自動涂膠機的設計,自動,涂膠,設計 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,自動涂膠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,其結合面都需要涂膠，涂膠的精度對汽車的性能至關重要，自然對自動涂膠機提出了更高的要求。以往涂膠都是依靠工人的手工來完成，涂膠的效率極低，而且很難保證涂膠的均勻性和膠體的厚度。自動涂膠機既能保證涂膠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(zhì)量，減少了工人的勞動強度。因此針對不同的工作需要,自動涂膠機可以采用框架式機器人或多自由度機器人來實現(xiàn)對結合面進行涂膠，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膠的設備（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(qū)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(但必須考慮膠的流動)。,保證系統(tǒng)可靠性及涂膠精度的前提下降低造價,提高性能/價格比。 本次設計的自動涂膠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)涂膠機的X向、Y向、Z向運動的數(shù)據(jù)量，來控制涂膠的速度和均勻性。 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，自動涂膠機一定會有著更廣泛的應用前景。 第二章 自動涂膠機的總體結構設計 一、 設計任務和內(nèi)容 設計一臺自動涂膠機，對汽車密封圈進行自動涂膠，利用步進電機進行驅(qū)動控制，保證涂膠的范圍、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、自動涂膠機的控制系統(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(qū)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。由于涂膠屬于輕載荷工作。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(zhuǎn)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膠量問題，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)，以保證涂膠均勻，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、自動涂膠機總體方案的擬定 結構的詳細說明：由于涂膠過程中存在拐點涂膠量的控制，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向擠膠活塞速度的方式，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，來保證涂膠的厚度和均勻 性。 Z向是用來控制出膠的量的，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，可保證涂膠的厚度和均勻性。 通過改變Z向絲杠螺母的轉(zhuǎn)速，以保證Z軸的升降速度，來達到涂膠的要求。 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、 自動涂膠機的主要技術參數(shù) 1、每一工件涂膠時間：15s---20s 2、膠型：東泰嚴氧平面密封膠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：αx=3o αy=3o αz=1.5o 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： X向.Y向 3.0A Z向 3.0A 9、步進電機最大靜轉(zhuǎn)距： X向，Y向電機0.784Nm Z向 電機0.49Nm 保持轉(zhuǎn)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 第三章 自動涂膠機機械部分設計 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。 因為膠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： 涂膠機裝置傳遞要求精度很高，為了使涂膠機的結構簡單，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： 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(zhuǎn)矩問題。 步距角： 其中： 脈沖當量δ=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(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 3 1.5/3 27 3 0.686 1800 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 質(zhì)量 外徑Φ 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，每次出膠的量不是很多，所以擠膠力不是很大，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，擠膠的力度一般在1N～25N之間，選用保持轉(zhuǎn)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?。? 由于z向電機的輸出軸的軸徑為Φ6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一起，具體結構如圖所示： 2、X向電機的選取： 中拖板和上拖版加上涂膠裝置總重量<=50Kg,則滾珠絲杠上的平均工作載荷為Fm=490/3N取螺旋角偏大點，設λ=3.20則受力分析如下圖： λ Fm Fn x 設周向分力為xN,則： x=Fmtanλ=490/3tan3.20=9.13N (D0/2)x=30/210-39.13=0.137N·m 以上取值都是取最大可能值，實際值一定比0.137N·m小得多，為了安全起見，故選用70BF003型號，保持轉(zhuǎn)距為0.784N·m的步進電機。 3、Y向電機的選?。? Y向電機的選取也需要滿足扭矩的大小，以保證絲杠的正常運轉(zhuǎn)。由于密封圈是圓形工件，可選用同一型號的電機就能滿足涂膠的精度。且更有利于電路的控制，程序的編制也更加方便。 （二）、滾珠絲杠及絲杠螺母的選取 傳動機構要滿足傳動精度的要求，還要滿足高速、低噪聲和可靠性。所以我選擇了滾珠絲杠。因為滾珠絲杠具有傳動效率高、運動具有可逆性、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的特點。 1、X向滾珠絲杠的選?。? 由設計的尺寸和材質(zhì)選取可計算出Y向傳動滾珠絲杠要帶動重量為50×9.8=490N的重物做水平直線進給運動，則平均工作載荷Fm=1/3Mg=490/3N.絲杠工作長度L=150mm.平均轉(zhuǎn)速nm=200r/min,使用壽命Lh=15000h.絲杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為58～62HRC傳動精度要求：σ=±0.03 mm. （1） 則計算載荷Fc： Fc=KFKHKAKm=1.2*1.0*1.1*500=660(N) KF——載荷性質(zhì)系數(shù)，取1.2介于無沖擊，平穩(wěn)運轉(zhuǎn)和一般運轉(zhuǎn)之間。 KH——滾道實際硬度HRC>=58HRC取1.0。 KA——精度等級 取1.1。 （2） 額定動載荷計算值（Ca'） Ca'=Fc× ——額定壽命 ——平均轉(zhuǎn)速 （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 D0=20mm 導程 P=5mm 螺旋角 λ=4o33ˊ 滾珠直徑 d0=3.175mm 滾道半徑 R=0.52d0=1.651mm 偏心距 e=0.707(R-d0/2)=0.004445mm 絲杠內(nèi)徑 d1=D0+2e-2R=16.7869mm （4）穩(wěn)定性驗算 1、臨界載荷 Fcr=π2EIa/(ul) 2=1.09× 安全系數(shù)S=Fcr/Fm>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 2、臨界轉(zhuǎn)速 ncr=9910×fc2d1/(ul) 2=r/min 所以絲杠不會共振。 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η為： η=tgλ/tg（λ+ρ） =tg（4o33ˊ）/tg（4o33ˊ+4o40ˊ） =94.8% ρ——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?。? 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軸控制出膠的量的多少，且需要考慮突然斷電的情況，突然斷電需保證膠棒不漏膠所以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： 絲杠螺母的螺距為2mm 公稱直徑為18mm 螺母的高度為H=ψd2=2.5ψ取2.5 整體式 旋合圈數(shù) n=H/P=45/4=11.25 螺紋的工作高度： h=0.5P=0.54=2 螺牙根部寬度 b=0.65P=0.65 工作比壓P=F/0.0024MP 自鎖的驗算： 導程角 所以絲杠螺母可以自鎖。 絲杠螺母的效率計算： （三）、滾動導軌的選取 1、X向?qū)к壍倪x取 （1）行程長度壽命Ts Ts=2Lsn60Th/1000=2×0.3×4×60×1.5×/ =1960Km 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=Ffw3√(Ts/k)/mfTfcfH=N 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 外形參數(shù)：A*h*L1=70*37*80 2、Y向?qū)к壍倪x取 由于Y向?qū)к壦惺艿妮d荷比X向?qū)к壍囊〉亩喙士蛇x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 θb×L0/i×360<=δp （1）、Z向電機選擇： 步距角的確定 θb=360×δp×i/L0=360×0.008×1/2=1.5° i=1 初選電機型號 55BF003 各參數(shù)如下： 相數(shù) 步距角 電壓 相電流 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 3 1.5/3 27 3 0.686 1800 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 質(zhì)量 外徑Φ 長度 軸徑 0.617×105kgm2 0.83 55 70 6 （2）、X、Y向電機選擇： 步距角：θb=360×δp×i/L0=360×0.01×4/5=3° i=4 δp=0.1 初選電機型號 70BF003 各參數(shù)如下： 相數(shù) 步距角 電壓 相電流 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 3 1.5/3 27 3 0.784 1600 質(zhì)量 外徑Φ 長度 軸徑 1.2 70 65 8 2、電機的校核： 1、Z相電機校核： 步進電機最大徑轉(zhuǎn)矩Mjmax與步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq的關系 即：Mmq=λMjmax=0.866×0.686=0.594 N/cm 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。 步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算： Mkg= Mka+ Mkf+ M0 Mkg—空載啟動力矩 Mka—空載啟動時部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩（N.CM） Mkf—空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N.CM） M0 —由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩 初選電機型號時應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩 即：Mkg≤Mmq=λMjmax λ=Mkg/Mjmax=0.866 （三相六拍） （1） 加速力矩 Mka=J∑ε=J∑×2×л×2×60t =0.617×0.1×2×л×1440×/60×2=0.0465(N?cm) JΣ —傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm2） —電機最大角加速度（rad/s2） nmax —運動部件最大快進速度對應的電機最大轉(zhuǎn)速（r/min） t —運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間（s） vmax—運動部件最大快進速度（mm/min） δp—脈沖當量（mm/脈沖） θb—步進電機的步距角 （2） 空載摩擦力矩： Mkf=Gf′L0/2лηi=30×0.1×0.2/2л×0.8×1=0.119(N?cm) G—運動部件的總重力（N） f′—導軌摩擦系數(shù) i—齒數(shù)傳動降速比 η—傳動系數(shù)總效率。 取η=0.7-0.85 L0—滾珠絲杠的基本導程（cm） （3） 附加摩擦力矩 M0=FYJL0(1-η02)/2лηi=100*0.2*(1-0.952)/2л*0.8*1=0.387(N?cm) FYJ—滾珠絲杠預加載荷即預緊力 一般取Fm的1/3 Fm —為進給牽引力（N） η為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取η0≥0.9 所以Mkg≤Mmq 符合要求 X向電機與Y向電機的校核與Z向基本相同，在這里只簡單的對其進行校核。 Mmq=λMjmax=0.866×0.788=0.6824 Mkf= Gf′L0/2лηi=200*0.1*0.3/2л*0.8*4=0.2977(N?cm) i =4 M0=FYJL0(1-η02)/2лηi=250×0.3×(1-0.952)/2л×0.8×4=0.3636(N?cm) Mmq=0.6824>Mkf+M0=0.6613 符合設計要求 （五）、涂膠彎臂的螺栓強度校核： 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。 = d=12mm 完全可以符合要求。 彎臂受到扭轉(zhuǎn)力的作用，其扭矩為： （1）、截面形心： （2）、計算截面慣性矩： （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： 取[]=75Mpa 《[] d=12mm完全可以滿足設計要求。 （六）、涂膠夾具的設計 涂膠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膠棒時造成涂膠機起始位置的偏差，在本次設計中，采用了雙滑塊開口V型槽式夾具來夾持膠棒，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 自動涂膠機要求傳動效率高且傳動比穩(wěn)定，以保證涂膠的均勻性和穩(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 自動涂膠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α=18o 小齒輪：Z1=18 大齒輪：Z2=65 齒數(shù)互為質(zhì)數(shù) 由于小齒輪作懸臂布置故： Φd=0.6 小齒輪的齒寬 b=Φdd1=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=Φdd1=0.6×27=16.2mm 圓整后取B2=16mm B1=21mm 第四章 硬件及接口電路的設計 一、概述 本次設計的自動涂膠機采用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)?；镜臄U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(qū)動8個LS 型TTLFU載。P0角在寫入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。 MCS-51單片機為40腳雙列直線式結構，其引腳排列如下： 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(zhuǎn)站?！敖涌诩夹g”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： （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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換、串/并和并/串轉(zhuǎn)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(qū)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。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） 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。 （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，A0：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 (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。 (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，OB0—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。 下圖是用8279作8031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(qū)動器，作為LED數(shù)碼管的段驅(qū)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(qū)動器，作為數(shù)碼管U11—U18的位掃描驅(qū)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(qū)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(qū)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： 三、驅(qū)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(qū)動器將信號電流放大到若干安培，才能驅(qū)動步進電機，實際上電機的驅(qū)動器是一個功率放大器。驅(qū)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(qū)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(qū)動電路，步進電機與控制系統(tǒng)，功率驅(qū)動電路組成一體構成了步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)，如圖： 驅(qū)動電路 8255A 分配系統(tǒng) MCS-51 步進電機 步進電機系統(tǒng)主框圖 （二）、驅(qū)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(qū)動電動硬件進行說明。 高低壓驅(qū)動電路如下圖所示： 驅(qū)動電路圖 1、驅(qū)動電路原理： La繞組的高低壓驅(qū)動電路，脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路，無脈沖輸出時，T1，T2，T3，T4，均截止，電機繞組La中無電流通過，電機不轉(zhuǎn)，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，T3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，T1，T2，T3，T4，又均截止，儲存在La中的能量通過18Ω的電阻和二極管泄放，18Ω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(qū)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(qū)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 b 驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩下降。 2、驅(qū)動電路源部分 由于驅(qū)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(qū)動電路中步進電機滿足電流在3A以上，故自行設計驅(qū)動電路穩(wěn)壓電源。 具體設計結構如圖所示： 27V +6V 20Ω 300Ω 7805 A B 4700m 3K +5V 0.33m 0.1M 驅(qū)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?。? 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▌与妷海噪娙萜髁硪欢耸冀K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： 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： （二）、控制面板圖如下： 第五章、自動涂膠機執(zhí)行程序設計 （一）、涂膠軌跡的確定 密封圈涂膠軌跡如圖所示： （二）、涂膠的程序框圖如下： 框圖的說明：涂膠過程中，需要保證膠棒內(nèi)有足夠的膠為下一工件能夠涂完為止，所以設計了膠棒內(nèi)膠量不足的報警子程序。每一工件涂完膠后提醒工人換件，這樣就可以節(jié)省不必要的時間，提高了勞動生產(chǎn)率。 詳細圖見圖紙 第六章 結論 1、此次設計的涂膠機體積小，結構簡單，操作方便，有利于它的通用性。 2、此次設計的自動涂膠機完全脫離了手工涂膠，實現(xiàn)了全自動涂膠，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、在涂膠的過程中，保證了涂膠的厚度和膠的均勻性，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。涂膠機的研制，將為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。 第七章 設計體會 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?qū)W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。通過這次涂膠機的設計，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，涂膠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。 2004年6月 致 謝 在畢業(yè)設計過程中，感謝各位機電老師和同學對我畢業(yè)設計的支持和幫助，尤其感謝王曉東老師和于保軍老師對我的指導和金明煥同學對我的輔導，使我順利的完成了畢業(yè)設計，在這里衷心地感謝他們。 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：上海科學技術出版社，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) 36