數(shù)控XY工作臺(tái)設(shè)計(jì).doc

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1、 目錄 摘要: ………………………………………………..1 1.前言: 2 2.設(shè)計(jì)任務(wù) 2 2.1設(shè)計(jì)說明....................................................2 2.2設(shè)計(jì)要求....................................................2 3.總體方案的確定 2 3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 2 3.1.1導(dǎo)軌副的選用..............................................2 3.1.2絲杠螺母副的選用.....................

2、.....................2 3.1.3減速裝置的選用............................................3 3.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用..........................................3 3.1.5檢測(cè)裝置的選用............................................3 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 3.3 繪制總體方案圖 3 4.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 4 4.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 4 4.2 鉆削力的計(jì)算 4 4.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型(

3、縱向) 4 4.3.1 塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選?。? 4.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算.....................................5 4.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 5 4.4.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算....................................5 4.4.2 最大動(dòng)工作載荷FQ的計(jì)算..................................5 4.4.3 初選型號(hào).................................................5

4、 4.4.4 傳動(dòng)效率η的計(jì)算.........................................5 4.4.5 剛度的驗(yàn)算...............................................6 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核...........................................6 4.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 6 4.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 7 4.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq...................7 4.6.2 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq.....

5、...........7 4.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定...............................9 4.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核.....................................9 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 10 6. 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 10 7.工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 7.1系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容........................................11 7.2軟件設(shè)計(jì)......................................................11

6、7.2.1系統(tǒng)控制功能分析............................................11 7.2.2系統(tǒng)管理程序控制............................................11 7.2.3自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)............................................12 7.2.4步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì).......................................13 7.2.5編語言程序設(shè)計(jì).............................................1

7、6 8.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 17 9.總結(jié)與體會(huì)…………………………………………18 10.致謝詞…………………………………………….19 參考文獻(xiàn)………………………………………………20 附錄一…………………………………………………21 摘 要 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展,微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng),應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素:機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技

8、術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。 關(guān)鍵字:機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢(shì) 1.前言 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透,導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域,由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化,使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化,使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化

9、”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。 X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件,如數(shù)控車床的縱—橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺(tái),通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副,以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠,滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化,由專門廠家生產(chǎn),設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可??刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要,可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī),也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。

10、 2.設(shè)計(jì)任務(wù) 題目:X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì) 2.1、設(shè)計(jì)說明: 設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易的微機(jī)控制X-Y工作臺(tái),總體設(shè)計(jì),機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì),編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。 2.2、設(shè)計(jì)要求: (1)固定在Z4012型12mm臺(tái)式鉆床的工作臺(tái)上; (2)能批量加工最大面積為150x100平方毫米的印制電路板上許多孔; (3)最大孔徑可達(dá)6mm; (4)定位精度0.01mm; (5)由串口輸入位置坐標(biāo); (6)孔號(hào)顯示; (7)最大速度5米每分鐘。 3.總體方案的確定 3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 3.1.1導(dǎo)軌副的選用 腰設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺(tái),需要承受的載荷不大,而且脈

11、沖當(dāng)量小,定位精度高,因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副,它具有摩擦系數(shù)小,不易爬行,傳動(dòng)效率高,結(jié)構(gòu)緊,安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 3.1.2絲杠螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng),需要滿足0.004mm沖當(dāng)量和mm的定位精度,滑動(dòng)絲杠副為能為力,只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求,滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 3.1.3減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后,為了圓整脈沖當(dāng)量,放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,可能需要減速裝置,且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu),選用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。 3

12、.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm,定位精度也未達(dá)到微米級(jí),空載最快移動(dòng)速度也只有因此3000mm/min,故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī),因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以降低成本,提高性價(jià)比。 3.1.5檢測(cè)裝置的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后,可選開環(huán)控制,也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高,為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步,決定采用半閉環(huán)控制,擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個(gè)方向

13、的加工范圍相同,承受的工作載荷相差不大,為了減少設(shè)計(jì)工作量,X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1)設(shè)計(jì)的X-Z工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控車床上,其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位,兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能,所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 2)對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制,選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU,能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。 3)要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng),在選擇CPU之后,還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器,鍵盤與顯示電路,I/O接口電路,D/A轉(zhuǎn)換電路,串行接口電路等。 4)選

14、擇合適的驅(qū)動(dòng)電源,與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。 3.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖所示。 圖3.31總體方案圖 4.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 4.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約為800N 4.2鉆削力的計(jì)算 設(shè)零件的加工方式為立式銑削,采用硬質(zhì)合金立麻花鉆,工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得的鉆削力計(jì)算公式為: (6-11) 今選擇麻花鉆的直徑為d=15mm,齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大鉆削力,在不對(duì)稱鉆削情況下,取最大鉆

15、削寬度為,背吃刀量=7mm ,每齒進(jìn)給量,麻花鉆轉(zhuǎn)速。則由式(6-11)求的最大鉆削力: 采用鉆削時(shí),各鉆削力之間的比值可由表查得,估算三個(gè)方向的鉆削力分別為:,,。圖3-4a為臥銑情況,現(xiàn)考慮鉆削,則工作臺(tái)受到垂直方向的鉆削力,受到水平方向的鉆削力分別為和。今將水平方向較大的鉆削力分配給工作臺(tái)的縱向,則縱向鉆削力,徑向鉆削力為。 4.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型(縱向) 4.3.1 塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺(tái)為水平布置,采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式??紤]最不利的情況,即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)

16、滑塊承擔(dān),則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為: (6-12) 其中,移動(dòng)部件重量G=800N,外加載荷,代入式(6-12),得最大工作載荷=686N=0.686kN。 查表根據(jù)工作載荷=0.686kN,初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型,其額定動(dòng)載荷,額定靜載荷。 任務(wù)書規(guī)定加工范圍為200×150㎜,考慮工作行程應(yīng)留有一定余量,查表選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為520mm。 4.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算 上述所取的KL系列JSA-LG25系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過C,每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊,精度為4級(jí)

17、,工作速度較低,載荷不大。分別取硬度系數(shù)f=1.0,溫度系數(shù)f=1.00,接觸系數(shù)f=0.81,精度系數(shù)f=0.9,載荷系數(shù)f=1.5,代入式(3-33),得距離壽命: L= 遠(yuǎn)大于期望值50Km,故距離額定壽命滿足要求。 4.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 4.4.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算 如前所述,在立銑時(shí),工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷(與絲杠軸線平行)Fx=1408N,受到橫向載荷(與絲杠軸線垂直)Fy=320N,受到垂直方向的載荷(與工作臺(tái)面垂直)Fz=486N. 已知移動(dòng)部件總重量G=800N,按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算,取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1,滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)=0

18、.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷: Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 4.4.2 最大動(dòng)工作載荷FQ的計(jì)算 設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min,初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=80r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=72(單位為:106r)。 查表,取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時(shí),取硬度系數(shù)fH=1.0,代入式(3-23),求得最大動(dòng)載荷: FQ= 4.4.3 初選型號(hào)

19、 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程,選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副,為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式,其公稱直徑為20mm,導(dǎo)程為5mm,循環(huán)滾珠為3圈*1系列,精度等級(jí)取5級(jí),額定動(dòng)載荷為9309N,大于FQ,滿足要求。 4.4.4 傳動(dòng)效率η的計(jì)算 將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)],得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角ψ=10′,代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動(dòng)效率η=96.4%。 4.4.5 剛度的驗(yàn)算 (1) X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單

20、推”的方式。絲杠的兩端各采用-對(duì)推力角接觸球軸承,面對(duì)面組配,左、右支承的中心距約為a=500mm;鋼的彈性模量E=2.1х105Mpa;查表得滾珠直徑Dw=3.175mm,絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12m。 忽略式(3-25)中的第二項(xiàng),算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量mm=0.0180mm.。 (2) 根據(jù)公式,求得單圈滾珠數(shù)Z=20;該型號(hào)絲杠為單螺母,滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31,代入公式Z圈數(shù)列數(shù),得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預(yù)緊時(shí),取軸向預(yù)緊力/3=519N。則由式(3-27),求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。 因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力,且為軸向

21、負(fù)載的1/3,所以實(shí)際變形量可以減少一半,取=0.0012mm。 (3) 將以上算出的和代入,求得絲杠總變形量(對(duì)應(yīng)跨度500mm)=0.0192mm=19.2 本例中,絲杠的有效行程為330mm,由表知,5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時(shí),行程偏差允許達(dá)到25,可見絲杠剛度足夠。 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式(3-28)計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷FK。取支承系數(shù)=1;由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88;壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3(絲杠臥式水平安裝);滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式(3-28),得臨界載荷FK=1557N,故絲

22、杠不會(huì)失穩(wěn)。 綜上所述,初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 4.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 為了滿足脈沖當(dāng)量的的設(shè)計(jì)要求,增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,同時(shí)也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上盡可能的小,今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪機(jī)減速,采用一級(jí)減速,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與齒輪相連,滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)。 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=0.004mm/脈沖,滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm, 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75°。根據(jù)式(3-12),算得減速比: =(0.755)/(3600.004)=25/10 本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)有

23、限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm,齒數(shù)比為75:30,材料為45調(diào)質(zhì)鋼,齒表面淬硬后達(dá)到55HRC。減速箱中心距為[(75+30)1/2]mm=57mm,小齒輪厚度為20mm,雙片大齒輪厚度均為10mm。 4.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 4.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq 已知:滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm,總長(zhǎng)l=500mm,導(dǎo)程Ph=5mm,材料密度=7.8510-5kg/;移動(dòng)部件總重力G=800N;小齒輪齒寬b1=20mm.,直徑d1=30mm,大小齒輪齒寬b2=20mm,直徑d2=75mm;傳動(dòng)比i=25/10。 如表4-

24、1所示,算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下: 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw=0.517kg·cm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz1=0.125 kg·cm2;大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz2=4.877 kg·cm2。 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90YBG2602,為兩相混合式,由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn),二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距角為0.75°,從表查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4 kg·cm2。 則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: =5.087 kg·cm2

25、 4.6.2 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq 分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 1) 快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式(4-8)可知,包括三部分;一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩;一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高,根據(jù)式(4-12)可知,相對(duì)于和很小,可以忽略不計(jì)。則有: =+ (6-13) 根據(jù)式(4-9),考慮傳動(dòng)鏈的總效率,計(jì)算空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩: =

26、 (6-14) 其中: =1562.5r/min (6-15) 式中—空載最快移動(dòng)速度,任務(wù)書指定為3000mm/min; —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角,預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75; —脈沖當(dāng)量,本例=0.004mm/脈沖。 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時(shí)間,傳動(dòng)鏈總效率。則由式(6-14)求得: = 由式(4-10)知,移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí),折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為: = (6-16) 90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 式中——導(dǎo)軌的摩擦因素,滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005 ——垂直方向的銑削力,空載時(shí)取0 —

27、—傳動(dòng)鏈效率,取0.7 最后由式(6-13)求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩: =+=0.2988Nm (6-17) 2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式(4-13)可知,包括三部分:一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩;一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩,相對(duì)于和很小,可以忽略不計(jì)。則有: =+ (6-18) 其中折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式(4-14)計(jì)算。有:

28、 再由式(4-10)計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下,移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩: 最后由式(6-18),求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩: =+=0.643N/m (6-19) 最后求得在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為: 4.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大,當(dāng)輸入電壓降低時(shí),其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降,可能造成丟步,甚至堵轉(zhuǎn)。因此,根據(jù)來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí),需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足: (6-20) 初

29、選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG2602,查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=6Nm??梢?,滿足要求。 4.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1)最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/min,脈沖當(dāng)量/脈沖,由式(4-16)求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.6Nm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.643Nm,滿足要求。 2)最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min,求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率。在此頻率下,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.7Nm,大于快速

30、空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.2988Nm,滿足要求。 3)最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 與快速空載移動(dòng)速度=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查表知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000,可見沒有超出上限。 4)起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率。由式(4-17)可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為: 說明:要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步,任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于。實(shí)際上,在采用軟件升降頻時(shí),起動(dòng)頻率選得更低,通常只有100。 綜上所述,本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90

31、BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī),完全滿足設(shè)計(jì)要求。 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制,可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角,可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí),需要控制系統(tǒng)發(fā)出個(gè)步進(jìn)脈沖。考慮到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號(hào),可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分,因此,編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角,編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。 此次設(shè)計(jì)選用的編碼器型號(hào)為:ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型,孔徑10mm,與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配,電源

32、電壓+5V,每秒輸出120個(gè)A/B脈沖,信號(hào)為電壓輸出。 6. 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖所示。 圖6.1進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 7 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 7.1系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個(gè)部分: 1、系統(tǒng)管理程序:它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令,執(zhí)行命令,從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié),使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。 2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。 3、插補(bǔ)程

33、序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ),分配進(jìn)給脈沖。 4、伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度,轉(zhuǎn)角以及方向。 診斷程序。包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理,緊急停機(jī)處理,系統(tǒng)故障診斷,查錯(cuò)等功能。 6、機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。 7、鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作,顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。 7.2軟件設(shè)計(jì) 7.2.1系統(tǒng)控制功能分析 數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括: (1)、系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155,8255A進(jìn)行必要的初始化工作,預(yù)置接口工作方式控制字。 (2)、工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位,亦可手動(dòng)復(fù)位

34、。 (3)、輸入和顯示加工程序。 (4)、監(jiān)視按鍵,鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān),鍵盤掃描等功能。 (5)、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng),并顯示相應(yīng)的指示字符。 (6)、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。 (7)、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。 (8)、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。 7.2.2系統(tǒng)管理程序控制 管理稱許是系統(tǒng)的主程序,開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí),應(yīng)確定接收命令的形式,系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有:輸入加工程序,自動(dòng)加工,刀位控制,工作臺(tái)位置控制,手動(dòng)操作,緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分

35、析,設(shè)計(jì)管理程序流程圖如下所示 開始 系統(tǒng)初始化 加工程序輸入鍵按下? 機(jī)床復(fù)位 N 加工數(shù)據(jù)輸入 自動(dòng)加工 手動(dòng)加工鍵按下? 自動(dòng)加工鍵按下? N Y N 手動(dòng)調(diào)整 Y Y N 圖7.1管理程序流程 7.2.3自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì) (1)機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序:工作臺(tái)移動(dòng)到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位

36、置; (2)計(jì)算機(jī)在加工過程中的操作:讀取刀具軌跡,控制機(jī)床完成加工; (3)由以上分析,設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示: 入口 零件坐標(biāo)地址指針 讀零件坐標(biāo) 調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序 工作臺(tái)移動(dòng)到位 刀具快進(jìn) 加工 快速退刀 零件坐標(biāo)地址指針加1 零件加工完成 N Y 返回 圖7.2 7.2.4步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度,轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí),由于負(fù)載和慣性,會(huì)使電機(jī)失步,所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有

37、一個(gè)加,減速過程。 通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔,即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。 (1)時(shí)間常數(shù)的確定 在步進(jìn)電機(jī)控制程序中,利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷,延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔。此間隔由送入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算: 式中:T為脈沖時(shí)間間隔(ms);為單片機(jī)機(jī)器周期(s),在時(shí)鐘為6MHz時(shí),=2s。 (2)步進(jìn)電機(jī)加,減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔的確定 設(shè)步進(jìn)電機(jī)加,減速方式為直線加,減速。 要使步進(jìn)電機(jī)不失步,應(yīng)滿足: 式中:為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩;為負(fù)載力矩;為慣性力矩。 由步進(jìn)電機(jī)=3.92N.m,取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動(dòng)力矩 則使步進(jìn)電機(jī)

38、不失不的慣性力矩 步進(jìn)電機(jī)角加速度 又 式中:為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需時(shí)間,所以有: 加速脈沖個(gè)數(shù): 確定加減脈沖個(gè)數(shù)都為54個(gè) 又因?yàn)椋? 所以脈沖時(shí)刻 結(jié)合可以算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)間常數(shù)。 EPROM存儲(chǔ)器中,時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中,每個(gè)時(shí)間常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字節(jié),低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位,高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。 在程序中,設(shè)置加速,恒速,減速脈沖計(jì)數(shù)器N0,N1,N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示: 步進(jìn)電機(jī)控制子程序: 開始 中斷初始化

39、 設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針 首地址指向1000H 加速 減速 脈沖計(jì)數(shù)器賦初值 恒速 送時(shí)間常數(shù)至計(jì)數(shù)器中 N 返回 關(guān)中斷? 開中斷 啟動(dòng)定時(shí)器 Y

40、 圖7.3 步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序: 中斷服務(wù)程序入口 送時(shí)間常數(shù) 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步 N0=0? N1=0? 時(shí)間常數(shù)地址指針加1 N1←N1-1 N2=0? N0←N0-1 時(shí)間常數(shù)地址指針加1 關(guān)中斷 N2←N2-1 中斷返回

41、 圖7.4 7.2.5編語言程序設(shè)計(jì) (1)內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H; 恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H,高8位字節(jié)地址位22H; 減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址位23H。 加速,減速,恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H,高位字節(jié)地址位25H; 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序,步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。 (2)程序清單 見附錄一 8.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG2602型,生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型,輸入電壓為

42、1000VAC,相電流為4A,分配方式為二相八拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式如圖所示。 圖8.1 BD28Nb型驅(qū)動(dòng)電源接線圖 9. 總結(jié)與體會(huì) 整個(gè)系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng),進(jìn)給系統(tǒng)采用了CM系列滾珠絲桿副,其型號(hào)為:CM2005-5。以提高整個(gè)系統(tǒng)的精神要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng),而且其實(shí)軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動(dòng),采用一個(gè)深溝來保證其徑向的圓跳動(dòng)。用PWM脈寬調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)電壓的平均值,電路中采用了阻容滯后電路,來防止H型橋式功率放大器中兩對(duì)IGBT功率

43、管同時(shí)導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象,能夠有效的控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速,同時(shí)為了保證一定的精度的要求,系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測(cè)器,來檢測(cè)伺服電機(jī)的位置,通過單片機(jī)對(duì)光電編碼器反饋信號(hào)處理來達(dá)到預(yù)期的精度要求。在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性,考慮滿足精度的要求,因此對(duì)于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度,因此設(shè)計(jì)的成本較高 10.致謝詞 通過這次設(shè)計(jì),我學(xué)會(huì)了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過改進(jìn)并加入自己的想法與觀點(diǎn),使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識(shí),培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際以及分析和解決工程實(shí)際

44、問題的才能,并使大學(xué)三年所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展。在此,我對(duì)我的老師表示衷心的感謝,感謝他對(duì)我的嚴(yán)格要求,感謝他的監(jiān)督和指導(dǎo)。其次我要感謝這三年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識(shí)。最后還要感謝參考文獻(xiàn)中所列書籍、文章及資料的作者。 參考文獻(xiàn) (1) 任玉田.機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù).北京:北京理工大學(xué)出版社,1996 (2) 黃尚先.現(xiàn)代機(jī)床數(shù)控技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996 (3) 白恩遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008

45、 (4) 姜培剛編 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社(2004年9月版) (5) 黃筱調(diào)等編 機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社(第一版) (6) 趙松年、張奇鵬主編《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 北京:機(jī)械工業(yè)出版社 附錄一 程序清單 N0 EQU 20H ;加速 N1L EQU 21H ;恒速 N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;減速 NL EQU 24H ;脈沖總數(shù)寄存器 NH

46、EQU 25H DS EQU 26H ;地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H 0E00 758160 START: MOV P,#60H 0E03 758901 MOV TMOD,#01H ;設(shè)計(jì)數(shù)器工作方式為1,16位定時(shí)器 0E06 75201B MOV N0,#01A4H ;設(shè)N0為320 0E09 75231B MOV N2, #1A4H 0E0C E520 MOV

47、A , N0 ;計(jì)算2XN0 0E0E 23 RL A 0E0F F8 MOV R0, A 0E10 C3 CLR C ;計(jì)算N1=N-2N0 0E11 E524 MOV A, NL 0E13 98 SUBB A, R0 0E14 F521 MOV N1L, A 0E16 E525

48、 MOV A, NH 0E18 9400 SUBB A,#00H 0E1A F522 MOV N1H,A 0E1C 901000 MOV DPTR, #1000H ;設(shè)時(shí)間常數(shù)指針初值為1000H 0E1F 752600 MOV DS, #00H ;設(shè)地址偏移量初值為00H 0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ;從EPROM中讀時(shí)間常數(shù) 0E23 F58A

49、 MOV TL0, A ;送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A,DS 0E2 93 MOVC A,@A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0,A 0E2C 0526 INC DS 0E2E D2AF SETB EA ;開中斷允許 0E3

50、0 D2A9 SETB ET0 ;允許定時(shí)器0中斷 0E32 D28C SETB TR0 ;啟動(dòng)定時(shí)器0開始計(jì)算 0E34 20AFFD WAIT:JB EA,WAIT ;中斷允許返回 0E37 22 RET 中斷服務(wù)程序: ORG 000BH 000B 02F00 LJMP 0F00H 0F00 93

51、 MOVC A,@A+DPTR 0F03 F58A MOV TL0, A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526 MOV A,DS 0F09 93 MOVC A,@A+DPTR 0F0A F58C MOV TH0, A 0F0C 0526 INC DS ;修改地址偏移量指針 0F0E D180

52、ACALL FEED ;調(diào)FEED子程序 0F10 E520 MOV A, N0 ;判斷N0是否為0 0F12 B400 CJNE A, #00H, LOOP1 0F15 E52 MOV A, N1H ;判斷N1是否為0 0F17 B40010 CJNE A,#00H, LOOP2 0F1A E522 MOV A,N1H 0F1C B4000B CJNE A,#

53、00H,LOOP2 0F1F E523 MOV A,N2 判斷N2是否為0 0F21 B40014 CJNE A,#00H,LOOP3 0F24 C2AF CLR EA ;N2為0 ,減速結(jié)束,關(guān)中斷 0F26 32 RETI 0F27 1520 LOOP1:DEC N0 ;N0不為0,則N0←N0-1 0F29 32 RETI 0F2A

54、 E521 LOOP2:MOV A,N1L ;N1不為0,則N1←N1-1 0F2C C3 CLR C 0F2D 9401 SUBB A, #01H 0F2F F521 MOV N1L, A 0F31 E522 MOV A, N1H 0F33 9400 SUBB A,#00H 0F35 F522 MOV N1H,A 0F37 32 RETI 0F38 1523 LOOP3:DEC N2 ;N2不為0,則N2←N2-1 0F3A 32 RETI 25

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