智能車刀刃磨機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(五)

 在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，此結(jié)構(gòu)主要考慮到砂輪架的縱向進(jìn)給和和刀具的橫向進(jìn)給，這兩者的進(jìn)給量都是由手動(dòng)控制，且進(jìn)給量比較小，砂輪高度的調(diào)整，一般只需經(jīng)過一次調(diào)整，在整個(gè)刃磨過程中不需在調(diào)整，而手都刃磨余量，通常都是刀具磨損的量，都是比較小的量，所以，為了簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減小整個(gè)機(jī)床的縱向尺寸，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們采用了螺旋副傳遞扭矩，通過螺旋副自身自鎖，縱向利用導(dǎo)軌，限制周向旋轉(zhuǎn)，保證了砂輪架的升降。
 在設(shè)計(jì)當(dāng)中，簡(jiǎn)化了方案2當(dāng)中的蝸輪和蝸桿傳動(dòng)，直接利用絲杠傳動(dòng)，手輪垂直布置在機(jī)體內(nèi)部，減小了整體結(jié)構(gòu)尺寸。
 

 §3.3 控制部分設(shè)計(jì)
 機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小　重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在制造過程的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。機(jī)電一體化的共性包括檢測(cè)傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)等。各組成部分（即要素）的性能越好，功能越強(qiáng)，而且各組成部分之間配合越協(xié)調(diào)，則產(chǎn)品的性能和功能就越好。這就要求將上述多種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，也就是人們所說的融合。只有實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)整體最佳，這樣的產(chǎn)品才能稱得上是機(jī)電一體化產(chǎn)品。如果僅用微型計(jì)算機(jī)取代原來的控制器，其產(chǎn)品不能稱為機(jī)電一體化產(chǎn)品。
 本次設(shè)計(jì)的智能車刀刃磨機(jī)就是機(jī)電一體化產(chǎn)品，我們方案就是要實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)和控制電的結(jié)合，滿足設(shè)計(jì)要求。所以在機(jī)械原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，決定利用微控制器－單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其自動(dòng)控制，減輕使用人員的輔助工作，從而達(dá)到智能化。
 設(shè)計(jì)主要包括兩部分的內(nèi)容：第一部分硬件電路的設(shè)計(jì)；第二部分軟件設(shè)計(jì)；
 §3.3.1控制方案設(shè)計(jì)
   本次設(shè)計(jì)的控制方案由機(jī)械部分分析可知，就是能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)方向的自由度控制，整個(gè)控制當(dāng)中旋轉(zhuǎn)角度要可控，同時(shí)在控制當(dāng)中首先，要能對(duì)刃磨的車刀類型進(jìn)行選擇，其次，通過輸入需要刃磨的角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，由于刃磨量是一個(gè)隨機(jī)控制量，根據(jù)實(shí)際刀具磨損情況而定，所以在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，進(jìn)給量采用手動(dòng)控制，根據(jù)本次設(shè)計(jì)任務(wù)，我們通過查閱相關(guān)資料和實(shí)際調(diào)研，決定采用微控制器－單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的控制，同時(shí)在控制當(dāng)中考慮制動(dòng)控制，被控制量在數(shù)碼管中顯示，最終設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)控制要求，達(dá)到成本最低，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，功能完善的目的。
  §3.3.2硬件電路設(shè)計(jì)
微控制器選擇
 微控制器--單片機(jī)的品種繁多，主要出名品牌有：ATMEL公司的AVR單片機(jī),是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，芯片上的Flash存儲(chǔ)器附在用戶的產(chǎn)品中，可隨時(shí)編程，再編程能力，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令，每MHz可實(shí)現(xiàn)1MIPS的處理能力。電壓為2.7～6.0V,可以實(shí)現(xiàn)耗電最優(yōu)化。AVR的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，工業(yè)實(shí)時(shí)控制，儀器儀表，通訊設(shè)備,家用電器，宇航設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。Motorola單片機(jī): Motorola是世界上最大的單片機(jī)廠商。從M6800開始,開發(fā)了廣泛的品種,4位,8位,16位32位的單片機(jī)都能生產(chǎn),其中典型的代表有:8位機(jī)M6805,M68HC05系列,8位增強(qiáng)型M68HC11,M68HC12 , 16位機(jī)M68HC16, 32位機(jī)M683XX。Motorola單片機(jī)的特點(diǎn)之一是在同樣的速度下所用的時(shí)鐘頻率較Intel類單片機(jī)低得多,因而使得高頻噪聲低,抗干擾能力強(qiáng),更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。MicroChip單片機(jī): MicroChip單片機(jī)的主要產(chǎn)品是PIC 16C系列和17C系列8位單片機(jī),CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別僅有33、35、58條指令,采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力，價(jià)格低，一次性編程，小體積。 適用于用量大,檔次低,價(jià)格敏感的產(chǎn)品。在辦公自動(dòng)化設(shè)備，消費(fèi)電子產(chǎn)品，電訊通信，智能儀器儀表，汽車電子，金融電子，工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。MDT20XX系列單片機(jī): 工業(yè)級(jí)OTP單片機(jī),Micon公司生產(chǎn)，與PIC單片機(jī)管腳完全一致，海爾集團(tuán)的電冰箱控制器，TCL通信產(chǎn)品，長(zhǎng)安奧拓鈴木小轎車功率分配器就采用這種單片機(jī)。EPSON單片機(jī): EPSON單片機(jī)以低電壓，低功耗和內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)著名于世，尤其是LCD驅(qū)動(dòng)部分做得很好。廣泛用于工業(yè)控制，醫(yī)療設(shè)備、家用電器、儀器儀表、通信設(shè)備和手持式消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域。東芝單片機(jī): 東芝單片機(jī)門類齊全，4位機(jī)在家電領(lǐng)域有很大市場(chǎng)，8位機(jī)主要有870系列，90系列，該類單片機(jī)允許使用慢模式，采用32K時(shí)鐘時(shí)功耗降至10UA數(shù)量級(jí)。東芝的32位單片機(jī)采用MIPS 3000A RISC的CPU結(jié)構(gòu)，面向VCD，數(shù)字相機(jī)，圖像處理等市場(chǎng)。8051單片機(jī): 8051單片機(jī)最早由Intel公司推出，其后,多家公司購(gòu)買了8051的內(nèi)核，使得以8051為內(nèi)核的MCU系列單片機(jī)在世界上產(chǎn)量最大，應(yīng)用也最廣泛，有人推測(cè)8051可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片。
 本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，考慮到價(jià)格比和實(shí)用的廣泛性，采用了AT89C51（愛特梅爾芯片）
ATMEL公司的AT89C51系列單片機(jī)就是完全兼容MSC-51 8051系列的（也就是說，AT89C51的指令、管腳、內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)，以及用法與MSC-51相同），他不但兼容，而且還有不少創(chuàng)新，比如他的程序存儲(chǔ)器可以電擦、寫，一片IC就擁有了過去單片機(jī)的最小系統(tǒng)，不需要以前所謂的373和EPROM元件；所以，設(shè)計(jì)的電路連接、電路板自制都比較容易，加上目前其價(jià)格較底，比PIC及其它系列在這一點(diǎn)上優(yōu)越。
鎖存器、緩沖器選擇
 在外設(shè)接口電路中，經(jīng)常需要對(duì)傳輸過程中的信息進(jìn)行放大、隔離以及鎖存，能實(shí)現(xiàn)上述功能的接口芯片最簡(jiǎn)單的就是緩沖器、數(shù)據(jù)收發(fā)器和鎖存器。
 （1）74LS3738D鎖存器
 74LS373是一種8D鎖存器，具有三態(tài)驅(qū)動(dòng)輸出，其邏輯電路及引腳圖如圖5-7所示，從圖可見，該鎖存器由8個(gè)D門組成，有8個(gè)輸入端1D～8D，8個(gè)輸出端1Q～8Q，2個(gè)控制端——G和OE，使能端G有效時(shí)，將D端數(shù)據(jù)打入鎖存器中D門，當(dāng)輸出允許端OE有效時(shí)，
將鎖存器中鎖存的數(shù)據(jù)送到輸出端Q。74LS373的鎖存功能從表3-5可見。          
  表3-5  741S373的真值表

 表中H為高電平，L為低電平，Q0為原狀態(tài)，Z為高阻態(tài)，X表示任意值（即不論為“H”還是為“L”都一樣）。從表中可見74LS373的功能為：

圖3-10   74LS373鎖存器
當(dāng)使能端G為高電平時(shí)，同時(shí)輸出允許端OE為低電平，則輸出Q=輸入D；當(dāng)使能端低電平，
而輸出允許端OE也為低電平時(shí)，則輸出Q=QO（原狀態(tài)，即使能端G由高電平變?yōu)榈碗娖角埃�輸出端Q的狀態(tài)，這就是“鎖存”的意義）。 當(dāng)輸出允許端OE為高電平時(shí)，不論使能端G為何值，輸出端Q總為高阻態(tài)。74LS373鎖存器主要用于鎖存地址信息、數(shù)據(jù)信息以及DMA頁(yè)面地址信息等。常用的鎖存器還有74LS273，573Inte1 8282和8283等。
   （2）緩沖器74LS244
   74LS244是一種三態(tài)輸出的八緩沖器和線驅(qū)動(dòng)器，該芯片的邏輯電路圖和引腳圖如圖3-11所示。從圖可見，該緩沖器有8個(gè)輸入端，分為兩路——1A1～1A4，2A1～2A4，同時(shí)8個(gè)輸出端，也分為兩路——1Y1～1Y4，2Y1～2Y4，分別由2個(gè)門控信號(hào)1G和2G控制，當(dāng)記為低電平時(shí)，1Y1～1Y4的電平與1A1～1A4的電平相同，即輸出反映輸入電平的高低；同樣，當(dāng)2G為低電平時(shí)，1Y1～1Y4的電平與2A1～2A4的電平和同。而當(dāng)1G（或2G）為高電平時(shí)，輸出1A1～1A4（或2A1～2A4）為高阻態(tài)。經(jīng)74LS244緩沖后，輸入信號(hào)被驅(qū)動(dòng)，輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力加大了。

圖3－11  74LS244緩沖器
74LS244緩沖器主要用于三態(tài)輸出的存儲(chǔ)地址驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和總線定向接收器和定向發(fā)送器等。常用的緩沖器還有74LS240，241等。
 （3）存儲(chǔ)器選擇
 存儲(chǔ)器的種類依不同的類型可用在不同的方面。（1）在單片機(jī)中常見有ROM和RAM、E2PROM或Flash E2PROM。因受芯片結(jié)構(gòu)的限制，一般的存儲(chǔ)容量都不大。（2）供專用的MCU和CPU芯片配套使用，作片外存儲(chǔ)器，這類存儲(chǔ)器容量可大、可小，在一定的范圍內(nèi)任意選擇，有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器之分。
 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6116
 
                          圖3-12   靜態(tài)RAM6116內(nèi)部結(jié)構(gòu)
地址譯碼器：輸入為10根線，采用兩級(jí)譯碼方式，其中6根用于行譯碼，4根用于列譯碼；
I/O控制電路：分為輸入數(shù)據(jù)控制電路和列I／O電路，用于對(duì)信息的輸入／輸出進(jìn)行緩沖和控制；
片選及讀／寫控制電路：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的選擇及讀／寫控制。
 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
 
 圖3-13   Intel 2164A存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
存儲(chǔ)體：64K×1的存儲(chǔ)體由4個(gè)128×128的存儲(chǔ)陣列構(gòu)成；
地址鎖存器：由于Intel 2164A采用雙譯碼方式，故其16位地址信息要分兩次送入芯片內(nèi)部。但由于封裝的限制，這16位地址信息必須通過同一組引腳分兩次接收，因此，在芯片
內(nèi)部有一個(gè)能保存8位地址信息的地址鎖存器；數(shù)據(jù)輸入緩沖器： 用以暫存輸入的數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)輸出緩沖器： 用以暫存要輸出的數(shù)據(jù)；1/4I/O門電路：由行、列地址信號(hào)的最高位控制，能從相應(yīng)的4個(gè)存儲(chǔ)矩陣中選擇一個(gè)進(jìn)行輸入／輸出操作；行、列時(shí)鐘緩沖器：用以協(xié)調(diào)行、列地址的選通信號(hào)；寫允許時(shí)鐘緩沖器：用以控制芯片的數(shù)據(jù)傳送方向；128讀出放大器：與4個(gè)128×128存儲(chǔ)陣列相對(duì)應(yīng)，共有4個(gè)128讀出放大器，它們能接收由行地址選通的4×128個(gè)存儲(chǔ)單元的信息，經(jīng)放大后，再寫回原存儲(chǔ)單元，是實(shí)現(xiàn)刷新操作的重要部分；1/128行、列譯碼器： 分別用來接收7位的行、列地址，經(jīng)譯碼后，從128×128個(gè)存儲(chǔ)單元中選擇一個(gè)確定的存儲(chǔ)單元，以便對(duì)其進(jìn)行讀/寫操作。
   （4）并行口擴(kuò)展芯片8255

 
圖3-14 8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)
 表3-6 8255真值表
  
 （5）控制硬件圖
 根據(jù)控制要求和選擇芯片構(gòu)成最小控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)以AT89C51為控制主芯片，通過74LS373和74LS244對(duì)其芯片進(jìn)行存儲(chǔ)單元擴(kuò)展，通過8255并行擴(kuò)展芯片擴(kuò)展出鍵盤和顯示器，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。

 圖3-15  智能車刀刃磨機(jī)控制硬件圖
 步進(jìn)電機(jī)的選取
 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗講，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。
 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。
 1、步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。
 2、靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來（幾何尺寸）
電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟：

首頁(yè) 上一頁(yè) 2 3 4 5 6 7 下一頁(yè) 尾頁(yè) 5/7/7