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CJK6132数控车床及其控制系统设计

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编号:209448871    类型:共享资源    大小:963.26KB    格式:ZIP    上传时间:2022-04-25 上传人:机械设计Q****6154... IP属地:上海
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CJK6132 数控车床 及其 控制系统 设计
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CJK6132数控车床及其控制系统设计CJK6132 NUMERICAL CONTROL LATHE AND ITS CONTROL SYSTEM DESIGN 摘要此次的设计采用了分离式主传动的设计方式,液压操纵机构是被应用的一个机床的机构种类。主要的目的就是让转速达到一定的指标,使得机床的工作成果具有更好的刚性和精度。前支撑采用了C级的高精度轴承,用润滑油润滑,所以机床的主轴结构采用了二支撑结构。进给方面,采取了开环数控系统。为了实现相对好的性价比,单片机技术同样为了实现经济精密数控机床,要求应用步进电机开环数控系统。为了达到机床的响应性能和效率,可以在滑板以及箱体之间添加导轨板,采用离合器使得机床系统和电机滚珠杆的运用传动方式。滑动磨擦系数就必须尽量小,机床的使用方式就使用立体四工位刀架方式。 这机床一般使用在车削螺钉的螺纹和圆形体的曲面,又可以加工轴盘类零件。好比应用于汽车、飞行、军事等领域,然后再对旋转类型的工件加工,实现精度和效率达到更好的结果。一直达到可靠和可行的标准,然后可以对于高精度的工件加工和制造了。关键词: 数控机床; CJk6132 ; 分离式主传动; 进给AbstractThis design uses the separation type main drive design, the hydraulic control mechanism is application is a machine of the type of organization, main purpose is to speed reaches a certain index, makes the machine work with better rigidity and accuracy, supporting the C-class high-precision bearings, lubricated with oil, so the structure of machine tool spindle with the second supporting structure. 进给方面,采取开环数控系统。为了实现相对好的性价比,单片机技术同样为了实现经济精密数控机床,要求应用步进电机开环数控系统。Feed side, take the open-loop CNC system. In order to achieve a relatively good price, the same single-chip technology in order to achieve economic precision CNC machine tools, the requirements of the application of stepper motor open-loop CNC system. 为了达到机床的响应性能和效率,可以在滑板以及箱体之间添加导轨板,采用离合器使得机床系统和电机滚珠杆的运用传动方式。滑动磨擦系数就必须尽量小。机床的使用方式就使用立体四工位刀架方式。In order to achieve the response performance and efficiency of the machine tool, can be in the slide plate and the box to add the guide rail, using the clutch makes the machine tool system and the use of motor ball rod transmission mode. Sliding friction coefficient must be as small as possible. The use of machine tools on the use of three-dimensional four position tool. 此机床被用来制造改造各零件,比如轴类、盘类,也被用来车削螺纹、圆锥和回转体的内外曲面等。好比应用于汽车、飞行、军事等领域,然后再对旋转类型的工件加工,实现精度和效率达到更好的结果。一直达到可靠和可行的标准,然后可以对于高精度的工件加工和制造了。This machine tool is used to make the transformation of various parts, such as shaft, disk type, also used to turn the screw thread, cone and the inner and outer surface of the revolving body. It can be used in the automotive, flight, military and other fields, and then on the type of rotation of the workpiece processing, to achieve the accuracy and efficiency to achieve better results. It has been a reliable and feasible standard, and can be used for machining and manufacturing of high precision workpieces. 关键词: 机床; CJk6132 ; 分离式主传动; 进给关键词: 机床; CJk6132 ; 分离式主传动; 进给Key words: CNClathe CJk6132 separate main drive feed III目 录摘要IAbstractII1绪论11.1 序言11.2该设计主要任务11.3设计的意义12总体方案设计22.1数控机床组成部分22.2车床的主要技术参数32.3机床运动和零件的选取32.4零件的特征33机床主传动设计53.1确定主要技术参数53.2转动速率范围及公比63.3确定工作的结构73.4传动系统图93.5计算机选齿轮传动轴104设计车床数控系统174.1单片机系统基本设计的要求174.2数字控制图174.3芯片选取174.4存储器的使用174.5显示器接口及其设计204.6数控系统标准型215机床部分控制程序235.1动态显示程序235.2串行扩展口、设计显示器接口电路265.3步进电机控制程序的设计285.4步进电机选取295.5驱动电路31结论32致谢33参考文献34421绪论1.1 序言随着社会文明的快速进步和科技进步,产物更新替换加快,又因为对产物样式的需要随着事物的变化而变多了。机床工业又慢慢被了解和重视,开始稳步发展。产品单件生产变的多品种、多样化,机械加工也因此用机器替换手工,工厂替代了作坊,小批量生产和机械制造的柔性化、专业化、多能化也逐渐成为主流。为获得较高的经济、社会效益,机床的目的就是要采取技术先进和经济效果显著,才能达到一个令人满意的结果。所以,显然从事机床设计的员工,就应多样化思考,设计和制造出更多的现代化机床,不断的吸收成功经验,开拓创新,达到高生产率、造型更加的美观、使用方便、结构简单、维修容易、耗能少的目的。采用低价的单片机控制技术,数控系统为了满足普通加工机床对价格的要求,此设计本着以上所有原则进行,尽量考虑向低成本、高效率、简化操作方向发展。同样的与时俱进,社会的进步和科技的发展日渐趋于成熟,必须发展与加强机床工业。1.2该设计主要任务机床产业创造的财富一直是制造业中的一个不可替代的重要成分。不仅可以用于农业、工业,同时可以应用在科学技术、国防部分等富强中国所需要的领域内,也是提高经济领域的一个重要因素。主要选用先进的技术,加强机床工业这一行业的发展。为得到最高的经济效益和使用效率,必须是采用最适合、最有效的方案。因此,从事机床设计的工作员工不仅要勇于创新、敢于创新,并且还要根据我国的国情来吸收借鉴国外的成功经验,在平时的生活学习中获得灵感,展开想象。了解更多的机床工业发展,希望能设计出高产能、高性能、高审美、更易使用、更易维修、更低成本、更少耗能等高品质特征的现代化机床。这几个原则是我们设计的主要标准,要尽可能的向低资源、高效率,契合人与社会和谐进步。1.3设计的意义国内的机床发展还处于一个落后的状态,虽然暂时国内机床的发展还是挺快的,生产出的产品规模也是日益变多。但是设计的车床的数控化水平相对比较低,与国外的机床以及机床的零部件都有很大的差距。所以在这个现实状况下,我们的生产发展必须更专业化,提高更多样的新产品的研究和开发。2总体方案设计2.1数控机床组成部分1主机-包含机身、零件、进给等机器零件。2数控装配-包罗了相应的硬件和软件。 3驱动装配-机床工作的主要部件。4箱体-每个机构和装置都放置在箱体中,为了达到其彼此位置的精确性以及机箱的安稳性。所以这次采用灰铁铸造箱体。5刀架-用来主动转化刀架来达到自动控制的效果。6动力源-会供应动力给工作件,并使其获得必须的速率和方位。7主轴部件-加工精度是被主动轴影响的一个主要原因,会影响到零件的精密度,主轴部件一般是用传动零件组合而成的。 8 操纵机构-控制机床主轴的变向、速度、开关及制动。9开停装置-用来实现机床的开关。10制动装配-作用于控制主轴马上停下转变。11换向装置-改变机床主轴的转变方向。12密封使用了特别的迷宫的样式。13润滑可以强制让工件润滑。14编程在机床外运用汇编进行程序的编制、记录。15传动的机构齿轮和带传动。16辅助配置包含了液压装置、工作平面、数控方面的部件,还包括了一个检查监视的部分。17变速装置用来改变运动的速度,在需要时能立刻加速或者减速。18动力触发器可以在需要动力的时候,步进电机可以马上提供,甚至可以马上改变速度和运动的方位。因为车床的组成成分很多,有外部组成部分以及主传动的组成部分,所以为了让车床业发展的更简洁明朗,可以适当的运用国外先进的零件,减少组成部分,方便检查车床以及操作。也能更加的有工作效率,减少负担,降低本钱。82.2车床的主要技术参数数控车床技术参数见表。11表技术参数和车床的零件加工大小产品单位大小车床的最大的极限切削的范畴极限的尺寸大小需要的最大的零件量床鞍上切削最极限量孔的径量转速等级前锥孔莫氏6号锥度输出功率与地面距离套筒套筒锥孔莫氏5号2.3机床运动和零件的选取1主运动-运用分离式的运行方式,系统组成有两部分,变速箱和主轴箱体。它们之间的运动与传动方式有关系,存在于机床内部。2进给运动-采取了步进电动机开环系统,实现运动方式是由MCU控制,一般都会运用到滚动丝杆,然后调整间距。3部件的选取-思量到经济本钱和身产方式,比如行程标准件如丝杠、轴承等均采纳外出采购方式。4数字控制-所有的按钮都装在了工作台平面上了,用单片机可以放在合适的、方便操作的平面上。2.4零件的特征1车床外部整个外部的零件都是用坚硬的原料制成,让硬度可以达到一个范畴,这样,机床在工作运行的时候可以达到一个满意的状态。2机床的箱体的组成机床的主传动必须保持在一个稳定的范围,运用液压组成一个液压机构。3刀架使用方便、简介为主要条件,硬度达到需要达到的条件。4 操纵机构-控制机床主轴的变向、速度、开关及制动。5降温系统-冷却箱体要安放在合适稳定的环境中,适合箱体工作。6进给系统运用了电机驱动的常规方式。7安全保障-一旦发生紧急情况,比如突然的断电或者其他突发的状况,所以的在工作环境下的系统,零件都要自己停下运作,更不能在不运作的情况下突然工作了。但是,尽管偶尔会发生突然的情况,导致工作发生意外,已经保存下来的文件或者工件或者程序都不会毁掉。108电气系统为了防止突发意外,保护工作人员的安全,就会在电路中设计改变电流的方式,断电或者在过流情况下保护起来。机床具有一个设置的报警器,可以快速的,紧急的为机床以及所有的零件提供安全保障,不会造成不必要的损坏。让运行的环节可以随时停下,也可以继续运行,也可以马上为工作人员提供一个信息。3机床主传动设计3.1确定主要技术参数确定主要技术主要参数要必须实现这些点:1)出发点按照设计的要求;2)依据设计数据大小决定其他的数据;3)满足使用者选择的想法;4)优点的地方要尽量表现出来。1尺寸数据-机床工作时应用需要的数据和工具的布局的相关的重要数据。1)与工件主要尺寸有关的参数a)最大加工尺寸:加工长度最大化,工件安装尺寸最大化。加工半径,主轴的直径实现极限。b) 零部件运动范围:主轴箱体和运动桌面的极限运动范围。2)与机床结构有关的参数:床身纵向长度,圆形工作台的半径和工作面与地面的相差距离。3)机床的零部件需要有关准备的数据:部件的首尾的锥度和其他零件的锥度数据,安置的刀具尺寸, 运作台T型槽的大小和多少。4)优先数的优势:(a)优先数是有一个等级标准来划分的,可以在一个很大的范畴内用相对小的数据产品样式,实惠、实在的满足客户的要求和想法,能最大程度的在最小的范围内把产品的样式限制起来。(b)优先数是具有不同比例的特点,可以鲜明的区别级别。可以在原值保持不变的情况下,在中间系数中插入系列。(c)优先数是国际标准,实现国际上统一的标准,有利于规格统一。42主轴最低转速的确定查取切削量,取则最低转速为:3主轴最高转速的确定根据分析,并参考切削用量资料:取,, , 则:主轴极限和变速范围:因为是回转运动,所以极限的转动为:4极限V- 、 按照常规的工艺产品的选择,我们要思考几个方面,比如刀具的种类和工件原料以及其他的情况,甚至工序发成了改变也得考虑,所以得出了切削速率的极限值参照表:表切削速度极限加工条件加工头部精加工合金不同刀速极限变化孔制造5电动机参数1)极限的和,就要按照刀架的最大的。2)最小的,这时就会要考虑不同的情况下,有不同的结果。分别为和。按不同规格选择不同的速度。3)对于最小的,就要用最大的来选择4)按要求对于不同硬度的原料考虑,有小尺寸和大尺寸的区别,切割速度也会引发不同。所以一般要取之间的尺寸。3.2转动速率范围及公比 按照最底转动速率与最高转动速率可先得到主轴转动速率:=则公比: 依据标准公比取得,那么最高:那么主轴转动速度的一个程度:并验算得到,达到目的。153.3确定工作的结构1结构的形式结构的形式会随着一些系数的改变而变化,在整个结构中,一般都是减速运作,距离电机越近,转动的速度就越大,同样的,此时尺寸大小就越小。为了节约原料,减少本钱,我们通常都是在前面工作时可以多用点,越往后我们就要考虑本钱,就会少用点,所以我们使用的方案。2设计网状的结构-在加速的时候,预防过大的噪音影响和太大的抖动,限制,在加速运动的时候,为了预防尺寸的突然拉大,一般限制。一般常规的情况下,我们肯定会选择误差更小的一个方案,在相同的转速下,变速情况小,尺寸变化也就相对应的更小。所以采取的结构网参照图。图结构图3电动机的转动速率是已经被确定的,我们选择的结构有个传动组,一共有根轴,所以需要根线,转动速度图参照图。图转动速率图3.4传动系统图在一定的分析之后得出的零件的系统图参照图。图零件传动图3.5计算机选齿轮传动轴1计算模数:在设计图纸前,要考虑设计的本钱,之后再选取适合的模数。齿轮弯曲疲劳式子:计算齿面点蚀:得出中心距和齿数,计算出的模数数据:从所得和相比更大的数据中选取相近的标准模数。第一对齿轮副: 得:第一对副传动的模数为。结束后算出最高的模数为2.5 ,为了实现降下本钱,机箱中各齿轮模数量最大化可能取一样的,这次取每种模数均为。2齿轮的传接运动各轴的轴中央矩计量: 1轴与2轴: d=mz/2=2.5*(30+38)/2=85 2轴与3轴: 3齿轮其他参数-由书本中按照有关渐开线齿轮参数的公式及有类似的参数的规矩,齿轮的数据可以由这些公式算出。14设计齿轮结构-应选取不一样的的加工方式,不同的精度的零件,会对齿轮的形状也会产生变化,高级的精度在使用高级的机器才能运用。淬火齿轮,必须才能达到级。多联齿轮块的常见的样子如图所示,每个部件的大小如图所示:图多联齿轮图5退刀槽- 多联齿轮多采取插齿改变精确形式,取。滑移齿轮尺寸为。56核对齿轮强度:依照表: 那么 代入:7各传动轴轴径的估计-轴的直径可按这个方式算出结果。相对空心轴: -功率,; -需要计算的转动速率,; -经验数值 取为。1)算出各轴传递的量,这次所采取的电动机的功率各轴传达的量可以按下式出来结果: -转动效率轴之间都是齿轮传动,所以计算得:, , , 所以,传动轴之间传递的分别为: 2)估算各轴的最小,因为要考虑本钱,所以选择为的原料,其它选择,取值为,计算得出:, , , 所以各轴的最小d: 最后将轴的最小的直径增大了5%,由于各轴部分都开有花键,希望就是使键槽不改变轴的本质。 8各轴段值的确定-按照主轴箱的全面布局定轴端量,需要满足的两个要求分别是对安全和定位的要求。9轴的受力分析图参照图。9平面:平面:轴的受力图10参数表见表:表参数表1、最大回转直径320mm;2、刀架上最大回转直径170mm;3、最大加工长度600mm;4、主轴转速602100rpm(变频);5、主轴孔径38mm;6、主电机功率4Kw;7、主轴锥度:莫氏5#;8、最大快移速度6000mm/min;9、进给速度:3000mm/min;10、定位精度纵向0.01mm横向0.005mm;11、重复定位精度0.01mm;12、最小设定单位:0.001mm;13、尾座锥度:莫氏3#;14、机床净重:1200Kg;15、最大工作长度750mm;16、起动加速时间30ms;11纵向进给系统的设计计算(1)计算切削力-式中:主电机功率, =4kW; 主轴系统功率系数, k=0.96;=103=686.55N。(2)滚珠丝杠1)计算丝杆的最极限的,首先就要按照力的分量引发的抗压能力,得出丝杆的,最后按照定律公式计算: 工作的转动数值范围;-滚珠的最大的一个数值;精准度的数值,假如范围为13的时候, 如果是4,5,7,。有效的可以工作的年限,它的基本单位是 ,可计算: -转动速率 ; -有效的可以工作的年限 , 取。 对于式子中的解释: ,-分力;G-改变位置的重量K随着力会被影响的系数 , ;摩擦系数,。那么 为工作时切削的转动速率;则 0.6825就是额定有效工作的工作年限,可以取值;那么 依据工作、寿命,计算最大动负载,取, 计算得出的结果显示了它的强度已经足够了。(3)算出效率-丝杠螺母副的的值: =; -螺纹指定变化角 ; 摩擦角为。那么 (4)运用公式验算它的刚度-使用时导程会因受轴向力和扭矩的原因而发生变化,因对其影响可不算入其中,所以使用负载引起的导程改变量:13 分别表示不同的情况,加号表示被拉长的情况,减号表示被压缩的时候。 表示具有弹性的数据 表示截面积,同时可以确定底直径; ;则 (5)核对压杆不变-如果轴受到的轴心力太大,负荷超过了一定的范围之后,就可能没有了稳定性,容易发生歪曲等变化,此时承载的最大的为:= 2 EI/L2(N)不稳定容易发生弯曲,弯曲时为: E为模量, L为丝杆的极限长量,是支承系数.那么 得: 极限载荷与的比值就是稳定性安全系数,一般就取,考虑到其他的一些影响就可取;那么 结果是很稳定,因为误差为12负载转动惯量估量-轴上的惯性变量可以应用这个式子来估算:公式中的符号所表示: -分配到电机上的量(); -齿轮的 的惯量(); -杆子的转动量()。如果原料是钢的话,那么J可计算得: 式中: 零件直径量(); 工件的长量()。 因此得出的结果: ; ; ; 转动的惯性结果: 13计算的最大静矩-按照能量的守恒定律来计算 在没有任何工作运动时,惯性对于计算结果的影响是变化:=取范围内允许的数值为=所以运用方式采用五相时计算出的结果:=由于机床工作时对于动态的性能是需要很高的要求,所以必须确定在最大转动矩的情况下,快速的产生变化需要达到的转矩:。-极限的转矩()-需要消耗的转矩()在工作的平面上转动速率在加快时: ;按照动力知识学问得出: ;所以角加速度: 0在工件没有紧的情况下的效率 -之前添加的一个力,为原来的三分之一,就是 T014最高频率时的电机 在通过书本查找,我们找到这是型号的机器。4设计车床数控系统4.1单片机系统基本设计的要求必须要满足的条件为:(1)控制刀片走动时的速度,为了方便换速度。(2)控制车床的箱体部分,来改变工作平面的速度以及方向。(3)具备高的信任度和可保修性,可以满足高度的使用性。(4)单片机需要容易的接收信号,来让运行方式实现全自动功能。144.2数字控制图参照数字控制图4-1主轴电动机开关量控制电路软件主轴电动机开关量控制电路软件图4-1数字控制图4.3芯片选取1选用系统-选系列的单片机。2系统的扩展-由于只有,没有ROM,I/O端口,32跟线等组成。3步进电机控制方面-一般选用型号。4其它的辅助电路时钟电路:内部方式,外部方式。64.4存储器的使用1存储器的选择-型号的选择 :ROM我们选择EPROM。我们选择(必要要都可以使用)。提供的时长要大于单片给的时长。2存储器芯片的选取-此次设计采取的是的芯片,还有典型的,。1)芯片选择的引脚的功能是地址线13条A0A12控制线:-片选端线;-通信号线,低电平有用;-编程脉冲输入端。只对8751有效。2)锁存器引脚功能;其功能引脚共20脚;电源线-Vcc GND;输入输出线-输入线 D0D7;输出线-Q0Q7;控制线;3程序器的扩展(1)类型; 容量;(2)扩展的方法:数据线其中控制线包括:地址锁存、片选端、释放端。4数据存储器的扩展-它的发展跟所在的存储器没有太大差异,只要关注几个引脚的作用就能了。5扩展I/O接口1)、I/O接端的发展 采取I/O接端芯片,专业使用的I/O口芯片。典型的扩展的入口芯片: ,。I/O端口的重复芯片,它的作用不仅如此,还可以当做其他作用,经常用的是8155。2)参照电器引脚图4-2图引脚图该芯片能为系统提供的硬件资源包括:2个8位可编程I/O口(A口和B口),256字节的静态RAM,一个14位的可编程减法定时/计数器及一个6位可编程I/O口(C口)。6矩阵式键盘工作方式扫描方法、中断方法。7用扩展I/O接口来组成8控制刀具的转变位置-刀具需要一个高电平的位置,然后需要有效的去控制。参照图4-3。可以编程的端口的含有的功能相对比较全面,本钱又相对低。又类似单片机的组装,相对的比较方便,简单的优点。图 连接图9限位开关的应用-此控制系统含有软件限位功能来实施远程校核,同时又能不安置超程校核限位使用控制。由于其具有局限性,当驱动器产生故障,不能是机床停止,因其运动超出了软件的限制范围,通常机床上的信号为常闭触点信号。每次触电不经意断的时候,系统会及时复位,还能使运作的机床在紧急情况下停下运动。通常这个信号由按钮开关的B 触点指令。在停下工作时,系统在之前备好的信号会马上断开,这时候,这些命令会被改变或者暂停使用,由这些可以得出,必须要保证机床的稳定和安全性。开关链接参照图:图 限位链接图4.5显示器接口及其设计一般的常见的显示器含由两种形态,分别是动态和静态的方式。一般为了节约口的线长度,节约本钱,就用动态的形式。在这个形式的选择下,就要一次一次的去让显示器发光,而且要逐个去操作。并且,亮度还和操作的时间有关,熄灯也是有和亮的时候成一定的比例的。7在显示器中,有一类命名为发光二极管,也就是所说的。下图就是显示器的一种工作方式,是的口供应的。有个按键,在工作中有高低电平的影响,不同的端口显示不同的结果。可以参照图4-5图显示器电路图4.6数控系统标准型1设计数控系统硬件电路1)微机控制系统电路;2)选择主要的机器,然后选择MUC机;3)MCS-5-单片机的内部结构以及MCS-51-单片机的基本特性:具有8位的CPU;时钟电路芯片;内部程序存储器4KB;有2个可编程定时/计数器;有一个全功能串行接口(2跟线);寻址空间为64kB的外部数据存储器;时钟引脚(2跟线);作I/O引脚;电源;其中就适合。 4)系列(1)地址:外部宽度位。(2)数据:DB P0口提供D0D7宽8位。5机床部分控制程序5.1动态显示程序动态显示电路图参照图。图动态显示图这些数码管会不停息的分时工作,通常在8个之内,由于这些数码管的分配问题,会导致亮度、观察出现副作用。这时候,我们需要让显示器上的字码在一些信号之后相连接,产生应该有的效果。15LED动态显示接口程序流程图参照图5-2(a)、5-2(b): 图5-2(a)程序流程图图5-2(b)显示器流程图5.2串行扩展口、设计显示器接口电路这个基础上,我们可以实现的功能:通电之后的显示器会出现,之后就慢慢等待,直到录入数据,在按下或者之后,就会变成相应的程序。程序框图参照5-3:图5-3程序流程图设计方式: 5.3步进电机控制程序的设计假设内部RAM,代码所示:; 正转A ;AE ;E ;ED ;D ;DC ;C ;CB ;B ;BA ;循环标志 ; 反转A ;AB ;B ;BC ;C ;CD ;D ;DE ;E ;程序: 5.4步进电机选取1环行分派器及向都选的是型号。2步进电机开环驱动的原理-常规的是采取开环的控制方式。开环伺服系统的原理图参照图5-4图 开环伺服图步进电机有三种不同的形式,分别是脉冲信号源、脉冲分配器以及功率放大器。脉冲信号源又被命名变频信号源,因为它的信号像频率一样可以调变,可以变化。脉冲分配器就是把每个不同的脉冲发配给不同的需要此脉冲的环境下,可以用软件实现,硬件也同样可以。功率放大器,顾名思义,就是将功率太小,不方便和不容易接收的信号,放大一定的倍数,让需要的电机可以收到更大的频率。23当通电方式断五相十拍工作五相双五拍工作。工作方式参照图5-5。图 步进电机工作图5.5驱动电路按照要求发出的脉冲,然后分别发射到每个相,又因为必要要把信号扩大个倍数,因为它的很小,电压又不足,这样才能驱动。为了让
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