机电一体化技术在轮胎生产中的应用论文综述Word下载.docx

1、但是，当时的英国，过于注重传统的绅士化，为了保护马车，限制蒸汽车的发展，汽车的速度在市区被限定为时速2mile（约32km），郊区为4mile（约64km）。这样，汤姆生的发明便没有了市场，因此，慢慢地也就被人们遗忘了。也就是说，汤姆生的第一次轮胎革命，并未给人类带来太阳一样的光明，因为人类所应经受的黑暗似乎还没有到头。但是太阳总是要出来的，因为人类以及万物都需要它，40多年以后的1888年，在爱尔兰当兽医的英格兰人J?B?邓禄普先生取得了充气轮胎的专利。当时，J?邓禄普先生10岁的儿子强尼买了一辆三轮自行车，但是因为当时的轮胎还都是用硬橡胶做的实心轮胎，因此，在满是石头的路上行走时很不舒服，

2、儿子的抱怨激发了邓禄普先生的灵感，因此，被遗忘了四十多年的充气轮胎再次问世。随着时代的进步，邓禄普先生发明的充气轮胎很快在自行车上得到了应用，并迅速迈向了汽车领域，为世界汽车工业的发展做出了巨大贡献。 人类在度过了漫长的手工生产后，随科学技术的发现、创造与发展，在不平凡的20世纪之后，开始进入了新的千年。人类预言，21世纪，以物质科学和生命科学的突破为前提，生物技术、信息通信技术、新材料技术的广泛应用为代表，科学技术将成为人类社会变革与发展的主导力量。高新技术领域很广，主要有信息通信、生物、新材料、先进制造、航空航天、能源、海洋、环保等，各领域之间相互交叉、融合与集成日益普遍，这种融合与集成孕

3、育着新的技术革命和产业革命。 高新技术的发展又有力地促进了各种传统工业的发展，世界橡胶工业也不例外，目前与橡胶工业有关的高新技术领域主要有，信息通信技术、生物技术、新材料技术和光机电一体化技术四大类。橡胶工业的新型原材料、新产品、新设备、新工艺等的进步都受益于高新技术的应用，利用高新技术改造传统橡胶工业，生产技术向高新技术发展，是将我国建设成世界橡胶工业强国的必由之路。关键词: 新材料 机电一体化 研究创想 目录第一章 主体材料 轮胎生产包括：密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等多个复杂的工序。每一个工序都包括非常复杂的工艺过程。 首先，我们来一起浅谈未来社会的新材料进展。 新材料技术

4、被誉为高技术的基础，各工业化国家都把发展新材料技术摆在特殊的位置上。新材料种类有高性能结构材料、电子信息材料、医用生物材料和纳米材料，与橡胶工业较密切的新材料主要是高性能结构和纳米材料。 高性能结构材料是指高强度、高韧性、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等特殊性能的材料。 另外，还包括复合材料，是指由基体材料（树脂、金属、陶瓷等）和增强剂（有纤维状的、晶须状的、颗粒状的等）复合而成，例如热塑性树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及碳及复合材料等。 橡胶工业的原材料分三大类，即主体材料、骨架材料和助剂材料，可以说这三大材料决定了橡胶产品的特性和功能。1.1 主体材料 橡胶产品是以天然橡胶为主体材

5、料开始发展起来的，时至今日，所谓的橡胶产品的主体材料已经发生了重大变化，目前橡胶工业使用的主体材料除了天然橡胶、合成橡胶外，还有热塑性弹性体和液体橡胶。近几十年来，主体材料最大的变化，莫过于热塑性弹性体得到了很大发展。 热塑性弹性体（TPE）是一类介于橡胶和塑料之间的高分子材料，其兼具橡胶的物理机械性能和塑料的工艺加工性能，同时返回料和废旧制品还可以重复利用，是一种不同于橡胶和塑料的全新的高分子材料。由于热塑性弹性体具有以上优越性，自20世纪50年代投放市场以来，得到了迅速发展，其产量60年代的年均增长率层高达16，进入90年代稳定在7，1998年产销量达到114万吨，2000年达到170万吨

6、，预计2010年将达250万吨以上。可以说现在起热塑性弹性体进入了稳定发展时期。与热塑性弹性体迅速发展成鲜明对比的是，橡胶和塑料的发展停滞不前，目前橡胶和塑料的年增长率仅1和2.4，这充分说明了热塑性弹性体发展潜力。例如：动态硫化和茂金属催化技术的应用，使热塑性弹性体向高性能方向前进了一大步。相信不久的将来，一种完全能取代橡胶的高性能的热塑性弹性体一定出现，届时，橡胶工业用主体材料、生产工艺等将发生根本性变化，同时也将能彻底解决废旧橡胶的回收利用，保护环境的一大难题。 液体橡胶也是取代橡胶的一种非常有发展前途的主体材料，应该说，液体橡胶是革新橡胶工业的最根本的途径，它使复杂的固相加工改为简单的

7、液相加工，砍去了笨重庞大工艺加工设备，大大简化了加工工艺，使材料混合、成型、硫化实现一体化。液体橡胶中引人注目的是聚氨酯橡胶，产量已达100多万吨，最初主要用于制鞋和微孔弹性材料，后逐渐用于胶带、胶管、胶辊等产品，近年来大量用于生产自行车胎、实心胎、工业轮胎及农用轮胎等慢速轮胎。这些产品经久耐用、颜色鲜艳，深受用户欢迎。但是用于高速轮胎尚处于开发之中。1.2 骨架材料 橡胶骨架材料主要有钢丝、锦纶、涤纶、高强力人造丝和各种短纤维，根据轮胎等橡胶制性能的要求，对骨架材料的性能要求也越来轮胎，目前世界上著名的轮胎厂逐渐用白炭黑代替炭黑制造绿色轮胎和节能轮胎，据说已取代510的炭黑 纳米碳酸钙是20

8、世纪80年代开始发展起来的，是少数几种实现工业化的纳米材料之一。其粒子细（1100nm）、比表面积大、白度高，表面经活化处理，易于胶料结合，将其填充在橡胶产品中，能使产品表面光滑，抗张强度高，抗撕裂、耐弯曲、抗龟裂，不仅产品性能比普通碳酸钙大幅度提高，还可以增容降低成本。粒径小于20nm的碳酸钙，其补强作用与白炭黑相当。日本早在20使劲50年代就在橡胶工业中应用纳米碳酸钙品种白艳华等，根据不通的橡胶制品，可以部分和大部分代替炭黑和白炭黑。 纳米氧化锌不仅提高橡胶制品机械性能，其用量比普通氧化锌节约3050。另外，纳米粘土、纳米三氧化二铝、纳米二氧化钛等在橡胶工业中的应用也有所进展。由于纳米材料

9、的一系列特异性能对于种类繁多橡胶产品大有用武之地，因此，大力推动纳米材料在传统橡胶工业中的应用意义重大。 第二章 机电一体化技术在轮胎生产中的应用光机电一体化是一个总的技术指导思想，它不仅体现在一些机电一体化的单机产品之中，而且贯穿于工程系统设计之中。从简单的单台光机电一体化产品，到现代工业中的柔性加工系统；从简单的单参数显示，到复杂的多参数、多级控制；从机械零部件连续自动热处理生产线，到各种现代高速重型机械自动化生产线等，光机电一体化技术都有不同层次、覆盖面很广的应用领域。对于工程系统，需成套地进行开发和制造。对于光机电一体化单机产品（设备），应采用简繁并举、高低级并存的多层次发展途径。可发

10、展功能附加型的低级产品；也可发展功能替代型的中级产品；还可发展机电融合型的高级产品，成为前所未有的新一代产品。我国光机电一体化产业起步比较晚，但其发展一直都受到了政府重视，经过20多年的发展，我国目前已在北京、上海、武汉、长春、深圳、合肥等地形成了光机电一体化产业基地，其产值超过2800亿元。近年来，随着我国工业化进程的快速发展，以及我国作为全球制造基地地位的确立，推动光机电一体技术在工业产品质量检测领域的快速发展。与传统的检测技术相比，光电检测技术具有检测速度快、精度高的特点，同时可根据被检物体设计检测软件，实现了真正的检测智能化，其应用领域十分广泛。目前，橡胶工业仍是手工操作比较多的一个产

11、业，特别是轮胎、胶鞋等部件比较多的产品，仅成型就有十几道工序，劳动强度大，生产效率低，严重影响了橡胶工业的发展。工业发达国家都把橡胶产品的成型工序为重点,通过计算机技术、光机电一体化技术和机器人技术，实现自动化生产方面取得了重大发展。工业X光检测机的工作原理与食品X光异物检测机相似，但其应用主要集中在化纤、皮鞋、箱包等一些工业品检测领域。我国是鞋帽服饰出口大国，2010年我国鞋帽服饰类出口金额为1651亿美元，较2009年增加300亿美元，增幅达到22.21%。据中国产业研究报告网统计，目前我国共有19000多个鞋帽服饰生产厂家，仅在此领域我国每年就需要超过2000台的工业X光检测机。除了在化

12、纤、皮鞋、箱包等一些工业品检测之外，光电检测技术也可用于子午线轮胎缺陷的检测。我国是轮胎生产和需求大国，据了解，2010年我国共生产子午线轮胎3.64亿条，较2004年增长了近2.5倍，年均增长率超过20%。但是我国在轮胎检测方面却十分落后，截至2010年底，我国共有轮胎制造厂600多家，轮胎生产线1000多条，但配置了X射线子午线轮胎自动检测设备的生产线仅有30%左右，远远低于发达国家水平。随着我国汽车产业的快速发展及轮胎质量要求的不断提高，预计未来几年内，子午线轮胎可实现100%检测率，届时将每年可带来超过300台X射线子午线轮胎自动检测设备的市场需求。随着技术的不断创新和变革，光电检测专

13、用设备应用范围也在不断拓宽，应用程度不断提升。预计未来几年，在下游行业需求的推动下，我国光电检测专用设备将保持高速增长的态势，市场发展潜力巨大。2.1机器人在生产中的出现 在这里值得一提的是，机器人技术在实现橡胶产品生产自动化方面，起到了非常重要的作用。机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种高度灵活性的自动化机器。现在世界上约有100万个机器人，其中绝大部分是工业机器人，工作在汽车制造、电器装配等领域。工业机器人主要特点是擅长于重复特定的工作程序，特别适合于橡胶产品成型工序，不仅能提高生产效率，降低

14、成本，而且能提高产品质量。国外著名橡胶公司都很重视机器人在橡胶产品生产中应用。 例如米其林、固特异、倍耐力、普里司通、大陆等公司已在轮胎生产中普遍应用。日本东海公司的减振橡胶生产厂基本上实现无人生产，大部分工序由机器人承担。 90年代米其林、固特异、倍耐力、普里司通、大陆等公司相继开发成功全自动化轮胎生产线，是轮胎生产技术的重大突破，各家技术大同小异、基本上是计算机技术、光机电一体化技术和机器人技术结合的成果。 米其林的C3M（移动成型分段成型流水线）1993年建立第一家试验厂，1995年C3M新工艺轮胎商业化销售，目前在法国有两家、瑞典和美国各一家这样的轮胎厂，与传统轮胎厂相比，工厂建设投资

15、、人工、占地面积都减少一半，原材料周转加快10倍。2.2单片机的应用 该系统具有定长准确、运行可靠、抗干扰性能较强等优点。作为传统的胎面二次定长工艺中的定长裁断系统的换代产品，有较高的推广使用价值。关键词单片机胎面定长抗干扰图轮胎一次定长裁断系统原理框图概述胎面定长裁断是轮胎生产的关键工序之一，胶料投入成形机后压出并经牵引拉伸、冷却及定长裁断后得到轮胎胎坯。通常裁断后的胎面温度仍较高，还在收缩之中。通过大量试验得知其收缩率与裁断后胎面温度、出槽后环境温度密切相关。按工艺要求，裁断冷却后胎面长度与工艺长度的误差应在以内。若太长，则会造成成品胎面周长偏大，当轮胎装于轮箍后，易造成滑胎和变形；若太短

16、，则成品胎周长偏小，轮胎在轮箍上处于强拉伸状态，会造成磨胎和裂胎。传统胎面定长裁断系统是采用二次定长工艺，首先是由生产线上的计数器（目前均由时序电路实现，其可靠性、抗干扰性能较差、计数误差较大）对新鲜胎面实现定长裁断（为保证新鲜胎面经冷却后其长度仍能符合工艺要求，需留有较大余量），待胎面冷却后再进行使用。单片机的无线化和无线网络化大趋势芯片巨人TI公司收购无线单片机的先锋CHIPCON公司后，推出了全新概念的新一代ZigBee无线单片机CC2430/CC2431系列和短距离通讯的新一代无线单片机CC2510/CC1110系列，这些以经典8051微处理器为内核无线单片机，也称射频SoC（片上系统

17、），以其优异的无线性能，超低功耗，超低成本，在单片机技术领域，开创了单片机无线化和无线网络化的全新时代，采用这些新型无线单片机，进行无线通讯，RFID，无线数传产品等产品设计，是开发低成本、低功耗单片机应用产品的非常理想方案。 以CC2430为代表的新一代射频SoC（片上系统）的特点是: 1）专门的设计，将全部的ZigBee/802.15.4需要的高频部分电路全部集成到了电路内部，从无线单片机到天线之间，只有3-5个0603的普通零件，系统设计者完成不必需要任何高频方面的经验； 2）采用特殊设计，使8051微处理器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小（因为对于非常微

18、小高频信号而言，8051就是一个很大的数字噪声源）； 3）将高速8051微处理器，32K到128K闪存，8kSRAM多种外围电路，A/D，RTC和CC2420无线芯片等全部设计成一只非常小的芯片（48脚7X7平方毫米大小），真正实现了单片机的无线化，微型化，使采用这类单片机的产品可以做成微型遥控器，信用卡一样薄的微型卡片，RFID长距离卡片，能置入人体的微型传感器等等； 4）无线通讯中的需要的大量软件处理，包括纠错，防止空气中包装碰撞，IEEE802.15.4标准通讯协议处理，网络路由，多种网络拓扑等等，都可以象搭积木一样，轻易放入无线单片机内部存储器中间去，由于CC2430这样的新一代无线单

19、片机具有较大的存储空间，以CC2430-F128为例，如果将IEEE802.15.4的协议软件放进去，大概只需要1/4存储空间，将完整ZIGBEE无线网络协议栈放入进去，也只需要1/2空间，我们还有足够空间存储我们的应用代码； 5）功耗非常低，CC2430无线单片机待机是电流消耗仅0.2UA,在32K晶体时钟下运行，电流消耗小于1UA； 使用小型电池寿命可以长达10年； 6）价格非常低：CC2430分别包括高速8051内核，ZIGBEERF硬件部分，8KSRAM,128K/64K/32K闪存，大量购买的分别是4美元到2美元；而更加简化的CC2510/CC1100，价格会更低；从目前情况看，由于

20、高频部分的硅成本非常低，加上非常大的生产数量，所以RF+MCU的总体价格，可能会低于普通常见8051单片机的价格。2.3 PLC的生产中的研究 在本世纪末对传统轮胎工业的改造已取得了显著的效果，对提高轮胎质量，降低轮胎成本，提高生产效率及减轻劳动强度起了较大的作用。但在应用过程中还存在一些问题，如在同一装备中选型的统一性、程序备份的重要性、输入点接法的安全性和可靠性等，下面分别对以上问题进行论述。输入端的输入信号可编程控器的输入点是接收外来信号的一个输入口，主要有以下几种信号。（）位置传感器（接近开关）在轮胎成型机中，位置传感器主要用于控制下压辊及后压辊的机械运动位置，一般用于定位较多，但也可

21、和其它装置组成脉冲发生器。（）线性位移传感器线性位移传感器需要模拟量模块转换，传感器对被测物体的位移变化输出是变化的电压。在胎面挤出联动线上用得较多，主要协调上、下层水箱中胎面的运行速度。（）温度传感器温度传感器输出信号的大小反映被测介质温度的高低，在双模硫化机中主要检测内压循环水温度和外温，通过转换，可等效控制硫化时间。（4）压力传感器压力传感器输出信号反映润滑系统中的压力是否在正常范围内。在轮胎生产的过程中，轮胎制造工控主机在接收到工艺参数后，将信号传给密炼机、挤出机、压延机、胎圈成型机、帘布裁断机、硫化机等机器的可编程控制器（plc），各可编程控制器再将信号通过其输出口传出，使机器在系统

22、控制下执行整个密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等过程，完成工作。在密炼周期中的每个阶段，主电机的速度由工艺参数设定。在密炼过程中可编程控制器记录一些工艺数据及设备是否完好的情况，并将密炼数据传给plc作为plc控制密炼动作及密炼周期结束的依据。同时，系统根据密炼情况自动调整挤出机的速度并自动将压辊和挤出机头间的压力调整到设定值，随着料斗中胶料的增加，挤出机的速度也加快，机头压力增加，压延机也会自动增加速度，使压力保持在设定值，直到挤出机的速度增加到最大，压延机速度最大。当挤出机料斗的料位上升到上限时，挤出机会要求密炼机暂时停机，等料位下降到中位后，密炼机继续工作。在胶部件准备工序中，

23、压延机将轮胎所需骨架材料压入橡胶中，并根据plc主机预设定参数将橡胶压制成一定形状。在轮胎成型过程中，机器根据设定参数自动完成定长、裁断、同步贴合、整形等工序，这样轮胎就基本成型了。为了加强轮胎的耐磨、抗轧能力，需要进行硫化以增强轮胎的强度。轮胎在进行硫化时的压强和温度的变化直接影响轮胎硫化的质量，这就要求在轮胎进行硫化时，控制系统严格监测和控制硫化的温度和压强使之按照预设值进行，并在温度和压强不足时，采取自动延时硫化的方法进行温度和压强的补偿。可编程逻辑控制器（PLC）在中国是九十年代快速发展起来 的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的 产物，在现代控制系统中，PLC已经

24、成为最重要的基本控制单元之 一，在工业控制领域中应用越来越广泛。 日本横河（YOKOGAWA）电机公司的FA一M3系列PLC是横 河公司基于DCS技术基础经过多年专业研发于1992年推出的高 性能产品，作为日本最大的工业控制集团，横河FA一M3系列PLC 自诞生起便始终引领着日本PLC业界的发展潮流，短短几年便跃 居日本中大型PLC市场占有率的第二位。 轮胎生产的过程中，轮胎在模型内部进行硫化时的压力和温 度的变化直接影响轮胎的质量，随着我国汽车工业的发展，轮胎生 产企业的不断增加，新建设的高速公路不断地投人使用，现实需要 我们不断提高轮胎的质量。这就要求在轮胎进行硫化时，严格按照 工艺规定的

25、温度进行控制和监控，而PLC正是当前硫化机的首选 控制器。 现代硫化机的基本要求:高质、高产、可靠长寿。高质保证 硫化质量，降低次品率;高产在尽可能短的时间内完成硫化过 程;可靠长寿故障率低，使用寿命长，年维修费用少。2.4 传感器在动力转向系统中的应用 在动力转向系统中，传感器的控制对象是车轮转向角，通过对车轮转向角的电子控制,达到控制动力转向系统的目的。常见的动力转向系统有：主动前轮叠加转向系统AFS、主动前轮助力转向系统ESP和主动后轮转向系统RWS。所用的传感器主要有发动机转速传感器、车速传感器、转矩传感器等,通过这些传感器发挥作用，动力转向电控系统在实现转向操纵轻便、提高了响应特性的

26、同时增大输出功率、减少发动机损耗，从而也节省了燃油。 所有的动力转向系统ESP、AFS及RWS的工作原理都是由驾驶员发出指令,由传感器感知路面的状况,并以电信号的形式将路面状况通过网络传递给电子控制器及执行器。比如在EPS系统中，这种微机控制的转向助力系统具有部件少、质量小、体积小等特点。在系统工作时，如果我们选择最佳传动比，就可以得到最快的反应：即当汽车高速行驶时，转向速度比就会变小，而转向力度会逐渐增大，这会使汽车方向更稳定、行车更安全。而当以很低的行驶速度驾驶时，转向速度比会变大，此时只需轻轻地小角度打转向盘，车身位移就会发生大幅度变化，这会使得很多工作变得轻松，比如停车入位工作；该系统

27、的特点在于它提高了汽车的转向能力和转向响应特性，同时它也增加了汽车高速行驶时的稳定性和低速行驶时的机动性。另外，由于EPS可根据需要给转向盘施加一个额外力矩,驾驶员可以根据这个力矩的提示信号,才去转向措施，这就是此系统的转向建议的功能。该系统主要有电子控制器、电动机及运动传动机构、电机转速传感器、转向不同的方向，使其电动机的转数保证有动力矩传感器和转向盘转角传感器组成。其他系统也都和EPS系统一样，各自发挥了不可替代的重要的功能。自动分度系统 保证达到测试要求前提下，尽可能选择性价比高、运行可靠、开发周期短方案。综合考虑后，采用触摸屏作为上位机、PLC作为下位机设计方案。利用RS-232串口通

28、讯完成数据传输。系统框图如图1所示: 触摸屏是专门面向PLC应用，它不同于一些简单仪表式或其它一些简单控制PLC设备，它功能强大，使用方便，抗干扰能力强，非常适合现代化工业越来越庞大工作量及功能需求，它日益成为现代化工业必不可少设备之一。下位机可编程控制器具有扩展方便、控制简单、抗干扰能力强、价格低廉等优点;PLC作为下位机完成分度控制、加工控制和采集编码器反馈数据等功能。控制系统硬件配置性能要求，从经济角度出发，选择主要器件:（1） 触摸屏采用EASYVIEWMT508S。该系列人机界面拥有一般人机界面功能外，还提供了许多特有功能:a） 可以同时开启6个弹出窗口。b） 可以拥有和Window

29、s95/98一样任务栏和快选窗口。c） 采用强大32位RISC处理器（IntelStrongARM）, 使MT508拥有更快处理速度。（2） 旋转编码器采用日本NEMICON公司精度为5400P/R产品，它将工作台位置信号反馈给PLC，再由PLC进行数据处理后，控制步进电机动作，达到精确控制工作台位置目。（3） PLC采用永宏公司FB系列FBE-20MC。采用该系列PLC主要有两个原因:a）采用硬件电路构成硬件高速计数器（HHSC），最高计数频率20kHz，是32位高速计数器。B）PLC计数器自带4倍频电路，对编码器信号进行4细分，提高系统精度。 采用一组硬件高速计数器对编码器反馈脉冲进行计数

30、。FB-PLC每组硬件高速计数器都有8种计数模式可供选择，我们选用了MD7，即输入信号为两路相位相差90脉冲信号，对两路信号上升沿和下降沿分别计数，这样高速计数器就计数4个脉冲，如图2所示。原来编码器反馈信号精度为3605400=0.067，这显然达不到要求，但后继电路进行电平转换和PLC4倍频电路细分后，不增加任何硬件前提下使编码器分辨率提高到36054004=0.017。分度控制系统中，我们将编码器反馈脉冲数与PLC计算出目标脉冲数进行比较，反馈值小于或大于目标值，则说明工作台还没有到达目标位置，两值相等，则说明工作台已达到目标位置。用这种方法实现工作台位置闭环控制。（4） FBE-20MC是控制系统核心器件，其输入输出信号分配如图3所示: PLC程序流程图 PLC程序流程图如图4所示:第三章 我的设想 通过了解了材料，以及凭着我对所学习专业的熟知，我认为在轮胎的生产中要让专业得以全面应用，我在轮胎的压出线上工作，除了对机械的操作技术了解，那么我认为在里面加入些技术含量就更合适，比如橡胶的插运，脱离人力，让机器人来完成，他就不会因为人的操作失误而出现原材料的使用出错；再者，所用的机芯设置，改变单独的操作功能，不用人来改变计数，让单片机的核心原理充分利用，PLC还不能让我们知道外国产品的先进吗？让单独的设备加入先进的技术，让单一的