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摘 要
本文設計了一臺簡易剪板機，能夠?qū)崿F(xiàn)對木片的定長進行剪切，剪斷時間小于10s，重點就機架、刀架等重要部件進行了設計，在設計中通過對比國內(nèi)外剪板機，力求設計出結(jié)構簡單，操作簡便，同時經(jīng)濟、合理的剪板機，具體設計思路上：利用自動控制系統(tǒng)控制刀架，大大減少了剪切的時間并且提高了剪切精度。采用人工送料以降低成本。近年來，隨著模具技術和沖壓技術的發(fā)展，剪板機的應用范圍在不斷地擴大，數(shù)量在不斷地增加。預計不久的將來，剪板機在沖壓用剪板機中的比例將會愈來愈大。
關鍵詞 機架; 刀架; 自動控制系統(tǒng); 剪切精度
Abstract
his text designed to the infrastructure design of guillotine shear, can able to reach for wood to cut a slice of the clipping time is smaller than 10 second, the point carried on a design for the parts with important etc. of the machine, knife and passed contrast to the infrastructure design of guillotine shear at home and abroad in the design and tried hard for to design structure simple, operate simple, economic in the meantime, reasonable of the infrastructure design of guillotine shear, for the put type knife formerly and connect the pole type knife carried on innovation: Make use of the hydraulic system control knife, consumedly reduced to shear to slice of time and raised to shear to slice accuracy. Adopting artificial to send to anticipate is since low cost. In recent years, along with molding tool technique and hurtle to press a technical development, the infrastructure design of guillotine shear at constantly extension, amount at constantly increment. Anticipate near future, the infrastructure design of guillotine shear at blunt press to use to shear the comparison in the infrastructure design of guillotine shear will be bigger and bigger.
Keywords Machine Knife Automatic control system Shear to slice accuracy
目 錄
1 緒論 ........................................................... 5
1.1概論 ......................................................... 5
1.2 剪板機分類及應用 ............................................ 5
1.3 設計的意義和設計步驟 ........................................ 7
2 剪板機機械設計 ................................................. 8
2.1 機架 ........................................................ 8
2.2 刀架 ........................................................ 8
2.3 刀具 ........................................................ 9
3 機械機構部分設計 .............................................. 10
3.1 電動驅(qū)動滾輪軸的設計 ....................................... 11
3.1.1 驅(qū)動滾輪的確定.......................................... 11
3.1.2 電動機的選擇 ........................................... 11
3.1.3 軸的計算 ............................................... 11
3.2 編碼器安裝軸的設計.......................................... 12
3.2.1 軸的計算 ............................................... 12
3.2.1.1 初步確定軸的最小直徑................................ 16
3.2.1.2 軸的結(jié)構設計........................................ 17
3.3 剪切裝置的設計.............................................. 17
3.3.1 氣缸的選擇 ............................................. 18
3.3.2 連接套的設計 ........................................... 18
3.4 床身支撐的設計 ............................................. 19
3.5 安裝支架的設計 ............................................. 20
3.6 輔助裝置的設計 ............................................. 21
4 電器控制部分的設計 ............................................ 23
4.1 硬件電路設計 ............................................... 24
4.4.1 中央控制器：80C51系列單片機 ............................ 26
4.4.2 單片機的系統(tǒng)擴張 ....................................... 28
4.4.3 單片機接口設計 ......................................... 36
5 結(jié)論 .......................................................... 37
6 致謝........................................................... 38
7 參考文獻 ...................................................... 39
8 附錄 .......................................................... 41
1緒論
1.1概論
隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，剪板機床的發(fā)展越來越成為機械制造行業(yè)的中流砥柱，通用型高性能剪板機，廣泛適用于航空、汽車、農(nóng)機、電機、電器、儀器儀表、醫(yī)療器械、家電、五金等行業(yè)。
鍛壓機械是指在鍛壓加工中用于成形和分離的機械設備，1842年，英國工程師史密斯創(chuàng)制第一臺蒸汽錘，開始了蒸汽動力鍛壓機械的時代。1795年，英國的布拉默發(fā)明水壓機，但直到19世紀中葉，由于大鍛件的需要才應用于鍛造。隨著電動機的發(fā)明，十九世紀末出現(xiàn)了以電為動力的機械剪板機和空氣錘，并獲得迅速發(fā)展。二十世紀初，鍛壓機械改變了從19世紀開始的向重型和大型方向發(fā)展的趨勢，轉(zhuǎn)而向高速、高效、自動、精密、專用、多品種生產(chǎn)等方向發(fā)展。于是出現(xiàn)了每分種行程2000次的剪板機。所謂剪板機一般是指每分鐘的行程次數(shù)為普通剪板機的5—10倍的剪板機。剪板機是帶有自動送料裝置，可完成板料高效率、精密加工的機械剪板機，具有自動、高速、精密三個基本要素。
近十多年來，隨著對發(fā)展先進制造技術的重要性獲得前所未有的共識，沖壓成形技術無論在深度和廣度上都取得了前所未有的進展，其特征是與高新技術結(jié)合，在方法和體系上開始發(fā)生很大變化。計算機技術、信息技術、現(xiàn)代測控技術等沖壓領域的滲透與交叉融合，推動了先進沖壓成形技術的形成和發(fā)展。
冷沖壓生產(chǎn)的機械化和自動化，為了滿足大量生產(chǎn)的需要，沖壓設備已由單工位低速剪板機發(fā) 展到多工位剪板機。一般中小型冷沖件，既可在多工位剪板機上生產(chǎn)，也可以在剪板機上采用多工位級進模加工，是冷沖壓生產(chǎn)達到高度自動化。
在汽車、航空航天、電子和家用電器領域，需要大量的金屬板殼零件，特別是汽車行業(yè)要求生產(chǎn)規(guī)?；?、車型個性化和覆蓋件大型一體化。進入21 世紀，我國汽車制造業(yè)飛速發(fā)展，面對這一形勢，我國的板材加工工藝及相應的沖壓設備都有了長足的進步。
1.2剪板機分類及應用
剪板機屬于直線剪切機類，主要用于剪裁各種尺寸金屬板材的直線邊緣。在軋鋼、汽車、飛機、船舶、拖拉機、橋梁、電器、儀表、鍋爐、壓力容器等各個工業(yè)部門中有廣泛應用。
剪板機種類較多，按其工藝用途和結(jié)構類型可以分為：
1.平刃剪板機
剪切質(zhì)量好，扭曲變形小，但剪切力大，耗能大。機械傳動的較多。該剪板機上下兩刀刃彼此平行，常用于軋鋼廠熱剪切初軋方坯和板坯；按其剪切方式又可分為上切式和下切式。
2.斜刃剪板機
剪板機的上下兩刀片成一個的角度，一般上刀片是傾斜的，其傾斜角一般為1°～6°。斜刃剪板機剪切力比平刃剪板機小，故電機功率及整機重量等大大減小，實際應用最多，剪板機廠家多生產(chǎn)此類剪板機。該類剪板機按刀架運動形式分閘式剪板機和擺式剪板機；按主傳動系統(tǒng)不同分為液壓傳動和機械傳動兩類。
3.多用途剪板機：
(1)板料折彎剪切機：即在同一臺機械上可完成剪切和折彎兩種工藝。
(2)聯(lián)合沖剪機：即可完成板材的剪切，又可對型材進行剪切，多用于下料工序。
4.專用剪板機：
(1)板材開平線剪板機：用于板材開卷校平線上，為配合生產(chǎn)線速度快剪切要求而設計的高速剪板機，厚板線上多為液壓高速剪板機，薄板線上多配氣動剪板機;高速線上配有飛剪機，連續(xù)生產(chǎn)，效率高。
(2)鋼結(jié)構生產(chǎn)線剪板機：多用于角鋼、H型鋼自動生產(chǎn)線完成剪斷工序。
(3)冷彎成型線剪板機：例如汽車縱梁冷彎線、車廂側(cè)擋板生產(chǎn)線、彩鋼板成型線等生產(chǎn)線上配置的專用剪板機等。
1.3設計的意義和設計步驟
畢業(yè)設計和畢業(yè)論文是本科生培養(yǎng)方案中的重要環(huán)節(jié)。學生通過畢業(yè)論文，綜合性地運用幾年內(nèi)所學知識去分析、解決一個問題，在作畢業(yè)論文的過程中，所學知識得到疏理和運用，它既是一次檢閱，又是一次鍛煉。通過這次檢驗，不但可以提高學生的綜合訓練設計能力、科研能力（包括實際動手能力、查閱文獻能力，撰寫論文能力）、還是一次十分難得的提高創(chuàng)新能力的機會，并從下個方面得到訓練：
1.學會進行方案的比較和可行性的論證；
2.了解設計的一般步驟；
3.正確使用各種工具書和查閱各種資料；
4.培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)和解決實際問題的能力。
利用所學的機械各方面的知識，我選擇這個課題為我的畢業(yè)設計，進行大膽的嘗試。設計中主要以課本和各種參考資料作為依據(jù)，從簡單入手，循序漸進，逐步掌握設計的一般方法，把所學的知識形成一個整體，以適應以后的工作需要。當然，初次設計，知識有限，經(jīng)驗不足，一些問題考慮不周，也可能存在有某些錯誤和遺漏，懇請各位老師批評指正。
剪板機是各類機械產(chǎn)品的一種，設計時著手于其原理和主要部件的計算校核，了解剪板機的工作狀態(tài)，以此為基礎設計刀架、機架等各類零部件，定長系統(tǒng)的相關資料，進行相關的數(shù)據(jù)計算。
2 剪板機機械設計
2.1.機架
剪板機的機架通常由左右立柱、工作臺、和連接橫梁所組成。這幾個部分的連接形式常見的有三種：整體焊接、組合（用榫頭和螺栓來連接）和組合——焊接（即組合后再焊接）。一般來講，整體焊接的機架剛性最好，但由于體積龐大，對焊后進行退火和機械加工帶來困難。有的工廠將焊后退火的工作臺和連接梁先進行加工，然后以較少的焊縫和左右立柱焊接。這樣既能保證機架足夠的剛度又能減少焊接時的變形和焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力。組合的機架剛性較差，但易于制造（不需要大型機床加工）。目前生產(chǎn)的組合機架往往用榫頭和螺栓來連接，組合——焊接的機架比組合機架的剛度好一些。
2.1.刀架
刀架是剪板機的重要部件，被剪板料的剪切精度和端口質(zhì)量在很大程度上與刀架以及機架上導軌的結(jié)構有關，因此應該注意刀架的強度和剛度。
目前常見的刀架結(jié)構有三種：整體焊接的直線運動刀架、組合——焊接的直線運動刀架及整體焊接的擺動刀架。
整體焊接的直線運動刀架如果刀架沿垂線運動，一般上刀片只有兩個刃，如果刀架沿前傾線運動則刀片可作成四個刃。這種結(jié)構可用于上軸式和側(cè)軸式剪板機。
組合——焊接的直線運動刀架中，水平板和筋板先焊好，然后用螺栓固定到立板上。調(diào)節(jié)螺栓使刀架在水平面內(nèi)造成凸弧線，而在剪切時由于水平推力迫使刀架彎曲造成凹弧線，如果調(diào)節(jié)適當，兩項彎曲將互相抵消而使剪切精度得到提高。刀架運動由偏心軸和連桿獲得，一般都沿前傾運動。被剪板厚10毫米時前傾角采取3°。連桿的下端（上端）作用在刀架立板頂端的小偏心軸上。
整體焊接結(jié)構的擺動刀架多數(shù)用于液壓——機械傳動的剪板機。根據(jù)活塞和刀架的連接方式基本山有三種形式：
1.側(cè)面柱塞油缸的刀架；
2.活塞和油缸兩端鉸接式的刀架；
3.帶有柱塞的刀架。這三種刀架斷面應考慮抗彎和抗扭
2.3.刀具
剪板機的下刀片都具有四個刃。刀架沿前傾直線運動的剪板機上刀片可以具有兩個刃或者四個刃。刀架沿弧線運動的剪板機上刀片只宜有兩個刃，而且必須將上刀片用螺釘或者墊片調(diào)整為一個空間曲面，因此上刀片的長度盡可能增大以減少接縫數(shù)。如果接縫處調(diào)整不當將導致刀具磨損的加劇和被剪板邊偏差的增大。
刀片頂面應稍低于工作臺面，偏差為-0.20毫米。
國產(chǎn)剪板機刀片材料常用6CrW2Si，（熱處理后硬度為RC58-60)。T7A,9CrSi，Cr12P1，Cr12Mo和Cr6VP也可作刀片的材料。國外實驗用硬質(zhì)合金B(yǎng)K15或BK20鑲在剪刀片上來提高兩次刃磨的間隔時間。
刀片的尺寸參閱下表3-2
表3-2 刀片尺寸
被剪板厚h（毫米）
刀片尺寸T*H（毫米）
螺孔直徑d（毫米）
1～2.5
20*60
13
4～16
25*80
17
20～25
32*120
22
32～40
45*150
33
刀片刃部應經(jīng)常保持清潔，并應涂上含有二硫化鉬或石墨的潤滑脂。
3 機械結(jié)構部分設計
3.1電機驅(qū)動滾輪軸的設計
3.1.1 驅(qū)動滾輪的確定
已知木片外徑為6-15mm,初步確定電機驅(qū)動滾輪的直徑為100mm，厚度為22mm。
3.1.2 電動機的選擇
在木片生產(chǎn)過程中的剪切設備，主要用于定長剪切，是對運動的木片實施剪切的設備。剪切時，電動機處于停止狀態(tài)，而不剪切時，電動機快速啟動。由于剪切的特殊工藝要求，使電動機經(jīng)常處于啟動和制動狀態(tài)。同時在生產(chǎn)過程中，為了滿足生產(chǎn)要求，電機在調(diào)速方面有較高要求，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。直流電動機有較好的控制特性，直流電動機在結(jié)構、價格、維護方面都不如交流電動機，交流電動機結(jié)構簡單，價格便宜，維護工作量小，但是由于交流電動機的調(diào)速控制問題一直未得到很好的解決方案，而直流電動機具有調(diào)速性能好、起動容易、能夠載重起動等優(yōu)點，所以目前直流電動機的應用仍然很廣泛，尤其在可控硅直流電源出現(xiàn)以后。因此，我們選用直流電動機。
電動機的轉(zhuǎn)速：
電動機的轉(zhuǎn)速可選用大于100r/min
查資料我們選擇中大電機，帶齒軸電機
電機型號 出力 電壓 頻率 極數(shù)
（W） （V） （HZ） （P）
61K120RGU-CF 120 1ph220 50 4
額定時間 調(diào)速范圍
（Duty） （r/min）
連續(xù)CONT 90-1350
-齒輪箱允許力矩 齒輪箱型式：4GNK
頻率 減速比 3 3.6 5 6 7.5 9
輸出軸轉(zhuǎn)速 r/min 500 417 300 250 200 166
50HZ
允許力矩 N.m 2.06 2.48 3.44 4.13 5.16 6.19
在此我們選用減速比為9 ，輸出軸轉(zhuǎn)速為166 r/min
3.1.3 軸的計算
3.1.3.1初步確定軸的最小直徑
d （3.2）
軸的材料選用45， 查表得 Ao=126~103
代入式3.2得：
d 126
=15
取
輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的軸的直徑，故須同時選取聯(lián)軸器的型號。查標準或手冊，此處的聯(lián)結(jié)采用凸緣聯(lián)軸器，把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器用鍵分別與兩軸聯(lián)結(jié)，其額定轉(zhuǎn)矩為,半聯(lián)軸器的孔徑
軸孔長度
螺栓
處于電機上另一半聯(lián)軸器的孔徑
查表得：
螺栓
3.1.3.2 軸的結(jié)構設計
（1）擬訂軸上零件的裝配方案
現(xiàn)選用圖1.1所示的裝配方案
圖3.1 電機安裝軸裝配圖
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
1、為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，軸段左端需制出一軸肩，故
取段的直徑，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故段的長度應比略短一些，現(xiàn)取
圖3.2 滾動軸承安裝圖
2、初步選擇滾動軸承。因為軸承主要受徑向力的作用，故選用深溝球軸承，參照工作要求并根據(jù)；而。此處滾動軸承采用軸向定位，見圖1.2 ：D=52mm, B=15mm 。
由手冊上查得6205型軸承的定位軸肩高度，因此取。
3、取安裝驅(qū)動滾輪處的軸段；驅(qū)動滾輪的右端與右軸承之間采用軸肩定位，軸肩高度h=(0.07~0.1)d ，則軸環(huán)處的軸徑 ，。軸環(huán)寬度b1.4h,取。驅(qū)動滾輪的左端與軸承之間采用套筒定位，已知驅(qū)動滾輪的寬度為22mm，為了使套筒端面可靠的壓緊齒輪，此軸承段應略短于滾輪寬度，故取。
4、取驅(qū)動滾輪距箱體內(nèi)壁距離a=20mm，已知滾動軸承的寬度及箱體的厚度，可以確定出。
至此，已初步確定出軸的各段直徑和長度。
（3）軸上零件的周向定位
驅(qū)動滾輪和半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。
圖3.3 鍵槽設計圖
按圖由手冊查得平鍵截面,t=4.0mm(GB/T1095-1979),
見圖1.3所示，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長度L=25mm（標準鍵長見GB/T1096-1979），同時為了保證驅(qū)動滾輪與軸的配合有良好的對中性，故選擇驅(qū)動滾輪與軸的配合為H7/n6；同樣，半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵為,t=3.0mm半聯(lián)軸器與軸的配合為H7/k6。滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
（4）確定軸上圓角和倒角尺寸
參考機械設計表15-2，取軸端倒角為，各軸肩處的圓角半徑見軸裝配圖。
3.2 編碼器安裝軸的設計
為實現(xiàn)木片的計數(shù)功能，在此軸上裝有單片機控制的編碼器。編碼器與調(diào)
整滾輪軸相連，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，便發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，數(shù)字控制系統(tǒng)通過計數(shù)器脈沖的頻率和周期進行測量，便可計算出木片的長度值。此軸在豎直方向上與電機驅(qū)動滾輪軸相比有一定的高度，目的是為了增大木片的包角，使木片不發(fā)生滑動現(xiàn)象。
木片外徑為6-15mm,初步確定調(diào)整滾輪的直徑為100mm，厚度為22mm。
由已知條件得知木片長度控制精度： 。查資料選擇HLE系列增量型編碼器（空心軸）軸徑為，脈沖數(shù)30P/R~5400P/R。
3.2.1 軸的計算
3.2.1.1 初步確定軸的最小直徑
由編碼器的軸徑確定I軸的最小直徑為。
3.2.1.2 軸的結(jié)構設計
（一）擬訂軸上零件的裝配方案
現(xiàn)選用圖3.4所示的裝配方案
（二）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
（1）、為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，軸段左端需制出一軸肩，故取段的直徑，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度。
（2）、初步選擇滾動軸承。因為軸承主要受徑向力的作用，故選用深溝球軸承，參照工作要求并根據(jù)；而。此處滾動軸承采用軸向定位，由手冊上查得6204型軸承的定位軸肩高度，因此取。
（3）取安裝調(diào)整滾輪處的軸段；調(diào)整滾輪的左端與左軸承之間采
用軸肩定位，軸肩高度h=(0.07~0.1)d ，則軸環(huán)處的軸徑
圖3.4 編碼器安裝軸裝配圖
。軸環(huán)寬度b1.4h,取。
驅(qū)動滾輪的右端與右軸承之間采用套筒定位，已知調(diào)整滾輪的寬度為22mm，為了使套筒端面可靠的壓緊齒輪，此軸承段應略短于滾輪寬度，故取、（4）取調(diào)整滾輪距箱體內(nèi)壁距離a=20mm，已知滾動軸承的寬度及箱體的厚度，可以確定出。
至此，已初步確定出軸的各段直徑和長度。
（五）軸上零件的周向定位
調(diào)整滾輪和半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按由手冊查得平鍵截面,t=4.0mm(GB/T1095-1979),鍵槽用鍵槽銑刀加工，長度L=15mm（標準鍵長見GB/T1096-1979），同時為了保證調(diào)整滾輪與軸的配合有良好的對中性，故選擇驅(qū)動滾輪與軸的配合為H7/n6；
同樣，半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵為，t=3.0mm鍵槽用鍵槽銑刀加工，長度L=13mm半聯(lián)軸器與軸的配合為H7/k6。
滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
（六）確定軸上圓角和倒角尺寸
參考機械設計表15-2，取軸端倒角為，各軸肩處的圓角半徑見軸裝配圖。
3.3 剪切裝置的設計
氣動技術是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進行能量與信號傳遞的技術。氣壓傳動具有防火、防暴、節(jié)能、高效、無污染等優(yōu)點。具有
1）工作介質(zhì)是空氣，它來源方便，取之不盡，用之不竭，使用后直接排入大氣而無污染，不需要設置專門的回收裝置。
2）空氣的粘度很小，所以流動時壓力損失較小，節(jié)能高效，適用于集中供
氣和遠距離輸送。
3）動作迅速，反應快，調(diào)節(jié)方便，維護簡單，系統(tǒng)有故障時，容易排除。
4）工作環(huán)境適應性好。
5）成本低，具有過載保護功能。
所以，我們選用氣缸作為執(zhí)行原件。
3.3.1 氣缸的選擇
3.3.1.1 類型的選擇：
選擇氣缸的類型應根據(jù)工作要求和條件。
1）要求氣缸到達行程終端無沖擊現(xiàn)象和撞擊噪聲應選擇緩沖氣缸；
2）要求重量輕，應選輕型缸；要求安裝空間窄且行程短，可選薄型缸；有橫向負載，可選帶導桿氣缸；
3）要求制動精度高，應選鎖緊氣缸；不允許活塞桿旋轉(zhuǎn)，可選具有桿不回轉(zhuǎn)功能氣缸；高溫環(huán)境下需選用耐熱缸；在有腐蝕環(huán)境下，需選用耐腐蝕氣缸。在有灰塵等惡劣環(huán)境下，需要活塞桿伸出端安裝防塵罩。
4）要求無污染時需要選用無給油或無油潤滑氣缸等。
而在執(zhí)行剪切動作時，主要是通過沖擊力來實現(xiàn)切刀對木片的切斷，因此，選用沖擊類氣缸。
沖擊氣缸是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化為活塞高速運動能量的一種氣缸，活塞的最大速度可達每秒十幾米，能完成下料、沖孔、打印、彎曲成形、鉚接、破碎、模鍛等多種作業(yè)。具有結(jié)構簡單、體積小、加工容易、成本低、使用可靠、沖裁質(zhì)量好等優(yōu)點?！?
3.3.1.1 型號的選擇：
即缸徑的選擇。根據(jù)負載力的大小來確定氣缸輸出的推力和拉力。一般按外載荷理論平衡條件所需氣缸作用力，根據(jù)不同速度選擇不同的負載率，使氣缸輸出力稍有余量。缸徑過小，輸出力不夠，但缸徑過大，使設備笨重，成本提高，又增加耗氣量，浪費能源。在夾具設計時，應盡量采用擴力機構，以減小氣缸的外形尺寸。
1）、氣缸作用力的大?。?
根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力。由此來選擇氣缸時應
使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過大，不僅使設備笨重、成本高，同時耗氣量增大，造成能源浪費。在夾具設計時，應盡量采用增力機構，以減少氣缸的尺寸。
預選氣缸直徑
(3.3)
F：為剪切面面積
：為抗剪切強度
由已知條件得：木片外徑：6-15mm；內(nèi)徑銅材線；
查表得：銅抗剪切強度
由式3.3得
=900N
1、確定氣缸的軸向負載力F=1000N
2、查表得氣缸的負載率
3、確定氣缸的使用壓力P
但作用氣缸一般在0.15~0.25MPa
取P=0.2 MPa
預設桿徑和缸徑之比為d/D=0.5
(3.4)
(3.5)
解得: D=115mm
查資料我們選取濟南華能氣動元器件公司生產(chǎn)的QGCH系列沖擊氣缸，該系列氣缸是一種結(jié)構簡單，耗氣量少，能產(chǎn)生相當大沖擊力的一種特殊氣缸。
選用參數(shù)如下：
缸徑（mm） 100
沖程（mm） 200
沖擊系數(shù)（K） 0.51
沖擊功（J） 143
沖擊頻率（次/分） 40
最高使用壓力（MPa） 1
環(huán)境溫度（） 5~80
3.3.2 連接套的設計
連接套用于連接氣缸與刀具，這就對氣缸和刀具這兩部分的同心度有一定的要求。同時對精度也有較高的要求。具體精度要求見零件圖。
3.4 床身支承的設計
3.4.1 支承的結(jié)構特點及主要技術指標：
床身與支承件起著連接和支承各種零部件相互位置的作用。
特點：
（1）在剪切過程中承受沖擊荷載較大。
（2）結(jié)構較復雜，有許多加工面和孔。
根據(jù)以上特點，設計時要特別注意，抗震性以及結(jié)構工藝性等問題。
（1）抗震性：指其抵抗受迫震動的能力。提高抗震性的方法：
提高靜剛度，合理設計構件截面形狀和尺寸，以提高剛度，提高固有頻率避免產(chǎn)生共振。
（2）減輕重量，在不降低構件剛度的前提下減輕重量，適當減薄壁厚，采用鋼材焊接結(jié)構等。
3.4.2 床身的結(jié)構設計
結(jié)構形狀對剛性，抗震性，穩(wěn)定性起決定性作用，根據(jù)不同要求，結(jié)構
設計可采取經(jīng)驗，類比，試驗和計算方法進行。良好的結(jié)構工藝性，在保證剛度要求前提下，應盡量使鑄造及機械加工量最小，金屬消費率最低。合理設計壁厚，根據(jù)受力大小決定壁厚，壁厚過分薄易引起澆鑄不足和冷隔；過厚易產(chǎn)生縮孔且浪費材料。各處壁厚力求均勻，充分考慮鑄造，機械加工和裝配的工藝性
表3.1床身壁厚選擇
重量/N
外形最大尺寸/mm
壁厚/mm
〈 50
300
7
60~100
500
8
110~600
750
10
610~1000
1250
12
1010~5000
1700
14
5010~8000
2500
16
8010~12000
3000
18
〉12000
〉3000
20~30
床身的外形尺寸初設為500×500×500，由表3.1知立壁厚選擇20mm，底板厚度15mm。
3.4.3 床身支承的材料選擇
通常要求材料具有較高的強度，剛度和耐磨性以及良好的鑄造和焊接工藝性，并且成本低，例如鑄鐵，鋼板和花崗巖等。
1.鑄鐵
鑄鐵熔點低，鑄造性能好，易鑄成各種復雜形狀的零件。吸振性和耐磨性較好，成本比較低，是一種應用極為廣泛的材料；缺點是制造周期長，需要木模和砂芯，工藝復雜。
常用鑄鐵：
（a） HT20~40(一級鑄鐵)抗彎，抗壓應力比較大，可以做機身導軌，流動性能差，不適于結(jié)構復雜的支承件。
（b） HT15~32(二級鑄鐵)鑄造性能好，但機械性能較差，適用于形狀復雜而受 載不大的支承件。
（c） 合金鑄鐵
2.鋼板
鋼板焊接成的構件，彈性模量E比鑄鐵大。
（一）床身材料
選擇HT250，強度，耐磨性，耐熱性，減振性等性能良好，適用于承受較大應力，耐磨零件。
3.4.4安裝板的設計
結(jié)構原理圖3.5所示： 安裝板上的兩個通孔用于安裝編碼器軸及電機驅(qū)動軸； 兩軸孔也要精加工，表面粗糙度值3.2,平面度要高。兩軸的高度應有一定的差值，且編碼器安裝軸需高于電動機驅(qū)動軸，目的是增大木片的包角，防止木片發(fā)生滑動現(xiàn)象，造成計數(shù)上得誤差。
圖3.5 編碼器安裝板
3.5安裝支架的設計
在電機驅(qū)動軸上要安裝直流電動機，在所選擇的直流電機還配戴有調(diào)速器
置所以，在選擇安裝支架時，必須要保證安裝支架與軸的同心，以確保安裝尺寸的精確度。圖3.6為調(diào)速器的安裝支架。圖3.7為直流電動機的安裝支架
圖3.6 調(diào)速器的安裝支架
圖3.7 直流電動機的安裝支架
3.6輔助裝置的設計
由于木片質(zhì)量較輕，在剪切瞬間很容易發(fā)生滑動，不但會造成木片的位置不準確，還會造成木片的堆積，從而造成測量上的失誤。所以，在剪切刀具左端加一套筒，防止以上事情的發(fā)生。
調(diào)整滾輪的設計采用的是調(diào)整螺母調(diào)整彈簧的松緊度。
4 電器控制部分設計
4.1硬件電路設計
4.1.1 中央控制器：80C51系列單片機
80C51單片機系列源于Intel公司的MCS-51系列，結(jié)構體系如圖4.1所示。它有專門CPU系統(tǒng)、CPU外圍功能單元和歸一化的I/O端口。
圖4.1 80C51系列單片機基本結(jié)構圖
RST-高電平復位端 ALE-復用數(shù)據(jù)總線（P0）復用管理
外部與內(nèi)部程序存儲器的選擇 外部程序存儲器的讀取控制
80C51單片機的CPU外圍電路有片內(nèi)程序存儲器ROM（4K）、數(shù)據(jù)存儲器（128B）、I/O端口和特殊功能寄存器SFR。
80C51有4個8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。P0口為數(shù)據(jù)總線端口；P2、P0口組成了并行擴展總線的16位地址線，其中P0口為低8位地址總線，P2口為高8位地址總線；P1口為用戶I/O口；P3口是用于基本功能單元的輸入/輸出端口以及并行擴展單元的讀寫控制。80C51的I/O端口具有復用功能，在不用作并行擴展總線時P0口、P2口可作普通用戶I/O口使用；P3口不做基本功能單元的輸入/輸出時，也可作用戶I/O口使用。
80C51的串行接口是一個帶有移位寄存器工作方式的通用異步收發(fā)器UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）。因此80C51的串行接口UART不僅可作串行通信，還可以用于移位寄存器方式的串行外圍擴展。串行通信接口的外部引腳為P3.0（RXD）、P3.1（TXD）。
4.1.2 單片機的系統(tǒng)擴展
一、片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展
8031 單片機片內(nèi)無ROM，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器也僅有128字節(jié)，需要擴展外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。128字節(jié)的片內(nèi)RAM在本課題中也是不夠用的，因此，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都需要擴展。
1、 存儲器擴展概述
（1）MCS-51單片機的擴展能力
MCS-51單片機的地址總線寬度為16位，在片外可擴展的存儲器最大容量為64KB，地址空間為0000H-0FFFFH。
由于MCS-51單片機對片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的操作使用不同的指令和控制信號，允許兩者的地址重疊，所以片外可擴展的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分別是64K。
為了配置外圍設備而需要擴展的I/O接口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一紡址，即占據(jù)相同的地址空間。因此，片外數(shù)據(jù)存儲器連同I/O接口一起的擴展容量是64KB。
（2）存儲器擴展的一般方法
存儲器芯片種類繁多，即使同一種類的存儲器芯片，容量不同，其引其引腳數(shù)目也不同。盡管如此，存儲器芯片與單片機擴展連接有共同的規(guī)律。不論何種存儲器芯片，其引腳都呈三總線結(jié)構，與單片機連接都是三總線對接。
存儲器芯片的控制線：存儲器芯片的控制線應與單片機的相應控制線相連接。對于程序存儲器，其讀選通信號（）應與單片機的連接；對于數(shù)據(jù)存儲器，存儲器的讀選取能信號（）應與單片機的連接，存儲器的寫允許信號（）與單片機的寫信號相連接。
存儲器的數(shù)據(jù)線：存儲器芯片數(shù)據(jù)線的數(shù)目由芯片的字長定。1位字長的芯片數(shù)據(jù)線有1條，8位字長的芯片數(shù)據(jù)線有8條；存儲器芯片的數(shù)據(jù)經(jīng)與單片機的數(shù)據(jù)線（P0.7-P0.7）按由低位到高位的順序連接。
存儲器的地址線： 存儲器芯片地址線的數(shù)目由芯片的容量決定。存儲器芯片的地十線與單片機的地址總線按由低位到高位的順序連接。通常，存儲器芯片的地址線數(shù)目總是少于單片機地址線的數(shù)目，如引相接后，單片機的高位地址線總有剩余。剩余地址線一般作為譯碼線，譯碼輸出與存儲器芯片的片選信號線相接。單片機對存儲器芯片訪問時，片選信號必須有效，即選中存儲器芯片。片選信號線與單片機系統(tǒng)的譯碼輸出相接后，就決定了存儲器芯片的地址范圍。
常用的譯碼方式有兩種：線譯碼方式和譯碼器方式。
⑴ 線譯碼： 所謂線譯碼就是低位地址線參加片內(nèi)譯碼，剩余的高位地址線直接作為存儲器芯片的片選，即一根線選中。當有N條高位地址線不參加譯碼時，則有個不同的地址空間。這些地址空間中真正能存儲信息的只有一個，其余的公是占有，因而會造成地址空間的浪費，這是線譯方式的缺點，但采用線譯碼方式的優(yōu)點是譯碼電路簡單。
② 譯碼器譯碼：所謂譯碼器譯碼就是低位地址線參加片內(nèi)譯碼，剩余高位地址線通過譯碼器片進行譯碼形成存儲器芯片的片選。這種譯碼方法產(chǎn)生的存儲器芯片的地址空間是惟一確定的，不存在多塊與重疊問題。常用的譯碼器芯片有74LS138、74LS139等。
80C51芯片內(nèi)部有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM，內(nèi)部地址為07H-07FH，用作工作寄存器、堆棧、軟件標志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU對內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器有著豐富的操作指令。但是在數(shù)控系統(tǒng)中單用片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器往往是不夠的，因此在本設計中外接6264芯片來擴展80C51的數(shù)據(jù)存儲器。由于80C51內(nèi)部只有4K程序存儲器，所以在實際應用中常外接一片2764芯片來擴展程序存儲器。
16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器74LS464提供低8位地址A0-A7，高8位A8-A12由P2口輸出。8位數(shù)據(jù)總線有P0口提供。這樣8位數(shù)據(jù)線和地址總線的低8位復用P0口，它們通過不同的使能端分別控制。
ALE為地址鎖存允許，當送低8位地址時使用ALE，接74LS373的OE端，高電平有效，當不傳送數(shù)據(jù)時ALE無效。
低電平有效，偏外取指令控制。當其有效時選通外部EPROM存儲器，向應的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線（Q0-Q7）上，同是輸入到P0口，CPU將讀取向應的指令到指令寄存器
XTAL1為芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端，XTAL2為振蕩電路輸出端，系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘電路。在XTAL1、XTAL2引腳上接上晶振電路，使80C51內(nèi)部產(chǎn)生自激振蕩。晶振電路一般采用石英晶體和電容組成并聯(lián)諧振電路。晶振頻率可以在1.2-12MHZ之間選擇。本設計選取晶振頻率為6MHZ，電容在5-30PF之間選擇。電容CO1、CO2的大小對晶振頻率有微小影響，因此可以起到頻率微調(diào)作用。
RST為復位控制，高電平有效。當RST端輸入高電平時，80C51初始化復位，只要輸入端保持高電平則循環(huán)復位,在復位有效期間ALE、也輸出高電平。當RST輸入返回低電平后，CPU從0地址開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電復位和手動復位相結(jié)合的復位方式，以便在出現(xiàn)緊急情況時能使空置系統(tǒng)迅速復位，不至于造成事故，具體復位電路間控制電路原理圖。
程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片簡介。2764是一種只用5V電源，65536位紫外線擦除，用非5V電源編程的只讀存儲器（EPROM）。引腳功能如下：A0-A12位地址端；為片選端；為輸出允許；O0-O7為輸出端；為編程端；NC沒有內(nèi)部連接；VPP為編程電源；VCC為電源；GND為地。用它可以擴展8K片外程序存儲空間。6264位8K數(shù)據(jù)存儲器，集成度很高。它的引腳功能如下：A0-A12為13位地址線，輸入地址與內(nèi)部8KB存儲單元相對應；O0-O7為8位數(shù)據(jù)線；為片選信號線，低電平有效；為讀信號線，低電平有效；為寫信號線，也是低電平有效。
各芯片的地址分配。由于80C51所支持的存儲器系統(tǒng)其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址，因此地址分配比較自由，不必考慮是否發(fā)生沖突。由于80C51復位后從0000H單元開始執(zhí)行程序，故程序存儲器的地址從0000H單元開始。各芯片的地址分配如下：
2764芯片地址：0000H-8000H
6264芯片地址：C000H-DFFFH
2、程序存儲器的擴展
MCS-51單片機的外部程序存儲器通常采用紫外線擦除電可編程只讀存儲器EPROM。其典型產(chǎn)品有2764，27128，27256，27512等。
其中2764A是一種8K×8位的紫外線擦觸電可編程只讀存儲器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35 mA讀出時間最大為250ns。
2764A的五種工作方式如表4.1所示：
表4.1 2764A的五種工作方式
(20)
c (22)
(27)
(1)
(28)
輸出
讀出
L
L
H
5
5
DOUT
維持
H
任意
任意
5
5
高阻
編程
L
H
L
12.5
5
DIN
編程檢驗
L
L
H
12.5
5
DOUT
編程禁止
VIH
任意
任意
12.5
5
高阻
2764有13根地址線A12—A0，能區(qū)分階段3位二進制地址信息；共有8192種狀態(tài)，即可選取擇8192個片內(nèi)存儲器中任意一個字節(jié)單元。這13根地址線的低8位接8031的低八位地址線A7—A0，高5位與8031的P2.4—P2.0連接，當8031發(fā)送13位地址信息時，可分別選中2764片內(nèi)8KB存儲中任何一個單元。
2764的c端由8031的引腳信號控制。當信號由高電平變成低電平時，允許2764輸出，所反映定的2764存儲單元的內(nèi)容送到P0口，在的上升沿將數(shù)據(jù)送入單片機的CPU內(nèi)。2764的引腳為片選信號輸入端，低電平有效。
2764與單片機的連接原理圖如圖4.2所示.
圖4.2 2764和8031單片機的連接原理圖
3、 數(shù)據(jù)存儲器的擴展
MCS-51系列的單片機片內(nèi)RAM僅128字節(jié)，當系統(tǒng)需要大容量RAM時，就需要片外擴展數(shù)據(jù)存儲器RAM，最大可擴展64KB。擴展數(shù)據(jù)存儲器地址空
圖4.3 6264與單片機的連接原理圖
間同擴展程序存儲器一樣，由P2口提供高8位地址，P0口分時提供低沉位地址和用做8位雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲器RAM的讀和寫由8031的（P3.7）和（P3.6）信號控制，而片外程序存儲器的輸出允許端（）由讀選通信號控制。盡管RAM與ROM共處于同一地址空間，但由于控制信號及使用的數(shù)據(jù)傳送指令不同，所以不會發(fā)生總線沖突。
目前常用的RAM芯片有6116（2K×8），6264（8K×8），
62256（32K×8）等。
6264與單片機的連接原理圖如圖5.5所示。6264的片選信號由P2.5提供。
4、外部儲存器的擴展
由于8031片內(nèi)沒有EPROM，故8031單片機需要擴展EPROM，本機采用外擴1片EPROM 2764。同樣由于8031單片機內(nèi)部RAM為128B,因其容量不能滿足設計要求，故本機擴展8KB靜態(tài)RAM 6264 一片，本設計采用線選法擴展 1片8KB的RAM 和 1片8KB 的EPROM,RAM芯片選用6264，EPROM選用2764，共擴展2片儲存器芯片，擴展接口電路見圖5.13：
圖4.4 EPROM和RAM的擴展
地址線P2.5直接接到2764和6264的片選，每次同時選中2個芯片，具體哪個芯片工作還要通過、、控制信號控制。當片外程序儲存區(qū)讀選通信號為低電平，肯定到EPROM讀程序；當選通信號或為低電平則到RAM中讀數(shù)據(jù)或向RAM寫入數(shù)據(jù)。、、3個信號是在執(zhí)行指令時產(chǎn)生的，任意時刻，只能執(zhí)行1條指令，所以只能1個信號有效，不可能同時有效。
5、各存儲器的地址分配
（1）存儲器及擴展I/O口地址分配
在本文中，單片機的P2口沒有懸空的。其中程序存儲器2764的片選信號線接成低電平，一直處于選通的狀態(tài)；數(shù)據(jù)存儲器6264的片選信號線接單片機的P2.5;8255A的片選信號線接P2.6；8255A的片選信號線接P2.7。
（2）程序存儲器的地址
本文中用了容量為8K的程序存儲器2764，地址線共有13條。低8位接單片機的P0口，高5位接P2.0-P2.4。片選線接地。地址范圍為E0000H-FFFFH，共8K。
（3）數(shù)據(jù)存儲器的地址
數(shù)據(jù)存儲器6264的容量為8K，地址線共有13條。低8位接單片機的P0口，高5位接P2.0-P2.4，片選線接P2.5。因此，地址定為C000H-DFFFH，共8K。
（4）8255A的地址分配
8255A的AO和A1分別接地址鎖存器74LS373的Q0和Q1，片選線接單片機的P2.6。其PA口的地址定為AFFFCH；PB口的地址為AFFDH；PC口的地址為AFFEH；控制寄存器的地址為AFFFH。
二、輸入輸出接口的擴展
MCS-51單片機共有4個并I/O接口，但這些接口并不能都提供給用戶使用，因此在單片機系統(tǒng)設計中經(jīng)常要進行I/O接口的擴展。
（1）8255A并行可編程I/O擴展
8255A是一個具有40個管腳的雙列直插式集成電路芯片。按功能可把8255A分為三個邏輯電路部分，即口電路、總線接口電路和控制邏輯電路。
⑴ 口電路 8255A共有三個8位口，其中A口和B口是單純的數(shù)據(jù)口，供數(shù)據(jù)I/O使用。而C口既可以作數(shù)據(jù)口，又可以作控制口使用，用于實現(xiàn)A口和B口的控制功能。
數(shù)據(jù)傳送中A口所需的控制信號由C口高位部分（PC7—PC3）提供，因此，把A口和C口高位部分合在一起稱之為A組；同樣理由把B口和C口低位部分（PC3—PC0）合在一起稱之為B組。
（） 總線接口電路 用于實現(xiàn)8255A和單片機的信號連接。其中包括：
圖4.6 8255A與單片機的連接原理圖
①數(shù)據(jù)總線緩沖器 為8位雙向三態(tài)緩沖器，可直接和80C51的數(shù)據(jù)線相連，與I/O操作有關的數(shù)據(jù)、控制字和狀態(tài)信息都是通過該緩沖器進行傳送。
②讀寫控制邏輯
·： 片選信號線。
·： 讀信號線。
·： 寫信號線。
· A0、A1 端口選擇信號
· RESET： 復位信號線。
③ 控制邏輯電路 包括A組控制和B組控制，合在一起構成8位控制寄存器。用于存放各口的工作方式控制字。
8255A與單片機的連接原理圖如圖4.6所示：
4.1.３ 單片機接口技術
一、 按鍵及顯示器接口擴展
鍵盤有兩種類型：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。
編碼鍵盤必須具有必要的硬件，按下鍵后便產(chǎn)生對應的代碼，在按下新鍵之前，一直保持該碼。鍵的數(shù)目增多時，硬件變得復雜，單片微機應用系統(tǒng)中用得較多是非編碼鍵盤。
非編碼鍵盤只有兩個動作狀態(tài)：閉合或斷開，由1或0來表示。單片機常用機械觸點按鍵組成非編碼矩陣式鍵盤。
顯示是將各種信息轉(zhuǎn)化為視覺信息再傳達給他人的過程。這種轉(zhuǎn)化、傳達的技術稱為顯示技術。
（１） 鍵盤接口擴展技術
1. 鍵盤輸入的特點
鍵盤實質(zhì)上是一組開關的集合，通常，按鍵所用開關為機械彈性開關，均利用了機械觸點的合、斷作用。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5-10毫秒。
按鍵的穩(wěn)定閉合期的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為十分之幾秒到幾秒的時間。
2. 按鍵的確認
按鍵的閉合與否反應在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，如果高電平表示斷開的話，那么低電平則表示閉合。所以通過電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵按下與否。為了確保單片機對一次按鍵動作，只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。
3. 消除按鍵抖動的措施
對按鍵的抖動，通常有硬件、軟件兩種消除方法。
硬件消抖可以用雙穩(wěn)態(tài)消抖電路和濾波消抖電路來實現(xiàn)。如果按鍵較多，硬件消抖將無法勝任，因此常采用軟件消抖方法。在第二次檢測到按下時，執(zhí)行一段延時10毫秒的子程序后，再確認該按鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果為閉合狀態(tài)電平，則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。本設計中采用軟件消抖。
4. 矩陣式鍵盤接口設計
本設計中采用矩陣連接式非編碼鍵盤，對按鍵的識別有軟件完成，采用定時掃描法。