 67 NFCa 3274106 5 12 433 額定壽命h 平均轉速mn 3 根據(jù) Ca 選擇滾珠絲杠副 假設選用 FC1型號 按滾珠絲杠副的額定動載荷 Ca 等于或大于 Ca 的原則 故選以下型號規(guī)格 FC1 2005 2 5 和 FC1 2004 2 5 考慮到各種因素 最后選用 FC1 2005 2 5 FC1 2005 2 5 滾珠絲杠副數(shù)據(jù)為 公稱直徑 D 0 20mm 12 導程 P 5mm 螺旋角 4 o33 滾珠直徑 d 0 3 175mm 滾道半徑 R 0 52d 0 1 651mm 偏心距 e 0 707 R d 0 2 0 004445mm 絲杠內(nèi)徑 d 1 D0 2e 2R 16 7869mm 4 穩(wěn)定性驗算 1 臨界載荷 Fcr EIa ul 1 09 10 安全系數(shù) S Fcr Fm S 絲杠是安全的 不會失穩(wěn) 2 臨界轉速 ncr 9910 fc d1 ul r min81076 所以絲杠不會共振 maxcrn 3 此外絲滾珠絲杠還受 D0n 值的限制 D0n 20 200 4000mmr min 70000 mmr min 所以絲杠副工作穩(wěn)定 5 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 tg tg tg 4 o33 tg 4 o33 4 o40 94 8 摩擦角 所以 FC1 2005 2 5 各項性能均符合要求 可選用 2 Y 向滾珠絲杠的選取 由于 Y 向滾珠絲杠的工作載荷要比 X 向滾珠絲杠小些 故用同一型號滾珠絲杠 能滿足傳動要求 3 Z 向傳動機構的選取 由于 Z 軸控制出漿的量的多少 且需要考慮突然斷電的情況 突然斷電需保證 漿棒不漏漿所以 Z 軸需要具有自鎖功能 所以我選擇了絲杠螺母傳動系統(tǒng) 使其保 證系統(tǒng)的穩(wěn)定性 絲杠螺母的設計與自鎖驗算 13 絲杠螺母的螺距為 2mm 公稱直徑為 18mm 螺母的高度為 H d2 2 5 取 2 5 整體式4518 旋合圈數(shù) n H P 45 4 11 25 2 螺紋的工作高度 h 0 5P 0 5 4 2 螺牙根部寬度 b 0 65P 0 65 m6 工作比壓 P F 0 0024MP 18 32 hnd 自鎖的驗算 73 42 0cos cosartgartgfv 導程角 8 2 所以絲杠螺母可以自鎖 絲杠螺母的效率計算 5 29 73 402 9 0 9 0 tgtrtgv 三 滾動導軌的選取 1 X 向導軌的選取 1 行程長度壽命 Ts Ts 2Lsn60Th 1000 2 0 3 4 60 1 5 1960Km4103 Ls 工作單行程長度 m 取 300mm n 往復次數(shù) 取 300mm Th 工作時間壽命取 15000h 2 計算動載荷 Ca Ffw Ts k mfTfcfH N410 F 作用在滑座上的載荷 m 滑座個數(shù) K 壽命系數(shù)一般取 K 50Km fT 溫度系數(shù)取 1 fc 接觸系數(shù)取 0 81 fH 硬度系數(shù)取 1 fw 負載系數(shù)取 1 5 根據(jù)動載荷選取 GDA 20 型滾動導軌 14 外形參數(shù) A h L1 70 37 80 2 Y 向導軌的選取 由于 Y 向導軌所承受的載荷比 X 向導軌的要小的多故可選用與 X 向相同的導軌 既能滿足傳動要求 四 步進電機的選擇與校核 1 電機的選取 初選電機型號時應合理選用及 i 并滿足 b L0 i 360Mkf M0 0 6613 符合設計要求 五 涂漿彎臂的螺栓強度校核 A2F 1 先分析剪切力 由于 4 個螺栓是對稱分布的 故剪切力可以認為均分 FNmg8 156 9 Ns2 394 8 156 MParsA3 0 23 MPa75 d 12mm 完全可以符合要求 彎臂受到扭轉力的作用 其 扭矩為 mNLF 496 32 08156 1 截面形心 0 Xc8 cy 2 計算截面慣性矩 533 107 2 1 412 hbIz 3 在截面的上下邊緣 分別作用有最大拉應力和最大壓應力 17 ZBt IM 08 max p3 2c 716 取 75Mpa d 12mm 完全可以滿足設計要求 六 涂漿夾具的設計 涂漿的中心線在每次裝夾時要求高度對心 這樣才可以避免因裝卸漿棒時造成 涂漿機起始位置的偏差 在本次設計中 采用了雙滑塊開口 V 型槽式夾具來夾持漿 棒 其特點是高度定心 夾持方便 拆裝容易 制造方便 具體結構如下圖所示 七 變速齒輪的設計 便攜式涂漿機要求傳動效率高且傳動比穩(wěn)定 以保證涂漿的均勻性和穩(wěn)定性 齒輪傳 動具備這些特點且結構緊湊 工作可靠 壽命長故選用齒輪傳動進行變速 1 傳動齒輪傳動系統(tǒng)的設計 便攜式涂漿機采用一級傳動齒輪變速 可增大傳動的扭矩和平穩(wěn)性 傳動比為 i 720 200 3 6 壓力角 18 小齒輪 Z1 18 大齒輪 Z2 65 齒數(shù)互為質數(shù) 由于小齒輪作懸臂布置故 d 0 6 18 小齒輪的齒寬 b dd1 0 6 24 14 4 mm 模數(shù) mt d1 Z 1 26mm 取 m 1 5 齒高 h 2 25 m 3 375mm 2 幾何尺寸的計算 1 計算大 小齒輪分度圓直徑 d1 Z1 m 18 1 5 27mm d2 Z2 m 65 1 5 97 5mm 2 計算中心距 a d1 d2 2 62 25mm 3 計算齒輪寬度 b dd1 0 6 27 16 2mm 圓整后取 B2 16mm B1 21mm 19 第四章 硬件及接口電路的設計 一 概述 本次設計的便攜式涂漿機采用 MCS 51 的典型產(chǎn)品 8031 進行控制 因為其體積 小 功能強和價格低廉的優(yōu)點 廣泛地應用于自動化領域 由于 8031 是沒有 ROM 的單片機 數(shù)據(jù)存儲器也只有 128K 字節(jié) 因此它必須外接 EPROM 程序存儲器 才能構成最小系統(tǒng) 8031 的外部程序存儲器主要存放處理程序 也能存放處理程序 所必需的常數(shù) 基本的擴展包括 擴展片外程序存儲器 擴展片外數(shù)據(jù)存儲器 擴展并 行 I O 接口 采用 74LS373 鎖存器 74LS138 譯碼器的輸出作為片選信號 本系統(tǒng) 擴展了一片 8255 可編程接口芯片和一片 8279 芯片 二 主要芯片的說明及接口簡圖 1 8031 引角說明 8031 是無 ROM 型的單片機 它必須外接 EPROM 程序存儲器 8031 的外部存 儲器主要存放處理程序 也能存放處理程序所需的常數(shù) 8031 最多可外擴 64K 程序 存儲器 64K 程序存儲器中有 5 個單元具有特殊用途 分別對應 5 種中斷源的中斷 服務入口地址 8031 有一個可編程的 全雙工的串行接口 串行口可以通過指令設 置成四種不同的工作方式的一種 但主要 1 電源引腳 VCC 正常運行和掉電工作時的電源電壓 VSS 電源接地端 2 I O 總線 P0 口 P0 口是一個 8 位雙向 I O 口 每位能驅動 8 個 LS 型 TTLFU 載 P0 角在寫 20 入 1 后浮空 這時可用作高阻輸入 P0 口也是訪問外部程序和數(shù)據(jù)存貯器的多路低位地址和數(shù)據(jù)總線 這時它在輸出 1 時具有強的內(nèi)部提升 P1 口 P1 口是一個具有內(nèi)部提升的 8 位雙向 I O 口 P1 腳在寫入 1 后由內(nèi)部提升 置為高電平 這時它可用作輸入 作為輸入 從外部拉為低電平的 P1 腳將放出電流 因為它有內(nèi)部提升電阻 P2 口 P2 口是一個具有內(nèi)部提升的 8 位雙向 I O 口 P2 腳在寫入 1 后由內(nèi)部提升 電阻置為高電平 這時它可用作輸入 作為輸入 從外部拉為低電平的 P2 腳將放出 電流 因為它有內(nèi)部提升電阻 在從外部程序存貯器取指和使用 16 位地址 MOVX DPTR 訪問外部數(shù)據(jù)存貯 器是 P2 口輸出高位地址 這時在輸出 1 時它使用強的內(nèi)部提升 在使用 8 位地址 MOVX Ri 訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時 P2 口輸出特殊功能寄存器 P2 的內(nèi)容 P3 口 P3 口是一個具有內(nèi)部提升的 8 位雙向 I O 口 P3 腳在寫入 1 后由內(nèi)部提升 電阻置為高電平 這時它可用作輸入 作為輸入 從外部拉為低電平的 P3 腳將放出 電流 因為它有內(nèi)部提升電阻 3 控制總線 RST VPD 復位輸入信號 振蕩器運行時該腳為高兩個機器周期將復位本器件 內(nèi)部有一個擴散電阻接 VSS 允許只使用一個接到 VCC 的外部電容實現(xiàn)上電復位 ALE 訪問外部存貯器時用于鎖存低位字節(jié)地址的地址鎖存允許脈沖 在一般情況下 ALE 輸入為振蕩器頻率的 1 6 可用作外部定時或時鐘 然而必須 注意在每次訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時少一個 ALE 脈沖 PSEN 外部程序存儲器控制信號 是外部程序存貯器的讀選通 EA VPP 訪問內(nèi)部程序存儲控制信號 EA 必須接地從允許從外部程序存貯器 0000 到 FFFFH 取指 如 EA 接 VCC 則除非程序計數(shù)器地址大于 0FFFH 器件總是從內(nèi) 部程序存貯器取指 4 時鐘 XTAL1 內(nèi)部振蕩器外接晶體引腳 1 XTAL2 內(nèi)部振蕩器外接晶體引腳 2 21 C230PF 1晶 體 XYAL2VcXTAL1MS 5振 蕩 器 的 定 時 元 件 連 接 圖外 部 時 鐘 VsXTAL1MCS 5HO器 件 外 部 時 鐘 連 接 圖 MCS 51 單片機為 40 腳雙列直線式結構 其引腳排列如下 22 VcP0 1234567EA LROGSNP 2310XTAL21VsRS VPDp3 0IN456W7128MC 單 片 機 的 引 腳 圖 2 程序存儲器的擴展 在 MCS 51 單片機應用系統(tǒng)中 程序存儲器的擴展 對于 ROM 的單片機是不 可缺少的工作 片外程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器的操作使用不同指令和控制信號 故 允許二者的地址重復 片外可擴展的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器分別為 64K 字節(jié) 由 于片外程序存儲器與片內(nèi)程序存儲器采用相同的操作指令 所以片內(nèi) 片外程序存 儲器的選擇靠硬件結構實現(xiàn) 當 EA 0 時 不論片內(nèi)有無程序存儲器 片外存儲器 的地址可從 0000H 開始設置 最大可到 FFFFH 64K 字節(jié) 由外擴芯片容量決定 但當 EA 1 時 前 4K 字節(jié)地址 0000H 0FFFH 為片內(nèi)程序存儲器所有 片外擴展的 程序存儲器的地址只能從 1000H 開始設置 最大可到 FFFFH 60K 字節(jié) 由外擴芯 片容量決定 1 程序存儲器有單獨的地址編號 0000H FFFFH 使用單獨的控制信號 PSEN 控制 和指令 MOVC 查表指令 2 程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器共用地址總線與數(shù)據(jù)總線 3 采用線選法而不用地址片選譯碼 3 I O 口的擴展 接口 是微處理器 CPU 與外界的連接部件 電路 是 CPU 與外界進行信息 交換的中轉站 接口技術 是研究 CPU 如何與外部世界進行最佳耦合與匹配 以 實現(xiàn)雙方高效 可靠地交換信息的一門技術 它是軟硬件結合的體現(xiàn) 是微型計算 機應用的關鍵 按 CPU 與外界交換信息的要求 一般來講 接口部件應具有如下功能特點 23 1 數(shù)據(jù)緩沖功能 接口中一般都設置數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器 以解決高速 CPU 和低速外設之間的矛 盾 避免丟失數(shù)據(jù) 另外 這些鎖存器常常有驅動作用 2 設備選擇功能 微機系統(tǒng)中通常都有多臺外設 而 CPU 在同一時間里只能與一臺外設交換信息 這就要借助接口的地址譯碼器對外設進行尋址 高位地址用于芯片選擇 低位地址 用于選擇接口芯片內(nèi)部寄存器或鎖存器 以選定需要與 CPU 交換信息的外設 3 信號轉換功能 由于外設所能提供和所需要的各種信號常常與微機總線信號不兼容 因此信號 變換就不可避免 它是接口設計中的一個重要方面 通常遇到的信號變換包括 信 號電平轉換 模 數(shù)和數(shù) 模轉換 串 并和并 串轉換 數(shù)據(jù)寬度變換及信號的邏輯關 系和時序上的配合所要求的變換等 4 接受 解釋并執(zhí)行 CPU 命令的功能 CPU 發(fā)往外設的各種命令都是以代碼的形式先發(fā)到接口電路 再有接口電路解 釋后 形成一系列控制信號送往外設的 為了實現(xiàn) CPU 與外設之間的聯(lián)絡 接口電 路還必須提供寄存器的 空 或 滿 外設的 忙 或 閑 等狀態(tài)信號 5 中斷管理功能 當外設需要及時得到 CPU 的服務 例如 在出現(xiàn)故障而要求 CU 進行刻不容緩 的處理時 就應在接口中設置中斷控制邏輯 由它完成向 CPU 提出中斷請求 進行 中斷優(yōu)先級排隊 接收中斷響應信號以及向 CPU 提供中斷向量等有關中斷事物工作 這樣 除了能使 CPU 實時處理緊急情況外 還能使快速 CPU 與慢速外設并行工作 從而大大提高 CU 的效率 6 可編程功能 為使接口具有較強的通用性 靈活性和可擴充性 現(xiàn)在的接口芯片多數(shù)都是可 編程的 這樣在不改變硬件的條件下 只改變驅動程序就可改變接口的工作方式和 功能 以適應不同的用途 需要說明的是 上述功能并非每個接口芯片都同時具備 對不同配置和不同用途的 微機系統(tǒng) 其接口芯片的功能及實現(xiàn)方式有所不同 接口電路的復雜程度相差甚遠 MCS 51 共有四個八位并行口 即 P0 P3 對于 8031 來說 由于無片內(nèi) ROM 必須在外部擴展 ROM 這時 需要使用 P0 P2 口作為地址總線輸出口及數(shù)據(jù)總線口 使用 因此 對于 8031 只有 P1 口及 P3 口的一部分可提供給用戶作為 I O 口使用 這對于系統(tǒng)是不夠的 需要進行 I O 口擴展 可編程 I O 口的擴展 可編程 I O 接口芯片電路復雜 功能較多 可滿足各種應用要求 24 INTEL8155 8255CPU 是為 8031CPU 設計的通用 I O 接口 4 8255A 的外部引線與內(nèi)部結構 如圖 PA4567WRESTD0123VCPB7654PA3210RDCSGN76P5412C3B08的 引 腳 配 置 圖 8255A 是一個單 5V 電源供電 40 個引腳的雙列直插式組件其外部引線如圖所 示 作為接口電路的 8055A 具有面向主機系統(tǒng)總線和面向外設兩個方面的連接能力 它的引腳正是為了滿足這種連接要求而設置的 數(shù) 據(jù) 總線 緩 沖器讀 寫控 制 邏輯 B組 控制 組 端口 8 組 端口 C下 半部 4 A組 端口 上 半部 組 端口 8 組 控制DRDWA01ESTCCPU接 口 內(nèi) 部 邏 輯 外 設 接 口 I OP7 03B25的 內(nèi) 部 結 構 框 圖 1 面向系統(tǒng)總線的信號線有 D0 D7 雙向數(shù)據(jù)總線 CPU 通過它向 8255A 發(fā)送命令 數(shù)據(jù) 8255A 通過它向 CPU 回送狀態(tài) 數(shù)據(jù) CS 選片信號線 該信號低電平有效 有系統(tǒng)地址總線經(jīng) I O 地址譯碼器產(chǎn)生 CPU 25 通過發(fā)高位地址信號使它變成低電平時 才能對 8255A 進行讀寫操作 當 CS 為高電 平時 切斷 CPU 與芯片的聯(lián)系 A1 A 0 芯片內(nèi)部端口地址信號線 與系統(tǒng)地址總線低位相連 該信號用來尋址 8255A 內(nèi)部寄存器 兩位地址 可形成片內(nèi)四個端口地址 RD 讀信號線 該信號低電平有效 CPU 通過執(zhí)行 IN 指令 發(fā)讀信號將數(shù)據(jù)或狀態(tài) 信號從 8255A 讀至 CPU WR 寫信號線 該信號低電平有效 CPU 通過執(zhí)行 OUT 指令 發(fā)寫信號 將命令代 碼或數(shù)據(jù)寫入 8255A RESET 復位信號線 該信號高電平有效 它清除控制寄存器并將 8255A 的 A B C 三個端口均置為輸入方式 輸出寄存器和狀態(tài)寄存器被復位 并且屏蔽中斷請求 24 條面向外設的信號線呈現(xiàn)高阻懸浮狀態(tài) 這種勢態(tài) 一直維持 直到用方式命令 才能改變 使其進入用戶所需的工作方式 面向 I O 設備的信號線有 PA0 PA7 端口 A 的 I O 線 與外部連接 PB0 PB7 端口 B 的 I O 線 PC0 PC7 端口 C 的 I O 線1 RDWS操 作 0讀 端 口 A讀 端 口 B讀 端 口 C寫 端 口寫 端 口寫 端 口寫 控 制 口825的 數(shù) 據(jù) 總 線 處 于 三態(tài)非 法 狀 態(tài)DB 7處 于 三 態(tài)A的 端 口 操 作 選 擇 2 A 組和 B 組控制電路 根據(jù) CPU 命令 控制 8255 工作方式的控制電路 A 組控制 PA 口和 PC4 PC7 B 組控制 PB 口和 PC0 PC3 3 雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器 這是 8255 和 CPU 數(shù)據(jù)總線的接口 CPU 和 8255 之間的命令 數(shù)據(jù)和狀態(tài)的傳 送部分是通過雙向三態(tài)總線緩沖器傳送的 D0 D7 接 CPU 的數(shù)據(jù)總線 26 4 讀 寫和控制邏輯 A0 A1 CS 為 8255 的口選擇信號和片選信號 RD WR 為對 8255 的讀 寫控制 信號 這些信號線分別和 CPU 的地址線和讀 寫信號線相連接 實現(xiàn) CPU 對 8255 的 口選擇和數(shù)據(jù)傳送 這些控制信號的組合可以實現(xiàn) CPU 對 8255 的 PA 口 PB 口 PC 口和控制口的尋址 8255 的端口尋址如圖所示 5 8279 芯片的接口引線 圖為該芯片的引腳圖 40 個引腳除 5V 電源接線和地線外 依功能分為三組 與 CPU 的接口連線 與鍵盤的接口線以及與顯示器的接口線 1 與 CPU 的接口線 1 D0 D7 雙向數(shù)據(jù)總線 CPU 通過這組接線向芯片寫入工作方式控制命令 字和顯示輸出得數(shù)據(jù) 讀回芯片的工作狀態(tài)和鍵盤編碼 2 CS 片選輸入線 低電平允許對芯片的讀 寫操作 3 A0 地址碼最低位輸入線 低電平選中片內(nèi)數(shù)據(jù)寄存器 高電平選中片 內(nèi)命令和狀態(tài)寄存器 4 RD WD 讀寫控制 分別控制數(shù)據(jù)命令和狀態(tài)的讀 寫 5 RESET 復位輸入線及 CLK 時鐘線 系統(tǒng)送入時鐘作芯片內(nèi)部定時 2 與鍵盤的接口線 1 SL0 SL3 掃描信號線 用作鍵盤的行掃描信號 以及數(shù)碼顯示器的位選 信號 可編程使芯片工作在編碼方式或譯碼方式 前者按 SL0 SL34 位編 碼器輸出 16 位編碼正脈沖 后者按 SL0 SL3順序輸出負脈沖 按編程的 時鐘頻率周而復始地輸出 2 RL0 RL3 回饋信號輸入線 與鍵盤的列線相連 當芯片輸出行掃描信號 時 芯片自動接受這列線回饋信號 當有按鍵按下時 經(jīng)約 10ms 消顫處 理 被按下的鍵所在的列輸出低電平信號 其他列輸出高電平 3 SHIFT CNTL STB 位移 控制 選通輸入方式信號線 加上此兩線的 4 種編碼 鍵定譯碼可達 256 個 在選通輸入方式時 CNTL STB 線用作數(shù) 據(jù)送入 FIFO 的選通線 3 與數(shù)碼顯示器的接口線 SL0 SL3掃描信號線也是數(shù)碼顯示器的位選信號線 初此以外還有 1 OA0 OA3 OB 0 OB3 數(shù)據(jù)輸出線 數(shù)據(jù)顯示器的段碼從這兩組線輸出 他們與位選線 SL0 SL3同步 實現(xiàn)分時數(shù)據(jù)顯示 芯片內(nèi)部有一個 16 字 節(jié)的顯示存儲器 存儲欲顯示的段碼 最大可支持 16 位數(shù)碼顯示 2 BD 消隱信號線 此輸出信號用來在顯示數(shù)據(jù)切換時進行消隱 以免顯 27 示跳動 此信號也可有消隱命令產(chǎn)生 PC0 PC7 端口 C 的輸入輸出線 這 24 根信號線均可用來連接 I O 設備 通過它們可以傳送數(shù)字量信息或開關量信息 VcRL10NT SBHIF32OUA01TBDCSRL23KIQ4567ESTDWB0123Vs897的 引 腳 圖BDSL0 3 48HIFT回 復掃 描 計 數(shù) 器定 時與 控 制顯 示 寄 存 器顯 示 地址寄 存 器 18 6顯示 RAM控 制 與 定時 寄 存 器 8O 傳 感器 RAM鍵 盤 消 顫與 控 制FIO 傳 感器 RAM的 狀態(tài) 寄 存 器控制數(shù) 據(jù) 緩沖 器時 鐘 復 位 0 7W0Q279的內(nèi)部結構框圖7CN B 下圖是用 8279 作 8031 的鍵盤 顯示器接口的邏輯圖 28 DB76543210P ACLKRDWIQSETHFCNL BK12NTP2 5 U8AB C2Y765432Y10OUTA 74LS2R189用 8作 的 鍵 盤 顯 示 器 接 口 的 邏 輯 圖 在圖中的數(shù)碼管 U11 U18 是共陽型的 LED 數(shù)碼管 8279 的 DB0 DB7 與 8031 的 P0 口連接 A0 是由 U3 74LS373 鎖存器提供 CLK 與 ALE 連接 如果 8031 的時 鐘是 6MHz 的話 那么 CLK 的頻率將是 1MHz IRQ 通過一個反向器與 INT1 連接以申 請中斷 RD WR 相連接 這里 片選 CS 采用線選方式 通過一個反相器與 P2 5 連 接 因此該 8279 的數(shù)據(jù)口地址是 2000H 控制口地址是 2001H 但在外設接口較多 的應用系統(tǒng)里 接口地址應當由譯碼器提供 8279 的 A 組輸出 OUTA0 3 和 B 組輸出 OUTB0 3 合并使用 通過 U4 74LS244 八個同相三態(tài)驅動器 作為 LED 數(shù)碼管的段驅動 掃描線 SL2 SL0 按編碼掃描鍵盤 方式工作 U5 74LS138 三一八譯碼器 作為它的外接譯碼器 可以擴展出 8 條鍵 盤矩陣的行線 在本圖中 工接有 64 個鍵 同時 該 8 條線還通過 U7 U10 4 個 75452 雙與非驅動器 作為數(shù)碼管 U11 U18 的位掃描驅動 RL0 RL7 回復線作為鍵 盤矩陣的列線 另外 還在 SHIFT 和 CNTL STB 腳上設計了兩個開關 在它們的配合 下這 64 個鍵可以得到 64 4 256 個功能 8279 自動完成鍵盤掃描和數(shù)碼管掃描顯示的工作 分擔了 CPU 的巨大工作量 它掃描鍵盤的原理是這樣的 由于 RL0 RL7 回復線內(nèi)部具有上拉電阻 因此 它作 為鍵盤矩陣的列線時 如果沒有鍵按下則 RL0 RL7 芯片所接受到的信息都是 1 在本圖中 鍵矩陣的行線由 SL2 SL0 的外譯碼器驅動 即在 74LS138 的輸出線 Y0 Y7 中每個掃描節(jié)拍只有一根線輸出 0 假設某掃描節(jié)拍 LS2 SL0 是 000 的 話 那么 Y0 0 這時只有 0 7 號鍵中的某個鍵被按下時才能使 RL0 RL7 的相應回 復線狀態(tài)為 0 即 SL2 SL0 的狀態(tài)變化是該鍵的行碼 而 RL0 RL7 的狀態(tài)是該 鍵的列碼 隨著 LS2 SL0 的狀態(tài)變化 74LS138 的輸出線 Y0 Y7 也依次逐個的變 29 低 在 RL0 RL7 回復線的配合下 就逐行地把所有的鍵的狀態(tài)都掃描了 為了克服 機械接觸式鍵盤的接觸顫動 芯片考慮了 10 3ms 的消顫時間 利用鍵矩陣的行線 又構成了數(shù)碼管的掃描顯示 行輸出線 Y0 Y7 通過與非驅動 器 75452 依次逐個地選通每位數(shù)碼管 在 OUTA0 3 和 OUTB0 3 輸出的字行碼的同 步配合下 就把要顯示的數(shù)字和符號顯示出來了 在掃描鍵盤方式中 輸入到 FIFO RAM 的字符格式如下 CNTL SHIF掃 描 鍵 盤 行 線 碼 列 線 RL0 7回 復 碼D765432D1 三 驅動電路的設計 一 概論 脈沖輸入時 將脈沖分配給各組繞組 因其功率很小 電壓幅度不足 5V 電流 為 mA 級 必須經(jīng)過驅動器將信號電流放大到若干安培 才能驅動步進電機 實際上 電機的驅動器是一個功率放大器 驅動器要求失真小 有較好的前沿和足夠的幅度 本系統(tǒng)采用 55BF003 型和 70BF003 型步進電機作為驅動裝置 它是受脈沖信號進行 控制 微安級信號進行控制 若想使 27V 5A 的步進電機達到需要的額外狀態(tài) 只 靠微機 8255 控制作用不可能提供步進電機需要的輸出功率 因此必須有額外的功率 驅動電路 步進電機與控制系統(tǒng) 功率驅動電路組成一體構成了步進電機的驅動系 統(tǒng) 如圖 MCS 51 8255A分配系統(tǒng) 步進電機 30 步進電機系統(tǒng)主框圖 二 驅動電路的設計及說明 步進電機的控制系統(tǒng)和分配系統(tǒng)中采用匯編語言來實現(xiàn)的 所以采用三級管進行電流放大 下面是功率驅動電動硬件進 行說明 高低壓驅動電路如下圖所示 驅動電路圖 1 驅動電路原理 La 繞組的高低壓驅動電路 脈沖變壓器 Tp 組成高壓控制電路 無脈沖輸出時 T1 T 2 T 3 T 4 均截止 電機繞組 La 中無電流通過 電機不轉 有脈沖輸入時 T1 T2 T4 飽和導通 在 T2由截止到飽和期間 其集電極電流也就是脈沖變壓器的 初級電流急速增加 在變壓器次級感生一個電壓 使 T3導通 80V 高壓經(jīng)高壓管 T3 加到繞組 La 上使電流迅速上升 約經(jīng)數(shù)百微秒 當 T2進入穩(wěn)壓狀態(tài)后 Tp 初級電 流暫時恒定 次級的感應電壓降到 0 T 3截止 這時 12V 低壓電流經(jīng) D2加到繞組 La 上 維持 La 中的電流為恒定值 輸入脈沖結束后 T 1 T 2 T 3 T 4 又均截止 儲 存在 La 中的能量通過 18 的電阻和二極管泄放 18 的電阻的作用是減小放電回 路的時間常數(shù) 改善電流波形后沿 由于采用高低壓驅動 電流增長快 電機的力 矩和運行頻率都得到改善 高低壓驅動電路 采用四個三極管 線路比較簡單 工作穩(wěn)定實用性強 它具 有以下特點 a 本回路采用兩種電源供電 80V12V 31 b 驅動電路采用了三級放大 使電路合理 穩(wěn)定性好 c 由于電機轉動產(chǎn)生的反電動勢 使電流波形頂部下凹 使平均電流下降 轉矩下降 2 驅動電路源部分 由于驅動電路需要直恒流 27V 穩(wěn)定電壓 才能保證機構的工作穩(wěn)定性 根據(jù)驅 動電路中步進電機滿足電流在 3A 以上 故自行設計驅動電路穩(wěn)壓電源 具體設計結構如圖所示 27V 6V 20 300 A B 4700m 3K 5V 0 33m 0 1M 7805 32 驅動電路的穩(wěn)壓圖 工作原理 由變壓器輸出 30V 電壓 由于為恒流電壓 所以最大值在 30 32V 之 間 大于 30V 電壓 經(jīng)過 7824 將電壓將為 24V 又因為 7824 工作電流很小 所以 TIP147 進行擴大后經(jīng)過電阻提壓為 27V 再同樣經(jīng)過 7815 后電壓為 15V 經(jīng)電阻分 壓降為 6V 由穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定后 在經(jīng)過 7805 把電壓穩(wěn)定在 5V 電容器的選取 電容 C 采用極性電容器 主要是因為我們要把交流電變?yōu)橹绷麟?第一步已將 雙向變換電壓變?yōu)閱蜗虿▌与妷?所以電容器另一端始終處于低電位 但也不排除 電流橋會有漏電流的可能 通過電容這一步 便可使這一小部分漏過來的的反向電 壓被截止并消除掉 因為電容本身對電壓有滯后作用 其作用可用下圖示明 u0t3u30t濾 波 前 電 壓 波 形 濾 波 后 電 壓 波 形 濾波后電壓波形電容值越大 濾波的效果會越好 但電容值過大也會使電容兩端電 壓值偏低 所以我們選用了電容值為 4 9mF 的極性電容 四 控制面板 本次設計所采用的是由南京利德運動控制工程有限公司提供的 LD 系列機床數(shù)控 系統(tǒng)型號為 LD 15M 型 一 外部接線圖如下 33 M接 口 其 他 接 口12芯 12芯7芯 芯 7芯 芯X電 機 Z電 機 Y電 機 電 機 二 控制面板圖如下 34 XYZ 顯 示 板急 停 按 鈕切 板空 運 行 MDI手 動自 動 回 零電 源 旋 鈕ZY單段連續(xù)啟 動 暫 停XZY 第五章 便攜式涂漿機執(zhí)行程序設計 35 一 涂漿軌跡的確定 密封圈涂漿軌跡如圖所示 14072593x 86 涂 膠 軌 跡 二 涂漿的程序框圖如下 框圖的說明 涂漿過程中 需要保證漿棒內(nèi)有足夠的漿為下一工件能夠涂完為止 所以設計了漿棒內(nèi)漿量不足的報警子程序 每一工件涂完漿后提醒工人換件 這樣 就可以節(jié)省不必要的時間 提高了勞動生產(chǎn)率 調(diào) Z軸 上 升 子 程 序換 膠 子 程 序 N調(diào) 逆 圓 插 補 子 程 序開 始 涂 膠預 定 位 置 n 0 結 束報 警剩 余 膠 量 1 YY調(diào) 正 圓 插 補 子 程 序 出 膠正 圓 Z軸 下 降 子 程 序 開 始 N換 件 報 警 詳細圖見圖紙 第六章 結論 36 1 此次設計的涂漿機體積小 結構簡單 操作方便 有利于它的通用性 2 此次設計的便攜式涂漿機完全脫離了手工涂漿 實現(xiàn)了全自動涂漿 使工人 從繁瑣的勞動中解脫出來 減少了工人的勞動強度 這將大大的提高勞動生產(chǎn)效率 3 在涂漿的過程中 保證了涂漿的厚度和漿的均勻性 這樣 不僅提高了機器 零件的密封性 而且機器的性能將更加良好 涂漿機的研制 將為企業(yè)帶來巨大的 經(jīng)濟效益 第七章 設計體會 37 經(jīng)過三個多月的畢業(yè)設計 不僅將我大學四年所學的知識緊密的聯(lián)系起來 而且提高了我綜合運用基礎知識的能力和設計能力 并從中了解了從理論設計 到實際設計的基本過程 學到了很多書本之外的實際運用的知識 使自己的整 體設計水平有所提高 在畢業(yè)設計過程中 明白了機電一體化不是機械技術和 電子技術的簡單疊加 而是二者的有機結合 畢業(yè)設計是大學四年學習內(nèi)容的最后的一個部分 也是最重要的部分 是提高 自己整體設計水平的關鍵環(huán)節(jié) 與以往的課程設計不同 本次畢業(yè)設計工作量 大 難度也相對較高 在設計中遇到了很多困難 這就需要我去查閱更多的資 料 在指導教師的幫助下 我順利的完成了畢業(yè)設計 同時也學到了更多的實 用知識 使自己在將來的工作中能夠學有所用 在設計過程中 知道了基礎課 程的重要性 知識的運用性在今后的工作中還需要繼續(xù)學習 通過這次涂漿機 的設計 我知道了機電一體化產(chǎn)品的設計需要抓住關鍵部件的設計 要綜合考 慮設計結構而不要孤立的考慮問題 設計過程中還要貫穿技術經(jīng)濟效益分析和 現(xiàn)代設計手段的應用 尤其是 CAD 的良好應用 在設計中也看到了我國機電業(yè) 的不足 機電產(chǎn)品結構不合理 加工工藝不夠完善 影響了國家經(jīng)濟的快速發(fā) 展 許多機電產(chǎn)品需要進口 這樣加大了國有企業(yè)的負擔 阻礙了國有企業(yè)的 發(fā)展 使其很難具有國際競爭力 愿我能在今后的工作中為我國的機電事業(yè)盡 一份力 鑒于本人設計水平有限 經(jīng)驗不足 設計中難免有疏漏之處 涂漿機還有待于 在今后的應用過程中加以改進 懇切希望老師們提出寶貴意見 加以改正 38 致 謝 為期三個多月的畢業(yè)設計就要結束了 我也順利的完成了我的課題設計 在此之際我要衷心的感謝在設計過程中一直幫助我支持我的老師 我要感謝指導老師 XX 老師在整個設計過程中對我的影響很大 設計過程 中的很多個難點都是在 XX 老師的悉心指導下才克服的 還有 XX 老師大親切 和善也是我在整個設計過程中感受最深的 也因為這樣 和老師之間存在著師 生心理障礙一下全無 我也就大方的有問題就問 有想法就提 這也使得我能 更多的發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題 并解決問題 XX 老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度 淵博的 專業(yè)知識 誨人不倦教學精神 在學術上和為人上都是我們的楷模和榜樣 同 時我還要感謝跟我一起參與設計的同學 雖然我們課題不同 但是都能在討論 中發(fā)現(xiàn)各自的問題 并互相提出解決的方法 設計能夠順利完成 也因為他們 的幫助 結束代表著新的開始 新的征程 本次的畢業(yè)設計將會成為我今后工作 學習生活中的一份堅實的基礎和保證 從中吸取的經(jīng)驗教訓也將成為我們在今 后生活道路上的一筆財富 挫折永遠是前進道路上所必須面對的 相信我們的 未來會走的更好 也可以讓我們大學的老師放心 真心的感謝在大學幫助過我 的老師和同學們 再次感謝你們 39 參考文獻 1 吳振彪主編 機電綜合設計指導 北京 中國人民大學出版社 2001 年 6 月 2 三浦宏文編著 機電一體化實用手冊 上海 科學出版社 2001 年 8 月 3 鄭堤 唐可洪編著 機電一體化設計基礎 北京 機械工業(yè)出版社 2003 年 1 月 4 北京航空學院機械教研室 數(shù)控機床的結構與傳動 國防工業(yè)出版社 1996 年 6 月 5 叢鳳延編著 組合機床設計 上海 上?？茖W技術出版社 1996 年 4 月 6 吳延海編著 微型計算機接口技術 重慶 重慶大學出版社 1997 年 7 月 7 劉剛 邵敏編著 單片計算機原理及應用技術 長春 吉林科學技術出版社 1995 年 10 月 8 邱宣懷 蔡春源編著 機械零件設計手冊 冶金工業(yè)出版社 1990 年 6 月 9 大連理工大學工程圖教研室主編 機械制圖 北京 高等教育出版社 1999 年 1 月 10 璞良貴 紀名剛 編著 機械設計 北京 高等教育出版社 2001 年 6 月 11 甘永立編著 幾何量公差與檢測 上海 上?？茖W技術出版社 2001 年 4 月 12 王永章編著 機床的數(shù)字控制技術 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學出版社 1995 年 7 月 13 汪凱等編著 機械設計手冊 北京 機械工業(yè)出版社 1991 年 9 月 14 潘新民 王燕芳 編著 微型計算機控制技術 北京 高等教育出版社 2001 年 7 月 15 劉剛 等 編著 電工電子技術 長春 吉林科技出版社 1997 年 12 月 16 J S Chen I C Dwang Internation Journal of Manufacture 40 2000