基于单片机控制的牙轮自动加工系统的设计

第1 4 卷增刊1 2 0 0 9 年4 月 哈尔滨理工大学学报 J O 切脯A LO FH A R B I NU N I V E R S n YO FS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y V o L l 4S u p p l 1 A p r 2 0 0 9 基于单片机控制的牙轮自动加工系统的设计 李柏1 吴玉彬1 曹务勋2 吴荷生3 张隆海4 安雪松5 1 哈尔滨理工大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨1 5 0 0 4 0 2 山东莱芜钢铁股份有限公司特殊钢厂 山东莱芜2 7 11 0 5 3 哈尔滨科德威冶金新材料有限责任公司 黑龙江哈尔滨1 5 0 0 4 0 4 西宁特殊钢 集团有限公司 广西西宁8 1 0 0 0 0 5 通化钢铁集团有限公司炼轧厂 山东通化1 3 4 0 0 3 摘要 针对牙轮人工加工效率低 加工过程重复性大等问题 设计了一套基于M C S 5 1 系列 单片机控制的牙轮自动加工系统 介绍采用M c s 5 1 单片机的微控器的硬件结构 工作原理及软件 设计 最后给出了主要程序流程图 系统具有人机交流界面 数据掉电保护 加工完成报警功能 可 以自动完成全部牙轮的加工过程 经过实际生产的检验 系统的牙轮分度精确度可以达到0 0 0 1 生产效率提高了3 倍 关键词 单片机 控制器 牙轮加工 掉电保护 中图分类号 仍6文献标识码 A文章编号 1 0 0 7 2 6 8 3 2 0 0 9 增刊l 一0 0 0 8 0 3 D e s i g no fA u t o m a t i cP r o c e s s i n gS y s t e mf o rD e n sW h e e lB a s e do nM C U L B a i l 聊拖 b i n l C A OW u x u n 2 W UH e s h e n 9 3 Z H A N GL o n g h a S A NX u e J o n 9 5 1 S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n c e f i n g H a r b i nU n i v e m i t yd S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y H a r b i n1 5 0 0 4 0 C h i n a 2 删S t e e lC o z 删i o S p e c i a lS t e e l L a i w u2 7 11 0 5 C h i n a 3 H a r b i nC o r e d w i r eN e wM e t a l l u r g y M t c r i 山C o r p o r a t i o n H a r b i n1 5 0 0 7 8 C h i n a 4 X i n i n gS p c c i I lS t e e l X i n i n g8 1 0 0 0 0 C h i n a 5 T o n g h u aI r o nS t e e la n dC 刚pR e f i n i n ga n dS t e e lR o l l i n g T o n g h u a1 3 4 0 0 3 C h i 睢 A b s t r a c t T h i sa r t i c l ed e s i g n sa na u t o m a t i cp r o c e s s i n gs y s t e mf o rd e n sw h e e lb a s e do nM C S 5 1 M C U b e c a u s e o fl o we f f i c i e n c yo fm a n u a lp r o c e s s i n ga n dr e p e a t i n gp r o c e s s i n gt h ed e n sw h e e l T h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sh a r d w a r e s t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l ea n dd e s i g no fs o f t w a r e f i n a l l yg i v i n gt h ep r o g r a mf l o wc h a r t T h i ss y s t e mh a sm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o na n dp o w e rc u td a t es a f ea n df i n i s hp r o c e s s i n ga l a r m T h er e a lp r o c e s s i n gc o n f i r m st h i ss y s t e m h a s1 1 0 0 0p r e c i s i o no na n g l ea n dt r e b l ee f l l c i e n c yt h a nm a n u a lp r o c e s s i n g K e yw o r d s M C U c o n t r o L l e r p r o c e s s i n gd e n sw h e e l p o w e rC U td a t es a v e 1 引言 牙轮在作为一种常用的机械零件在机械机构中 主要起到增大啮合力 增加摩擦力等作用 目用牙轮 的主要加工方式有通过卧式铣床铣齿 万能分度头 分度 铣床操作台前后运动工作一个行程完成一个 齿的加工 每个牙轮的加工要完成一百多次的重复 收稿日期 2 0 0 8 一 一2 5 作者简介 李柏 1 9 8 4 一 男 硬士研究生 过程 因此人工完成这样的工作过程存在着牙轮质 量不稳定 加工周期长 成本高等缺点 本文设计的 牙轮自动加工系统是基于M C S 5 l 为核心控制器完 成整个的牙轮加工过程 具有自动和手动两种工作 方式 控制器配合相应的机械部分即是一台自动加 工设备 经过控制器可以使牙轮每个牙之间的角度 达到0 0 0 1o 的加工精确度 具有操作简单方便 维 护周期短 工作效率高 降低加工成本等优点 万方数据 增刊1李柏 等 基于单片机控制的牙轮自动加工系统的设计 9 2 机械工作原理 机械设计原理如图1 所示 本牙轮自动加工系 统采用步进电机作为牙轮分度的驱动电机 通过步 进电机的细分和减速器及万能分度头细分带动支撑 轴旋转来完成牙轮自动旋转 经过操作台的左右移 动和两个行程开关限制操作台的工作行程完成 个 牙轮的加工过程 不同牙轮的加工只需要更换支撑 轴和调整仪表工艺参数 整牙轮自动加工系统的操 作过程如图2 所示 1 铣床操作台 2 顶针 3 支撑轴 4 牙轮 5 卧式铣床 6 分度头 7 行程开关 8 自制减速器 9 步进电机 图1 机械原理图 圈2 牙轮自动加工系统的操作过程 3牙轮自动加工系统控制器设计 3 1 硬件设计 根据牙轮加工系统的操作过程 控制硬件主要 以8 9 S 5 1 为核心 主要由单片机控制器 数据存储掉 电保护 信息显示 操作键盘和隔离驱动 报警电路 等6 部分组成 总体设计方案如图3 所示 幽臼阱 昏盛p 伯镐5 l 圈昌 囤卸翮q 圈3 牙轮自动加工系统设计原理图 3 1 1 核心控制电路 单片机控制器主要完成系统各部分的信息处 理 生产脉冲一定数量与频率信号驱动控制步进电 机完成牙轮精确分度 感应操作台两端限位控制操 作台的往复进给完成整个牙轮加工 隔离驱动部分 通过光电藕合与三极管放大电路驱动步进电机驱动 器 控制铣床工作台运动的控制继电器 以及工作完 成报警蜂鸣器的驱动有效隔离了控制器与单片机之 间的电源冲击干扰 3 1 2 显示器与键盘 显示器用深圳晶矽电子有限公司生产的 K M l 2 2 3 2 F 汉字图形点阵液晶显示模块可显示汉字 及图形 内置81 9 2 个中文汉字 1 6 1 6 点阵 1 2 8 个字符 8 1 6 点阵 及6 4 2 5 6 点阵R A M C O R A M 可以形象地完成喂线机用牙轮自动加 工系统手 自动转换显示 设置牙轮齿数 每步度数 的显示 其驱动电路如图4 所示 图4K M l 2 2 3 2 F 汉字图形点阵液晶驱动电路 3 1 3 数据存储单元 数据存储单元主要作用是存储牙轮自动加工系 统的重要参数 在系统重启后无需在设置 所使用的 主要芯片为A 1 M E L 的9 3 系列E E P R O MA 1 9 3 C 6 6 用于保存系统参数和每次生产的现场信息 该部分 的掉电保护电路如图5 所示 5 VA T 9 3 V 6 6 圈59 3 C 6 6E E P R O M 驱动电路 3 2 软件设计 程序设计主要由主程序和初始化程序 自动程 序 手动程序 显示程序 键盘程序 掉电数据保护程 序等子程序构成 主程序完成初始化 手动 自动程 序选择 开机初始化完毕后 进人手动 自动选择流 程 生产结束时控制器还会对现场生产信息进行保 存 以便管理统筹 显示子程序在生产工作时动态显 万方数据 哈尔滨理工大学学报第1 4 卷 示设置齿数 当前生产完成齿数 在设置状态下显示 各种设置和操作信息 主程序流程图如图6 所示 4结语 上接第7 页 4结语 围6 程序流程图 提出了向量投影的概率分布法和减法聚类预选 取法 减小了训练样本的数量 能明显缩短训练时 问 从选取人工数据和S a t i m a g e 机器学习数据的检 验可以得到证实 对于带有野点样本的数据集 可以 利用本文算法有效地消除野点数据的影响 特别是 当训练样本是冗余的 本文提出的方法效果更好 使 训练时间和分类精确度都相应提高 所以本文的方 法可行且有效 分类效率与精确度也较理想 参考文献 1 V A P N I K V N 1 h e N a t u r e d S t m m m l L e m l d 唱呐 M N e w Y o r k S n 铲一岫 2 0 0 2 2 3 B O I I D UL C O R T E Sc D E N K E RJ c c 皿即豳帕da 础曲贯g e t h o 山 S t u d yi nH a n dw x l m mD i 戚I l e 呷i 由n C P l I 啪吐 使用本喂线机用牙轮自动加工系统进行牙轮生 产 达到牙轮的分度精确度为0 0 0 1 0 经实际使用 验证 采用单片机控制器后的设备比原来人工生产 速度快3 倍 节省了人力提高了生产效率 参考文献 1 江太辉 石秀芳 单片机原理与应用 M 广东 华南理工大学 出版社 2 2 2 何立民 单片机应用系统设计 M 北京 北京航空航天大学 出版社 2 0 0 2 3 余永权 汪明慧 黄英 等 单片机在控制系统中的应用 M 北京 电子工业出版社 2 0 0 4 4 赵文博 新型常用集成电路速查手册 M 北京 人民邮电出 版杜 2 0 0 6 5 徐爱钧 彭秀华 K e i i 瞄lV 7 0 单片机高级语言编程与 p N i s i o n 2 应用实践 M 北京 电子工业出版社 2 0 0 6 编辑 于智龙 i n pd t h e1 2 1 1 1I A P Rm 衄埘训C z n f e r e n c e I I R 嚼小 l i o n J e r m e l e m l 肺d O c t 9 1 3 1 9 9 4 7 7 一龆 邓乃扬 田英杰 数据挖掘中的新方法一支持向量机 M 北 京 科学出版社 2 0 0 4 K E B E LU P a i r w i 髓C l a s s i f i c a l i ma n dS u p p a V c d o rM 衄h i 孵 J d 哪l i nK 棚 e lM e t h o d s s I l 印呲V o c t 汀k 蛐i 雌 1 9 9 9 2 5 5 2 5 8 焦李成 张莉 周伟达 支撑矢量预选取的中心距离比值法 J 电子学报 2 0 0 1 2 9 3 3 8 3 3 8 6 李青 焦李成 周伟达 基于向量投影的支撑向量顶选取 J 计算机学报 2 0 0 5 2 8 2 1 4 5 1 5 2 肖健华 智能模式识别方法 M 广州 华南理工大学出版 社 2 0 0 6 吴晓莉 M A T L A B 辅助模糊系统设计 M 西安 西安电子科 技大学出版社 2 0 0 0 L UzB S V MT e o l b e x E B O L 2 0 0 8 一 一o l h u p l u d l e n b o 8 8 t i n 啪 吼 编辑 温泽宇 1 J 1 J 1i 1 J J 口 H p p 竺 p 万方数据 基于单片机控制的牙轮自动加工系统的设计基于单片机控制的牙轮自动加工系统的设计 作者 李柏 吴玉彬 曹务勋 吴荷生 张隆海 安雪松 LI Bai WU Yu bin CAO Wu xun WU He sheng ZHANG Long hai AN Xue song 作者单位 李柏 吴玉彬 LI Bai WU Yu bin 哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院 黑龙江 哈尔滨 150040 曹务勋 CAO Wu xun 山东莱芜钢铁股份有限公司特殊钢厂 山东 莱芜 271105 吴荷生 WU He sheng 哈尔滨科德威冶金新材料有限责任公司 黑龙江 哈尔滨 150040 张隆海 ZHANG Long hai 西宁特殊钢集团有限公司 广西 西宁 810000 安雪松 AN Xue song 通化钢铁集团有限公司炼轧厂 山东 通化134003 刊名 哈尔滨理工大学学报 英文刊名 JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 年 卷 期 2009 14 z1 引用次数 0次 参考文献 5条 参考文献 5条 1 江太辉 石秀芳 单片机原理与应用 2002 2 何立民 单片机应用系统设计 2002 3 余永权 汪明慧 黄英 单片机在控制系统中的应用 2004 4 赵文博 新型常用集成电路速查手册 2006 5 徐爱钧 彭秀华 Keil Cx51 V7 0 单片机高级语言编程与 Vision2应用实践 2006 相似文献 10条 相似文献 10条 1 学位论文 苑海涛 变频调速液压电梯单片机控制器的研究 2006 作为液压电梯的一个重要发展方向 变频调速液压电梯具有节能以及调速性能优越等优点 本课题组一直致力于液压电梯技术领域的研究 并取得 了丰硕的研究成果 本课题就是在分析 掌握前人研究成果的基础上 为推进单片机控制器早日实现产品化而展开的进一步研究 论文从单片机控制器 的总体结构入手 分析了各功能模块的实现方法 并通过实验重点验证了其中的PWM方式实现高精度模拟控制电压输出方法的可用性 为了提高控制器的 控制性能 提出了基于分段线性插值的方式实现负载压力补偿和温度补偿的方法 相比其他一些智能控制算法 该方法简单易用 更适合于单片机控制 系统中使用 在单片机控制器开发成功以后 对其进行了实验验证工作 初步证实了整体设计方案的可行性 论文的整体结构如下 第一 章 简要叙述了液压电梯的发展历史 介绍变频调速液压电梯技术及产品 最后阐述了本课题的主要研究内容及意义 第二章 介绍了变频调速 液压电梯控制系统的整体结构及原理 并在此基础上指出了单片机控制器所需完成的功能 第三章 详细阐述了单片机控制器各功能模块的实现 方案 提出了在软件上实现压力补偿和温度补偿功能的方法 最后对如何提高单片机控制器的抗干扰能力进行了论述 第四章 首先介绍了对单 片机控制器进行实验测试所采用的测试平台 然后介绍了实验过程中出现的几个问题 文中先介绍了问题的现象 然后分析了问题产生的原因 并提出 了问题的解决方法 第五章 对本论文所做的研究工作进行了总结 并对未来的研究工作进行了展望 2 学位论文 严惠 基于ARM7与51单片机的电梯控制器通信及人机界面的研究与开发 2007 电梯通信作为电梯运行的主脉络 负责传递电梯的各个通讯指令以及各种控制信息 因此 提高电梯的性能在很大的程度上取决于电梯信息量的传 输品质 同时 为保证电梯运行的可靠性以及提高电梯的使用寿命 必须对电梯进行合理的维护 而电梯的远程监控技术是一种合理有效的维护手段 通过它可以对电梯实行有效的未知维护 本文从上述两个点出发 结合电梯控制器设计的实际项目 重点研究了电梯控制系统中的通讯和电梯 控制器远程监控上位机界面的设计 整个系统的通讯布局以CAN总线为主干网 485总线为主体板和扩展板之间的通讯桥梁 电梯控制系统分为楼 层控制器 轿厢控制器 轿顶控制器 主板控制器以及相应的扩展板 本文主要从以下几个方面进行研究 1 楼层控制器的设计 采用51单片机 为楼层微控制器 MedWin为软件开发平台 实现楼层控制器的硬件和软件设计 将CAN总线运用于楼层控制器通讯中 结合MODBIJS协议以及CAN信息帧结 构自定义通讯协议 实现了独立CAN控制器下的CAN通讯 通过功能调试验证了方案可行性 2 轿顶控制器的设计 采用ARM单片机为轿顶主控制 器 ADS1 2为软件开发平台 进行轿顶控制器硬件和软件设计 将CAN总线应用于轿顶控制器通讯 实现了非独立CAN控制器的CAN总线通讯功能 并对轿 顶功能进行调试验证 3 轿厢扩展板的设计 进行轿厢扩展板的软硬件设计 采用MODBUS通讯协议 将485总线应用于轿厢扩展板中 实现了轿 厢扩展板与主体板通讯 通过调试验证了方案的可行性 4 远程监控上位机设计 以Delphi为开发平台 RS485为通讯总线 实现电梯参数的获 取与显示的软件功能 在以太网环境中 采用Visual Stdio 6 0为开发平台 结合MODBUS TCP通讯协议实现客户端 服务器的软件设计 并在模拟环境 中验证了上位机功能 通过研究表明 CAN总线可以用于电梯控制系统的通讯中 而且性能可靠 实时性好 能充分满足电梯控制器对通讯性能的 要求 RS485总线能充分实现电梯主体板和扩展板之间的通讯目的 能准确有效的实现上位机对电梯参数的获取 采用融合客户端 服务器模式的对等网 络技术设计电梯远程监控上位机软件 在模拟环境中实现了位于不同环境的客户端电梯与维护方之间的连接 确保了维护方对电梯的远程监控 3 会议论文 袁晓光 用于彩显系统匹配台的单片机智能控制器 1998 介绍了一种采用单片机和 构成对彩显系统匹配台实现智能控制的方案 其目的是试图尽可能多地利用单片机的资源来实现一个性价比优良的 方案 在保证系统功能和可靠性的前提下 大幅度降低设备的造价 从而为彩显系统匹配生产线设备的智能提供一种新的实用技术途径 4 学位论文 孙雷 一种基于单片机的新型电子提花机控制器 2007 电子提花机揉合了现代电子技术 配合凸轮式的提针结构实现了高速无纹版提花 由于其结构简单 速度高 质量好 在国内外已得到广泛应用 当前 以英国Bonas 法国Staubli 德国Gross公司所研制的电子提花机最具代表性 但其昂贵的价格让国内多数企业望而生畏 国产提花机一般多使用 单片机进行控制 也有采用嵌入式方案或直接PC机现场控制方案 但是它们在功能和稳定性上无法与国外同类产品相比 同时 磁盘形式的花样输入时 间过长 以及电子盘由于反复的拷贝删除操作产生的碎片和垃圾文件都让用户难以接受 为解决当前国产提花机存在的上述问题 本文提出了一 种新型基于MCS 51单片机的电子提花机控制器 包括硬件电路和单片机软件 该新型控制器可以用U盘代替软盘方便快捷地输入花样数据 同时解决了花 样纬数受限制的问题 此外 控制器实现了意外停机保护的功能 文件管理系统经过反复拷贝删除也不会产生碎片或垃圾文件 运行结果证明了本控制 器的有效性 该控制器以W78E516B单片机为核心 外围扩展部分包括控制的信号 数据 时钟 锁存 使能 和接收同步信号等 人机接口部分包 括液晶显示 键盘 USB输入接口等 控制器使用串口与PC机通讯 并可根据需要 实现提花机联网控制 花样存储采用Flash电子盘 数据不易丢失且 容易扩展 并通过编写新的文件管理系统使得电子盘不会产生碎片和垃圾文件 通过软件技术实现了从花样信息的提取 存储 传输 校验 输出等一 系列功能 而且提花方式可以任意组合 可与672针 1344针 2688针的各种型号有梭 无梭织机相配套 从而降低了生产成本 提高了工作效率 大大 提高了纺织提花控制系统的数字化水平 本文第一章主要概述了提花机技术的概况 开发方案的选择及模块组成在第二章做了介绍 第三到五章 为本文的重点 分别介绍了本控制器的硬件设计 软件设计和抗干扰设计 最后两章分别是运行结果与分析 总结与展望 5 期刊论文 谭延良 郭怡倩 提高单片机控制器可靠性的设计方法 电子工艺技术2001 22 5 可靠性是单片机控制器能否成功应用的最关键问题 从多项应用工程中归纳出一些提高可靠性的方法 讨论了自动复位 模拟信号变换 开关信号变 换硬件电路的设计 具体给出了实际应用中的数据 6 期刊论文 林晓燕 刘云翔 8098单片机在炉温控制器中的应用 东北师大学报 自然科学版 2001 33 2 在冶金 石油 化工和科研试验等部门经常需要对炉温进行测量和控制 本文介绍一种我们设计的智能型炉温控制器 它可以根据实际情况设置的炉 温上限和下限值进行控制 使炉温自动地稳定在所设定的上限和下限值之间 本系统采用了INTEL公司16位单片机8098芯片 它具有16位单片机的性能 8位单片机的价格 具有高速输入口HSI和高速输出口HSO 片内带有4路10位A D转换器 最高时钟12MHz 与低速的外围芯片连接提供等待功能 A D转换时间 为22 s 另外 8098单片机不存在累加器结构的 瓶颈 效应问题 它内部具有232个通用寄存器 均可作为累加器使用 它的指令系统也非常灵活 很多指 令既可以用双操作数 又可以用三操作数 因此 将8098单片机用于炉温控制具有程序简单和反应速度快等特点 1 系统的硬件设计 该控制器以 MCS8098单片机为核心 程序存贮器为8KB的EPROM2764 晶振为12MHz 另外 还有键盘显示电路 输出驱动电路等 具体的硬件结构框图如图1所示 温度传 感采用AD590温度 电流传感器 AD590是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温度 电流传感器 具有体积小 重量轻 线性度好 性能稳定等一系列优 点 适合于远距离测量和传输 HSO 0和HSO 1分别控制加热器和鼓风机 图1中所采用的光电耦合器起到耦合脉冲信号和隔离8098单片机系统与功率驱动 电路的作用 使两部分的电流互相独立 减少系统所受的干扰 提高系统的可靠性 2 系统软件的设计 8098单片机内部带有回路10位A D转换器和HSO功 能部件 这在硬件设计和软件编程上都带来了很大方便 利用A D转换器和HSO部件需要用到8098芯片内部的几个特殊功能寄存器 图1 炉温控制器硬件结 构框图 7 学位论文 何永泰 基于单片机ATmega128的嵌入式工业控制器设计 2004 随着微电子技术和计算机技术的发展 工业控制机和可编程逻辑控制器 PLC 在设计上正向着嵌入式系统方向发展 程序编程正向着高级语言方向过 渡 工业控制器的嵌入式发展已是不可逆转 北京的拓维图控有限公司 经过周密的市场调查 协议设计基于单片机的嵌入式工业控制器 经过大量的 资料分析 选用AVR单片机ATmega128作为工业控制器的控制器 ATmega128是AVR单片机中功能最强的 它有128K字节的Flash程序存储器 4K字节的 SRAM和4K字节的EEPROM 在端口方面 它有边界扫描JTAG口 I2C串行口 SPI同步串行口和通用异步串行口UART 通过适当的外围接口电路的设计 它 能够满足工业控制器的要求 无论硬件还是软件设计 基于单片机ATmega128的嵌入式工业控制器的设计都采用了目前系统设计中最为流行的方式 在硬件设计中 采用微控制器MCU FPGA CPLD 的方式 通过利用现场可编程门阵列FPGA设计微控制器的接口电路 使得电路的设计变得简单灵活 系 统中使用的EPF10K20是AlterFLEX10K系列FPGA中的一种 采用可重构的CMOSSRAM工艺 它是当今AlteraPLD中应用最好的器件系列 其集成度已达到25万 门 在MAX PLUS 开发系统中利用VHDL硬件描述语言 在EPF10K20中设计了16位高速计数器 并可通过软件扩展到32位 和工业控制器的输入输出控制单 元 在软件设计中 为系统移植了uC OS 操作系统 来对系统的软硬件项目进行管理 在操作系统的移植过程中 对四个程序汇编文件 OS CPU A ASM 处理器相关C文件 OS CPU H OS CPU C C 和配置文件 OS CFGH 进行了改写 使其能够在AVR单片机ATmega128中运行 在系统的设计 中为了扩大其应用的领域 在单片机ATmega128的通用异步串行口UART的基础上专门设计了RS 232和RS 485串行通信板 用来实现工业控制器与上位机和 工业控制器之间的通信 达到网络化控制的目的 在系统的设计中 保留了传统的可编程控制器 PLC 的多点输入和多点输出控制的要求 在系统 中专门设计了输入输出点处理电路 它可以实现32个输入点信号的输入和实现32个输出点的控制 基于单片机ATmega128的嵌入式工业控制器的设计 适 应了工业控制机向嵌入式发展的趋势 具有较高的实用价值 并较大程度地降低了造价和使用成本 8 学位论文 刘涛 基于单片机的电除尘高低压一体化控制器 2008 随着经济的飞速发展 工业化和现代化进程的不断加快 工业粉尘排量也日