木片定长剪板机的设计【含图纸】
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摘 要本文设计了一台简易剪板机,能够实现对木片的定长进行剪切,剪断时间小于10s,重点就机架、刀架等重要部件进行了设计,在设计中通过对比国内外剪板机,力求设计出结构简单,操作简便,同时经济、合理的剪板机,具体设计思路上:利用自动控制系统控制刀架,大大减少了剪切的时间并且提高了剪切精度。采用人工送料以降低成本。近年来,随着模具技术和冲压技术的发展,剪板机的应用范围在不断地扩大,数量在不断地增加。预计不久的将来,剪板机在冲压用剪板机中的比例将会愈来愈大。关键词 机架; 刀架; 自动控制系统; 剪切精度Abstracthis text designed to the infrastructure design of guillotine shear, can able to reach for wood to cut a slice of the clipping time is smaller than 10 second, the point carried on a design for the parts with important etc. of the machine, knife and passed contrast to the infrastructure design of guillotine shear at home and abroad in the design and tried hard for to design structure simple, operate simple, economic in the meantime, reasonable of the infrastructure design of guillotine shear, for the put type knife formerly and connect the pole type knife carried on innovation: Make use of the hydraulic system control knife, consumedly reduced to shear to slice of time and raised to shear to slice accuracy. Adopting artificial to send to anticipate is since low cost. In recent years, along with molding tool technique and hurtle to press a technical development, the infrastructure design of guillotine shear at constantly extension, amount at constantly increment. Anticipate near future, the infrastructure design of guillotine shear at blunt press to use to shear the comparison in the infrastructure design of guillotine shear will be bigger and bigger.Keywords Machine Knife Automatic control system Shear to slice accuracy目 录1 绪论 . 5 1.1概论 . 5 1.2 剪板机分类及应用 . 5 1.3 设计的意义和设计步骤 . 72 剪板机机械设计 . 8 2.1 机架 . 8 2.2 刀架 . 8 2.3 刀具 . 93 机械机构部分设计 . 10 3.1 电动驱动滚轮轴的设计 . 11 3.1.1 驱动滚轮的确定. 11 3.1.2 电动机的选择 . 11 3.1.3 轴的计算 . 11 3.2 编码器安装轴的设计. 12 3.2.1 轴的计算 . 12 3.2.1.1 初步确定轴的最小直径. 16 3.2.1.2 轴的结构设计. 17 3.3 剪切装置的设计. 17 3.3.1 气缸的选择 . 18 3.3.2 连接套的设计 . 18 3.4 床身支撑的设计 . 19 3.5 安装支架的设计 . 20 3.6 辅助装置的设计 . 214 电器控制部分的设计 . 23 4.1 硬件电路设计 . 24 4.4.1 中央控制器:80C51系列单片机 . 26 4.4.2 单片机的系统扩张 . 28 4.4.3 单片机接口设计 . 365 结论 . 376 致谢. 387 参考文献 . 398 附录 . 411绪论1.1概论随着我国制造业的发展,剪板机床的发展越来越成为机械制造行业的中流砥柱,通用型高性能剪板机,广泛适用于航空、汽车、农机、电机、电器、仪器仪表、医疗器械、家电、五金等行业。 锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备,1842年,英国工程师史密斯创制第一台蒸汽锤,开始了蒸汽动力锻压机械的时代。1795年,英国的布拉默发明水压机,但直到19世纪中叶,由于大锻件的需要才应用于锻造。随着电动机的发明,十九世纪末出现了以电为动力的机械剪板机和空气锤,并获得迅速发展。二十世纪初,锻压机械改变了从19世纪开始的向重型和大型方向发展的趋势,转而向高速、高效、自动、精密、专用、多品种生产等方向发展。于是出现了每分种行程2000次的剪板机。所谓剪板机一般是指每分钟的行程次数为普通剪板机的510倍的剪板机。剪板机是带有自动送料装置,可完成板料高效率、精密加工的机械剪板机,具有自动、高速、精密三个基本要素。近十多年来,随着对发展先进制造技术的重要性获得前所未有的共识,冲压成形技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展,其特征是与高新技术结合,在方法和体系上开始发生很大变化。计算机技术、信息技术、现代测控技术等冲压领域的渗透与交叉融合,推动了先进冲压成形技术的形成和发展。冷冲压生产的机械化和自动化,为了满足大量生产的需要,冲压设备已由单工位低速剪板机发 展到多工位剪板机。一般中小型冷冲件,既可在多工位剪板机上生产,也可以在剪板机上采用多工位级进模加工,是冷冲压生产达到高度自动化。 在汽车、航空航天、电子和家用电器领域,需要大量的金属板壳零件,特别是汽车行业要求生产规模化、车型个性化和覆盖件大型一体化。进入21 世纪,我国汽车制造业飞速发展,面对这一形势,我国的板材加工工艺及相应的冲压设备都有了长足的进步。1.2剪板机分类及应用剪板机属于直线剪切机类,主要用于剪裁各种尺寸金属板材的直线边缘。在轧钢、汽车、飞机、船舶、拖拉机、桥梁、电器、仪表、锅炉、压力容器等各个工业部门中有广泛应用。 剪板机种类较多,按其工艺用途和结构类型可以分为:1.平刃剪板机剪切质量好,扭曲变形小,但剪切力大,耗能大。机械传动的较多。该剪板机上下两刀刃彼此平行,常用于轧钢厂热剪切初轧方坯和板坯;按其剪切方式又可分为上切式和下切式。2.斜刃剪板机剪板机的上下两刀片成一个的角度,一般上刀片是倾斜的,其倾斜角一般为16。斜刃剪板机剪切力比平刃剪板机小,故电机功率及整机重量等大大减小,实际应用最多,剪板机厂家多生产此类剪板机。该类剪板机按刀架运动形式分闸式剪板机和摆式剪板机;按主传动系统不同分为液压传动和机械传动两类。3.多用途剪板机:(1)板料折弯剪切机:即在同一台机械上可完成剪切和折弯两种工艺。(2)联合冲剪机:即可完成板材的剪切,又可对型材进行剪切,多用于下料工序。4.专用剪板机:(1)板材开平线剪板机:用于板材开卷校平线上,为配合生产线速度快剪切要求而设计的高速剪板机,厚板线上多为液压高速剪板机,薄板线上多配气动剪板机;高速线上配有飞剪机,连续生产,效率高。 (2)钢结构生产线剪板机:多用于角钢、H型钢自动生产线完成剪断工序。 (3)冷弯成型线剪板机:例如汽车纵梁冷弯线、车厢侧挡板生产线、彩钢板成型线等生产线上配置的专用剪板机等。1.3设计的意义和设计步骤毕业设计和毕业论文是本科生培养方案中的重要环节。学生通过毕业论文,综合性地运用几年内所学知识去分析、解决一个问题,在作毕业论文的过程中,所学知识得到疏理和运用,它既是一次检阅,又是一次锻炼。通过这次检验,不但可以提高学生的综合训练设计能力、科研能力(包括实际动手能力、查阅文献能力,撰写论文能力)、还是一次十分难得的提高创新能力的机会,并从下个方面得到训练:1.学会进行方案的比较和可行性的论证;2.了解设计的一般步骤;3.正确使用各种工具书和查阅各种资料;4.培养发现和解决实际问题的能力。利用所学的机械各方面的知识,我选择这个课题为我的毕业设计,进行大胆的尝试。设计中主要以课本和各种参考资料作为依据,从简单入手,循序渐进,逐步掌握设计的一般方法,把所学的知识形成一个整体,以适应以后的工作需要。当然,初次设计,知识有限,经验不足,一些问题考虑不周,也可能存在有某些错误和遗漏,恳请各位老师批评指正。剪板机是各类机械产品的一种,设计时着手于其原理和主要部件的计算校核,了解剪板机的工作状态,以此为基础设计刀架、机架等各类零部件,定长系统的相关资料,进行相关的数据计算。2 剪板机机械设计2.1.机架剪板机的机架通常由左右立柱、工作台、和连接横梁所组成。这几个部分的连接形式常见的有三种:整体焊接、组合(用榫头和螺栓来连接)和组合焊接(即组合后再焊接)。一般来讲,整体焊接的机架刚性最好,但由于体积庞大,对焊后进行退火和机械加工带来困难。有的工厂将焊后退火的工作台和连接梁先进行加工,然后以较少的焊缝和左右立柱焊接。这样既能保证机架足够的刚度又能减少焊接时的变形和焊接过程中产生的内应力。组合的机架刚性较差,但易于制造(不需要大型机床加工)。目前生产的组合机架往往用榫头和螺栓来连接,组合焊接的机架比组合机架的刚度好一些。2.1.刀架刀架是剪板机的重要部件,被剪板料的剪切精度和端口质量在很大程度上与刀架以及机架上导轨的结构有关,因此应该注意刀架的强度和刚度。目前常见的刀架结构有三种:整体焊接的直线运动刀架、组合焊接的直线运动刀架及整体焊接的摆动刀架。整体焊接的直线运动刀架如果刀架沿垂线运动,一般上刀片只有两个刃,如果刀架沿前倾线运动则刀片可作成四个刃。这种结构可用于上轴式和侧轴式剪板机。组合焊接的直线运动刀架中,水平板和筋板先焊好,然后用螺栓固定到立板上。调节螺栓使刀架在水平面内造成凸弧线,而在剪切时由于水平推力迫使刀架弯曲造成凹弧线,如果调节适当,两项弯曲将互相抵消而使剪切精度得到提高。刀架运动由偏心轴和连杆获得,一般都沿前倾运动。被剪板厚10毫米时前倾角采取3。连杆的下端(上端)作用在刀架立板顶端的小偏心轴上。整体焊接结构的摆动刀架多数用于液压机械传动的剪板机。根据活塞和刀架的连接方式基本山有三种形式:1.侧面柱塞油缸的刀架;2.活塞和油缸两端铰接式的刀架;3.带有柱塞的刀架。这三种刀架断面应考虑抗弯和抗扭2.3.刀具剪板机的下刀片都具有四个刃。刀架沿前倾直线运动的剪板机上刀片可以具有两个刃或者四个刃。刀架沿弧线运动的剪板机上刀片只宜有两个刃,而且必须将上刀片用螺钉或者垫片调整为一个空间曲面,因此上刀片的长度尽可能增大以减少接缝数。如果接缝处调整不当将导致刀具磨损的加剧和被剪板边偏差的增大。刀片顶面应稍低于工作台面,偏差为-0.20毫米。国产剪板机刀片材料常用6CrW2Si,(热处理后硬度为RC58-60)。T7A,9CrSi,Cr12P1,Cr12Mo和Cr6VP也可作刀片的材料。国外实验用硬质合金BK15或BK20镶在剪刀片上来提高两次刃磨的间隔时间。刀片的尺寸参阅下表3-2表3-2 刀片尺寸被剪板厚h(毫米)刀片尺寸T*H(毫米)螺孔直径d(毫米)12.520*601341625*8017202532*12022324045*15033刀片刃部应经常保持清洁,并应涂上含有二硫化钼或石墨的润滑脂。3 机械结构部分设计3.1电机驱动滚轮轴的设计3.1.1 驱动滚轮的确定已知木片外径为6-15mm,初步确定电机驱动滚轮的直径为100mm,厚度为22mm。3.1.2 电动机的选择在木片生产过程中的剪切设备,主要用于定长剪切,是对运动的木片实施剪切的设备。剪切时,电动机处于停止状态,而不剪切时,电动机快速启动。由于剪切的特殊工艺要求,使电动机经常处于启动和制动状态。同时在生产过程中,为了满足生产要求,电机在调速方面有较高要求,以保证系统的稳定性。直流电动机有较好的控制特性,直流电动机在结构、价格、维护方面都不如交流电动机,交流电动机结构简单,价格便宜,维护工作量小,但是由于交流电动机的调速控制问题一直未得到很好的解决方案,而直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点,所以目前直流电动机的应用仍然很广泛,尤其在可控硅直流电源出现以后。因此,我们选用直流电动机。电动机的转速: 电动机的转速可选用大于100r/min 查资料我们选择中大电机,带齿轴电机电机型号 出力 电压 频率 极数(W) (V) (HZ) (P)61K120RGU-CF 120 1ph220 50 4 额定时间 调速范围(Duty) (r/min)连续CONT 90-1350-齿轮箱允许力矩 齿轮箱型式:4GNK频率 减速比 3 3.6 5 6 7.5 9 输出轴转速 r/min 500 417 300 250 200 16650HZ 允许力矩 N.m 2.06 2.48 3.44 4.13 5.16 6.19在此我们选用减速比为9 ,输出轴转速为166 r/min 3.1.3 轴的计算3.1.3.1初步确定轴的最小直径 d (3.2)轴的材料选用45, 查表得 Ao=126103代入式3.2得: d 126=15 取 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处的轴的直径,故须同时选取联轴器的型号。查标准或手册,此处的联结采用凸缘联轴器,把两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴联结,其额定转矩为,半联轴器的孔径 轴孔长度 螺栓 处于电机上另一半联轴器的孔径 查表得: 螺栓 3.1.3.2 轴的结构设计(1)拟订轴上零件的装配方案现选用图1.1所示的装配方案 图3.1 电机安装轴装配图(2)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1、为了满足半联轴器的轴向定位要求,轴段左端需制出一轴肩,故取段的直径,半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故段的长度应比略短一些,现取图3.2 滚动轴承安装图2、初步选择滚动轴承。因为轴承主要受径向力的作用,故选用深沟球轴承,参照工作要求并根据;而。此处滚动轴承采用轴向定位,见图1.2 :D=52mm, B=15mm 。由手册上查得6205型轴承的定位轴肩高度,因此取。3、取安装驱动滚轮处的轴段;驱动滚轮的右端与右轴承之间采用轴肩定位,轴肩高度h=(0.070.1)d ,则轴环处的轴径 ,。轴环宽度b1.4h,取。驱动滚轮的左端与轴承之间采用套筒定位,已知驱动滚轮的宽度为22mm,为了使套筒端面可靠的压紧齿轮,此轴承段应略短于滚轮宽度,故取。4、取驱动滚轮距箱体内壁距离a=20mm,已知滚动轴承的宽度及箱体的厚度,可以确定出。至此,已初步确定出轴的各段直径和长度。(3)轴上零件的周向定位驱动滚轮和半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。图3.3 键槽设计图按图由手册查得平键截面,t=4.0mm(GB/T1095-1979),见图1.3所示,键槽用键槽铣刀加工,长度L=25mm(标准键长见GB/T1096-1979),同时为了保证驱动滚轮与轴的配合有良好的对中性,故选择驱动滚轮与轴的配合为H7/n6;同样,半联轴器与轴的连接,选用平键为,t=3.0mm半联轴器与轴的配合为H7/k6。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为m6。(4)确定轴上圆角和倒角尺寸参考机械设计表15-2,取轴端倒角为,各轴肩处的圆角半径见轴装配图。 3.2 编码器安装轴的设计为实现木片的计数功能,在此轴上装有单片机控制的编码器。编码器与调整滚轮轴相连,每转一转,便发出一定数量的脉冲,数字控制系统通过计数器脉冲的频率和周期进行测量,便可计算出木片的长度值。此轴在竖直方向上与电机驱动滚轮轴相比有一定的高度,目的是为了增大木片的包角,使木片不发生滑动现象。木片外径为6-15mm,初步确定调整滚轮的直径为100mm,厚度为22mm。由已知条件得知木片长度控制精度: 。查资料选择HLE系列增量型编码器(空心轴)轴径为,脉冲数30P/R5400P/R。3.2.1 轴的计算3.2.1.1 初步确定轴的最小直径由编码器的轴径确定I轴的最小直径为。3.2.1.2 轴的结构设计(一)拟订轴上零件的装配方案 现选用图3.4所示的装配方案(二)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度(1)、为了满足半联轴器的轴向定位要求,轴段左端需制出一轴肩,故取段的直径,半联轴器与轴配合的毂孔长度。(2)、初步选择滚动轴承。因为轴承主要受径向力的作用,故选用深沟球轴承,参照工作要求并根据;而。此处滚动轴承采用轴向定位,由手册上查得6204型轴承的定位轴肩高度,因此取。(3)取安装调整滚轮处的轴段;调整滚轮的左端与左轴承之间采用轴肩定位,轴肩高度h=(0.070.1)d ,则轴环处的轴径图3.4 编码器安装轴装配图。轴环宽度b1.4h,取。驱动滚轮的右端与右轴承之间采用套筒定位,已知调整滚轮的宽度为22mm,为了使套筒端面可靠的压紧齿轮,此轴承段应略短于滚轮宽度,故取、(4)取调整滚轮距箱体内壁距离a=20mm,已知滚动轴承的宽度及箱体的厚度,可以确定出。 至此,已初步确定出轴的各段直径和长度。(五)轴上零件的周向定位调整滚轮和半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按由手册查得平键截面,t=4.0mm(GB/T1095-1979),键槽用键槽铣刀加工,长度L=15mm(标准键长见GB/T1096-1979),同时为了保证调整滚轮与轴的配合有良好的对中性,故选择驱动滚轮与轴的配合为H7/n6;同样,半联轴器与轴的连接,选用平键为,t=3.0mm键槽用键槽铣刀加工,长度L=13mm半联轴器与轴的配合为H7/k6。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为m6。(六)确定轴上圆角和倒角尺寸参考机械设计表15-2,取轴端倒角为,各轴肩处的圆角半径见轴装配图。3.3 剪切装置的设计气动技术是以压缩空气为工作介质进行能量与信号传递的技术。气压传动具有防火、防暴、节能、高效、无污染等优点。具有 1)工作介质是空气,它来源方便,取之不尽,用之不竭,使用后直接排入大气而无污染,不需要设置专门的回收装置。2)空气的粘度很小,所以流动时压力损失较小,节能高效,适用于集中供气和远距离输送。3)动作迅速,反应快,调节方便,维护简单,系统有故障时,容易排除。4)工作环境适应性好。5)成本低,具有过载保护功能。所以,我们选用气缸作为执行原件。3.3.1 气缸的选择3.3.1.1 类型的选择:选择气缸的类型应根据工作要求和条件。1)要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声应选择缓冲气缸;2)要求重量轻,应选轻型缸;要求安装空间窄且行程短,可选薄型缸;有横向负载,可选带导杆气缸;3)要求制动精度高,应选锁紧气缸;不允许活塞杆旋转,可选具有杆不回转功能气缸;高温环境下需选用耐热缸;在有腐蚀环境下,需选用耐腐蚀气缸。在有灰尘等恶劣环境下,需要活塞杆伸出端安装防尘罩。4)要求无污染时需要选用无给油或无油润滑气缸等。而在执行剪切动作时,主要是通过冲击力来实现切刀对木片的切断,因此,选用冲击类气缸。冲击气缸是将压缩空气的能量转化为活塞高速运动能量的一种气缸,活塞的最大速度可达每秒十几米,能完成下料、冲孔、打印、弯曲成形、铆接、破碎、模锻等多种作业。具有结构简单、体积小、加工容易、成本低、使用可靠、冲裁质量好等优点。3.3.1.1 型号的选择: 即缸径的选择。根据负载力的大小来确定气缸输出的推力和拉力。一般按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力,根据不同速度选择不同的负载率,使气缸输出力稍有余量。缸径过小,输出力不够,但缸径过大,使设备笨重,成本提高,又增加耗气量,浪费能源。在夹具设计时,应尽量采用扩力机构,以减小气缸的外形尺寸。1)、气缸作用力的大小:根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了,输出力不够,气缸不能正常工作;但缸径过大,不仅使设备笨重、成本高,同时耗气量增大,造成能源浪费。在夹具设计时,应尽量采用增力机构,以减少气缸的尺寸。预选气缸直径 (3.3)F:为剪切面面积:为抗剪切强度由已知条件得:木片外径:6-15mm;内径铜材线;查表得:铜抗剪切强度 由式3.3得 =900N1、确定气缸的轴向负载力F=1000N2、查表得气缸的负载率3、确定气缸的使用压力P但作用气缸一般在0.150.25MPa取P=0.2 MPa预设杆径和缸径之比为d/D=0.5 (3.4) (3.5)解得: D=115mm查资料我们选取济南华能气动元器件公司生产的QGCH系列冲击气缸,该系列气缸是一种结构简单,耗气量少,能产生相当大冲击力的一种特殊气缸。 选用参数如下:缸径(mm) 100冲程(mm) 200冲击系数(K) 0.51冲击功(J) 143冲击频率(次/分) 40最高使用压力(MPa) 1环境温度() 5803.3.2 连接套的设计连接套用于连接气缸与刀具,这就对气缸和刀具这两部分的同心度有一定的要求。同时对精度也有较高的要求。具体精度要求见零件图。 3.4 床身支承的设计3.4.1 支承的结构特点及主要技术指标:床身与支承件起着连接和支承各种零部件相互位置的作用。特点:(1)在剪切过程中承受冲击荷载较大。(2)结构较复杂,有许多加工面和孔。根据以上特点,设计时要特别注意,抗震性以及结构工艺性等问题。(1)抗震性:指其抵抗受迫震动的能力。提高抗震性的方法:提高静刚度,合理设计构件截面形状和尺寸,以提高刚度,提高固有频率避免产生共振。(2)减轻重量,在不降低构件刚度的前提下减轻重量,适当减薄壁厚,采用钢材焊接结构等。3.4.2 床身的结构设计结构形状对刚性,抗震性,稳定性起决定性作用,根据不同要求,结构设计可采取经验,类比,试验和计算方法进行。良好的结构工艺性,在保证刚度要求前提下,应尽量使铸造及机械加工量最小,金属消费率最低。合理设计壁厚,根据受力大小决定壁厚,壁厚过分薄易引起浇铸不足和冷隔;过厚易产生缩孔且浪费材料。各处壁厚力求均匀,充分考虑铸造,机械加工和装配的工艺性表3.1床身壁厚选择重量/N外形最大尺寸/mm壁厚/mm 50300760100500811060075010610100012501210105000170014501080002500168010120003000181200030002030床身的外形尺寸初设为500500500,由表3.1知立壁厚选择20mm,底板厚度15mm。3.4.3 床身支承的材料选择 通常要求材料具有较高的强度,刚度和耐磨性以及良好的铸造和焊接工艺性,并且成本低,例如铸铁,钢板和花岗岩等。1.铸铁铸铁熔点低,铸造性能好,易铸成各种复杂形状的零件。吸振性和耐磨性较好,成本比较低,是一种应用极为广泛的材料;缺点是制造周期长,需要木模和砂芯,工艺复杂。常用铸铁:(a) HT2040(一级铸铁)抗弯,抗压应力比较大,可以做机身导轨,流动性能差,不适于结构复杂的支承件。(b) HT1532(二级铸铁)铸造性能好,但机械性能较差,适用于形状复杂而受 载不大的支承件。(c) 合金铸铁2.钢板钢板焊接成的构件,弹性模量E比铸铁大。(一)床身材料选择HT250,强度,耐磨性,耐热性,减振性等性能良好,适用于承受较大应力,耐磨零件。3.4.4安装板的设计结构原理图3.5所示: 安装板上的两个通孔用于安装编码器轴及电机驱动轴; 两轴孔也要精加工,表面粗糙度值3.2,平面度要高。两轴的高度应有一定的差值,且编码器安装轴需高于电动机驱动轴,目的是增大木片的包角,防止木片发生滑动现象,造成计数上得误差。图3.5 编码器安装板3.5安装支架的设计在电机驱动轴上要安装直流电动机,在所选择的直流电机还配戴有调速器置所以,在选择安装支架时,必须要保证安装支架与轴的同心,以确保安装尺寸的精确度。图3.6为调速器的安装支架。图3.7为直流电动机的安装支架图3.6 调速器的安装支架图3.7 直流电动机的安装支架3.6辅助装置的设计由于木片质量较轻,在剪切瞬间很容易发生滑动,不但会造成木片的位置不准确,还会造成木片的堆积,从而造成测量上的失误。所以,在剪切刀具左端加一套筒,防止以上事情的发生。调整滚轮的设计采用的是调整螺母调整弹簧的松紧度。4 电器控制部分设计4.1硬件电路设计4.1.1 中央控制器:80C51系列单片机80C51单片机系列源于Intel公司的MCS-51系列,结构体系如图4.1所示。它有专门CPU系统、CPU外围功能单元和归一化的I/O端口。图4.1 80C51系列单片机基本结构图RST-高电平复位端 ALE-复用数据总线(P0)复用管理外部与内部程序存储器的选择 外部程序存储器的读取控制80C51单片机的CPU外围电路有片内程序存储器ROM(4K)、数据存储器(128B)、I/O端口和特殊功能寄存器SFR。80C51有4个8位I/O端口,分别为P0、P1、P2、P3。P0口为数据总线端口;P2、P0口组成了并行扩展总线的16位地址线,其中P0口为低8位地址总线,P2口为高8位地址总线;P1口为用户I/O口;P3口是用于基本功能单元的输入/输出端口以及并行扩展单元的读写控制。80C51的I/O端口具有复用功能,在不用作并行扩展总线时P0口、P2口可作普通用户I/O口使用;P3口不做基本功能单元的输入/输出时,也可作用户I/O口使用。80C51的串行接口是一个带有移位寄存器工作方式的通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)。因此80C51的串行接口UART不仅可作串行通信,还可以用于移位寄存器方式的串行外围扩展。串行通信接口的外部引脚为P3.0(RXD)、P3.1(TXD)。4.1.2 单片机的系统扩展一、片外程序存储器和数据存储器的扩展8031 单片机片内无ROM,片内数据存储器也仅有128字节,需要扩展外部程序存储器和数据存储器。128字节的片内RAM在本课题中也是不够用的,因此,程序存储器和数据存储器都需要扩展。1、 存储器扩展概述(1)MCS-51单片机的扩展能力 MCS-51单片机的地址总线宽度为16位,在片外可扩展的存储器最大容量为64KB,地址空间为0000H-0FFFFH。由于MCS-51单片机对片外程序存储器和数据存储器的操作使用不同的指令和控制信号,允许两者的地址重叠,所以片外可扩展的程序存储器与数据存储器分别是64K。为了配置外围设备而需要扩展的I/O接口与片外数据存储器统一纺址,即占据相同的地址空间。因此,片外数据存储器连同I/O接口一起的扩展容量是64KB。(2)存储器扩展的一般方法存储器芯片种类繁多,即使同一种类的存储器芯片,容量不同,其引其引脚数目也不同。尽管如此,存储器芯片与单片机扩展连接有共同的规律。不论何种存储器芯片,其引脚都呈三总线结构,与单片机连接都是三总线对接。存储器芯片的控制线:存储器芯片的控制线应与单片机的相应控制线相连接。对于程序存储器,其读选通信号()应与单片机的连接;对于数据存储器,存储器的读选取能信号()应与单片机的连接,存储器的写允许信号()与单片机的写信号相连接。存储器的数据线:存储器芯片数据线的数目由芯片的字长定。1位字长的芯片数据线有1条,8位字长的芯片数据线有8条;存储器芯片的数据经与单片机的数据线(P0.7-P0.7)按由低位到高位的顺序连接。存储器的地址线: 存储器芯片地址线的数目由芯片的容量决定。存储器芯片的地十线与单片机的地址总线按由低位到高位的顺序连接。通常,存储器芯片的地址线数目总是少于单片机地址线的数目,如引相接后,单片机的高位地址线总有剩余。剩余地址线一般作为译码线,译码输出与存储器芯片的片选信号线相接。单片机对存储器芯片访问时,片选信号必须有效,即选中存储器芯片。片选信号线与单片机系统的译码输出相接后,就决定了存储器芯片的地址范围。常用的译码方式有两种:线译码方式和译码器方式。 线译码: 所谓线译码就是低位地址线参加片内译码,剩余的高位地址线直接作为存储器芯片的片选,即一根线选中。当有N条高位地址线不参加译码时,则有个不同的地址空间。这些地址空间中真正能存储信息的只有一个,其余的公是占有,因而会造成地址空间的浪费,这是线译方式的缺点,但采用线译码方式的优点是译码电路简单。 译码器译码:所谓译码器译码就是低位地址线参加片内译码,剩余高位地址线通过译码器片进行译码形成存储器芯片的片选。这种译码方法产生的存储器芯片的地址空间是惟一确定的,不存在多块与重叠问题。常用的译码器芯片有74LS138、74LS139等。80C51芯片内部有128字节的数据存储器RAM,内部地址为07H-07FH,用作工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器,CPU对内部数据存储器有着丰富的操作指令。但是在数控系统中单用片内数据存储器往往是不够的,因此在本设计中外接6264芯片来扩展80C51的数据存储器。由于80C51内部只有4K程序存储器,所以在实际应用中常外接一片2764芯片来扩展程序存储器。16位地址总线由P0口经地址锁存器74LS464提供低8位地址A0-A7,高8位A8-A12由P2口输出。8位数据总线有P0口提供。这样8位数据线和地址总线的低8位复用P0口,它们通过不同的使能端分别控制。ALE为地址锁存允许,当送低8位地址时使用ALE,接74LS373的OE端,高电平有效,当不传送数据时ALE无效。低电平有效,偏外取指令控制。当其有效时选通外部EPROM存储器,向应的指令字节出现在EPROM的数据线(Q0-Q7)上,同是输入到P0口,CPU将读取向应的指令到指令寄存器XTAL1为芯片内部振荡电路输入端,XTAL2为振荡电路输出端,系统采用内部时钟电路。在XTAL1、XTAL2引脚上接上晶振电路,使80C51内部产生自激振荡。晶振电路一般采用石英晶体和电容组成并联谐振电路。晶振频率可以在1.2-12MHZ之间选择。本设计选取晶振频率为6MHZ,电容在5-30PF之间选择。电容CO1、CO2的大小对晶振频率有微小影响,因此可以起到频率微调作用。RST为复位控制,高电平有效。当RST端输入高电平时,80C51初始化复位,只要输入端保持高电平则循环复位,在复位有效期间ALE、也输出高电平。当RST输入返回低电平后,CPU从0地址开始执行程序。单片机通常采用上电复位和手动复位相结合的复位方式,以便在出现紧急情况时能使空置系统迅速复位,不至于造成事故,具体复位电路间控制电路原理图。程序存储器和数据存储器扩展芯片简介。2764是一种只用5V电源,65536位紫外线擦除,用非5V电源编程的只读存储器(EPROM)。引脚功能如下:A0-A12位地址端;为片选端;为输出允许;O0-O7为输出端;为编程端;NC没有内部连接;VPP为编程电源;VCC为电源;GND为地。用它可以扩展8K片外程序存储空间。6264位8K数据存储器,集成度很高。它的引脚功能如下:A0-A12为13位地址线,输入地址与内部8KB存储单元相对应;O0-O7为8位数据线;为片选信号线,低电平有效;为读信号线,低电平有效;为写信号线,也是低电平有效。各芯片的地址分配。由于80C51所支持的存储器系统其程序存储器和数据存储器独立编址,因此地址分配比较自由,不必考虑是否发生冲突。由于80C51复位后从0000H单元开始执行程序,故程序存储器的地址从0000H单元开始。各芯片的地址分配如下:2764芯片地址:0000H-8000H6264芯片地址:C000H-DFFFH2、程序存储器的扩展MCS-51单片机的外部程序存储器通常采用紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM。其典型产品有2764,27128,27256,27512等。其中2764A是一种8K8位的紫外线擦触电可编程只读存储器,单一+5V供电,工作电流为75mA,维持电流为35 mA读出时间最大为250ns。2764A的五种工作方式如表4.1所示: 表4.1 2764A的五种工作方式 (20)c (22) (27) (1) (28)输出读出LLH55DOUT维持H任意任意55高阻编程LHL12.55DIN编程检验LLH12.55DOUT编程禁止VIH任意任意12.55高阻2764有13根地址线A12A0,能区分阶段3位二进制地址信息;共有8192种状态,即可选取择8192个片内存储器中任意一个字节单元。这13根地址线的低8位接8031的低八位地址线A7A0,高5位与8031的P2.4P2.0连接,当8031发送13位地址信息时,可分别选中2764片内8KB存储中任何一个单元。2764的c端由8031的引脚信号控制。当信号由高电平变成低电平时,允许2764输出,所反映定的2764存储单元的内容送到P0口,在的上升沿将数据送入单片机的CPU内。2764的引脚为片选信号输入端,低电平有效。2764与单片机的连接原理图如图4.2所示. 图4.2 2764和8031单片机的连接原理图3、 数据存储器的扩展MCS-51系列的单片机片内RAM仅128字节,当系统需要大容量RAM时,就需要片外扩展数据存储器RAM,最大可扩展64KB。扩展数据存储器地址空 图4.3 6264与单片机的连接原理图间同扩展程序存储器一样,由P2口提供高8位地址,P0口分时提供低沉位地址和用做8位双向数据总线。片外数据存储器RAM的读和写由8031的(P3.7)和(P3.6)信号控制,而片外程序存储器的输出允许端()由读选通信号控制。尽管RAM与ROM共处于同一地址空间,但由于控制信号及使用的数据传送指令不同,所以不会发生总线冲突。 目前常用的RAM芯片有6116(2K8),6264(8K8),62256(32K8)等。 6264与单片机的连接原理图如图5.5所示。6264的片选信号由P2.5提供。4、外部储存器的扩展由于8031片内没有EPROM,故8031单片机需要扩展EPROM,本机采用外扩1片EPROM 2764。同样由于8031单片机内部RAM为128B,因其容量不能满足设计要求,故本机扩展8KB静态RAM 6264 一片,本设计采用线选法扩展 1片8KB的RAM 和 1片8KB 的EPROM,RAM芯片选用6264,EPROM选用2764,共扩展2片储存器芯片,扩展接口电路见图5.13: 图4.4 EPROM和RAM的扩展地址线P2.5直接接到2764和6264的片选,每次同时选中2个芯片,具体哪个芯片工作还要通过、控制信号控制。当片外程序储存区读选通信号为低电平,肯定到EPROM读程序;当选通信号或为低电平则到RAM中读数据或向RAM写入数据。、3个信号是在执行指令时产生的,任意时刻,只能执行1条指令,所以只能1个信号有效,不可能同时有效。5、各存储器的地址分配(1)存储器及扩展I/O口地址分配在本文中,单片机的P2口没有悬空的。其中程序存储器2764的片选信号线接成低电平,一直处于选通的状态;数据存储器6264的片选信号线接单片机的P2.5;8255A的片选信号线接P2.6;8255A的片选信号线接P2.7。(2)程序存储器的地址本文中用了容量为8K的程序存储器2764,地址线共有13条。低8位接单片机的P0口,高5位接P2.0-P2.4。片选线接地。地址范围为E0000H-FFFFH,共8K。(3)数据存储器的地址数据存储器6264的容量为8K,地址线共有13条。低8位接单片机的P0口,高5位接P2.0-P2.4,片选线接P2.5。因此,地址定为C000H-DFFFH,共8K。(4)8255A的地址分配8255A的AO和A1分别接地址锁存器74LS373的Q0和Q1,片选线接单片机的P2.6。其PA口的地址定为AFFFCH;PB口的地址为AFFDH;PC口的地址为AFFEH;控制寄存器的地址为AFFFH。二、输入输出接口的扩展MCS-51单片机共有4个并I/O接口,但这些接口并不能都提供给用户使用,因此在单片机系统设计中经常要进行I/O接口的扩展。(1)8255A并行可编程I/O扩展8255A是一个具有40个管脚的双列直插式集成电路芯片。按功能可把8255A分为三个逻辑电路部分,即口电路、总线接口电路和控制逻辑电路。 口电路 8255A共有三个8位口,其中A口和B口是单纯的数据口,供数据I/O使用。而C口既可以作数据口,又可以作控制口使用,用于实现A口和B口的控制功能。数据传送中A口所需的控制信号由C口高位部分(PC7PC3)提供,因此,把A口和C口高位部分合在一起称之为A组;同样理由把B口和C口低位部分(PC3PC0)合在一起称之为B组。() 总线接口电路 用于实现8255A和单片机的信号连接。其中包括:图4.6 8255A与单片机的连接原理图数据总线缓冲器 为8位双向三态缓冲器,可直接和80C51的数据线相连,与I/O操作有关的数据、控制字和状态信息都是通过该缓冲器进行传送。读写控制逻辑: 片选信号线。: 读信号线。: 写信号线。 A0、A1 端口选择信号 RESET: 复位信号线。 控制逻辑电路 包括A组控制和B组控制,合在一起构成8位控制寄存器。用于存放各口的工作方式控制字。8255A与单片机的连接原理图如图4.6所示:4.1.单片机接口技术一、 按键及显示器接口扩展键盘有两种类型:编码键盘和非编码键盘。编码键盘必须具有必要的硬件,按下键后便产生对应的代码,在按下新键之前,一直保持该码。键的数目增多时,硬件变得复杂,单片微机应用系统中用得较多是非编码键盘。非编码键盘只有两个动作状态:闭合或断开,由1或0来表示。单片机常用机械触点按键组成非编码矩阵式键盘。显示是将各种信息转化为视觉信息再传达给他人的过程。这种转化、传达的技术称为显示技术。() 键盘接口扩展技术1. 键盘输入的特点键盘实质上是一组开关的集合,通常,按键所用开关为机械弹性开关,均利用了机械触点的合、断作用。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随一连串的抖动,抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5-10毫秒。按键的稳定闭合期的长短则是由操作人员的按键动作决定的,一般为十分之几秒到几秒的时间。2. 按键的确认按键的闭合与否反应在电压上就是呈现出高电平或低电平,如果高电平表示断开的话,那么低电平则表示闭合。所以通过电平的高低状态的检测,便可确认按键按下与否。为了确保单片机对一次按键动作,只确认一次按键,必须消除抖动的影响。3. 消除按键抖动的措施对按键的抖动,通常有硬件、软件两种消除方法。硬件消抖可以用双稳态消抖电路和滤波消抖电路来实现。如果按键较多,硬件消抖将无法胜任,因此常采用软件消抖方法。在第二次检测到按下时,执行一段延时10毫秒的子程序后,再确认该按键电平是否仍保持闭合状态电平,如果为闭合状态电平,则确认为真正有键按下,从而消除了抖动的影响。本设计中采用软件消抖。4. 矩阵式键盘接口设计 本设计中采用矩阵连接式非编码键盘,对按键的识别有软件完成,采用定时扫描法。
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