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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第一部分緒論1.1桌面貼片機(jī)現(xiàn)狀貼片機(jī)目前的發(fā)展現(xiàn)狀:貼片機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在科研領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域、民用工業(yè)制造生產(chǎn)等領(lǐng)域。而目前我國(guó)貼片機(jī)的實(shí)際情況是更依賴進(jìn)口,自主研發(fā)的占比很小,大家更信賴技術(shù)相對(duì)成熟的西方國(guó)家,而設(shè)備的成本巨大,對(duì)于本來(lái)就相對(duì)薄弱的自主研發(fā)領(lǐng)域,更加依賴于進(jìn)口本身就是特別大的打擊,而忽略了最為重要的自主研發(fā)領(lǐng)域,我們的競(jìng)爭(zhēng)性就會(huì)大打折扣,而我們所付出的進(jìn)經(jīng)濟(jì)成本高達(dá)四億多美元,這僅是2000年一年的進(jìn)口成本,最近這些年來(lái)電子信息、電子科技生產(chǎn)成為了我國(guó)多元化經(jīng)濟(jì)體系占比較大的一塊產(chǎn)業(yè),而作為生產(chǎn)設(shè)備的貼片機(jī)我們需要大量的進(jìn)口,這種狀態(tài)是反常態(tài)的,所以發(fā)展國(guó)民屬性的貼片機(jī)已經(jīng)迫在眉睫。1.2桌面貼片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)題目涉及在各種電路板的電子元件放置中起著關(guān)鍵作用。它不僅可以確保各種組件的貼裝質(zhì)量,而且還具有快速的貼裝速度。它由一臺(tái)好的自動(dòng)貼片機(jī)使用。它是一種高端的視覺(jué)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用。它不僅具有定位精度,而且可以自動(dòng)校準(zhǔn),不需要分割成電路板。因此,它可以被所有領(lǐng)域的用戶識(shí)別和追捧。具體應(yīng)用領(lǐng)域如下:1.2.1電子產(chǎn)品領(lǐng)域各種電腦主板或電源主板各種電子產(chǎn)品集成板都可以使用自動(dòng)貼片機(jī),來(lái)進(jìn)行各種電子產(chǎn)品類元件的貼裝,自動(dòng)貼片機(jī)擁有多個(gè)貼裝頭能同時(shí)進(jìn)行多種不同的元件貼裝,而且針對(duì)各種電路板所使用的各種復(fù)雜電子元件使用自動(dòng)貼片機(jī),既能高質(zhì)量的完成又能節(jié)省工作大量的操作時(shí)間。1.2.2顯示屏領(lǐng)域自動(dòng)貼片機(jī)還會(huì)常應(yīng)用于LED顯示屏上進(jìn)行使用,屏幕的表貼或廣告模常會(huì)由大量貼片發(fā)光體來(lái)組成,通過(guò)自動(dòng)的貼機(jī)片不僅能完成的更快速而且能減少人工操作上的繁瑣。1.2.3LED燈領(lǐng)域在各種LED日光燈或球泡及射燈光源貼片組裝上需要使用自動(dòng)貼片機(jī)來(lái)完成,LED燈系列都是由大量的小光源貼片組成,這種高精度的貼裝模組最適宜使用自動(dòng)貼片機(jī)來(lái)進(jìn)行安裝,能持續(xù)大批量不間斷的進(jìn)行操作而且定位精準(zhǔn)沒(méi)有失誤。上述自動(dòng)貼片機(jī)通常用于相關(guān)領(lǐng)域。當(dāng)然,只要它是與板相關(guān)的貼裝產(chǎn)品,就非常適合使用相信操作的自動(dòng)貼片機(jī),這樣可以節(jié)省操作時(shí)間并幫助企業(yè)完成大型貼紙。芯片的組裝任務(wù)可以在電子元件的放置中起重要作用。1.3桌面貼片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到的設(shè)計(jì)目的此次畢業(yè)設(shè)計(jì)所要達(dá)到的設(shè)計(jì)目的,控制系統(tǒng)采用32單片機(jī)微控制器,設(shè)計(jì)符合初始參數(shù)要求,傳動(dòng)部分滿足負(fù)載要求,盡最大使其更高效,更節(jié)省能耗。最大程度的保護(hù)環(huán)境。1.4結(jié)論如果我們一直把自己的生產(chǎn)能力建立在別人的肩膀上,我們將一直把自己生產(chǎn)業(yè)的命脈拱手交于別人的手上。將生產(chǎn)依賴于別人的科技研發(fā)生產(chǎn)之上,所謂斷其源,斬其流,倘若遭遇科技制裁,或者產(chǎn)品封鎖,我們將受制于人,只有生產(chǎn)工藝,缺失生產(chǎn)科技。而面對(duì)生產(chǎn)科技的欠缺,就同如鯁在喉,難以自制治,我們一定要構(gòu)建屬于自己的源頭,形成一條能獨(dú)立完成的生產(chǎn)鏈,不是為了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),只是讓我們有自持的能力。
第二部分可行性論證報(bào)告2.1方案設(shè)計(jì)2.1.1拱架型
基板(PCB)、元件送料器是固定的,貼片頭(安裝多個(gè)真空吸料嘴)在送料器與基板之間做XY向運(yùn)動(dòng),送料器中存放元件,貼頭在送料器中吸取出元件,通過(guò)對(duì)元件所處的位置及方向的調(diào)整,然后將原件貼放于基板上REF_Ref30546\r\h[1]。因?yàn)橘N片頭是安裝在XY向橫梁上,所以命名為拱架型。
拱架型貼片機(jī)對(duì)于元件位置及其方向的調(diào)整方法:
1)、吸嘴旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向、機(jī)械對(duì)中調(diào)整位置,這種方法所達(dá)到的精度有限存在誤差,近些年的機(jī)型已不采用REF_Ref30546\r\h[1]。
2)、吸嘴旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向、激光識(shí)別、X/Y坐標(biāo)系統(tǒng)調(diào)整位置,這種方法可實(shí)現(xiàn)在貼頭行進(jìn)過(guò)程中的識(shí)別,但并不適用于球柵列陳元件BGAREF_Ref30546\r\h[1]。
3)、吸嘴旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向、相機(jī)識(shí)別、X/Y坐標(biāo)系統(tǒng)調(diào)整位置,通常相機(jī)是被固定住的,貼片頭經(jīng)XY向傳動(dòng)行經(jīng)相機(jī)上空,相機(jī)進(jìn)行成像識(shí)別,相較于激光識(shí)別相機(jī)識(shí)別耗時(shí)更長(zhǎng),但相機(jī)識(shí)別可以識(shí)別出所有的元件,同時(shí)有實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)過(guò)程中的用于識(shí)別的相機(jī)識(shí)別系統(tǒng),但是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的某些方面做出犧牲REF_Ref30546\r\h[1]。
拱架式貼片機(jī)由于貼片頭傳動(dòng)行程過(guò)于長(zhǎng),所以傳動(dòng)速度有一定的區(qū)間局限。所以在這的基礎(chǔ)上有提升效率的辦法,第一種方法是提高吸取元件效率:同時(shí)采用多個(gè)真空吸料嘴取料,第二種方法是提高速度:采用雙梁系統(tǒng),即一個(gè)梁上的貼片頭貼放元件的同時(shí),另一個(gè)梁上的貼片頭在取料,速度提升近乎于單梁系統(tǒng)的兩倍。但在實(shí)際應(yīng)用中,不同類型的元件需要換用不同的真空吸料嘴,同時(shí)取料的條件較難達(dá)到,而換吸料嘴損耗時(shí)間REF_Ref30546\r\h[1]。
這類機(jī)型的優(yōu)勢(shì)在于:適于各種形狀、大小的元件,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,送料器有帶狀、管狀、托盤形式。適于中小批量生產(chǎn),也可多臺(tái)機(jī)組合用于大批量生產(chǎn),可實(shí)現(xiàn)高精度,甚至異型元件REF_Ref30546\r\h[1]。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1
圖1拱架式結(jié)構(gòu)圖2.1.2轉(zhuǎn)塔型
不同于拱架式貼片機(jī),轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)元件送料器放于料車上,料車作單坐標(biāo)移動(dòng),貼片頭安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)塔上,基板放于一個(gè)X/Y坐標(biāo)系統(tǒng)移動(dòng)的工作臺(tái)上,工作時(shí),元件送料器將被料車移動(dòng)到取料位置,取料時(shí)貼片頭上的真空吸料嘴在元件送料器取元件,通過(guò)轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)到貼片位置(與取料位置成180度),并且在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中需要對(duì)元件位置與方向進(jìn)行調(diào)整,最后將元件貼放在基板上REF_Ref30546\r\h[1]。
對(duì)元件位置與方向的調(diào)整方法:
吸嘴自旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向、相機(jī)識(shí)別、X/Y坐標(biāo)系統(tǒng)調(diào)整位置,通常相機(jī)是被固定住的,貼片頭經(jīng)XY向傳動(dòng)行經(jīng)相機(jī)上空,相機(jī)進(jìn)行成像識(shí)別REF_Ref30546\r\h[1]。通常,每個(gè)貼片頭上安裝2~4個(gè)真空吸嘴(較早機(jī)型)至5~6個(gè)真空吸嘴(現(xiàn)有機(jī)型),轉(zhuǎn)塔上安裝有十幾到二十幾個(gè)貼片頭。由于轉(zhuǎn)塔的特點(diǎn),將動(dòng)作細(xì)微化,工作臺(tái)移動(dòng)(包含位置調(diào)整)、角度調(diào)整、選換吸嘴、貼放元件、送料器移動(dòng)到位、取元件、元件識(shí)別等動(dòng)作都能夠在同一周期內(nèi)完成。目前最快的時(shí)間周期已經(jīng)達(dá)到0.08~0.10秒鐘一片元件。
此機(jī)型適于大批量生產(chǎn),因?yàn)樵谒俣壬陷^于其他機(jī)型此機(jī)型是優(yōu)越的,它的局限性是其只能用帶狀包裝的元件,如果是大型的集成電路(IC)、密腳,只有托盤包裝,則無(wú)法完成,對(duì)此還有需要其它機(jī)型來(lái)共同完成。這種設(shè)備造價(jià)昂貴,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,最新的機(jī)型約在US$50萬(wàn),其價(jià)格比拱架型的三倍還多REF_Ref30546\r\h[1]。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2圖2轉(zhuǎn)塔式結(jié)構(gòu)圖2.1.3復(fù)合式SMT貼片機(jī)
復(fù)合式SMT貼片機(jī)脫胎于拱架式機(jī)器,它集合了拱架式和轉(zhuǎn)塔式的特點(diǎn)。從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō),復(fù)合式SMT貼片機(jī)屬于動(dòng)臂式結(jié)構(gòu)。由于復(fù)合式SMT貼片機(jī)可通過(guò)增加動(dòng)臂數(shù)量來(lái)提高速度,具有較大靈活性,因此它的發(fā)展前景被普遍看好REF_Ref30546\r\h[1]。
轉(zhuǎn)塔式SMT貼片機(jī)主要應(yīng)用于大規(guī)模的移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)板卡、家電等產(chǎn)品的生產(chǎn)上,這是因?yàn)樵谶@些產(chǎn)品當(dāng)中,裝配密度大、阻容元件特別多,很適合采用這一機(jī)型進(jìn)行生產(chǎn)REF_Ref30546\r\h[1]。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3圖3復(fù)合式結(jié)構(gòu)圖2.2桌面貼片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行性論證2.2.1拱架型方案評(píng)價(jià)在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié),類別不同的元件所適配的吸料嘴是不同的,當(dāng)生產(chǎn)中有多種不同類別的的的元件,他的工作效率大大降低。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠用于各種類別的元件,適合中小量生產(chǎn)。2.2.2轉(zhuǎn)塔型方案評(píng)價(jià)此款機(jī)型在生產(chǎn)速度上其他機(jī)型是望其項(xiàng)背的,所以和其它的機(jī)型相比,他更適合大量生產(chǎn)。它的不足是只能生產(chǎn)某一類別的元件此外它的造價(jià)成本極高。2.2.3復(fù)合式SMT方案評(píng)價(jià)SMT貼片機(jī)主要應(yīng)用于日常生產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi),它的發(fā)展前景極其光明,現(xiàn)階段的實(shí)際應(yīng)用性還有待考量。2.3最終設(shè)計(jì)方案2.3.1工作原理表面貼裝是將所需要元件通過(guò)貼頭的裝貼及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳動(dòng)所達(dá)到的技術(shù)。
原理:
拱架型
通過(guò)單片機(jī)微控制器及驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)致使承載著貼頭的滑塊做XY方向傳動(dòng),同時(shí)控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)通過(guò)程序?qū)υc電路的貼裝進(jìn)行控制。因?yàn)樗土掀骱突迨遣灰苿?dòng)的的,所以貼裝過(guò)程簡(jiǎn)易,因存在XY向滑軌,所以命名為拱架型貼片機(jī)。
拱架型貼片機(jī)對(duì)元件位置與方向的調(diào)整方法:
1)、機(jī)械對(duì)中調(diào)整位置、吸嘴旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向,這種方法能達(dá)到的精度有限,較晚的機(jī)型已再不采用REF_Ref30546\r\h[1]。
2)、激光識(shí)別、X/Y坐標(biāo)系統(tǒng)調(diào)整位置、吸嘴旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向,這種方法可實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的識(shí)別,但不能用于球柵列陳元件BGAREF_Ref30546\r\h[1]。
3)、相機(jī)識(shí)別、X/Y坐標(biāo)系統(tǒng)調(diào)整位置、吸嘴旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向,一般相機(jī)固定,貼片頭飛行劃過(guò)相機(jī)上空,進(jìn)行成像識(shí)別,比激光識(shí)別耽誤一點(diǎn)時(shí)間,但可識(shí)別任何元件,也有實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的識(shí)別的相機(jī)識(shí)別系統(tǒng),機(jī)械結(jié)構(gòu)方面有其它犧牲REF_Ref30546\r\h[1]。2.3.2工作流程PCB板固定元件吸取位移定位元件放置PCB板固定元件吸取位移定位元件放置2.3.3控制原理桌面貼片機(jī)機(jī)的采用單片機(jī)作為控制器,開(kāi)機(jī)工作后對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化,控制系統(tǒng)通過(guò)微控制器產(chǎn)生的信號(hào),經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的信息處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整貼頭的位置,從而完成工作需要。其控制系統(tǒng)原理如圖5所示。單片機(jī)主控制器電機(jī)單片機(jī)主控制器電機(jī)電源復(fù)位電路復(fù)位電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路電源電路電源電路圖5控制原理圖2.3.4總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖6拱架式結(jié)構(gòu)圖2.4結(jié)論經(jīng)過(guò)方案分析,設(shè)計(jì)一個(gè)行程450×540×13mm;貼片精度:±0.01mm的桌面貼片機(jī)符合要求。
第三部分設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)XY軸行程:450×540mmZ軸移動(dòng)范圍:13mm精度:0.01mm3.1傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載初步估算首先將所需部件的主要參數(shù)進(jìn)行量化做好預(yù)估,為設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)鋪墊。主要部件預(yù)估算如下[13]:(1)X軸導(dǎo)軌:導(dǎo)軌的真實(shí)長(zhǎng)度是大于500mm,因?yàn)閄軸起支撐作用固定在底座,所以質(zhì)量不計(jì)。(2)Y軸橫梁:雙導(dǎo)軌型,采用合金鋼材料,實(shí)心圓柱體,其截面半徑R為8mm,長(zhǎng)度L為640mm(540+余量100),由m=ρπ式中ρ——密度(kgm3),查文獻(xiàn)[13]得,π——圓周率;R——圓柱導(dǎo)軌截面半徑(m);L——圓柱導(dǎo)軌長(zhǎng)度(m)。即Y軸橫梁總質(zhì)量my為(3)Y軸電機(jī):根據(jù)電機(jī)的預(yù)選型號(hào)查看有關(guān)文件預(yù)估m(xù)0=0.5kg?;瑝K,同步帶輪及其他附件:查看有關(guān)文件,滑塊和同步帶輪重量初步估計(jì)3.5kg。(5)Z軸總重量:Z軸的蛀牙部件貼頭以及T軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,Z軸在合理的前提下盡可能的輕。預(yù)計(jì)為1.5kg。X軸支撐總重為3.2XY驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.2.1X軸方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算1X軸負(fù)載的慣性力矩計(jì)算X軸方向的負(fù)載是交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的包括:同步帶、帶輪、貼裝頭、聯(lián)軸器、滑塊和Y軸橫梁。由于同步帶和聯(lián)軸器的質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它幾部分,所以忽略不計(jì)。(1)貼裝頭及Y軸橫梁整體轉(zhuǎn)換到伺服電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1預(yù)使Y軸直線運(yùn)動(dòng)的最大快速進(jìn)給速度,取啟動(dòng)時(shí)間t=0.1s,電機(jī)轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速N設(shè)為3000r/min,電機(jī)的角速度為ω,角加速度為ε,則有:ωε外部負(fù)載總質(zhì)量為由X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外部負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1J式中m——貼裝頭和橫梁的質(zhì)量(kg);v——Y軸橫梁的最大進(jìn)給速度(m/s);ω——角速度(rad/s)。將各數(shù)值代入計(jì)算可得到該部分換算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:(2)外部負(fù)載產(chǎn)生的慣性力矩T1T=J?ε(3-式中J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg?m2ε——角加速度(rads將各數(shù)值代入式(3-1)計(jì)算可得到因?yàn)楹雎粤送綆Ш吐?lián)軸器的慣性力矩,實(shí)際工作時(shí),其中1.2為工作系數(shù)。(3)電機(jī)克服滑動(dòng)摩擦的力矩T2查閱文獻(xiàn)[13]得,工作臺(tái)導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.1所以,滑動(dòng)摩擦力f=μmg(3-2)式中μ——導(dǎo)軌動(dòng)摩擦系數(shù);g——重力加速度(9.8Nkg將各數(shù)值代入式(3-2)計(jì)算可得到滑動(dòng)摩擦力為對(duì)電機(jī)軸的力矩為T=f?R(3-3)式中R——直線導(dǎo)軌半徑(m);f——滑動(dòng)摩擦力(N)。將各數(shù)值代入式(3-3)計(jì)算可得到電機(jī)克服滑動(dòng)摩擦的力矩T2(4)X軸負(fù)載總的慣性力矩T2X軸負(fù)載的的功率計(jì)算P式中T——慣性力矩(N?m);N——電機(jī)轉(zhuǎn)速(rmin將各數(shù)值代入計(jì)算可得到X軸負(fù)載的功率:3X軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系數(shù)按k=1.2計(jì)算,則有電動(dòng)機(jī)的總功率P4驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,選取Y軸電機(jī)為MSMD5AZG1U伺服電機(jī),其主要性能參數(shù)如表2。表2MSMD5AZG1U伺服電機(jī)型號(hào)額定輸出功率(W)額定電壓(V)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)機(jī)身長(zhǎng)L(mm)額定轉(zhuǎn)速(r/min)極數(shù)重量(kg)ZW42BL90-230100240.320.92300080.473.2.2Y軸方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算分析桌面型貼片機(jī)的貼裝運(yùn)動(dòng)過(guò)程,通過(guò)比較得知貼片機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中X方向運(yùn)動(dòng)所受的阻力最大,所以Y軸方向傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)選型計(jì)算方法同上面計(jì)算類似,其主要的計(jì)算參數(shù)如下。Y軸負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JY:Y軸負(fù)載的慣性力矩TY:Y軸方向負(fù)載的功率PY:根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,選取Y軸電機(jī)為MSMD5AZG1U伺服電機(jī),其主要性能參數(shù)如表3。表3MSMD5AZG1U伺服電機(jī)型號(hào)額定輸出功率(W)額定電壓(V)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)機(jī)身長(zhǎng)L(mm)額定轉(zhuǎn)速(r/min)極數(shù)重量(kg)ZW42BL90-230100240.320.92300080.473.3XY傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.3.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為了減少?zèng)_擊,實(shí)現(xiàn)貼裝運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和精確性,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇曲線齒同步帶傳動(dòng),曲線齒同步帶的帶齒荷載后,應(yīng)力分布狀態(tài)好,齒的承載能力比較高,能滿足較大功率的傳動(dòng),能防止傳動(dòng)中產(chǎn)生出的干涉。曲線齒同步帶不僅兼具梯形齒同步帶的自身突出點(diǎn),并且傳動(dòng)平穩(wěn),沖擊小。3.3.2同步帶及帶輪選型計(jì)算(1)確定同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率PdPd=KA式中P——傳遞功率,電機(jī)實(shí)際輸出功率;KA——載荷修正系數(shù),查文獻(xiàn)得KA=1.2。將各數(shù)值代入式(3-4)計(jì)算可得到同步帶設(shè)計(jì)功率(2)選定帶型節(jié)距pb根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率和小帶輪轉(zhuǎn)速由圖3-1可知,帶型為3M型帶,查文獻(xiàn)[15],同步帶及帶輪節(jié)距pb=3mm,基準(zhǔn)帶寬為6圖7曲線齒同步帶選型圖[15](3)小帶輪齒數(shù)選擇Z1查文獻(xiàn)[15]有帶輪最少齒數(shù)Zmin=20,考慮帶速v和安裝尺寸,小帶輪齒數(shù)Z1取40,初定小帶輪最大轉(zhuǎn)速為1000rmin,查文獻(xiàn)[15]此型號(hào)的曲線齒同步帶的基準(zhǔn)額定功率P(4)小帶輪節(jié)徑d1d式中pb——帶型節(jié)距(mm);Z1——小帶輪齒數(shù)。將各數(shù)值代入計(jì)算可得到小帶輪節(jié)徑d(5)大帶輪齒數(shù)Z2Z這里傳動(dòng)比i=選取型號(hào)完全相同的兩帶輪,節(jié)徑d2(6)帶速vv式中d——帶輪節(jié)徑(mm);nmax——帶輪最大轉(zhuǎn)速(r/min)。(7)初定中心距a0根據(jù)行程可定為X軸為,Y軸為。(8)節(jié)線長(zhǎng)LPLφ分別將X、Y軸中心距及各參數(shù)代入計(jì)算可得到X、Y軸同步帶的節(jié)線長(zhǎng)分別為查文獻(xiàn)[15],根據(jù)表“曲線齒同步帶各型號(hào)節(jié)線長(zhǎng)和極限偏差(GB/T24619—2009)”選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)LP和齒數(shù)Z。X軸節(jié)線長(zhǎng),Y軸節(jié)線長(zhǎng)。(9)同步帶齒數(shù)Z帶齒數(shù)分別為:X軸:Y軸:(10)實(shí)際中心距aaK分別將X、Y軸節(jié)線長(zhǎng)及各參數(shù)代入計(jì)算可得到X、Y軸同步帶輪的中心距分別為為(11)內(nèi)外側(cè)調(diào)整量查文獻(xiàn)[15]表“中心距調(diào)整范圍(JB/T7512.3—1994)”可知:內(nèi)側(cè)調(diào)整量i1,X軸方向i1X=7.78mm外側(cè)調(diào)整量s,X軸方向sX=1.02mm,Y軸方向則中心距的范圍為(a-iX軸中心距范圍為463.22~472.02mmY軸中心距范圍為555.28~564.02mm(12)帶輪嚙合齒數(shù)ZmZ式中ent[]——取括號(hào)內(nèi)的整數(shù)部分;將各數(shù)值代入計(jì)算可得到帶輪嚙合齒數(shù)Z(13)帶輪嚙合齒系數(shù)KZ查文獻(xiàn)[15],由于Zm≥6,得(14)帶寬bsb式中bs0——基準(zhǔn)帶寬(bsKL——帶長(zhǎng)系數(shù)(查文獻(xiàn)[15]表“曲線齒同步帶基準(zhǔn)寬度和帶長(zhǎng)系數(shù)KL(JB/T7512.3—1994)”得KLKZ——帶輪嚙合齒系數(shù);Pd——同步帶設(shè)計(jì)功率(kW);P0——同步帶基準(zhǔn)額定功率(kW)。將各數(shù)值代入計(jì)算可得到帶寬b查文獻(xiàn)[15]“曲線齒同步帶各型號(hào)寬度和極限偏(GB/T24619—2009)”,選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬bs=15mm。(15)額定功率PrPPK式中Kw——寬度系數(shù)。將各數(shù)值代入計(jì)算可得到曲線齒同步帶額定功率P(16)張力計(jì)算緊邊張力:F松邊張力:F(17)壓軸力Fr計(jì)算Fr=K式中KF——矢量相加修正系數(shù),查文獻(xiàn)[15]可知KFF1——緊邊張力(N);F2——松邊張力(N)。將各數(shù)值代入式(3-5)計(jì)算可得壓軸力F3.4驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)軸的設(shè)計(jì),共包括如下內(nèi)容:軸的材料選擇,軸徑的初步估算,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),按彎扭合成進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核,按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行軸的精確交合,軸的公差與配合的確定,軸的工作圖的繪制。3.4.1軸的材料軸的材料用碳鋼及合金鋼,貼片機(jī)X方向的驅(qū)動(dòng)軸選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理。硬度為217HB~255HB,其強(qiáng)度為σB=650Mpa,σs=353.4.2按轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)軸最小直徑軸的直徑,可根據(jù)軸所傳遞的功率P(kW)及軸的轉(zhuǎn)速n(r/min),按下式進(jìn)行估算:式中C——與軸材料有關(guān)的系數(shù),由文獻(xiàn)[16]查得,根據(jù)軸的材料取100。該段軸上有一鍵槽將計(jì)算值加大3%,尾端鉆孔再次調(diào)整dmin應(yīng)為9.5,驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。圖8驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第一段Ф=15,L=5第二段Ф=17,L=21第三段Ф=15,L=5第四段Ф=12,L=26,鍵槽尺寸4×4×12第五段Ф=10,L=163.4.3驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度校核通過(guò)對(duì)前端驅(qū)動(dòng)軸受力分析可知,該軸有4點(diǎn)受力,分別是平鍵處、兩個(gè)軸承處和軸端連接處,通過(guò)受力分析可判斷出該軸主要受扭矩的作用,其失效形式可能是扭斷。故這里只校核其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度即可。因?yàn)樵撦S為階梯軸,所以各軸段的抗扭截面模量不同,其危險(xiǎn)截面不一定是在扭矩最大處,這是要綜合考慮扭矩與抗扭截面模量,方能確定該軸是否安全。取軸的安全系數(shù),則許用拉應(yīng)力為:σ許用剪切應(yīng)力為:ττ=即該軸在最小軸徑出滿足扭轉(zhuǎn)前度要求,所以該軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到要求,軸設(shè)計(jì)合格。3.5鍵與軸承的校核3.5.1鍵的校核鍵或鍵槽工作面的擠壓或磨損PT式中Tj——轉(zhuǎn)矩,N·mm;Dj——軸的直徑mm,Dj=12mm;σpp——鍵的許用擠壓應(yīng)力,由文獻(xiàn)[15],σppklj——鍵的工作長(zhǎng)度,對(duì)于A型鍵ljP鍵的剪切校核:τ式中bj——鍵的寬度,bjτpj——鍵的許用剪切應(yīng)力,查文獻(xiàn)[15],ττ鍵的強(qiáng)度滿足要求。3.5.2軸承的壽命校核LP=X式中ft——為溫度系數(shù),查文獻(xiàn)[16],ftfp——為載荷系數(shù),查文獻(xiàn)[16],ftε——壽命指數(shù),對(duì)于球軸承ε=3C——基本額定載荷,查文獻(xiàn)[16],C=1.9P——當(dāng)量載荷;X——徑向載荷系數(shù);Y——軸向載荷系數(shù);Fr——所承受軸的徑向力FrFa——所承受軸的軸向力FaLh'——預(yù)期壽命,查文獻(xiàn)[16],查文獻(xiàn)[16]可知,F(xiàn)得X=1,Y=0,代入LL軸承的壽命滿足設(shè)計(jì)要求。
第四部分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案伺服電機(jī)的直接數(shù)字控制就是直接利用工控機(jī)和驅(qū)動(dòng)器通信,工控機(jī)通過(guò)串行通信將數(shù)字量傳送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,從而達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的目的,由于是數(shù)字信號(hào)直接控制,消除了零漂,可靠性得到了提高,而且,不需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,無(wú)需購(gòu)買a/d模塊,降低了成本,目前許多廠家出產(chǎn)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都配有通信端口及通信協(xié)議,通信協(xié)議簡(jiǎn)單可靠,用戶可以方便地完成通信程序,這樣可直接在工控機(jī)上控制電機(jī),根據(jù)工藝要求,方便地修改各種參數(shù),從而改變電機(jī)速度等REF_Ref31212\r\h[23]。本次設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī),用軟硬件的配合,來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn),啟動(dòng)與停止,加速與減速功能,電機(jī)的工作狀態(tài)還能用顯示屏顯示。本次系統(tǒng)控制主要通過(guò)顯示屏電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、通信功能和鍵盤的電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。方案如下,主單片機(jī)控制副單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的功能控制,單片機(jī)與步進(jìn)之間通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行精確控制。如圖9所示圖9控制流程圖4.2控制芯片的選擇以及電路設(shè)計(jì)4.2.1單片機(jī)芯片選擇本次設(shè)計(jì)采用主從單片機(jī)控制電路,主單片機(jī)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路線,四個(gè)副單片機(jī)用來(lái)分別來(lái)控制兩個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)、以及兩個(gè)舵機(jī),從而能夠?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的精確配合與定位。選擇STM32F103RBT6作為主單片機(jī),同時(shí)副單片機(jī)所選和主單片機(jī)相同是STM32F103RBT6,主單片機(jī)和副單片機(jī)之間的通信用RXD和TXD直接連接,程序通過(guò)地址定位到每個(gè)單片機(jī)。STM32是擁有先鋒控制器特質(zhì)的微控制器。這款控制器擁有耗能少、性價(jià)比高、性能穩(wěn)定等一系列的優(yōu)勢(shì),適用于表面裝貼領(lǐng)域。STM32是ARM公司研發(fā)使用。
STM32有兩個(gè)系列。
STM32F101屬于基本型,所需36MHz。兩種系列部分功能相同。具有很強(qiáng)的實(shí)用性,可應(yīng)用在醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。STM32F103屬于增強(qiáng)型,所需72
MHz,有片內(nèi)RAM和功能齊全的外設(shè)。STM32F103RBT6的特點(diǎn):它的外設(shè)接口具有很強(qiáng)的通用性,以至于提高了一系列產(chǎn)品的軟件使用范圍,便于相關(guān)人員可以反復(fù)使用相同款軟件,即使是多個(gè)設(shè)計(jì)中也互不干擾,因?yàn)樽钚碌幕ミB款還擁有與別的STM32微控制器共同的接口。STM32的最新外設(shè)包括三個(gè)SPI端口、五個(gè)UART接口和兩個(gè)12位、兩個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、10個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)I2C接口和兩個(gè)12位。新系列的STM32F103RBT6依舊承襲了STM32系列產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)。封裝還設(shè)置專屬引腳Vbat用以電池工作的模式。電流也只消耗27mA,以72MHz的頻率在閃存中執(zhí)行程序。一共存在四種低能耗模式,啟動(dòng)電路應(yīng)用微控制器內(nèi)部存在的啟動(dòng)信號(hào),從停止?fàn)顟B(tài)喚醒用時(shí)僅用6微秒甚至更少;可致使電流損耗大大降低。從低能耗的狀態(tài)快速啟動(dòng)電能損耗也大大降低。其主要特點(diǎn)如下:內(nèi)核:
最高工作頻率72MHz,ARM32位Cortex
-M3
CPU,
1.
25MIPS/MHz,硬件除法和單周期乘法REF_Ref31349\r\h[24]。
存儲(chǔ)器:6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器,片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器。電源管理和時(shí)鐘、復(fù)位:
2.0-3.
6V的電源供電和I/0接口的驅(qū)動(dòng)電,4-16MHz的晶振,內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz
RC振蕩電路,內(nèi)部40
kHz的RC振蕩電路,用于CPU時(shí)鐘。帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振REF_Ref31349\r\h[24]。低功耗:
3種低功耗模式:待機(jī)模式,停止,休眠REF_Ref31349\r\h[24]。調(diào)試模式:JTAG接口和串行調(diào)試REF_Ref31349\r\h[24]。
DMA:12通道DMA控制器,支持的外設(shè):ADC,定時(shí)器,SPI,DAC,USART和
IIC,2個(gè)12位的uS級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器
(16通道):A/D測(cè)量范圍:
0-3.6
V,保持能力和雙采樣。片上集成一個(gè)溫度傳感器。2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器:STM32F103xE,STM32F103xD,
STM32F103xC獨(dú)有,最多高達(dá)112個(gè)的快速I/0端口:根據(jù)型號(hào)的不同有80,51,37,26,和112的I/0端口,所有的端口都可以映射到16個(gè)外部中斷向量。所有的都可以接受5V以內(nèi)的輸入,還可以模擬輸入,4個(gè)16位定時(shí)器,最多可多達(dá)11個(gè)定時(shí)器,每個(gè)定時(shí)器有脈沖計(jì)數(shù)器或者4個(gè)PWM,2個(gè)16位的6通道高級(jí)控制定時(shí)器:2個(gè)看門狗定時(shí)器(獨(dú)立看門狗和窗口看門狗),最多6個(gè)通道可用于PWM輸出,Systick定時(shí)器:
24位倒計(jì)數(shù)器,2個(gè)16位基本定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)DAC,最多多達(dá)13個(gè)通信接口:2個(gè)I2C接口,5個(gè)UART接口(IrDA兼容,調(diào)試控制),3個(gè)SPI接口(18
Mbit/s),兩個(gè)和IIS,USB2.0全速接口。CAN接口REF_Ref31349\r\h[24]。
ECOPACK封裝:STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封裝形式。芯片如圖10所示:圖10STM32F103RBT6芯片圖4.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇根據(jù)MSMD5AZG1U伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓,額定電流等參考條件,選用MADKT1505驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。MADKT1505為松下電器生產(chǎn)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器主要用于MSMD系列電機(jī),其機(jī)殼保護(hù)方式為封閉式,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為繞線式且該驅(qū)動(dòng)器的試用范圍廣泛,可以通用。其主要特點(diǎn)如下:響應(yīng)頻率2.3KHz;2obit
1圈104萬(wàn)脈沖;低齒槽轉(zhuǎn)矩;半/全閉環(huán)輸入、輸出脈沖4Mpps;多功能實(shí)時(shí)增益調(diào)整;自動(dòng)/手動(dòng)陷波濾波器;自動(dòng)/手動(dòng)減震濾波器;機(jī)器模擬;描載2自由度控制;新工作方法/新開(kāi)發(fā)機(jī)芯/新開(kāi)發(fā)編碼器,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的大幅輕量化、小型化!
分別開(kāi)發(fā)了小型電機(jī),大型電視的新工作方法。與新開(kāi)發(fā)的小型編碼器配合,尤其是1kW以上的大型電機(jī)的重量比以往減輕;低噪音;IP67可選REF_Ref2287\r\h[22]。MADKT1505的外部接口很簡(jiǎn)單,具體如下:XA:斷路器(MCCB),指示燈;XB:再生電阻器,電機(jī);X1:USBmini-B;X2:RS485/232通信電纜;X3:安全旁路插頭;X4:與上位控制器連接;X5:與外圍設(shè)備連接REF_Ref2287\r\h[22]。芯片如圖11所示。圖11MADKT1505驅(qū)動(dòng)芯片4.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)MSMD5AZG1U電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖12所示。圖12電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.2.4鍵盤接口電路設(shè)計(jì)4×4的矩陣式鍵盤由4根列線交4根行線和4根行線交叉構(gòu)成,按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上,這樣就構(gòu)成了16個(gè)按鍵。其中交叉點(diǎn)的行列線是不連接的,當(dāng)按鍵按下的時(shí)候,此交叉點(diǎn)處的行線和列線導(dǎo)通。行線通過(guò)上拉電阻接到VCC上。當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí),行線處于高電平狀態(tài);當(dāng)有鍵按下時(shí),行、列線在交點(diǎn)導(dǎo)通,此時(shí),行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識(shí)別按鍵是否按下的關(guān)鍵。然而,矩陣鍵盤中的每條行線與4條列線相交,交點(diǎn)的按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平,各按鍵間將相互影響,鍵分析時(shí)必須將行線、列線信號(hào)配合起來(lái)作適當(dāng)處理,才能確定閉合鍵的位置REF_Ref31487\r\h[25]。本次采用矩陣鍵盤接口電路,如圖13所示圖13鍵盤接口電路圖
結(jié)論首先調(diào)查了桌面貼片機(jī)市場(chǎng)發(fā)展以及企業(yè)生產(chǎn)情況,然后也對(duì)比類似的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行了深入了解,在此基礎(chǔ)之上確定了桌面貼片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念與計(jì)劃。第一步進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研,貼片機(jī)的市場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)研,了解了桌面貼片機(jī)大面積普及了各個(gè)方面。然后對(duì)貼片機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的深入了解,了解了貼片機(jī)的種類,應(yīng)用范圍以及應(yīng)用行業(yè)等,進(jìn)一步對(duì)主要類型貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)了解,確定了傳動(dòng)系統(tǒng)的三種方案,經(jīng)過(guò)綜合分析與討論,最終確認(rèn)了一種最合理經(jīng)濟(jì)的方案。本次設(shè)計(jì)了桌面貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基本結(jié)構(gòu)采用拱架式,通過(guò)拱架在機(jī)架上移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位,傳動(dòng)方案采用了同步帶傳動(dòng),通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)同步帶實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備的定位精度。電路部分采用基于單片機(jī)的二軸電機(jī)控制系統(tǒng),并且?guī)в墟I盤,液晶顯示,串口通信等電路設(shè)計(jì)部分。主單片機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃,副單片機(jī)分別進(jìn)行電機(jī)的控制,并且電機(jī)也進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),副單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間加光電耦合提高了電路的抗干擾能力,主單片機(jī)上連接了鍵盤控制,液晶顯示,并且主副單片機(jī)也加了串口通信模塊。
致謝經(jīng)過(guò)近三個(gè)月的努力,我的畢業(yè)設(shè)計(jì)在李海振老師的悉心指導(dǎo)下終于完成了。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間,我遇到了很多的問(wèn)題,曾很多次停滯不前,幸虧有李海振老師的幫助,才得以一次次攻克難關(guān),順利如期完成本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。首先,我非常感謝李海振老師,他是一名極具耐心,學(xué)識(shí)淵博,并且非常和藹可親,平易近人的老師。李海振老師除了對(duì)我的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)外,在我這篇論文的結(jié)構(gòu)框架,內(nèi)容等方面也給予了很多的意見(jiàn)和建議。我與李海振老師經(jīng)過(guò)近三個(gè)月的接觸,從陌生到熟悉,漸漸地建立了深厚的情誼,并且在跟隨李海振老師畢業(yè)設(shè)計(jì)期間,不僅鞏固了我的專業(yè)知識(shí),使我學(xué)到的理論知識(shí)得以運(yùn)用自如外,也從老師身上學(xué)會(huì)了許多做人的道理,李海振老師是使我在畢業(yè)前收獲最多的老師。其次,我要感謝在大學(xué)四年期間傳授我知識(shí)的各位老師。老師們?cè)诮淌谖覍I(yè)知識(shí)時(shí)傾注了大量的心血,也花費(fèi)了很多的心思。同時(shí),也在大學(xué)四年里,無(wú)論在學(xué)習(xí)還是生活上,老師們都給予了我最大的幫助,使我能夠在大學(xué)四年里,掌握學(xué)習(xí)的真諦,學(xué)會(huì)為人處事的方法。也是老師們傳授的知識(shí),使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)可以有理有據(jù)地完成。如今我要畢業(yè)了,老師們卻依舊在三尺講臺(tái)上堅(jiān)持著,我衷心地希望老師們身體安康。另外,我要感謝我的各位師兄師姐和同學(xué)們,要不是師兄師姐們?cè)谖掖髮W(xué)里的每一步都傳授我經(jīng)驗(yàn),在學(xué)習(xí)中給我指導(dǎo),我想我在大學(xué)里,無(wú)論是學(xué)習(xí)還是活動(dòng),或者其他方面都不會(huì)那么順利。還有我的室友和同學(xué)們,我們來(lái)自不同的地方,來(lái)到大學(xué)里,我們?cè)谏钪邢嗷グ荩趯W(xué)習(xí)上相互鼓勵(lì),成為了最好的朋友。尤其是在這畢業(yè)的最后階段,我們一起努力,互相幫助,使得畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利地完成。最后,我還要感謝我的父母,我遠(yuǎn)在他鄉(xiāng),長(zhǎng)久地不能陪伴在他們身邊,但是父母仍舊給予了我生活、學(xué)習(xí)上的最大支持,最大理解,和最大包容。每回家一次,父母就又老去一些,但對(duì)我的愛(ài)卻依舊鮮活,對(duì)我的選擇也依舊堅(jiān)定地支持,因此,我非常地感謝父母,感謝他們的愛(ài)與關(guān)懷,感謝他們?cè)诒澈蟮哪С?,希望他們能夠身體健康。即將離開(kāi)母校,但我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記我的母校,不會(huì)忘記母校對(duì)我的培養(yǎng),不會(huì)忘記在母校的點(diǎn)點(diǎn)滴滴,更不會(huì)忘記老師和同學(xué)們給我的幫助。在大學(xué)里的四年,是最美好的時(shí)光,也留下了最美好的回憶和最真摯的友誼,即將離開(kāi)這里,走向社會(huì),我
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