机械设计及自动化专业综合试验指导书

1、机械设计及自动化专业综合实验李晓利 李大寨北京航空航天大学机械工程及自动化学院机械工程及自动化系2016年8月31日实验总则 自控与电子集成技术的发展使机电一体化成现代设计的发展方向，这种趋势，促使社会在人才选择上对机电综合能力与实际操作技巧的重视。因此，机电一体化实验是顺应社会需要而设置，意在提高学生机电知识综合应用能力与设计水平。 微型计算机中的主要部件均属于典型的机电一体化产品，因此，本项实验就以计算机中的软盘驱动器与光盘驱动器为实验体，围绕着机械结构与电路控制设置六项实验，即：实验一：软盘驱动器拆装实验。实验二：软盘驱动器的结构、工作原理、运动分析及主要零件测绘实验。实验三：光驱拆装及

2、结构分析实验。实验四：软盘驱动器磁头运动控制和编程实验。实验五：光驱光学头运动控制和编程实验。实验六：软盘驱动器磁头运动寻道综合测试实验其中，实验一、二、三、六属于机械结构分析及测试部分，实验四、五是电路控制及编程实验，两部分内容紧密结合，组成一个有机的整体。通过上述六项实验，机电一体化实验包括了产品开发与产品设计中的功能分析、结构设计、控制设计、控制编程及运动测试与误差分析的全过程。为达到预期目的，要求实验者必须做到：1. 按实验安排时间准时入室，不得缺席、迟到或早退。严格遵守实验室一切规章制度，按操作规程独立完成实验。2. 上课前认真阅读实验指导书，认真听老师讲解，按指定席位进行实验，不得

3、窜位及私自调换。有问题及时问老师，不得擅自动试验系统内的非实验环节。3. 实验过程要小心仔细，拆卸下来的零件要放入指定的器皿内，不得损坏或丢失实验原件、工具。4. 实验完毕要认真填写实验报告，数据要真实，不得修改，分析要透彻。5. 实验结束后应切断电源，整理全部仪器、工具、实验桌凳及垫子，并经请示老师后离开实验室。实验一 软盘驱动器拆装实验一. 实验目的1. 了解软盘驱动器的功能原理。2. 了解软盘驱动器的运动规律。3. 了解软盘驱动器的结构原理、结构特点、结构与运动之间的对应关系。二. 实验器具软盘驱动器一个仪表改锥一套零件盒一只三. 软盘驱动器的功能原理软盘驱动器（Floppy Disk

4、Driver）是一个机电磁结合的产品。它的任务是实现数据的读、写、抹，它由读写系统、控制系统、机械定位与运动系统组成。·读写系统由磁头、软磁盘片和读写电路组成。它的基本功能是将软磁盘控制器送来的一串编码的脉冲序列经过写电路由磁头转换成介质磁层的磁化翻转，记录在软磁盘上；或将软磁盘上记录的磁化状态经过磁头和读写电路读出数据和时钟混合的脉冲送到数据分离电路，还原成数据序列。·控制系统由控制电路、步进电机及电机组成，它的作用是接受与执行软盘控制器的信号，控制磁头的寻道与定位动作，寻找所需要的磁道和扇区进行读、写、抹操作。·机械定位与运动系统主要是实现软磁盘的送进、退出及

5、定位，磁头的寻道位移及软磁盘片的转动。它由磁盘送进机构、磁头位移机构、磁盘转动定位机构组成。四. 软盘磁片的结构软盘磁片（Mini Floppy Disk）是计算机数据信息的外部储存介质，自1976年5.25in 软盘问世之后，1968年发展到3.5in 盘，自1990年以后3.5in 盘应用成为主要趋势。因此，主要介绍3.5in 盘的结构。13.5软盘的外形与盘片结构23.5软盘的构件与装配3.5in 磁盘是由12个零件所构成，各部件名称如表11所示。各部件装配关系图见编号部件名称1盘片2粘结环或A环3金属中心环4上半外壳5下半外壳6轴垫7提升垫8快门9衬里（两片）10快门弹簧11写保护块表

6、1-1 3.5软盘部件图12。图1-2 3.5软磁盘各部件五软盘驱动器结构原理要实现数据的读写抹，软盘驱动器工作时要完成下列工艺动作：（1） 软盘片快门的打开与定位；（2） 软盘片的送进与退出及定位；（3） 寻找磁道与扇区时，软盘磁片的旋转与磁头小车的往复。图1-3 软盘驱动器结构原理图软盘驱动器是由板金件元件上、下盖板，上、下推板及基板构成的盒状体，将基板作为主体固定体，把控制电路、读写电路及运动元件固定在上面。主要结构是四部分：1 拨叉机构。实现软盘片的打开与复位。2 上下推板组成的水平与竖直的滑动机构。实现软磁盘片的送进与退出。3 丝杆、导轨机构，把步进电机的旋转转换成磁头小车的直线位移

7、运动，其中圆柱导轨起导向作用，丝杆机构起运动转换作用。4 磁盘转动机构。主要实现磁盘的定位与旋转运动，其中定位是靠机械定位和电磁定位起共同作用。图1-4 软磁盘片定位机构图六软盘驱动器的拆装步骤软盘驱动器的拆卸是由外向内，装配是由内向外，恰是拆卸的逆顺序，拆卸步骤是：1 拆上盖板。2 拆上磁头。（a） 竖直拔下磁头接口插头。（b） 拆下连接螺钉。（c） 卸下下垫片。3 拆下盖板，将卸下的下盖板垫衬到软盘驱动器的底部。4 拆护尘盖。5 拆压键。6 拆扭簧。7 拆上推板上的拉力弹簧。8 拆上推板。9 拆扭簧。10. 拆拨叉。11. 拆下推板。软盘驱动器中的元件均属薄壁件与微型零件，拆装时要严格按照

8、操作规范去操作，要正确使用工具，正确掌握拆装力的大小，避免损坏零件。七.钣金件工艺上推板是个典型的钣金件。这种设计简化了上推板的构造,减轻了重量,节省了成本,利于大批量生产。仔细观察,并思考下列问题.(1) 钣金件上的孔主要有下列作用:防止安装时反转的指示孔（图1-5）,保持弯边平整（图 1-6）,减重孔（图1-7）,用冲孔翻边方法减重和提高板件刚度（图1-8）。请结合相关资料并指出上推板上各孔的作用。图1-5 指示孔 图1-6 图1-7 减重孔 图1-8(2) 有些钣金件由于重量限制, 必须采用各种成型方法, 达到提高强度和刚度的要求,如做成弯曲件或采用压埂等方式。观察上推板采用了哪些方法来

9、提高刚度。八实验报告1 软盘驱动器的作用是什么？2 软盘驱动器由哪几部分组成？3 软盘驱动器的基本功能及对应的运动规律是什么？4 软盘驱动器的结构特点是什么？5 软盘驱动器的结构组成部分是什么？各部分的工艺动作是什么？采用什么原理或哪种运动副实现其工艺动作？6 软磁盘片送进、退出时，水平位移与竖直位移如何协调？八课外作业1窗口设计（软盘进入和退出窗口）2. 上推板设计（起固定软盘作用）3. 上磁头设计（要求工作时，上下磁头夹紧软盘磁片）4. 螺旋传动设计（为实现磁头运动）5. 软盘弹出机构设计6. 软盘快门推开设计要求： 每个题目设计2个方案，画出装配示意图，先不要求画具体尺寸，第二次上课时讨

10、论、回答，随着课程的进行再进一步细化。实验二 软盘驱动器的结构、工作原理、运动分析及主要零件测绘实验一软盘驱动器的结构软盘驱动器的结构如图21。该图主视图为软盘驱动器拆去上盖和上板后的视图。驱动器的主要零件及功能见表21。图2-1 SONY软盘驱动器结构图表 2-1零件号零件名称主要功能零件号零件名称01窗口座其上设置了软盘插入和退出的窗口12小车小车运动时，其上磁头可读取或写入各磁道信息02下推板实现插入软盘定向点位输出13步进电机驱动小车运动的电机03基座软盘驱动器的装配底座14丝杆螺旋运动副，可实现小车的直线运动04主轴驱动磁片旋转的电机主轴15扭簧使拨叉复位，推出软盘05驱动销驱动磁片

11、旋转16拨叉软盘驱动器的综合运动构件060面线插座“0”面引线插座170面磁头读或存入“0”面信息的磁头070面引线“0”面信号线18拉簧下推板复位弹簧081面线插座“1”面引线插座19稳速轮稳定磁片转速轮09导轨小车运动导轨20磁铁吸附软盘磁片，确保其与电机同步旋转10指示灯灯亮，软驱正常工作；灯灭，停止工作21推簧软盘退出键11防尘窗防止灰尘进入软驱内部二. 反应式步进电机原理1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距，以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右

12、错开2/3，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每

13、脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电

14、机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比。其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积， F与L*D*Br成正比， L为铁芯有效长度，D为转子直径， Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数），R为磁阻。力矩=力*半径，力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）。因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。三软盘驱动器的工作原理1软盘插入动作原理将3.5in软盘插入软驱窗口，软盘沿下推

15、板导向边送进，同时也受到装置于上盖的扭簧的限位夹紧作用，软盘一直被推到与拨叉件接触。此时拨叉开始推动软盘护套侧边，拨叉在绕拨叉构件转轴转动的同时，推开软盘护套，并使磁片露出，与此同时，拨叉构件底部扇形凸轮也转到相应位置，刚好使下推板能在弹簧拉力作用下沿凸轮半径侧边向后移动，从而使上板凸轮轴沿下推板斜槽相对向前运动（实际上，上板只能做垂直运动，不能做水平运动），上板凸块沿基座直槽向下运动，结果是上板和上磁头在扭簧力的作用下向下运动，上磁头刚好压在露出的磁片上，并与下磁头一起将磁片夹紧。当磁盘电机工作时，盘片旋转，磁头可读取（或存入）磁片某一磁道信息。当步进电机工作时，通过螺旋传动驱动磁头前后移动

16、，从而读取（或存入）各磁道信息。2软盘退出动作原理按下软盘退出按钮时，下推板沿扇形凸轮半径侧边向前推进，推进到一定位置后，扇形凸轮的内圆弧将在扭簧力作用下沿底板接触处滑动，同时凸轮也绕其轴转动，从而使拨叉将软盘弹出。与此同时，下推板向前运动，推动上板沿斜槽向上运动，放松磁盘，以便于拨叉将软盘弹出窗口。3四个弹簧作用（1）上板扭簧：限位和夹紧插入软驱的软盘。（2）磁头座扭簧：当软盘插入软驱时，向下压上磁头和上板，以实现软盘固定和磁头夹紧磁片。（3）拨叉构件扭簧：将软盘从软驱内弹出窗口（在按下推钮时）。（4）下推板与基座之间的拉簧：使下推板复位，同时产生向下分力，使上板向下固定软盘。四运动分析1拨

17、叉构件的定轴转动（1）使拨叉推开软盘护套。（2）拨叉将软盘弹出。2下推板沿扇形凸轮半径侧边的前后移动（1）前移：使扇形凸轮内圆弧沿底板接触处滑动，同时，凸轮绕定轴转动，拨叉在扭簧力作用下将软盘弹出。（2）后移：产生推力，使上板向下运动，固定软盘。3上磁头向下运动压紧磁片在下磁头上，以实现读取或存入磁盘信息。五结构分析与测试1上板结构分析（1）上板的4个凸轮轴：使下推板斜槽能沿轮轴移动，以完成下推板的前后移动及上板垂直运动。（2）上板的两个突出滑块：起限位作用，使上板只能垂直运动，不能水平运动。2下推板结构分析（1）既能使下推板沿扇形凸轮半径侧边前后移动，又能使扇形凸轮内圆弧沿底板接触处滑动，以

18、实现拨叉构件的定轴转动。（2）下推板上设置复位弹簧。3拨叉构件结构（1）拨叉在转动的同时，拨开软盘护套。（2）设置扭簧，使拨叉能将软盘弹出。（3）扇形凸轮，凸轮半径侧边保证下推板的前后移动，内圆弧保证拨叉构件的转动。4上磁头的结构（1）扭簧能将上磁头向下压在磁片上。（2）板簧保证上磁头的向下定轴运动。六实验报告实验目的：1通过软盘驱动器的拆卸与装配，了解其结构与组成，分析工作原理及各零件的运动和功能，尤其是中心构件拨叉的结构、运动和功能。2测绘拨叉构件，绘制其工作原理图。实验设备与工具：13.5in软盘驱动器一个2拆卸工具一套3零件盘一个4游标卡尺和钢板尺各一只实验步骤：1按拆卸程序拆下拨叉构

19、件，放置于零件盘中。2用游标卡尺和钢板尺测量拨叉构件每个部分的尺寸，数值精确到0.1mm。3边测边记录每个尺寸并编号。4用A4图纸画出拨叉构件的主视图、俯视图和侧视图。5填入测量数值，并填好标题栏。思考题：1拨叉凸轮侧边有何作用？2拨叉凸轮的内外圆弧的具体作用？3拨叉扭簧的作用？4拨叉上拨杆的作用？ 七课外作业1. 简述整个实验系统分为哪几个部分？各有什么作用？2. 简述三相反应式步进电机的工作原理？3. 磁盘驱动器上使用的是何种类型的步进电机？它是如何驱动的？4. 如何确定步进电机是单极性驱动还是双极性驱动？5. 观察磁盘驱动器上的光电限位开关，它的工作原理是什么？在磁盘驱动器中光电开关有何

20、作用？6. 查磁盘驱动器的资料。了解磁盘上相邻磁道间的间隔是多少？由此确定步进电机的步距角最大是多少？7. 查磁盘驱动器资料，了解磁盘驱动器上步进电机的最大行程是多少？8. 观察实验系统中的控制电路板，电路板上的主要元件是什么？9. 如何识别电路板上的电阻值？如何利用电阻上的色码识别电阻值？如何利用电容上的标识符确定电容大小？10. 观察实验系统中电机的运动，简述实验系统中各种开关的作用。如果电机的运动与教材叙述的不一致，请分析产生不一致的原因？11. 磁盘驱动器上使用了几种电压电源？本实验系统中使用的步进电机控制信号高低电平分别是多少？12. 利用所学电路知识，设计一个控制三相反应式步进电机

21、运动的循环脉冲分配器（输入信号是方向和步进脉冲，输出是三相步进脉冲序列）？13. 查资料，设计一个驱动三相反应式步进电机的驱动电路（功率放大电路）？14. 查资料，查找小功率步进电机集成驱动器有什么类型的芯片？列出驱动器信号、厂家、驱动电压、驱动电流、细分步数等基本参数。实验三 光驱拆装及结构分析实验一. 实验目的。1. 了解光盘驱动器的功能原理。2. 了解光盘驱动器的运动规律。3. 了解光软盘驱动器的结构原理、结构特点、结构与运动之间的对应关系。二. 实验器具光盘驱动器一个仪表改锥一套零件盒一只三. 光盘驱动器的功能原理光盘驱动器(光驱)是一个结合光学、机械及电子技术的产品。在光学和电子结合

22、方面，激光光源来自于一个激光二极管，它可以产生波长约0.54-0.68微米的光束，经过处理后光束更集中且能精确控制，光束首先打在光盘上，再由光盘反射回来，经过光检测器捕获信号。光盘上有两种状态，即凹点和空白，它们的反射信号相反，很容易经过光检测器识别。检测器所得到的信息只是光盘上凹凸点的排列方式，驱动器中有专门的部件把它转换并进行校验，然后我们才能得到实际数据。光盘在光驱中高速的转动，激光头在伺服电机的控制下前后移动读取数据。 光盘驱动器有光盘托架、升降机构、光盘旋转主轴、主轴电机、光学头、光学头驱动/定位系统和读/写电路等主要组成部分。其中主轴电机是无刷直流电机, 保证光盘以2200转/mi

23、n ; 光学系统分固定部分和移动部分,固定部分有激光光源、读、写、擦光路；移动部分有聚焦透镜、跟踪反射镜、小车和导轨等、由直线电机驱动、又叫光学头。四. 光盘结构 根据光盘结构，光盘主要分为CD、DVD、蓝光光盘等几种类型，这几种类型的光盘，在结构上有所区别，但主要结构原理是一致的。而只读的CD光盘和可记录的CD光盘在结构上没有区别，它们主要区别在材料的应用和某些制造工序的不同，DVD方面也是同样的道理。现在，我们就以CD光盘为例进行讲解。 常见的CD光盘非常薄，它只有1.2mm厚，但却包括了很多内容。从图31中可以看出，CD光盘主要分为五层，其中包括基板、记录层、反射层、保护层、印刷层等。

24、1.基板 它是各功能性结构(如沟槽等)的载体，其使用的材料是聚碳酸酯(PC)，冲击韧性极好、使用温度范围大、尺寸稳定性好、耐候性（  在自然环境下材料究竟能使用多久将其统称为耐候性）、无毒性。一般来说，基板是无色透明的聚碳酸酯板，在整个光盘中，它不仅是沟槽等的载体，更是整体光盘的物理外壳。CD光盘的基板厚度为1.2mm、直径为120mm，中间有孔，呈圆形，它是光盘的外形体现。光盘之所以能够随意取放，主要取决于基板的硬度。 2.记录层(染料层) 这是烧录时刻录信号的地方,其主要的工作原理是在基板上涂抹上专用的有机染料，以供激光记录信息。由于烧录前后的反射率不同,经由激光读取不

25、同长度的信号时,通过反射率的变化形成0与1信号，借以读取信息。目前市场上存在三大类有机染料：花菁(Cyanine)、酞菁 (Phthalocyanine) 及偶氮 (AZO) 。 3.反射层 这是光盘的第三层，它是反射光驱激光光束的区域，借反射的激光光束读取光盘片中的资料。其材料为纯度为99.99%的纯银金属。4.保护层 它是用来保护光盘中的反射层及染料层防止信号被破坏。材料为光固化丙烯酸类物质。另外现在市场使用的DVD+/-R系列还需在以上的工艺上加入胶合部份。 5.印刷层 印刷盘片的客户标识、容量等相关资讯的地方，这就是光盘的背面。其实，它不仅可以标明信息，还可以起到一定的保护光盘的作用。

26、五光盘驱动器的拆装步骤光盘驱动器的拆卸过程比较简单，拆卸步骤是：1、拆下盖板 （a）拆下联接螺钉。 （b）将下盖板靠近与微机连线的那边微微翘起，再斜抽出来。2、拆防尘盖与控制面板 （a）先拆去托盘上的防尘盖。 （b）用改锥顶开控制面板卡在上盖板的3个卡口后，再将控制面板抽出。3、拆控制电路板一共有两块控制板，小的一块负责接受面板上按钮的信号与控制托盘进出电机，大的是光驱伺服机构的控制电路。注意拆排线前记好连接方向，安装时必须按原正反方向装回。拆排线时不可强行拔出，应先将插口处灰色环先向外拉出，再慢慢拔排线。拆下电路板应放在绝缘、柔软垫衬物上，以免损坏。4、拆上盖板。拆卸过程中要严格按照操作规范

27、去操作，正确使用工具，正确掌握拆卸力大小。拆卸中特别注意对光学头、控制电路、排线的保护。六.实验报告 1、简述光盘驱动器的基本组成七.课外思考题1、目前使用的光驱的品牌及类型2、光驱与软驱在控制方面和信息存储方面的本质区别3、简述光驱的控制技术及典型的传动机构4、展望光驱的发展趋势实验四 软盘驱动器磁头运动控制及编程实验一实验目的1了解软盘驱动器的控制原理2了解软盘驱动器信号引脚的功能3了解可编程控制器的基本使用方法及编程方法二实验器具软盘驱动器控制电路一套可编程控制器和编程器各一个三用表一块三软盘驱动器信号引脚软盘驱动器与主板的连接使用34线的电缆，引脚排列见图41。下表为软盘驱动器的接口信

28、号：表4-1 软盘驱动器接口信号单号引脚是地线引脚，双号引脚为信号引脚。低电平为输入信号的有效电平。根据本实验的需要，对某些信号引脚的功能作具体介绍，其他引脚的功能详见有关资料。1驱动器选择03选择一个指定的驱动器工作。每一个驱动器都有驱动器号，该号可以在驱动器上用跳线指定。如果要使某个驱动器工作，则该驱动器号的信号引脚必须为有效。2方向选择当方向选择信号为有效状态时（低电平），磁头向内磁道方向步进；当方向选择信号为无效状态时（高电平），磁头向外磁头方向步进。3步进脉冲此信号应该为脉冲信号，一个脉冲（上升沿有效）使步进电机转动一个步距，带动磁头移动一个磁道。移动方向取决于方向选择。400磁道当

29、磁头移动到00磁道时，该引脚输出一个有效电平。四实验原理电路本实验脱开计算机，用自制的电路对软盘驱动器的磁头运动进行控制，电路见图41。该电路由四个部分组成，分别介绍如下。1电源电源直接利用微机电源。2可编程控制器脉冲电路由可编程控制器产生继电器通断信号，通过微分电路形成脉冲，经过非们对脉冲整形后送给接口引脚（引脚20）。继电器通断一次，磁头移动一个磁道。3555脉冲电路除了用可编程控制器产生脉冲外，本电路也可以使用555定时器产生连续脉冲。脉冲频率可用电位器调节。4方向控制磁头移动方向可用手动控制或可编程控制器控制。图4-1 软盘驱动器磁头运动控制原理电路五实验电路操作面板图 4-2 实验电

30、路操作面板1方向转换开关这是一个三位开关。当开关拨向上方位置时，由可编程控制器（PLC）控制磁头的移动方向。如果PLC的触点接通，磁头向软盘中心方向移动；如果PLC的触点断开，磁头向软盘外侧方向移动。当开关拨向中间位置时，磁头向软盘外侧方向移动。当开关拨向下方位置时，磁头向软盘中心方向移动。2脉冲转换开关当开关拨向上方时，由可编程控制器（或点动按钮）的触点通断信号产生脉冲。当开关拨向下方时，由555振荡器电路产生脉冲，磁头连续运动。3PLC继电器信号从可编程控制器输出的继电器通断型控制信号。上面两条线控制磁头的运动方向；下面两条线为脉冲控制。4送至PLC将信号送给PLC。从上至下排序为：地线、

31、脉冲信号线。00磁道信号线。5电位器调节555振荡器的脉冲周期。六实验步骤（a）555定时器脉冲控制实验1接通电源；2将“脉冲转换开关”拨向555定时器电路，观察磁头运动；调节电位器，观察磁头的运动速度。 (b）点动器脉冲控制实验1接通电源；2磁头沿径向返回磁盘边；3将百分表垂直顶住磁头的固定板；4调零百分表，将方向转换开关置于手动位；5脉冲转换开关置于手动位；6点动按钮，磁头向中心移动；7测量磁头随电机移动位移的距离变化并记录。（c）使用可编程控制器控制磁头运动实验1接通电源；2将“方向转换开关”和“脉冲转换开关”置于自动位；3在编程器上输入“源程序清单”；4观察并记录磁头的运动过程；5自编

32、一段源程序，并运行。七课后作业1. 观察实验指导书的第17页中的555脉冲电路图, 请指出: 如果该电路作为一个频率产生电路, 它能否产生一定频率的脉冲, 说明你的判断理由?2. 观察实验指导书的第17页中的方向控制电路, 如果该电路能控制步进电机的方向, 并且能切换到PLC 方向控制端口, 请说明它的工作原理。如果该电路有缺陷, 请问应该如何改正。3. 观察实验指导书的第17页中的脉冲发生电路, 请指出该电路有哪几处错误?4. 观察实验指导书的第17页中的电源电路, 对照实际的电路板, 指出该电路是否正确?5. 简述OMRON的PLC 输入段电路结构并画出电路原理结构图。6. OMRON P

33、LC 的I/O 端口的电源为DC24V , 如果有一个TTL 电平的输出要连接到PLC 的某一个输入端口, 请问应该如何连接, 画出连接的电路图。7. PLC 的输出端口的内部结构有几种形式? 请画出不同结构的电路图.8. 用OMRON PLC 控制一个直流电机, 输出端为继电器形式。电机供电电压为DC36V, 电流为1A ,要求PLC 能控制该电机的旋转方向, 请画出PLC 与电机的控制连接图。9. 如果用我们现在做实验的OMRON PLC 控制AC220V 100W 的交通道口的红、绿、黄灯,请问电路应该如何连接? 画出电路连接图。如果红绿灯点亮时间各为30秒, 黄灯点亮时间为5秒, 请你

34、设计一个控制交通道口信号灯切换的程序, 并用梯形图表示。10. 观察OMRON PLC 的手持编程器,简述编程器上的模式切换开关有何作用? 三种工作模式RUN/MONITOR/PROGRAM 的功能是什么?11. 观察并操作OMRON PLC 的编程器, 简述编程器操作面板上的各种功能按键的作用。实验五 光驱光学头运动控制及编程实验一实验目的1了解光盘驱动器的控制原理2了解光盘驱动器信号引脚的功能3复习可编程控制器的基本使用方法及编程方法二实验器具光盘驱动器控制电路一套可编程控制器和编程器各一个三用表一块 三光盘驱动器信号传输与引脚介绍 图5-1为系统微处理器和光驱的连线图。相关说明如下:图5

35、-1 CUP与光驱连线图 为了从STAT读取各种状态信号，系统微处理器和CD光驱之间的连线至少有8根即可。从STAT读出的信号是CRC, CLVS, TTSTOP, SQCK,SENSE, /FLICK、/TLOCK、SYFLAG。各种信号的意义CRC: 表示SUBQ数据流误差检测结果，正确时用“H”表示。CLVS: 表示CLV伺服检出结果，加上伺服时用“H”表示。不仅用于检出CLV伺服，也用于检出寻迹伺服是否稳定。TTSTOP: 表示从CLV状态变为1/5转速，1/5转速时用“H”表示。SQCK: 表示子码SUBQ数据是否可以读出，可以读出时用“H”表示。/FLICK: 表示聚焦伺服检出结果

36、，加伺服时用“L”表示。/TLOCK: 表示寻迹伺服检出结果，加伺服时用“L”表示。用于跳轨(KICK动作)之后的寻迹引入检出及聚焦引入之后的寻迹引入检出，在重放时，用CLVS信号检出寻迹伺服是否失败，若TLOCK信号用于正常重放时的寻迹伺服失败检测，因无法检出光头寻迹方向的跟踪偏移，所以用TLOCK检测没有意义。SYFLAG: 是CLV同步确立标志，表示确实引入CLV，同步确立时用“H"表示。具体地说即RESY为高电平，通过测定CLDCK的周期来完成规定的回转数，当IPFLAG满足64次连续“L”时，SYFLAG为“H”电平，切换到数字PLL时，监视这个标志，即在数字PLL切换时，

37、要确认SYFLAG是“H”电平。光盘储存器设备作为计算机的外设，必须通过总线接口与主机进行数据交换。总线接口主要采用SCSI与IDE。因为SCSI接口的灵活性、设备独立性等特点，早期光驱多采用SCSI接口。现在由于传输数据速度要求更高，因而多采用速度更快、传输数据更安全的IDE接口。光驱具体针脚定义如下：表5-1 IDE接口的针脚定义四实验原理电路方案一 用AVR ATmega16 进行控制图5-2 光盘驱动器光驱头运动控制原理电路单片机部分 PA PCAVR ATmega16 PDDD0DD7DD8DD15DIOWDIORDA0DA2CS0CS1IDE接口图5-3 AVR ATmega16与

38、IDE接口连线注：其中PD的部分具体的连线如下：PD0DIOW PD1DIORPD2DA0PD3DA1PD4DA2PD5CS1FXPD6CS2FXPD7RESET方案二 用AT89C51进行控制图5-4 AT89C51控制原理图电路说明：使用51单片机作为控制芯片，用它的P1，P2口组成16位的数据输入输出口，连接IDE的D0D15数据线。P0口用于连接IDE的读写控制、复位和寄存器控制，由于P0口的驱动力比较低，所以用10K的排阻对其上拉。晶振选用11.0592M或12M，加上上电复位电路组成典型的单片机最小系统。P3口则用于播放，前进，后退，停止和开关托盘控制按键的输入，P3.7接一个发光

39、二极管是用于显示光驱是否装载了CD光盘或是否出错了，出错或没有光盘时该LED会点亮。五光驱接口协议 ATAPI光盘驱动器作为一种标准的外设，是通过 ATA（Advanced Technology Attachment）/IDE（Integrated Drive Electronics）接口或 SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口，）总线实现与主机的物理连接的。常见的光驱接口有 ATA/IDE 和 SCSI两大类。ATA/ IDE 接口扩展标准，SCSI 总线标准均定义了相应的传输协议,传输机制，命令集等.由于实验光驱采用ATA/IDE接口

40、，以下简单介绍ATAPI的由来。ATAPI(ATA Packet Interface，ATA 包接口)就是设计用来把 CD-ROM 和磁带机之类的设备插入到普通的 ATA 端口中。ATA 定义了一寄存器组，40 芯 IDE 接口及相应的信号。ATAPI 在不变动 ATA 硬件的基础上，扩展了 ATA 传输协议，使比较大的 CD-ROM ATAPI 命令(字节数大于 8)能通过 ATA 的 8 个字节寄存器组进行传输。ATAPI 硬件的主要好处在于它成本低而且适用于任何 IDE 或 EIDE 适配器。1994 年制定的 ATA-1 是所有 IDE 规格的开始。ATA-1 提供一个通道供 2 个硬

41、盘使用（主盘master 和从盘 slave）。ATA-1 支持 PIO 模式 0、1、2，DMA 模式 0、1、2 以及Multiword-DMA 模式 0。由于它已经是老旧的规格，ATA-1 无法支持采用 ATAPI 规格ATA-4 起）的光驱。它不支持大幅提升性能的块传送模式（block mode）或是 LBA（逻辑块寻址，logical block addressing），它的可用最大硬盘容量被限制在 528 MB。到了 1996 年，ANSI 正式制定 ATA-2 规格，这项“扩充版的 ATA 接口”规格包括下列的改良：追加 PIO 模式 3、4 以及 Multiword-DMA 模

42、式 1、2。另外 ATA-2 还支持块传送模式与 LBA 硬盘寻址功能。ATA-2 也首次内建了对磁盘驱动器的简单识别功能，让 BIOS 能够独立检测硬盘以及硬盘的各项参数。ATA-3 这项规格是在 1997 年制定的，不过追加的改良点并不多。这些大多数是用来改善高速传输模式（Multiword-DMA2 与 PIO 4）下的数据可靠性，因为传统的 40-pinIDE 数据线是造成数据错误的主要因素。ATA-3 规格中首次加入了改善数据可靠性的功能：自 1998 年起，SMART（Self-Monitoring Analysis And Reporting Technology，自我检测分析与

43、报告技术）功能让硬盘能够自我检测，并将错误回报给 BIOS。1998 年 ANSI 将 ATAPI 规格纳入最新版的 ATA 规格当中，让 ATA-4 能够连接光驱与其它储存媒体。另外改良点还包括 UltraDMA 模式 0、1、2 的采用，以及建议使用 80-pin IDE 数据线以大幅提高资料可靠性等部份。不过要使用更高速的传输模式（ATA-4），较高等级的数据线也是不可或缺的一部份。为了维持资料的完整性，传输协议也获得扩充，加入了 CRC（循环冗余检查，Cyclical Redundancy Checking）功能，并且定义了额外的指令，包括命令队列（Command Queuing）以及

44、指令多任务（Command overlapping）的可能性。由于 UltraDMA 模式 2 的最大传输速率为每秒 33MB，所以通常称作 UltraDMA/33。另一方面模式 0 与 1 则从来没有厂商采用过。ATA/ATAPI-5 是在 2000 年制定的。这项规格当中以 UltraDMA 模式 3、4 最让人感兴趣。为了达到每秒 44 或 66 MB 的带宽速度，必须使用 80-pin 的 IDE 数据线。在ATA-5 规格中部份老旧的 ATA 指令已经废止，另外其它指令则经过修改，以适应更高的性能需求。ATA/ATAPI-6 这项目前相当普遍的 ATA 规格，包括了 UltraDMA

45、 模式 5，以及将LBA 模式的寻址能力由 28 位（每个硬盘最大可用容量为 137 GB）扩充到 48 位。ATA-6也加入了噪音管理（Acoustic Management）功能，可以藉由软件来控制今日硬盘的存取速度，以有效降低运转中的噪音。另外针对影音流式数据所需的高速处理内建指令，也已经在研发阶段。六光驱命令调用流程光盘驱动器作为一种标准外设，是通过 ATA/IDE 接口或 SCSI 总线实现与主机的物理连接的。ATA/IDE 接口扩展标准、SCSI 总线标准均定义了相应的传始协议、传输机制、命令集等。ATA/IDE 接口扩展标准目前主要支持硬盘驱动器和光盘驱动器。计算机与外设之间必须

46、按相应的协议标准，才能实现正确的连接与通讯。以 IDE接口为例，下图是主机与 IDE 标准外设之间的连接协议过程。图5-5 主机与IDE外设间的连接协议过程本实验将用到PIO 模式下的数据输入命令，以下简述其工作过程。输入输出是相对主机而言，输入是指数据从 CD-ROM 传向主机，输出是指数据传到 CD-ROM。光驱支持的数据输入命令包括“询问 ask”，“读 read”等，该命令在执行中将把需要的长度的数据送向主机。当不允许命令交迭操作时，图 5-4 给出了光驱数据输出命令调用流程。具体步骤如下：1）主机查询到 BSY =0 且 DRQ=0 时，初始化任务寄存器组，即把必要的参数写入特征寄存

47、器，字节计数寄存器，扇区寄存器等；2）主机将命令包代码 A0H 写入命令寄存器；3）光驱置 BSY=1，并准备接收主机传来的命令包；4）光驱准备好后，使 COD=1，IO=0，并在清 BSY 之前或同时使 DRQ=1；5）检测到 DRQ 信号后，主机将 12 字节的命令写入到数据寄存器；6）光驱：当主机把 12 字节的命令写完后，清 DRQ，置 BSY=1，读特征寄存器，字节计数寄存器，扇区寄存器等，执行命令，为数据发送做准备；图5-6 ATAPI数据输出指令调用流程7）光驱：把已准备好的数据的字节数放入字节计数器，置 IO=1，COD=0，置DRQ=1，BSY=0，置 INTRQ=1；8）主

48、机响应中断请求，先读取状态寄存器，如果状态寄存器的 DRQ 位为 1，主机从数据寄存器中读取数据，如果状态寄存器的 DRQ 位为 0，说明光驱已执行完命令。光驱撤消中断请求（INTRO=0），来响应主机对状态寄存器读取；9）光驱清 DRQ，如果还有数据需要传输，重复步骤 7-9；10）光驱数据已经传完，并把结束状态写入状态寄存器，先置 COD=1，IO=1，DRDY=1，清 BSY，DRQ，再置 INTRQ=1；11）主机检测到 INTRQ=1 和 DRQ=0，读取状态寄存器，如果有必要还会读取错误寄存器七实验步骤八课后作业1、举一实例详细阐述光盘驱动器的工作原理及控制过程实验六 软盘驱动器磁

49、头寻道综合测试实验一软盘驱动器磁头寻道原理简介此部分由带动磁盘高速旋转的主轴恒速系统及带动磁头小车直线运动的螺旋传动系统组成。主轴恒速系统见图61，由主轴电机和控制电路组成。主轴电机启动后，其测速绕组（表）输出与转速成正比的电压信号，反馈给主轴恒速控制电路，与恒定电压进行比较，根据其差值去控制功放的导通程度，按负反馈原理调整电机转速，从而达到恒速。磁头小车运动系统见图62。步进电机由脉冲信号控制其旋转方向及旋转角度，带动丝杆旋转，通过导杆带动磁头小车作直线运动。主机通过软盘适配卡，发出电机启动信号，使驱动器主轴转动，并达到额定转速。通过步进信号和方向信号控制磁头寻道到目标磁道。二实验内容（1）

50、对丝杆进行测绘并画出其零件图（2）磁头小车行程测量三实验中使用的仪器设备3.5软盘驱动器一个游标卡尺一个百分表一个四实验报告1测量及绘制丝杆零件图（要求比例为5：1）；2磁头小车行程测量 改变程序中脉冲个数，测量其所对应行程，并进行误差分析。 脉冲 行程（m）误差（m/脉冲）平均行程m/1脉冲绝对误差m/1脉冲 图6-1 主轴旋转机构结构图 图6-2 步进电机传动定位原理图五可编程控制器梯形图222100020000253150TIM000 #0050CNT011 #0002DIFU (013)20002TIM001 #0080222100001007TIM002 #0030DIFU (013

51、)20003TIM003 #0082CNT012 #0002DIFU (013)20001END (001)22210000100020000C0112000220000T001C011T000T00025501T0022000220001C01120003T003T0022000320001C011C012地址指令语句数据00000LD2531500001OR2000000002OUT2000000003LD NOTC01100004AND NOT2000200005AND2000000006TIM000#005000007LDT00100008DIFU (013)2000200009LD

52、NOTC00100010ANDT00000011TIM001#008000012LDT00000013ORT00200014AND2550100015OUT0100700016LD2000200017LD2000100018CNT011#000200019LDC01100020AND NOT2000300021TIM002#003000022LDT00300023DIFU (013)2000300024LDT00200025TIM003#008200026LD2000300027LD2000100028CNT012#000200029LDC01100030OUT0100000031LDC01200032DIFU (013)2000100033END (001)五 课外作业1某同学设计了一个步进电机的高低压驱动电路,如下图所示,但调试时发现该电路不能正常工作,请你分析