X數(shù)控激光切割機(jī)設(shè)計
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1、目 錄 摘 要………………………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ 1 緒論1 1.1課題背景1 1.2現(xiàn)實意義1 1.3設(shè)計任務(wù)1 1.4總體設(shè)計方案分析2 2 機(jī)械部分XY工作臺及Z軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計4 2.1 XY工作臺的設(shè)計4 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù)4 2.1.2 XY工作臺部件進(jìn)給系統(tǒng)受力分析4 初步確定XY工作臺尺寸及估算重量4 2.2 Z軸隨動系統(tǒng)設(shè)計5 3滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算6 3.1 強(qiáng)度計算6 3.2 滾珠絲杠副的傳動效率6 4 直線滾動
2、導(dǎo)軌的選型8 5 步進(jìn)電機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)的確定9 5.1 步進(jìn)電機(jī)的選用9 5.1.1 脈沖當(dāng)量和步距角9 步進(jìn)電機(jī)上起動力矩的近似計算9 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率10 5.2齒輪傳動機(jī)構(gòu)的確定10 傳動比的確定10 齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定11 5.3步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算11 6 傳動系統(tǒng)剛度的討論13 6.1 根據(jù)工作臺不出現(xiàn)爬行的條件來確定傳動系統(tǒng)的剛度13 6.2根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來確定傳動系統(tǒng)剛度13 7 消隙方法與預(yù)緊15 7.1消隙方法15 偏心軸套調(diào)整法15 錐度齒輪調(diào)整法16 雙片齒輪錯齒調(diào)整法16 7.2預(yù)緊17 8數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計18
3、8.1 確定機(jī)床控制系統(tǒng)方案18 8.2 主要芯片配置18 主要芯片選擇18 8.2.2 主要管腳功能18 8.2.3 EPROM的選用19 8.2.4 RAM的選用20 8.2.5 89C51存儲器及I/O的擴(kuò)展20 8.2.6 8155工作方式查詢21 狀態(tài)查詢22 8.2.8 8155定時功能22 8.2.9 芯片地址分配23 8.3 鍵盤設(shè)計24 鍵盤定義及功能24 8.3.2 鍵盤程序設(shè)計24 8.4 顯示器設(shè)計28 顯示器顯示方式的選用28 顯示器接口29 8.4.3 8155擴(kuò)展I/O端口的初始化29 8.5 插補(bǔ)原理30 8.6光電隔離電路
4、31 8.7越界報警電路31 8.8總體程序控制32 8.8.1流程圖32 8.8.2總程序32 9 步進(jìn)電機(jī)接口電路及驅(qū)動34 結(jié)論38 參考文獻(xiàn)39 致謝40 1 緒論 1.1課題背景 激光被譽為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一,它剛一問世就引起了材料科學(xué)家的高度重視。1971年11月,美國通用汽車公司率先使用一臺250W CO2激光器進(jìn)行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗研究,并于1974年成功地完成了汽車轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)表面(可鍛鑄鐵材質(zhì))激光淬火工藝研究,淬硬部位的耐磨性能比未處理之前提高了10倍。這是激光表面改性技術(shù)的首次工業(yè)應(yīng)用。多年以來,世界各國投入了大量資金和人
5、力進(jìn)行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對材料學(xué)的研究,促使激光加工得到了飛速發(fā)展,并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。如今在中國,激光技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用,并且正逐步實現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,國家也將其列為“九五”攻關(guān)重點項目之一?!笆濉钡闹饕ぷ魇谴龠M(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,保持激光器年產(chǎn)值20%的平均增長率,實現(xiàn)年產(chǎn)值200億元以上;在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加工技術(shù),重點完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行改造的示范工程;為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器。 數(shù)控化和綜合化把激光器與計
6、算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結(jié)合,形成研制和生產(chǎn)加工中心,已成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。 1.2現(xiàn)實意義 激光切割機(jī)是光、機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備,科技含量高,與傳統(tǒng)機(jī)加工相比,激光切割機(jī)的加工精度更高、柔性化好,有利于提高材料的利用率,降低產(chǎn)品成本,減輕工人負(fù)擔(dān),對制造業(yè)來說,可以說是一場技術(shù)革命。 激光切割的適用對象主要是難切割材料,如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料,以及精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件。激光切割技術(shù)、激光切割機(jī)床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。因此研究和設(shè)計數(shù)控激光切割有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。微機(jī)控制技術(shù)正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。 1.3
7、設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一臺單片機(jī)(89C51主控芯片)控制激光切割機(jī)床,主要設(shè)計對象是XY工作臺部件及89C51單片機(jī)控制原理圖。而對激光切割機(jī)其他部件如冷水機(jī)、激光器等不作為設(shè)計內(nèi)容要求,只作一般了解。單片機(jī)對XY工作臺的縱、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.001mm/ pluse。工作臺部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滾動直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)、工作臺等。設(shè)計時應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。 1.4總體設(shè)計方案分析 參考數(shù)控激光切割機(jī)的有關(guān)技術(shù)資料,確定總體方案如下: 采用89C51主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理,由I/O接口輸出控制信號給驅(qū)動器,來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速后,帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)
8、動,實現(xiàn)進(jìn)給。其原理示意圖1.1。 X向工作臺 控 制 器 驅(qū) 動 器 步進(jìn) 電機(jī) 步進(jìn) 電機(jī) 驅(qū) 動 器 Y向工作臺 圖1.1 系統(tǒng)總體原理圖 微機(jī)控制線路圖參考MCS-51系列單片機(jī)控制XY工作臺線路圖。 步進(jìn)電機(jī)參照RORZE株式會社的產(chǎn)品樣本選取,以保證質(zhì)量和運行精度,同時驅(qū)動器也選用RORZE的配套驅(qū)動器產(chǎn)品。 滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多,本設(shè)計參照了漢江機(jī)床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料,力求從技術(shù)性能、價格狀況、通用互換性等各方面因素考慮,最后選用南京工藝裝備廠的FFZD系列滾珠絲杠,即內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠
9、副。 本設(shè)計棄用Z80,而選用單片機(jī)。單片機(jī)體積小、抗干擾能力強(qiáng),對環(huán)境要求不高,可靠性高,靈活性好,性價比大大超過了Z80。比較后選用89C51為主芯片。在使用過程中89C51雖有4K的FLASH(E2PROM),但考慮實際情況需配備EPROM和RAM,并要求時序配備。選晶體頻率為6MHz,89C51讀取時間約為3t,則t=480ns ,常用EPROM讀取時間約為200~450ns。89C51的讀取時間應(yīng)大于ROM要求的讀取時間。89C51的讀寫時間約為4T,則TR=660ns,TW=800ns,常用RAM讀寫時間為200ns左右,均滿足要求。根據(jù)需要,擴(kuò)展I/O接口8155,因顯示數(shù)據(jù)主
10、要為數(shù)字及部分功能字,為簡化電路采用LED顯示器。鍵盤采用非編碼式矩陣電路。為防止強(qiáng)電干擾,采用光電隔離電路。 2 機(jī)械部分XY工作臺及Z軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 XY工作臺的設(shè)計 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù) 本設(shè)計的XY工作臺的參數(shù)定為: ①工作臺行程:橫向320mm,縱向450mm ②工作臺最大尺寸(長×寬×高):1100×900×300mm ③工作臺最大承載重量:120Kg ④脈沖當(dāng)量:0.001mm/pluse ⑤進(jìn)給速度:60平方毫米/min ⑥表面粗糙度:0.8~1.6 ⑦設(shè)計壽命:15年 XY工作臺部件進(jìn)給系統(tǒng)受力分析 因激光切割機(jī)床為激光加工,其激光器與工件
11、之間不直接接觸,因此可以認(rèn)為在加工過程中沒有外力負(fù)載作用。其切削力為零。 XY工作臺部件由工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成,各自之間均以滾動直線導(dǎo)軌副相聯(lián),以保證相對運動精度。 設(shè)下底座的傳動系統(tǒng)為橫向傳動系統(tǒng),即X向,上導(dǎo)軌為縱向傳動系統(tǒng),即Y向。 一般來說,數(shù)控切割機(jī)床的滾動直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計,但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會影響電機(jī)的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施,其產(chǎn)生的負(fù)載波動應(yīng)控制在很小的范圍。 初步確定XY工作臺尺寸及估算重量 初定工作臺尺寸(長×寬×高度)為:1200×950×70mm,材料為HT200,估重為62
12、5N (W1)。 設(shè)中托座尺寸(長×寬×高度)為:1200×520×220mm,材料為HT200,估重為250N(W2)。 另外估計其他零件的重量約為250N (W3)。 加上工件最大重量約為120Kg(1176N)(G)。 則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載W為: W=W1+W2+W3+G=665+250+250+1176=2301N 2.2 Z軸隨動系統(tǒng)設(shè)計 激光切割機(jī)對Z軸隨動機(jī)構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時檢測和控制切割表面的不平度,通過伺服電機(jī)和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度,以保證激光聚焦后的焦點在切割板材的表面位置。由于激光焦點至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量,因此,要求Z軸的
13、檢測精度高于0.010mm:同時,隨動速度應(yīng)大于5m/min。隨動速度太快會造成切割頭上下震蕩,太慢又造成切割頭跟不上的現(xiàn)象。目前。對加工板材的檢測主要有電容、電感、電阻、激光、紅外等幾種方式。電感式和電阻式屬于傳感器,激光、紅外及電容式屬于非接觸式傳感器。電容式傳感器在運動檢測過程中不發(fā)生摩擦阻力,最適于金屬板材和高速切割加工,而激光和紅外位移傳感器對加工材料的反射率很敏感,僅適用于一些特殊場合的切割加工(如強(qiáng)磁場、強(qiáng)干擾環(huán)境)。所以在選擇傳感器時,應(yīng)注意檢測精度和對切割材料的適應(yīng)性,同時安裝時還需要注意采取抗干擾措施。 割頭具有多種先進(jìn)的智能和附加功能,如自動調(diào)整激光噴嘴距離、自
14、動清潔噴嘴、同軸噴水機(jī)構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動、切割嘴擺動等。這些功能機(jī)構(gòu)的增加,不可避免地增加了切割頭的重量,成切割頭的動態(tài)性能不好,隨動機(jī)構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來說,普通數(shù)控激光切割機(jī)Z軸拖動重量在5kg以上時,應(yīng)采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機(jī)的Z軸拖動重量在2kg以上就必須施加重力平衡設(shè)施,特別是在高速飛行光路設(shè)計中,這一點尤為重要。目前Z軸上的重力平衡設(shè)施使用較多的是采用氣缸托動方式(圖2.1)。該方式重量輕、體積小、易安裝,還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡力。 圖2.1 Z軸隨動機(jī)構(gòu) 3 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 (一) 根據(jù)機(jī)
15、床的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸,參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列,選用FFZD內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿,具體型號如下: X向: FFZD 2504-3/490×500 Y向: FFZD 2504-3/500×1100 (二) 因X向的滾珠絲桿比Y向的滾珠絲桿所受的負(fù)載大,現(xiàn)只計算X向絲桿的相關(guān)數(shù)據(jù),Y向根據(jù)X向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。 (三) 具體計算如下。 3.1 強(qiáng)度計算 軸向負(fù)荷計算公式: 式(3.1) 式中F——切削力,F(xiàn)=0 W——工件重量加工作臺重量 W=2301N U——滾動導(dǎo)軌上的滾動摩擦系數(shù)(約為0.003-0.004),取U=0.004 則根據(jù)式(3.1
16、): =0.004×2301=92N 激光切割機(jī)滾珠絲杠是在低速條件下工作的。 故本處的Go=(0.2-0.3),。對照樣本參數(shù),這里的Go非常小,選定導(dǎo)程為4的滾珠絲杠副。 3.2 滾珠絲杠副的傳動效率 滾珠絲杠副的傳動效率為: 式(3.2) 式中ψ—滾珠絲杠的螺紋升角 ρ'—當(dāng)量摩擦角 根據(jù)當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角關(guān)系(見表3.1),前面已經(jīng)定v=1m/s,材料選擇灰鑄鐵HRC≥45。 所以:ρ'=4°00′,tgρ'=0.0025; 因為ψ=arctg(Ph/πd) 式(3.3)
17、 式中:Ph—導(dǎo)程,4mm d——絲杠公稱直徑,25mm 則根據(jù)式(3.3): ψ=2.91° 則根據(jù)式(3.2)得:η=0.953。 表3.1 當(dāng)量摩擦系數(shù)f'和當(dāng)量摩擦角ρ' 齒圈材料 錫 青 銅 無錫青銅 灰鑄鐵 齒面硬度 HRC≥45 其它 HRC≥45 HRC≥45 其它 相對速度 υs m/s f' ρ' f' ρ' f' ρ' f' ρ' f' ρ' 0.01 0.05 0.10 0.25 0.50 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4 5 8 10 15 24 0.110 0.09
18、0 0.080 0.065 0.055 0.045 0.040 0.035 0.030 0.028 0.024 0.022 0.018 0.016 0.014 0.013 6°17′ 5°09′ 4°34′ 3°43′ 3°09′ 2°35′ 2°17′ 2°00′ 1°43′ 1°36′ 1°22′ 1°16′ 1°02′ 0°55′ 0°48′ 0°45′ 0.120 0.100 0.90 0.075 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.031 0.029 0.026
19、 0.024 0.020 6°51′ 5°43′ 5°09′ 4°17′ 3°43′ 3°09′ 2°52′ 2°35′ 2°17′ 2°00′ 1°47′ 1°40′ 1°29′ 1°22′ 1°09′ 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.03 10°12′ 7°58′ 7°24′ 5°43′ 5°09′ 4°00′ 3°43′ 3°09′ 2°52′ 2°35′ 2°17′ 2°00′ 1
20、°43′ 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 10°2′ 7°58′ 7°24′ 5°43′ 5°09′ 4°00′ 3°43′ 3°09′ 0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 10°45 9°05 7°58′ 6°51′ 5°49′ 5°09′ 4°34′ 4°00′ 4 直線滾動導(dǎo)軌的
21、選型 導(dǎo)軌主要分為滾動導(dǎo)軌和滑動導(dǎo)軌兩種,直線滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對普通機(jī)床所用的滑動導(dǎo)軌而言,它有以下幾方面的優(yōu)點: ①定位精度高 直線滾動導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導(dǎo)軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小,運動靈活,可使驅(qū)動扭矩減少90%,因此,可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級。 ②降低機(jī)床造價并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小,特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動、停止的往復(fù)運動,可使所需的動力源及動力傳遞機(jī)構(gòu)小型化,減輕了重量,使機(jī)床所需電力降低90%,具有大幅度節(jié)能的效果。 ③可提高機(jī)床的運動速度 直線滾動導(dǎo)軌由于摩擦阻力小,因此發(fā)熱少,可實現(xiàn)
22、機(jī)床的高速運動,提高機(jī)床的工作效率20~30%。 ④可長期維持機(jī)床的高精度 對于滑動導(dǎo)軌面的流體潤滑,由于油膜的浮動,產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下,流體潤滑只限于邊界區(qū)域,由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的,在這種摩擦中,大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反,滾動接觸由于摩擦耗能?。疂L動面的摩擦損耗也相應(yīng)減少,故能使直線滾動導(dǎo)軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時,由于使用潤滑油也很少,大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了,這使得在機(jī)床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用:開式直線滾動導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。 型號:選用GGB型四方向
23、等載荷型滾動直線導(dǎo)軌副,如圖4.1。 具體型號:X向選用GGB20BA2P,2 500-4 Y向選用GGB20AB2P,2 1100-4 圖4.1 直線滾動導(dǎo)軌 5 步進(jìn)電機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)的確定 5.1 步進(jìn)電機(jī)的選用 脈沖當(dāng)量和步距角 已知脈沖當(dāng)量為1μm/STEP,而步距角越小,則加工精度越高。初選為0.36o/STEP(二倍細(xì)分)。 步進(jìn)電機(jī)上起動力矩的近似計算 電機(jī)起動力矩: 式(5.1) 式中: M為滾珠絲杠所受總扭矩 Ml為外部負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩,有: 式(5.2) =92×0.025/2×tg(2.91+0.14) =0.062N·m
24、M2為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩,有: 式(5.3) 式中: K—預(yù)緊時的摩擦系數(shù),0.1—0.3 Ph—導(dǎo)程,4cm Fao——預(yù)緊力, 有:Fao=Fao1+Fao2 取Fao1=0.04×Ca=0.04×1600=640N 此處省略?NN NNNNN NNN NN 字 編程禁止方式一此為向多片2764寫入不同程序而設(shè)置的,當(dāng)VPP=+21V時,為高電平時,2764芯片處于編程禁止?fàn)顟B(tài)。 8.2.4 RAM的選用 數(shù)據(jù)存儲器RAM通常采用MOS型,MOS型RAM分靜態(tài)、動態(tài)兩種。動態(tài)RAM集成度高,功耗小,成本低,但控制邏輯復(fù)雜,需要定期刷新,尤其是容易受到干擾
25、,對環(huán)境、結(jié)構(gòu)、電摞等都有較高的要求。對實時控制系統(tǒng)而言,可靠是第一位的,此處選用大容量靜態(tài)RAM6264(8K*8位)一片。 6264主要引腳功能: ①A0—A1213位地址線 ②IO1—IO7數(shù)據(jù)輸入輸出線 ③ 數(shù)據(jù)輸出允許信號 ④ 寫選通信號 ⑤ 片選信號 6264主要工作方式: ①讀方式——及為低電平,為高電平時,6264將數(shù)據(jù)輸出到指定地址。 ②寫方式——為低電平,亦為低電平時,允許數(shù)據(jù)輸入。 ③封鎖方式——為高電平時,該芯片沒被選通,不工作。 8.2.5 89C51存儲器及I/O的擴(kuò)展 可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對應(yīng)的軟件命令來加以改變的接口芯
26、片。這類芯片一般具有多種功能,使用靈活方便,使用前必須由CPU對其編程設(shè)定工作方式,然后按設(shè)定的方式進(jìn)行操作。 8155可編程并行I/O接口具有功能強(qiáng),價格便宜,且具有與MCS-51單片機(jī)配置簡單、方便等優(yōu)點。是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的外部功能擴(kuò)展器件之一。 (1)存儲器與單片機(jī)聯(lián)接,主要是通過三總線聯(lián)接。應(yīng)考慮總線的驅(qū)動能力是否足夠。存儲器2764、6264存儲量均為8K,需13位地址進(jìn)行存儲單元選擇,將A0—A7腳與地址鎖存器八位地址輸出對應(yīng)聯(lián)接,將A8-A13腳與89C51的P2口P2.0-P2.4相聯(lián)接,其余地址線經(jīng)P2.5—P2.7經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號。數(shù)據(jù)線聯(lián)接將存儲器數(shù)據(jù)輸出端D
27、0-Dl與89C51P0口聯(lián)接??刂凭€89C51 與2764相聯(lián),89C51從外部EPROM取指令。、 分別與6264、相聯(lián),89C51對外部RAM進(jìn)行讀/寫。 (2)8155許多信號與89C51兼容,可直接聯(lián)接,因8155內(nèi)部已有鎖存器,因此8155數(shù)據(jù)地址復(fù)合線AD0一AD7與89C51P0口直接相聯(lián)。地址鎖存信號ALE與89C51ALE相聯(lián)。片選信號經(jīng)譯碼后產(chǎn)生,以高位地址P2.0直接作為IO/信號,此時對8155需要使用16位地址進(jìn)行編址。 8155的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見圖8.2。 圖8.28155引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8.2.6 8155工作方式查詢 8155I/O工作方式選擇通
28、過對8155內(nèi)部命令寄存器(命令口)設(shè)定命令控制字實現(xiàn)。命令寄存器格式及對應(yīng)的工作方式見下圖8.3。 8155I/O有四種工作方式,即ALT1,ALT2,ALT3,ALT4。其中各符號說明如下: AINTR:A口中斷,請求輸入信號,高電平有效。 BINTR:B口中斷,請求輸入信號,高電平有效。 ABF(BBF):A口(B口)緩沖器滿狀態(tài)標(biāo)志輸出線,(緩沖器有數(shù)據(jù)時BF為高電平)。 ASTB(BSTB):A口(B口)設(shè)備選通信號輸入線,低電平有效。 在ALT1~ALT4的不同方式下,A口、B口及C口的各位工作方式如下: ALT1:A口,B口為基本輸入/輸出,C口為輸入方式。
29、ALT2:A口,B口為基本輸入/輸出,C口為輸出方式。 ALT3:A口為選通輸入/輸出,B口為基本輸入/輸出。PC0為AINTR,PC1為ABF,PC2為,PC3~PC5為輸出。 ALT4:A口、B口為選通輸入/輸出。PC0為AINTR,PC1為ABF,PC2為,PC3為BINTR,PC4為BBF,PC5為。 圖8.3 命令寄存器格式 8.2.7狀態(tài)查詢 8155還有一個狀態(tài)寄存器,用于鎖存I/O口和定時器的當(dāng)前狀態(tài),供CPU 查詢用。其格式如圖8.4: 狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個地址,命令寄存器只能寫入不能讀出,而狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入。所
30、以可以認(rèn)為,CPU讀該地址時,作為狀態(tài)寄存器,讀出的是當(dāng)前I/O口和定時器的狀態(tài),而寫該地址時,則作為命令寄存器對I/O口工作方式的選擇。 8.2.8 8155定時功能 8155芯片內(nèi)有一個14位減法計數(shù)器,可對輸入脈沖進(jìn)行減法計數(shù)。外部有兩個定時器引腳TINEIN 和TIMEOUT。TINEIN為定時器時鐘輸入,有外部輸入時鐘脈沖,TIMEOUT為定時器輸出,輸出各種信號脈沖波形。定時器的格式、輸出波形見圖8.5。 由上圖可見,定時器的低8位和高6位計數(shù)器定時是出方式由04H、05H寄存器確定。對定時器編程時,首先將計數(shù)器及定時器方式送入定時器口,(定時器的低8位和高6位,定時器方式M
31、)04H,05H。計數(shù)常數(shù)在002H~3FFF之間。計數(shù)器的起動和停止由命令寄存器的最高兩位TM2和TM1決定。但何時讀都可以置定時器的長度和工作方式,然后必須將起動命令寫入命令寄存器。既使計數(shù)器已經(jīng)計數(shù),在寫入起動命令后,仍可改變定時器的工作方式。 圖8.4 狀態(tài)寄存器格式 M2 M1 方 式 定時器輸出波形 0 ?0 單方波 0 1 連續(xù)方波 1 0 單脈沖 1 1 連續(xù)脈沖 圖8.5 8155定時器方式及輸出波形 8.2.9 芯片地址分配 89C51支持的存儲芯片,程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器單獨編址,EPROM與R
32、AM地址分配較為自由,不必考慮會發(fā)生沖突,因89C51復(fù)位后,從0000H開始,內(nèi)部程序存儲器空間為0000H-0FFFH,外部2片2764芯片地址分別為0C000H-0DFFFH,8000H--9FFFH。89C51內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間為00H-0FFH,外部6264芯片地址:6000H-7FFFH 1#8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示) /IO=0時,8155(1)內(nèi)部RAM地址范圍 E000H-E0FFH /IO=1時,端口地址:控制口:E100H;PA口:E101H;PB口:E102H;PC口:E103H; 定時器低八位:E104H;定時器高八位:E105H 2#
33、8155芯片地址(假定未用地址用"0"表示) /IO=0時,8155(1)內(nèi)部RAM地址范圍0A000H-0A0FFH /IO=1時,端口地址:控制口:0A00H;PA口:0A01H;PB口:0A02H;PC口:0A03H; 定時器低八位:0A04H;定時器高八位:0A05H 8.3 鍵盤設(shè)計 鍵盤定義及功能 控制面板上布置5個控制鍵,33個功能數(shù)字鍵。其中8個鍵有雙重功能,由SHIFT鍵轉(zhuǎn)換,按下SHIFT鍵,上檔鍵有效。 5個控制鍵各功能如下: 急停鍵——運行時按該鍵,程序立即停止運行。 暫停鍵——運行時按下該鍵,執(zhí)行完本程序段后,停止執(zhí)行下一程序段,等待處理,此為硬件暫
34、停。 恢復(fù)運行鍵——處于急停或暫停時,接下該鍵程序繼續(xù)執(zhí)行。用M00實行軟件暫停時,恢復(fù)運行也需要按該鍵。 復(fù)位鍵——編程或運行前,清除內(nèi)存中的隨機(jī)數(shù)。 對中心鍵——鉬絲自動找準(zhǔn)預(yù)定的中心位置(原點)。 30個功能數(shù)字鍵包括數(shù)字鍵“0-9”,負(fù)號“—”,程序開始字“%”,程序段結(jié)束字“LF”,序號字“N”,準(zhǔn)備功能字“G”,輔助功能字“M”,速度功能字“F”,主軸速度功能字“S”,坐標(biāo)功能字“X、Y、Z、I、J、W”。編輯鍵三個:DEL/INS—刪除/插入程序段鍵,DISP/ZOOM—DISP顯示程序全段內(nèi)容,ZOOM使加工圖形按比例縮放,預(yù)置為1,COPY—程序段復(fù)制,IDX—可設(shè)定
35、某一程序段為起割點,單步—步進(jìn)電機(jī)走一拍就停止工作,回零—鉬絲重新置于起點,運行—加工開始確認(rèn)。 鍵盤程序設(shè)計 本設(shè)計采用非編碼式矩陣式鍵盤,1#8155為鍵盤接口,按五行六列布線。PA0—PA4為行線,PC0—PC5為列線。 A口為輸出口,C口為輸入口,按鍵盤列線,每個鍵對應(yīng)一個鍵碼,根據(jù)鍵碼轉(zhuǎn)至相應(yīng)鍵處理子程序。常用鍵識別方法有掃描法和線翻轉(zhuǎn)法。本設(shè)計采用掃描法。其原理是:一條列線為低電平,若此列線上已閉合鍵,則各行線狀態(tài)都為高電平,然后按行號、列號求得閉合鍵鍵碼。 定義各行首鍵號為00H、06H、0CH、12H、18H,鍵碼=行號+列號。鍵號鍵功能對應(yīng)表8.1 表8.1 鍵號
36、鍵功能對應(yīng) 鍵號 00H-09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 1E 功能 0-9 — N G M F S 鍵號 13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1F 功能 DEL COPY IDX 單步 回零 運行 SHIFT 圖8.6鍵盤掃描程序流程圖 圖8.7 求鍵值子程序 鍵盤掃描子程序 ORG 0500H SCAN:MOV A,#00H MOV DPTR, #E101H M
37、OVX @DPTR, A MOV A #3FH MOV DDPTR, #E103H MOVX #DPTR, A MOV DPTR, #E102H MOVX A, @DPTR ANL A, #1FH CJNE3 A, #1FH, NEXT1 SJMP NEXT4 NEXT1: ACALL DS20ms CLR C MOV R2, #00H MOV R1, #01H LOOP: INC DPTR MOV A,R1 MOVX #DPTR, A MOV DPTR, #8002H MOVX A, @DPTR ANL A, #1FH CJNE A, #1
38、FH, NEXT2 SJMP NEXT3 NEXT2: INC R2 CJNE R2, #01H, NEXT4 MOV R4, A MOV A,R1 MOV R3,A NEXT3: MOV A,R1 RLC A MOV R1,A CJNE A,#40H, LOOP AJMP KCODE NEXT4:CLR A RET END 求鍵值子程序 ORG 0560H KCODE:MOV R1,#00H MOV A, R3 CLR C LOOP: RRC A JZ NEXT1 INC R1 SJMP LOOP NEXT1:MOV
39、A, R1 SWAP A MOV R1,A MOV A, R4 ANL A, #0FH ORL A, R1 MOV B, A MOV DPTR, #KTAB MOV R0, #00H CLR A REPE:MOVC A,@A+DPTR CJNE A, B,NEXT2 SJMP RESV NEXT2:INC R0 MOV A, R0 SJMP REPE RESV: MOV A, R0 RET KTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27H DB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DH DEB1DH,0DH,0BH,07
40、H,03H,1EH DB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DH DB 5FH,57H,5BH,5DH END 8.4 顯示器設(shè)計 顯示器顯示方式的選用 程序輸入時,涉及數(shù)字鍵及N、G、M等功能鍵。采用控制簡單,價格低廉的LED顯示器。因數(shù)控程序較長,顯示數(shù)據(jù)較多,一次把整條指令內(nèi)容全顯示出來很不經(jīng)濟(jì)。采用段顯示法,即依次顯示X、Y 、I 、J等數(shù)據(jù),一條指令顯示完,再顯示下一條指令。以減少LED數(shù)量。 系統(tǒng)分辨率為1μm,最大控制長度為1m,需6位顯示器才能滿足要求,再加上一位符號位,須7位LED,為清晰顯示N、G、X、Y符號,符號位用一位"米"字顯示。 顯示器顯示
41、方式有靜態(tài)、動態(tài)兩種。本設(shè)計采用動態(tài)掃描法,即逐個點亮各位顯示器,因視覺殘留效應(yīng),效果與全部顯示器持續(xù)點亮一樣。 顯示器接口 為實現(xiàn)顯示器動態(tài)掃描,對顯示器提供字形代碼輸入及顯示位控制,因此顯示器接口需有字形和字位控制。89C51P0口輸出BCD碼,通過驅(qū)動器、鎖存器輸出字形到LED,構(gòu)成傳送電路。 圖8.8 鍵盤與顯示系統(tǒng)電路 8.4.3 8155擴(kuò)展I/O端口的初始化 由上圖的硬件連接得到8155初始化程序: 8155有關(guān)地址寄存器端口地址為: 100H 命令字寄存器 104H 定時器低字節(jié) 105H 定時器高字節(jié) 相應(yīng)初始化程序為: ORG
42、 0A00H MOV DPTR,#100H MOV A,#7H MOVX @R0,A …… END 因為P3.3接行程開關(guān),處于高優(yōu)先級,所以IP、IE初始化為: SETB PX0 SETP PX1 CLR PT0 CLR PT1 CLR PS SETB EX0 SETB EX1 SETB ET0 SETB ET1 SETB ES CLS ET2 SETB EA PSW、TCON、TMOD初始化: MOV PSW #00H SETB IT0 SETB IT1
43、 SETB IE0 SETB IE1 SETB TR0 SETB TR1 TMOD工作在方式2,所以初始化為: MOV TMOD #66H 8.5插補(bǔ)原理 插補(bǔ)是對直線、圓弧等低次方程曲線的一種逼近方式。通過計算使沿坐標(biāo)方向的折線所構(gòu)成的圖形與加工圖形間的誤差保持在允許的范圍內(nèi)。常用的方法有逐點比較法、積分法。本設(shè)計選用逐點比較法。 逐點比較法工作原理:在控制過程中,逐步計算,判別折線運動與要求軌跡之間的偏差,決定下一步的進(jìn)給方向。用步進(jìn)電機(jī)控制工作臺沿某一方向進(jìn)給一步。一個插補(bǔ)由四個節(jié)拍組成,即偏差判別,進(jìn)給,偏差計算,終點計算。無論是直線插補(bǔ)、順圓插
44、補(bǔ)、逆圓插補(bǔ)都遵守這樣的四步原則。 8.6光電隔離電路 在實際電路中,模擬信號與數(shù)字信號之間有一個強(qiáng)電干擾的問題。光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號,對輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲,消除接地回路的干擾,有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處,使其在強(qiáng)-弱電接口,特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。故在系統(tǒng)電路設(shè)計時,應(yīng)該注意輸入信號電路與單片機(jī)連接時的隔離。在這里,采用光電藕合是最常用的方法。光電耦合器具有三個特點:①信號傳遞采取電-光-電的形式,發(fā)光部分和受光部分不接觸,能夠避免輸出端對輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾,②抑制噪聲干
45、擾能力強(qiáng);③具有耐用、可靠性高和速度快等優(yōu)點,響應(yīng)時間一般為數(shù)以內(nèi),高速型光電耦合器的響應(yīng)時間有的甚至小于10ns。在系統(tǒng)圖示中,模擬地用AGND表示,而數(shù)字地用DGND表示,以示區(qū)別。光藕電路原理圖8.9。 VCC1VCC2 R1R2 1 1 GND 圖8.9 光藕電路原理圖 8.7越界報警電路 為防止工作臺行程越界,設(shè)置限位開關(guān),本設(shè)計中有四個限位開關(guān),對應(yīng)于四種越界可能。,一旦越界,立即發(fā)出越界信號,啟動中斷方式,停止工作臺的移動。等待處理。并發(fā)出紅燈報警。在正常工作時,則是綠燈亮。兩燈均由8155PB4口控制。 8.8 總體程序控制 流程圖 總程序
46、 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP T0 ORG 0013H LJMP INT1 MAIN:MOV A,#00H MOV R0, #00H MOV DPTR,#2000H XUNHUAN :MOVX @DPTR, A INC DPTR INC R0 CJNE R0,#0FFH, XUNHUAN INC R1 CJNE R2,#0FFH, XUNHUAN MOV SP,#60H SE
47、TB PX0 SETB EX0 SETB EX1 SETB EA WE:AJMP WE GONGZUO: LCALL QIUJIAN LCALL XIANSHI LCALL CHULI 9 步進(jìn)電機(jī)接口電路及驅(qū)動 本設(shè)計選用五相步進(jìn)電機(jī)M56853S,工作方式為2細(xì)分工作方式,并選擇2CK輸入工作方式。步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動器RD-0534M驅(qū)動。而單片機(jī)控制驅(qū)動器啟動和停止及正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的脈沖按順序供給電機(jī)各相,脈沖發(fā)生由驅(qū)動器內(nèi)部自動產(chǎn)生,并且具有各種系統(tǒng)保護(hù)。RD-0534M驅(qū)動器的主要控制端有: 順時方向控制端CW;逆時方向控制
48、端CCW;運行方式控制端4PIN,所需聯(lián)接控制信號由2#8155PB口控制。 X、Y向步進(jìn)電機(jī)各用一個驅(qū)動器控制,電機(jī)以五相方式工作。由于RD-0534M驅(qū)動器具有良好的工作性能,并且又具有較強(qiáng)的保護(hù)功能,所以系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定。 單片機(jī)控制RD-0534M工作時有一個脈沖電流的要求,故在兩者之間加了控制三極管。以滿足控制要求。 圖9.1 硬件連接圖 單片機(jī)實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制主要在于脈沖分配,實現(xiàn)脈沖分配(也就是通電換相控制)的方法有兩種:軟件法和硬件法。這里通過單片機(jī)發(fā)出信號經(jīng)過環(huán)形分配器驅(qū)動放大直接控制,需要采用軟件實現(xiàn)脈沖分配。 橫向進(jìn)給采用五相十拍步進(jìn)電機(jī),五相十拍工作方式通電
49、換相的正序為:AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB,共有10個通電狀態(tài)。如果P1.4-P1.0輸出的控制信號中,0代表使繞組通電,1代表使繞組斷電,P1.7-P1.5三相六拍步進(jìn)電機(jī),設(shè)為1(即五相十拍步進(jìn)電機(jī)工作,三相六拍步進(jìn)電機(jī)不工作),控制則可用10個控制字來對應(yīng)這10個通電狀態(tài)。這10個控制字如表9.1所列。 9.1 狀態(tài)控制字 通電狀態(tài) P1.4(E) P1.3(D) P1.2(C) P1.1(B) P1.0(A) 控制字 AB 1 1 0 0 1 FCH ABC 1 1 0 0 0 F8H BC 1
50、 1 0 0 1 F9H CBD 1 0 0 0 1 F1H CD 1 0 0 1 1 F3H CDE 0 0 0 1 1 E3H DE 0 0 1 1 1 E7H DEA 0 0 1 1 0 E6H EA 0 1 1 1 0 EEH EAB 0 1 1 0 0 ECH 軟件脈沖分配子程序 正轉(zhuǎn)程序為: CW: INC R0 CJNE R0,#0AH,ZZ MOVE R0,#00H ZZ: MOV A,R0 MOV DPT
51、R,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET ABC: DB 0FCH,0F8H,0F9H,0F1H,0F3H DB 0E3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH 反轉(zhuǎn)程序為: CCW: DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#09H FZ: MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET 縱向進(jìn)給采用三相六拍步進(jìn)電機(jī),三相六拍工作方式通電換相的正序為:A-AB-B-BC-
52、C-CA,共有6個通電狀態(tài)。如果P1.7-P1.5輸出的控制信號中,0代表使繞組通電,1代表使繞組斷電,P1.4-P1.0五相十拍步進(jìn)電機(jī),設(shè)為1(即三相六拍步進(jìn)電機(jī)工作,五相十拍步進(jìn)電機(jī)不工作),控制則可用6個控制字來對應(yīng)這6個通電狀態(tài)。這6個控制字如表9.2所列。 表9.2 狀態(tài)控制字 通電狀態(tài) P1.7(C) P1.6(B) P1.5(5) 控制字 A 1 1 0 DFH AB 1 0 0 9FH B 1 0 1 BFH BC 0 0 1 3FH C 0 1 1 7FH CA 0 1 0 5FH 軟件脈沖分配子程
53、序 正轉(zhuǎn)程序為: CW: INC R1 CJNE R1,#0AH,ZZ MOVE R1,#00H ZZ: MOV A,R1 MOV DPTR,#AB MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A RET AB: DB 0DFH,9FH,0BFH,3FH,7FH,5FH 反轉(zhuǎn)程序為: CCW: DEC R0 CJNE R0,#0FFH,FZ MOV R0,#09H FZ: MOV A,R0 MOV DPTR,#ABC MOVC A,@
54、A+DPTR MOV P1, 結(jié) 論 通過對數(shù)控激光切割機(jī)的整體設(shè)計,確定了一臺合理的立式機(jī)床結(jié)構(gòu)。 1、根據(jù)題目要求,設(shè)計出了一個結(jié)構(gòu)合理的XY軸工作臺,同時對工作臺進(jìn)行了受力分析、設(shè)計計算,對滾珠絲杠傳動系統(tǒng)傳動效率、強(qiáng)度等也進(jìn)行了相應(yīng)的計算,對直線滾動導(dǎo)軌如何選型進(jìn)行了深度分析,確定步進(jìn)電機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了慣性負(fù)載計算、剛度討論等,分別來驗證了其合理性。 2、利用單片機(jī)(本設(shè)計采用了89C51為主控芯片),設(shè)計出了一個比較合理的數(shù)控硬件電路與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動相匹配的數(shù)控軟件連接,由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)XYZ方向的運動。 3、在設(shè)計中對機(jī)床數(shù)控部分的I/O進(jìn)行了擴(kuò)展
55、,并對鍵盤和顯示器進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計,對程序進(jìn)行了初始化。 4、基本完成了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控激光切割機(jī)的設(shè)計,按此設(shè)計的切割機(jī)可以滿足生產(chǎn)的實際需要。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 張學(xué)仁.數(shù)控電火花線切割加工技術(shù).哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社,2000 [2] 李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ).北京:北京航空航天大學(xué)出版社出版,2002 [3] 鄭玉華.典型機(jī)械(電)產(chǎn)品構(gòu)造.北京:北京科學(xué)出版社,2006 [4] 陳嬋娟.數(shù)控機(jī)床設(shè)計.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006 [5] 李秉操等.單片機(jī)原理及其在工業(yè)控制中的應(yīng)用.陜西:陜西電子編輯部,1991 [6] 文秀蘭等.超精密加工技術(shù)與設(shè)備.北京:化學(xué)工業(yè)出版
56、社,2006 [7] RORZE株式會社.RORZE綜合手冊.1996 [8] 胡傳昕.特種加工手冊.北京:北京出版社,2001 [9] 林其俊.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng).北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,1991 [10] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計.北京:兵器工業(yè)出版社,1999 [11] 趙萬生.電火花加工技術(shù).哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社,2000 [12] 徐灝.新編機(jī)械設(shè)計師手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社版,2006 [13] 余承業(yè)等.特種加工新技術(shù).北京:北京國防工業(yè)出版社,1995 [14] 馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999 [15] 劉書華.數(shù)控機(jī)床與編程
57、.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001 [16]S.卡爾帕基安,S.R.施密德.制造工程與技術(shù)(機(jī)加工)(英文版)及學(xué)習(xí)輔導(dǎo)(上冊).北京:機(jī)械工業(yè)出版社 ,1998 [17] Patton W.J. Mechanical Power Transmission. New Jersey:Printice-Hall,1980 致 謝 經(jīng)過3個月的忙碌和工作,本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲,作為一個本科生,由于經(jīng)驗的匱乏,難免有許多考慮不周全的地方,如果沒有指導(dǎo)教師的督促指導(dǎo)以及同學(xué)們的支持,想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師喬水明老師。他平日里工作繁多,但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段,從外出實習(xí)到查閱資料,設(shè)計草案的確定和修改,中期檢查,后期詳細(xì)設(shè)計,裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。除了敬佩喬老師淵博的學(xué)識外,他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、平易近人的作風(fēng)和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣,并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝大學(xué)四年來所有的老師,為我們打下機(jī)械專業(yè)知識的基礎(chǔ);同時還要感謝所有的同學(xué)們,正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。 最后感謝攀枝花學(xué)院四年來對我的栽培。
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