机械毕业设计399玻璃横切结构及人机界面系统设计.docx

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机械毕业设计399玻璃横切结构及人机界面系统设计

第一章概述

1.1我国玻璃市场现状

玻璃装饰建材产品在日常生活中已得到了广泛使用。

但是，就我国目前的浮法玻璃生产技术而言，除了合资生产线达到国际先进水平外，其余均属一般水平，与国际先进水平相比存在着较大差距。

国家每年需要花大量外汇从国外进口大量优质浮法玻璃，以满足国内建筑业，装饰，装修和玻璃深加工业对优质浮法玻璃的需求。

1994年，全国优质浮法玻璃产量占总产量的5.5%，经综合分析预测，本世纪末我国浮法玻璃需求量为1.4亿重量箱，其中，优质浮法玻璃需求量为：

交通运输业850-900万重量箱，建筑业1250－1300万重量箱，制镜业300－350万重量箱，市场及其他400－450万重量箱，出口600－700万重量箱，供给3400－3700万重量箱。

占总产量的24.3%－26.4%.我们应抓紧机遇，建设具有当代国际先进技术水平的浮法玻璃生产线，推进我国平板玻璃工业技术进步，生产出优质浮法玻璃，满足日益增长的市场需求，参与国际竞争，缩小我国浮法玻璃技术与国际先进水平的差距。

1.2我国浮法玻璃技术与国际先进水平的差距

我国浮法玻璃技术与国际先进水平的差距表现在软件上是指浮法玻璃生产线各部分的自动控制能力和全线自动控制程度和水平。

对于浮法玻璃的生产来说，高水平的自控可以最大限度的消除认为因素对玻璃质量的影响，从而达到稳定，高质量的生产。

国内的浮法玻璃生产线一般都是以半经验半技术自控，自控程度和自控水平较低。

1.3高精度玻璃切割的必要

在加工浮法玻璃的过程中,高精度的玻璃切割作为加工的第一道工序是必不可少的。

平板玻璃生产线是连续型生产线。

原料在经过了熔化、成形、退火后成为连续的带状玻璃带。

这条玻璃带必须经过在线切割才能满足包装与市场的需求。

横切机就是玻璃在线切割必不可少的设备之一。

它的设备形式、控制原理及与生产的匹配性直接影响了成品玻璃板的几何质量。

平板玻璃生产线的特点是连续性和大规模，但是由于缺乏行之有效的控制方法，横切机切割质量的检测和调节一直是由人工来完成的。

由于人工检测调节的间歇性、经验性和不确定性，玻璃切割质量的控制不能很好的针对工况的变化，同时又加重了工人的劳动强度。

而横切机的切割系统是一个离散、滞后、非线性不确定的系统。

传统的控制方法又很难满足它的控制要求。

采用先进的智能控制技术可以将这一问题较好的解决。

1.4玻璃横切机的分类

由于目前各种工艺设备研究都相对独立,造成了横切机名称与特征上的混乱与界限不明确的现状。

以下是从平板玻璃横切机的工作原理和结构形式方面对其进行的分类。

玻璃带为运动的带状物体,运动速度为VL。

为了保证成品玻璃板为矩形,横切机的切刀必须同时具有纵向与横向两个方向的运动（如图1所示）。

纵向运动使切刀与玻璃带保持运动同步,即纵向运动速度VZ与玻璃带运动速度VL保持一致;而横向运动则使切刀完成切割工作,其运动速度为VH。

切刀的横向运动速度VH、刀口压力和刀刃状况决定了切痕的切口情况;切刀的纵向运动速度VZ与玻璃带运动速度VL的一致性与否,则决定了切痕轨迹的几何形状。

切刀两个方向的运动可以分别进行控制,也可以由切刀的工作运动分解形成,即VZ和VH可由切刀的工作运动速度VQ及它与横向运动方向的夹角Α而确定,并由此而决定了横切机机械运动机构的组成方式。

根据横切机上用以承载切刀工作机构并担负其工作运动导轨作用的横梁与玻璃带输送辊道（玻璃带运动方向）的相互位置关系,横切机机械运动机构的组成方式可以分为垂直式与斜置式。

垂直式横切机的切刀在工作运动过程中,其横向运动与纵向运动分别由不同的运动执行机构来实现的。

在运动控制系统的作用下,横向运动速度与纵向运动速度应分别满足玻璃切割工艺与随玻璃带同步运动的基本要求,从而实现切刀对玻璃带的正确切割。

斜置式横切机切刀的横向运动与纵向运动,是由沿斜置横梁运动的切刀的工作运动分解形成的。

横向运动速度和纵向运动速度的比例关系,按照控制对象的不同,由实际工作要求决定,可以采用角度调节方式或速度控制方式实现。

下面将分别对垂直式和斜置式横切机的机械运动机构的组成方式及其基本工作原理进行分析说明。

1.4.1　垂直式玻璃横切机

如前所述,垂直式横切机采用双运动执行机构,它的机械运动机构由横梁、横梁传动机构、横梁导轨、切刀小车、小车传动机构、小车导轨等组成（如图2所示）。

横梁导轨安装在玻璃带输送辊道两边,与玻璃带运动方向平行。

切刀小车及其传动机构与导轨安装在横梁上,横梁与玻璃带输送辊道（玻璃带运动方向）垂直放置。

横梁在横梁传动机构的带动下做纵向往复运动,切刀小车在其传动机构的带动下做横向往复运动。

垂直式横切机的基本工作原理是:

根据实际生产的工况与要求,运动控制系统与机构分别对横梁和切刀小车传动机构进行控制,使横梁前行运动速度VZ=VL;同时,在电机转矩、转速及负载情况允许的条件下,应尽可能提高切刀小车的工作速度VH,以减少横切机整体的工作循环时间。

　　垂直式横切机的特点是控制方式简单易行,但机械运动机构的组成方式较为复杂,并由于横梁的运动惯量较大,因而不适用于玻璃带运动速度较高的生产场合。

在实际生产中,垂直式横切机在平拉或格法玻璃生产线上应用较多。

由于垂直式横切机的横梁速度应与玻璃带速度保持一致,所以垂直式横切机又称为垂直随动式横切机。

1.4.2斜置式横切机

由玻璃带在线切割时所必须具有的横向运动和纵向运动可知,切刀的实际工作运动,应该是这两个相互垂直方向上运动的合成。

反之,若控制切刀进行该合成运动,则可以对应地分解为横向与纵向运动。

斜置式横切机,就是通过把决定切刀小车运动方向的横梁与玻璃带输送辊道（玻璃带运动方向）倾斜放置,并对切刀小车沿横梁的工作运动进行控制,而实现玻璃带切割时所需的横向与纵向运动。

切刀小车的工作运动速度VQ与横向运动速度VH和纵向运动速度VZ的关系,可以由式

（1）和式

（2）表示,其中Α为VQ与VH之间的夹角。

VH=VQ·cosΑ

（1）

VZ=VQ·sinΑ

（2）

在玻璃切割过程中,为了保证切痕的平直,切刀的纵向运动必须与玻璃带的运动保持同步,即必须保证VZ=VL。

当VL为恒量或基变量时,由式

（2）可知,可以通过分别控制Α和VQ来实现VZ与VL相等的要求。

若仅变化Α,则称为角度调节方式;若仅变化VQ,则称为速度控制方式。

此外,由于机械运动机构实现困难,通常都不会采用对Α和VQ同时调控的方式。

（1）角度调节式横切机

采用角度调节方式的斜置式玻璃横切机,称为角度调节式横切机。

它的机械运动机构由横梁、切刀小车、小车导轨、小车传动机构和角度调节装置等所组成（如图3所示）。

在角度调节时,可令

VZ=VQ·sinΑ=VL（3）

则有

Α=arcsinVLVQ（4）

若保持VQ=常量,则角度Α与VL之间的关系可由式（4）确定。

在实际生产中,由于产品规格与实际工况的改变,将会引起VL的改变。

因此,需要根据实际确定的或实际测出的VL,由式（4）中求出对应的Α值[Α∈（0,90°）],并据此调节横梁的实际斜置角度。

　　根据平板玻璃生产线的工艺特点,玻璃带的运动速度与所生产的玻璃规格有关。

生产的玻璃越厚,则拉引速度越慢,即玻璃带运行速度越低（VL越小）;反之,生产的玻璃越薄,则拉引速度越快,即玻璃带运行速度越高（VL越大）。

由式（4）和式

（1）中可以看出,VL越小（VZ=VL）,则Α越小,而相应VH就会越大;反之,VL越大（同样有VZ=VL）,则Α越大,而相应VH就会越小。

在实际切割时,当玻璃带运动速度越快时,除了要求切刀的同步速度VZ要更快外,实际的切割周期也必须越短,即VH也必须越快。

切割周期是指横切机的切刀从初始状态（位置）启动直到重新回到下一个初始状态（位置）所经历的全部时间。

它包括工作行程时间t前、停顿等待时间t停和返回下次初始状态（位置）时间t返（如图4所示）,并可由式（5）表示。

其中停顿等待时间与返回时间往往设成定值,而工作行程时间则通常决定于切割条件与切割运动的实际调节控制方式。

t=t前+t停+t返（5）

　　在角度调节时,由VQ=常量,对于同样尺寸规格的产品,无法保证VZ和VH同时提高的要求。

此外,由横切机驱动电机的机械特性可知,驱动电机在正常调速范围内,转速越高则它所输出的转矩就越小。

而角度调节式横切机在生产中实际切割薄玻璃时,由于同步运动的需要,VZ较高,则电机实际输出转矩的纵向转矩分量较小,而相应的横向转矩分量则较大。

同理,当需要在生产中切割厚玻璃时,对应驱动电机的输出转矩的纵向转矩分量较大,而其横向转矩分量则较小。

但在浮法玻璃生产线上,玻璃越薄,玻璃的切割阻力越小,横切机的切刀压力也就越小,即相应驱动电机的横向负载越轻,所需的横向转矩越小;反之,玻璃越厚,玻璃的切割阻力越大,横切机的切刀压力也就越大,即驱动电机的横向负载也就越重,所需的横向转矩越大。

这恰与角度调节式横切机的实际工作状态相反,因而不能很好地满足实际切割工作的需要。

目前,角度调节式横切机仅在一些应急的、非生产关键环节上有限使用,但一般都不作为生产线上的主用横切机。

而且,角度调节一般都是针对某种相对固定的产品规格及以相对稳定工况为前提而进行的,难以根据实际的VL实现无级自动跟踪式的调节。

（2）速度控制式横切机

采用速度控制方式的斜置式玻璃横切机,称为速度控制式横切机。

它的机械运动机构由横梁、刀具小车、小车导轨、小车传动机构等组成（如图5所示）。

这是机械运动机构组成方式最为简单的横切机,也是目前使用最为广泛的。

当进行速度控制时,由式（3）中可以得到

VQ=VLsinΑ（6）

由于Α为定值,由式（6）可知,切刀工作运动速度VQ与玻璃带运动速度VL成正比。

因此,可根据实际测出的VL,就能通过式（6）求出对应的VQ,最终根据VQ来控制驱动电机的实际运行。

由于Α为定值,则由式

（1）、

（2）、（6）中还可以得出

VH∝VQ∝VL（7）

VZ∝VQ∝VL（8）

由式（7）、（8）可知,当VL增大时,VQ增大,VH与VZ也都相应增大,而驱动电机所输出的负载转矩则相应减小。

当VL减小时,VQ减小,VH与VZ也都相应减小,而驱动电机所输出的负载转矩则相应增大。

这与玻璃实际生产时,玻璃带理论运动速度随板材厚度变化时所需的切刀横向与纵向的运动状态和切割工艺要求相一致,并且由于机械运动机构组成方式简单可靠,因此速度控制式横切机作为生产线上的主用横切机而得到了广泛的应用。

在速度控制时,由于切刀的工作运动速度VQ需根据玻璃带实际运动速度VL而定,即VQ随着VL的变化而变化,所以速度控制式横切机通常又称为随动斜置式横切机。

目前,对切割过程中的切刀速度的控制策略有两种:

①在切刀切割的过程中,切刀的速度与玻璃带的速度在每一时刻都保持式（6）的关系,即完全随动的策略,切刀速度为时时变化的。

以这种控制策略控制的横切机称为完全随动斜置式横切机。

②当切刀停止时,控制器根据玻璃带速度按式（6）不停的计算着切刀的速度。

当切刀启动时,切刀以最后计算的速度为切刀速度进行玻璃的切割。

即不完全随动的策略,每一次切割过程中,切刀的速度是不变的。

以这种控制策略控制的横切机称为不完全随动斜置式横切机。

第二章设计方案

2.1、研究内容

研究方向、内容

随着单片机、PLC技术的发展，传统的控制系统逐渐被新型智能控制系统取代。

鉴于PLC比单片机成本高，且输入/输出点数受到限制。

本次毕业设计我主要研究单片机技术的全自动玻璃横切结构，分别对其机械结构和人机界面系统进行设计。

以下为欲设横切机的功能设定：

1）机械系统功能：

切割速度方向要求：

玻璃带为运动的带状物体,运动速度为VL。

为了保证成品玻璃板为矩形,横切机的切刀必须同时具有纵向与横向两个方向的运动（如图1所示）。

纵向运动使切刀与玻璃带保持运动同步,即纵向运动速度VZ与玻璃带运动速度VL保持一致;而横向运动则使切刀完成切割工作,其运动速度为VH。

刀架运动要求；接到单片机控制信号后，落刀，由同步带带动沿横梁方向切割玻璃，抬刀，返回原落刀点。

其中落刀刀口压力要控制在指定厚度的玻璃的承载范围之内。

要保证其对玻璃的冲击不至于使玻璃损坏。

横梁的直线度不低于对玻璃的直线度的要求。

2）人机界面系统功能：

手动输入所要切割的玻璃的长度，切片数量，落刀位置，抬刀位置等参数，并可以通过键盘修改相关参数。

键盘设置急停键，抬刀键、回车键，以便切割出现问题时手动处理。

2.2、实现方法

2.2.1机械结构方案

对综述中提到的几种横切机的结构的比较本次毕业设计我也决定采用斜置式速度控制式机械结构。

机械结构简图如图6.

1主电机2同步带3刀架4气动元件5玻璃切割刀

6支杆7被切玻璃8工作台（玻璃输送机构）

图6自动玻璃横切机机械结构组成

具体工作过程：

1、通电：

由键盘输入所切玻璃长度、切片数量、，落刀、抬刀位置这四个参数。

点击启动键，系统开始运行。

2、启动主电机；启动按下后单片机发出控制信号，启动主电机，同步带带动刀架到指定落刀位置。

3、切割：

传感器检测玻璃输送情况，到达要求长度时，单片机控制落刀并切割到指定抬刀位置，抬刀。

将单片机计数单元中的切片数量减一。

刀架以最大回车速度运动到指定落刀点。

4、显示：

将单片机计数单元中的数值传输给LCD并显示，全程显示落刀、抬刀位置、切割玻璃长度。

5、系统自动重复3、4步至实际切割片数等于设定切割片数或手动停车为止。

2.2.2控制系统方案

1）主电机控制单元

为了保证加工过程的连续性和生产效率，切刀必须连续不断地工作，同时因切割玻璃长度的不同，主电机应持续通电，且能够调速以适应不同切断长度的需要。

考虑到此要求，本设计中主电机采用步进电机，并变频器进行速度控制。

2）单片机控制模块单元

处理器用单片机主要用于信号的采集，数据的处理、控制信号的输出等，它是整个控制系统的核心。

键盘完成加工参数以及干预信号的输入。

考虑到以后显示功能的扩展，本设计采用的是汉字图形点阵液晶显示模块。

图7控制系统结构原理

2.2.3软件流程方案

根据自动横切记的自动化过程，采用模块化结构设计。

设计掉电保护程序，保护工作状态信息和加工参数，以便恢复生产。

本次毕业设计我只编写人机界面系统的程序，包括：

LCD驱动程序、显示程序、键盘监控程序。

玻璃横切机总体工作流程图如下：

图8玻璃横切机总体工作流程图

2.3设计任务

主要内容：

1.设计玻璃切割机的机械结构。

根据玻璃切割机的工况，设计合理的机械结构，达到结构简洁、工作可靠、易维护的设计目的。

2.设计人机界面系统。

包括人机界面的单片机硬件电路，设计相关软件，画出程序流程图，然后分别编写各个模块程序，包括：

LCD驱动程序、、键盘监控程序、显示程序等。

主要设计技术指标：

1.使用最大原版宽度4.5m；

2.对角线切割精度＋5mm，切割直线度0.5；

3.使用玻璃厚度1.5－19mm;

4.最大回车速度3m/s，适用玻璃带速度50m-1200m/H;

5.安装斜置角7°；

6.控制器带有LCD和键盘，能够显示切片数量、落刀位置、抬刀位置等参数，并可以通过键盘修改相关参数。

2.4总体方案的确定

2.4.1机械传动部件的选择

（1）同步带传动副的选用由于同步带常以钢丝绳作负载心层，由与钢丝绳受载后变形极小，仍能保持带长不变，故带与带轮间不会产生相对滑动，传动比恒定。

同步带薄而轻，可用于高速场合，线速度可达40m/s,传动比可达10，效率可达98%.

（2）伺服电动机的选用从设计任务书规定的内容来看脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度未达到微米级，空载最快移动速度也只有3m/s。

因此，本设计不采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好的一些步进电动机，以降低成本，提高性价比。

任务书所给的精度对于步进电动机来说可以达到，所以选用开环控制。

2.4.2控制系统的设计

（1）对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C51作为控制系统的CPU,应该能够满足任务书给定的相关指标。

（2）人机界面选用4×4的薄膜式矩阵键盘，显示选用RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块。

第三章机械部分设计计算

3.1机械传动部件的计算与选型

玻璃横切机的传动部分通常由刀架、同步带、传动轴、以及伺服电动机等部件构成。

其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动同步带，同步带带动刀架完成切割运动。

同步带、伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需要根据工作在和选取即可。

3.1.1.同步带带动部件的重量估算

按照同步带带动部件的重量进行估算，即整个刀架加传动带的重量最大50N。

3.1.2切割力的估计，约为100N

3.1.3同步带传动副的计算与选型

要求传递功率P=0.3KW,主动轮最大转速n1=4440r/min,主、从动轮的传动比为1：

1.

（1）确定带的设计功率Pd

设计功率：

Pd=KAP（9）

式中KA——工作情况系数。

P——传递功率，单位为KW。

根据玻璃切割机工作情况查同步带工作情况系数表（机电一体化系统设计指导书P28表3－18），选取KA=2.00。

Pd=2.00×0.3KW=0.6KW

（2）选择带型和节距pb

根据Pd和n1由同步带选型图（机电一体化系统设计指导书P29图3－14）选择带型，图中水平坐标为带的设计功率Pd（KW）,垂直坐标为小带轮的转速n1（r/min）。

当所得交点落在两种节距的分界线上时，尽可能选择较小的节距。

选择L轻型，节距为9.525mm。

（3）确定小带轮齿数z1和小带轮节圆直径d1

应使z1>=zmin,zmin可由带轮最少许用齿数表（机电一体化系统设计指导书P28表3－17）查得，查得结果为zmin=18,在带速v和安装尺寸允许时，z1尽可能选用较大值。

本设计中选用z1=19。

小带轮节圆直径d1=pbz1/π=9.525×19/π=57.606,根据此值再查带轮直径尺寸系列表（机电一体化系统设计指导书P27表3－16），取d1=57.61。

小带轮节圆直径初定后应验算带速，不适合则重取。

同步带的速度v应满足：

v=πd1n1/600×1000<=vmax（10）

极限带速vmax为：

L型＝35－40m/s。

v=π×57.61×4440/60000=13.39m/s

（4）确定大带轮齿数z2和大带轮节圆直径d2

本设计传动比采用1：

1，所以z2=z1=19,d2=d1=57.61。

（5）选中心距a本设计中已经给出中心距a=6200mm

（6）校验带与小带轮的啮合齿数zm

啮合齿数：

zm=ent[z1/2－pbz1/2π2a（z2-z1）]=ent[19/2]=9（11）

式中，ent（x）为取整函数。

一般情况下，应保证zm>=zmmin=6。

因为zm=9>6,所以合适。

（7）计算基准额定功率P0

基准额定功率P0为：

P0=（Ta－mv2）v/1000（12）

式中P0——所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为KW;

Ta——带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N,查“同步带在基准宽度下的许用工作拉力和线密度”表（机电一体化系统设计指导书P30表3－21）。

m——带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m,查“同步带在基准宽度下的许用工作拉力和线密度”表（机电一体化系统设计指导书P30表3－21）。

v——同步带的线速度，单位为m/s。

查表得L型bso=25.4时，Ta=244.46N,m=0.095kg/m。

同步带线速度v：

由任务书知α=A=7°Vz=50-1200m/H

由VH=VQ·cosΑ

（1）

VZ=VQ·sinΑ

（2）

得VQ=VzsinΑ（6）

所以同步带速度v=0.114m/s－2.74m/s。

由以上得P0=0.6679KW

（8）确定实际所需同步带宽度bs

实际所需同步带宽度bs为：

bs>=bs0（Pd/KzP0）1/1.14（13）

式中bso——选定型号的基准带宽，如表所示（机电一体化系统设计指导书P30表3－21）。

Kz——小带轮啮合齿数系数，查小带轮啮合齿数系数表（机电一体化系统设计指导书P31表3－22），即zm>=6时，Kz=1.00。

由以上得bs=21.65mm。

（8）带的工作能力验算

用下式来计算同步带的额定功率P,若结果满足P>=Pd（带的设计功率），则带的工作能力合格：

P=（KzKwTa-bs/bs0mv2）v×10-3（14）

式中Ks——啮合系数，上式中以查得。

Kw——齿宽系数，Kw=（bs/s0）1.14

Ta——基准带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N,以上已查得为244.46.

m——带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m,以上已查得0.095.

v——同步带的线速度，单位为m/s,以上已算得为2.74.

由以上得P=0.6063KW

因为P>Pd，所以同步带的工作能利合格。

3.1.4.步进电动机的计算与选型

1）根据机械系统结构，求得加在步进电机转轴上的总转动惯量Jeq；

加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq是进给伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有重要意义。

在本设计中Jeq主要包括电动机转子的转动惯量、传动系统、同步带、刀架折算到电动机转轴上的转动惯量。

已知传动系统的联轴器、传动轴、同步带轮的尺寸与材料。

移动部件总重量G=50N,传动比1：

1.

如常用部件转动惯量计算表（机电一体化系统设计指导书P56表4－1）所示圆柱体的转动惯量的计算公式为：

J=mjD2/8（15）

式中，mj——圆柱体质量（kg）

D——圆柱体直径（cm）

由上式求各个零部件的转动惯量

（1）联轴器的转动惯量J1

联轴器内圆直径14mm、外圆直径25mm、高77mm、材料密度7.85×10-3kg/cm3

联轴器的转动惯量J1=m1D2/8=0.209kgcm2

（2）从动轴的转动惯量J2

从动阶梯轴如下图

尺寸由左向右为φ1＝25mm、L1=27mm、φ2=38mm、L2=4.5mm、φ3=32mm、L3=43.5mm、φ4=29mm、L4=35mm、φ5=25mm、L5=21mm材料密度7.85×10-3kg/cm3

从动轴的转动惯量J2=ΣπDi2LiρDi2/32=0.7591kgcm2

（3）同步带带轮的转动惯量J3

同步带带轮内圆直径30mm、外圆直径5