機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)

1、西安廣播電視大學(xué)開放教育機(jī)械制造與自動(dòng)化（機(jī)電方向）專業(yè)（?？疲C(jī)電一體化系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)學(xué)生姓名： 范澈萱學(xué)號(hào)：1461101451464指導(dǎo)老師：萬宏強(qiáng)分校：蓮湖分校時(shí)間：2016年5月20日機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)表面粗糙度測(cè)量計(jì)實(shí)習(xí)一、任務(wù)目的與要求1.1目的1.1.1 了解表而粗糙度測(cè)量計(jì)的組成，建立表而粗糙度測(cè)量的概念1.1.2 了解表而粗糙度測(cè)量計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)原理1. 1. 3學(xué)習(xí)傳感器的工作原理及莫正確接線1. 1. 4學(xué)習(xí)各單元z間的通信方法和系統(tǒng)調(diào)試1.1.5增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神12要求1.2.1熟悉機(jī)械部分的組成、工作原理1.2.2繪制機(jī)械部分的工作原理圖1.2.3繪制所研究系

2、統(tǒng)的圖1. 2. 4 了解各模塊控制信號(hào)的類型1.2.5熟悉各模塊所用傳感器類型、結(jié)構(gòu)、工作原理、性能和使用1. 2. 6正確分析傳感器信號(hào)與其它傳感器信號(hào)的傳送過程二、實(shí)習(xí)內(nèi)容及過程1緒論11前言機(jī)械加工屮，表面特征的研究是控制機(jī)械零件表面質(zhì)量的重要內(nèi)容，而表面粗糙度是 表面特種的重要技術(shù)指標(biāo)之一。隨著機(jī)械加工工藝水平的提高，對(duì)零件的表面質(zhì)量提 出了越來越高的要求。無論用何種加工方法加工，在零件表而總會(huì)留下凹凸不平的刀 痕，出現(xiàn)交錯(cuò)起伏的峰谷現(xiàn)象，粗加工后的表面用肉眼就可以看到，精加工后的表面 用放人鏡或者顯微鏡仍能觀察到，這就是零件加工后的表面粗糙度，過去稱為表面光 潔度。國(guó)家規(guī)定表面粗糙

3、度的參數(shù)由高度參數(shù)、間距參數(shù)和綜合參數(shù)組成。12題目背景和意義表面粗糙度是指加工表面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性。它的大 小對(duì)零件表面的摩擦磨損、疲勞強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、耐腐蝕性、接觸剛度和抗震性、配 合性質(zhì)、測(cè)量精度和密封行等冇很大的影響。粗糙度測(cè)量?jī)咏佑|測(cè)量和罪接觸測(cè)量?jī)?大類方法。觸針式接觸測(cè)量粗糙度參數(shù)的方法具有精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。該課題 就是針對(duì)觸針式測(cè)量粗糙度的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行改造。1.3國(guó)內(nèi)外表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)的研制情況表面粗糙度與零件表面功能有著密切的關(guān)系，因此人們?cè)诤茉缫郧熬驼J(rèn)識(shí)到測(cè)量表面 粗糙度的重要性。但由于技術(shù)工藝水平的落后，最早只能單純的依靠人的視覺和觸覺

4、 來估計(jì)，即通過目測(cè)手觸摸試件與標(biāo)準(zhǔn)樣塊進(jìn)行比較，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，人們又 采用了比較顯微鏡進(jìn)行比對(duì)。這些原始的測(cè)量方法只能對(duì)表面微觀不平度做出定性的 綜合評(píng)定。自從1927年德國(guó)的施馬爾茨(schmaltz)發(fā)明了用光杠桿進(jìn)行放大的表 面輪廓記錄儀后，人們就一直致力于表面質(zhì)量的研究，從此開始了對(duì)表面粗糙度的數(shù) 量化描述。近年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)據(jù)處理能力的捉高，研制了許多 三維表面微觀形貌測(cè)量?jī)x，使得在局部表面上三維評(píng)定表面粗糙度成為可行，而且國(guó) 際上方興未艾。2系統(tǒng)方案選擇與論證2. 1設(shè)計(jì)要求本院實(shí)驗(yàn)室有一臺(tái)“221-7”型s0rtr0nic的粗糙度輪廓儀，本設(shè)計(jì)就是在對(duì)其

5、研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合新型粗糙度輪廓儀的發(fā)展方向?qū)τ⑦M(jìn)行設(shè)計(jì)改造。如圖2. 1所示圖2表而粗糙度輪廓儀2. 2基木要求要求實(shí)現(xiàn)其速度在lmm/s5mm/s ttf調(diào)，測(cè)量行程可達(dá)20iiuii,在高度方向上傳感 器桿上下可調(diào)節(jié)100mm2. 3最終成杲（1）設(shè)計(jì)出測(cè)量系統(tǒng)的電路（2）設(shè)計(jì)出測(cè)控程序（3）實(shí)現(xiàn)屯機(jī)正反轉(zhuǎn)，調(diào)速 調(diào)節(jié)測(cè)量行程（4）完成ra、rz、ry的測(cè)量（5）完成驅(qū)動(dòng)部分的機(jī)械設(shè)計(jì)24測(cè)量數(shù)據(jù)說明1輪廓的平均算術(shù)偏差（rj如圖2.2所示，通過零件的表而輪廓作一中線/ , 將一定長(zhǎng)度的輪廓分成兩部分，使中線兩側(cè)輪廓線與中線z間所包含的面積相等，即f1+f3+fn-1=f2+f4+fn圖

6、2. 2輪廓的算術(shù)平均偏差輪懶的平均算術(shù)偏差值出，就是在一定測(cè)量長(zhǎng)度/范圍內(nèi)，輪屎上各點(diǎn)至屮線 距離絕對(duì)值的平均算術(shù)偏差。用算式表示為1 1 卩二一 j mdx1 0或近似寫成1 nr 廣s ivlhi=12. 不平度平均高度（rz）就是在基本測(cè)量長(zhǎng)度范圍內(nèi)，從平行于中線的任意線起, 口被測(cè)輪廓上五個(gè)最高點(diǎn)至五個(gè)最低點(diǎn)的平均距離（圖2. 3）_ （力嚴(yán)3%磁7%）訛2磁4%十知0）hz=5+ !/圖2. 3不平度平均高度3. 輪廓最大高度ry就是在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離。2. 5影響表面粗糙度測(cè)量?jī)x精度的分析1. 觸針針尖半徑及觸針角度為使觸針的運(yùn)動(dòng)能準(zhǔn)確的反映被測(cè)表面的

7、實(shí)際輪廓曲線，觸針應(yīng)具冇最小的尖端 半徑和適當(dāng)?shù)慕嵌龋舛税霃竭^小不但難于加工，而且極易磨損和劃傷被測(cè)表面， 目前可加工岀的針尖半徑為l-2umo2. 測(cè)量力為使觸針運(yùn)動(dòng)軌跡符合實(shí)際的輪廓曲線，還必須保證觸針與被測(cè)表面可靠接觸， 為避免劃傷被測(cè)表面在保證口j靠接觸的前提下，選擇盡量小的測(cè)力，并使觸針仲岀不 同長(zhǎng)度吋測(cè)力的變化也要小。3 測(cè)量基準(zhǔn)線通常形成基準(zhǔn)線的辦法有兩種：一種是測(cè)量頭的移動(dòng)方向由一個(gè)與被測(cè)表而無關(guān) 的導(dǎo)軌，另一種是釆用某種形式的滑塊即所謂導(dǎo)頭，直接將測(cè)量頭支乘在被測(cè)表面上 進(jìn)行滑動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)頭制造簡(jiǎn)單，使用方便，此吋觸針的位移是以導(dǎo)頭的移動(dòng)軌跡為基準(zhǔn)線，而導(dǎo) 頭的移動(dòng)

8、軌跡乂由它的現(xiàn)狀、位置及被測(cè)表面的兒何形狀所決定。常用導(dǎo)頭的形狀為 弧型，也冇用球而或柱而的，導(dǎo)頭多為一個(gè)，裝在觸針前方或后方。導(dǎo)頭能減弱波度及表面宏觀幾何形狀偏差對(duì)測(cè)量的影響，其減弱程度與滑塊曲率 半徑有關(guān)。導(dǎo)頭端部半徑r應(yīng)不小于截止波長(zhǎng)的50倍，導(dǎo)頭工作表面的微觀不平度10點(diǎn)高 度rz值應(yīng)不大于0. lumo導(dǎo)頭施加于被測(cè)表而上的力，對(duì)碩質(zhì)材料不大于0. 5n,對(duì) 軟質(zhì)材料應(yīng)取低些。4測(cè)頭移動(dòng)速度測(cè)量頭移動(dòng)速度過慢，影響測(cè)量效率；速度過快，會(huì)使觸針產(chǎn)生附加的動(dòng)測(cè)力量, 而且有可能在測(cè)量過程中使觸針與被測(cè)表面脫離。測(cè)量頭的移動(dòng)速度受到臨界頻率的 限制。2. 6評(píng)定表面粗糙度的基本原則1 .測(cè)

9、量方向表面粗糙度的數(shù)值，是在垂直于被測(cè)表面的法向截面上給定的。若技術(shù)文件上沒 有注明測(cè)量方向，則應(yīng)按能給出最大表面粗糙度數(shù)值的方向上進(jìn)行測(cè)量，即應(yīng)在垂直 于痕跡的方向上進(jìn)行測(cè)量。不能明顯確定被測(cè)表而的加工痕跡方向和非切削加工表 血，應(yīng)在幾個(gè)不同方向上進(jìn)行測(cè)量，取恰當(dāng)值作為測(cè)量結(jié)果。2.表面缺陷在表面粗糙度評(píng)定屮不應(yīng)該把表面缺陷，如氣孔、劃痕，溝槽等包含進(jìn)去，也不 應(yīng)該作為判別表面粗糙度合格與否的指標(biāo)。3 測(cè)量部位由于種種因素的影響，同一加工方法加工出的同一表面，不同部位的粗糙度值不 會(huì)一樣，因此在測(cè)量粗糙度數(shù)值時(shí)，應(yīng)在不同部位上測(cè)量。2. 7測(cè)量零件表面粗糙度應(yīng)注意的問題1. 每次測(cè)量前，將標(biāo)

10、準(zhǔn)樣塊用稠布蘸酒精擦拭干凈，置于被測(cè)表面加工紋路與傳感器測(cè)頭滑行方向垂直的工作臺(tái)并同定，選擇合適的傳感器，對(duì)儀器進(jìn)行校驗(yàn)并調(diào)整。2. 將被策零件表面擦拭干凈，置于被測(cè)表面加工紋路與傳感器測(cè)頭滑行方向相 垂直的位置。3. 將傳感器輕輕放在被測(cè)零件表面上，調(diào)整傳感器位置，使傳感器桿軸線行于 被測(cè)零件表而，且使傳感器測(cè)頭與被測(cè)零件表而垂直。4. 測(cè)量時(shí)需耍判定測(cè)量的止確性（可靠性），被測(cè)零件的任何局部缺陷，測(cè)量時(shí) 應(yīng)注意避開。3電路原理圖設(shè)計(jì)3.1鍵盤控制電路1. 鍵盤采用3*3矩陣式鍵盤(如下圖3. 1所示)tthphphp111-?1pljd-pl.1rr4otc1otc1otcs7pl.2pl

11、3pl.4pl.5圖3. 1鍵盤形式2. 鍵盤輸入?yún)?shù)包括9種(1) 測(cè)量行程 sl=lnl=3mm, s2=ln2=6mm, s3二ln3二 14mm因?yàn)閘二取樣長(zhǎng)度,l1=o. 25、l2二0. 8、l3二2. 5,評(píng)定長(zhǎng)度二ln二5l,通過計(jì)算lnl二0. 25 x5再加上兩邊1左右的余量3,ln2=0.8x5再加上兩邊1左右的余量6,ln3=25 x5再加上兩邊1左右的余量心14。(2) s4：開始測(cè)量，s5：測(cè)量停止，s6：復(fù)位(3) s7： ra, s8： rz, s9： ry3. 1. 1鍵盤設(shè)計(jì)需要解決的幾個(gè)問題鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口設(shè)備。鍵盤

12、可分 為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。前者能自動(dòng)識(shí)別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，以 并行或串行方式送給cpu。它使用方便，接口簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但價(jià)格較高。后者 則通過軟件來確定按鍵并計(jì)算鍵值。這種方法雖然沒冇編碼鍵盤速度快，但它價(jià)格便 宜，組態(tài)靈活，因此得到了廣泛的應(yīng)用。鍵盤是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)必須解決以下兒個(gè)問題。1 按鍵的確認(rèn)鍵盤實(shí)際上是一組按鍵開關(guān)的集合，其中每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開關(guān)量輸入裝置。 鍵的閉合與否，取決于彈性開關(guān)的合、斷狀態(tài)，反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低 電平，若高電平表示斷開，則低電平表明鍵閉合。所以，通過電平狀態(tài)（高或低）的 檢測(cè)，便可確定相應(yīng)按

13、鍵是否己被按下。在工業(yè)控制和智能化儀器系統(tǒng)屮，為了縮小整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模，簡(jiǎn)化硬件線路，常 常希望設(shè)置最少的按鍵卻獲取更多的控制功能。2. 重鍵與連擊的處理實(shí)際按鍵操作屮，若無意屮同吋或先后按下兩個(gè)以上的鍵，系統(tǒng)確認(rèn)哪個(gè)鍵操作 是有效的完全是由設(shè)計(jì)者的意志決定的。如視按下時(shí)間最長(zhǎng)者為有效鍵，或認(rèn)為最先 按下的鍵為當(dāng)前按鍵，也可將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不過微機(jī)控制系統(tǒng)畢竟是 資源有限，交互能力不強(qiáng)，通常總是采用單鍵按卜有效，多鍵同時(shí)按卜無效的原則。3. 按鍵防抖動(dòng)技術(shù)鍵盤操作為向系統(tǒng)提供操作人員的干預(yù)命令的接口，以其特定的按鍵序列代表著 各種確定的操作命令。所以，準(zhǔn)確無誤的地辨認(rèn)每個(gè)按鍵的動(dòng)作及

14、其所處的狀態(tài)，是 系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機(jī)械彈性開關(guān)。一個(gè)電信號(hào)通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過 程，完成高、低電平的切換。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)的閉合及斷開 的瞬間必然伴隨有一連串的抖動(dòng)，其波形圖3. 2所示。抖動(dòng)過程的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械 特性決定，一般為1020ms。圖3.2鍵盤抖動(dòng)為了使cpu對(duì)-次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)-次，必須排除抖動(dòng)的影響?？梢詮挠布蛙浖?方面著手解決。（1）硬件防抖動(dòng)技術(shù)通過硬件電路消除按鍵過程中抖動(dòng)的影響是一種廣為采用的措施。這種做法工作 可靠，且節(jié)省機(jī)時(shí)。濾波防抖電路利用rc積分電路對(duì)于干擾脈沖的吸收作用，只要選擇好時(shí)間常數(shù)，就能在按鍵

15、 抖動(dòng)信號(hào)通過此濾波電路時(shí)，消除抖動(dòng)的影響。雙穩(wěn)態(tài)防抖電路用兩個(gè)與非門構(gòu)成一個(gè)rs觸發(fā)器，即可形成雙穩(wěn)態(tài)防抖電路。（1）軟件防抖動(dòng)方法如前所述，若釆用硬件防抖電路，則n個(gè)鍵就必須有n個(gè)防抖電路。因此，當(dāng)鍵 的個(gè)數(shù)比較多時(shí)，碩件防抖將難以勝任。在這種情況下，先用軟件延時(shí)（10ms到20ms）, 然后再確認(rèn)該按鍵電平是否仍維持閉合狀態(tài)電平。若保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)此鍵 已按卜，從而消除了抖動(dòng)的影響。3. 1.2矩陣鍵盤接口技術(shù)矩陣式鍵盤常應(yīng)用在鍵盤數(shù)量比較多的系統(tǒng)屮。這種鍵盤由行線和列線組成、按 鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)上，行列線分別連在按鍵開關(guān)的兩端。列線通過上拉電 阻接金地，以使無鍵按下時(shí)

16、列線處于低電平狀態(tài)。矩陣鍵盤可分為兩大類，非編碼鍵盤和編碼鍵盤。編碼鍵盤內(nèi)部設(shè)有鍵盤編碼器, 被按下鍵的鍵號(hào)曲編碼器直接給出，同吋具冇防抖和解決重鍵的功能。非編碼鍵盤通 常采用軟件的方法，逐行逐列檢查鍵盤狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時(shí)用計(jì)算或查表的方法 得到該鍵的鍵號(hào)。鍵盤矩陣與微型機(jī)的連接，應(yīng)用最多的方法是采用1/0接口芯片，冇時(shí)為簡(jiǎn)單起 見，也可采用鎖存器。在單片機(jī)運(yùn)行過程中，何時(shí)執(zhí)行鍵盤掃描和處理，可以有以下3種情況（1）隨機(jī)方式，每當(dāng)cpu空閑吋執(zhí)行鍵盤掃描程序。（2）中斷方式，每當(dāng)有鍵閉合時(shí)才向cpu發(fā)出中斷請(qǐng)求，中斷響應(yīng)后執(zhí)行鍵盤 掃描程序。（3）定時(shí)方式，每擱一定時(shí)間執(zhí)行一次鍵盤掃描程序

17、，定時(shí)可由鍵盤的定時(shí)器 完成。鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識(shí)別鍵碼，微型機(jī)對(duì)鍵盤控制的辦法是“掃描”。根 據(jù)微型機(jī)進(jìn)行掃描的辦法乂可分為程控掃描法和中斷掃描法兩種。1. 程控掃描法圖3. 1所示為3*3矩陣組成的9鍵盤與單片機(jī)接i電路。在圖3.1中在每一個(gè)行與列的交叉點(diǎn)上接一個(gè)按鍵，故共3*3共9個(gè)鍵。為了說 明鍵的具體位置，事先按一定順序給每一個(gè)鍵編一個(gè)號(hào)，如圖中，si、s2、s3、s4、 s5、s6、s7、s8、s9,稱其為鍵值。程控掃描法是由程序控制鍵掃描的方法。程控掃描的任務(wù)是：（1）首先判斷是否有鍵按下。其方法是使所有的行輸出為高電平，然后從p0 端口讀入列值。如果沒有鍵按下，則讀入值為

18、ffh,則不為ffh。（2）去除鍵抖動(dòng)。若有鍵按下，則延吋10ms20ms,再一次判斷有無鍵按下， 如果此時(shí)仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤上確實(shí)有鍵處于穩(wěn)定閉合期。（3）若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。（4）為保證鍵每閉合一次，cpu只做一次處理，程序中需等閉合鍵釋放后才對(duì) 其進(jìn)行處理。2. 中斷掃描法在程控掃描法中，無論有沒有鍵入操作，cpu總要占有一定的時(shí)間進(jìn)行掃描，無 疑將占用cpu的大量時(shí)間，這對(duì)于微型機(jī)控制系統(tǒng)和智能化儀器都是很不利的。為了 更進(jìn)一步節(jié)省cpu的時(shí)間，可采用中斷掃描法。這種方法的實(shí)質(zhì)是，當(dāng)沒有鍵入操作 時(shí)，cpu不對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，以節(jié)省出大量的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。一

19、旦 鍵盤輸入,則向cpu申請(qǐng)中斷。cpu響應(yīng)中斷后,即轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序,對(duì)鍵 盤進(jìn)行掃描，以便判別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)，并作相應(yīng)的處理。3. 2顯示部分電路1巖 74ls373 舄gndg2(1vlsts12/8dbll(msb)csdb10a° ad574db9lucdb8cedb7vccdb6refoutdb5acdb4rehndb3veedb2bipoffdb110vindbo(lsb)20vindc28【nt】a23227hb54326g67a425f98b524e1213623d1514722c1617821b193920a1011019d1118c1217b1316a

20、1415+5圖33顯示部分電路3. 2. 1單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)1 擴(kuò)展結(jié)構(gòu)（如圖3.4）圖3. 4擴(kuò)展系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心進(jìn)行的，擴(kuò)展內(nèi)容包括rom、ram和i/o接口 電路等；擴(kuò)展是通過系統(tǒng)總線進(jìn)行的，通過總線把各擴(kuò)展部件連接起來，并進(jìn)行數(shù)據(jù)、 地址和信號(hào)的傳送，要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展首先要構(gòu)造系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線總線：連接計(jì)算機(jī)齊部件的一組公共信號(hào)線。at89s52使用的是并行總線結(jié)構(gòu)， 按其功能通常把系統(tǒng)總線分為三組，即地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。（1）地址總線ab在地址總線上傳送的是地址信號(hào)，用于存儲(chǔ)單元和i/o端口的選擇。地址總線是 單向的，地址信號(hào)只能由單片機(jī)向外送出。地址總線的數(shù)目決定著可直接訪問的存 儲(chǔ)單元的數(shù)目，例如n位地址可產(chǎn)生2”個(gè)連續(xù)地址編碼，因此可訪問蘭個(gè)存儲(chǔ)單元, 即通常所說的尋址范圍為2“個(gè)地址單元。（2）數(shù)據(jù)總線（data bus,簡(jiǎn)寫db）數(shù)據(jù)總線用于在單片機(jī)與存儲(chǔ)器之間或單片機(jī)與i/o