毕业设计（论文）-轴承钢球成型在线监测系统设计.doc

济南大学毕业设计第一章 前言1.1课题研究背景及意义轴承钢球是重要的基础零部件，广泛应用于机械、电力、建材、矿山、冶金等领域，尤其是精密工业钢球在国民经济发展中起着巨大作用。那么对钢球的冲压质量进行监测也成为必备工序。以前对钢球包括其它很多锻压件的监测都是用人工进行外观检测。但这种检测过程是在生产的末端工序进行的，不可避免的要浪费较多成品钢球，既费时、费力，又不能进行百分百的监测1。对于更高效率、更高准确性的监测方法，国内相关研究人员也进行了广泛研究和探索。目前已开发出自动外观监测、在线监测等监测方法。自动外观监测法还是不可避免的要遇到在末端工序监测而浪费成品钢球的问题。而在线监测由于其检测过程是在不停机情况下进行而且在钢球生产的上游工序，则可以及时发现钢球缺陷，避免缺陷扩散，而且在线检测可以及时获得冲压质量信息，所以在线监测正逐渐成为主流监测方法。国外对金属加工的过程监测技术研究已有20多年历史，研究分析冲压力波形与产品质量关系。国外对钢球在线检测方面的研究起步也较早，目前已经成功运用到相关产品的生产过程中，取的较好的检测效果。现以德国Brankamp公司为代表的许多公司已研发出精确的过程监测仪器。相对于国外在金属冲压质量方面的的研究，我国在这方面的研究起步较晚，钢球冲压在线检测方面的研究就更晚。而且相关研究人员和经费较少，研究范围较小。为了解决以上了解到的现在钢球生产过程中质量监测存在的费时、费力、不能实时检测、成本高等问题。选择钢球冲压在线监测课题进行研究，希望在硬件和软件设计方面有所突破，以提高钢球检测效率，降低检测成本。同时也希望在本课题的研究过程中对在线监测的相关知识进行学习，以便对后续相关研究做准备。1.2本在线检测系统的基本原理做钢球冲压在线监测系统首先需要解决的一个问题就是如何找到与冲压质量有对应关系的物理量，通过采集并分析这个物理量而间接得到钢球冲压质量。这个物理量不仅要和冲压质量有对应关系而且要便于采集，便于计算机处理。通过大量实践调研我们发现冲压力与冲压质量有对应关系1。接下来需要解决的问题就是如何采集冲压力信号。在线检测中冲压力可以通过不同的传感器测量出来，如力，应变，加速度，距离及声发射传感器等。通过对比我们采用压力传感器作为采集冲压力信号的探测元件。压力传感器将力信号变成电信号，对电信号进行电荷放大、A/D转换等处理，在经过单片机基于相应算法进行分析，得出冲压质量、冲压数目等信息2。1.3本文的主要研究内容用压力传感器采集压力信号，需要设计合适压电材料和合适的外形，以保证力信号不失真。压力传感器采集到的是电荷信号，需要设计电荷放大电路将电荷信号变成电压信号3。有单个钢球冲压时间极短，而且传感器采集到的是模具振动产生的力信号，若直接进行A/D转换失真较大，则需设计包络检波电路，先对经电荷放大而来的电压信号进行包络检波，形成包络曲线。单片机是整个监测系统的核心部件，需要选择合适型号的单片机，既能满足信号处理速度等使用要求，又要有很好的稳定性。本系统一突出特色就是极佳的人机交互功能。设计有键盘、LCD液晶显示屏，可以直观的显示出冲压过程中力的变化波形等信息，而且便于人们提取相关信息。另外系统还需设计时钟模块、数据存储管理模块等辅助模块。因此本论文的主要研究内容有以下几个环节：（1）压力传感器硬件设计及其在冲压机上的固定安装；（2）电荷放大器电路、检波电路设计；（3）微处理器选型，LCD显示驱动模块、时钟模块、数据存储管理模块、键盘、电源所用芯片选型既电路设计。（4）编写数据分析、LCD显示、键盘扫描程序流程图及程序。第二章 系统硬件构成2.1系统硬件整体构成 图1.1为轴承钢球冲压生产过程在线监测系统的信号流程图。键盘电源信号分析处理LCD显示显示驱动电荷放大检波压力信号时钟信息存储图1.1 信号流程图2.2 压电式传感器的测振原理压电式传感器是一种机电换能装置，所用压电材料（天然石英、人工极化陶瓷等）在受到某固定方向外力作用时，同时在晶体两表面产生等量符号相反的电荷，而且其电荷量与所受载荷成正比，即所谓的正压电效应。当压电晶体受力时，晶体两表面聚集等量的正、负电荷，而晶体的绝缘电阻是很高的，那么压电晶体就可以看作是一只平行板电容器45。其电容量为： C=A/d （1）晶体片上产生的电荷量与作用力之间的关系为： U=Q/C=ddF/A （2） 以上两式中：-压电晶体的介电常数；d-晶体片的厚度；A-晶体片 （构成极板）的面积；d-压电系数；Q-压电传感器两表面产生的电荷；F-晶体轴向受力。 同一压力传感器C、d、 A、d是确定的，由公式（2）可以看出压电传感器两表面产生的电荷Q与其所受载荷F成正比，即电荷量的多少反映冲压力的大小。将压电传感器的晶体片安装在冲压设备定模后的冲压设备床身上。为更好的采集力信号，一定要将晶体片固定在两模具轴向线上。当压电传感器受振动时，晶体片两表面就会生成交变电荷，而且电荷量与所受压力成正比。所以通过测交变电荷实现测振。2.3电荷放大及包络检波2.3.1 ICA103电荷放大器压电传感器输出电荷信号Q。由上节内容介绍我们知道压电传感器被看作是一块平行板电容，其阻抗是相当高的，故输出信号极其微弱。那么我们需要用电荷放大电路将高内阻的电荷信号变为低内阻的电压信号。本系统中我们选用天工精仪公司生产的ICA103型电荷放大器。其元件引脚图如图2.1所示。图2.1 引脚图 ICA103各引脚功能如下：1、3脚为双电源电压输入端，本系统为+5V和-5V；2脚为地线接入端。4脚外接保护二极管。5脚外接调节增益倍数的电阻。6脚电压输出端。 ICA103型电荷放大器模块采用金属密封并屏蔽，具有防潮、防震、抗干扰等优点。其外形图如图2.2所示。图2.2 ICA103电荷放大器外观图2.3.2电荷放大原理及电路图ICA103型电荷放大器共有两级电路，一级是低噪声、高输入阻抗的电荷变换级电路，另一级是具有可调增益的输出放大级电路。原理简图如图2.3所示。图2.3 ICA103型电荷放大器原理简图模块的电荷放大倍数：Am=AC*Ar，其中AC是电荷放大比率为0.1mV/pC，Ar是输出放大级放大比率为1至100。对本模组采用5V供电时，其输出最大摆幅是3V。则对电荷变换级输入电荷量的峰值是3V与AC比值为30000pC。符合本监测系统的要求。输出放大级是一个反相放大级。当输出放大器增益调节端短接（Rg=0）时，输出放大级的放大倍数约为1，当增益调节段开路时，输出放大级的放大倍数约为101。通过在增益调节端并联外部电阻来调节放大倍数（1至100），既可以调高模块的摆幅，又可以增加模块的灵敏度，即使输入非常小的电荷信号也会有较大的输出电压信号。通过外接电阻提高输出放大级的增益Ar时，也要在输出放大级的输入端接保护二极管（1N4148）到地。防止过量输入电荷损坏输出放大级的运放。2.3.3包络检波钢球冲压过程中，每个钢球冲压时间极短，冲压模具振动频率很高。那么压力传感器输出的电荷信号变化频率也非常高而且其波形十分不规则。若直接将放大电路输出的电压信号进行A/D转换变成数字信号，则失真度非常大。为减小信号的失真度，尽量保证信号的完整性，我们首先对信号进行包络检波处理6。我们选用二极管峰值包络检波器，其电路图如图2.4所示图2.4 二极管峰值包络检波电路其工作原理是，若在二级管上加正向电压v=Vcost。gv，v0;那么流过二极管电流 i=0，v0。当有正向电压时，二极管导通，输出电压v，同时向C充电；当电压反向时，二极管截止，C缓慢放电，输出电压v*。二极管包络检波过程实际上是将原波形包络成由v和v*组合而成的波形。2.4单片机2.4.1 A/D转换单片机只能处理数字信号。那么就需要对放大检波电路的模拟信号进行模数转换（A/D转换）。常用A/D转换器有积分型、并行比较型、-调制型、逐次逼近型（SAR型）。积分型用简单的电路就可以获得高分辨率，但其转换精度依赖积分时间，所以其转换速率较低。而本系统需要较快的转换速率，否则就会出现信号的“堆积” 。所以不能采用积分型。并行比较型采用多个比较器，但仅作一次比较而实现转换。由于采用多个比较器则电路规模较大，价格较高。从转换速率和成本方面考虑，不采用并行比较型。-调制型由积分器、比较器、数字滤波器等组成。其可以得到高分辨率。但其采样率与有效码位宽是相互制约的。若想保证有高的采样率，则有效码的位宽就会降低。与-调制型相比逐次逼近型不仅可以保证采样率，而且可以保证有效码的位宽。因为采样率和有效码的位宽是相互独立的因素。综上对各种常用A/D转换器的比较，本系统选用逐次逼近型（SAR型）A/D转换器。2.4.2 单片机 单片机是整个主板的核心部件。单片机要接收经A/D转换得到的数据，又要对这些数据按照相关学习算法和鉴别算法建立起来的监测标准进行处理。所以单片机要有低功耗、高处理速度、稳定性好的功能要求。本系统我们选用C8051F020型号MCU。它含有高速8051微控制器内核，速度可达25MIPS，22个矢量中断源，4352字节内部数据RAM，64K字节的FLASH存储器。一方面它可以满足以上所提的使用要求。另一方面其内部的ADC0子系统包括一个100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，可以在片内进行A/D转换，省去A/D转换模块的集成7。第三章 辅助模块设计3.1供电电源设计本系统中所有模块所需电压为5V和3V。在外围电路中将220V交流电经整流电路降压为12V直流电，然后再将其稳压成5v和3v即可。3.1.1 型滤波整流电路是将交流电变成直流电的一种电路，但其输出的直流电的脉动成分仍然较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数要求小于0.01，故整流输出的电压必须采取一定的措施，尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，这样的电路就是直流电源中的滤波电路。本系统采用无源滤波形式的型滤波对12V电压进行滤波。型滤波又分RC型和LC型。我们采用RC型型滤波，因为相比LC型型滤波它具有体积小、价格低等优点。RC滤波电路图如图3.1所示。图3.1 RC-型滤波电路图RC滤波实质上是一种二级滤波，如图所示电容C1与前级（电源）的输出阻抗构成一级滤波，可以滤除部分交流分量。但由于C1对交流纹波来说仍有一定阻抗而且前级阻抗较小，因此经一级滤波仍有部分交流分量。再加上一级RC滤波电路构成二级滤波电路，再次减少纹波8。经两次滤波后直流电源脉动系数符合使用要求。3.1.2 降压将电压降压成3v电压，采用AMS1117芯片。AMS1117是一种正向低压降压器，在1A电流下压降为1.2V。AMS1117有两种版本:固定输出版本和可调版本,固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V,具有1的精度。本系统中选用AMS1117-3.0，输出固定电压为3.0V。其电路图如图3.2所示。图3.2 降压成3V电压电路图AMS1117内部集成过热保护和限流保护电路，是本系统电源的一个上佳选择。将电压降压成5V电压，采用LM2576开关型降压稳压器。LM2576系列的稳压器是单片集成电路，可以提供降压开关稳压器（buck）的各种功能，能驱动3A的负载，具有优异的线性和负载调整能力。固定输出电压为3.3V、5V、12V、15V。此系列稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，大大减少了外部元件的数目，使用更简便。采用LM2576系列开关稳压集成电路作为稳压电源的核心器件，不仅可以提高稳压电源的工作效率，减少能源损耗，减少的对MCU热损害，而且可以减少外部交流电大幅度波动对MCU的干扰。同时降低了经电源窜入的高频干扰，这对保障MCU的安全和可靠运行能起到事半功倍的效果910。LM2576应用电路图如图3.3所示。图3.3 降压成5V电压电路图LM2576各引脚功能如下：1脚为直流电压输入端。本系统中输入电压为12v。2脚为脉冲输出端。在正脉冲持续期，二极管D5截止，脉冲电流流向L1存储磁场能量，同时向负载提供直通电流，并向C6充电。在脉冲截止期，L1释放磁场能量，产生右正左负的感应电动势使D1导通，继续向C1充电，并向负载提供不间断的电流。3脚为输入/输出级共地端。4脚为脉冲宽度控制端。挡脚电位升高时，输出脉冲宽度降低，使输出电压降低。当输入电压和负载变动时，4脚电压可以变化，以稳定输出电压。5脚为待机控制端。3.2时钟模块在本系统设计中要完成产量记录、轮班统计等功能，则需要系统能实现定时、计时功能。那么就需要时钟模块提供极为精确的时间信息。本设计中选用PHILIP公司生产的PCF8563芯片作为RTC时钟模块的核心芯片，并设计相应外围电路。PCF8563是一种低功耗的多功能时钟/日历芯片。它具有报警、计时、定时时钟输出等多种功能。其内部设有时钟电路、内部低压检测电路、内部振荡电路，不仅简化了外围电路，而且也增强了芯片的可靠性。下图3.4是PCF8563的引脚图图3.4 PCF8563引脚图其中，1、2脚分别是振荡器输入、输出接口；5脚是串行数据I/O接口，接单片机的P2.2口；6脚是串行时钟输入接口，接单片机的P2.1口；7脚是时钟输出接口，接单片机的P1.1口。 时钟模块时间并不是完全准确的，经过一段时间后总会有一定误差。本设计中在外围电路中与振荡晶体并联三个电容，通过控制并如电容的大小来调节时间的超前或滞后11。3.3 USB管理模块前文已经介绍本系统会自动对冲压质量、数量等信息进行记录。人们通过何种途径从机器中读取这些信息。同样人们又是通过何种途径向机器导入执行程序。为实现人与计算机的信息通讯，本系统设计U盘管理控制模块。CH376是一款文件管理芯片，其支持USB设备方式和USB主机方式。它支持1.5Mbps低速和12Mbps全速两种通讯方式。外围电路只有晶体和电容，大大简化外围电路。本系统中将CH376芯片设置为8位并口通讯，通讯方式设为PARALLEL。需要注意的是将芯片TXD接地，其余脚悬空。3.4键盘设计键盘是实现人机交互的重要组成部分。本系统中按键比较少只有20个，键盘电路采用4*5矩阵式键盘电路。将这些按键布置在显示屏左侧，如图5所示。图5 键盘电路图键盘在键盘扫描程序作用下工作1213。若有一按键被按下，经过键盘扫描识别后，读入相应输入信息。 按下“自动检测”按钮，显示器将会显示冲压力变化曲线。系统大多数工作在此种状态下。由于不同类型机器、不同类型钢球冲压力的大小和类型是不一样的。本系统特设计自学习模块，系统可以自动调节采样频率，以满足显示要求。将按键布置在显示屏左侧，键盘外观图如图3.6所示。图3.6 键盘外观示意图 键盘按键功能介绍：“电源”键：控制本监测系统仪器电源开关，按一下此键仪器上电，再按一下仪器断电。“信息存储”键：按下此键系统则开始存储此后冲压钢球的的质量信息直至再次按此键，并打上时间标记。“信息查看”键：按下此键显示界面会切换显示系统存储的所有质量信息，再按动“向下”“向上”键查看相关信息。“信息导出”键：按下此键系统会导出选中的存储的质量信息，便于后续分析。“自学习”键：按下此键系统会进入学习状态，找到一个波形带最为质量鉴别标准。“定量生产”键：在设备调试阶段或自学习阶段，按下此键系统会控制设备按照设定数量加工生产。“确定”键：此键用于进入某个界面或选中某项信息。“退出”键：此键用于退出某个界面后取消选中信息，与“确定”按键实现功能互补。“设置”键：按下此键显示界面会转换到系统设置界面，可以进行相关参数的设定。“数字”键：共有10个数字键用于设定相关数量和时间。“向上”“向下”键：这两个键用于向上向下查看信息。3.5 液晶显示驱动 除键盘外，另一个人机交互重要部件就是显示器。本系统采用彩色液晶显示屏作为人机交互界面。要用液晶屏显示，首先要解决“液晶屏的驱动”“文本和接口函数”“用户界面设计”等问题1415。我们采用北京迪文有限公司推出的M600人机交互界面（HMI）驱动模组来作为液晶显示屏的驱动芯片。M600人机界面驱动模组是为适应TFT面板的工业普及而设计的全面面向MCU的嵌入式人机界面驱动模组。它具有集成度高、支持中英文混合显示、支持多国语言、更大的存储空间、更快的图像处理速度等优点。M600和用户的连线十分简单，只需要一个3V电源和一个3VTTL串口。系统特设置串行接口，用SP202芯片实现RS232与TTL电平之间的转换1617。同时设置一8位接口，连线如下图3.7所示 8 位 接 口 VDD 8051 BUSY SP202 M600 (RS232)T(TTL)DIN (RS232)(TTL)DOUT GND 图3.7 C8051与M600连线示意图BUSY线由8051P2.5口直接引出接到8位接口上，传送判忙信号15。DIN、DOUT脚是8051与M600间数据传输的输入、输出线。3.6 LCD显示 为更好的实现人机交互，系统配备LCD液晶显示屏，来显示冲压过程中的监测量和设置参数。LCD要满足画面清晰，响应时间短等要求。我们选用TFT LCD。TFT（Thin Film Tansister ）,又称真彩，它是有源矩阵显示屏。它的每个液晶像素点上都有薄膜晶体管来驱动，而且每个像素点后都有四个独立的薄膜晶体管驱动像素点发出真彩色光，可显示24bit色深的真彩光。我们选用TFT LCD一个重要因素是TFT的排列方式具有记忆性，所以电流消失后不会立马恢复原状，从而避免出现STN液晶屏模糊和闪烁的现象，有效地提高了液晶屏的动态画面显示效果。另外，TFT屏的响应时间极短，可以满足本系统快速变换显示的要求14。3.7 报警与自动停机电路 当钢球冲压力不在标准范围内时，系统会自动检测并控制蜂鸣器进行报警。当连续出现不合格钢球或不合格钢球积累到一定数目时，则说明冲压机器或材料等有问题，系统会自动控制停机，避免出现更大损失。其报警、停机电路如图3.8所示。图3.8 报警、停机电路图报警电路中，NPN型三极管起开关作用，其基极与单片机p1.6口连接。当p1.6口发出高电平时，三极管导通，蜂鸣器内的线圈有电流通过，产生振荡，发出报警声。同样道理，自动停机电路中，三极管基极与单片机p1.7口连接。当p1.7口发出高电平时，三极管导通，继电器内部线圈有电流通过，继电器断开。 两电路均采用5V电压供电。继电器、蜂鸣器内部都有线圈，而且线圈是主要工作部件，线圈内的电流是不可以突变的，否则会有极大的感应电动势产生，会危害电路元器件。我们在电路中特加上D7、D8两续流二极管与继电器和蜂鸣器形成回路，释放感应电动势。C7的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗。第四章 软件设计 以上几章系统的硬件构成。本章我们将重点介绍系统的软件构成。系统程序主要包括系统总体程序、系统初始化程序、RTC时钟子程序、A/D转换与质量鉴别子程序、M600驱动TFT屏子程序、键盘扫描子程序等。本章中将用程序流程图介绍重点设计的子程序。4.1系统总体程序从系统功能出发，设计系统程序总体流程图如图4.1所示。首先对系统各模块进行初始化，例如对全局变量进行初始化。提取RTC模块的实时时间，让系统有时间坐标。然后执行A/D转换和质量鉴别子程序，再向M600传送指令和有效数据驱动TFT屏显示冲压力波形和设置参数等。再判断冲压力是否超出标准范围，若超出标准范围，则系统执行中断程序，同时报警并停机，等待检查；若冲压力正常，则执行键盘扫描程序，若有键按下，则完成人机交互。最后判断是否有停机信号，若有停机信号，则保存数据，然后停机。图4.1 系统程序总体流程图4.2 键盘扫描子程序矩阵键盘常用键盘扫描方式依次对行线置高（低），同时读取列值。若有按键被按下，则调用消除键盘抖动子程序。然后读再取列值，最后得出按下按键的位置。 但这种扫描方式会有两方面的问题。一方面其程序比较复杂；另一方面消除键盘抖动需要延时。这两方面都会降低MCU的处理速度。我们应用一种新型的矩阵键盘扫描方式18。具体程序步骤如图4.2流程图所示。其中行线、列线都接上拉电阻18。图4.2 键盘扫描程序4.3 M600驱动TFT屏子程序 用M600驱动TFT屏显示冲压力波形，同时也会配合键盘完成参数设置。M600驱动子程序流程图如图4.3所示。首先对液晶屏已经初始化。然后判断传来数据是否为有效数据，若为有效数据则调用子程序。但由于串口发送的是单字节数据，而单片机输出的是整形或长整形数据，所以在调用显示子程序前要先进行进行进制转换和字符分割。再对M600进行读写，向M600发送指令同时传送有效数据。图4.3 M600驱动TFT屏子程序4.4 A/D转换与质量鉴别子程序 A/D转换与质量鉴别子程序是整个程序的重点。首先对A/D转换初始化，用C8051中定时器3作为转换触发源，转换间隔可由其溢出时间决定，用户个自行设定。当定时器溢出时，则启动ADC0进行A/D转换。ADC0中可编程窗口控制器不停地将ADC0输出与用户设定极限值比较，并且可在检测超出极限值时会通知系统控制器。所以用窗口控制器将ADC0输出与用户设定极限值比较。本系统中若大于极限值则再判定动模是否接料，及判断是否是有效数据，若是有效数据则传送进行质量鉴别。图4.4是其子程序流程图。图4.4 A/D转换与质量鉴别子程序流程图第五章 课题总结与展望本轴承钢球冲压检测系统以压力传感器作为探测元件，通过采集冲压模具振动产生的力信号，经过基于相关学习算法和鉴别算法的数据分析得出冲压质量，最后通过LCD液晶屏显示冲压力的波形。这让冲压过程的实时监测和百分百监测成为可能。对冲压质量的分析与追踪和冲压设备的保养与维修，均具有重要的现实意义。此外本在线监测系统对汽车、机械电子等行业的冲压设备在线监测系统也具有借鉴价值。当然，本课题对冲压在线监测系统的研究只是初步的，冲压系统的稳定性、监测质量的准确性都还有很大的提升空间。以后有机会要进行更深入的学习研究，也希望更多的人参与到冲压在线监测系统的研究中去。毕业设计阶段主要完成以下工作：1.查阅有关资料对冲压检测系统的发展概况进行深入了解，对现有系统的监测原理和所需功能模块进行学习与对比。2.硬件设计。完成由12V电源稳压成5V、3V电源的电路设计；完成电荷放大检波电路设计；完成键盘电路设计；完成LCD液晶显示驱动接口电路设计；完成报警与自动电路设计。3.软件设计。完成整体程序流程图；完成键盘扫描程序流程图；完成数据存储管理程序流程图；完成LCD显示程序流程图。4.用protel 99 se绘图软件绘制整个系统原理图与pcb图。半年的毕业设计环节，让我的知识理论水平有很大的提高，让我知道了理论和实践的差距，让我知道了如何去自主学习，如何去查阅所需资料。通过毕业设计我总结要想做好设计就得“坐得住，头脑活，多动手，勤查阅” 。参 考 文 献1 Xiaoli Lia, A.M. Bassiuny.International Journal of