（机械制造及其自动化专业论文）铜阳极板浇铸系统控制设计及研究.pdf

t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fc o p p e ra n o d e c a s t i n gs y s t e mc o n t r o l b y h u j i n gp i n g b e ( h e n a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a nz h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ib i n g c a i a p r i l ，2 0 11 m小i川96 删5舢8 舢8iiii-y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 胡箭萍 日期：2 。f7 年6 月e l 学位论文版权使用授权书 本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，即：学 校有权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 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 胡赣薄 日期：知f 年 日期i 参，r 年 6b | e l 石月0 日 硕十学侍论文 目录 摘要i i i a b s t r a c t i v 插图索引一v i 第l 章绪论一l 1 1 引言1 1 2 课题的背景及意义3 1 3 定量浇铸的产生与发展4 1 3 1 圆盘浇铸的类型4 1 3 2 定量浇铸系统的产生与发展4 1 4 文献综述一5 1 5 本章小结6 1 6 本文研究内容7 第2 章定量浇铸系统自动化过程的控制一8 2 1 引言8 2 1 1 圆盘定量浇铸的工艺及特点一9 2 2 圆盘定量浇铸的控制系统1 0 2 2 1 定量浇铸控制系统的硬件配置1 1 2 2 2 定量浇铸控制系统的工作原理1 1 2 2 3 定量浇铸控制系统的软件设计l l 2 3 定量浇铸系统分度凸轮曲线的优化l6 2 3 1 分度凸轮曲线优化1 6 2 3 2 分度凸轮曲线优化结果l9 2 4 本章小结2 2 第3 章分度凸轮机构与步进电机的集成控制2 3 3 1 引言2 3 3 2 步进电机2 4 3 2 1 步进电机的控制方式2 4 3 2 1 步进电机的特点2 5 3 3 凸轮机构的运动规律2 6 3 3 1 优化凸轮曲线算法2 6 3 4 集成控制系统运动的控制2 7 3 4 1 集成控制系统运动的控制函数2 7 3 4 2 可控凸轮机构的运动控制理论2 8 铜f j 1 极板浇铸系统控制设计及研究 3 5 可控凸轮机构的运动学和动力学分析2 8 3 5 1 运动学分析2 8 3 5 2 动力学分析2 9 3 5 2 算法举例3l 3 6 本章小结3 2 第4 章电子凸轮系统的设计3 3 4 1 弓l 一言3 3 4 2 电子凸轮系统的设计3 4 4 2 1 电子凸轮的定义3 4 4 2 2 电子凸轮控制器硬件没计3 5 4 2 3 电子凸轮系统软件的设计3 5 4 3 电子凸轮系统的执行机构3 9 4 3 1 步进电机的选型3 9 4 3 2 步进电机电脉冲频率的计算4 0 4 4 电子凸轮系统的优点41 4 s 本章小结4 2 第5 章集成控制系统的测试4 3 5 1 分度凸轮机构动态分度精度测试系统实验4 3 5 1 1 测试系统组成4 3 5 1 2 动态分度精度检测原理4 4 5 1 3 检测过程及结果分析4 6 5 2 电子凸轮测试系统4 7 5 2 1 搭建系统实验平台4 7 5 2 2 测试实验原理4 7 5 2 3 测试实验过程4 8 5 2 4 实验结果及分析4 8 5 3 本章小结5 0 结论与展望5l 6 1 全文工作总结5l 6 2 展望51 参考文献5 2 致谢5 5 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 6 硕十学位论文 摘要 现代自动机械对速度和分度精度的要求越来越高，目前国内外在研究凸轮机 构各种参数和运动特性方面已作了大量的研究工作。 本论文以铜阳极板定量浇铸系统为对象，开发研究了以分度凸轮与步进电机 的集成控制系统，以实现定量浇铸系统的工业自动化，提高生产效率。 首先研究了定量浇铸系统的工艺流程和控制原理，从硬件的配备和软件的设 计两个方面建立了定量浇铸的控制系统。在此基础上，提出了分度凸轮曲线优化 的方法和算法。阐述了步进电机的控制方法和凸轮机构的运动规律，以分度凸轮 和步进电机的集成控制系统为对象，建立了集成控制系统的控制函数方程，并且 从运动学和动力学角度对所建立的可控凸轮系统进行了分析，同时给出算法举例。 其次，在以上工作的基础上，阐述了电子凸轮的定义。尝试建立了电子凸轮 的硬件和软件部分，并阐述了电子凸轮系统执行机构的选型方法；提出了步进电 机电脉冲频率的算法公式。 最后，根据分度凸轮机构的动态分度精度检测原理，建立了动态分度精度误 差的实验装置，并对分度装置输出轴转角的数学期望进行研究。通过对实验结果 的分析，得出输出轴转角的均方差值在一定程度上反映了分度传动系统的动力学 特性的结论，为保障分度凸轮机构的分度精度和定位精度提供了实验依据；同时， 以电子凸轮系统为测试对象，搭建实验平台和建立试验系统的实验原理，对输出 曲线产生的加速度响应信号进行测试，并对测试得到的数据进行数值积分，得到 速度响应曲线。将实验所得到的运动曲线与理论运动曲线相比较，验证了电子凸 轮系统具有良好的柔性和运动输出特性。实验为分度装置的分度精度和可控性提 供了理论依据。 关键词：定量浇铸；分度凸轮机构；电子凸轮；步进电机 i ! i 铜i j l l 极板浇铸系统控制设计及研究 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h e rd e m a n d so fs p e e da n da c c u r a c yf o ra u t o m a t i cm e c h a n i s m ，al a r g e n u m b e rp a r a m e t e r sa n dk i n e m a t i c si s s u e sh a v eb e e np a i dm u c hm o r ea t t e n t i o ni nt h e f i e l do fi n d e x i n gc a mr e s e a r c ho u t s i d ea n da th o m e t h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t sc o p p e ra n o d ec a s t i n gs y s t e ma si t sr e s e a r c ho b j e c t ， d e v e l o p e db yt h ei n d e x i n gc a m a n di n t e g r a t e ds t e p p e rm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，i no r d e r t oa c h i e v e q u a n t i t a t i v ec a s t i n gs y s t e m o fi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n di m p r o v e p r o d u c t i v i t y f i r s t ，r e s e a r c h e dt h eq u a n t i t a t i v ec a s t i n gp r o c e s sa n di t ss y s t e mc o n t r o lt h e o r y ， f r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t w o a s p e c t sd e s i g n e d t h ee s t a b l i s h m e n to f q u a n t i t a t i v ec a s t i n gc o n t r o ls y s t e m o nt h i sb a s i s ，t h ep r o p o s e di n d e x i n gc a m c u r v e o p t i m i z a t i o nm e t h o d sa n da l g o r i t h m s e x p a t i a t e ds t e p p e rm o t o rc o n t r o lm e t h o da n d t h em o v e m e n to fc a mm e c h a n i s mt oi n d e x i n gc a ma n di n t e g r a t e ds t e p p e rm o t o r c o n t r o ls y s t e mf o rt h eo b j e c t ，t h ee s t a b l i s h m e n to f a ni n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m c o n t r o lf u n c t i o ne q u a t i o n a tt h em o m e n t ，t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so f t h ec a mc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e da n da l g o r i t h mi sg i v e ne x a m p l e s s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so ft h ea b o v ew o r k ，e x p l a i n e dt h ed e f i n i t i o no fe l e c t r o n i c c a m a t t e m p tt oc r e a t ea ne l e c t r o n i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a mp a r ta n de x p a t i a t e d t h ee l e c t r o n i cc a ms y s t e ms e l e c t i o nm e t h o df o rt h ee x e c u t i n ga g e n c y ；p r o p o s e dt h e a l g o r i t h mf o r m u l ao fs t e p p e rm o t o r se l e c t r i c a li m p u l s ef r e q u e n c y f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ei n d e x i n g c a mm e c h a n i s mo ft h ed y n a m i ci n d e x i n g a c c u r a c yo fd e t e c t i o np r i n c i p l e ，t o e s t a b l i s h e dt h ee x p e r i m e n t a ls e t u po fd y n a m i c i n d e x i n ga c c u r a c ye r r o r ，a n dr e s e a r c h e dt h em a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o no ft h ei n d e x i n g d e v i c eo u t p u ts h a f ta n g l eo fr o t a t i o n t h r o u g ha n a l y z i n go ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， c o n c l u d e dt h a tt h eo u t p u ts h a f ta n g l eo fr o t a t i o no ft h em e a ns q u a r ed e v i a t i o nt os o m e e x t e n tr e f l e c t e dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d e x i n gd r i v e ns y s t e m s f o rp r o t e c t e d t h ei n d e x i n ga c c u r a c ya n dp r e c i s i o no fi n d e x i n gc a md e v i c ep r o v i d e sae x p e r i m e n t a l d a t a ：a tt h es a m et i m e ，t h ee l e c t r o n i c c a ms y s t e ma si t st e s t o b j e c t ，b u i l tt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n dt h ee s t a b l i s h e dt h ee x p e r i m e n tp r i n c i p l eo f t h ee x p e r i m e n t s y s t e m ，t e s tt h ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s es i g n a lo fo u t p u tc u r v e ，a n di n t e g r a t e dt h e t e s t d a t e c a l c u l a t e dt h ev e l o c i t yr e s p o n s ec u r v e c o m p a r e d w i t ht h em o t i o nc u r v e o b t a i n e db ye x p e r i m e n ta n dt h et h e o r ym o t i o nc u r v e ，v e r i f i e dt h eo u t p u to ft h e i v 硕十学何论文 e l e c t r o n i cc a ms y s t e mh a sg o o df l e x i b i l i t ya n dm o v e m e n to u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t a lp r o v i d e d at h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e i n d e x i n ga c c u r a c y a n d c o n t r o l l a b i l i t yo ft h ei n d e x i n gs y s t e m k e yw o r d s ：q u a n t i t a t i v ec a s t i n g ，i n d e x i n gc a m ，e l e c t r o n i cc a m ，s t e p p e rm o t o r v 铜刚极板浇铸系统控制设计及研究 插图索引 图1 1高速分度凸轮机构2 图2 1m 1 6 双圆盘浇铸机的控制系统一9 图2 2定量浇铸系统的流程图1 0 图2 3圆盘运行速度曲线图l l 图2 4定量浇铸控制系统框图1 2 图2 5系统主要部分的p l c 梯形图1 3 图2 6自动定量浇铸装置的逻辑控制图1 6 图3 1步进电机的控制方式2 4 图3 2单片机控制步迸电机控制系统图2 5 图3 3系统动力学模型3 0 图4 1电子凸轮机构的系统框图3 4 图4 2系统原理硬件原理框图3 5 图4 3电子凸轮的控制程序结构图3 6 图4 4单片机的控制主程序框图3 7 图4 5运算程序流程图3 8 图5 1动态分度精度检测装冒组成图4 3 图5 2 动态分度精度的检测原理图4 5 图5 3测试系统的结构和原理示意图4 8 图5 4参数的输入窗口4 9 图5 5m s 运动曲线4 9 图5 6m t 运动曲线5 0 图5 7m c v 运动曲线5 0 v i 硕+ 学侮论文 第1 章绪论 1 1 引言 在现代化自动生产线中，采用分度机构来实现周期性的转位和步进分度动作， 来满足工艺流程的要求。分度凸轮机构具有良好的运动特性、较高的重复精度、 运动平稳等优良特性，而被广泛的应用于各种自动化成套设备中。 随着生产节拍的加快和高精度分度的需要，传统机构已经不能很好地满足实 际生产需求。近些年来，随着计算机技术和数控技术的发展，复杂的精密凸轮机 构的设计与制造成为现实，并且凸轮机构具有结构紧凑、运动规律可控等优点， 使得间歇分度凸轮机构在自动生产线一l 越来越多地被采用，间歇分度凸轮机构己 成为间歇运动机构的发展方向。在各种自动机构如自动包装机、自动成型机、印 刷机械、自动化仪表以及大量将主动件等速度运动转变为从动件的问歇运动等方 面，间歇分度凸轮机构得到了广泛应用。 凸轮式分度凸轮机构属于高副间歇机构，主动件凸轮连续回转，驱动带有均 布滚子的分度盘，完成分度段的运动即定位段的准确定位。这种分度凸轮机构把 凸轮的连续运动转化为分度盘的间歇运动，使分度盘按照提前设计的运动规律传 动，以实现特定运动曲线的输出。 首先，凸轮廓面同滚子廓面为共扼曲面，分度盘的运动状态主要决定于凸轮 廓面形状，因此通过改变或修复凸轮廓面，达到提高动态性能的目的。其次，分 度精度作为分度机构的重要指标，在很大程度上决定于分度盘滚子的轴向分度精 度，提高机构精度方面高精度分度制造已是一种十分成熟的技术，是可以实现的。 第三，凸轮式分度机构在承载能力、动态性能、定位准确度等方面，具有明显的 优势，凸轮机构作为一类特殊的传动机构，倍受人们的关注和研究者的研究，现 被广泛应用于纺织机械、轻工机械、包装机械、冶金机械和印刷机械等各种自动 化设备中。 高速间歇分度机构与传统分度机构相比有着明显的优点： 1 结构简单、紧凑； 2 传递转矩大； 3 分度精度高； 4 较宽的动静比选择范围； 5 传动平稳，适于高速分度； 6 产品标准化、系列化。 铜阿1 极板浇铸系统控制设计及研究 高速分度凸轮机构按结构形式分主要有以下三种类型，如图1 1 ： ( a ) 平行分度凸轮机构( b ) 圆柱分度凸轮机构( c ) 弧面分度凸轮机构 图1 1高速分度凸轮机构 f i g1 1h i g h - s p e e di n d e x i n gc a mm e c h a n i s m 1 平行分度凸轮机构的结构是由一个分层装着多个从动滚子的从动盘，与两 片或三片平面共轭凸轮相啮合，从而实现间歇运动的共轭凸轮机构。平行分度凸 轮的优越性如下所述： a 分度范围大。从理论上讲，该分度凸轮机构每一工作循环的分度次数可为 l o 到9 0 。，尤其是当分度次数小于3 。时，具有其它f u j 歇运动机构难以相比 的优越性； b 结构简单凸轮易于加工，与其它分度凸轮机构相比，制造成本低； c 从动件运动规律可根据需要选择； d 机构调整方便，可加预载消除接触i n j 隙； e 输入轴与输出轴相互平行，可作为取代槽轮机构的理想机构。 2 圆柱分度凸轮机构，从动滚轮与从动盘端面垂直安装。输入轴与输出轴成 直角空间交错。与平行、弧面分度凸轮机构相比，圆柱分度凸轮加工容易些，但 是因为传动问隙难以消除，高速性和精密性不好。由于该机构目前应用场合和产 量比其他类型的分度凸轮机构多，常见用于在卷烟，火柴包装机械等中、低速、 轻载的自动机械中。圆柱分度凸轮的优越性如下所述： a 分度精度高可达3 0 。； b 设计上限制较少，可以方便地实现各种运动规律； c 分度范围大，适应范围广。尤其是分度数较多时，该机构的的优点愈明显， 因此，分度数多的场合，它的使用较其它f u j 歇运动机构多； d 机构结构简单、紧凑、刚性好、承载能力高，用于大扭矩的问歇运动场合； e 制造成本低在空问分度凸轮机构中，它的凸轮制造成本最低。 3 弧面分度凸轮机构，特点是开设输出轴通孔、径向深度小、和设计范围广。 该机构的结构由安装在从动轮圆周外径方向的滚子从动件和弧面凸轮组成。分度 2 硕f ：学位论文 盘是间歇的非等速运动，滚子均布在分度盘上，输入轴和输出轴成直角交错。弧 面分度凸轮机构能够被广泛应用于要求高速，高精度的分度转位如高速冲床，多 彩印刷机，包装机等机械中，是因为该机构运转平稳，噪音和振动很小，定位精 度高，在高转速下承受较大的载荷，若分度数超过2 4 ，预紧易卡死，该机构优势 变得不明显。弧面分度凸轮的优越性如下所述： a 分度精度高，精度可达1 5 + 3 0 ； b 设计限制少，分度范围宽。在小分度数时，比圆柱分度凸轮机构显示明显 的优越性； c 该机构中心距可作微调，使得该机构可获得较好的动力特性和运动特性， 运转平稳； d 结构简单，刚性好，承载能力在间歇分度凸轮机构中最大； 1 2 课题的背景及意义 铜阳极板浇铸设备是铜冶炼生产中的关键设备之一，实现浇铸作业的自动控 制对于提高生产效率、保证安全、稳定、连续、可靠地生产具有极为重要的意 义。目前国内外一些先进的铜冶炼厂，应用现代微机控制技术，实现了铜阳极板 的定量浇铸和浇铸作业的全自动化；而我国多数厂家目前仍然是落后的手工操作 方式，已不能适应现代化生产的要求。 粗铜在经过火法精炼后浇铸出的铜板，要求具有合格的化学品位和物理规格， 以便后续的电解工序提供根本的基础保证。现在很多熔炼厂任然采用原始的人工 直线浇铸，每道工序都是人工操作，劳动强度大，工作环境差，劳动效率低，浇 铸出的阳极板其质量也难以保证。本文对生产工艺和旧的设备进行技术改造，设 计了自动定量浇铸系统，该系统采用工控机和pl c 等较先进的自动化技术。由于 p l c 集顺序控制与过程控制于一体，安全可靠性高，维护性好，抗干扰能力强， 对环境的要求低，而且又具有简单易学的梯形图编程语言其丰富的软件节点能实 现电磁继电器不能实现的控制功能，其丰富的软件节点能实现电磁继电器不能实 现的控制功能。因此，在该控制系统设计时采用了p l c 可编程控制器，取代了传 统的继电器控制1 - 41 。 本文以铜阳极板定量浇注系统为研究对象进行理论和实验研究，建立了分度 凸轮机构与步进电机的集成控制系统，并且建立了可控凸轮机构的运动控制函数 方程。采用单片机控制步进电机作为可控凸轮的执行机构，并根据步进电机的控 制方式，建立了凸轮机构与步进电机的控制系统集成设计理论的基本框架，使电 子凸轮系统应用到分度机构中，以实现定量浇铸系统的工业自动化，提高生产效 率。 铜阿i 极板浇铸系统控制设计及研究 1 3 定量浇铸的产生与发展 1 3 1 圆盘浇铸的类型 圆盘浇铸有两种类型：自动控制和手动控制晦1 。人工控制是由操作者控制浇 铸包的倾动机构，块重波动较大，凭借经验很难掌握阳极的厚度，块重波动较大。 主要依靠人工操作的传统固定式精炼环保效果差、劳动强度大、易跑铜、难控制 等缺点现在这种设备逐步被炉体密闭易操作、机械化程度高的回转式阳极炉所替 代。由于转炉的大型化必然使阳极炉和浇铸机也趋向于大型化，云铜的阳极炉为 3 5 0 t ，贵溪冶炼厂二期从国外引进的阳极炉已达3 5 0 t ，金隆的阳极炉为3 0 0 t 。 1 3 2 定量浇铸系统的产生与发展 随着近年来铸造生产中高速造型线的推广使用，铸型输送机的速度明显提高， 传统的手动定量和浇铸的方法严重的制约了定量浇铸系统所在车间的自动化水平 而且，操作者的技术水平直接影响了铸件的质量，所以，当前定量浇铸精度和系 统设备的自动化水平的提高是当前冶金行业亟待解决的重要问题。 近十年间，我国国内在学习国外先进技术的基础上，成功研制生产了，在耗 电量和温度控制方面由于国外同类产品的气压式电炉和带短线圈感应器的塞杆式 底铸电炉等熔炼设备。 但是从全国的范围来看，我国定量浇铸的主要手段还是靠人工浇铸或半自动 浇铸装置，浇铸精度靠工人的熟练程度来保证。全自动定量浇铸设备则仍处于实 验室研究阶段，成套设备大多依靠进口。从国内外定量浇铸的发展水平来看，我 国定量浇铸方面的研究已经落后于国外先进水平，因此加快自动化定量浇铸设备 的研制和推广，提高定量浇铸精度是我国科技工作者急需解决的技术难题。 国外对自动化定量浇铸的研究起步较早，在前苏联，研制和实验了各种样机， 用于黑色金属的浇铸与定量。对于有色金属，成批生产了气动式和磁动力式定量 浇铸装置；瑞士的b b c 公司和a s e a 公司致力于气压式定量浇铸炉的研究，浇铸精度 可达1 2 5 ；r 本的三菱电机公司、富士电机株式会社等公司也积极展丌这方面 的研究工作，浇铸精度达到3 ，基本上也能满足自动化的要求，美国、德国也 己将自动化定量浇铸设备投入实际生产。长期以来，铜水的定量浇铸技术被以奥 托昆普为代表的外国公司垄断。 我国贵冶和金隆公司相继引进了该项技术( 芬兰专利) ，效果极佳。但引进此 技术的费用昂贵，国内诸多中小型企业无法承受。因此，研制、开发功能价格比 高的困产化自动定量浇铸技术具有十分重要的意义。虽然目前国内对圆盘定量浇 铸系统的丌发技术以及基本掌握，但与因际先进水平比较还有很大差距。为了提 高我国铜冶炼行业的自动化水平，对圆盘定量浇铸系统的研究意义深远。 4 硕 ：学何论文 1 4 文献综述 随着科学技术的发展，人们对生产机械的要求越来越高，使得生产机械继续 向着自动化的方向发展，自动化机械在机械产品中的地位逐渐提高。为了满足工 艺的要求，在各行各业广泛使用的自动化机械中，在很多情况下需要机器或执行 部件作分度运动，以进行加工、换位、分度、进给、换向等一系列的工艺规范的 操作。 近三十年来，对凸轮分度机构的研究由运动学、几何特性分析向动力学方向 神话，在结构设计和机构创新方面有很多研究。有关分度凸轮机构创新设计的文 献分为两大类，一类是新型机构：采用全新的结构设计，设计出现有分度机构以 外的新机型；另一类是结构改进：在现有分度机构的基础上进行的结构调试和改 造。 随着控制技术的发展，在机械凸轮机构中，采用的动力源有步进电机和伺服 电机，依此实现凸轮机构的输出特性参数的可控性。使用者为了改善机构的动力 学和运动学特性，可以根据所期望的输出运动特性来控制凸轮机构的输入参数， 例如可以改变凸轮机构的速度或加速度响应曲线。而且在一些场合可直接用伺服 电机或步进电机输出凸轮机构的运动规律，转化为步进电机与凸轮机构的集成控 制系统。 在凸轮机构的变速输入研究方面，台湾学者颜鸿森等用微机控制的直流伺服 电机驱动凸轮作变速运动来改变从动件的运动学特性( 昏l ；用微机控制的直流伺 服马达驱动w a t t t y p e 压力机，为了满足压力加工工艺的要求和改善了机械系统的 运动特性，通过调节滑块的输出运动来达到优化伺服电机的运动规律的目的。姚 燕安和颜鸿森。2j 等研制了盘形凸轮机构的主动控制系统，其主动控制系统山微 机控制的伺服电机作为凸轮机构的原动件，通过伺服电机的控制改变凸轮转速的 变化，得到具有期望的运动学特性和动态特性的凸轮机构的输出运动，同时在机 构的振动控制与运动控制方面，取得了一定的实验结果。另外，p l a n 和c h e w 通 过仿真研究发现，伺服电机控制的凸轮变速运动，既显著地降低从动件的残余振 动，也改变了从动件的运动学特性。颜鸿森【l3 】等从几何学的角度对采用圆柱滚子 的弧面分度凸轮进行了深入的研究和探讨，分析了凸轮廓面不根切合轮廓曲面的 奇点，并将此理论用于加工生产过程。t m t s a y l l 4 l 等也对弧面分度凸轮的集合设 计问题进行了研究。此后w h w a n g 等推到了采用圆柱面，圆锥面和旋转双曲面 等不同形状滚子的图轮廓面的集合设计方法。陶学恒【l5 】在分度凸轮机构与涡轮 蜗杆传动技术融合的基础上，设计出一种新型的包络蜗杆式分度机构。王其超i l 6 j 等构思了并研制了球面包络分度凸轮机构的实体模型，主要思想是基于传统弧面 分度凸轮机构和平面、柱面包络分度凸轮机构的综合。 铜研i 极扳浇铸系统控制设计及研究 2 0 世纪5 0 年代中后期，电子凸轮的研究出现。研究者提出采用控制系统来 代替凸轮机构【1 7 】，因为在需要柔性生产的场合，数字控制系统比凸轮机构具更加 显著的可调节性。假如，在驱动分度工作台时，用传统的凸轮分度机构改变分度 角是不能实现的，而利用伺服马达控制的电子凸轮，只用改变控制软件就可以实 现。国外学者以电子凸轮为研究对象做了大量工作。其中，l e s i l el a n g n u l l 8 j 9 l 简 要的论述了电子凸轮的运动控制，并且给出了电子凸轮在传送控制上的优点，同 时给出了电子凸轮可以根据传送的距离要求自动编程，精确实现，并且电子凸轮 为了改善分度机构的运动特性可以通过确定最适合的曲线来实现传送过程中的速 度运动曲线改变。同时文献【2 0 l 也论述了电子齿轮与电子凸轮之间的关系，以及应 用场合。m i k ew o e l f e l 2 1 l 以电子凸轮在包装切纸机上的一个应用实例，通过研究 分析机械凸轮所带来的加速度和速度方面的冲击，证明了电子凸轮所具有的优越 性。m a k i n o l 2 2 1 为提高了机械手臂的速度和柔性，构思用智能凸轮来控制机器人的 机械手臂。 美国、德国、同本的一些公司已经生产出了一些型号的电子凸轮控制器，德 国伦茨( l e n z e ) 公司生产的9 3 0 0 凸轮型伺服控制器( e v s 9 3 0 一e k ) ，能快速的改变 加工工艺和实现复杂轮廓曲线的加工。在国内可控凸轮机构的研究和应用从目前 来看仅仅处于初级阶段，目前现有的文献只是对于电子凸轮这一概念，做出一般 性的表述，在电子凸轮的设计及实际应用研究方面目前还没有深入具体的论述。 对于电子凸轮的归类和优点的论述方面李瑞琴、邹慧君在文献【23 j 中做了总 结。文献【2 4 j 提出虚拟凸轮机构这一概念并对其概念做出了一般表述，以及应用前 景的展望。虚拟式仪器作为仪器领域中最新兴的技术，在国内的研究和应用迅速 发展。自l9 9 0 年开始，国内的工科类重点大学以及电子科技大学等院校和所属于 院校的的高科技公司，在引进消化美国的n i 国家仪器公司和美国电子工业企业 世界i t 巨头的惠普公司的产品，做了大量的有益的工作，同时在研究和开发虚拟 仪器产品和设计平台方面取得了一批瞩目的成果。虚拟式仪器将成为电测仪器的 主要发展方向1 2 5 - 3 0 1 ，它的出现引起很多学者的关注和研究，面对虚拟技术的新的 挑战，将颠覆人们对传统仪器在概念、模式和结构方面的认识。 1 5 本章小结 本章先介绍了本课题的来源、目的、意义。对于采用较落后生产设备的铜阳 极板浇铸系统，本文将采用较先进的分度凸轮机构与步进电机相结合集成控制系 统，实现定量浇铸过程中的圆盘浇铸机的分度机构采用步进电机作为动力源，使 得分度凸轮机构具有可控性，使用者可以根据苏期望的输出运动特性来控制分度 凸轮机构的输入，从而显著改善分度机构的运动学和动力学的特性。通过可控凸 轮机构控制输入运动得到所期望的输出运动曲线，从而实现多种运动规律，既满 6 硕十学位论文 足市场对产品多样化的需要，又可以提高生产效率，减低成本，有效改善工人的 工作环境。 1 6 本文研究内容 针对国内外对铜阳极板定量浇铸系统自动化的研究现状，本文拟以定量浇铸 系统的自动化实现的过程；以及为了提高分度凸轮机构的分度精度和定位精度， 改善工人的劳动环境、提高生产效率，而对分度凸轮机构所做的研究。具体的研 究内容如下： ( 1 ) 通过国内外对定量浇铸系统的研究结果的分析，引出我国的定量浇铸系统 的自动化水平仍然不高，对此本文拟建立一个以可编程控制器为依托的铜阳极板 定量浇铸的自动化系统，并编写p l c 程序。 ( 2 ) 在对步进电机与分度凸轮机构研究的基础上，建立分度凸轮机构与步进电 机的集成控制系统。 ( 3 ) 为了提高分度凸轮受到电机自身性能的因素对输出轴输出的运动曲线造 成的误差影响，建立电子凸轮系统。 ( 4 ) 对分度凸轮与步进电机组成的可控凸轮机构的分度精度和电子凸轮输出 的运动曲线进行试验台的搭建、测试，以及实验结果的分析。 ( 5 ) 对全文工作进行总结，并在所做的研究内容的基础上提出展望。 7 铜阳极板浇铸系统控制设计及研究 第2 章定量浇铸系统自动化过程的控制 2 1 引言 在铜冶炼的生产过程中，根据工艺设计的需要，粗铜需要熔炼成熔融状态的 铜水，然后经过定量浇铸系统，浇铸成符合电解要求的铜板，然后将这些铜板电 解，从而得到高纯度的电解铜即阴极铜。所以，生产出符合电解要求的阳极铜板， 是铜冶炼过程中的重要环节。传统的铜冶炼厂由于资金和技术的制约通常仅靠人 工手动的浇铸铜板，但是由于手工浇铸出来的铜板容易受到很多外界因素的制约， 生产效率和铜板质量都很低，在很大程度上影响了铜冶炼技术的发展和产品质量 的提高。长期以来，铜水的定量浇铸技术被以奥特昆普为代表的外国公司垄断。 近年来，由于国内铜冶炼技术的发展，和引进吸收国外的先进技术，我国已经掌 握并自主丌发的圆盘定量浇铸系统投入生产，打破了长期以来以奥特昆普为代表 的铜的定量浇铸技术被外国公司所垄断的局面；挺高了生产率和产品质量，大大 满足了我国工业对铜冶炼技术发展的需求。加大对铜圆盘定量浇铸系统的研究学 习，将会提升我国的工业发展速度和铜冶炼行业的发展和进步。 近几十年来，各国铸造业致力于自动化和半自动化浇铸装置的研制工作，并 陆续在生产规模上得到了应用。自动化定量浇铸系统的研究，国外起步较早，最 先的是前苏联，研制和实验了各种样机，为黑色金属的定量浇铸研制了样机，并 做了大量实验；关于冶炼有色金属，磁动式和气动力式定量浇铸装置应运而生， 后来并批量生产；浇注精度可达1 2 5 的气压式定量浇铸炉的研究是瑞士的b b c 公司和a s e a 公司研制成功；积极展开这方面的研究工作的还有同本三菱和富士 电机株式会社等公司，可以使浇铸精度达到3 ，基本上满足了生产自动化的要 求；此外美国和德国也消化吸收了铜冶炼的定量浇铸系统的自动化设备，并投入 到实际生产中去。 我国近十年来科技工作者借鉴和吸收国外先进的定量浇铸技术，研究铜冶炼 过程中的影响因素，其中主要针对熔炼炉进行了改进，成功研制了5 丁气压式浇注 电炉和带短线圈感应器的塞杆式底注电炉。虽然在研发新产品方面缺的了一定的 进步，但是从全国的整体水平来看，我国的大多数铜冶炼企业仍然是靠人工手动 和半自动化浇铸设备生产待电解的铜板，浇铸的质量和精度很大程度上依赖工人 的熟练程度，不确定因素太多；定量浇铸系统的自动化仍然处于实验研究阶段， 并未投入到生产中去，成套的自动化设备主要依赖进口。 因此开发出智能化和高度自动化的定量浇铸系统，改善现存铜冶炼厂工人艰 硕十学何论文 苦的工作岗位和较差的劳动环境，在自动化生产线上使用机器人和浇铸机械手来 代替人工，采用计算机在线控制的熔炼炉控制路温和熔炼炉的倾斜角度，精确稳 定的控制炉温和测试浓度成分的精确而又节约成本的在线观测手段，保证实时， 精确地检测信息并迅速作出反馈的智能化生产系统，对我国的铜冶炼行业意义重 大。 2 1 1 圆盘定量浇铸的工艺及特点 工业上使用的电解铜( 含铜9 9 9 9 9 9 5 ) 是重要的工业级原料，本文研究的 双圆盘定量浇铸系统通过p l c 技术、现场组态技术以及现场自动化仪表的应用。 该定量浇铸系统具有高精度高效率的特点，操作方便，省人省力实现自动化生产。 工控机操作台 水 槽 传 动 系 统 提 取 机 系 统 压 模 及 废 模 处 理 装 置 p l c 图2 1m 1 6 双圆盘浇铸机的控制系统 f i g2 1p r i n c i p a ld i a g r a mo fp l cr o u n ds c a n n i n g 9 定量称量及浇铸系统 喷淋冷却系统 自动喷涂系统 圆盘传动系统 铜阿i 极板浇铸系统控制设计及研究 定量浇铸系统的结构由圆盘及其驱动系统、定量浇铸装置