V带测长磨削机单片机控制系统软件设计毕业论文.docx
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V带测长磨削机单片机控制系统软件设计毕业论文
V带测长磨削机单片机控制系统软件设计毕业论文
第一章绪论
1.1引言
V带属新型的传动带，现已得到了越来越广泛的应用，尤其是近年来随着我国人民生活水平日益提高，汽车V带等产品的需求大幅度增加，带动我国橡胶行业中V带生产规模迅速扩大。
V带测长磨削机是V带生产过程的关键设备之一，对提高V带的产品质量和生产效率起至关重要的作用。
V带已广泛应用于汽车、机械、纺织、家电、轻工、农机等各个领域，在国民经济和人民日常生活中发挥着愈来愈重要的作用。
随着传动带品种多样性、使用性能标准的不断提高，在传动带生产中不断采用了新材料、新技术和新工艺，使用越来越先进的生产装备和检测手段。
V带尺寸的精确十分重要，一是因为对传动性能有很大的影响，除要求V带的截面尺寸必须具有一定的准确性外，V带的长度也必须满足一定的要求。
二是因为要符合国际标准和欧美标准。
为使同时使用的一组V带长度一致，每条V带的长度必须控制在一个比较小的误差范围内，常需要专用的测长机测量后进行配组。
目前国内生产V带的厂家，除了一些采用进口单鼓切割机的切割后不再需要打磨外，采用双鼓切割机的大部分中小型企业都需要有打磨V带这一最后工序。
许多生产厂家的做法是：
对长度要求不高的产品，切割后的V带在简易型的磨削机上进行打磨而不再进行测长[1][2][3]。
1.2国内外现状及发展趋势
目前，国外发达国家的V带生产工艺装备已达到相当先进和完善的水平，整个生产工艺连续化，普遍采用计算机控制，使成型、硫化、切割、磨削等工艺设备实现了高度光机电一体化，操作人员少，生产效率高，产品质量稳定。
如德国的SCHOLZ公司、BERSTORFF公司、日本的神户公司等均是专业生产此类设备的企业；此外，一些规模较大的橡胶公司如PIRELLI和GATES公司等也已能自行设计制造V带生产设备，如成型机、切割机、测长打磨机等。
这些公司生产的设备，有的将成型、切割、测长打磨机等集成为一体，如SCHOLZ公司的V带万能成型机，也有自成产品的，如日本的神户机械株式会社生产的切割机、测长打磨机等。
这些设备的共同特点是均采用工控机和触摸屏进行数据计算和人机对话，采用高精度的直线滚动导轨，无间隙滚珠丝杠，高精度光栅等各种传感器，以保证纵横向移动位置的精确度[5][6]。
我国V带产品在解决了工艺等一些关键问题后，近几年发展迅速，除国内市场外，已逐步向国外渗透。
浙江省的V带产品现在东南亚等地已有相当大的出口规模，许多企业已将目标瞄准欧美市场，但由于生产设备落后等问题，产品的质量与国外产品还有相当大的距离，产品还很少进入欧美市场。
从80年代末开始，国内少数有实力的厂家，如上海胶带股份有限公司、贵州大众橡胶有限公司等相继从德国、日本、美国引进了部分新型传动带生产设备，开始生产切边V带、同步带和多楔带，产品很受用户青睐，市场销路相当不错。
但这些进口设备价格昂贵，仅一条生产线就需几千万元人民币，即使只购买单台设备也需要200-300万人民币，这对国内一般的中、小型V带生产厂家来说是无法承受的[4]。
目前国内生产V带的厂家，除了一些采用进口单鼓切割机的切割后不再需要打磨外，采用双鼓切割机的大部分中小型企业都需要有打磨V带这一最后工序。
许多生产厂家的做法是：
对长度要求不高的产品，切割后的V带在简易型的磨削机上进行打磨而不再进行测长，大大降低了产品的精度。
随着V带使用厂家对V带配组要求的提高，许多中小型厂原有的简易型打磨机由于不能保证V带的长度已显落后，迫切需要在这类打磨机上安装测长打磨为一体的控制系统，以保证V带尺寸的精度与产品质量。
现有的V带测长打磨机设备主要有以下几点不足：
1.其主要功能是V带测长，一般情况都需要先对V带进行磨削后再进行测长磨削，这样就多了一道工序。
如果用这类设备直接进行V带磨削，则由于原设计是当检测到V带偏短时再进行少量的磨削修整，因而连续磨削时可靠性不够高，磨削速度不够快，影响操作工人使用这类生产设备的积极性。
2.一些仿制进口的V带测长打磨机常用气液阻尼缸控制V带的打磨修整,以实现快进、慢进、停止和快退等功能。
但由于制造和安装等原因,节流阀不能准确控制压辊进给速度,易出现每磨削一根V带都要调整节流阀的现象,且在磨削同一根V带的过程中也会出现压辊进给速度不稳定甚至压辊突然卡紧高速旋转磨轮的现象,这些现象在V带的磨削过程中是不允许出现的。
3.许多企业V带磨削采用的是干磨方式，粉尘大，工作环境恶劣，设备的电器部分极易损坏，这是一些国产V带测长磨削机的控制系统部分工作寿命较短的主要原因，而进口产品或仿进口产品的价格又较高，一般的中小型厂家不可能全部采用。
随着科学技术的不断发展，人们对设备生产效率及自动化程度的要求也越来越高。
针对目前的V带磨削生产方式，人们也提出了更高的要求。
希望能设计出一种能连续磨削，同时也能进行在线测长的新型V带测长磨削机。
不仅能提高生产效率，也能降低工人的操作强度[9][10]。
第二章系统功能分析和系统方案设计
2.1系统功能分析
V带测长磨削机单片机控制系统实现的功能
1.连续磨带，磨带速度快。
2.单独的测长和定长功能。
3.能够自动正反磨带。
4.能够在线测长，时时检测V带尺寸的精度，保证产品的质量。
5.具有传感器零位校正功能。
1.回零：
步进电机使带轮返回零点。
2.测量：
测量键用于对带长的测量。
3.正磨：
对被加工带测长并比较是否合格，不合格继续。
4.反磨：
与正磨作用相同，区别在于加工精度比正磨高。
5.复位：
程序初始化及系统复位。
2.2系统总体方案设计
图2.1V带测长磨削机结构示意图
注：
1—操作面板；2—张紧气缸；3—张紧带从动轮；4—压轮；5—压紧气缸；6—磨轮；7—张紧带主动轮；8—带轮电机；9—丝杆；10—步进电机。
结构及工作原理：
图2.1所示为V带测长磨削机结构。
与一般V带测长打磨机相似,需磨削的V带由张紧气缸控制,磨轮上方的压轮由力矩电机控制。
带轮和磨轮分别由带轮电机和磨轮电机驱动,带轮和磨轮电机均为双速电机[8]。
1.控制面板：
这是V带测长磨削机的人机界面，包含一个触摸屏和一些按钮。
触摸屏可以用做数据的输入和显示输出。
按钮用来控制磨削机的运作。
2.张紧从动轮部分：
这部分包括张紧带从动轮、张紧汽缸及线位移传感器。
张紧带从动轮及张紧汽缸的主要作用是在磨削时，确保被加工V带随时处于张紧状态。
线位移传感器是与张紧汽缸的活塞相连接的，活塞升缩的同时也使传感器的长度发生变化，只要通过A/D对传感器进行数据采集，就可以随时测量被加工V带的长度。
3.压轮控制部分：
这部分包含压轮和力矩电机。
主要作用是通过对力矩电机的控制，实现对压轮的升降控制，保证在磨削时始终能让压轮顶住V带，使其与磨轮的完全接触，有良好的磨削效果。
4.磨轮控制部分：
这部分包含磨轮和交流电机。
由交流电机带动磨轮转动。
磨轮是V型的槽，磨削时V带嵌入槽中，同时磨轮的转动方向与V带的运动方向相反，这样可以提高磨削效率。
5.张紧主动轮部分：
这部分包含张紧带主动轮、带轮电机及步进电机。
张紧带主动轮及步进电机的作用是用来定长，在触摸屏上输入长度时，程序就会驱动步进电机牵引张紧带主动轮运行相应的距离，达到指定位置。
带轮电机只要驱动张紧带主动轮运转，带动V带运转[7][11]。
2.3本章小结
本章主要阐述了新型V带测长磨削机的功能分析，以及V带测长磨削机控制系统总体方案设计。
新型V带测长磨削机功能包括连续磨带、独立测长等功能，同时简单介绍了整机的部分硬件。
第三章控制系统硬件组成
3.1系统基本配置
下面是V带测长磨削机控制系统硬件框图：
图3.1系统硬件框图
V带测长磨削机主要包含了主控板、电动机、传感器、触摸屏以及控制面板等部分组成。
下面简单介绍下各部分的硬件。
3.1.1主控板
主控板的核心是单片机，同时还包括外围一些基本电路。
综合考虑后采用80C51单片机做为控制芯片。
下面对其做基本介绍。
MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O接口等计算机所需要的基本功能部件。
具体包括：
一个8位CPU;
4KBROM或EPROM（8031无ROM）；
128字节RAM数据存储器；
21个特殊功能寄存器SFR；
4个8位并行I/O接口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB的RAM和64KB的ROM；
一个可编程全双工串行口；
具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；
两个16位定时器/计数器；
一个片内振荡器和时钟电路。
图3.280C51单片机内部结构
3.1.2电动机
1.力矩电动机
在某些自动控制系统中，被控制对象的转速相对于伺服电动机的转速低得多，所以，二者之间常常必须用减速机构连接。
采用减速器一方面使系统装置变得复杂，另一方面它是使闭环控制系统产生自激振荡的重要原因之一，影响了系统性能的提高。
而力矩电动机就是一种能和负载直接连接产生较大转矩、能带动负载在堵转或大大低于空载转速下运转的电动机。
力矩电动机由于在设计、制造上保证了电动机能在低速或堵转情况下能产生足够大的力矩而不损坏，加上它有精度高，反应速度快、线性度好等优点，因此，它常用在低速、需要转矩调节和需要一定张力的随动系统中作为执行元件。
2.步进电动机
步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行原件。
每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度。
步进电机转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数，故它作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化、工作可靠，而且不需要位移传感器就可以达到较精确的定位，获得较高的控制精度。
本设计采用110BC30C，0.75度/1.5度，9.8NM的步进电机，及五相混合式步进电机驱动器WD5H5。
驱动器基本资料：
适配二相四出线110BYG系列、130BYG系列混合式步进电机；
H桥驱动，恒流斩波；
相电流可调节为2A，4A，5A，或6A；
自动半流锁定；
工作电压AC100V±10%，50/60HZ，最大输入功率为350VA。
3.交流异步电动机
交流异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用最为广泛的一种电动机。
三相异步电动机主要由定子和转子够成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙。
它的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。
本设计采用YD90S-6/4型号三相异步电机。
3.1.3线位移传感器
精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的位移是位置伺服系统工作良好的基本保证。
位置传感器将具体的直线或转角位移转换成模拟的或数字的电量，再通过信号处理电路或算法，形成与控制器输入量相匹配的位置误差信号。
本设计采用NS-WY02型的位移传感器，其特点如下：
内置弹簧、自动复位；
高分辨率、预期寿命长；
精度高、误差小；
移动平滑、舒畅。
3.1.4触摸屏
随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多地用到了触摸屏。
利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。
触摸屏的基本原理是，用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置（以坐标形式）由触摸屏控制器检测，并通过接口（如RS-232串行口）送到CPU，从而确定输入的信息。
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。
本设计方案采用日本三菱公司产的F940系列触摸屏，其与单片机与之间可以通过串行通信实现数据交换[12]。
3.2人机界面设计
人机界面主要由触摸屏和按钮组成，用于实现对V带测长磨削机的控制。
触摸屏主要作为数据的输入及输出显示。
按钮主要功能如下：
回零：
步进电机使带轮返回零点。
测量：
测量键用于对带长的测量。
正磨：
对被加工带测长并比较是否合格，不合格继续。
反磨：
与正磨作用相同，区别在于加工精度比正磨高。
复位：
程序初始化及系统复位。
操作面板界面设计如下图：
图3.3人机界面
3.3本章小结
本章主要介绍了V带测长磨削机的硬件组成，主要包含了主控板、电动机、传感器、触摸屏以及控制面板等部分组成。
主控板的核心是单片机，本设计采用80C51单片机做为控制芯片。
触摸屏采用日本三菱公司产的F940系列触摸屏，其与单片机与之间可以通过串行通信实现数据交换。
电机主要介绍了步进电机、力矩电机和交流异步电动机。
第四章控制系统软件设计
V带测长磨削机单片机控制系统软件主要是实现步进电机的精确走位控制，V带产品尺寸的测量和V带产品尺寸的定长，以及触摸屏人机界面的设计。
4.1主程序结构
主程序主要是实现时时对硬件控制系统的监控扫描，检测外部硬件电路状态有无变化。
一旦状态变化时，就调用相应的子程序，等待某一子程序结束后再返回。
当上电时，主程序开始运行，循环执行每条语句。
先对系统进行初始化，再控制步进电机使主动轮回零，然后就是对人机界面上的各个按键进行循环扫描，当有按键状态发生变化时，主程序就调用相应的子程序，实现相应的功能。
本程序包括如下子程序：
初始化程序：
对系统进行初始化；
回零程序：
主动轮回到零位；
定长程序：
控制主动轮行程；
测量程序：
测量被加工带的长度；
正磨程序：
对被加工带进行正磨；
反磨程序：
对被加工带进行反磨；
复位程序：
系统复位和传感器零位校正。
下面是主程序结构的流程图：
图4.1主程序流程图
主程序如下：
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG000BH
LJMPTIMER0;跳定时中断0进行显示处理
ORG0060H
MAIN:
;调用系统初始化子程序,设置堆栈,定时器,中断,显示初始内容等
LCALLSYSTEM_INIT；调用系统初始化子程序
LCALLSEND_INIT
KEY_GOT:
LCALLDISP;调显示子程序
LCALLKEY;监测扫描键盘子程序,键码返回给ACC
JZKEY_GOT;键返回0，说明没有键按下
MOVB,A;暂存键码值
SUBBA,#04H
JNCKEY_GOT;则如果按下的不是磨削,测量或调零键则不做处理
MOVA,B;恢复键值
MOVB,#03H
MULAB
MOVDPTR,#KEY_TABLE
JMP@A+DPTR
KEY_TABLE:
LJMPKEY_GOT
LJMPADJUST_ZERO;调零处理程序
LJMPMEASURE_LENGTH;测量V带的长度
LJMPMILL_BELT;磨削V带
ADJUST_ZERO
LCALLADJUST_ZERO;调零处理程序
LJMPKEY_GOT;处理结束后返回到KEY_GOT
MEASURE_LENGTH:
LCALLMEASURE;测量V带的长度
LJMPKEY_GOT;处理结束后返回到KEY_GOT
MILL_BELT:
LCALLMILLING;磨削V带
LJMPKEY_GOT;处理结束后返回到KEY_GOT
4.2部分子程序功能及其流程图
主程序主要包含了初始化程序、回零程序、定长程序、测量程序、正磨程序、反磨程序和复位程序7个子程序[13][14]。
4.2.1初始化程序
初始化程序是开机时运行，对系统进行初始化的程序，包括对触摸屏单元的初始赋值和程序单元的初始赋值。
下面是初始化程序的流程图：
图4.2初始化程序流程图
程序：
SYSTEM_INIT:
MOVR0,#1FH
SYST10:
INCR0
MOVA,#0
MOV@R0,A
MOVA,R0
CJNEA,#0FFH,SYST10;对20H~FFH清零
;初始化是把显示的清为0
MOVSHOWBUF1,#0;对触摸屏的初始化
MOVSHOWBUF2,#19
MOVSHOWBUF3,#0
MOVSHOWBUF4,#16
MOVSHOWBUF5,#0
MOVSHOWBUF6,#0
MOVSHOWBUF7,#0
MOVSHOWBUF8,#0
MOVLENTH_H,#0
MOVLENTH_L,#0
MOVBLACK_DELAY,#20H
;特殊寄存器
MOVTMOD,#01H;T0方式1
MOVTH0,#09EH
MOVTL0,#058H;25ms初值
SETBTR0;
SETBET0;
SETBEA;
RET
4.2.2带轮回零程序
回零函数是开机或按下回零按钮时执行，对步进电机发脉冲，控制其运转。
包括电机的启动、加速、匀速、减速、停止等。
流程图：
略
当程序运行时，单片机对步进电机发脉冲控制其向零点运动，先加速再匀速，启动速度500HZ，最高速度5000HZ，每次以500HZ变化。
当碰到第一个光开关时开始减速，减到最低速500HZ，碰到第二个光开关（外中断1）时停止。
程序：
略
4.2.3定长程序
定长程序是按下定长按钮时执行，控制步进电机运转到指定位置。
包括对电机的启动、加速、匀速、减速、停止等控制，同时对每次所发脉冲进行计数确保步进电机不失步。
下面是定长程序的流程图：
图4.3定长程序流程图
当程序运行时，单片机先判断电机当前位置与目标位置的关系，确定运动方向及运行脉冲数，再比较脉冲数的多少来确定脉冲的最高频率，然后将脉冲分为加速、匀速、减速三部分，并且加速与减速的数量是一样的，单片机按此频率及数量对步进电机发脉冲，控制其运转，以确保不失步。
程序：
略
4.2.4V带测量程序
测量程序是按下测量按钮时执行，测量被加工带的长度，并将每次所测的结果（平均值、最大值、最小值）显示在触摸屏上。
下面是测量程序的流程图：
图4.4测量程序流程图
当程序运行时，AD每1毫秒采集一次数据（8个数据），调用冒泡程序将8个数据按从小到大排序，取中间4个数据算平均值，将平均值送给一个8元素数组的最高位，同时原先8个数前移一位，第一位数去掉，并再次调用冒泡程序对这8个数按从小到大排序，取中间4个算平均值。
将平均值与触摸屏上的现有最大、最小值做比较并重新赋值，同时与现有平均值重新算平均值，最终将值显示在触摸屏上。
程序：
MEAS_01:
MOVSHOWBUF1,#15;显示SLERR
MOVSHOWBUF2,#15
MOVSHOWBUF3,#13
MOVSHOWBUF4,#16
MOVSHOWBUF5,#17
MOVSHOWBUF6,#29
MOVSHOWBUF7,#16
MOVSHOWBUF8,#16
CLRLIGHT05
CLRLIGHT06
SETBLIGHT07;置偏短指示灯亮
LCALLDISP
SETBKEYP;置键反应标志
RET
MEASURE:
NOP
LCALLLVBO_DATA;取偏差值
LCALLDAT_CHANG;进行线性转换
LCALLWARP_CP;和设置偏差比较
CLRC
SUBBA,#1
JZMEAS_01;偏短则报警
SETBOUT06
MOVSHOWBUF1,#12;D
MOVSHOWBUF2,#10;A
MOVSHOWBUF3,#16;灭
MOVSHOWBUF4,#16;灭
MOVR6,LENTH_H
MOVR7,LENTH_L;取带长长度
LCALLHB2;转换成BCD码放在R5，R4
MOVA,R5;取低位送显示
ANLA,#0FH
MOVSHOWBUF5,A
MOVA,R5
SWAPA
ANLA,#0FH
MOVSHOWBUF6,A
MOVA,R4;取高位送显示
ANLA,#0FH
MOVSHOWBUF7,A
MOVA,R4
SWAPA
ANLA,#0FH
MOVSHOWBUF8,A
LCALLDISP
SETBKEYP;置测量键响应标志
MOVCL_DELAY,#160;测量4秒,延时基数为50ms
LCALLLVBO_DATA;取偏差值
MOVWARP_MIN,R4
MOVWARP_AVE,R4
MOVWARP_MAX,R4;数据初始化
;下面这一段程序是在4秒延时时间里，求最大偏差值，最小偏差值和平均偏差值
;WARP_MAX最大偏差值WARP_MIN最小偏差值WARP_AVE平均偏差值
MEAS_10:
LCALLDISP;调显示子程序
LCALLLVBO_DATA;把0809采集的数据进行滤波，后送R4
MOVA,R4
CJNEA,WARP_MIN,MEAS_12;比较当前采集的偏差是否小于上一次采集的最小偏差
MEAS_12:
JCMEAS_13
CJNEA,WARP_MAX,MEAS_14;比较当前采集的偏差是否大于上一次采集的最大偏差
MEAS_14:
JNCMEAS_15
CLRC
ADDA,WARP_AVE;当前平均数和当前偏差相加
RRCA;求平均除以二
MOVWARP_AVE,A;保存
SJMPMEAS_16
MEAS_13:
MOVWARP_MIN,A;把当前采集的数据送入存偏差值最小的寄存器
CLRC
ADDA,WARP_AVE;当前平均数和当前偏差值相加
RRCA;求平均除以二
MOVWARP_AVE,A;保存
SJMPMEAS_16
MEAS_15:
MOVWARP_MAX,A;把当前采集的数据送入存偏差最大值的寄存器
CL
升级会员 