Логические элементы и узлы эвм. Логические элементы и типовые узлы ЭВМ. Логические уровни, активные уровни, временная диаграмма

Может быть представлена как совокупность узлов, а каждый узел - как совокупность элементов.

Элемент - это наименьшая функциональная часть, на которую может быть разбита ЭВМ при логическом проектировании и технической реализации.

По функциональному назначению элементы ЭВМ могут быть разделены на:

Логические (реализующие одну из функций алгебры логики);

Запоминающие (для хранения одноразрядного двоичного числа);

Вспомогательные (для формирования и генерации импульсов, таймеры, элементы индикаторов, преобразователи уровней и т.п.).

По типу сигналов:

Аналоговые;

Цифровые.

По способу представления входных и выходных сигналов:

Потенциальные;

Импульсные;

Импульсно-потенциальные.

Узел - совокупность элементов, которая реализует выполнение одной из машинных операций.

Различают два типа узлов ЭВМ:

Комбинационные;

Накапливающие (с памятью).

В свою очередь комбинационные узлы включают сумматоры, схемы сравнения, шифраторы, дешифраторы, мультипликаторы, программируемые логические матрицы и т.д.

Накапливающие узлы - триггеры , регистры, счётчики и т.п.

В цифровых устройствах переменные и соответствующие им сигналы изменяются не непрерывно, а лишь в дискретные моменты времени. Временной интервал между соседними моментами времени называется тактом .

Информация в элементах ЭВМ может обрабатываться в последовательном или параллельном коде. При последовательном коде каждый временной такт предназначен для обработки одного разряда слова. При этом все разряды слова фиксируются по очереди одним и тем же элементом.

При параллельной обработке информации код слова развертывается не во времени, а в пространстве, т.к. значения всех разрядов обрабатываются одновременно за один такт.

ЭВМ 3-го поколения строились на основе базовых логических элементов (ЛЭ). Например, И-НЕ или ИЛИ-НЕ . Важнейшими характеристиками любого базового логического элемента является быстродействие и потребляемая мощность.

В зависимости от рассеиваемой мощности различают следующие ЛЭ:

Микроватные Р до 300 мкВт;

Маломощные Р до 3 мВт;

Средней мощности Р до 30 мВт;

Мощные Р свыше 30 мВт.

По величине среднего времени задержки ЛЭ разбиваются на группы:

Низкое быстродействие tз > 50 нс, Р = 0,01-1 мВт;

Среднее быстродействие tз = 10-50 нс, Р = 1-10 мВт;

Высокое быстродействие tз = 5-10 нс, Р = 10-50 мВт;

Сверхвысокое быстродействие tз < 5 нс, Р = 50-1000 мВт.

Каждый ЛЭ кроме того характеризуется величиной напряжения, соответствующим уровням логических ""0" и ""1" , коэффициентом объединения по входу, коэффициентом разветвления по выходу.

ЛЭ объединяются в группы (серии) интегральных микросхем, например, серии К155 , К500 , К176 и др. Для всех ЛЭ повышение быстродействия сопровождается ростом энергопотребления, а повышение плотности размещения элементов на кристалле - снижением быстродействия.

Узлы комбинированного типа .

Сумматор. Для понимания принципов построения и функционирования сумматора рассмотрим пример сложения двоичных чисел:

В каждом i разряде одноразрядный сумматор должен формировать сумму Si и перенос в старший разряд.

Различают полусумматор HS (не учитывает сигнал переноса) и полный сумматор SM (учитывает сигнал переноса).

Полусумматор Полный сумматор Многоразрядный сумматор

Хi - входы

Si - выходы

Рi - перенос

Кодепреобразователь - это комбинационное устройство (КУ), имеющее m входов и n выходов и преобразующее входные m- разрядные двоичные числа в выходные n- разрядные. Чаще всего используются 2 вида - шифраторы и дешифраторы.

Дешифратор (ДС) - это КУ с m -входами и выходами, формирующие ""1"" только на одном из выходов, десятичный номер которого соответствует входной десятичной комбинации. Работа ДШ задается таблицей истинности.

Шифратор (СД) - решает обратную приведенной раньше задаче.

Мультиплексор (MUX) - это КУ, которое осуществляет коммутацию одного из своих входов Х на единственный выход У. Подключение входа к выходу, как правило, осуществляется в момент подачи на синхронизирующий вход с тактового импульса, а номер подключаемого к выходу входа определяется адресным кодом, подающимся на адресные входы мультиплексора А.

Демультиплексор (ДМХ) решает обратную задачу.

Обозначение MUX, ДМХ приведено на рисунке:

Коммутатор - это КУ с m входами и n выходами, которое по заданным адресам А входа и B выхода соединяет между собой требуемые вход и выход.

Программируемая логическая матрица - универсальная комбинационная схема для преобразования входного n- разрядного двоичного кода в выходной m- разрядный код по заданной таблице истинности. Широко используются в устройствах управления микропроцессоров.

Схемы сравнения - необходимы для организации ветвящихся процессов обработки данных и т.д. (см. рис.).

Узлы накапливающего типа.

В качестве запоминающих элементов ЭВМ используются триггеры или устройства на основе магнитных материалов.

Триггер - это конечный автомат, который обладает двумя устойчивыми состояниями и под воздействием управляющего сигнала переходит из одного состояния в другое.

По функциональному назначению различают RS , Т, JK , D - триггеры, комбинированные RST-триггеры, JKRS , DRS -триггеры и т.п. При этом применяют обозначения S , R - входы для раздельной установки триггера в состояние "1"(S) и "0"(R) .

Т - счетный вход триггера.

J, k - входы для раздельной установки Jk триггера в состояние "1" (J) и "0" (k).

D - вход для установки триггера в состояние "1" или "0" с временной задержкой относительно момента появления информационного сигнала.

С - вход синхронизации.

Состояние триггера определяется сигналом Q на его прямом выходе. Законы функционирования триггеров задаются таблицами переходов с компактной записью, при которой в столбце состояний может быть указано, что новое состояние совпадает с предыдущим либо является его отрицанием.

Рассмотрим RS - триггер. Асинхронный (не синхронизируемый) RS - триггер на интегральных элементах ИЛИ - НЕ приведен на рисунке:

Триггер образуется из 2-х элементов ИЛИ - НЕ, соединенных таким образом, что возникают положительные обратные связи, благодаря которым в устойчивом состоянии выходной транзистор одной из схем ИЛИ - НЕ закрыт, а другой открыт.

Таблица переходов RS - триггера:

Функционирование RS-триггера может быть описано выражением:

Качество работы триггеров оценивается основными показателями - такими, как быстродействие, нагрузочная способность, потребляемая мощность, помехоустойчивость.

Дополняя RS-триггер входной комбинационной схемой, можно построить любой вид триггера.

Чтобы иметь возможность синхронизировать работу узлов и устройств ЭВМ, используют синхронные триггеры, имеющие специальный вход для синхроимпульсов. Если момент срабатывания асинхронного триггера привязан к моменту изменения уровня входных сигналов, то для синхронного - к моменту поступления синхроимпульсов.

Двуступенчатые триггеры позволяют избежать сбоев при записи или считывании информации в одном такте: первая ступень осуществляет запись по переднему фронту тактового импульса, а вторая - выдачу (перезапись во вторую ступень) по заднему фронту.

Т - триггер изменяет свое состояние при приходе каждого импульса, т.е. он их считает. Используется для построения счётчиков.

Регистры . Предназначены для записи, хранения и преобразования в них двоичных чисел. В качестве элементарной ячейки регистра используется триггер, который может хранить одноразрядное двоичное число. Запись и считывание информации в регистр может производиться последовательно (поразрядно) или параллельно (всеми разрядами одновременно). В соответствии с этим различают регистры последовательные, параллельные, последовательно-параллельные, параллельно-последовательные и универсальные.

Счётчик . Функциональный узел, предназначенный для подсчета числа получивших на его вход сигналов (импульсов) и фиксации результата в виде многоразрядного двоичного числа.

Счётчики подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Несмотря на различное конструктивное оформление и назначение машин, детали и узлы в них в основном одинаковые (типовые, нормальные и стандартные). Сборочные единицы и детали можно разделить на элементы общего назначения (болты, гайки, зубчатые колеса, валы и др.) и элементы специального назначения, которые используются в специальных типах машин (шнек, поршень, цилиндр и др.)- Рассмотрим классификацию элементов общего назначения.

Первая группа элементов - соединения - является наиболее общей. Соединения (соединительные детали) предназначены для фиксации взаимного положения деталей и объединения их в сборочные единицы и узлы. К ним относятся сварные, заклепочные, резьбовые, соединения вал-ступица и др.

Вторая группа элементов - передачи. Они осуществляют передачу энергии от двигателя к исполнительному органу. К этой группе относятся:

элементы, передающие вращательное движение. Они делятся на передачи зацеплением - цилиндрические, конические, планетарные, волновые, червячные и цепные; передачи трением - ременные, фрикционные, а также валы и соединяющие их муфты. Их основные детали - зубчатые и червячные колеса, червяки, шкивы, звездочки,ремни, цепи;

элементы, преобразующие движение. Это передачи рычажные, кулачковые, винт-гайка. Их детали - рычаги, тяги, кулачки, копиры, ходовые винты, гайки.

Третья группа элементов включает несущие и базирую щие элементы:

валы и оси, которые поддерживают вращающиеся детали (кроме того, валы передают вращающий момент);

подшипники - опоры вращающихся валов и осей, базирующиеся в корпусных деталях;

направляющие, поддерживающие поступательно движущиеся детали;

корпусные и несущие детали - основные части редуктора, воспринимающие нагрузки (на них монтируются и базируются остальные детали и узлы).

Отдельные группы составляют:

устройства для защиты узлов от загрязнений (уплотнения, кожухи, крышки);

системы для смазывания (форсунки, штуцеры, жиклёры, трубопроводы);

упругие элементы (пружины, рессоры, амортизаторы).

В особую группу входят элементы специального назначения, например для ЛА характерны винты, шасси, элероны, шпангоуты, лонжероны и др.

Примером механизма, содержащего большинство элементов общего назначения является редуктор. Редукторы  механизмы, используемые для понижения угловых скоростей и увеличения крутящих моментов, выполненные в виде отдельного агрегата. В соответствии с классификацией редуктор имеет следующие элементы: корпус 1, зубчатое колесо 2, вал 3 , подшипник 4 и муфту 5 .

классификация элементов технических объек тов по производственно  технологическим признакам :

Металлические детали, изготовляемые механической обработкой, литьем, сваркой, штамповкой, ковкой и др.;

Неметаллические детали, получаемые прессованием, формованием, склейкой.

Способ изготовления определяет облик детали и ее прочностные характеристики.

В особую группу входят элементы системы управления, включающие электрические и электронные устройства, которые рассматривать не будем.

По характеру нагружения детали можно разделить на воспринимающие статическую или динамическую нагрузку или ударное воздействие.

ТЕМА 3.

Логические элементы и типовые узлы ЭВМ.

3.1. Классификация элементов и узлов ЭВМ.

ЭВМ может быть представлена как совокупность узлов, а каждый узел - как совокупность элементов.

По функциональному назначению элементы ЭВМ могут быть разделены на:

Логические (реализующие одну из функций алгебры логики);

Запоминающие (для хранения одноразрядного двоичного числа);

^ По типу сигналов :

Аналоговые;

Цифровые.

По способу представления входных и выходных сигналов:

Потенциальные;

Импульсные;

Импульсно-потенциальные.

Узел - совокупность элементов, которая реализует выполнение одной из машинных операций.

Различают два типа узлов ЭВМ:

Комбинационные;

Накапливающие (с памятью).

Накапливающие узлы - триггеры, регистры, счётчики и т.п.

ЭВМ 3-го поколения строились на основе базовых логических элементов (ЛЭ). Например, И-НЕ или ИЛИ-НЕ . Важнейшими характеристиками любого базового логического элемента является быстродействие и потребляемая мощность. В зависимости от рассеиваемой мощности различают следующие ЛЭ:

Микроватные Р до 300 мкВт;

Маломощные Р до 3 мВт;

Средней мощности Р до 30 мВт;

Мощные Р свыше 30 мВт.

По величине среднего времени задержки ЛЭ разбиваются на группы:

Низкое быстродействие tз > 50 нс, Р = 0,01-1 мВт;

Среднее быстродействие tз = 10-50 нс, Р = 1-10 мВт;

Высокое быстродействие tз = 5-10 нс, Р = 10-50 мВт;

Сверхвысокое быстродействие tз
Каждый ЛЭ кроме того характеризуется величиной напряжения

Соответствующим уровням логических ""0" и ""1" , коэффициентом объединения по входу, коэффициентом разветвления по выходу.

ЛЭ объединяются в группы (серии) интегральных микросхем, например, серии К155 , К500 , К176 и др.

Для всех ЛЭ повышение быстродействия сопровождается ростом энергопотребления, а повышение плотности размещения элементов на кристалле - снижением быстродействия.

3.2 Узлы комбинированного типа .

Сумматор. Для понимания принципов построения и функционирования сумматора рассмотрим пример сложения двоичных чисел:

В каждом i разряде одноразрядный сумматор должен формировать сумму Si и перенос в старший разряд.

Различают полусумматор ^ HS (не учитывает сигнал переноса) и полный сумматор SM (учитывает сигнал переноса).

Полусумматор Полный сумматор Многоразрядный

Сумматор

Хi – входы

Si – выходы

Рi – перенос

Кодепреобразователь – это комбинационное устройство (КУ), имеющее m входов и n выходов и преобразующее входные m- разрядные двоичные числа в выходные n- разрядные. Чаще всего используются 2 вида - шифраторы и дешифраторы.

Шифратор (СД) - решает обратную приведенной раньше задаче.

Мультиплексор (MUX) - это КУ, которое осуществляет коммутацию одного из своих входов Х на единственный выход У. Подключение входа к выходу, как правило, осуществляется в момент подачи на синхронизирующий вход с тактового импульса, а номер подключаемого к выходу входа определяется адресным кодом, подающимся на адресные входы мультиплексора А.

Демультиплексор (ДМХ) решает обратную задачу.

Обозначение MUX, ДМХ приведено на рисунке:

Коммутатор - это КУ с m входами и n выходами, которое по заданным адресам А входа и B выхода соединяет между собой требуемые вход и выход.

Программируемая логическая матрица - универсальная комбинационная схема для преобразования входного n- разрядного двоичного кода в выходной m- разрядный код по заданной таблице истинности. Широко используются в устройствах управления микропроцессоров.

Схемы сравнения - необходимы для организации ветвящихся процессов обработки данных и т.д. (см. рис.).

3.3 Узлы накапливающего типа.

В качестве запоминающих элементов ЭВМ используются триггеры или устройства на основе магнитных материалов.

Триггер - это конечный автомат, который обладает двумя устойчивыми состояниями и под воздействием управляющего сигнала переходит из одного состояния в другое.

Т - счетный вход триггера.

J, k - входы для раздельной установки Jk триггера в состояние "1" (J) и "0" (k).

С - вход синхронизации.

Таблица переходов RS - триггера:

Ф
ункционирование RS-триггера может быть описано выражением:

Качество работы триггеров оценивается основными показателями – такими, как быстродействие, нагрузочная способность, потребляемая мощность, помехоустойчивость.

Дополняя RS-триггер входной комбинационной схемой, можно построить любой вид триггера.

Т – триггер изменяет свое состояние при приходе каждого импульса, т.е. он их считает. Используется для построения счётчиков.

Счётчики подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Несущую систему станка образует совокупность его элементов, через которые замыкаются силы, возникающие между инструментом и заготовкой в процессе резания. Основными элементами несущей системы станка являются станина и корпусные детали (поперечины, хоботы, ползуны, плиты, столы, суппорты и т.д.).

Станина 1 (рис. 3.2) служит для монтажа деталей и узлов станка, относительно нее ориентируются и перемещаются подвижные детали и узлы. Станина так же, как и другие элементы несущей системы, должна обладать стабильностью свойств и обеспечивать в течение срока службы станка возможность обработки заготовок с заданными режимами и точностью. Это достигается правильным выбором материала станины и технологией ее изготовления, износостойкостью направляющих.

Для изготовления станин используют следующие основные материалы: для литых станин - чугун; для сварных - сталь, для станин тяжелых станков - железобетон (иногда), для станков высокой точности - искусственный материал синтегран, изготовляемый на основе крошки минеральных материалов и смолы и характеризующийся незначительными температурными деформациями.

Рис. 3.2. Станины станков:
а - токарно-винторезного; б - токарного с программным управлением; в - плоскошлифовального; 1 - станина; 2 - направляющие

Направляющие 2 обеспечивают требуемое взаимное расположение и возможность относительного перемещения узлов, несущих инструмент и заготовку. Конструкции направляющих для перемещения узла допускает только одну степень свободы движения.

В зависимости от назначения и конструктивного исполнения существует следующая классификация направляющих:

по виду движения - главного движения и движения подачи; направляющие для перестановки сопряженных и вспомогательных узлов, неподвижных в процессе обработки;
по траектории движения - прямолинейного и кругового движения;
по направлению траектории перемещения узла в пространстве - горизонтальные, вертикальные и наклонные;
по геометрической форме - призматические, плоские, цилиндрические, конические (только для кругового движения) и их сочетания.

Наибольшее распространение получили направляющие скольжения и направляющие качения (в последних используют шарики или ролики в качестве промежуточных тел качения).

Для изготовления направляющих скольжения (рис. 3.3) (когда направляющие выполнены как одно целое со станиной) используют серый чугун. Износостойкость направляющих повышают поверхностной закалкой, твердость HRC 42...56.

Рис. 3.3. Примеры направляющих скольжения:
а - плоская; б - призматическая; в - в виде «ласточкина хвоста»

Стальные направляющие выполняют накладными, обычно закаленными, твердостью HRC 58...63. Чаще всего используют сталь 40Х с закалкой ТВЧ1, стали 15Х и 20Х - с последующей цементацией и закалкой.

Надежная работа направляющих зависит от защитных устройств, предохраняющих рабочие поверхности от попадания на них пыли, стружки, грязи (рис. 3.4). Защитные устройства изготовляют из различных материалов, в том числе полимерных.

Рис. 3.4. Основные типы защитных устройств для направляющих:
а - щитки; б - телескопические щитки; в, г и д - лента; е - гармоникообразные меха

Шпиндели и их опоры

Шпиндель - разновидность вала - служит для закрепления и вращения режущего инструмента или приспособления, несущего заготовку.

Для сохранения точности обработки в течение заданного срока службы станка шпиндель обеспечивает стабильность положения оси при вращении и поступательном движении, износостойкость опорных, посадочных и базирующих поверхностей.

Шпиндели, как правило, изготовляют из стали (40Х, 20Х, 18ХГТ, 40ХФА и др.) и подвергают термической обработке (цементации, азотированию, объемной или поверхностной закалке, отпуску).

Для закрепления инструмента или приспособления передние концы шпинделей стандартизованы. Основные типы концов шпинделей станков показаны в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Основные типы концов шпинделей станков

В качестве опор шпинделей применяют подшипники скольжения и качения. Конструктивная схема регулируемых подшипников скольжения, выполняемых в виде бронзовых втулок-вкладышей, одна из поверхностей которых имеет коническую форму, приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Регулируемые подшипники скольжения:
а - с цилиндрической шейкой шпинделя: 1 - шейка шпинделя; 2 - разрезная втулка; 3 - корпус; б - с конической шейкой шпинделя: 1 - шпиндель; 2 - цельная втулка

В опорах скольжения шпинделей используют смазочный материал в виде жидкости (в гидростатических и гидродинамических подшипниках) или газа (в аэродинамических и аэростатических подшипниках).

Существуют одно- и многоклиновые гидродинамические подшипники . Одноклиновые наиболее просты по конструкции (втулка), но не обеспечивают стабильного положения шпинделя при больших скоростях скольжения и малых нагрузках. Этот недостаток отсутствует в многоклиновых подшипниках, имеющих несколько несущих масляных слоев, охватывающих шейку шпинделя равномерно со всех сторон (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Опора шпинделя шлифовального круга с гидродинамическим пятивкладышным подшипником:
1 - самоустанавливающиеся вкладыши; 2 - шпиндель; 3 - обойма; 4 - гайка; 5 - подшипники качения; 6 - винты со сферическим опорным торцом; 7 - манжеты

Гидростатические подшипники - подшипники скольжения, в которых масляный слой между трущимися поверхностями создается путем подвода к ним масла под давлением от насоса, - обеспечивают высокую точность положения оси шпинделя при вращении, имеют большую жесткость и обеспечивают режим жидкостного трения при малых скоростях скольжения (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Гидростатический подшипник:
1 - корпус подшипника; 2 - шейка шпинделя; 3 - карман, создающий несущую поверхность подшипника (стрелками показано направление подвода смазочного материала под давлением и его отвод)

Подшипники с газовой смазкой (аэродинамические и аэростатические) по конструкции подобны подшипникам гидравлическим, но обеспечивают меньшие потери при трении, что позволяет применять их в опорах быстроходных шпинделей.

Подшипники качения в качестве опор шпинделей широко применяют в станках разных типов. К точности вращения шпинделей предъявляют повышенные требования, поэтому в их опорах применяют подшипники высоких классов точности, устанавливаемые с предварительным натягом, который позволяет устранить вредное влияние зазоров. Натяг в радиально-упорных шариковых и конических роликовых подшипниках создается при их парной установке в результате осевого смещения внутренних колец относительно наружных.

Это смещение осуществляется с помощью специальных элементов конструкции шпиндельного узла: проставочных колец определенного размера; пружин, обеспечивающих постоянство силы предварительного натяга; резьбовых соединений. В роликоподшипниках с цилиндрическими роликами предварительный натяг создается за счет деформирования внутреннего кольца 6 (рис. 3.8) при затяжке его на коническую шейку шпинделя 8 с помощью втулки 5, перемещаемой гайками 1. Подшипники шпиндельных опор надежно защищены от загрязнения и вытекания смазочного материала манжетными и лабиринтными уплотнениями 7.

Рис. 3.8. Передняя опора шпинделя токарного станка на подшипниках качения:
1 - гайки; 2 - регулировочные гайки; 3 - пружины; 4 - подшипники качения упорные; 5 - втулки; 6 - внутреннее кольцо роликоподшипника; 7 - уплотнения; 8 - шпиндель

Подшипники качения 4 широко используют в качестве упорных, фиксирующих положение шпинделя в осевом направлении и воспринимающих возникающие в этом направлении нагрузки. Предварительный натяг шариковых упорных подшипников 4 создается пружинами 3. Регулирование пружин осуществляют гайками 2.

Пример использования радиально-упорных шариковых подшипников для восприятия осевых нагрузок приведен на рис. 3.6. Предварительный натяг создается регулировкой положения наружных колец подшипников 5 с помощью гайки 4.

Типовые механизмы для осуществления поступательного движения

Поступательное движение в рассматриваемых станках обеспечивают следующие механизмы и устройства:

механизмы, преобразующие вращательное движение в поступательное: зубчатое колесо или червяк с рейкой, ходовой винт-гайка и другие механизмы;
гидравлические устройства с парой цилиндр -поршень;
электромагнитные устройства типа соленоидов, используемые в основном в приводах систем управления.

Приведем примеры некоторых из указанных механизмов (условные обозначения см. в табл. 3.1).

Пара зубчатое колесо-рейка имеет высокий КПД, что обусловливает ее применение в большом диапазоне скоростей движения рейки, в том числе в приводах главного движения, передающих значительную мощность, и приводах вспомогательных перемещений.

Червячно-реечная передача отличается от пары зубчатое колесо - рейка повышенной плавностью движения. Однако эта передача сложнее в изготовлении и имеет более низкий КПД.

Механизм ходовой винт-гайка широко применяется в приводах подач, вспомогательных и установочных движений и обеспечивает: малое расстояние, на которое перемещается движущийся элемент за один оборот привода; высокую плавность и точность перемещения, определяемую главным образом точностью изготовления элементов пары; самоторможение (в парах винт-гайка скольжения).

В станкостроении для ходовых винтов и гаек скольжения установлено шесть классов точности: 0 - наиболее точный; 1, 2, 3, 4 и 5-й классы, с помощью которых регулируют допустимые отклонения по шагу, профилю, диаметрам и по параметру шероховатости поверхности. Конструкция гаек зависит от назначения механизма.

Пары ходовой винт-гайка скольжения из-за низкого КПД заменяют винтовыми парами качения (рис. 3.9). В этих парах устранен износ, уменьшены потери при трении и могут быть устранены зазоры за счет создания предварительного натяга.

Рис. 3.9. Пара винт-гайка качения:
1, 2 - гайка, состоящая из двух частей; 3 - винт; 4 - шарики (или ролики)

Недостатки, присущие парам винт-гайка скольжения и винт-гайка качения, обусловленные особенностями их эксплуатации и изготовления, исключены в гидростатической передаче винт-гайка. Эта пара работает в условиях трения со смазочным материалом; КПД передачи достигает 0,99; масло подается в карманы, выполненные на боковых сторонах резьбы гайки.

Типовые механизмы для осуществления периодических движений

В процессе работы в некоторых станках требуется периодическое перемещение (изменение положения) отдельных узлов или элементов. Периодические движения могут осуществляться храповыми и мальтийскими механизмами, механизмами кулачковыми и с муфтами обгона, электро-, пневмо- и гидромеханизмами.

Храповые механизмы (рис. 3.10) наиболее часто используют в механизмах подачи станков, в которых периодическое перемещение заготовки, режущего (резца, шлифовального круга) или вспомогательного (алмаз для правки шлифовального круга) инструмента производится во время перебега или обратного (вспомогательного) хода (в шлифовальных и других станках).

Рис. 3.10. Схема храпового механизма:
1 - храповик; 2 - собачка; 3 - щиток; 4 - тяга

В большинстве случаев храповые механизмы используют для прямолинейного перемещения соответствующего узла (стола, суппорта, пиноли). Спомощью храповой передачи осуществляют также и круговые периодические перемещения.

Муфты служат для соединения двух соосных валов. В зависимости от назначения различают муфты нерасцепляемые, сцепляемые и предохранительные.

Нерасцепляемые муфты (рис. 3.11, а, б, в) служат для жесткого (глухого) соединения валов, например соединения с помощью втулки, через упругие элементы или через промежуточный элемент, имеющий на торцовых плоскостях два взаимно перпендикулярных выступа и позволяющий компенсировать несоосность соединяемых валов.

Рис. 3.11. Муфты для соединения валов:
а - жесткая типа втулки; б - с упругими элементами; в - крестово-подвижная; г - кулачковая; д - многодисковая с механическим приводом: 1 - шайба; 2 - нажимной диск; 3 - шарики; 4 - неподвижная втулка; 5 - втулка; 6 - гайка; 7 - пружины; е - электромагнитная: 1 - шлицевая втулка; 2 - электромагнитная катушка; 3 и 4 - магнитопроводящие диски; 5 - якорь; 6 - втулка

Сцепляемые муфты (рис. 3.11, г, д, е) применяют для периодического соединения валов. В станках используют сцепляемые кулачковые муфты в виде дисков с торцовыми зубьями-кулачками и зубчатые муфты. Недостатком таких сцепляемых муфт является трудность их включения при большой разнице угловых скоростей ведущего и ведомого элементов. Фрикционные муфты не имеют недостатка, присущего кулачковым муфтам, и позволяют включить их при любых скоростях вращения ведущего и ведомого элементов. Фрикционные муфты бывают конусные и дисковые. В приводах главного движения и подачи широко применяют многодисковые муфты, передающие значительные крутящие моменты при сравнительно небольших габаритных размерах. Сжатие ведущих дисков с ведомыми осуществляется с помощью механического, электромагнитного и гидравлического приводов.

Предохранительные муфты (рис. 3.12) соединяют два вала при нормальных условиях работы и разрывают кинематическую цепь при повышении нагрузки. Разрыв цепи может происходить при разрушении специального элемента, а также в результате проскальзывания сопрягаемых и трущихся частей (например, дисков) или расцепления кулачков двух сопрягаемых частей муфты.

Рис. 3.12. Схемы предохранительных муфт;
а - шариковая; б - кулачковая; 1 - кулачки; 2 - подвижный элемент муфты; 3 - пружины; 4 - гайка; 5 - шарики

В качестве разрушаемого элемента обычно используют штифт, площадь сечения которого рассчитывают для передачи заданного крутящего момента. Расцепление сопрягаемых элементов муфты происходит при условии, что осевая сила, возникающая на зубьях, кулачках 1 или шариках 5, при перегрузках превышает силу, создаваемую пружинами 3 и регулируемую гайкой 4. При смещении подвижный элемент 2 муфты воздействует на концевой выключатель, разрывающий электрическую цепь питания двигателя привода.

Муфты обгона (рис. 3.13) предназначены для передачи вращающего момента при вращении звеньев кинематической цепи в заданном направлении и для разъединения звеньев при вращении в обратном направлении, а также для передачи валу различных по частоте вращений (например, медленного - рабочего вращения и быстрого - вспомогательного). Муфта обгона позволяет передавать дополнительное (быстрое) вращение без выключения основной цепи. В станках наиболее широко применяют муфты роликового типа, которые могут передавать вращающий момент в двух направлениях.

Рис. 3.13. Муфта обгона роликовая:
1 - обойма; 2 - ступица; 3 - ролики; 4 - поводковая вилка; 5 - пружины

В качестве муфт обгона используют также храповые механизмы.

Контрольные вопросы

Какие требования предъявляют к станинам и направляющим станков?
Расскажите о назначении и конструкциях шпиндельных узлов и подшипников.
Какие муфты применяют в станках?

Элементы и узлы ЭВМ.

Элемент ЭВМ - наименьшая конструктивная и функциональная часть ЭВМ, которая используется при ее логическом проектировании и технологической реализации. По назначению они различаются на логические, запоминающие и вспомогательные.

Логические элементы реализуют логические операции и применяются как для построения сложных логических схем (узлов), так и для управления работой отдельных блоков и устройств ЭВМ.

Запоминающие элементы предназначены для хранения и выдачи двоичной информации.

Вспомогательные элементы используются чаще всего для энергетического обеспечения и согласования работы различных блоков ЭВМ.

Рассмотрим принцип построения и функционирования элементов и узлов широко применяемых в ЭВМ.

Триггер - элементарный цифровой автомат с двумя устойчивыми состояниями. Состояние 0 на выход Q соответствует выключенному состоянию, а Q=1 - включенному. Триггеры осуществляют запоминание информации и остаются в заданном состоянии после прекращения действия переключающих сигналов. Они широко применяются широко применяются при цифровой обработке информации.
По способу организации логических связей, определяющие особенности функционирования, различают триггеры RS, T, D, JK. Из них JK триггер называется универсальным, так как из него можно получить все остальные виды триггеров.

Принцип работы JK триггера хорошо поясняется на графе переходов.

Схемы включения JK триггера:

Асинхронный Т триггер - счетный триггер, каждые два сигнала на входе Т формируют один сигнал на выходе.

Синхронный Т триггер - счетный триггер, каждые два сигнала на входе С формируют один сигнал на выходе, если на входе Т присутствует логическая 1.

Синхронный D триггер - реализует функцию временной задержки. Функционирует в соответствии со следующей таблицей переходов.

Асинхронный RS триггер - элементарный цифровой автомат с двумя устойчивыми состояниями и двумя входами R и S, функционирующий в соответствии со следующей таблицей переходов.

Синхронный RS триггер - отличается от асинхронных RS триггеров тем, что кроме информационных входов имеет вход синхронизации С. При С=0 триггер находится в режиме хранения информации. При С=1 синхронный триггер работает как асинхронный RS триггер.

Регистры - это узлы ЭВМ, служащие для хранения информации в виде машинных слов или его частей, а так же для выполнения над словами некоторых логических преобразований. Они представляют собой цифровые автоматы Мили, выполненные на триггерах.
Регистры способны выполнять следующие операции:
- установка регистра в состояние 0 или 1 (на всех выходах);
- прием и хранение в регистре n разрядного слова;
- сдвиг хранимого в регистре двоичного кода слова в право или в лево на заданное значение разрядов;
- преобразование кода хранимого слова в последовательный, и наоборот, при приеме или при выдачи двоичных данных;
- поразрядные логические операции.

Ниже показано условно графическое обозначение универсального регистра и назначение его выводов:

Счетчики - узлы ЭВМ, которые осуществляют счет и хранение кода числа подсчитанных сигналов. Они представляют собой цифровые автоматы Мура, в которых новое состояние счетчика определяется его предыдущим состоянием и состоянием логической переменной на входе.
Внутреннее состояние счетчиков характеризуется коэффициентом пересчета К, определяющим число его устойчивых состояний. Основными параметрами являются разрешающая способность (минимальное время между двумя сигналами, которые надежно фиксируются) или максимальное быстродействие и информационная емкость. Обозначение и назначение выводов реверсивного счетчика показано на рисунке ниже.

Дешифратор, или избирательная схема, - это узел ЭВМ, в котором каждой комбинации входных сигналов соответствует наличие сигнала на одной вполне определенной шине на выходе (комбинационное устройство). Дешифраторы широко используются для преобразования двоичных кодов в управляющие сигналы для различных устройств ЭВМ.

Шифратор, или кодер, - это узел ЭВМ, преобразующий унитарный код в некоторый позиционный код. Если выходной код является двоичным позиционным, то шифратор называется двоичным. С помощью шифраторов возможно преобразование цифр десятичных чисел в двоичное представление с использованием любого другого двоично-десятичного кода.

Преобразователи кодов - это узлы ЭВМ, предназначенные для кодирования чисел. В число преобразователей кодов входят: двоично-десятичные преобразователи, преобразователи цифровой индикации, преобразователи прямого кода двоичных чисел в обратный или дополнительный код и т. д.

Мултиплексоры - это узлы, преобразующие параллельные цифровые коды в последовательные. В этом устройстве выход соединяется с одним из входов в зависимости от значения адресных входов. Мультиплексоры широко используются для синтеза комбинационных устройств, так как это способствует значительному уменьшению числа используемых микросхем.

Демултиплексоры - это узлы, преобразующие информацию из последовательной формы в параллельную. Информационный вход D подключается к одному из выходов Qi определяемый адресными сигналами A0 и A1.

Сумматор - это узел, в котором выполняется арифметическая операция суммирования цифровых кодов двух двоичных чисел.

Используя одноразрядные сумматоры можно построить многоразрядные сумматоры.