机电一体化技术在轮胎生产中的应用论文.doc

1、 第 1 页 共 23 页毕 业 设 计（论 文） XA6132 卧式铣床的数控化改造 姓 名 吕先丽 专 业 机电一体化 指导老师 岳兰华 20 15 年 8 月第 2 页 共 23 页摘要最早轮胎是由木头制造的，这从我国古代的战车上和国外的绅士马车上都能看出。后来，当探险家哥伦布在 1493-1496 年第二次探索新大陆到达西印度群岛中的海地岛时，发现了当地小孩所玩的橡胶硬块，这使他大吃一惊。后来他把这个奇妙的东西带回了祖国，若干年以后，橡胶得到了广泛的应用，车轮也逐渐由木制变成了硬橡胶制造。但这时的橡胶轮胎却还是实心的，走起来还很不舒服，而且噪声也很大。直到 1845 年，出生于苏格兰的

2、土木技师 R?w?汤姆生发明了世界上第一条充气轮胎，并以马车和其他车辆的车轮改良为题，获得了英国政府的专利。同年12 月 10 日第一条充气轮胎诞生。第一个买充气轮胎的人叫罗列，是个贵族，四个轮胎的价钱合计为四十四磅二先令。1847 年科学?美国杂志介绍了汤姆生的充气轮胎，称其为划时代的改良。但是，当时的英国，过于注重传统的绅士化，为了保护马车，限制蒸汽车的发展，汽车的速度在市区被限定为时速 2mile(约 32km)，郊区为 4mile(约 64km)。这样，汤姆生的发明便没有了市场，因此，慢慢地也就被人们遗忘了。也就是说，汤姆生的第一次轮胎革命，并未给人类带来太阳一样的光明，因为人类所应经

3、受的黑暗似乎还没有到头。但是太阳总是要出来的，因为人类以及万物都需要它，40 多年以后的 1888 年，在爱尔兰当兽医的英格兰人 J?B?邓禄普先生取得了充气轮胎的专利。当时，J?B?邓禄普先生 10 岁的儿子强尼买了一辆三轮自行车，但是因为当时的轮胎还都是用硬橡胶做的实心轮胎，因此，在满是石头的路上行走时很不舒服，儿子的抱怨激发了邓禄普先生的灵感，因此，被遗忘了四十多年的充气轮胎再次问世。随着时代的进步，邓禄普先生发明的充气轮胎很快在自行车上得到了应用，并迅速迈向了汽车领域，为世界汽车工业的发展做出了巨大贡献。 人类在度过了漫长的手工生产后，随科学技术的发现、创造与发展，在不平凡的 20 世

4、纪之后，开始进入了新的千年。人类预言，21 世纪，以物质科学和生命科学的突破为前提，生物技术、信息通信技术、新材料技术的广泛应用为代表，科学技术将成为人类社会变革与发展的主导力量。高新技术领域很广，主要有信息通信、生物、新材料、先进制造、航空航天、能源、海洋、环保等，各领域之间相互交叉、融合与集成日益普遍，这种融合与集成孕育着新的技术革命和产业革命。第 3 页 共 23 页高新技术的发展又有力地促进了各种传统工业的发展，世界橡胶工业也不例外，目前与橡胶工业有关的高新技术领域主要有，信息通信技术、生物技术、新材料技术和光机电一体化技术四大类。橡胶工业的新型原材料、新产品、新设备、新工艺等的进步都

5、受益于高新技术的应用，利用高新技术改造传统橡胶工业，生产技术向高新技术发展，是将我国建设成世界橡胶工业强国的必由之路。关键词: 新材料 机电一体化 研究创想第 4 页 共 23 页目录摘要 .3第一章 主体材料 .71.1 主体材料 .71.2 骨架材料 .8第二章 机电一体化技术在轮胎生产中的应用 .92.1 机器人在生产中的出现 .102.2 单片机的应用 .112.3 PLC 的生产中的研究 .122.4 传感器在动力转向系统中的应用 .14第三章 我的设想 .173.1 体积小，重量轻，适应性强，操作更方便 .183.2 功能增加，精度大幅提高 .183.3 部分硬件实现软件化，智能化

6、程度提高 .193.4 产品可靠性得到提高，使用寿命增长 .193.5 融合了多种学科新技术，衍生出许多功能更强、性能更好的新产品 .193.6 产品系统性增强，各部分系统间协调性要求提高 .19第四章 研究现状和发展趋势 .204.1 研究现状 .204.2 发展趋势 .204.2.1 激光技术 .204.2.2 传感检测技术 .214.2.3 激光快速成型技术 .214.2.4 光能驱动技术 .21参考文献； .22致谢 .23第 5 页 共 23 页第一章 主体材料 轮胎生产包括：密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等多个复杂的工序。每一个工序都包括非常复杂的工艺过程。首先，我们来

7、一起浅谈未来社会的新材料进展。新材料技术被誉为“高技术的基础“，各工业化国家都把发展新材料技术摆在特殊的位置上。新材料种类有高性能结构材料、电子信息材料、医用生物材料和纳米材料，与橡胶工业较密切的新材料主要是高性能结构和纳米材料。高性能结构材料是指高强度、高韧性、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等特殊性能的材料。 另外，还包括复合材料，是指由基体材料（树脂、金属、陶瓷等）和增强剂（有纤维状的、晶须状的、颗粒状的等）复合而成，例如热塑性树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及碳及复合材料等。橡胶工业的原材料分三大类，即主体材料、骨架材料和助剂材料，可以说这三大材料决定了橡胶产品的特性和功能。1.1

8、 主体材料橡胶产品是以天然橡胶为主体材料开始发展起来的，时至今日，所谓的橡胶产品的主体材料已经发生了重大变化，目前橡胶工业使用的主体材料除了天然橡胶、合成橡胶外，还有热塑性弹性体和液体橡胶。近几十年来，主体材料最大的变化，莫过于热塑性弹性体得到了很大发展。热塑性弹性体（TPE）是一类介于橡胶和塑料之间的高分子材料，其兼具橡胶的物理机械性能和塑料的工艺加工性能，同时返回料和废旧制品还可以重复利用，是一种不同于橡胶和塑料的全新的高分子材料。由于热塑性弹性体具有以上优越性，自 20 世纪 50 年代投放市场以来，得到了迅速发展，其产量 60 年代的年均增长率层高达 16，进入 90 年代稳定在 7，

9、1998 年产销量达到 114 万吨，2000 年达到170 万吨，预计 2010 年将达 250 万吨以上。可以说现在起热塑性弹性体进入了稳定第 6 页 共 23 页发展时期。与热塑性弹性体迅速发展成鲜明对比的是，橡胶和塑料的发展停滞不前，目前橡胶和塑料的年增长率仅 1和 2.4，这充分说明了热塑性弹性体发展潜力。例如：动态硫化和茂金属催化技术的应用，使热塑性弹性体向高性能方向前进了一大步。相信不久的将来，一种完全能取代橡胶的高性能的热塑性弹性体一定出现，届时，橡胶工业用主体材料、生产工艺等将发生根本性变化，同时也将能彻底解决废旧橡胶的回收利用，保护环境的一大难题。液体橡胶也是取代橡胶的一种

10、非常有发展前途的主体材料，应该说，液体橡胶是革新橡胶工业的最根本的途径，它使复杂的固相加工改为简单的液相加工，砍去了笨重庞大工艺加工设备，大大简化了加工工艺，使材料混合、成型、硫化实现一体化。液体橡胶中引人注目的是聚氨酯橡胶，产量已达 100 多万吨，最初主要用于制鞋和微孔弹性材料，后逐渐用于胶带、胶管、胶辊等产品，近年来大量用于生产自行车胎、实心胎、工业轮胎及农用轮胎等慢速轮胎。这些产品经久耐用、颜色鲜艳，深受用户欢迎。但是用于高速轮胎尚处于开发之中。1.2 骨架材料橡胶骨架材料主要有钢丝、锦纶、涤纶、高强力人造丝和各种短纤维，根据轮胎等橡胶制性能的要求，对骨架材料的性能要求也越来轮胎，目前

11、世界上著名的轮胎厂逐渐用白炭黑代替炭黑制造绿色轮胎和节能轮胎，据说已取代510的炭黑纳米碳酸钙是20世纪80年代开始发展起来的，是少数几种实现工业化的纳米材料之一。其粒子细（1100nm） 、比表面积大、白度高，表面经活化处理，易于胶料结合，将其填充在橡胶产品中，能使产品表面光滑，抗张强度高，抗撕裂、耐弯曲、抗龟裂，不仅产品性能比普通碳酸钙大幅度提高，还可以增容降低成本。粒径小于20nm 的碳酸钙，其补强作用与白炭黑相当。日本早在20使劲50年代就在橡胶工业中应用纳米碳酸钙品种白艳华等，根据不通的橡胶制品，可以部分和大部分代替炭黑和白炭黑。纳米氧化锌不仅提高橡胶制品机械性能，其用量比普通氧化锌

12、节约3050。另外，纳米粘土、纳米三氧化二铝、纳米二氧化钛等在橡胶工业中的应用也有所进展。由于纳米材料的一系列特异性能对于种类繁多橡胶产品大有用武之地，因此，大力推动纳米材料在传统橡胶工业中的应用意义重大。第 7 页 共 23 页第二章 机电一体化技术在轮胎生产中的应用光机电一体化是一个总的技术指导思想，它不仅体现在一些机电一体化的单机产品之中，而且贯穿于工程系统设计之中。从简单的单台光机电一体化产品，到现代工业中的柔性加工系统；从简单的单参数显示，到复杂的多参数、多级控制；从机械零部件连续自动热处理生产线，到各种现代高速重型机械自动化生产线等，光机电一体化技术都有不同层次、覆盖面很广的应用领

13、域。对于工程系统，需成套地进行开发和制造。对于光机电一体化单机产品(设备)，应采用简繁并举、高低级并存的多层次发展途径。可发展功能附加型的低级产品；也可发展功能替代型的中级产品；还可发展机电融合型的高级产品，成为前所未有的新一代产品。我国光机电一体化产业起步比较晚，但其发展一直都受到了政府重视，经过 20多年的发展，我国目前已在北京、上海、武汉、长春、深圳、合肥等地形成了光机电一体化产业基地，其产值超过 2800 亿元。近年来，随着我国工业化进程的快速发展，以及我国作为全球制造基地地位的确立，推动光机电一体技术在工业产品质量检测领域的快速发展。与传统的检测技术相比，光电检测技术具有检测速度快、

14、精度高的特点，同时可根据被检物体设计检测软件，实现了真正的检测智能化，其应用领域十分广泛。目前，橡胶工业仍是手工操作比较多的一个产业，特别是轮胎、胶鞋等部件比较多的产品，仅成型就有十几道工序，劳动强度大，生产效率低，严重影响了橡胶工业的发展。工业发达国家都把橡胶产品的成型工序为重点,通过计算机技术、光机电一体化技术和机器人技术，实现自动化生产方面取得了重大发展。工业 X 光检测机的工作原理与食品 X 光异物检测机相似，但其应用主要集中在化纤、皮鞋、箱包等一些工业品检测领域。我国是鞋帽服饰出口大国，2010 年我国鞋帽服饰类出口金额为 1651 亿美元，较 2009 年增加 300 亿美元，增幅

15、达到22.21%。据中国产业研究报告网统计，目前我国共有 19000 多个鞋帽服饰生产厂家，仅在此领域我国每年就需要超过 2000 台的工业 X 光检测机。除了在化纤、皮鞋、箱包等一些工业品检测之外，光电检测技术也可用于子午线轮胎缺陷的检测。我国是轮胎生产和需求大国，据了解，2010 年我国共生产子午线轮胎 3.64 亿条，较 2004 年增长了近 2.5 倍，年均增长率超过 20%。但是我国在第 8 页 共 23 页轮胎检测方面却十分落后，截至 2010 年底，我国共有轮胎制造厂 600 多家，轮胎生产线 1000 多条，但配置了 X 射线子午线轮胎自动检测设备的生产线仅有 30%左右，远远

16、低于发达国家水平。随着我国汽车产业的快速发展及轮胎质量要求的不断提高，预计未来几年内，子午线轮胎可实现 100%检测率，届时将每年可带来超过 300 台 X 射线子午线轮胎自动检测设备的市场需求。 随着技术的不断创新和变革，光电检测专用设备应用范围也在不断拓宽，应用程度不断提升。预计未来几年，在下游行业需求的推动下，我国光电检测专用设备将保持高速增长的态势，市场发展潜力巨大。 2.1 机器人在生产中的出现在这里值得一提的是，机器人技术在实现橡胶产品生产自动化方面，起到了非常重要的作用。机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、规划能力、动

17、作能力和协同能力，是一种高度灵活性的自动化机器。现在世界上约有100万个机器人，其中绝大部分是工业机器人，工作在汽车制造、电器装配等领域。工业机器人主要特点是擅长于重复特定的工作程序，特别适合于橡胶产品成型工序，不仅能提高生产效率，降低成本，而且能提高产品质量。国外著名橡胶公司都很重视机器人在橡胶产品生产中应用。 例如米其林、固特异、倍耐力、普里司通、大陆等公司已在轮胎生产中普遍应用。日本东海公司的减振橡胶生产厂基本上实现无人生产，大部分工序由机器人承担。 90年代米其林、固特异、倍耐力、普里司通、大陆等公司相继开发成功全自动化轮胎生产线，是轮胎生产技术的重大突破，各家技术大同小异、基本上是计

18、算机技术、光机电一体化技术和机器人技术结合的成果。米其林的 C3M（移动成型分段成型流水线）1993年建立第一家试验厂，1995年C3M 新工艺轮胎商业化销售，目前在法国有两家、瑞典和美国各一家这样的轮胎厂，与传统轮胎厂相比，工厂建设投资、人工、占地面积都减少一半，原材料周转加快10倍。第 9 页 共 23 页2.2 单片机的应用该系统具有定长准确、运行可靠、抗干扰性能较强等优点。作为传统的胎面二次定长工艺中的定长裁断系统的换代产品，有较高的推广使用价值。关键词单片机胎面定长抗干扰图轮胎一次定长裁断系统原理框图概述胎面定长裁断是轮胎生产的关键工序之一，胶料投入成形机后压出并经牵引拉伸、冷却及定

19、长裁断后得到轮胎胎坯。通常裁断后的胎面温度仍较高，还在收缩之中。通过大量试验得知其收缩率与裁断后胎面温度、出槽后环境温度密切相关。按工艺要求，裁断冷却后胎面长度与工艺长度的误差应在以内。若太长，则会造成成品胎面周长偏大，当轮胎装于轮箍后，易造成滑胎和变形；若太短，则成品胎周长偏小，轮胎在轮箍上处于强拉伸状态，会造成磨胎和裂胎。传统胎面定长裁断系统是采用二次定长工艺，首先是由生产线上的计数器（目前均由时序电路实现，其可靠性、抗干扰性能较差、计数误差较大）对新鲜胎面实现定长裁断（为保证新鲜胎面经冷却后其长度仍能符合工艺要求，需留有较大余量） ，待胎面冷却后再进行使用。单片机的无线化和无线网络化大趋

20、势芯片巨人 TI 公司收购无线单片机的先锋CHIPCON 公司后，推出了全新概念的新一代 ZigBee 无线单片机 CC2430/CC2431系列和短距离通讯的新一代无线单片机 CC2510/CC1110系列，这些以经典8051微处理器为内核无线单片机，也称“射频 SoC(片上系统)“，以其优异的无线性能，超低功耗，超低成本，在单片机技术领域，开创了单片机无线化和无线网络化的全新时代，采用这些新型无线单片机，进行无线通讯，RFID，无线数传产品等产品设计，是开发低成本、低功耗单片机应用产品的非常理想方案。以 CC2430为代表的新一代射频 SoC(片上系统)的特点是:1)专门的设计，将全部的

21、ZigBee/802.15.4需要的高频部分电路全部集成到了电路内部，从无线单片机到天线之间，只有3-5个0603的普通零件，系统设计者完成不必需要任何高频方面的经验；2)采用特殊设计，使8051微处理器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小(因为对于非常微小高频信号而言，8051就是一个很大的数字噪声源)；3)将高速8051微处理器，32K 到128K 闪存，8kSRAM 多种外围电路，A/D，RTC 和第 10 页 共 23 页CC2420无线芯片等全部设计成一只非常小的芯片(48脚7X7平方毫米大小)，真正实现了单片机的无线化，微型化，使采用这类单片机的产品可以

22、做成微型遥控器，信用卡一样薄的微型卡片，RFID 长距离卡片，能置入人体的微型传感器等等；4)无线通讯中的需要的大量软件处理，包括纠错，防止空气中包装碰撞，IEEE802.15.4标准通讯协议处理，网络路由，多种网络拓扑等等，都可以象“搭积木“一样，轻易放入无线单片机内部存储器中间去，由于 CC2430这样的新一代无线单片机具有较大的存储空间，以 CC2430-F128为例，如果将 IEEE802.15.4的协议软件放进去，大概只需要1/4存储空间，将完整 ZIGBEE 无线网络协议栈放入进去，也只需要1/2空间，我们还有足够空间存储我们的应用代码；5)功耗非常低，CC2430无线单片机待机是

23、电流消耗仅0.2UA,在32K 晶体时钟下运行，电流消耗小于1UA； 使用小型电池寿命可以长达10年；6)价格非常低：CC2430分别包括高速8051内核，ZIGBEERF 硬件部分，8KSRAM,128K/64K/32K 闪存，大量购买的分别是4美元到2美元；而更加简化的CC2510/CC1100，价格会更低；从目前情况看，由于高频部分的硅成本非常低，加上非常大的生产数量，所以 RF+MCU 的总体价格，可能会低于普通常见8051单片机的价格。2.3 PLC 的生产中的研究 在本世纪末对传统轮胎工业的改造已取得了显著的效果，对提高轮胎质量，降低轮胎成本，提高生产效率及减轻劳动强度起了较大的作

24、用。但在应用过程中还存在一些问题，如在同一装备中选型的统一性、程序备份的重要性、输入点接法的安全性和可靠性等，下面分别对以上问题进行论述。 输入端的输入信号可编程控器的输入点是接收外来信号的一个输入口，主要有以下几种信号。 （）位置传感器（接近开关）在轮胎成型机中，位置传感器主要用于控制下压辊及后压辊的机械运动位置，一般用于定位较多，但也可和其它装置组成脉冲发生器。 （）线性位移传感器线性位移传感器需要模拟量模块转换，传感器对被测物体的位移变化输出是变化的电压。在胎面挤出联动线上用得较多，主要协调上、下层水箱中胎面的运行速度。 （）温度传感器温度传感器输出信号的大小反映被测介质温度的高低，在双模硫化机中主要检测内压循环水温度和外温，