开题报告-冷轧辊激光毛化装置的设计.doc

指导文件5：毕业设计（论文）开题报告 机械工程 学院 2017 届题 目 冷轧辊激光毛化装置控制系统设计 课题类型 设计 课题来源 自拟课题 学生姓名 学 号 13 专 业 机械电子工程 年级班 13-2 指导教师 职 称 讲师 填写日期： 2017 年 4 月 10 日一、本课题研究的主要内容、目的和意义1、 研究内容： 目前市场对冷轧辊的需求量较大，冷轧工艺种类很多但是很多工艺在生产效率、生产成本、精度以及环保等方面都存在一些不足。近些年来，随着激光技术的发展，激光加工技术逐渐被运用到冷轧辊的毛化处理工艺上，激光具有亮度高、方向性好、单色性和相关性好等优点，能够产生极高的能量密度和功率密度，可熔化、汽化现有的绝大多数金属和非金属物质，特别适合精度高、自动化程度高的加工要求。本课题主要研究一种冷轧辊激光毛化装置，采用STM32作为控制核心，基本可以实现毛化处理的自动化操作。二、课题研究的目的和意义：市场的需求推动了轧辊表面毛化技术的快速发展,到目前为止，钢铁工业轧辊毛化技术的发展已经历了三代：第一代是始于上世纪60、70年代的喷丸毛化技术，使用硬质砂丸高速喷向辊面实现轧辊表面毛化；第二代是上世纪70、80年代的电火花毛化技术，使用多头电极脉冲放电对辊面实行毛化；第三代是上世纪90年代才开始研究和推广使用的激光毛化技术，即采用高能量密度高重复频率的脉冲激光对冷轧辊进行毛化，以生产高品质的冷轧薄板。激光毛化技术是一种先进可靠、节能环保、成本低廉的毛化方法，具有良好的应用前景和经济效益。目前，应用十分普遍的是CO2激光和YAG激光毛化技术，主要应用于轧辊毛化、磁盘存储设备毛化、微电子系统设备毛化等。将激光毛化技术应用于冷轧辊毛化，不仅可以得到满足技术要求的毛化表面，而且毛化效率高，成本低，无污染，设备免维护，能够解决毛化工艺相关问题，是一种应用前景非常广阔的轧辊毛化工艺方法。本课题中设计的冷轧辊激光毛化装置，采用先进的激光加工技术，并且引入了单片机作为控制核心。采用激光毛化技术不仅可以提高产品质量的档次,而且可以大大提高生产效率。但是由于国外进口设备价格昂贵,制约了中小企业使用激光毛化技术。因此,开发高性价比的激光毛化设备将十分有利于国内中小钢铁及有色冶金冷轧薄板生产企业的发展。二、 文献综述（国内外相关研究现况和发展趋向）一、国内外发展状况激光毛化冷轧辊技术是80年代在世界上发展起来的生产优质冷轧薄钢板新技术。优质冷轧薄板和薄带不仅需要优良的材质,而且对薄板质量(如表面粗糙度和形貌)有严格的要求。因此,毛化冷轧薄板(带)是汽车、家电、电子和轻工生产需求的重要原材料。生产优质冷轧毛化板,首先是要对轧机轧辊进行毛化,然后轧机使用毛化轧辊轧制出所需的冷轧毛化薄板。冷轧毛化技术的发展大致经历了3个阶段:第1代是60、70年代的喷丸毛化技术,使用硬质砂丸高速喷向辊面实现轧辊表面毛化;第2代是70、80年代的电火花技术,使用多头电极对辊面实行毛化,这是目前欧、美各国大钢厂采用的生产技术;第3代是近10年才诞生的激光毛化技术,是采用高能量密度、高重复频率的脉冲激光在冷轧辊表面按预定形貌和几何分布进行熔凝造形,以生产高品质的冷轧薄板。激光毛化与喷丸毛化和电火花方法相比,其优点是:可以加工表面硬度极高的轧辊,延长轧辊使用寿命;激光毛化辊表面粗糙度均匀、可控,能明显改善毛化板深冲性能和涂镀性能;激光毛化过程无噪声、无污染,是一种清洁的生产工艺。近年来,有人开始研究电子束毛化过程技术,由于要解决真空加工环境问题,还未见报道在工业生产中实际应用。激光毛化技术最早是比利时冶金研究中心(CRM)开始研究的,1984年世界第1台CO2激光毛化示范装备开始用于生产性工艺方法试验研究。19841985年,激光毛化板在汽车厂试用获得成功。随后,日本、法国、德国开始引进比利时CO2激光毛化技术。日本、德国一些大工厂开始用于生产。由于激光毛化技术在加工方法上、在提高钢板成形性能和涂漆后光亮度以及综合生产成本方面都比其它毛化方法具有更大优越性,因此激光毛化技术一问世便受到钢铁企业和使用部门(主要是轿车生产厂)的高度重视。激光毛化汽车板由于涂漆后反射映像光泽DOI值高,在国外被称为“镜面钢板” ,是生产高级轿车面板的优质板材。在1990年前后,日本、韩国一些企业和研究者开始探索用YAG激光进行轧辊毛化的技术,先后试验过YAG声光调Q泄漏方法和轧辊喷涂耐酸薄膜,再用YAG脉冲激光对薄膜按所需图形汽化,然后轧辊表面用酸腐蚀成形的刻蚀方法,由于一些技术难题未能完全解决,还未见报道用于规模性生产。我国激光毛化技术研究开始于1990年3月。中国科学院力学研究所在中国大恒公司、北京吉普汽车有限公司、首钢钢研所协作下,开展了YAG激光毛化冷轧辊工艺及装备攻关。1992年6月,中科院力学所研制成功我国第1台可用于带钢规模生产的YAG激光毛化冷轧辊实验装置。 1992年8月,YAG激光毛化轧辊开始用于秦皇岛龙腾精密带钢公司生产,具有特色的YAG激光毛化冷轧辊技术开始形成。在“八五”期间,华中理工大学、武钢和武汉重型机床厂合作,开始研制CO2激光毛化装备。1995年,我国CO2激光毛化冷轧辊装备研制成功,试轧了300CO2激光毛化试验板。这些成果标志着我国在激光毛化技术研究和应用方面已进入世界先进行列。应用于轧辊激光毛化的装备有CO2激光毛化系统和YAG激光毛化系统,其主要结构包括激光器、高重频脉冲调制器、轧辊支撑机床、辅助气体侧吹装置和总控制系统。二、发展趋向 冷轧辊的激光毛化技术是一项集激光技术、自动控制技术、精密机械、材料科学于一体的高新技术。1984年,比利时冶金研究中心发明了冷轧辊激光毛化技术。他们使用激光器对轧辊进行毛化处理,并做了一些相关的应用研究。激光毛化技术的发明引起了相关企业及科研人员的极大关注。之后日本、法国、德国开始引进该项技术用于钢铁工业。1990年,日本、韩国的一些研究者开始探索使用激光器进行轧辊毛化。国外也逐渐出现了商业化设备,但是一套进口毛化设备相当昂贵,CO2激光毛化设备售价在800万人民币,激光毛化设备相比要便宜很多,但也超过350万人民币。与此同时,国内的一些研究单位及企业也开始了激光毛化技术的研究,中国科学院力学研究所与北京吉普汽车有限公司、首都钢铁总公司钢研所、中国大恒公司合作开展了激光毛化冷轧辊技术的攻关研究,并于年研制成功我国第一台可用于带钢规模化生产的激光毛化冷轧辊设备。国家对激光毛化技术也高度重视,并将其纳入了“九五”时期重点攻关课题项目。1990年,华中理工大学与武汉钢铁集团公司、武汉重型机床厂合作研制成功激光毛化设备。另外,清华大学,哈尔滨工业大学等单位也进行了一些这方面的研究工作。但冷轧辊激光毛化设备还远没有达到市场的需求要求,除了宣传力度不够,厂商没有深入和足够地了解激光毛化相比传统毛化工艺的优势所在等部分原因外,更主要的原因是产品开发改进能力不强,激光毛化设备稳定性差,不能适应规模化生产的要求。毛化冷轧薄板主用于家电、汽车、厨房要用具、卫生和家庭日用品等高档产品的生产。劳动力成本较低的优势使得我国成为全球主要的家电制造中心之一,产业发展日趋成熟。近年来,我国家电产品的出口大幅增长,使我国作为制造中心的地位进一步加强,家电产品出口销量的增长率已经超过国内市场销量的增长率。而且随着新产品的不断升级换代,家电外壳用冷轧薄板需求量越来越大。另外,近年来我国汽车工业也呈现出快速发展的趋势,并正逐步成为我国国民经济的支柱产业,例如年我国汽车工业总产值占的比重已超过。有业内专家预测,我国有望在年成为世界第一大汽车生产国,现在美国和日本的国内汽车产量在万一万辆,而我国到年汽车产量将超过万辆。汽车工业对冷轧薄板的需求前景将十分可观。冷轧辊激光毛化设备的开发正是为了生产优质的冷轧薄板,不断适应市场对冷轧薄板提出的新要求。在生产技术水平、产品质量不断提升的前提下,我国冷轧薄板生产企业拓展国际市场的实力也在不断增强。因此无论是从国内市场还是国际市场上来看,冷轧薄板均具有较为广阔的发展前景。三、拟采取的研究方法（方案、技术路线等）和可行性论证研究方法：通过利用网络工具、图书馆的书籍和各类期刊、杂志查阅了解激光毛化、冷轧辊毛化工艺相关知识，确定本设计符合要求，满足需要。具体设计方法及设计步骤如下：(1) 熟悉设计的课题，查阅、整理参考文献和资料(2) 学习相关参考文献和资料(3) 方案论证，方案改进，方案定稿(4) 设计实现本课题的原理电路(5) 软件仿真调试(6) 熟悉毕业论文格式、撰写论文(7) 准备好自述讲稿，打印，参加论文答辩可行性论证：1、技术可行性。本装置采用STM32作为控制核心，STM32是ARM公司推出的一款32位微控制器，体积小，性能稳定，并且提供官方库，极大的缩短了开发周期，硬件主要使用步进电机来搭建坐标系，使用STM32可以很方便的控制步进电机。只需要使用STM32的一个IO口即可控制激光器，经过上述分析，该设计在技术上是可行的。2、经济可行性。本设计采用的STM32和步进电机、12864液晶屏等主要硬件，具有成本低，工作电压低，功耗低等特点。而且系统机构简单，开发周期短，人员经济支出不高。采用模块化设计，系统设计完成后，维护简单且维护成本较低。四、预期结果（或预计成果）本设计的预期结果为：1. 完成本系统的软硬件设计，制作实物一份，基本功能可以实现。2. 提供电路原理图和PCB一份。3. 提供控制系统的源代码一份。4.完成毕业设计论文说明书。五、研究进度安排01月3日02月18日 毕业设计课题调研、文献阅读；02月19日03月18日 毕业实习,完成开题报告；03月19日04月10日 确定设计方案,对硬件系统进行主要设计； 进行总体设计及主要控制系统框图设计；04月11日04月21日 完成各部分系统软件的设计；04月22日05月15日 撰写设计论文；05月16日05月23日 准备答辩及答辩。六、主要参考文献1康华光.电子技术基础模拟部分第四版M.北京：高等教育出版社，1999.6.2阎石.数字电子技术基础第四版M.北京：高等教育出版社，1999.6.3周立功等.ARM嵌入式系统基础教程M.北京：北京航空航天大学出版社，2005.1.4唐清善.ProtelDXP高级实例教程M.中国水利水电出版社，2004.4.5杜春雷.ARM体系结构与编程.清华大学出版社，2003.6李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用M.北京航空航天大学出版社,2008.7周炳琨.激光原理M.国防工业出版社,1995:243-247.8苏宝容.我国的激光加工现状及发展前景J.激光与红外,1996,26(2):208-209.9姚远.激光加工技术在汽车工业中的应用J.汽车工艺与材料,2004(2):19-21.10朱赫.激光材料加工的最新进展J.光机电信息,2005.(2):1-8.11江海明.激光加工技术应用的发展及展望J.光电子技术与信息，2001,(4)1-12.12丘军林,程祖海.工业激光技术