（机械电子工程专业论文）胶带生产集中控制系统的研究.pdf

西北工业大学硕上学位论文摘要 摘要 本文结合1程实际对胶带生产中使用的测长打磨机的控制系统进行了 研究。首 先根据该机的工作要求，设计了电气控制方案，选择了控制元器件 ( 可编程控 制器) 的型号及执行元器件( 电 磁阀、 光栅尺) 的类型， 编写了p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t ro l l e r ) 控制程序， 并与机械本体进行了 整机调试。 其次， 在p c ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 机上 采用v i s u a l c + + 6 .0 编写了 专用监 控软件 及数据库文件， 通过p c 与p l c的通讯，完成了在p c上对该机的控制，并将该机工 作过程中的数据及 时存储到了数据库中，以便于测试结果的查询、打印分析以 及统计等工作的进 行。并在此基础上结合计算机网络技术的发展，还对胶带生产集中控制系统进 行了研讨。本文的研究成果对于国内胶带产品质量水平的提高，对于促进胶带 生产设备自 动化水平和我国胶带工业的发展都具有实际的意义，并对其它机电 设备的控制研究具有参考意义。 关键词:胶带可编程控制器 ( p l c )串口通信数据库监控集中控制 西北t业大学硕士学位论文摘要 ab s t r a c t t h e c o n t r o l s y s te m o f l e n g th - m e asu r e m e n t p o l i s h i n g m a c h i n e t h a t u s e d i n r u b b e r b e l t m a n u f a c t u r i n g i s s t u d i e d c o m b i n i n g w i t h t h e e n g i n e e r in g p r a c t ic e . a t t h e b e g i n n i n g , a c c o r d i n g t o t h e r e q u ir e m e n t s , t h e e l e c t r i c a l c o n t r o l s c h e m e i s p l a n n e d . a n d t h e t y p e s o f c o n t r o l e l e m e n t s ( t h a t i s p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t ro l l e r , p l c ) a n d a c t u a t i n g e l e m e n t s ( i n c l u d in g e l e c t r o m a g n e t i c v a l v e , r a s t e r r u l e r , e t c ) a r e s e l e c t e d , t h e n p l c c o n t r o l p r o g r a m s a r e c o m p i l e d a n d d e b u g g e d t o t a l l y w it h t h e m e c h a n i c a l s tr u c t u r e s . vis u a l c + + b .0 i s u s e d t o c o m p i le t h e s p e c i a l m o n i t o r s o ft w a r e a n d d a t a b a s e f i l e s i n p e r s o n a l c o m p u t e r ( p c ) . t h r o u g h t h e c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n p c a n d p l c , t h e p o l i s h i n g m a c h i n e c a n b e c o n t r o l l e d b y p c . a n d t h e d a t a p r o d u c e d i n w o r k p r o c e s s a re s t o r e d i n t h e d a t a b a s e t i m e l y t o f a c i l i t a t e t h e q u e ry , p r i n t , a n a l y s i s a n d s t a t is t i c . f i n a l l y , b a s e d o n t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r n e t w o r k t e c h n o l o g y , th e c e n t r a l i z e d c o n t r o l s y s t e m o f r u b b e r b e l t m a n u f a c t u r i n g i s d i s c u s s e d . t h e r e s u l t s o f t h i s p a p e r h e l p t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o f d o m e s t i c r u b b e r b e l t a n d t o p ro m o t e t h e a u t o m a t i o n d e g r e e o f b e l t f a b r i c a t i n g e q u ip m e n t s a n d t h e i n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t o f r u b b e r b e lt玩t h e m e a n t i m e , t h e r e s e a r c h i n t h i s p a p e r i s h e l p f u l t o o t h e r c o n t r o l s y s t e m s t u d i e s o f e l e c t r o m e c h a n i c a l d e v i c e s . k e y w o r d s : r u b b e r b e l t p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t ro l l e r ( p l c ) s e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o n c e n t r a l i z e d c o n t r o l mo n i t o r 西北下业人学硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪论 l . 1 新型传动带的应用及国内 外生产技术状况 随着现代传动技术的不断发展，原有的包括普通v带在内的传动带己适应 不了现代生产的需要，于是新型传动带应运而生了，并越来越广泛地被应用于 工业以及人们的日 常生活中。 新型传动带主要包括同步带、 切割v带和多楔带。 由于同步带具有传动效率高、传递功率大、噪音低、特别是其结构紧凑、 使用维护方便、 传动比准确、 无需润滑等优点， 所以得到了越来越广泛的应用。 自1 9 5 0 年， 美国 通用汽车公司首先将同 步带用于顶置式凸 轮机构的汽车发动机 的配气机构上起，同步带的应用领域越来越多，己广泛地应用于纺织机、 汽车、 机床、缝纫机、电缆机械、石油、化工机械、食品、造纸机械、木工机械、印 刷机械、 仪器、 仪表及办公室自 动化设备等领域。目 前日 本排气量在3 0 0 0 毫升 以 下的 汽车，1 0 0 % 采用同 步带，美国 达到4 0 % 1 1 . 切割v带是为满足汽车的小型化、高速化及大功率化而发展起来的一种新 型结构的v带。它相对于包布结构的v带，具有滑差小、 传递功率大、节能、 允许速度高、寿命长、结构紧凑、噪音低等优点。因此对于长度小于2 5 0 0 毫米 的带，己经越来越多的取代了传统的包布v带，并且还在进一步扩大其应用领 域。目 前国 外汽车的原配带 ( 包括风扇带、 发电 机带、空调带) ， 除了使用多楔 带以外，己完全采用了切割v带。 多楔带是一种特殊结构的v带， 兼有平带及 v带的特点， 适合于汽车多轴 发电机、冷却泵、空调压缩机及动力转向器，大大缩小了发动机的尺寸，使结 构简单化。多楔带已 在越来越多的场合取代了v带，并且其应用前景很好。 在国外，由于材料性能好，生产设备自动化程度高，制造工艺先进，其同 步带、切割v带、多楔带的质量己达到相当高的水平，寿命很长，应用己 相当 普及，如汽车同步带的使用寿命至少为十万公里，有的己达到三十万公里，有 的己 可达到与 汽车同 寿命。目 前国 外比 较著名的 制造商有德国的o p t i b e l t 公司、 西北下业人学硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪论 l . 1 新型传动带的应用及国内 外生产技术状况 随着现代传动技术的不断发展，原有的包括普通v带在内的传动带己适应 不了现代生产的需要，于是新型传动带应运而生了，并越来越广泛地被应用于 工业以及人们的日 常生活中。 新型传动带主要包括同步带、 切割v带和多楔带。 由于同步带具有传动效率高、传递功率大、噪音低、特别是其结构紧凑、 使用维护方便、 传动比准确、 无需润滑等优点， 所以得到了越来越广泛的应用。 自1 9 5 0 年， 美国 通用汽车公司首先将同 步带用于顶置式凸 轮机构的汽车发动机 的配气机构上起，同步带的应用领域越来越多，己广泛地应用于纺织机、 汽车、 机床、缝纫机、电缆机械、石油、化工机械、食品、造纸机械、木工机械、印 刷机械、 仪器、 仪表及办公室自 动化设备等领域。目 前日 本排气量在3 0 0 0 毫升 以 下的 汽车，1 0 0 % 采用同 步带，美国 达到4 0 % 1 1 . 切割v带是为满足汽车的小型化、高速化及大功率化而发展起来的一种新 型结构的v带。它相对于包布结构的v带，具有滑差小、 传递功率大、节能、 允许速度高、寿命长、结构紧凑、噪音低等优点。因此对于长度小于2 5 0 0 毫米 的带，己经越来越多的取代了传统的包布v带，并且还在进一步扩大其应用领 域。目 前国 外汽车的原配带 ( 包括风扇带、 发电 机带、空调带) ， 除了使用多楔 带以外，己完全采用了切割v带。 多楔带是一种特殊结构的v带， 兼有平带及 v带的特点， 适合于汽车多轴 发电机、冷却泵、空调压缩机及动力转向器，大大缩小了发动机的尺寸，使结 构简单化。多楔带已 在越来越多的场合取代了v带，并且其应用前景很好。 在国外，由于材料性能好，生产设备自动化程度高，制造工艺先进，其同 步带、切割v带、多楔带的质量己达到相当高的水平，寿命很长，应用己 相当 普及，如汽车同步带的使用寿命至少为十万公里，有的己达到三十万公里，有 的己 可达到与 汽车同 寿命。目 前国 外比 较著名的 制造商有德国的o p t i b e l t 公司、 西北 工 _ 业人学硕士学位论文第一章绪论 丹麦的r o u l u n d s 公司、意大利的p r ri l l i 公司、日 本的b a n d o公司以及美国的 g a t e s 公司 等b 1 我国是从上个世纪八十年代开始，随着国外设备和汽车的大量引进，才 一使 得同步带、多楔带和切割v带的使用越来越多，并被逐步重视起来。目 前， 我 国还处在对传统的传动带的更新换代时期，正在推广 使用。 对于带的生产技术 和设备，国内有些厂家如贵阳的大众橡胶有限公司等单位已 成套引进。该套设 备自 动化程度高，但价格昂贵，若成套引进，约为1 0 0 0 多万人民币。 为了 提高 新型传动带的国产化水平，国内一些科研单位如西北工业大学、哈尔滨工业大 学、青岛工业学院等相继开发了一些专用传动带生产设备，并对胶带的生产z 艺进行改进，使新型传动带在国内一些厂家可以生产。但由于设备的自 动化程 度 低， 国 产 材 料 质 量 不 稳定， 使得国 产 传 动带 的 质 量 难以 保 证 1 ,6 1所以 为了 提 高我国的传动带的产品质量，必须有产品质量可靠、价格适宜、自 动化程度高 的胶带生产设备。 1 . 2国内外胶带机械的发展状况 目 前， 发达国 家一 些胶带生 产厂家( 如 德国的o p t i b e lt 公司 、 丹麦的r o u l u n d s 公司、 意大利的p e r r i l l i 公司、 美国的g a t e s 公司等) ， 这些公司的胶带生产工艺 装备己 达到相当先进和完善的程度:整个生产工艺连续化，普遍采用电子计算 机控制，使胶带生产的成型、 硫化、磨背、切割工序和疲劳实验测试设备实现 了高度的机电一体化，操作人员少、生产效率高、产品质量稳定。但引进这些 厂家的设备价格相当昂贵，全套设备需 1 0 0多万美元，而且还不包括型号众多 的模具， 从而在很大程度上，在国内 推广应用受到了约束。 从2 0 世纪八十年代末开始，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，相继引进了部分新型传动带生产设备，开 始生 产同 步带、 多 楔带和切割v带， 产品 很受 用户青睐， 市 场销路也不 错。 这 些先进设备的引进对提高我国胶带行业的工装水平，改善落后状况起到了积极 地推动作用。但拥有先进设备的毕竟只是少数厂家，其他大多数厂家的生产设 西北 工 _ 业人学硕士学位论文第一章绪论 丹麦的r o u l u n d s 公司、意大利的p r ri l l i 公司、日 本的b a n d o公司以及美国的 g a t e s 公司 等b 1 我国是从上个世纪八十年代开始，随着国外设备和汽车的大量引进，才 一使 得同步带、多楔带和切割v带的使用越来越多，并被逐步重视起来。目 前， 我 国还处在对传统的传动带的更新换代时期，正在推广 使用。 对于带的生产技术 和设备，国内有些厂家如贵阳的大众橡胶有限公司等单位已 成套引进。该套设 备自 动化程度高，但价格昂贵，若成套引进，约为1 0 0 0 多万人民币。 为了 提高 新型传动带的国产化水平，国内一些科研单位如西北工业大学、哈尔滨工业大 学、青岛工业学院等相继开发了一些专用传动带生产设备，并对胶带的生产z 艺进行改进，使新型传动带在国内一些厂家可以生产。但由于设备的自 动化程 度 低， 国 产 材 料 质 量 不 稳定， 使得国 产 传 动带 的 质 量 难以 保 证 1 ,6 1所以 为了 提 高我国的传动带的产品质量，必须有产品质量可靠、价格适宜、自 动化程度高 的胶带生产设备。 1 . 2国内外胶带机械的发展状况 目 前， 发达国 家一 些胶带生 产厂家( 如 德国的o p t i b e lt 公司 、 丹麦的r o u l u n d s 公司、 意大利的p e r r i l l i 公司、 美国的g a t e s 公司等) ， 这些公司的胶带生产工艺 装备己 达到相当先进和完善的程度:整个生产工艺连续化，普遍采用电子计算 机控制，使胶带生产的成型、 硫化、磨背、切割工序和疲劳实验测试设备实现 了高度的机电一体化，操作人员少、生产效率高、产品质量稳定。但引进这些 厂家的设备价格相当昂贵，全套设备需 1 0 0多万美元，而且还不包括型号众多 的模具， 从而在很大程度上，在国内 推广应用受到了约束。 从2 0 世纪八十年代末开始，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，相继引进了部分新型传动带生产设备，开 始生 产同 步带、 多 楔带和切割v带， 产品 很受 用户青睐， 市 场销路也不 错。 这 些先进设备的引进对提高我国胶带行业的工装水平，改善落后状况起到了积极 地推动作用。但拥有先进设备的毕竟只是少数厂家，其他大多数厂家的生产设 西北主 业大学硕 七 学位论文 第-草绪论 备仍然十分落后，行业整体测试手段落后，导致我国的传动带质量不高。 目 前，我国已 经加入世贸组织 ( wt o ) ，随着贸易化政策的实施，必然有 大量的质量优良的进口品牌传动带被引进我国， 这使得我国的胶带生产厂家面 临着严峻的挑战，所以我们必须对原有的传动带更新换代，着力发展新型传动 带的 生 产 设 备 7 1 为了提高我国胶带行业的装备水平，目 前，国内已有数家企业对新型传动 带生产设备进行了开发，比较突出的有西北工业大学、哈尔滨工业大学、青岛 化工学院等，他们在消化、吸收引进设备的基础上，根据国情和自 身的条件， 进行了国产化的研制，价格仅为引进设备的1 / 3 到1 / 5 。这些专用设备的研制， 对我国胶带工业的发展起到了 相当的促进作用，为改善行业的工装设备的落后 状况， 完成设备的更新换代， 打下了 坚实的 基础3 1 。 纵观这些设备，其自 动化 程度与国际先进设备相比 较还有相当的差距。但同时，胶带设备也有着广阔的 开发研究前景和潜在市场，机遇与挑战并存，这就促使胶带行业的科研工作者 要有奋起直追的勇气和严谨细致的研究精神，尽快开发出一套国产化的高度机 电一体化的胶带生产设备。 1 . 3 课题来源、 研究内容及其意义 胶带生产工艺分成型、硫化、磨背、切割、检验等工序。每道工序中，各 生产工艺参数对胶带的质量都有很大的影响。在成型工艺中，不但线绳张力的 大小，而且线绳是否保持平直，都对胶带的长度有很大的影响。例如:在生产 高精度缝纫机专用同步带 2 5 0 s l o 7 5时，若张力改变土 1 n，则带长要偏差为 1 0 .0 5 m m ， 而该缝纫机同 步带要 求的 带 长偏差为士 0 . 1 m m 4 1 ， 因 此成型时， 张 力 必须严格控制士 2 n内。 线绳在成型缠绕过程中， 原线轴的直径在不停的变化， 线绳的松紧也不定， 所以 胶带成型中，张力必须进行精度的闭环控制。同样在 硫化过程中，硫化压力、 温度以及时间也对胶带质量有很大的影响。蒸汽压力 小，则带的致密性差、 寿命短; 压力过高， 温度也随之升高， 橡胶易产生烧焦、 过硫现象， 造成胶带提前老化、失 效， 所以 硫化参数也必须精确控制s 1 西北主 业大学硕 七 学位论文 第-草绪论 备仍然十分落后，行业整体测试手段落后，导致我国的传动带质量不高。 目 前，我国已 经加入世贸组织 ( wt o ) ，随着贸易化政策的实施，必然有 大量的质量优良的进口品牌传动带被引进我国， 这使得我国的胶带生产厂家面 临着严峻的挑战，所以我们必须对原有的传动带更新换代，着力发展新型传动 带的 生 产 设 备 7 1 为了提高我国胶带行业的装备水平，目 前，国内已有数家企业对新型传动 带生产设备进行了开发，比较突出的有西北工业大学、哈尔滨工业大学、青岛 化工学院等，他们在消化、吸收引进设备的基础上，根据国情和自 身的条件， 进行了国产化的研制，价格仅为引进设备的1 / 3 到1 / 5 。这些专用设备的研制， 对我国胶带工业的发展起到了 相当的促进作用，为改善行业的工装设备的落后 状况， 完成设备的更新换代， 打下了 坚实的 基础3 1 。 纵观这些设备，其自 动化 程度与国际先进设备相比 较还有相当的差距。但同时，胶带设备也有着广阔的 开发研究前景和潜在市场，机遇与挑战并存，这就促使胶带行业的科研工作者 要有奋起直追的勇气和严谨细致的研究精神，尽快开发出一套国产化的高度机 电一体化的胶带生产设备。 1 . 3 课题来源、 研究内容及其意义 胶带生产工艺分成型、硫化、磨背、切割、检验等工序。每道工序中，各 生产工艺参数对胶带的质量都有很大的影响。在成型工艺中，不但线绳张力的 大小，而且线绳是否保持平直，都对胶带的长度有很大的影响。例如:在生产 高精度缝纫机专用同步带 2 5 0 s l o 7 5时，若张力改变土 1 n，则带长要偏差为 1 0 .0 5 m m ， 而该缝纫机同 步带要 求的 带 长偏差为士 0 . 1 m m 4 1 ， 因 此成型时， 张 力 必须严格控制士 2 n内。 线绳在成型缠绕过程中， 原线轴的直径在不停的变化， 线绳的松紧也不定， 所以 胶带成型中，张力必须进行精度的闭环控制。同样在 硫化过程中，硫化压力、 温度以及时间也对胶带质量有很大的影响。蒸汽压力 小，则带的致密性差、 寿命短; 压力过高， 温度也随之升高， 橡胶易产生烧焦、 过硫现象， 造成胶带提前老化、失 效， 所以 硫化参数也必须精确控制s 1 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文_ _- 一- 一 ; a - 皇壁竺 为了提高胶带的产品质量，减少工人操作的劳动强度以及可能出现的责任 问题，胶带设备必须进行自动控制，特别是对关键工序和大批量生产时，多台 设备更是有必要进行中央集中控制。本论文是依托西北工业大学传动带研究室 的横向 课题一胶带测长机的控制系统为基础来进行胶带设备的集中控制的研 究。 新型传动带生产 一 共分为成型、硫化、磨背、切割、检验等工序。测量胶 带长度作为一项重要的检验项目，是胶带质量很重要的体现。对于多楔带及 v 带来说，在使用时，虽然有张紧装置，但若多根同时使用，则必须进行长度的 配组， 否则对胶带的寿命和设备的使用都会造成极大影响。 同步带的长度不一， 会造成带的节长不同，从而也会影响带的寿命，同时，有些同步带使用时为固 定中心距，若带的长短不一，会使在带使用时松、紧不一致，引起很大噪音， 严重影响带的寿命和设备的工作质量，对这种情况下使用的同步带，其带长要 求极其严格。例如某型缝纫机同步带 2 5 0 s l o 7 5 ，其带长及偏差为 6 3 2 . 1 9 2 1 0 . 1 m m。 所以 胶带出 厂前， 必须对胶带的带长 进行检测， 胶带测长机 和其精度就显得极其重要。 本课题在分析胶带测长机的功能后，实现对其进行高精度测长控制系统研 究，并与计算机控制相结合，实现计算机控制，从而对胶带整个生产过程进行 中央控制研究。 本课题研究内 容主要有以 下几个方面: 1 .测长机控制方案的设计 根据所给要求，选择合适的控制方案。控制部分选用日 本 o m r o n c p m 2 a p l c为主控器。 数据的输入、 控制方案的 选择、 有关参数的设定 以 及实验数据的显示由 所设计的监控程序来实现。 长度测量使用高精度具有 增减功能的光栅线位移传感器。 2 .监控程序的设计 计划用v i s u a l c 什6 .0 编写p c与p l c通讯的程序。界面参考通用的模 态软件， 针对本课题研究做出相应的配套软件。一般p l c与p c机通讯可 选用通用的模态软件， 考虑到通用软件并不能完全实现本课题所要求的全部 西北t . 业大学硕士学位论文第一章绪论 功能，目 _ 有很多功能用不_卜 。 而自己编写程序有较大的灵活性， 且在处理采 集到的数据时有更大的灵活性。 实时采集到的生产数据以何种格式存在计算机上也是一个问题， 一般情 况下应建立数据库。 本课题采用的是mi c r o s o f t a c c e s s 开放式数据库。 监控软件最终实现的功能目 标是: 一台上位机可以监控多台p l c 。 通信 时，上位机发出指令信息给p l c , p l c返回响应信息。按照这种会话式的 顺序，上位机就可以读写p l c的继电器区、数据存储区及各种设定状态的 信息， 监视p l c的工作状态、 进行故障报警、 在线修改p l c设定值和当前 值，与此同时，并把采集的实时数据存储到数据库中，并能进行查询、修 改或者打印等功能。这部分是本课题的难点，也是重点。 3 .胶带生产网络化研究 在本课题p l c网络主要采用这样的形式连成网络:以 个人计算机为主 站，多台同型号的可编程控制器为从站， 组成比 较简单的集散系统。 在这 种系统中，个人计算机充当操作站，实时显示报警、监控、编程及操作等 功能， 而多台p l c负责控制任务， 并把p l c网络通过特定的网络接口 连入 大型胶带集中控制系统中去，成为它的子网。 本文主要是在对胶带测长机的功能要求进行分析后，运用可编程控制器的 方法完成测长打磨机控制系统的设计和实现，以 及高精度测长控制方法的深入 研究。 通过监控软件，在测长工序中实现了测长计算机控制，不再使用人工手 动按扭的方式，降低了劳动强度和人为故障。测长控制系统采用可编程控制器 中的数据处理功能解决了用传统控制方式难以实现自 动测长控制的难题，提高 了胶带测长的效率和胶带长度的控制精度，改善了设备的自动化水平，对于测 长打磨机及其它胶带生产设备的自 动化实现，都具有很实际的意义。同时编制 的监控软件可应用于p l c与p c机间的通信，可作为p l c通用工业控制软件， 为解决工程监控提供了 丰富多样的手段，从数据显示到数据处理、 流程控制等 各个环节，并支持国内外众多数据采集与输出设备。用户只需根据工程作业的 需要和特点，进行方案设计和配置，即可生成用户应用软件系统，广泛应用于 石油、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通 5 西 北工业大学硕士学位论文3 p , -章绪论 讯、食品、 制造与加l业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等工程领域，可 随时随地掌握工业现场与企业的运营状态，了 解所需的各项信息，大幅度提高 工作效率，实现成功决策。 西北工业大学硕上学位论文 第_章胶带测长 打磨机控制系统的设训 第二章胶带测长打磨机控制系统的设计 胶带具有结构紧凑、传动效率高、能耗低、经济效益好等特点，因而在国 内外的机床、轻纺、电子、仪表等行业中得到了广泛的应用。随着带传动技术 的不断发展，胶带的性能及品种的不断提高、改进、创新，使胶带由原来被视 为的易损部件变成了很有生命力的机械传动功能部件。胶带质量的好坏将影响 着传动系统的运转，一旦出现质量问题，整个机器就处于瘫痪状态，使得其它 与 之 有关的 部 分 也 只能 坐以 待 毙。 所以 研究 胶带 的 质量 控 制 有很 重要的 实 际 应 用意义。 目前，国内外胶带生产过程基本上分为成型、硫化、磨背、切割和测长五 个工序，它属于流程作业。钡 9 长是对胶带质量控制的最后一个环节， 也是最为 关键的一步。 胶带生产过程中 成型、 硫化、磨背、 切割各道工序都会对胶带长 度造成影响。对胶带长度进行测量，传统测量通常用直尺或卷尺测量，其精度 及生产效率无法满足生产及使用要求。特别是自 上个世纪9 0 年代后，多楔带、 切割 v 带等的长度，均要求采用有效长度后，传统测量设备更是无法达到测量 要求。另外，为了 保证切割v带的质量，切割后还需对其侧面进行打磨，通过 打磨还可保证其有效带长，所以胶带测长打磨机的研制势在必行。 2 . 1机械本体的介绍 胶带测长打磨机的机械本体如图2 - 1 所示:驱动带轮由一带针摆减速机的 电机通过一对锥齿轮驱动，驱动带轮和电机固定在同一拖板上，通过手轮、齿 轮齿条拖动，可在横向床身导轨上移动，以适应不同长度的胶带。其从动带轮 即张紧轮装在一导杆上，导杆的另一端通过钢丝绳装一吊钩， 在吊 钩上可按不 同带型悬挂不同质量的祛码，从而给被测带加不同的张力，其大小可按 g b l 1 6 1 6 - 8 9 同步带尺寸、 g b / t 1 6 5 8 8 - 1 9 9 6 工业用多楔带及带轮尺寸、 g b 1 1 5 4 4 - 8 9 普通v带和窄v带尺寸 等有关的标准确定。 在导杆座上装有一 气缸，当气缸推杆推出时，传动带放松;当气缸推杆退回时，从动轮在祛码作 7 西北工业大学硕上学位论文 第_章胶带测长 打磨机控制系统的设训 第二章胶带测长打磨机控制系统的设计 胶带具有结构紧凑、传动效率高、能耗低、经济效益好等特点，因而在国 内外的机床、轻纺、电子、仪表等行业中得到了广泛的应用。随着带传动技术 的不断发展，胶带的性能及品种的不断提高、改进、创新，使胶带由原来被视 为的易损部件变成了很有生命力的机械传动功能部件。胶带质量的好坏将影响 着传动系统的运转，一旦出现质量问题，整个机器就处于瘫痪状态，使得其它 与 之 有关的 部 分 也 只能 坐以 待 毙。 所以 研究 胶带 的 质量 控 制 有很 重要的 实 际 应 用意义。 目前，国内外胶带生产过程基本上分为成型、硫化、磨背、切割和测长五 个工序，它属于流程作业。钡 9 长是对胶带质量控制的最后一个环节， 也是最为 关键的一步。 胶带生产过程中 成型、 硫化、磨背、 切割各道工序都会对胶带长 度造成影响。对胶带长度进行测量，传统测量通常用直尺或卷尺测量，其精度 及生产效率无法满足生产及使用要求。特别是自 上个世纪9 0 年代后，多楔带、 切割 v 带等的长度，均要求采用有效长度后，传统测量设备更是无法达到测量 要求。另外，为了 保证切割v带的质量，切割后还需对其侧面进行打磨，通过 打磨还可保证其有效带长，所以胶带测长打磨机的研制势在必行。 2 . 1机械本体的介绍 胶带测长打磨机的机械本体如图2 - 1 所示:驱动带轮由一带针摆减速机的 电机通过一对锥齿轮驱动，驱动带轮和电机固定在同一拖板上，通过手轮、齿 轮齿条拖动，可在横向床身导轨上移动，以适应不同长度的胶带。其从动带轮 即张紧轮装在一导杆上，导杆的另一端通过钢丝绳装一吊钩， 在吊 钩上可按不 同带型悬挂不同质量的祛码，从而给被测带加不同的张力，其大小可按 g b l 1 6 1 6 - 8 9 同步带尺寸、 g b / t 1 6 5 8 8 - 1 9 9 6 工业用多楔带及带轮尺寸、 g b 1 1 5 4 4 - 8 9 普通v带和窄v带尺寸 等有关的标准确定。 在导杆座上装有一 气缸，当气缸推杆推出时，传动带放松;当气缸推杆退回时，从动轮在祛码作 7 西北工业大学硕士学位论文第一章胶带测长打婿机控制系统的设计 用下自 动张紧。在从动轮固定的推杆上装有测量用的高精度光栅尺的主尺，而 其光栅尺的副尺则固定主动轮支座上。另外，在床身上还有一打磨头，由电机 直接驱动磨轮，在打磨头上固定一小气缸，可将被打磨的v带压在磨轮上。依 据传动带标准的要求，带长为带转动两周内，测量最大、最小值的平均值，所 以为了 测量带的转动长度，在驱动轮前的锥齿轮圆周处装有一个测速传感器。 图2 - 1 测长打磨机示意图 1 -控制柜;2 一紧带气缸;3 一从动轮 ( 张紧轮);4 一压轮气缸;5 一压轮:6 一主 动轮; 7 -锥齿轮; 8 -驱动电 机; 9 -床身:1 0 一光栅尺;1 1 -b 去 码。 本机的测量方式为:先按要求装好一定量的砧码，将驱动轮移动到适当位 置并固定，将被测带装好，按 “ 转带”按钮，被测带转动，p l c计数测长，当 带转过两周时自 动停止，在按 “ 转带停”， “ 松带”按钮，手动测量结束。本 测量也可用自 动程序，当按下自 动按钮后，该测量过程自 动进行。 2 . 2控制系统的设计 2 . 2 . 1主控器的选择 在现代化生产设备中，有大量的开关量、数字量、脉冲量以及模拟量的控 制装置。例如电 机的启停、电 磁阀的开闭、 产品的计数、温度、压力、流量的 西北工业大学硕士学位论文第一章胶带测长打婿机控制系统的设计 用下自 动张紧。在从动轮固定的推杆上装有测量用的高精度光栅尺的主尺，而 其光栅尺的副尺则固定主动轮支座上。另外，在床身上还有一打磨头，由电机 直接驱动磨轮，在打磨头上固定一小气缸，可将被打磨的v带压在磨轮上。依 据传动带标准的要求，带长为带转动两周内，测量最大、最小值的平均值，所 以为了 测量带的转动长度，在驱动轮前的锥齿轮圆周处装有一个测速传感器。 图2 - 1 测长打磨机示意图 1 -控制柜;2 一紧带气缸;3 一从动轮 ( 张紧轮);4 一压轮气缸;5 一压轮:6 一主 动轮; 7 -锥齿轮; 8 -驱动电 机; 9 -床身:1 0 一光栅尺;1 1 -b 去 码。 本机的测量方式为:先按要求装好一定量的砧码，将驱动轮移动到适当位 置并固定，将被测带装好，按 “ 转带”按钮，被测带转动，p l c计数测长，当 带转过两周时自 动停止，在按 “ 转带停”， “ 松带”按钮，手动测量结束。本 测量也可用自 动程序，当按下自 动按钮后，该测量过程自 动进行。 2 . 2控制系统的设计 2 . 2 . 1主控器的选择 在现代化生产设备中，有大量的开关量、数字量、脉冲量以及模拟量的控 制装置。例如电 机的启停、电 磁阀的开闭、 产品的计数、温度、压力、流量的 西北工业大学硕士学位论文第一章胶带测长打婿机控制系统的设计 用下自 动张紧。在从动轮固定的推杆上装有测量用的高精度光栅尺的主尺，而 其光栅尺的副尺则固定主动轮支座上。另外，在床身上还有一打磨头，由电机 直接驱动磨轮，在打磨头上固定一小气缸，可将被打磨的v带压在磨轮上。依 据传动带标准的要求，带长为带转动两周内，测量最大、最小值的平均值，所 以为了 测量带的转动长度，在驱动轮前的锥齿轮圆周处装有一个测速传感器。 图2 - 1 测长打磨机示意图 1 -控制柜;2 一紧带气缸;3 一从动轮 ( 张紧轮);4 一压轮气缸;5 一压轮:6 一主 动轮; 7 -锥齿轮; 8 -驱动电 机; 9 -床身:1 0 一光栅尺;1 1 -b 去 码。 本机的测量方式为:先按要求装好一定量的砧码，将驱动轮移动到适当位 置并固定，将被测带装好，按 “ 转带”按钮，被测带转动，p l c计数测长，当 带转过两周时自 动停止，在按 “ 转带停”， “ 松带”按钮，手动测量结束。本 测量也可用自 动程序，当按下自 动按钮后，该测量过程自 动进行。 2 . 2控制系统的设计 2 . 2 . 1主控器的选择 在现代化生产设备中，有大量的开关量、数字量、脉冲量以及模拟量的控 制装置。例如电 机的启停、电 磁阀的开闭、 产品的计数、温度、压力、流量的 西北 业大学硕上学位论文第二章胶带测长 打磨机 控制系统的设计 设定与控制等等。 过去，以上的控制主要是用继电器或分立的电子线路来实现，但是随着生 产的飞速发展，人们对这些自控装置提出了更通用、易变、易修、可靠、经济 的要求。固定接线式的老装置显然不能够适应这种要求。 随着电子工业的发展，人们开发了各种各样的可以 满足上述要求的控制装 置。比较有代表性的是: ( 1 ) 继电器逻辑控制器 ( 2 ) 单片机 ( 3 ) 可编程控制器 ( p l c ) 这些控制装置各有优缺点，应依据设备的要求进行选择，通过对比这些控制装 置，选定可编程控制器作为胶带测长打磨机的主控器。 可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下而设计。 它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、 计数和算术运算等操作的指令、并通过数字式、模拟式的输入和输出、控制各 种类型的机械或生产过程。 1 .可编程控制器与继电器逻辑控制相比较 继电 器逻辑控制器在逻辑控制上采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的 串联或者并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑。其连线多而复杂， 体积大、功耗大、一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电 器触点数目有限，因此灵活性和扩展性都很差。而可编程控制器，其控制逻辑 以程序的方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只要改变程序即可，故被称为 “ 软接线， ， 其连线也少、 体积小、 加之触点数目 无限 制，因此灵活性和扩展性 很好。 其次，在控制速度上， 继电 控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制， 工作 频率低，自 然控制速度就很慢，另外机械触点还会出现抖动问题。而可编程控 制器，由 半 导 体电 路 来实 现控制， 速度极快， 不 会出 现抖动问 题。 还有继电 器 控制逻辑定时 精度不高， 没有计数功能， 设计与施工周期长i8 1 总之， 可编程控制器在性能上比继电器逻辑控制优越， 特别是可靠性高、设 西北工业大学硕 十 学位论文第_章胶带测长打磨机控制系统的议计 计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便，虽然价 格高于继电控制，但在一些要求复杂，自 动化程度高的场合，和它的这些优点 比 起来，还是值得的。 2 . 可编程控制器与单片机相比较 单片机具有结构简单、使用方便、价格比较便宜等优点，一般应用于数字 采集和工业控制。 但由于单片机不是专门针对工业现场的自 动化控制而设计的， 因此与可编程控制器相比有以下缺点: 首先，不如p l c容易掌握。 单片机一 般要用机器指令或其助记符编程， 这 就要求设计人员具有一定的计算机硬件和软件知识，对于只熟悉机电控制的技 术人员来说，需要相当一段时间的学习才能掌握。 p l c本身是微机系统， 提供给用户使用的是电 控人员所熟悉的 梯形图 语言， 使用的术语仍然是 “ 继电器”一类的术语，大部分指令与继电器触点的串联， 并联，串并联等相对应，这就使得熟悉机电控制的工程技术人员一目了然。对 于使用者来说，不必去关心微机的一些技术上的问题，而只要用较短的时间去 熟悉p l c 的 指令系统及 操作方法， 就能 应 用到 工 程现场18 1 其次，不如p l c使用简单。 用单片机来实现自 动控制，一般要在输入输出 接口 上做大量的工作。 例如要考虑现场与单片机的连接， 接口 的扩展， 输入输 出信号的处理，接口工作方式等问题，除了要设计控制程序，还要在单片机的 外围 做 很多 软 件 和硬 件方 面 的 工 作， 调 试 也比 较麻 烦 14 。 而p l c 的v 0 已 经 做好，输入接口 可以与输入信号直接连线，非常方便;输出接口 具有一定的驱 动能力， 例如继电 器输出， 其输出 触点容量可达2 2 0 伏， 2 安培。 且1 1 0口 均有 光电藕合环节，抗干扰能力强。 再次， 不如p l c可靠。 用单片机做工业控制， 突出问题就是抗干扰性能差。 而p l c 是专门 应用于工业现场的自 动控制装置， 在系统硬件和软件上都采取了 抗干扰措施。例如光电祸合、自 诊断、多个c p u并行操作、冗余控制技术等。 当 然p l c在数据 采集， 数据处理等方面不如单片机， 但是在本课题中， 利 用监控程序实现了数据采集和数据处理，完全弥补了这一不足。总之， p l c用 于工业现场控制，稳定可靠、抗干扰能力强、 使用方便。现在的p l c还具有强 1 0 西北工业人学硕士学位论文第_ 章胶带测长打磨机控制系统的设计 大的网络通讯功能，可以通过各种通信口将数据直接传送给上位机，以实现 上 位机的数据采集和监控。 正因为p l c具有如此丰富的功能， 因此p l c控制系统 在工业企业 中得到 了广泛 的应用 。据美 国著名的商业情报 公司 f r o s t 传感器信号采用七芯带屏蔽线的电缆线输出，接线如表2 - 2 所示: 西北 c 业大学硕 七 学位论文第二v 胶带测长打磨机控制系统的设计 表2 - 2 方波输出信号接线表 wk 1 t 号 12345b7 输出 信 号 o v空 a ( 0 0 )b ( 9 0 0 ) 5 v 0 位屏蔽 导 线 颜色黑 盆尸 绿红黄金属 网 2 光栅尺的安装及带长的计算方法 如前所述，本项目中光栅尺的安装不同于其它用途的安装方式，其主尺与 张紧轮固定在一起，而其副尺与驱动轮固定在一起，这样的安装有独到之处 为测量方式及精度提供方便。 假设当副尺对定主尺的最右端一个零位( 0 号零位) 时 ， 且 从 动 轮 处 于 放 松 状态 时， 主、 从 动 轮中 心 矩为a , ， 此 值由 机 械安 装 决定 ， 为一固定值。当测量不同带长时，可通过手轮、齿轮、齿条驱动电机、驱动带 轮及光栅尺副尺移到某一大概位置，并加以固定，此时副尺的刻度对应主尺的 某两个零位中间( 光栅尺每5 0 m m即有一个零位) ， 如下图2 - 2 所示， 设为n -1 及n 个零位中间某一值。 此时通过mp t或上位p c机将零位号n 输入p l c对应 的数据区。当测长工作开始后，张紧气缸推杆退回，从动轮在祛码的作用下 将 带张紧， 此时主尺也一同移动，在运动中当光栅尺通过第n 个零位时， p l c计 数值清零，而且，当光栅尺在移动过程中，经过第一个零位时清零，再过一个 零位时零位不会再清零。 再向前运动， p l c即从零开始计数，因p l c采用增减 计数方式， 故p l c计数时， 光栅尺输出信号， 输入p l c为相位差4 倍率单相输 入:a相对应p l c输入接点为0 0 0 0 0 b相对应p l c输入接点为0 0 0 0 1 ，为计 数输入，z相对应p l c输入接点为0 0 0 0 2 ，为复位输入。 其每个脉冲对应带轮 移动0 .0 0 5 m m 。设当 从动轮处于某一位置后， 测量过程中计数器计数为k ，则 此 时 主 、 从 动 轮中 心 矩 为“ = a 。 十 n x 5 0 + 0 .0 0 5 k( 其中0 .0 0 5 k 相当 于 图 中 的 a ) ， 则 带 长为l = 2 a + l o ,几为 测 量 所 用带 轮的 有 效 周 长 ( 对v 带、 多 楔带 为 测量用标准带轮有效直径对应的周长，对同步带为带轮节圆周长) 。 西北下业大学硕士学位论文第-章 胶带测长 打磨机控制系统的设计 一 图2 - 2 由 此可以 看出，本设备中光栅尺的安装方法有以下优点: 1 . 虽然本设备可测量的带长度范围较大， 但光栅尺的移动距离有限， 从而 减小了设备的空间尺寸。 2 。 因为光栅尺有每5 0 m m有一 个零位， 所以 带张紧时， 从动轮只需最多移 动5 0 m m即可过一个零位，从而进行清零，这样可保证测量结果的精度，消除 测量过程中计数值的累积误差。而且因有多个零位，清零方便，克服了若仅有 一个零位时，若要清零，有可能使光栅尺主、副尺大范围移动的问题。 2 . 2 . 4测速传感器