（机械电子工程专业论文）基于晶振粗精磨机的单片机实时多任务处理系统模式研究.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：伽1 1 年 69哪46删3刚1 2咖y 钎口 1 钞 1了月 7 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 ， 不保密留。 签水鲫 日期：1 修夕年彳月日 夸 囝 侣舄札 17 名 年 签 形 师 少 粼 纱 导 期 曙 日 硕士学位论文 摘要 基于晶振粗精磨机的单片机实时多任务处理系统 模式研究 摘要 晶振粗精磨机是用于晶振加工工艺中的主要设备，其控制系统是 一个实时多任务处理系统。本课题通过对此系统分析和设计，总结归 纳出一种实时多任务处理系统控制模式。此模式以5 1 系列单片机为 控制芯片，以时间片轮询法为调度算法，以模块化编程思想为基础， 为设计人员提供了一种“循环设计”的方法。 在晶振粗精磨机系统的设计中，本课题分析和改进了原有的机械 结构，并进行了总体方案设计、控制方法选择和硬件电路设计，同时 还对硬件系统的安全性和抗干扰性进行了简要的分析，提高可靠性。 在软件系统设计中，通过模块化编程，实现可移植性；应用任务 调度程序实现多任务处理；采取抢占式中断实现高实时任务的运行。 在建立实时多任务系统控制模式的过程中，本课题对任务管理、 调度器算法、任务模块化处理、资源分配、时间精度分析和模式使用 范围做了详尽的说明。将此模式应用于基于5 1 单片机的实时多任务 处理系统，可以大大的缩短开发周期，使系统的修改和后期维护更加 容易，且具有可移植性和通用性，便于设计人员快速上手，具有很好 的发展前景。 关键词：实时多任务系统，5 1 单片机，晶振粗精磨机，控制模式， 时间片轮询，模块化编程 i 硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t r o lp a l t t e r nr e s e a r c ho nr e a l t i m e m u l l t i a s n gs y s t e mf o rm c ub a s e do nc r y s t a l g r i n d i n gm 队c h i n e a b s t r a c t c r y s t a lg r i n d i n gm a c h i n eh a sar e a l - t i m em u l t i t a s k i n gc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi su s e df o r c r y s t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h r o u g hs y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g n ，t h i sp a p e rs u m su par e a l - t i m e m u l t i t a s k i n gs y s t e mc o n t r o lp a t t e m 5 1s e r i e sm i c r o c o n t r o l l e ri su s e da sc o r ec o n t r o lc h i pi nt h i s p a t t e r n ，w h i c hi sb a s e d 0 1 1s c h e d u l i n ga l g o r i t h mo f t i m es l i c e ”p o l l i n ga n dm o d u l a rp r o g r a m m i n g t h i sp a t t e r np r o v i d e sam e t h o dc a l l e d “c i r c u l a rd e s i g n m e t h o d i nt h ed e s i g no ft h ec r y s t a lg r i n d i n gm a c h i n e ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e da n di m p r o v e dt h e o r i g i n a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，a n df i n i s h e dt h eo v e r a l ls c h e m ed e s i g n ，t h ec o n t r o lm e t h o d s s e l e c t i o na n dh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , s y s t e ms e c u r i t ya n d a n t i - j a m m i n gi sb r i e f l ya n a l y z e d 。 i ns o f t w a r es y s t e md e s i g n ，b ym e a n so fm o d u l a rp r o g r a m m i n g ，t a s ks c h e d u l i n ga n d p r e e m p t i v ei n t e r r u p t i o n ，t h i sp a p e rh a sr e a l i z e dp o r t a b i l i t y , m u l t i t a s k i n ga n dh i g hr e a l - t i m et a s k s i nt h ee s t a b l i s h i n gp r o c e s so fr e a l - t i m em u l t i t a s k i n gs y s t e mc o n t r o lp a t t e r n ，t h i sd e s i g n i n t r o d u c e si nd e t a i lt h ev a r i o u sa s p e c t sw h i c hi n c l u d et a s km a n a g e m e n t ，s c h e d u l e ra l g o r i t h m ， m o d u l a rp r o c e s s i n g ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，t i m ep r e c i s i o na n a l y s i sa n dm o d e lu s i n gr a n g ea n ds oo n t h i s p a t t e r n i s a p p l i e d t ot h er e a l - t i m em u l t i t a s k i n gs y s t e mb a s e do n51 s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r , w h i c hm a k e sd e s i g np r o c e s sr e a s o n a b l ea n dc l e a r , a n dg r e a t l ys h o r t e n st h e d e v e l o p m e n tc y c l ea n ds i m p l i f i e ss y s t e mm o d i f i c a t i o na n dm a i n t e n a n c e t h ed e s i g n e r sl a c k e x p e r i e n c ec o u l de a s i l yg r a s pt h ed e s i g nm e t h o dw h i c hh a sp o r t a b i l i t ya n dg e n e r a l i z a t i o n t h e r e f o r et h ep a t t e r nh a sv e r yg o o dd e v e l o p m e n t p r o s p e c t y uh o n g x i n ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o ry a n gx i a n g p i n g k e yw o r d s ：r e a l - t i m em u l t i t a s k i n gs y s t e m ，5 1s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , c r y s t a lg r i n d i n g m a c h i n e ，c o n t r o lp a t t e r n ，“t i m es l i c e ”p o l l i n g ，m o d u l a rp r o g r a m m i n g 硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t l l 第一章绪论1 1 1 单片机实时性与多任务要求1 1 1 1 单片机多任务要求1 1 1 2 单片机实时系统1 1 2 晶振粗精磨机的发展现状3 1 - 3 晶振磨削原理5 1 4 课题研究内容5 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进7 2 1 前期方案结构分析7 2 1 1 迸料机构7 2 i 2 夹持机构8 2 1 3 磨削机构9 2 1 4 分选机构1 0 2 2 机械结构和磨削方案的改进1 1 2 2 1 夹持机构的改进1 1 2 2 2 磨削进给结构改进1 1 2 2 3 改进机械结构总体方案1 2 2 3 小结1 3 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计1 4 3 1 控制系统总体方案制定1 4 3 2 控制方法选择1 5 3 2 1 进料工序控制方法选择1 5 3 2 2 夹持工序控制方法选择1 6 3 2 3 磨削工序控制方法选择1 8 3 2 4 分选工序控制方法选择2 1 3 3 控制芯片选择及外围电路设计2 3 3 3 i 主芯片选择与总体设计2 3 3 3 2 电源电路设计2 4 硕士学位论文 目录 3 3 3 键盘显示电路设计2 5 3 3 4 步进电机控制电路设计2 7 3 3 5 气动电磁阀控制电路设计2 8 3 3 6 交流2 2 0 v 开关控制电路设计2 9 3 3 7 传感器接收处理电路设计3 1 3 3 8 串行通讯电路设计3 1 3 3 1 0 磨削砂轮调速电路设计3 2 3 4 阻抗频率测量模块设计3 2 3 4 1 阻抗处理3 2 3 4 2 频率处理电路设计3 5 3 4 3 测量精度分析3 9 3 5 小结3 9 第四章系统软件体系设计4 0 4 1任务分析4 0 4 2 总体设计思想4 1 4 3 任务调度程序设计4 1 4 4 模块程序和接口程序设计4 5 4 4 1 按键扫描和数码管显示4 5 4 4 2 振动盘动作处理4 8 4 4 3 气缸控制4 8 4 4 4 数据通讯和处理4 9 4 4 5 分选任务处理5 1 4 4 6 步进电机控制处理5 1 4 4 7 其他模块5 2 4 5 j 、结。5 2 第五章可靠性分析与调试应用一5 3 5 1 安全性设计5 3 5 2 抗干扰设计5 3 5 2 1 电源抗干扰设计5 3 5 2 2 信号采集抗干扰设计5 3 5 2 3 信号控制抗干扰设计5 4 i v 硕士学位论文目录 5 2 4p c b 板设计与布线5 4 5 3 系统调试及分析5 5 5 3 1 部分按键功能测试5 6 5 3 2 实时任务相应调试5 6 5 3 3 多任务同步调试5 6 5 3 4 显示测试和其他调试5 7 5 4 晶振粗精磨机p c b 板5 7 5 5 小结5 8 第六章5 1 单片机实时多任务系统控制模式建立5 9 6 1 任务管理程序调度器哺1 6 0 6 。1 。1 任务处理方式6 0 6 1 2 时间片轮询及实现6 4 6 2 任务分析处理6 6 6 2 1 短任务和长任务的处理6 6 6 2 2 周期任务和单次任务的处理6 7 6 2 3 抢占式中断任务6 8 6 2 4 常用任务一6 9 6 3 资源管理分配7 1 6 3 1 引脚使用7 2 6 3 2 存储器的分配。7 2 6 3 3 中断的使用7 3 6 4 系统时间精度分析7 3 6 5 模式适用范围7 4 6 6小结7 4 第七章结论和前景展望7 5 7 1 本设计所做研究工作7 5 7 2 前景展望7 5 参考文献7 6 在校期间发表论文情况7 8 致谢7 9 附录 v 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 单片机实时性与多任务要求 1 1 1 单片机多任务要求 单片机，又称微控制器，由于体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗 干扰能力强、可在各种恶劣环境下可靠工作等特点n 1 ，广泛应用于各个领域中。 单片机伴随嵌入式系统乜3 的发展而发展的，为了控制容易，单片机采用的是简单 直观的单任务机制，即按照某一流程执行单一任务，然而程序只能按照单一的线 索顺序执行口4 | ，缺乏灵活性，只能用中断函数实时的处理一些运行时间较短的 任务，在复杂的应用中显出不足。 随着现代控制类产品自动化水平的提高以及单片机的广泛应用，产品往往出 现复杂控制、实时多任务的要求。多任务的处理方式多应用在1 6 位机、3 2 位机 的高级系统中隋1 ，它是指用户可以在同一时间内运行多个应用程序，每个应用程 序被称作一个任务。1 6 位机和3 2 位机在处理数据位宽方面高于8 位单片机，然 而价格上却有几倍之差。通常的工程应用中，1 6 位机和3 2 位机的功能并不能得 到全部的利用。基于成本、技术和资源利用方面的考虑，工程应用中普遍应用8 位单片机，且绝大多数按照单一任务顺序执行3 。由于单片机出厂只有裸空的程 序空间，软件开发需要程序开发人员基于处理器直接编写，且没有实时多任务操 作系统平台。较之多任务相比，传统的单任务编程还有如下不足刚： 编程繁琐效率低下。 扩充麻烦，往往要追加一个功能时需要开发者从头到尾把时序关系和语句 等重新调整一遍。这在几千行甚至几万行的汇编语言中往往是一个恼人的问题。 不利于多人合作。 传统的编程方法为了解决某些问题常利用多级中断嵌套，这样给调试带来 了一些困难。 在考虑成本的情况下，对于特定的c p u ，中断数很可能不够用。 程序日后较难解读。 随着多任务的要求越来越迫切，设计人员经验缺乏导致重复设计带来的弊端 开始显现出来，提出一种循环设计经验随1 的方法，显得非常必要。本课题中对多 任务处理系统晶振粗精磨机控制系统的研究中提出一种设计模式，为设计人 员提供一个通用的解决方案。 1 1 2 单片机实时系统 大多数软件系统的用户都希望他们的应用程序能够快速响应，不同的是：对 硕士学位论文第一章绪论 于大多数信息系统和一般的应用程序而言，快速反应仅仅是个有用的性能。对于 实时系统，它却是必要的性能。 实时系统有以下特点四1 ： l 、时间约束性 实时系统的任务具有一定的时间约束( 截止时间) 。根据截止时间，实时系 统的实时性分为“硬实时”和“软实时 。硬实时是指应用的时间需求能够得到 完全满足，否则就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏， 如在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中的应用。软实时是指某些应用虽 然提出时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行及环境不会造成严重 影响，如监控系统和信息采集系统等。 2 、可预测性 可预测性是指系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足 任务的时限要求。由于实时系统对时间约束要求的严格性，使可预测性成为实时 系统的一项重要性能要求。除了要求硬件延迟的可预测性以外，还要求软件系统 的可预测性，包括应用程序的响应时间的可预测性，即在有限的时间内完成必须 的工作，以及操作系统的可预测性，即实时原语、调度函数等运行开销应是有界 的，以保证应用程序执行时间的有界性。 3 、可靠性 大多数实时系统要求有较高的可靠性。在一些重要的实时应用中，任何不可 靠因素和计算机的一个微小故障，或某些特定强实时任务( 又叫关键任务) 超过 时限，都可能引起难以预测的严重后果。为此，系统需要采用静态分析和保留资 源的方法及冗余配置，使系统在最坏情况下都能正常工作或避免损失。可靠性已 成为衡量实时系统性能不可缺少的重要指标。 4 、与外部环境的交互作用性 实时系统通常运行在一定的环境下，外部环境是实时系统不可缺少的一个组 成部分。计算机子系统一般是控制系统，它必须在规定的时间内对外部请求做出 反应。外部物理环境往往是被控子系统，两者互相作用构成完整的实时系统。大 多数控制子系统必须连续运转以保证子系统的正常工作或准备对任何异常行为 采取行动。 基于单片机的多任务系统中，越来越多的任务加入了实时性的要求。本课题 晶振粗精磨机中的键盘扫描、实时显示和脉冲产生等任务就带有实时性，实时性 已经成为单片机多任务系统中不可缺少的一部分，因此实现多任务系统中的实时 性，具有重大的现实意义。 硕士学位论文第一章绪论 1 2晶振粗精磨机的发展现状 石英晶体振荡器由品质因数极高的石英晶体振子和振荡电路组成，具有高精 度和高稳定度，被广泛应用于彩电、计算机、移动电话、电子钟表以及各种民用、 军事工业等电子设备中n0 1 。本设计中涉及的3 2 7 6 8 k h z 的晶振在电子钟表行业得 到广泛应用。随着我国人造石英晶体生产技术的日趋成熟和完善，产品的质量和 档次也不断提高，逐步建立起了中国石英晶体材料和元器件的工业体系，但从生 产数量考察，我国已成为石英晶体材料和元器件的生产大国和主要出口国，但从 全面比较，无论是生产技术和产品质量，还是企业的经济效益，与发达国家美国 和日本，存在很大的差距n l l 。就晶体振荡器而言，高精度、高效率的加工设备国 内无法生产，只能依靠进口，且价格昂贵，普及困难。因此未来国内晶体元件的 发展，应从过去的数量扩张模式转化为质量效益模式，提高产品档次、技术水平 和经济效率，加大技术开发的投入。 石英晶振的加工工序n 叫：原料的选择、定向、切割( 或腐蚀) 、研磨等工序 制成半成品，然后再经过镀膜，上架、粗磨、清洗、精磨、封焊、老化、晶体参 数测量分拣等工艺才能制成合格成品。本课题中晶振粗精磨机就是对上完架的晶 振( 如图卜1 所示) 的粗精磨工序进行自动化加工的设备。在加工过程中，此设 备对谐振音叉片的频率和阻抗进行自动调整，降低平均频率偏差和分布方差，满 足后续工艺要求。同时去除前道工序中出现的短片、电极短路片、不起振片等不 合格音叉片。 图卜1 上完架的晶振首叉 根据国内的晶体加工行业密集区一福建莆田地区的加工工厂、企业的走访中， 发现晶振粗精磨工序的加工主要有以下几种情况： 劳动力密集型手工磨削的方式。如图1 - 2 ，由技术工人持夹头磨削晶振音叉， 通过观察频率和阻抗的变化来确定是否合格。产品产量和效益完全取决于技术工 人的熟练程度和人数的多少。在走访的厂家和企业，基本都有大量的工人进行类 似的操作，并从企业运营者了解到，由于现在的技术工人成本越来越高，工人流 硕士学位论文 第一章绪论 动性大，且雇佣的工人向低龄化发展，使得工人的招聘越来越困难。基于这些情 况引发很多企业和厂家投资开发自动化的设备。 图1 - 2 手工磨削晶振设各 国外早期设备。国外自动化设备技术已经成熟，但是价格昂贵，技术保护严 重，国内使用的设备大多是国外十几年前的设备，如图1 3 所示，日本十年前的 晶振粗调机，由于工艺的不断改进，以及电子行业的飞速发展，这些国外的早期 设备已经不能满足现在的生产需求，所以大量的设备都闲置中。 图1 - 3 日本十年前的晶振粗调机 国内改进的半自动设备。根据国外早期设备的经验，通过加入新的控制系统 和机械结构，国内一些企业开发一些半自动化的晶振粗精磨机设备，如图卜4 所示，基于伺服电机的晶振粗精磨机，但是由于进料采用设计好的模具条( 如图 卜5 所示) ，虽然磨削实现了自动化，但是进料还要人工向模具条中摆放晶振， 所以没有实现完全的自动化，工人人数没有明显的改善。另外由于晶振音叉片单 面磨削，降低了晶振产品的平衡性，并且短片率高，并没有被普遍采用。 4 硕士学位论文 第一章绪论 图l - 4 国内半自动化的晶振粗精磨设备图1 - 5 模具条 1 3晶振磨削原理 s a u e r b r e y 方程用于描述石英晶体谐振频率与晶体及表面附着物质( 此处指银 电极层) 质量变化之间的关系1 2 l ，该方程如下： 扯筹 m l ， 其中f o 为晶片原始谐振频率，伪晶片的频率变化量，m 为晶片的质量变化， a 是晶片有效面积，p 是石英晶体密度，p 为晶体剪切弹性模量。对于某一特定晶 片，f o 、”p 均为常数。基于上式，当改变银层或石英衬底质量时，谐振频率会 发生相应的变化。公式中的负号表示质量减少会引起谐振频率增加，反之亦然。 粗精磨的过程是通过不断检测频率值和阻抗值，对音叉臂的两侧进行磨削， 根据与目标频率差的大小决定砂轮的转速，根据阻抗的变化决定下次的磨削方向。 由于这种磨削是一种“减 的加工工艺，所以整个过程谐振频率一直增大，最后 根据谐振频率和阻抗进行分类。 1 4课题研究内容 本课题通过对晶振粗精磨机控制系统的设计，寻求一种单片机实时多任务控 制系统的设计方法，为现在自动化控制中出现的大量多任务系统提供一种模式， 这种模式能使控制系统开发更加方便、快捷，减少产品的开发周期，并且以单片 机为控制芯片，大大的节约成本。主要工作有： 硕士学位论文第一章绪论 改进完善前期机械结构，与机械设计人员共同探讨，提出新的磨削方案设计 了相应的机械结构。 设计了单片机外围电路，并给出相应的功能模块电路，配以独立的键盘显示 电路。通过单个单片机实现了多任务系统的设计，大大节约成本。同时也对系统 抗干扰性做了简要的论述。 分析了晶振振荡电路原理，在此基础上设计了晶振频率阻抗测量电路，测量 电路与主控制板串行数据通讯，基本达到了设备运行中对参数测量的要求。 编制了系统软件程序，并通过对粗精磨机控制系统的分析归纳，建立一套实 时多任务处理系统控制模式，具有通用性和可移植性，可有效的减少设计中的重 复设计，减少开发时间，给设计人员提供一种“循环设计”的方法。 原 、 ， j 此页 硕士学位论文 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 振依次送到整形板的入口；此时整形板上的传感器检测到音叉片的到来，停止直 线筛选仪；气缸1 伸出，气缸4 伸出，带动顶针将晶振推到整形板的前端；气缸 5 伸出，带动插板对晶振管脚进行整形，等待夹持机构夹持。 图2 - 2 自动进料机构 2 1 2 夹持机构 如图2 3 所示，为夹持换向机构，图2 - 4 为磨削时的晶振夹头结构。初始状 态：气缸2 ( 0 度) 如图状态，气缸3 ( 缩) ，气缸6 ( 伸) 。 国 硕士学位论文 第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 图2 - 3 夹持换向机构 此机构的动作是：气缸3 伸出，带动夹板座和夹板向下运动到晶振位置，使 整形板前端( 如图2 2 ) 的晶振恰好置于夹板开口处；气缸6 缩进，夹板在弹簧 的作用下夹持晶振底座，气缸3 缩进，夹板夹持晶振上升，夹持状态如图2 - 4 ； 气缸旋转到9 0 度位置，带动气缸3 和夹持夹板结构向下旋转，到水平状态，等 待后续的磨削夹头取晶振音叉片。 图2 - 4 夹头夹持状态图 图2 - 5 夹头结构图 如图2 4 所示，转向电机带动夹头，向晶振管脚靠近，张开两侧夹片( 如图 2 - 5 所示) ，使晶振管脚插入夹头中，气缸6 伸出，夹板张开，夹头夹片收合， 夹紧晶振离开夹板；转向电机带动夹头，送到磨削机构，准备磨削。 磨削过程中，为了满足实时检测晶振的频率和阻抗的要求，需要夹头夹持晶 振的结构为导体，且独立的与晶振管脚相连，具有良好的接触，以导线形式引出。 这些要求使夹头的设计增加了许多的难度，导致设计的夹头存在一些缺陷如下。 夹头尺寸小、组合零件多、动作复杂以及成本控制要求，很多厂家拒绝加 工。 由于夹持晶振的方式，需要前道工序的对接，加工的工件样品装配精度高， 晶振管脚插入夹头的动作，实现非常困难。 2 1 3 磨削机构 如图2 6 所示，为磨削机构，可调速交流电机通过带传动，与被动带轮相连， 通过摩擦轮使两个砂轮以不同的方向旋转。通过对调速电机的控制，可以提供3 个速度档，每个档位可调。夹头夹持晶振送入砂轮中间，通过控制夹头两侧摆动， 使晶振音叉片的两侧接触砂轮，达到磨削的效果。 9 硕士学位论文第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 图2 - 6 磨削机构 2 1 4 分选机构 如图2 - 7 所示，为加工过程中和加工后的晶振分选机构，主要作用是把未加 工晶振和加工后的晶振通过检测，判断其是否合格，放入相对应的料斗中。料斗 分为合格品、残品断片和次品。如果需要还可以根据合格品的优质程度设置更细 化的分档。分选机构置于夹头下端，根据检测出来的不同分档信号，通过控制低 速电机旋转，使相应档位的料斗置于夹头下端，夹头通过气动将加工完的音叉片 吹落到料斗中，从而实现分选。 图2 - 7 分选机构 1 0 硕士学位论文第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 2 2 机械结构和磨削方案的改进 前期方案在试验调试的过程中发现许多的问题：夹头的加工出现困难，由 于夹头尺寸小、精度高的特点，以及成本控制的要求，致使很多厂家拒绝加工， 而且从装配的结果看，装配精度要求高，晶振与夹头的对接过程困难，可靠性低。 整个进料过程繁琐，过多的动作带来了更多的不可靠因素，给加工和装配引入 大量的附加成本。磨削进给机构采用原有进口设备的结构，占用空间大，且机 构笨拙，动作繁冗。 2 2 1 夹持机构的改进 由于前期方案夹头出现的种种问题，现将夹头改进如图2 - 8 ，图中叉形夹持 器采用非金属材料( 有机玻璃或树脂) ，减少由于夹持力太大造成晶振金属座的 硬损伤；线簧的作用使夹头在非工作状态处于张开状态，夹持针的向下运动使夹 持器夹紧晶振座，达到夹持效果；晶振的测量是通过叉形夹持器的楔形刃口插入 晶振管脚中，楔形刃口与管脚接触面覆有铜箔，将信号引出。 图2 - 8 改进夹头机构 图2 - 9 夹头装配图 夹头装配如图2 9 ，夹持针的动作通过一个单作用气缸实现，整个夹持器通 过夹持器座的环状紧固结构和柱体结构与夹持器底板相连。 2 2 2 磨削进给结构改进 磨削过程的工件进给结构的改进方案如图2 1 0 ，吸收原有机构减缓硬冲击 的特点，简化前期方案繁冗的结构。方案中，步进电机提供进给动力，传感器检 测整个结构运行的初始位置( 可调整) ，步进电机的转动带动滑块沿导轨离开初 硕士学位论文第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 始位置运动，然后步进电机再反方向回到初始位置，这样就完成一次磨削。磨削 过程中，弹簧片带动夹持组件，做摆动，使晶振音叉片的两侧一次次接触砂轮， 形成磨削。弹簧片起到缓冲作用，将步进电机的位移控制量转化为力控制量，减 少晶振进给时的硬性冲击。 图2 - 1 0 改进工件进给机构 2 2 3 改进机械结构总体方案 根据晶振的加工工艺，本课题把晶振粗精磨机的加工工序分为四部分：进料、 夹持、磨削和分选。改进的总体方案中，通过2 个相互垂直气缸对工作台的操作， 形成四个工位，如图2 - 1 1 ，工位1 ：气缸1 伸，气缸2 缩，放置进料机构：工位 2 ：气缸l 伸，气缸2 伸，放置进给机构和磨削机构；工位3 ：气缸1 缩，气缸2 缩，放置分选机构。 气缸1 和气缸2 为双作用气缸；夹持组件与气缸2 的支架用轴承相连，使夹 持组件可以沿气缸1 运动方向做摆动，在夹持组件和与其固定的支架上再加一个 单作用气缸，控制夹持组件是否摆动；磨削机构的砂轮方向也做了相应的改动， 砂轮转速控制采用原有控制方案。 硕士学位论文第二章晶振粗精磨机结构分析和改进 图2 - 11 改进机械结构总体方案 进料机构，本课题将采用振动盘结构，实现自动进料。由于市面上振动盘的 工艺和产品非常成熟，设计中将不再设计，直接采用现有的成品。只要提供工件 尺寸，出料摆放要求，相应的加工厂家就会给客户提供相应的振动盘产品，通过 开发周期、成本、维修和控制各方面综合考虑，此方案更加切合实际要求。另外 此振动盘振幅和频率自动产生，启停控制由主芯片提供。 2 3小结 本章节通过分析对比，详述了前期方案和改进方案的动作原理和优缺点，并 给出相应的结构模型和控制执行原件。 然而机构的改进和精简，必将会带来控制策略更高要求。气缸的引入，带来 更多定位传感器信号；步进电机的精确控制，带来时间精度的高要求；频率阻抗 的检测，带来大数据处理和大存储空间要求，以及不同电压元件的转换、高压电 机的控制引入的控制要求，这些都说明此系统是个多任务实时系统。因此多任务 控制策略的选择和实时性的实现将是本课题着重探讨的内容。并将在后续的章节 中阐述。 硕士学位论文第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 3 1控制系统总体方案制定 本课题中晶振粗精磨机的控制系统包括：频率阻抗测量模块及其相应的串行 通讯处理电路、定位传感器及其信号处理电路、交流电机及其驱动电路、气动电 磁阀及其驱动电路、步进电机及其隔离驱动电路、键盘显示芯片及其外围接口电 路和主控制芯片外围电路等。其控制框图如图3 - 1 。 臼圈 臼圈 日囤 日囝 ，圈日圈 图3 - 1 晶振粗精磨机硬件控制框图 本控制系统加工过程中控制如下： 进料振动盘启动，按照要求将晶振音叉片送到出口指定位置，指定位置的光 电传感器检测到晶振，主控制芯片发出振动盘停止信号，使振动盘停止自动进料。 夹持机构的气缸控制信号使夹头夹持晶振，并快速测量晶振频率阻抗，并将 数据通过串行通讯传输到主控制芯片处理，检查此晶振是否合格，不合格发出定 位气缸控制信号，送到分选槽上方，控制分选机构电机转到不合格料槽位置，夹 头张开放下不合格晶振。此过程中晶振被夹持后，振动盘的检测传感器检测到无 晶振时，发出振动盘启动信号，继续进给。 1 4 圈圈圈圈辟 圈口圈昌 硕士学位论文第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 检查合格的晶振，发出定位气缸控制信号，送到磨削工位，并根据之前检测 的频率阻抗值，发出相对应的砂轮启动和速度档位信号，砂轮运转；发出夹持机 构摆动固定气缸信号，使夹持机构可以摆动，控制步进电机进给信号，进给机构 的弹簧片带动夹头摆动接触砂轮，形成磨削。步进初始位置为晶振置于两砂轮中 间时的位置，通过控制步进的转动方向，磨削晶振音叉的不同侧面，改变其阻抗， 调整晶振平衡性。 整个加工过程中，保持电源断电按键和功能停止按键的可用，并实时显示不 同工序的晶振频率阻抗值以及不同分档的产品数量和百分比；步进电机正反进给 位移可调，并在数码管显示调整结果。 在加工工程中，发生错误，报警灯闪烁；加工过程中，控制芯片全程记录加 工进程标志，防止突然断电再重启时，引起设备冲突。 3 2 控制方法选择 3 2 1 进料工序控制方法选择 进料工序中使用的执行元件和检测元件：振动盘启动和检测传感器。 振动盘是一种自动定向排序的送料设备，其工作目的是通过振动将无序工件 自动有序定向排列整齐、准确地输送到下道工序n6 | 。自动送料振动盘主要由料斗、 底盘、控制器、直线送料器等配套组成，如图3 - 2 所示。自动送料振动盘的料斗 下面有个脉冲电磁铁，可以使料斗垂直方向振动，由于弹簧片的倾斜，使料斗绕 其垂直轴做扭摆振动。料斗内零件，由于受到这种振动，而沿螺旋轨道上升，直 到送到出料口。此振动盘可根据客户需求订制各式各样型号，并广泛应用于电池、 五金、电子、医药、食品、连接器等各个行业，是解决工业自动化设备供料的必 须设备。 图3 - 2 振动盘 振动盘配有控制器，可独立控制频率和振幅、调整送料速度以配合整台设备 的工作节奏。为了防止振动盘无休止的送料，本系统在出料口装配检测传感器， 硕士学位论文第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 并对振动盘的启动停止进行控制，使出料口一直保持只有一个工件的状态。振动 盘的控制如图3 - 4 。 振动盘使用2 2 0 v 交流电压供电，本课题将对其供电进行开关控制，达到控 制振动盘启动停止的目的。2 2 0 v 交流驱动采用可控硅和压敏电阻的组合，用带 过零检测功能的光耦进行隔离。 检测传感器采用对射光电传感器( 光电开关) 。对射型光电开关：由发射器和 接收器组成n 7 1 ，结构上是两者相互分离的，如图3 - 3 所示，在光束被中断的情况 下会产生一个开关信号变化，位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达5 0 米。 图3 - 3 对射光电传感器 特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间 仅一次；不易受干扰，可靠性高，可以应用在野外或者有灰尘的环境中；装置的 消耗高，两个单元都必须敷设电缆。 驱动方式：本课题中选用欧姆龙的对射光电开关，电压d c 2 4 v ，由于主控 板的信号电压5 v ，需要设计d c 2 4 v 5 v 转换电路，采用普通光耦光电隔离实现； 转换后的信号与主控芯片用双向总线驱动器7 4 l s 2 4 5 驱动。控制示意图如图3 4 。 处 理 电 路 + 启动 土 信号 隔离 h o j 险 驱动 片 电路 振 动 盘 图3 - 4 振动盘控制框图 3 2 2 夹持工序控制方法选择 夹持工序使用的执行元件和检测元件：2 个带磁环双作用气缸、2 个单作用 气缸和4 个磁性开关传感器。控制示意图如图3 - 5 。 1 6 刃司 一 一控一 一控一 一幅一 一率一 ；囫 硕士学位论文第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 图3 - 5 夹持工序控制框图 双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力，如系统中的 两个工位气缸；单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压， 气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回，如系统中的摆动允许气缸和夹 头夹紧气缸。双作用气缸控制采用济南杰菲特公司的两位五通电磁阀，单作用气 缸采用两位三通电磁阀，电磁阀驱动电压d c 2 4 v ，其驱动电路采用u l n 2 8 0 3 芯 片和继电器组合的驱动方式。u l n 2 8 0 3 是i c 驱动器芯片，内部集成续流二极管。 继电器选用t i 伽她o 2 4 v d c 。 磁性开关是利用磁性感应实现开关作用的一种传感器。起开关作用的是其内 部的干簧管。干簧管是干式舌簧管的简称，是一种有触点的无源电子开关元件， 具有结构简单，体积小便于控制等优点，其外壳一般是一根密封的玻璃管，管中 装有两个铁质的弹性簧片电板，还灌有一种叫金属铑的惰性气体。平时，玻璃管 中的两个由特殊材料制成的簧片是分开的。当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁场 磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起， 使结点所接的电路连通。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路 也就断开了。因此，作为一种利用磁场信号来控制的线路开关器件，干簧管可以 作为传感器用，用于计数，限位等等( 在安防系统中主要用于门磁、窗磁的制作) ， 同时还被广泛使用于各种通信设备中。在实际运用中，通常用永久磁铁控制这两 根金属片的接通与否，所以又被称为“磁控管”u 副。 本系统采用d c 2 4 v 磁性开关，驱动原理同光电开关。其中，d c 2 4 v 5 v 转换电路，采用普通光耦光电隔离实现；转换后的信号与主控芯片用双向总线驱 动器7 4 1 s 2 4 5 驱动。安装如图3 - 6 所示 硕士学位论文 第三章控制系统总体方案及硬件电路设计 图3 - 6 磁性开关及安装方式 3 2 - 3 磨削工序控制方法选择 磨削工序中使用的执行元件和检测元件：两个双作用气缸、一个单作用气缸、 一个交流光电机，一个步进电机和四个磁性开关。控制示意图如图3 - 7 图3 - 7 磨削工序控制框图 气缸的原理和驱动，在夹持工序控制中已经描述，在此不再重述。 本课题中砂轮电机选用交流电子调速光电机(