机电一体化系统综合实训

西安广播电视大学开放教育西安广播电视大学开放教育 机械制造与自动化 机电方向 专业 专机械制造与自动化 机电方向 专业 专 科 科 机电一体化系统综合实训机电一体化系统综合实训 学生姓名 学生姓名 范澍萱范澍萱 学学 号 号 14611014514641461101451464 指导老师 指导老师 万宏强万宏强 分分 校 校 莲湖分校莲湖分校 时时 间 间 20162016 年年 5 5 月月 2020 日日 机电一体化系统综合实训机电一体化系统综合实训 表面粗糙度测量计实习表面粗糙度测量计实习 一 任务目的与要求一 任务目的与要求 1 1 目 的 1 1 1 了解表面粗糙度测量计的组成 建立表面粗糙度测量的概念 1 1 2 了解表面粗糙度测量计的机械结构和传动原理 1 1 3 学习传感器的工作原理及其正确接线 1 1 4 学习各单元之间的通信方法和系统调试 1 1 5 增强团队合作精神 1 2 要 求 1 2 1 熟悉机械部分的组成 工作原理 1 2 2 绘制机械部分的工作原理图 1 2 3 绘制所研究系统的图 1 2 4 了解各模块控制信号的类型 1 2 5 熟悉各模块所用传感器类型 结构 工作原理 性能和使用 1 2 6 正确分析传感器信号与其它传感器信号的传送过程 二 实习内容及过程二 实习内容及过程 1 绪论 1 1 前言 机械加工中 表面特征的研究是控制机械零件表面质量的重要内容 而表面粗糙度 是表面特种的重要技术指标之一 随着机械加工工艺水平的提高 对零件的表面质 量提出了越来越高的要求 无论用何种加工方法加工 在零件表面总会留下凹凸不 平的刀痕 出现交错起伏的峰谷现象 粗加工后的表面用肉眼就可以看到 精加工 后的表面用放大镜或者显微镜仍能观察到 这就是零件加工后的表面粗糙度 过去 称为表面光洁度 国家规定表面粗糙度的参数由高度参数 间距参数和综合参数组 成 1 2 题目背景和意义 表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性 它的 大小对零件表面的摩擦磨损 疲劳强度 冲击强度 耐腐蚀性 接触刚度和抗震性 配合性质 测量精度和密封行等有很大的影响 粗糙度测量有接触测量和非接触测 量两大类方法 触针式接触测量粗糙度参数的方法具有精度高 稳定性好的优点 该课题就是针对触针式测量粗糙度的测量系统进行改造 1 3 国内外表面粗糙度测量系统的研制情况 表面粗糙度与零件表面功能有着密切的关系 因此人们在很早以前就认识到测量表 面粗糙度的重要性 但由于技术工艺水平的落后 最早只能单纯的依靠人的视觉和 触觉来估计 即通过目测手触摸试件与标准样块进行比较 随着生产技术的发展 人们又采用了比较显微镜进行比对 这些原始的测量方法只能对表面微观不平度做 出定性的综合评定 自从 1927 年德国的施马尔茨 Schmaltz 发明了用光杠杆进行 放大的表面轮廓记录仪后 人们就一直致力于表面质量的研究 从此开始了对表面 粗糙度的数量化描述 近年来 由于计算机技术 电子技术 数据处理能力的提高 研制了许多三维表面微观形貌测量仪 使得在局部表面上三维评定表面粗糙度成为 可行 而且国际上方兴未艾 2 2 系统方案选择与论证系统方案选择与论证 2 12 1 设计要求设计要求 本院实验室有一台 221 7 型 SORTRONIC 的粗糙度轮廓仪 本设计就是在对其 研究的基础上 结合新型粗糙度轮廓仪的发展方向对其进行设计改造 如图 2 1 所 示 图 2 1 表面粗糙度轮廓仪 2 22 2 基本要求基本要求 要求实现其速度在 1mm s 5mm s 可调 测量行程可达 20mm 在高度方向上传 感器杆上下可调节 100mm 2 32 3 最终成果最终成果 1 设计出测量系统的电路 2 设计出测控程序 3 实现电机正反转 调速 调节测量行程 4 完成 Ra Rz Ry 的测量 5 完成驱动部分的机械设计 2 42 4 测量数据说明测量数据说明 1 轮廓的平均算术偏差 Ra 如图 2 2 所示 通过零件的表面轮廓作一中线 m 将一定长度的轮廓分成两部分 使中线两侧轮廓线与中线之间所包含的面积相等 即 图 2 2 轮廓的算术平均偏差 轮廓的平均算术偏差值 Ra 就是在一定测量长度 l 范围内 轮廓上各点至中线 距离绝对值的平均算术偏差 用算式表示为 2 不平度平均高度 Rz 就是在基本测量长度范围内 从平行于中线的任意线起 自被测轮廓上五个最高点至五个最低点的平均距离 图 2 3 图 2 3 不平度平均高度 3 轮廓最大高度 Ry 就是在取样长度内 轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离 2 52 5 影响表面粗糙度测量仪精度的分析影响表面粗糙度测量仪精度的分析 1 触针针尖半径及触针角度 为使触针的运动能准确的反映被测表面的实际轮廓曲线 触针应具有最小的尖 端半径和适当的角度 但尖端半径过小不但难于加工 而且极易磨损和划伤被测表 面 目前可加工出的针尖半径为 1 2um 2 测量力 为使触针运动轨迹符合实际的轮廓曲线 还必须保证触针与被测表面可靠接触 为避免划伤被测表面在保证可靠接触的前提下 选择尽量小的测力 并使触针伸出 不同长度时测力的变化也要小 3 测量基准线 通常形成基准线的办法有两种 一种是测量头的移动方向由一个与被测表面无 关的导轨 另一种是采用某种形式的滑块即所谓导头 直接将测量头支乘在被测表 面上进行滑动的方式来实现 导头制造简单 使用方便 此时触针的位移是以导头的移动轨迹为基准线 而 导头的移动轨迹又由它的现状 位置及被测表面的几何形状所决定 常用导头的形 状为弧型 也有用球面或柱面的 导头多为一个 装在触针前方或后方 导头能减弱波度及表面宏观几何形状偏差对测量的影响 其减弱程度与滑块曲 率半径有关 导头端部半径 r 应不小于截止波长的 50 倍 导头工作表面的微观不平度 10 点 高度 Rz 值应不大于 0 1um 导头施加于被测表面上的力 对硬质材料不大于 0 5N 对软质材料应取低些 4 测头移动速度 测量头移动速度过慢 影响测量效率 速度过快 会使触针产生附加的动测力 量 而且有可能在测量过程中使触针与被测表面脱离 测量头的移动速度受到临界 频率的限制 2 62 6 评定表面粗糙度的基本原则评定表面粗糙度的基本原则 1 测量方向 表面粗糙度的数值 是在垂直于被测表面的法向截面上给定的 若技术文件上 没有注明测量方向 则应按能给出最大表面粗糙度数值的方向上进行测量 即应在 垂直于痕迹的方向上进行测量 不能明显确定被测表面的加工痕迹方向和非切削加 工表面 应在几个不同方向上进行测量 取恰当值作为测量结果 2 表面缺陷 在表面粗糙度评定中不应该把表面缺陷 如气孔 划痕 沟槽等包含进去 也 不应该作为判别表面粗糙度合格与否的指标 3 测量部位 由于种种因素的影响 同一加工方法加工出的同一表面 不同部位的粗糙度值 不会一样 因此在测量粗糙度数值时 应在不同部位上测量 2 72 7 测量零件表面粗糙度应注意的问题测量零件表面粗糙度应注意的问题 1 每次测量前 将标准样块用稠布蘸酒精擦拭干净 置于被测表面加工纹路 与传感器测头滑行方向垂直的工作台并固定 选择合适的传感器 对仪器进行校验 并调整 2 将被策零件表面擦拭干净 置于被测表面加工纹路与传感器测头滑行方向相 垂直的位置 3 将传感器轻轻放在被测零件表面上 调整传感器位置 使传感器杆轴线行于 被测零件表面 且使传感器测头与被测零件表面垂直 4 测量时需要判定测量的正确性 可靠性 被测零件的任何局部缺陷 测量 时应注意避开 3 电路原理图设计 3 13 1 键盘控制电路键盘控制电路 1 键盘采用 3 3 矩阵式键盘 如下图 3 1 所示 图 3 1 键盘形式 2 键盘输入参数包括 9 种 1 测量行程 S1 Ln1 3mm S2 Ln2 6mm S3 Ln3 14mm 因为 L 取样长度 L1 0 25 L2 0 8 L3 2 5 评定长度 Ln 5L 通过计算 Ln1 0 25 5 再加上两边 1 左右的余量 3 Ln2 0 8 5 再加上两边 1 左右的余量 6 Ln3 2 5 5 再加上两边 1 左右的余量 14 2 S4 开始测量 S5 测量停止 S6 复位 3 S7 Ra S8 Rz S9 Ry 3 1 1 键盘设计需要解决的几个问题 键盘是若干按键的集合 是向系统提供操作人员干预命令的接口设备 键盘可 分为编码键盘和非编码键盘两种类型 前者能自动识别按下的键并产生相应的代码 以并行或串行方式送给 CPU 它使用方便 接口简单 响应速度快 但价格较高 后者则通过软件来确定按键并计算键值 这种方法虽然没有编码键盘速度快 但它 价格便宜 组态灵活 因此得到了广泛的应用 键盘是计算机应用系统中一个重要的组成部分 设计时必须解决以下几个问题 1 按键的确认 键盘实际上是一组按键开关的集合 其中每一个按键就是一个开关量输入装置 键的闭合与否 取决于弹性开关的合 断状态 反应在电压上就是呈现出高电平或 低电平 若高电平表示断开 则低电平表明键闭合 所以 通过电平状态 高或低 的检测 便可确定相应按键是否已被按下 在工业控制和智能化仪器系统中 为了缩小整个系统的规模 简化硬件线路 常常希望设置最少的按键却获取更多的控制功能 2 重键与连击的处理 实际按键操作中 若无意中同时或先后按下两个以上的键 系统确认哪个键操 作是有效的完全是由设计者的意志决定的 如视按下时间最长者为有效键 或认为 最先按下的键为当前按键 也可将最后释放的键看成是输入键 不过微机控制系统 毕竟是资源有限 交互能力不强 通常总是采用单键按下有效 多键同时按下无效 的原则 3 按键防抖动技术 键盘操作为向系统提供操作人员的干预命令的接口 以其特定的按键序列代表 着各种确定的操作命令 所以 准确无误的地辨认每个按键的动作及其所处的状态 是系统能否正常工作的关键 多数键盘的按键均采用机械弹性开关 一个电信号通过机械触点的断开 闭合 过程 完成高 低电平的切换 由于机械触点的弹性作用 一个按键开关的闭合及 断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动 其波形图 3 2 所示 抖动过程的长短由按键 的机械特性决定 一般为 10 20ms 图 3 2 键盘抖动 为了使 CPU 对一次按键动作只确认一次 必须排除抖动的影响 可以从硬件和软件 两方面着手解决 1 硬件防抖动技术 通过硬件电路消除按键过程中抖动的影响是一种广为采用的措施 这种做法工 作可靠 且节省机时 滤波防抖电路 利用 RC 积分电路对于干扰脉冲的吸收作用 只要选择好时间常数 就能在按键 抖动信号通过此滤波电路时 消除抖动的影响 双稳态防抖电路 用两个与非门构成一个 RS 触发器 即可形成双稳态防抖电路 1 软件防抖动方法 如前所述 若采用硬件防抖电路 则 N 个键就必须有 N 个防抖电路 因此 当 键的个数比较多时 硬件防抖将难以胜任 在这种情况下 先用软件延时 10ms 到 20ms 然后再确认该按键电平是否仍维持闭合状态电平 若保持闭合状态电平 则确认此键已按下 从而消除了抖动的影响 3 1 2 矩阵键盘接口技术 矩阵式键盘常应用在键盘数量比较多的系统中 这种键盘由行线和列线组成 按键设置在行 列结构的交叉点上 行列线分别连在按键开关的两端 列线通过上 拉电阻接至地 以使无键按下时列线处于低电平状态 矩阵键盘可分为两大类 非编码键盘和编码键盘 编码键盘内部设有键盘编码 器 被按下键的键号由编码器直接给出 同时具有防抖和解决重键的功能 非编码 键盘通常采用软件的方法 逐行逐列检查键盘状态 当发现有键按下时用计算或查 表的方法得到该键的键号 键盘矩阵与微型机的连接 应用最多的方法是采用 I O 接口芯片 有时为简单 起见 也可采用锁存器 在单片机运行过程中 何时执行键盘扫描和处理 可以有以下 3 种情况 1 随机方式 每当 CPU 空闲时执行键盘扫描程序 2 中断方式 每当有键闭合时才向 CPU 发出中断请求 中断响应后执行键盘 扫描程序 3 定时方式 每搁一定时间执行一次键盘扫描程序 定时可由键盘的定时器 完成 键盘处理程序的关键是如何识别键码 微型机对键盘控制的办法是 扫描 根 据微型机进行扫描的办法又可分为程控扫描法和中断扫描法两种 1 程控扫描法 图 3 1 所示为 3 3 矩阵组成的 9 键盘与单片机接口电路 在图 3 1 中在每一个行与列的交叉点上接一个按键 故共 3 3 共 9 个键 为了 说明键的具体位置 事先按一定顺序给每一个键编一个号 如图中 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 称其为键值 程控扫描法是由程序控制键扫描的方法 程控扫描的任务是 1 首先判断是否有键按下 其方法是使所有的行输出为高电平 然后从 P0 端口读入列值 如果没有键按下 则读入值为 FFH 则不为 FFH 2 去除键抖动 若有键按下 则延时 10ms 20ms 再一次判断有无键按下 如果此时仍有键按下 则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期 3 若有键闭合 则求出闭合键的键值 4 为保证键每闭合一次 CPU 只做一次处理 程序中需等闭合键释放后才对 其进行处理 2 中断扫描法 在程控扫描法中 无论有没有键入操作 CPU 总要占有一定的时间进行扫描 无疑将占用 CPU 的大量时间 这对于微型机控制系统和智能化仪器都是很不利的 为了更进一步节省 CPU 的时间 可采用中断扫描法 这种方法的实质是 当没有键 入操作时 CPU 不对键盘进行扫描 以节省出大量的时间对系统进行监控和数据处 理 一旦键盘输入 则向 CPU 申请中断 CPU 响应中断后 即转到相应的中断服务 程序 对键盘进行扫描 以便判别键盘上闭合键的键号 并作相应的处理 3 23 2 显示部分电路显示部分电路 图 3 3 显示部分电路 3 2 13 2 1 单片机系统的扩展结构单片机系统的扩展结构 1 扩展结构扩展结构 如图 3 4 图 3 4 图 3 4 扩展系统是以单片机为核心进行的 扩展内容包括 ROM RAM 和 I O 接口 电路等 扩展是通过系统总线进行的 通过总线把各扩展部件连接起来 并进行数 据 地址和信号的传送 要实现扩展首先要构造系统总线 系统总线 总线 连接计算机各部件的一组公共信号线 AT89S52 使用的是并行总线结构 按其功能通常把系统总线分为三组 即地址总线 数据总线和控制总线地址总线 数据总线和控制总线地址总线 数据总线和控制总线 1 地址总线 AB 在地址总线上传送的是地址信号 用于存储单元和 I O 端口的选择 地址总线地址总线地址总线 是单向的 地址信号只能由单片机向外送出 是单向的 地址信号只能由单片机向外送出 是单向的 地址信号只能由单片机向外送出 地址总线的数目决定着可直接访问的地址总线的数目决定着可直接访问的地址总线的数目决定着可直接访问的 存储单元的数目 例如存储单元的数目 例如存储单元的数目 例如 n n n 位地址可产生位地址可产生位地址可产生 2 2 2 n n n 个连续地址编码 因此可访问个连续地址编码 因此可访问个连续地址编码 因此可访问 2 2 2 n n n 个存储单个存储单个存储单 元 即通常所说的寻址范围为元 即通常所说的寻址范围为元 即通常所说的寻址范围为 2 2 2 n n n 个地址单元 个地址单元 个地址单元 2 数据总线 Data Bus 简写 DB 数据总线用于在单片机与存储器之间或单片机与 I O 端口之间传送数据 单片单片单片 机系统数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致机系统数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致机系统数据总线的位数与单片机处理数据的字长一致 例如 AT89S52 是 8 位字长 所以数据总线的位