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摘 要
本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)簡(jiǎn)易剪板機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)木片的定長(zhǎng)進(jìn)行剪切，剪斷時(shí)間小于10s，重點(diǎn)就機(jī)架、刀架等重要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外剪板機(jī)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，同時(shí)經(jīng)濟(jì)、合理的剪板機(jī)，具體設(shè)計(jì)思路上：利用自動(dòng)控制系統(tǒng)控制刀架，大大減少了剪切的時(shí)間并且提高了剪切精度。采用人工送料以降低成本。近年來(lái)，隨著模具技術(shù)和沖壓技術(shù)的發(fā)展，剪板機(jī)的應(yīng)用范圍在不斷地?cái)U(kuò)大，數(shù)量在不斷地增加。預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，剪板機(jī)在沖壓用剪板機(jī)中的比例將會(huì)愈來(lái)愈大。
關(guān)鍵詞 機(jī)架; 刀架; 自動(dòng)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(jī)分類及應(yīng)用 ............................................ 5
1.3 設(shè)計(jì)的意義和設(shè)計(jì)步驟 ........................................ 7
2 剪板機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì) ................................................. 8
2.1 機(jī)架 ........................................................ 8
2.2 刀架 ........................................................ 8
2.3 刀具 ........................................................ 9
3 機(jī)械機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì) .............................................. 10
3.1 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾輪軸的設(shè)計(jì) ....................................... 11
3.1.1 驅(qū)動(dòng)滾輪的確定.......................................... 11
3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 ........................................... 11
3.1.3 軸的計(jì)算 ............................................... 11
3.2 編碼器安裝軸的設(shè)計(jì).......................................... 12
3.2.1 軸的計(jì)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(gòu)設(shè)計(jì)........................................ 17
3.3 剪切裝置的設(shè)計(jì).............................................. 17
3.3.1 氣缸的選擇 ............................................. 18
3.3.2 連接套的設(shè)計(jì) ........................................... 18
3.4 床身支撐的設(shè)計(jì) ............................................. 19
3.5 安裝支架的設(shè)計(jì) ............................................. 20
3.6 輔助裝置的設(shè)計(jì) ............................................. 21
4 電器控制部分的設(shè)計(jì) ............................................ 23
4.1 硬件電路設(shè)計(jì) ............................................... 24
4.4.1 中央控制器：80C51系列單片機(jī) ............................ 26
4.4.2 單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)張 ....................................... 28
4.4.3 單片機(jī)接口設(shè)計(jì) ......................................... 36
5 結(jié)論 .......................................................... 37
6 致謝........................................................... 38
7 參考文獻(xiàn) ...................................................... 39
8 附錄 .......................................................... 41
1緒論
1.1概論
隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，剪板機(jī)床的發(fā)展越來(lái)越成為機(jī)械制造行業(yè)的中流砥柱，通用型高性能剪板機(jī)，廣泛適用于航空、汽車、農(nóng)機(jī)、電機(jī)、電器、儀器儀表、醫(yī)療器械、家電、五金等行業(yè)。
鍛壓機(jī)械是指在鍛壓加工中用于成形和分離的機(jī)械設(shè)備，1842年，英國(guó)工程師史密斯創(chuàng)制第一臺(tái)蒸汽錘，開始了蒸汽動(dòng)力鍛壓機(jī)械的時(shí)代。1795年，英國(guó)的布拉默發(fā)明水壓機(jī)，但直到19世紀(jì)中葉，由于大鍛件的需要才應(yīng)用于鍛造。隨著電動(dòng)機(jī)的發(fā)明，十九世紀(jì)末出現(xiàn)了以電為動(dòng)力的機(jī)械剪板機(jī)和空氣錘，并獲得迅速發(fā)展。二十世紀(jì)初，鍛壓機(jī)械改變了從19世紀(jì)開始的向重型和大型方向發(fā)展的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)而向高速、高效、自動(dòng)、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(jī)。所謂剪板機(jī)一般是指每分鐘的行程次數(shù)為普通剪板機(jī)的5—10倍的剪板機(jī)。剪板機(jī)是帶有自動(dòng)送料裝置，可完成板料高效率、精密加工的機(jī)械剪板機(jī)，具有自動(dòng)、高速、精密三個(gè)基本要素。
近十多年來(lái)，隨著對(duì)發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的重要性獲得前所未有的共識(shí)，沖壓成形技術(shù)無(wú)論在深度和廣度上都取得了前所未有的進(jìn)展，其特征是與高新技術(shù)結(jié)合，在方法和體系上開始發(fā)生很大變化。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)等沖壓領(lǐng)域的滲透與交叉融合，推動(dòng)了先進(jìn)沖壓成形技術(shù)的形成和發(fā)展。
冷沖壓生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，為了滿足大量生產(chǎn)的需要，沖壓設(shè)備已由單工位低速剪板機(jī)發(fā) 展到多工位剪板機(jī)。一般中小型冷沖件，既可在多工位剪板機(jī)上生產(chǎn)，也可以在剪板機(jī)上采用多工位級(jí)進(jìn)模加工，是冷沖壓生產(chǎn)達(dá)到高度自動(dòng)化。
在汽車、航空航天、電子和家用電器領(lǐng)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)模化、車型個(gè)性化和覆蓋件大型一體化。進(jìn)入21 世紀(jì)，我國(guó)汽車制造業(yè)飛速發(fā)展，面對(duì)這一形勢(shì)，我國(guó)的板材加工工藝及相應(yīng)的沖壓設(shè)備都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
1.2剪板機(jī)分類及應(yīng)用
剪板機(jī)屬于直線剪切機(jī)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(jī)、船舶、拖拉機(jī)、橋梁、電器、儀表、鍋爐、壓力容器等各個(gè)工業(yè)部門中有廣泛應(yīng)用。
剪板機(jī)種類較多，按其工藝用途和結(jié)構(gòu)類型可以分為：
1.平刃剪板機(jī)
剪切質(zhì)量好，扭曲變形小，但剪切力大，耗能大。機(jī)械傳動(dòng)的較多。該剪板機(jī)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(jī)
剪板機(jī)的上下兩刀片成一個(gè)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(jī)剪切力比平刃剪板機(jī)小，故電機(jī)功率及整機(jī)重量等大大減小，實(shí)際應(yīng)用最多，剪板機(jī)廠家多生產(chǎn)此類剪板機(jī)。該類剪板機(jī)按刀架運(yùn)動(dòng)形式分閘式剪板機(jī)和擺式剪板機(jī)；按主傳動(dòng)系統(tǒng)不同分為液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)兩類。
3.多用途剪板機(jī)：
(1)板料折彎剪切機(jī)：即在同一臺(tái)機(jī)械上可完成剪切和折彎兩種工藝。
(2)聯(lián)合沖剪機(jī)：即可完成板材的剪切，又可對(duì)型材進(jìn)行剪切，多用于下料工序。
4.專用剪板機(jī)：
(1)板材開平線剪板機(jī)：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(shè)計(jì)的高速剪板機(jī)，厚板線上多為液壓高速剪板機(jī)，薄板線上多配氣動(dòng)剪板機(jī);高速線上配有飛剪機(jī)，連續(xù)生產(chǎn)，效率高。
(2)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線剪板機(jī)：多用于角鋼、H型鋼自動(dòng)生產(chǎn)線完成剪斷工序。
(3)冷彎成型線剪板機(jī)：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(jī)等。
1.3設(shè)計(jì)的意義和設(shè)計(jì)步驟
畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文是本科生培養(yǎng)方案中的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過畢業(yè)論文，綜合性地運(yùn)用幾年內(nèi)所學(xué)知識(shí)去分析、解決一個(gè)問題，在作畢業(yè)論文的過程中，所學(xué)知識(shí)得到疏理和運(yùn)用，它既是一次檢閱，又是一次鍛煉。通過這次檢驗(yàn)，不但可以提高學(xué)生的綜合訓(xùn)練設(shè)計(jì)能力、科研能力（包括實(shí)際動(dòng)手能力、查閱文獻(xiàn)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(jī)會(huì)，并從下個(gè)方面得到訓(xùn)練：
1.學(xué)會(huì)進(jìn)行方案的比較和可行性的論證；
2.了解設(shè)計(jì)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(shí)際問題的能力。
利用所學(xué)的機(jī)械各方面的知識(shí)，我選擇這個(gè)課題為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，進(jìn)行大膽的嘗試。設(shè)計(jì)中主要以課本和各種參考資料作為依據(jù)，從簡(jiǎn)單入手，循序漸進(jìn)，逐步掌握設(shè)計(jì)的一般方法，把所學(xué)的知識(shí)形成一個(gè)整體，以適應(yīng)以后的工作需要。當(dāng)然，初次設(shè)計(jì)，知識(shí)有限，經(jīng)驗(yàn)不足，一些問題考慮不周，也可能存在有某些錯(cuò)誤和遺漏，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
剪板機(jī)是各類機(jī)械產(chǎn)品的一種，設(shè)計(jì)時(shí)著手于其原理和主要部件的計(jì)算校核，了解剪板機(jī)的工作狀態(tài)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)刀架、機(jī)架等各類零部件，定長(zhǎng)系統(tǒng)的相關(guān)資料，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算。
2 剪板機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)
2.1.機(jī)架
剪板機(jī)的機(jī)架通常由左右立柱、工作臺(tái)、和連接橫梁所組成。這幾個(gè)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(lái)連接）和組合——焊接（即組合后再焊接）。一般來(lái)講，整體焊接的機(jī)架剛性最好，但由于體積龐大，對(duì)焊后進(jìn)行退火和機(jī)械加工帶來(lái)困難。有的工廠將焊后退火的工作臺(tái)和連接梁先進(jìn)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(jī)架足夠的剛度又能減少焊接時(shí)的變形和焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。組合的機(jī)架剛性較差，但易于制造（不需要大型機(jī)床加工）。目前生產(chǎn)的組合機(jī)架往往用榫頭和螺栓來(lái)連接，組合——焊接的機(jī)架比組合機(jī)架的剛度好一些。
2.1.刀架
刀架是剪板機(jī)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(jī)架上導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此應(yīng)該注意刀架的強(qiáng)度和剛度。
目前常見的刀架結(jié)構(gòu)有三種：整體焊接的直線運(yùn)動(dòng)刀架、組合——焊接的直線運(yùn)動(dòng)刀架及整體焊接的擺動(dòng)刀架。
整體焊接的直線運(yùn)動(dòng)刀架如果刀架沿垂線運(yùn)動(dòng)，一般上刀片只有兩個(gè)刃，如果刀架沿前傾線運(yùn)動(dòng)則刀片可作成四個(gè)刃。這種結(jié)構(gòu)可用于上軸式和側(cè)軸式剪板機(jī)。
組合——焊接的直線運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dāng)，兩項(xiàng)彎曲將互相抵消而使剪切精度得到提高。刀架運(yùn)動(dòng)由偏心軸和連桿獲得，一般都沿前傾運(yùn)動(dòng)。被剪板厚10毫米時(shí)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(gòu)的擺動(dòng)刀架多數(shù)用于液壓——機(jī)械傳動(dòng)的剪板機(jī)。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(yīng)考慮抗彎和抗扭
2.3.刀具
剪板機(jī)的下刀片都具有四個(gè)刃。刀架沿前傾直線運(yùn)動(dòng)的剪板機(jī)上刀片可以具有兩個(gè)刃或者四個(gè)刃。刀架沿弧線運(yùn)動(dòng)的剪板機(jī)上刀片只宜有兩個(gè)刃，而且必須將上刀片用螺釘或者墊片調(diào)整為一個(gè)空間曲面，因此上刀片的長(zhǎng)度盡可能增大以減少接縫數(shù)。如果接縫處調(diào)整不當(dāng)將導(dǎo)致刀具磨損的加劇和被剪板邊偏差的增大。
刀片頂面應(yīng)稍低于工作臺(tái)面，偏差為-0.20毫米。
國(guó)產(chǎn)剪板機(jī)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(guó)外實(shí)驗(yàn)用硬質(zhì)合金B(yǎng)K15或BK20鑲在剪刀片上來(lái)提高兩次刃磨的間隔時(shí)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(yīng)經(jīng)常保持清潔，并應(yīng)涂上含有二硫化鉬或石墨的潤(rùn)滑脂。
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)
3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪軸的設(shè)計(jì)
3.1.1 驅(qū)動(dòng)滾輪的確定
已知木片外徑為6-15mm,初步確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪的直徑為100mm，厚度為22mm。
3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
在木片生產(chǎn)過程中的剪切設(shè)備，主要用于定長(zhǎng)剪切，是對(duì)運(yùn)動(dòng)的木片實(shí)施剪切的設(shè)備。剪切時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，而不剪切時(shí)，電動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)。由于剪切的特殊工藝要求，使電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于啟動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)在生產(chǎn)過程中，為了滿足生產(chǎn)要求，電機(jī)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(dòng)機(jī)有較好的控制特性，直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)、價(jià)格、維護(hù)方面都不如交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，維護(hù)工作量小，但是由于交流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好、起動(dòng)容易、能夠載重起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，所以目前直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)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(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可選用大于100r/min
查資料我們選擇中大電機(jī)，帶齒軸電機(jī)
電機(jī)型號(hào) 出力 電壓 頻率 極數(shù)
（W） （V） （HZ） （P）
61K120RGU-CF 120 1ph220 50 4
額定時(shí)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(jì)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(shí)選取聯(lián)軸器的型號(hào)。查標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)，此處的聯(lián)結(jié)采用凸緣聯(lián)軸器，把兩個(gè)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(zhǎng)度
螺栓
處于電機(jī)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(gòu)設(shè)計(jì)
（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(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)比略短一些，現(xiàn)取
圖3.2 滾動(dòng)軸承安裝圖
2、初步選擇滾動(dòng)軸承。因?yàn)檩S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(dòng)軸承采用軸向定位，見圖1.2 ：D=52mm, B=15mm 。
由手冊(cè)上查得6205型軸承的定位軸肩高度，因此取。
3、取安裝驅(qū)動(dòng)滾輪處的軸段；驅(qū)動(dòng)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(dòng)滾輪的左端與軸承之間采用套筒定位，已知驅(qū)動(dòng)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(yīng)略短于滾輪寬度，故取。
4、取驅(qū)動(dòng)滾輪距箱體內(nèi)壁距離a=20mm，已知滾動(dòng)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(zhǎng)度。
（3）軸上零件的周向定位
驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)圖
按圖由手冊(cè)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(zhǎng)度L=25mm（標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見GB/T1096-1979），同時(shí)為了保證驅(qū)動(dòng)滾輪與軸的配合有良好的對(duì)中性，故選擇驅(qū)動(dòng)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(dòng)軸承與軸的周向定位是借過渡配合來(lái)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(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)木片的計(jì)數(shù)功能，在此軸上裝有單片機(jī)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(jì)數(shù)器脈沖的頻率和周期進(jìn)行測(cè)量，便可計(jì)算出木片的長(zhǎng)度值。此軸在豎直方向上與電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(jì)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(gòu)設(shè)計(jì)
（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(zhǎng)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(zhǎng)度。
（2）、初步選擇滾動(dòng)軸承。因?yàn)檩S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(dòng)軸承采用軸向定位，由手冊(cè)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(dòng)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(yīng)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(dòng)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(zhǎng)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(cè)查得平鍵截面,t=4.0mm(GB/T1095-1979),鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)度L=15mm（標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見GB/T1096-1979），同時(shí)為了保證調(diào)整滾輪與軸的配合有良好的對(duì)中性，故選擇驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)度L=13mm半聯(lián)軸器與軸的配合為H7/k6。
滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過渡配合來(lái)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(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量與信號(hào)傳遞的技術(shù)。氣壓傳動(dòng)具有防火、防暴、節(jié)能、高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。具有
1）工作介質(zhì)是空氣，它來(lái)源方便，取之不盡，用之不竭，使用后直接排入大氣而無(wú)污染，不需要設(shè)置專門的回收裝置。
2）空氣的粘度很小，所以流動(dòng)時(shí)壓力損失較小，節(jié)能高效，適用于集中供
氣和遠(yuǎn)距離輸送。
3）動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，調(diào)節(jié)方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)有故障時(shí)，容易排除。
4）工作環(huán)境適應(yīng)性好。
5）成本低，具有過載保護(hù)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(yīng)根據(jù)工作要求和條件。
1）要求氣缸到達(dá)行程終端無(wú)沖擊現(xiàn)象和撞擊噪聲應(yīng)選擇緩沖氣缸；
2）要求重量輕，應(yīng)選輕型缸；要求安裝空間窄且行程短，可選薄型缸；有橫向負(fù)載，可選帶導(dǎo)桿氣缸；
3）要求制動(dòng)精度高，應(yīng)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(wú)污染時(shí)需要選用無(wú)給油或無(wú)油潤(rùn)滑氣缸等。
而在執(zhí)行剪切動(dòng)作時(shí)，主要是通過沖擊力來(lái)實(shí)現(xiàn)切刀對(duì)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(yùn)動(dòng)能量的一種氣缸，活塞的最大速度可達(dá)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(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)?！?
3.3.1.1 型號(hào)的選擇：
即缸徑的選擇。根據(jù)負(fù)載力的大小來(lái)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(fù)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(shè)備笨重，成本提高，又增加耗氣量，浪費(fèi)能源。在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用擴(kuò)力機(jī)構(gòu)，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(lái)確定活塞桿上的推力和拉力。由此來(lái)選擇氣缸時(shí)應(yīng)
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(shè)備笨重、成本高，同時(shí)耗氣量增大，造成能源浪費(fèi)。在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用增力機(jī)構(gòu)，以減少氣缸的尺寸。
預(yù)選氣缸直徑
(3.3)
F：為剪切面面積
：為抗剪切強(qiáng)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(qiáng)度
由式3.3得
=900N
1、確定氣缸的軸向負(fù)載力F=1000N
2、查表得氣缸的負(fù)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(yù)設(shè)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(jì)南華能氣動(dòng)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(gòu)簡(jiǎn)單，耗氣量少，能產(chǎn)生相當(dāng)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(shè)計(jì)
連接套用于連接氣缸與刀具，這就對(duì)氣缸和刀具這兩部分的同心度有一定的要求。同時(shí)對(duì)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(shè)計(jì)
3.4.1 支承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)：
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(diǎn)：
（1）在剪切過程中承受沖擊荷載較大。
（2）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有許多加工面和孔。
根據(jù)以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意，抗震性以及結(jié)構(gòu)工藝性等問題。
（1）抗震性：指其抵抗受迫震動(dòng)的能力。提高抗震性的方法：
提高靜剛度，合理設(shè)計(jì)構(gòu)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(gòu)件剛度的前提下減輕重量，適當(dāng)減薄壁厚，采用鋼材焊接結(jié)構(gòu)等。
3.4.2 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)形狀對(duì)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(gòu)
設(shè)計(jì)可采取經(jīng)驗(yàn)，類比，試驗(yàn)和計(jì)算方法進(jìn)行。良好的結(jié)構(gòu)工藝性，在保證剛度要求前提下，應(yīng)盡量使鑄造及機(jī)械加工量最小，金屬消費(fèi)率最低。合理設(shè)計(jì)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(fèi)材料。各處壁厚力求均勻，充分考慮鑄造，機(jī)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(shè)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(qiáng)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(diǎn)低，鑄造性能好，易鑄成各種復(fù)雜形狀的零件。吸振性和耐磨性較好，成本比較低，是一種應(yīng)用極為廣泛的材料；缺點(diǎn)是制造周期長(zhǎng)，需要木模和砂芯，工藝復(fù)雜。
常用鑄鐵：
（a） HT20~40(一級(jí)鑄鐵)抗彎，抗壓應(yīng)力比較大，可以做機(jī)身導(dǎo)軌，流動(dòng)性能差，不適于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支承件。
（b） HT15~32(二級(jí)鑄鐵)鑄造性能好，但機(jī)械性能較差，適用于形狀復(fù)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(gòu)件，彈性模量E比鑄鐵大。
（一）床身材料
選擇HT250，強(qiáng)度，耐磨性，耐熱性，減振性等性能良好，適用于承受較大應(yīng)力，耐磨零件。
3.4.4安裝板的設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)原理圖3.5所示： 安裝板上的兩個(gè)通孔用于安裝編碼器軸及電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yīng)有一定的差值，且編碼器安裝軸需高于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸，目的是增大木片的包角，防止木片發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，造成計(jì)數(shù)上得誤差。
圖3.5 編碼器安裝板
3.5安裝支架的設(shè)計(jì)
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上要安裝直流電動(dòng)機(jī)，在所選擇的直流電機(jī)還配戴有調(diào)速器
置所以，在選擇安裝支架時(shí)，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(dòng)機(jī)的安裝支架
圖3.6 調(diào)速器的安裝支架
圖3.7 直流電動(dòng)機(jī)的安裝支架
3.6輔助裝置的設(shè)計(jì)
由于木片質(zhì)量較輕，在剪切瞬間很容易發(fā)生滑動(dòng)，不但會(huì)造成木片的位置不準(zhǔn)確，還會(huì)造成木片的堆積，從而造成測(cè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
4.1硬件電路設(shè)計(jì)
4.1.1 中央控制器：80C51系列單片機(jī)
80C51單片機(jī)系列源于Intel公司的MCS-51系列，結(jié)構(gòu)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(jī)基本結(jié)構(gòu)圖
RST-高電平復(fù)位端 ALE-復(fù)用數(shù)據(jù)總線（P0）復(fù)用管理
外部與內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的選擇 外部程序存儲(chǔ)器的讀取控制
80C51單片機(jī)的CPU外圍電路有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM（4K）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（128B）、I/O端口和特殊功能寄存器SFR。
80C51有4個(gè)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(kuò)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(kuò)展單元的讀寫控制。80C51的I/O端口具有復(fù)用功能，在不用作并行擴(kuò)展總線時(shí)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(shí)，也可作用戶I/O口使用。
80C51的串行接口是一個(gè)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(kuò)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(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展
一、片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
8031 單片機(jī)片內(nèi)無(wú)ROM，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也僅有128字節(jié)，需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都需要擴(kuò)展。
1、 存儲(chǔ)器擴(kuò)展概述
（1）MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展能力
MCS-51單片機(jī)的地址總線寬度為16位，在片外可擴(kuò)展的存儲(chǔ)器最大容量為64KB，地址空間為0000H-0FFFFH。
由于MCS-51單片機(jī)對(duì)片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作使用不同的指令和控制信號(hào)，允許兩者的地址重疊，所以片外可擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別是64K。
為了配置外圍設(shè)備而需要擴(kuò)展的I/O接口與片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器連同I/O接口一起的擴(kuò)展容量是64KB。
（2）存儲(chǔ)器擴(kuò)展的一般方法
存儲(chǔ)器芯片種類繁多，即使同一種類的存儲(chǔ)器芯片，容量不同，其引其引腳數(shù)目也不同。盡管如此，存儲(chǔ)器芯片與單片機(jī)擴(kuò)展連接有共同的規(guī)律。不論何種存儲(chǔ)器芯片，其引腳都呈三總線結(jié)構(gòu)，與單片機(jī)連接都是三總線對(duì)接。
存儲(chǔ)器芯片的控制線：存儲(chǔ)器芯片的控制線應(yīng)與單片機(jī)的相應(yīng)控制線相連接。對(duì)于程序存儲(chǔ)器，其讀選通信號(hào)（）應(yīng)與單片機(jī)的連接；對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的讀選取能信號(hào)（）應(yīng)與單片機(jī)的連接，存儲(chǔ)器的寫允許信號(hào)（）與單片機(jī)的寫信號(hào)相連接。
存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線：存儲(chǔ)器芯片數(shù)據(jù)線的數(shù)目由芯片的字長(zhǎng)定。1位字長(zhǎng)的芯片數(shù)據(jù)線有1條，8位字長(zhǎng)的芯片數(shù)據(jù)線有8條；存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)經(jīng)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線（P0.7-P0.7）按由低位到高位的順序連接。
存儲(chǔ)器的地址線： 存儲(chǔ)器芯片地址線的數(shù)目由芯片的容量決定。存儲(chǔ)器芯片的地十線與單片機(jī)的地址總線按由低位到高位的順序連接。通常，存儲(chǔ)器芯片的地址線數(shù)目總是少于單片機(jī)地址線的數(shù)目，如引相接后，單片機(jī)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(chǔ)器芯片的片選信號(hào)線相接。單片機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器芯片訪問時(shí)，片選信號(hào)必須有效，即選中存儲(chǔ)器芯片。片選信號(hào)線與單片機(jī)系統(tǒng)的譯碼輸出相接后，就決定了存儲(chǔ)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(chǔ)器芯片的片選，即一根線選中。當(dāng)有N條高位地址線不參加譯碼時(shí)，則有個(gè)不同的地址空間。這些地址空間中真正能存儲(chǔ)信息的只有一個(gè)，其余的公是占有，因而會(huì)造成地址空間的浪費(fèi)，這是線譯方式的缺點(diǎn)，但采用線譯碼方式的優(yōu)點(diǎn)是譯碼電路簡(jiǎn)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(jìn)行譯碼形成存儲(chǔ)器芯片的片選。這種譯碼方法產(chǎn)生的存儲(chǔ)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(chǔ)器RAM，內(nèi)部地址為07H-07FH，用作工作寄存器、堆棧、軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器往往是不夠的，因此在本設(shè)計(jì)中外接6264芯片來(lái)擴(kuò)展80C51的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于80C51內(nèi)部只有4K程序存儲(chǔ)器，所以在實(shí)際應(yīng)用中常外接一片2764芯片來(lái)擴(kuò)展程序存儲(chǔ)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(fù)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(dāng)送低8位地址時(shí)使用ALE，接74LS373的OE端，高電平有效，當(dāng)不傳送數(shù)據(jù)時(shí)ALE無(wú)效。
低電平有效，偏外取指令控制。當(dāng)其有效時(shí)選通外部EPROM存儲(chǔ)器，向應(yīng)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(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)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(duì)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(fù)位控制，高電平有效。當(dāng)RST端輸入高電平時(shí)，80C51初始化復(fù)位，只要輸入端保持高電平則循環(huán)復(fù)位,在復(fù)位有效期間ALE、也輸出高電平。當(dāng)RST輸入返回低電平后，CPU從0地址開始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位相結(jié)合的復(fù)位方式，以便在出現(xiàn)緊急情況時(shí)能使空置系統(tǒng)迅速?gòu)?fù)位，不至于造成事故，具體復(fù)位電路間控制電路原理圖。
程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片簡(jiǎn)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(chǔ)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(kuò)展8K片外程序存儲(chǔ)空間。6264位8K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)；O0-O7為8位數(shù)據(jù)線；為片選信號(hào)線，低電平有效；為讀信號(hào)線，低電平有效；為寫信號(hào)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(chǔ)器系統(tǒng)其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)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(fù)位后從0000H單元開始執(zhí)行程序，故程序存儲(chǔ)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(chǔ)器的擴(kuò)展
MCS-51單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器通常采用紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35 mA讀出時(shí)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(yàn)
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(jìn)制地址信息；共有8192種狀態(tài)，即可選取擇8192個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)器中任意一個(gè)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(dāng)8031發(fā)送13位地址信息時(shí)，可分別選中2764片內(nèi)8KB存儲(chǔ)中任何一個(gè)單元。
2764的c端由8031的引腳信號(hào)控制。當(dāng)信號(hào)由高電平變成低電平時(shí)，允許2764輸出，所反映定的2764存儲(chǔ)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(jī)的CPU內(nèi)。2764的引腳為片選信號(hào)輸入端，低電平有效。
2764與單片機(jī)的連接原理圖如圖4.2所示.
圖4.2 2764和8031單片機(jī)的連接原理圖
3、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
MCS-51系列的單片機(jī)片內(nèi)RAM僅128字節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)需要大容量RAM時(shí)，就需要片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，最大可擴(kuò)展64KB。擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空
圖4.3 6264與單片機(jī)的連接原理圖
間同擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器一樣，由P2口提供高8位地址，P0口分時(shí)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(chǔ)器RAM的讀和寫由8031的（P3.7）和（P3.6）信號(hào)控制，而片外程序存儲(chǔ)器的輸出允許端（）由讀選通信號(hào)控制。盡管RAM與ROM共處于同一地址空間，但由于控制信號(hào)及使用的數(shù)據(jù)傳送指令不同，所以不會(huì)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(jī)的連接原理圖如圖5.5所示。6264的片選信號(hào)由P2.5提供。
4、外部?jī)?chǔ)存器的擴(kuò)展
由于8031片內(nèi)沒有EPROM，故8031單片機(jī)需要擴(kuò)展EPROM，本機(jī)采用外擴(kuò)1片EPROM 2764。同樣由于8031單片機(jī)內(nèi)部RAM為128B,因其容量不能滿足設(shè)計(jì)要求，故本機(jī)擴(kuò)展8KB靜態(tài)RAM 6264 一片，本設(shè)計(jì)采用線選法擴(kuò)展 1片8KB的RAM 和 1片8KB 的EPROM,RAM芯片選用6264，EPROM選用2764，共擴(kuò)展2片儲(chǔ)存器芯片，擴(kuò)展接口電路見圖5.13：
圖4.4 EPROM和RAM的擴(kuò)展
地址線P2.5直接接到2764和6264的片選，每次同時(shí)選中2個(gè)芯片，具體哪個(gè)芯片工作還要通過、、控制信號(hào)控制。當(dāng)片外程序儲(chǔ)存區(qū)讀選通信號(hào)為低電平，肯定到EPROM讀程序；當(dāng)選通信號(hào)或?yàn)榈碗娖絼t到RAM中讀數(shù)據(jù)或向RAM寫入數(shù)據(jù)。、、3個(gè)信號(hào)是在執(zhí)行指令時(shí)產(chǎn)生的，任意時(shí)刻，只能執(zhí)行1條指令，所以只能1個(gè)信號(hào)有效，不可能同時(shí)有效。
5、各存儲(chǔ)器的地址分配
（1）存儲(chǔ)器及擴(kuò)展I/O口地址分配
在本文中，單片機(jī)的P2口沒有懸空的。其中程序存儲(chǔ)器2764的片選信號(hào)線接成低電平，一直處于選通的狀態(tài)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264的片選信號(hào)線接單片機(jī)的P2.5;8255A的片選信號(hào)線接P2.6；8255A的片選信號(hào)線接P2.7。
（2）程序存儲(chǔ)器的地址
本文中用了容量為8K的程序存儲(chǔ)器2764，地址線共有13條。低8位接單片機(jī)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(chǔ)器的地址
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264的容量為8K，地址線共有13條。低8位接單片機(jī)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(jī)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(kuò)展
MCS-51單片機(jī)共有4個(gè)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常要進(jìn)行I/O接口的擴(kuò)展。
（1）8255A并行可編程I/O擴(kuò)展
8255A是一個(gè)具有40個(gè)管腳的雙列直插式集成電路芯片。按功能可把8255A分為三個(gè)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(gè)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(shí)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(hào)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(shí)現(xiàn)8255A和單片機(jī)的信號(hào)連接。其中包括：
圖4.6 8255A與單片機(jī)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(guān)的數(shù)據(jù)、控制字和狀態(tài)信息都是通過該緩沖器進(jìn)行傳送。
②讀寫控制邏輯
·： 片選信號(hào)線。
·： 讀信號(hào)線。
·： 寫信號(hào)線。
· A0、A1 端口選擇信號(hào)
· RESET： 復(fù)位信號(hào)線。
③ 控制邏輯電路 包括A組控制和B組控制，合在一起構(gòu)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(jī)的連接原理圖如圖4.6所示：
4.1.３ 單片機(jī)接口技術(shù)
一、 按鍵及顯示器接口擴(kuò)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(duì)應(yīng)的代碼，在按下新鍵之前，一直保持該碼。鍵的數(shù)目增多時(shí)，硬件變得復(fù)雜，單片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中用得較多是非編碼鍵盤。
非編碼鍵盤只有兩個(gè)動(dòng)作狀態(tài)：閉合或斷開，由1或0來(lái)表示。單片機(jī)常用機(jī)械觸點(diǎn)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(dá)給他人的過程。這種轉(zhuǎn)化、傳達(dá)的技術(shù)稱為顯示技術(shù)。
（１） 鍵盤接口擴(kuò)展技術(shù)
1. 鍵盤輸入的特點(diǎn)
鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組開關(guān)的集合，通常，按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，均利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5-10毫秒。
按鍵的穩(wěn)定閉合期的長(zhǎng)短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的，一般為十分之幾秒到幾秒的時(shí)間。
2. 按鍵的確認(rèn)
按鍵的閉合與否反應(yīng)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(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。為了確保單片機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作，只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。
3. 消除按鍵抖動(dòng)的措施
對(duì)按鍵的抖動(dòng)，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(lái)實(shí)現(xiàn)。如果按鍵較多，硬件消抖將無(wú)法勝任，因此常采用軟件消抖方法。在第二次檢測(cè)到按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10毫秒的子程序后，再確認(rèn)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(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。本設(shè)計(jì)中采用軟件消抖。
4. 矩陣式鍵盤接口設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中采用矩陣連接式非編碼鍵盤，對(duì)按鍵的識(shí)別有軟件完成，采用定時(shí)掃描法。