智能车刀刃磨机机械结构设计(五)

 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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