在本次设计当中,此结构主要考虑到砂轮架的纵向进给和和刀具的横向进给,这两者的进给量都是由手动控制,且进给量比较小,砂轮高度的调整,一般只需经过一次调整,在整个刃磨过程中不需在调整,而手都刃磨余量,通常都是刀具磨损的量,都是比较小的量,所以,为了简化传动结构,减小整个机床的纵向尺寸,在本次设计当中,我们采用了螺旋副传递扭矩,通过螺旋副自身自锁,纵向利用导轨,限制周向旋转,保证了砂轮架的升降。 在设计当中,简化了方案2当中的蜗轮和蜗杆传动,直接利用丝杠传动,手轮垂直布置在机体内部,减小了整体结构尺寸。
§3.3 控制部分设计 机械技术是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其它高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上的变更,满足减小 重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在制造过程的机电一体化系统中,经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术,同时采用人工智能与专家系统等,形成新一代的机械制造技术。机电一体化的共性包括检测传感技术、信息处理技术、计算机技术、电力电子技术、自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技术以及系统总体技术等。各组成部分(即要素)的性能越好,功能越强,而且各组成部分之间配合越协调,则产品的性能和功能就越好。这就要求将上述多种技术有机地结合起来,也就是人们所说的融合。只有实现多种技术的有机结合,才能实现整体最佳,这样的产品才能称得上是机电一体化产品。如果仅用微型计算机取代原来的控制器,其产品不能称为机电一体化产品。 本次设计的智能车刀刃磨机就是机电一体化产品,我们方案就是要实现机械设计和控制电的结合,满足设计要求。所以在机械原理及结构设计的前提,决定利用微控制器-单片机,实现对其自动控制,减轻使用人员的辅助工作,从而达到智能化。 设计主要包括两部分的内容:第一部分硬件电路的设计;第二部分软件设计; §3.3.1控制方案设计 本次设计的控制方案由机械部分分析可知,就是能够实现三个方向的自由度控制,整个控制当中旋转角度要可控,同时在控制当中首先,要能对刃磨的车刀类型进行选择,其次,通过输入需要刃磨的角度,实现自动控制旋转相应角度,由于刃磨量是一个随机控制量,根据实际刀具磨损情况而定,所以在本次设计当中,进给量采用手动控制,根据本次设计任务,我们通过查阅相关资料和实际调研,决定采用微控制器-单片机实现对三台步进电机的控制,同时在控制当中考虑制动控制,被控制量在数码管中显示,最终设计能够实现控制要求,达到成本最低,结构最简单,功能完善的目的。 §3.3.2硬件电路设计 微控制器选择 微控制器--单片机的品种繁多,主要出名品牌有:ATMEL公司的AVR单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化。AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。Motorola单片机: Motorola是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12 , 16位机M68HC16, 32位机M683XX。Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。MicroChip单片机: MicroChip单片机的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,分别仅有33、35、58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。 适用于用量大,档次低,价格敏感的产品。在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用。MDT20XX系列单片机: 工业级OTP单片机,Micon公司生产,与PIC单片机管脚完全一致,海尔集团的电冰箱控制器,TCL通信产品,长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。EPSON单片机: EPSON单片机以低电压,低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世,尤其是LCD驱动部分做得很好。广泛用于工业控制,医疗设备、家用电器、仪器仪表、通信设备和手持式消费类产品等领域。东芝单片机: 东芝单片机门类齐全,4位机在家电领域有很大市场,8位机主要有870系列,90系列,该类单片机允许使用慢模式,采用32K时钟时功耗降至10UA数量级。东芝的32位单片机采用MIPS 3000A RISC的CPU结构,面向VCD,数字相机,图像处理等市场。8051单片机: 8051单片机最早由Intel公司推出,其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛,有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。 本次设计当中,考虑到价格比和实用的广泛性,采用了AT89C51(爱特梅尔芯片) ATMEL公司的AT89C51系列单片机就是完全兼容MSC-51 8051系列的(也就是说,AT89C51的指令、管脚、内部主要结构,以及用法与MSC-51相同),他不但兼容,而且还有不少创新,比如他的程序存储器可以电擦、写,一片IC就拥有了过去单片机的最小系统,不需要以前所谓的373和EPROM元件;所以,设计的电路连接、电路板自制都比较容易,加上目前其价格较底,比PIC及其它系列在这一点上优越。 锁存器、缓冲器选择 在外设接口电路中,经常需要对传输过程中的信息进行放大、隔离以及锁存,能实现上述功能的接口芯片最简单的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。 (1)74LS3738D锁存器 74LS373是一种8D锁存器,具有三态驱动输出,其逻辑电路及引脚图如图5-7所示,从图可见,该锁存器由8个D门组成,有8个输入端1D~8D,8个输出端1Q~8Q,2个控制端——G和OE,使能端G有效时,将D端数据打入锁存器中D门,当输出允许端OE有效时, 将锁存器中锁存的数据送到输出端Q。74LS373的锁存功能从表3-5可见。 表3-5 741S373的真值表
表中H为高电平,L为低电平,Q0为原状态,Z为高阻态,X表示任意值(即不论为“H”还是为“L”都一样)。从表中可见74LS373的功能为:
图3-10 74LS373锁存器 当使能端G为高电平时,同时输出允许端OE为低电平,则输出Q=输入D;当使能端低电平, 而输出允许端OE也为低电平时,则输出Q=QO(原状态,即使能端G由高电平变为低电平前,输出端Q的状态,这就是“锁存”的意义)。 当输出允许端OE为高电平时,不论使能端G为何值,输出端Q总为高阻态。74LS373锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及DMA页面地址信息等。常用的锁存器还有74LS273,573Inte1 8282和8283等。 (2)缓冲器74LS244 74LS244是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器,该芯片的逻辑电路图和引脚图如图3-11所示。从图可见,该缓冲器有8个输入端,分为两路——1A1~1A4,2A1~2A4,同时8个输出端,也分为两路——1Y1~1Y4,2Y1~2Y4,分别由2个门控信号1G和2G控制,当记为低电平时,1Y1~1Y4的电平与1A1~1A4的电平相同,即输出反映输入电平的高低;同样,当2G为低电平时,1Y1~1Y4的电平与2A1~2A4的电平和同。而当1G(或2G)为高电平时,输出1A1~1A4(或2A1~2A4)为高阻态。经74LS244缓冲后,输入信号被驱动,输出信号的驱动能力加大了。
图3-11 74LS244缓冲器 74LS244缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等。常用的缓冲器还有74LS240,241等。 (3)存储器选择 存储器的种类依不同的类型可用在不同的方面。(1)在单片机中常见有ROM和RAM、E2PROM或Flash E2PROM。因受芯片结构的限制,一般的存储容量都不大。(2)供专用的MCU和CPU芯片配套使用,作片外存储器,这类存储器容量可大、可小,在一定的范围内任意选择,有数据存储器和程序存储器之分。 数据存储器6116 图3-12 静态RAM6116内部结构 地址译码器:输入为10根线,采用两级译码方式,其中6根用于行译码,4根用于列译码; I/O控制电路:分为输入数据控制电路和列I/O电路,用于对信息的输入/输出进行缓冲和控制; 片选及读/写控制电路:用于实现对芯片的选择及读/写控制。 数据存储器 图3-13 Intel 2164A存储器结构 存储体:64K×1的存储体由4个128×128的存储阵列构成; 地址锁存器:由于Intel 2164A采用双译码方式,故其16位地址信息要分两次送入芯片内部。但由于封装的限制,这16位地址信息必须通过同一组引脚分两次接收,因此,在芯片 内部有一个能保存8位地址信息的地址锁存器;数据输入缓冲器: 用以暂存输入的数据; 数据输出缓冲器: 用以暂存要输出的数据;1/4I/O门电路:由行、列地址信号的最高位控制,能从相应的4个存储矩阵中选择一个进行输入/输出操作;行、列时钟缓冲器:用以协调行、列地址的选通信号;写允许时钟缓冲器:用以控制芯片的数据传送方向;128读出放大器:与4个128×128存储阵列相对应,共有4个128读出放大器,它们能接收由行地址选通的4×128个存储单元的信息,经放大后,再写回原存储单元,是实现刷新操作的重要部分;1/128行、列译码器: 分别用来接收7位的行、列地址,经译码后,从128×128个存储单元中选择一个确定的存储单元,以便对其进行读/写操作。 (4)并行口扩展芯片8255
图3-14 8255内部结构 表3-6 8255真值表 (5)控制硬件图 根据控制要求和选择芯片构成最小控制系统,本设计以AT89C51为控制主芯片,通过74LS373和74LS244对其芯片进行存储单元扩展,通过8255并行扩展芯片扩展出键盘和显示器,利用电机驱动模块进行直接驱动。
图3-15 智能车刀刃磨机控制硬件图 步进电机的选取 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗讲,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的,步进电机分三种:永磁式(PM) ,反应式(VR)和混合式(HB)永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。 步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。 1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度 (三相电机)等。 2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定,先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下,静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好,静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸) 电流的选择 静力矩一样的电机,由于电流参数不同,其运行特性差别很大,可依据矩频特性曲线图,判断电机的电流(参考驱动电源、及驱动电压) 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤:
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