（机械电子工程专业论文）机电一体化技术在高精度称重系统中的应用研究.pdf

v7 7 9 2 4 0 机电一体化技术在高精度称重系统中 的应用研究 研究生马洪斌 机械电子工程专业 指导老师王庸贵 随着科学技术的发展和社会的进步，计算数学、工程力学、机械 动力学、电子信息技术及计算机技术都得到飞速发展，极大地丰富和 发展了传统设计技术的内容，改变了固有的模式和方法，特别是设计 观念的更新，从面向制造的设计转变为面向用户的设计。作为有代表 意义的机电一体化技术，是以电子控制为主导，用微机取代常规的控 制系统，计算机参与辅助设计，大幅度简化机械结构，功能增多且可 靠性提高，操作简便，提高生产效益。机电一体化技术正在越来越多 的学科当中得到广泛应用与发展。现代计算机技术与机械设计理论的 不断发展以及高度融合，使我国称重技术的水平也不断提高。新的称 重创新设计理念，使产品更具有创新性和适用性，用机电一体化的观 点设计新的称重系统成为必然趋势。 本文针对某公司钞纸生产的需求，以机电一体化技术为核心，开 发了卷筒纸称重系统，并完成了机械系统的相应改造工作，使系统具 有结构新颖、简约自然、适用性强等特点。该系统完成硬件、软件和 机械装置的设计的同时，实现了机械设计、传感技术、微处理器技术、 网络与通讯技术、信号处理技术和自动控制与检测技术的集成。 在整体脉络上，文章从德国进口系统的失败原因分析着手，吸精 去糟，首先引出系统的可行方案，然后再进一步论述完善和创新设计。 围绕系统精度的提高，文中主要论述了机械结构设计、振动控制、传 一1 一 四川大学硐l 学位论文 感瓣的选择、信弓的放大、滤波、a d 转换、串行讽讯等内容，还对 抗二 扰殴汁和机械创新设计进褥了论述。 高精度称重系统是篁三产过程控制、质量控制与成本控制的关键环 节之一，同时也是实现牛产过程自动化、企业管理信息化、安全豫定 堂产鞠节能降耗的重要技术手段。高精度称遵系统的应用，不但提高 了生产质嚣和产爆，而且大大降低了工人的劳动强度，提赢了生产效 率，实骥了信惑亿管理。这是机电一体化技术在生产和管理系统应用 的成功范例，具有较好的扩展性与适用性。 荚建词：高精寝稼菱系统撬电一体亿技术称重传感器钒械振动 机械设计 2 - 四j i i 大学硕十学位论文 t h er e s e a r c ho nah i g h a c c u r a c ya u t o m a t i c w e i g h i n gs y s t e mw i t hm e c h a t r o n i c a it e c h n o l o g y s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：m ah o n g b i n s u p e r v i s o r ：w a n gy o n g g u i a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e p r o g e s s i o n o f s o c i e t y ，m a n yd i s c i p l i n e s b o o m ，s u c ha sc a l c u l a t i o n m a t h e m a t i c s ， e n g i n e e r i n g m e c h a n i c s ， m e c h a n i c a l d y n a m i c s ， t e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n ds oo n ，w h i c h e n r i c ht h et r a d i t i o n a lc o n t e n to fd e s i g na n dc h a n g eo l dm o d e sa n dw a y s i n t on o v e lc o n c e p t i o n s ，e s p e c i a l l yf a c i n gf r o mm a n u f a c t o r yt oc u s t o m c o m p u t e rt a k e sp a r ti nd e s i g n ，a n ds t r u c t u r ei ss i m p l i f i e di ng r e a td e g r e e ， a n dm o r ea n dm o r ef a c i l i t i e sa r ea v a i l a b l e i tb e c o m e ss i m p l et oo p e r a t e ， w h i c hp r o m o t e st h ep r o d u c e m e c h a t r o n i c a lt e c h n o l o g y ，a so n eo ft h e t y p i c a le x a m p l e s ，i sb e i n gd e v e l o p e da n du s e d i nm o r ea n dm o r e d i s c i p l i n e s t h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e mi sp r o m o t e db y m o d e r nc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm a c h i n e r yd e s i g n t h en e wd e s i g ni d e a i sd i s c u s s e d ，w h i c hg i v en o v e l t ya n dp r a c t i c a b i l i t yt op r o d u c t s u s i n go f m e c h a n o t r o n i c st e c h n o l o g yi nt h ed e s i g no ft h ea u t o m a t i cw e i g h i n g s y s t e mo fw i n d i n gp a p e rw o u l db ea ni n e v i t a b l et r e n d a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n to f am a k i n g n o t ec o r p o r a t i o na n db a s i n go n t h e d e s i g n o f m a c h i n e r y a n de l e c t r i c a l t e c h n o l o g y ，t h ea u t o m a t i c w e i g h i n gs y s t e m o fw i n d i n gp a p e ri s d e v e l o p e da n di t s s t r u c t u r ei s i n n o v a t e d i tc h a r a c t e r i z e s b y d e l i c a t e n e s s ， s i m p l i f i c a t i o n ， a n d a p p l i c a t i o n 。i ti si n t e g r a t e dw i t ht h em e c h a n i c a ld e s i g n ，t h et e c h n o l o g yo f s e n s o r ，t h es i g n a lh a n d l i n g ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，m i c r o p r o c e s s o rn e t w o r k 一3 一 四川大学硕十学位论文 a n dc o m m u n l c a t l o nt c c h n o l o g y o v e r a l l ，b e g i n n i n gw i t hl h ea n a l y s i so ft h ef a i l u r es y s t e mo fg e r m a n y ， aw a ya v a i l a b l ei sp u to u ta f t e ra b s o r b i n gt h ef o r m e rb e n e f i t ss t e pb y s t e p ，e v e r yp a r t i s d e s i g n e da n dc o m p l e t e d f o rt h em a i np u r p o s eo f i m p r o v i n gt h es y s t e m a t i cp r e c i s i o n ，t h ep a p e rd e a l sw i t ht h eo p t i o no f w e i g h t ys e n s o r ，a m p l i t i e r a n dc o n d i t i o n e ro fs i g n a l ，a d st r a n s d u c e r 、 t e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，v i b r a t i o nc o n t r o l ，a n ds t r u c t n r ed e s i g n e s p e c i a l l y ，t h ea n t i j a m m i n ga n di n n o v a t i o nd e s i g na r ei l l u m i n a t e d m o r e o v e r ，t h eh i g h a c c u r a c ya u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e mi so n eo ft h e k e ys t e p so ft h ep r o c e s sc o n t r o l ，q u a l i t yc o n t r o la n dc o s tc o n t r o li nt h e c o u r s eo ft h eb a n k n o t em a n u f a c t u r e a tt h es a m et i m e i ti st h ei m p o r t a n t t e c h n o l o g i c a lm e a n st h a tr e a l i z ep r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i o n ，b u s i n e s s a d m i n i s t r a t i o ns c i e n t i f i cp r o c e s s ，s e c u r i t yp r o d u c i n ga n ds a v i n ge n e r g y a n dr e d u c i n gt h ec o s t s t e a d i l y t h eh i g h a c c u r a c ya u t o m a t i cw e i g h i n g s y s t e mb e i n ga p p l i e dt ot h ep r o d u c t i o np r o g r e s sc a nb o t hi m p r o v e b a n k n o t e sq u a l i t ya n do u t p u ta n dg r e a t l yl i g h t e nw o r k e r s l a b o ri n t e n s i t y a n di m p r o v dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y b e c a u s ei ti sag o o de x a m p l eo f a p p l i c a t i o n ，i ts h o u l db em o r ep r a c t i c a b l ea n dp o p u l a r k e y w o r d s ：h i g h a c c u r a c ya u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e m ，m e c h a t r o n i e a i t e c h n o l o g y ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o n ，w e i g h t ys e n s o r ，m e c h a n i c a ld e s i g n 四川大学硕j 学位论文 1 绪论 1 1 课题背景与研究意义 某公司的自动化生产线称重工位上，在1 9 8 0 年引进了德国电子秤称重系统 设备。然而，自从进口安装以来，一直无法投入正常使用。加之维护不便、系 统老化等原因，称重数据严重失真，有时漂移几百公斤，严重影响着钞纸车间 的生产和管理。公司于是放弃了该套进口设备，改用地磅秤称重，由此严重制 约了整套系统生产的连续性，生产效率很低。为了满足钞票纸张生产制造及其 设备管理现代化的需要，公司拟在原有机械设备的基础上重新设计一套性能可 靠、技术先进的称重系统，实现精度在o 5 以内，具有实时在线模拟、数据显 示、数据存储、人机对话、打印、报警、保密功能和网络功能的高精度电子秤 称重系统。另外，由于新旧生产线在机械结构上有所差别，给改造升级增添了 不少难度。 关于本课题的研究意义，大致有以下几个方面： 1 1 1 便于利用计算机进行物料娄询管理 龟子称重技术是跌秘年 弋中麓开始l 蕊速才发驻起寒熬- - f q 裁兴技术，它是 鬃传感器技术、测量与控制技术、微电子技术、计算机擞术、物料输送技术和 管理技术落为一体酶综合攘术，爨套广泛敕应鬣镁域。攒套关资褥套绍，壁器 上的产品有6 0 以上需要称重计擞，同产品在流通过程中，经过厂家、运输 聱门窝甍家反复拣曩平均s 发之多，霹见魄子稳重技术在邀器各毯霆民经济孛致 意义和重要性。成用电子称重技术开发出的电子衡器及电子称重系统，魑知识 密集型秘技巧密巢型敢袁辩鼓捉滚一体化产品”。 从比较长期的生产过程来看，对于鸯询统计的工作需要快捷准确，而且能 囊实反默实际运转状况。最然利藤计算搬统计结果的优越性日见突出，那么一 个十分必要的前提就是提供可操作信息采集渠道和相应的数据库系统。我们研 究开发的赢精度拣重系统恰恰就是为了方便剥魇讨算祝邀萼亍物燃查询管理，敛 好前端准备工作。 1 12 降低劳动负荷，节省劳力，降低生产成本 将微机引入控制系统，可存贮大量数据，具有数字集中显示和处理功能， 并可以把结果打印出来。数据在屏幕上强示，大大方便了操作，减少了操作按 钮和手柄。由于采用程序控制等功能，使操作程序大为减少，操作人员也易于 培训，人为误筹相对减少，降低劳动强度，提高生产效益”。 目前，采用高精度测力传感器的重量计量系统已广泛用于各行各业，主要 产品形态是工业用秤，如配料秤、皮带秤、吊钩秤、汽车衡、轨道衡等。 仅就该公司而言，用于记录和统计物料的工作占用了大量的人力、物力， 进行机械称量工作也比较繁重，需要较多劳动力，由此带来的经济耗用更是难 以估量。那么拥有一套机电一体的先进称重系统以后，所有的查询管理只需要 在办公室的电脑前进行简单的操作就可完成，甚至只需点击几个菜单按钮就自 动完成全部工作。劳动力大大节省，简便易操作，资源节省和性能优越更是不 言而喻。 1 。3 麓毒 ：橇援设燕及控澍系统，臻襞增多 电子称重系统以电子控制为主导，机械结构大为简化，微机取代了常规的 控铡系绞，鸯鞋以诗算撬辅助设诗，功麓趱多且霹靠缝大为掇离。辍龟一钵纯菝 术除可保持原有系统的功谶外，还可赋予设备其它许多功能。将微机引入控制 系统，可磐贮如生产速率、产晶数爨、效姆聚蒙、教障骧辫等数耀，翼有数字 显示和多种信息的高度集中显示，同时能对这些数据根据实际情况进行相应处 理，荠把缝果打e 港来等。 目前，电子衡器的秤体机构越来越简单，传感器的应用，将非电量转化为 电爨，然后直接交绘二次仪表处理。铸缝鳆搬壤爨爨烈包矮刀刃、刃垫秘桎抒 等运动部件，结构复杂，维修量犬。近年来，微机在称重系统中得到了广泛应 用，它体擞小，功憩强，份揍经宣，更适予仪表敬磐化。宅饺稳重与过程控 制、称重与逻辑判断等一体化结合成为可能，使称重系统的性价比更趋优越。1 。 电子筏器大大简化了机械设备及其控制系统，为企业节省了称重成本及维护费 用。 总之，同机械攥器相比，电子辍器在技术上青了很大的发展，它具有续擒 简单、安装调试方便、称鬣便捷、显示直观等特点，并具有丰富的接口扩展功 一， 网川i 大学硕十学位论史 能，便丁实现过程自动化称重，远距离传输数据，以及与计算机联网等优点 还可实现对动态物流进行计量和控制“3 。 11 4 便于加入全厂e r p 系统，实现全厂统一化管理 卷筒纸称重管理系统是专门针对该公司称重车间开发的一套管理系统。利 用该套系统，可以减轻称重车问工人的工作量，提高称重的精度。而称蘑数据 保存更容易，查询更方便，管理更轻松，使车问的管理更趋科学化、现代化、 合理化，也为企业实现全j _ 的e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r s ep l a n n i n g ) 奠定了基础。 1 2 计算机辅助称量技术的发展现状 1 ，2 1 酞辘电一体税援本瑟国内羚整震瑶状 机电一体化技术是当代科学披术发展最为活跃的领域之一。随着计算数学、 工程力学、梳械动力学、电子藉慧技术及计算瓿技术酶飞速发震，极大辘丰富 和发展了传统设计技术的内容，改变了其固有的模式和方法，特别是设计观念 静更薪，觚萄离裁造静设请转交为蟊囱弼户静设计，大大拓宽了浚诗薅豹思维 空问，使产品更具有创新性和适用性”1 。 瑟蔫疆赛上游遮谈为梳电一舔纯技术可以分袋两大类，帮生产过程戆瓿龟 一体化和机电产品的机电一体化。机电产鼎的机电一体化是机电体化的核心， 怒生产过程税毫一俸伍黪耱蒺基戳。传统弱程电产鑫嚣上微辊控麓馨可转变为 新一1 代的产品，黼新产品较之旧产品具有功能强、性能好、精度商、体积小、 黧量轻、雯可靠、更方镬、经济效益曼萋等优点。辍电蒋纯产菇4 , n j l 童玩 具、家用电器、办公设备，大到数控机床、机器人、自动化生产线、航空航天 器，因瑟，可强谈税宅一 奉伲技拳足乎涉及虱专会酶各个方覆。其中，生产过 稷的机电体化包括产品设计、加工、装配、检验的自动化，生产过程自动化， 经藿管理鑫魂优等。莫裹缀髟式琵诗箕撩褒残钱逡系统( c r m s ，主要涉及诗算援 辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工蕊设计( c a p p ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、 c a d c a p p ic a m 集残系绫、豢蛙裁造窳统( f m s ) 等方鬣9 3 。 当传统机电产品引入电子技术、计算机技术和自动控制技术时，就彤成所 谓的毅一代辊电一季摹傀产菇。典型躯极秀一体化产品 本瑷_ 搬电技术爨深度毒 机结合，集中多种高新技术，并搬多种功能集成在一。起，在市场上具有极强的 - 3 - 旧川大学颤十学位论文 竞争能力。机电一体化是机械、微电子、控制、计算枫、信恳处理等多学科的 交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展。其主要发展方向为数 字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 高性能化一般包含高速、商精度、高效率和高可靠性。人工智能在机电一体化 技术中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是机电一体化技术 的重要应用。当前，机电一体化设备正朝着小型化、轻量化、多功能、高可靠 方向发展。2 0 世纪8 0 年代以来，国外s m l l 发展异常迅速，1 9 9 7 年电子设备平均 6 0 以上采用s m t ，同年世界电子元件片式化率达至w j 4 5 以上。科学家预言，本 世纪，微型机电一体化系统将在工业、农业、航天、军事、生物医学、航海及 家庭服务等各个领域广泛应用，它的发展将使现行的某些产业或领域发生深刻 的技术革命”。 再有，随着计算机及网络技术的迅速发展，计算机的墩用领域也在不断扩 大。许多浆程霖始手工操佟熬称重诗量役嚣，在实施其舀韵纯改造过程中，也 大鼹地采燃计算机网络技术。计算机辅助称重技术在工业控制中的应用正嘏着 掰终诧方囊发震，这一发滏方囱与凌代金潼建立全厂靛毯旗经营决策、僖惫管 理、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合自 动亿系统憨势翅吻合。把全厂瓣缀慧管理葶爨生产瀵动骞关熬信惑集藏起来，实 现决策、管理和控制各功熊的一体化，实现生产管理的全局化，最大限度的达 到撬赢生产效率静嚣豹”。 计算机辅助称攮技术作为计量科学技术的一个分支在生产和企业管理中占 鸯攀是轻羹豹 乍瘸。计量秘学技术是一f l 藩遮应羹l 子各令行、监弱科学技术。由 于肖前世界各国对此研究发展的越点和技术水平的不一，各国的计量水平也存 在较大差努。美嗣、日本、欧盟都已提出缝米援划，要求测量仪器必矮达到鳙 米级的精艘。计算机辅助称量系统的设计制造也在往高精度、高稳定性方向发 展。纵观爨际诗量科学技术教发餍，我国计量科学魏整侮承平与美国等笈达謇 家还有很大差距，计量科学技术基础性研究工作逆存在很多丞待解决的问题。 茏熊是我鬣搬入w t o 以震，蕊对与国黥接轨的巨大挑战，基裁懿承平；荟不链 满足知识经济、信息化时代和高新技术发展对计量科学的碟求，还需要大力提 高祁加快发展步伐。我国诗量科学技术的理状秘存在的问题必缎引起毫度数重 税吐 4 - 本课题研究的高精度、大重量称重系统就是集机电于一体的现代化计算机 集成系统，具有实时在线称重、校称、去皮、自动统计、查询、实时模拟、掉 电保护等功能。可广泛应用于粮食、化工、水泥、烟草、高速公路等行业场所。 对加强企业管理、提高技术水平、改进产品质量、增强企业竞争能力、解决供 需双方因计量问题带来的矛盾都具有重要作用。同时，也为提高我国计量科技 水平，加速现代化进程作出贡献。 1 2 2 从计量系统总体控制方式看技术现状 这着计算瓿技术稻徽毫子技术静发袋，称重暑中量控澍系缓静笈震经掰了天 工手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计斡机集中控制等几个阶 段5 “。 在第一阶段中，称羹计量设备庞大，各设备之间互不联系，或联系甚少， 惑堍场戆操馋久爨决定爨瑶要调整控裁嚣。一个澡俸久鼷只髭爨疆窝操 擘一令 至两个计最秤，并且手工记录称蓬的相关数据，在很大程度上产品的质髓取决 予搡l 乍员鳃熬练疆度。 在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型 他的髂囊诗量龟耱缝合仪表。惶电动缝合仪表也存在羞薅大闷爨，一是瞧噪声 的问题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路；另一个问题 波于稼蘩诗量系绕所控对象矮焚繇境逶露都缀姆熊，要求无火兹，可靠健裹， 因此，该方法影响了生产的进一步发展。 单黪槐计量系统是在大援模集成芯片技术或熟螅基娥上应运两生鲶。单片 机计量系统较之前两种计量系统，设计电路复杂程度及成本都降低了，丽可靠 黢大大蛉褥到提凑，满足了用户实用性的要求。 随着我国经济的发展，工业生产规模不断扩大，计算机技术迅猛发展，基 于s t d 总线或p c 总线的工业控制计算搬提上了日程，并且在豳淘迅速形成热 潮。主要是因为工业控制计算机可靠性高，小板结构，组成系统功能灵活，具 有小型化、模块化、组合化、标准化的特点”3 。随麓工业控制计算极的广泛应用， 綦于工控机的计壤系统也出现在工业场台。这种计量系统大多采用集中控制方 式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等 功能外，还能完成对各对象的直接控制和数据采集任务。 一s 一 呷川1 人学碗土学位论文 1 2 3 从计量系统称重方式看技术现状 目前，工业上使用的电子秤主要有动态计量与静念计量两种形式。静态计 量的特点是机构简单、安装调试方便、价格低廉( 一套几万元) 、精度较高( 可达 + 万分之几) ：其主要缺点是如果处理不当，会对大规模的计量、生产带来一点 影响1 。 近年来，随着计算祝翻称重传藩器菝术豹迅速发震，现代科学技术的相互 渗透，称重技术的发展取得t , e i 当惊人的进展。主要表现在称重测量技术由静 态测量囱动态测量、在线懑萋稀模整位方自发震。尤其是韵态数学模型静建立、 系统理论、模糊理论、人工智能、神经网络、数字滤波、振动理论、阻尼技术 等葺粤学技米在称重镢域数广泛瘟鬻，系统豹菪诊凝、舀逶敷及功懿舀缰绞瀚形 成，使称重计量向测量系统的信息处理智能化、组织化和功能自适应方向发展。 晷豁上已经取褥了动态精密溅量浆菠本突酸，稼重技术已经踌入了舞援术王蘑。 近年来电子称蓬技术和电子衡器总的靛展方向为： ( 1 ) 小型他：俸强小，蓐痰薄，矮鬣轻，帮小薄轻。 ( 2 ) 模块化：电子衡器的承载体采用模块式一体组合或者分体组合，提 高了产品匏逶怒与霹豢幢，掇嶷生产效率，降繇巷造娥本。 ( 3 ) 智能化：与电子计算机组合或者开发专用计算机，利用计算机的智 来增掇穆重照示器旋功能，使其在爨有功熊豹基础上增燕掺溪、 判断、自诊断、自适应、自组织等功能。 ( 4 ) 集成化：对于菜些电予德器可以实现承载钵与称重传感爨一髂侥。 ( 5 ) 综合性：电子称重技术与电子衡器产晶的应用不断扩大，已渗透到 一些学零 和工业鱼动他控砖l 领域。 ( 6 ) 组合散；在i l k 生产过程或者工艺流程中具有组合性，即测量范围 可以l 壬意设定；硬件够根据一定的工作条件茅n 环境傲某些调整。 在自动连续称最的、在线的称蓬装置没有开发成功之前，生产线上称霾工 作纂本都怒靠人工操作的，丽旦只能采用抽样检测的方法，这对麓效生产耱质 量控制以及确保消费者利盏等方面是完全不适应的。传统的抽检方式也不适应 现代生产线和计量法制管瑕的要求。在线祢重计量是必然的发展趋势。在食暴、 纺织、医药、化工等行业，这种巢机电子一体韵在线自动称量技术，将使生产 一6 一 四川大学破十学位论文 管理者的工作变得简捷、准确、安全和有效。 基于上述情况，根据信息处理与控制器技术、网络技术、通信技术的应用 情况，我们提出了这套在线称重系统。该系统是融合了结构优化设计技术、计 算机技术、现代传感器技术、自动控制技术、电子及信息处理技术于一体的机 电测试、汁量、控制的集成系统。因而，本论文以机电一体化的观点对该自动 计量系统予以论述，始终以计量系统精度的提高为主线，对信息处理与控制部 分的控制数学模型的建立，控制算法的确定，数据采集信号的处理以及计量精 度的分析与结构设计等方面予以重点论述。 1 3 研究内容与要求 本着提高产品质量管理水平以及节能增效的原则，形成了卷筒纸自动称重 系统的设计要求如下： ( 1 ) 称重部分要求 a ) 降低成本，节约经费，在不改变原有的机架基础上进行改造； b ) 系统性能可靠、技术先进、高精度电子计量； c ) 称重范围在0 2 2 o t ，长期稳定称量误差范围0 5 ： d ) 静态称量误差控制在2 o k g 范围内； e ) 报警功能： f ) 局域网功能。 ( 2 ) 软件功能 a ) 数握库镪禽稳重、班别、聋囊括号、喜壶号、公众用户等售悫； b ) 实时显示( 实时模拟称煎状念并擞示称重重量及操作提示) ； 具体漆褰包撼：稔重筵量( 毛重、冷震) ；称霾时阂( 年、胃、基、小时、 分秒) ；轴秆号、轴号、骥组、品种；本日累计及本月累计产量；所有的历史称 璧记录。 c ) 有数据处理，备份和恢复功能； d ) 人枧功黥，设置键口及数据查询； e ) 打印功畿，保护功能，帮助功能和保密设置； f ) 报警功能，出现漂移时，显示撮警信号及校稃提示框； g ) 髑域网界面简单，直观，友好，实用。 一7 一 四川大学碗上学位论文 1 。4 研究燕点毒b 难点 我们研究的重点主要是正确运用传感器技术，包括选择应用与靠置方式等 内容；还有精度提高、振动控制和枫械安皴方式等方面。 主要技术难点： a ) 既不改变原有机絮又灵活适用的机械改造方式； b ) 削弱或消除振动等因素对称量精度的影响； c ) 称曛系统实现实时在线采样，对数据进行锣能分析处理。 - 8 - 四川i 大学坝士学位论文 2 系统总体方案 机电一体化广品分为机械产品电子化( 取代设计) 和产品机电一体化( 融合 设计) 两种形式。机械产品电子化足指原有的机械产品采用了微电子技术之后， 其性能和功能都有了提高，甚至在结构上也产生变化。我们研究的系统就属于 机械产品电子化范围，宗旨在于提高生产效率和自动化水甲。可以十分肯定地 说，成功的总体方案，直接决定了系统的精确性、可靠性，甚至是适用性。设 计开发一整套适用而又可靠的应用系统，就是一个多角度分析、综合全面学习 借鉴、将理论准确应用于实践的物质创造过程。我们从方案确立的开始，就非 常重视对同类型产品的横向考察和对先前系统使用情况的纵向分柝，总结归纳， 吸收精华，使新系统的性能属性尽趋完美，灵活适用。以下先通过对进口系统 分析，再逐步切入系统的总体方案。 2 1 原有进口系统的结构分析 2 送箱系统静结梅禳鍪 原来德国进口的称重系统使用柱式称煎传感器，双传魑器对称布置，结构上 独立于生产线之强。 它的整体结构可以 籀 怠戈懿嚣2 一l 鼹示 的结构模型。 殳裁该系绕嚣 畜，有其机械设计的 合理性弱电器浚诗 的完备性。然而，由 予这套系统在设诗 f l l ： 邂h d 耍1 支捧毪辅最诗箍 篁鳜虱d 柱嫦蔓传感器 拂j 靠位 e e 琏量主= ， 柱式称麓传感器挂黼萋传感器 圈2 1 进口系统结构模型 过程中，机械设计与电气设计独立分开，各自为政，尽管单个部分的设计都比 较合理，剑造糖楚，但终台j 主况不剩，集成之居裁少有瑷想可畜了。仔缍分毒蓐 它的全部设计，特别是在机电结合方面，可以找到一些让我们认真思考和借鉴 改进的方露。 四川人学硕士学位论文 2 1 2 各影响因素总结分析 2 1 2 1 柱式祢重传感器方面 首先应该肯定柱式称重传感器的优点。它结构简单紧凑，体积小，重量轻， 便于安装，坚固耐用；对振动不敏感，抗振动、冲击过载能力强，其过载能力 可达2 0 0 额定载荷，而不会失去功能或损坏；弹性元件刚度较大，固有频率高， 动态响应快，有利于迷行动态测量；弹性元件几何形状简单，容易加工出精度 较高的尺寸和形位公差，从结构上使得性能波动较小；弹性元件可设计成多种 结构形式，上下端可以是双平面、一球面一平面和双球面。其中双球面结构能 实现自动定位对中，始终保持加力线与弹性元件轴线一致等“。 尽数柱式称重传感器的优点，我们就是为了找出它的不足之处。实际测量 结果表明，它的缺点是非常致命的。主要是：弹性元件的固有线性差，测量准 确度低。弹性元件上、下端均为平面时，非线性误差0 5 左右，上端为球面， 下端为平面，非线性误差1 5 左右；上、下端均为球面( 即无摩擦设计) 时， 非线性误差0 0 8 左右：弹性元件同时进行拉、压向对称循环加载时，输出灵敏 度对称性较差，其误差可达o 3 以上；无保护外壳或保护外壳设计不合理时， 弹性元件本身抗偏心载荷、横向载荷的能力很差；电阻应变计粘贴位置的准确 度，对弹性元件非线性误差影响较大。因此，对电阻应变计粘贴截面和位置的 准确度要求较高，：亡艺难度大“。 柱式称重传感器的非线性误差来源有以下五个方面： ( i ) 电桥电路的非线性误差： ( 2 ) 截面积变化引起的非线性误差； ( 3 ) 电阻应变计的非线性误差； ( 4 ) 弹性元件的非线性误差； ( 5 ) 灵敏度温度补偿电阻和标准化调整电阻带来非线性误差。 下露仅从第殴个来源，也即弹性元件麴非线蛙误差爱度所包含的三个方蕊 给以分析。 a ) 结构的非线性误菱 施匆在弹性元件上的外载荷与电阻应变计的应变值之润不呈严格的线性关 系。这是由于弹性元件在机械加工时产生尺寸和形位公差：弹性元传的球鞭与 压头、底庶与承压避之澜威承力传力机构出现的不稳定摩擦力的影响：未满足 1 0 四，i i 大学硕l 学位论文 应变区受力单一、应力均匀稳定的要求，有应力集中或安装力干扰等，在外载 荷一应变值函数中出现了非常量因子，从而引起非线性误差。 b ) 材料的非线性误差 高准确度称重传感器要求金属材料的弹性模量在额定量程内为常数。这 样才能保证弹性元件加载后，应力、应变与载荷呈较严格的线性关系。实际在 一定的应变范围内，弹性模量才比较接近常数。而温度对材料弹性模量的影响 也不能忽视。 c ) 横向载荷产生的非线性瀑篷 横向载荷产生豁菲线性，也称弹 童元件豹模两灵敏度影确。侄溅量实蔑中， 常有出现偏心载荷及横向裁荷的干扰因素，例如称重传感器与承力传力构件安 装不正确，弹往元箨与终壳豹燕彩藤，在测量过程中遗璇了貘蠢裁蔫等( 懿圈 2 - 2 所示) 。横向裁荷的存在对称鬣传感器的测量结果影响较大。比如一个鼠径 为p 豹蟊校式癸淫元件，冀高褒为4 5 d ，瞧隧 应变计粘贴在距底面1 5 d 处，若有测量载荷1 一 一 l 懿横蠢载蕊俸爰予撵洼元侍上( 一般要求穆重 _ i ；王。一广| i 基= 缫 传感器能承受5 的横向载荷) ，在应变区的贴 。l 一、1 冀处涛弓 起0 。2 3 懿陵热敷变。蓍电阻应变诗 灵敏系数的公差为2 ，可能引起最高0 3 6 的。1_ 。1 l 线性误差。 秽黧三黧嚣裟篙嚣黔z 情况瓣3 。，郎稠当予旋热5 豹搂囱载赫，稳繁转 一一 感器的输出将产生o 2 o 3 的误差。 赋上述各项非线性谈莲蜓分掇计算中容易键爨，鹭棱式弹瞧元 譬的鞭鸯线 性很差，近乎呈递减的抛物线。尽管通过优化设计弹性元件结构，合理选择热 处理工艺，采用8 棱优质电阻癍变诗对称缀矮等，馒拄式豫重传感器斡线性误 麓有所减小，但不能从根本上改变固有线性差的致命缺点。 2 1 2 2 安装结构方面 在安装结构方蕊，大致可以归结为以下几个不利方露 p u 川火学碗上学位沧文 首先，设计结构存在不合理 性。 乍为大的承重体( 支撼柱) ， 重达5 0 0 k g ，已经占据了传禧器较 大一部分线性工 乍区，使零点大 大远离真实零点的同时，一作在 更接近不稳定的特性区域。 、 第_ | ，力学结构存在失稳。 它的整体结构可毗简化为如图 2 3 所示静力学模攫。当传感器受 蠢署：j 、搿南 连接税l - 、：，荏在釜f 。o * 肛刖 寝形五； ，f 杵位置1 、 f 一_ j 、n 嘉囊融i 謦砖、。i i 冀均变形五 、。 。g 圉2 - 3 避e l 系绫鸯学缝稳分耪 | ，+ 曩= g l f = 般 l 曩= f s i n a i 五= f c o s g 擦力的影响是无法克服的。那么就必须要求轴承润滑良好、严格防锈和精密的 校正与维护，系统方套可能正常工传。缀鼹然，这转近乎“蕙刻”戆维护是不 1 2 - 22 几种葡选方案的分析与对比 通过对前面进口系统的多方面分卡i ，我们首先得出传感器安装需要努力的 方向蟊重点：传感器安装镜誊要黠近承夔点，传感嚣赣菠要再一步提毫，安装 基础要牢固不动，克服侄何固有缺陷。 2 2 1 从传感器选用只数来确定方案 2 2 1 1 安装四只传感器情况 凼为使用两只传感器存在多种弊端，所以我们首先考虑四只传感器的方案。 按照生产过程中机械结构的现有布局，要为四只传感器创造一个用于保证精度 的、必不可少的精确 待称重卷倚称霎位 承载平面，就必须彻 1 i i ? 二 i 祭口 c 三= 彳f i 底割掉止档机构，重 一 一 。一i 。 ，一l f _ 二 新建立以四个支撑 佳酆 传感器l堡壁多| 。! | 地缔； 柱为主体的称重平 支撺拄 f 撑拄 产拧壮 支撺鞋 原立#台( 如图2 - 4 所示) 。 地面i 。i 四支传感器在实 图2 4 使用四只传感器的称重平台 际应用中虚拟了个 承重平面，使纸卷的 轴心线平行该平面。使用两支传感器，容易导致卷筒纸两端高低不，或者说轴 心线不在传感器所确定的平面内。现在这样就避免了传感器因受扭转力矩而产生 的误差。但是采用四支传感器接线复杂，增加信号传输环节，成本要高一些。 这种结构虽然通用于新老系统，但是对生产线破坏很大，机械结构相对复 杂，材料成本和传感器采购成本比较高，制造周期长。因此，不宜被采用。 2 2 1 2 安装两只传感器情况 基于上述方案的诸多缺点，我们仍然继续探索应用两只传感器的方法。该 方法在结构上可以沿用老系统的止档机构，只需要增加两个支柱，甚至可以使 用与生产线上完全一样的支柱完成安装( 如图2 5 所示) 。 1 3 四川大学坝十学位论文 采用两支传感器，在使用中会有前面提到的精度问题。但经过理论和实验证 明，只要我们在安装传感器的时候，使左右两支传感器承重平面的平面度误差保 证在0 i m m 之内，就可以减少因承重传感器受力不均产生的误差，而且可以把误 差控制在要求范围内。 这种方案的优点已经 比较突出：方面节省了 成本，在一定程度上缩短 了改造周期；另。一方面也 完全能够克服原有进口系 统的安装缺陷，支撑更牢 固、承载体最小化、安装 结构更合理。但是，这个 待张重苍筒 称重位 。1 ：1 e 止档竺= 二二。： 传感器 = 三一二一。 直刊柱立 啦壕支柱 ，彳 地自 jf i l 一l l 一一 图2 5 使用两只传感器的称重结构 方法著不霹浚完全移植刭掰线上绩阕( 鑫瓣线的止疆毒踅梅慈整俸静) ，秘然需要 彻底割掉止档机构，改装到和老线完全一样方可应用。而且，不管是进口系统 还蹩这秘方案，稳没 有克服振动的影响， 鼙使麴戮考虑，毽努 然疆进一步增加很多 剿蘧或本。 基于邀一步减少 辩生产线玻藜、邀一 步节省成本和缩短生 产岗期、消赊搌魏等 干扰因素的全面考虑 原则，我l | 、】形成7 楣 待嚣蠡赣薏 慷支柱 一一一i + 称重位 止档， 。西2 。_ 吲 一一e = = = = 2 。： 一 晾点牲 地面 。1 l 一一 圈2 - 6 优化的称重机构 对优化和比较完备的方案如图2 6 所示。 关于这个方案的细节论述，正是我们f 露章节将要完戏携内容。 碌支柱 2 2 + 2 从选用数据处理核心器馋来确定方豢 根据公司提出的生产瑟求，通过对测麓传感器、微弱信号处理器及专用计 1 4 - 扯丛。腓一 叫川i 大学硕l 学位论支 算机的改造和制作，以及其他必要的技术处理后，实现精度在0 5 0 ，o o 以、内，具有 实时在线模拟、数据显示、数据存储、人机对话、打印功能、报警功能及保密 功能和网络功能。这样高精度和功能完备的电子称重系统，就离不开高精度的 核心处理器件予以保证。经过分析，提出以下两种选择方案： 方案( 图27 ) 采用两 个传感器对数据进行采集。 感器采集的数据先过模拟求 和，再进行放大、滤波和a d 转换，然后送入单片机对数 据进行处理。根据需要实现 显示、打印等功能，或者对 数据进行必要的处理后通过 r s 2 3 2 串行通讯送入上位机， 由上位机对数据进行再处 图2 7 方案一的系统框架 理，生成生产报表，实现存储等功能。 方案二( 图2 8 ) 采用两支传感器对数据进行采集，信号通过桥盒上传到二 次仪表进行模拟求和、放大、滤波和a d 转换后，直接送入工控机进行数据处 理，由工控机完成实时在线模拟显 示、打印报表等功能。 随着计算机技术的发展、计算机 芯片技术水平的提高，称重计量系统 构成的随意性不断加大。目前可以按 照各种测量、控制功能要求，构成各 图2 - 8 方案二系统框架 种类型的计量应阁系统。可以很客观地认为，这两个方案的比较，主要体现在 搜爆单片枫和使怒工业控制汁算掇鲍优缺点 i 较上： ( 一) 工业控制计算机计量系统 这转系统的计算枫部分是遭鼹计算搬系统，鄄烈眉遇罔诗爨援故扩溪糖或 扩展区，采用系统硬件横板，如a d 板、d a 丰反、1 1 0 扩展板等测、控功能板， 通用计舞飒构成一个用于完成预定测、控功能的讨量系统。 这种工业控铷计算机计量系统特点怒“： 一 5 一 鞴 哥雪 霉由土 四川人学硕士学位论文 ( 1 ) 系统采削计算机集中控制方式。在这种控制系统中，计算机不但完成 操作处理，更主要是可直接根据给定值、过程变燮和过程中其他测定值，逐过 一定的算法运算控制执行。 ( 2 ) 系统有较强的软、硬件支持。利用通剧计算机系统的软、硬件资源来 支持计量系统进行工作。 ( 3 ) 具有自开发能力。计量系统功能模板均由通用计算机的c p u 控制。 通掰汁算蒂l 具有较强的操作系统及人枫对话功能，可用来编割、调试计量系统 的应用软件。 ( 4 ) 系统的较、硬件静应蠲，鬻嚣冼鞍小。所谓静应n 配置比是指为满足 应用系统功能要求所必须的软、硬件设置与系统实际具有的软、硬件规模之比。 该魄僮愈小，系统菇本愈高，覆二次开发辩，较、硬 串翡扩震髓力较好。 ( 5 ) 出于采用集中控制方式，所有的控制回路部由螽计算机控制，当功 黪蹭多，系统确鹰时阔受羁一点影溺。对予本系绞丽言，这是完全没有阉怒静。 ( 二) 单片机计数系统 睫羞集成芯片技术静不叛提麓，蒋嗣怒高秽8 经擎片税出现瑟，用单泞辊 设计专用计算机应用系统的趋势越来越盛。单片机计量系统是一种用单片计算 巍及萁癸溺芯片椽藏弱诗鬟系统。 用单片机构成的专用计算机应用系统，具有下列特点“： ( 1 ) 该系统不具骞霆开发能力。因藏，系统瓣较、磺臀开发必须整劈