1、本科毕业论文（20 届）全自动金属带锯床测控系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要- I-摘 要目前，全自动金属带锯床的种类较多。本设计针对一种金属带锯床（型号GZ4240）进行了测控系统的研究。本课题研究的目的在于研究金属带锯床的测控系统，了解金属带锯床的控制原理，设计出一种可以自动运行的测控系统，为生产的自动化提供一种可能的方案。本设计采用的研究方法主要是搜集资料，通过网络、课程课本、图书馆等搜集大量资料，翻译相关的英文资料，了解内部控制元件原理；其次选用 protel 绘制原理图。本设计首先就带锯床背景、发展展开，介绍了带锯床和光栅传
2、感器的概况、工作原理等。然后提出设计方案，并且进行方案论证。本测控系统的设计以STC89C52 单片机为核心，扩展 8279、8155 等逻辑芯片，设计了键盘输入和显示电路、传感器信号处理电路、报警和指示电路、电机驱动电路和电源电路。最后是系统的软件设计，编程完成系统的控制，实现单片机控制金属带锯床的突破性进展。实现了键盘输入与液晶显示，完成了人机对话的功能，进一步提高了金属锯床的自动化程度，由于使用了光栅尺位移传感器，锯床的测量和定位总误差小于 0.05mm，大大提高了传统金属锯切的精度。为了保证系统安全运行，该系统还设计了报警装置，在控制结束或突发状况下发出警报，大大提高了控制系统的安全性
3、。关键词：全自动金属带锯床，测控系统，光栅位移传感器，单片机Abstract- II-AbstractAt present, There are more types of Metal band sawing machine. This design for a metal band sawing machine (Model GZ4240) Instrumentation and Control System. The purpose of this research is to study metal band sawing machine monitoring and control s
4、ystem, the control principle of the metal band sawing machine, designed to run automatically monitoring system, provide a possible solution for the automation of production. Approach to the study of this design is to collect information, collect large amounts of data through the network, curriculum,
5、 textbooks, libraries, translation-related information in English to understand the internal control components principle; followed by selection of the protel schematic drawing.This design is the first band sawing background, development commence introduced the band sawing and Bragg grating sensors,
6、 an overview of works. And proposed design, and demonstration program. The monitoring and control system design microcontroller to STC89C52 as the expansion of 8279,8155 and other logic chips, the design of the keyboard input and display circuit, the sensor signal processing circuit, alarm and indic
7、ating circuit, the motor drive circuit and power circuit. Finally, system software design, programming complete control of the system to achieve breakthrough SCM metal band sawing machine. Keyboard input to the LCD, the man-machine dialogue function, further increasing the degree of automation of me
8、tal sawing machine, sawing measurement and positioning error is less than 0.1mm due to the use of the grating displacement sensor, greatly improving the traditional metal sawing accuracy. In order to ensure the safe operation of the system, the system is also designed alarm device alerts, greatly im
9、proving the safety of the control system under the control of the end or unexpected situations.Keywords: automatic metal band sawing machine, control system, the grating displacement sensor, microcontroller目 录- III -目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 引 言 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 金属带锯床研究的发展 .11.3 金属带锯床概述 .2
10、1.4 本课题的研究对象、目标和方法 .31.5 系统设计主要内容 .3第二章 系统方案设计 .42.1 设计要求与性能指标 .42.2 系统总体方案确定 .42.2.1 控 制 系 统 论 证 与 选 定 .52.2.2 传 感 器 的 论 证 与 选 定 .6第三章 系统硬件设计 .73.1 金属带锯床的工作原理 .73.2 光栅位移传感器的工作原理 .83.2.1 光 栅 传 感 器 的 组 成 结 构 .83.2.2 莫 尔 条 纹 形 成 的 原 理 .93.2.3 莫 尔 条 纹 技 术 的 特 点 .103.2.4 测 量 电 路 .103.3.硬件电路设计 .113.3.1 芯
11、 片 种 类 选 择 .113.3.2 8155 .113.3.3 8279 .13目 录- IV -3.3.4 芯 片 的 扩 展 .153.3.5 单 片 机 最 小 系 统 设 计 .153.3.6 键 盘 输 入 和 显 示 电 路 .163.3.7 传 感 器 信 号 处 理 电 路 .173.3.8 输 出 驱 动 与 报 警 电 路 .203.3.9 电 源 电 路 .213.4 系统的硬件结构 .223.5 系统的抗干扰措施 .233.6 系统精度分析 .25第四章 系统软件设计 .274.1 控制系统软件设计 .274.1.1 初 始 化 .274.1.2 置 数 功 能 .
12、274.1.3 单 步 执 行 .274.1.4 自 动 运 行 .27结 论 .29参考文献 .30致 谢 .31附录 1 系统程序 .32附录 2 电气原理图 .39第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 课题的背景和意义传统的金属硬材锯切常被认为是简单的切断下料的过程。锯切可以节约金属材料、减少二次加工量并且提高生产效率，因此各类锯床特别是自动化的锯床已广泛地应用于机械、钢铁、矿山、汽车、石油、造船和航空航天等国民经济众多领域。随着现代化制造工业高效、高精度和节能的发展，锯切作为金属切削加工的首要步骤， 已成为零件加工过程中最为重要的组成环节。本课题所研究的全自动金属带锯床是专门为
13、高产量连续切割而设计的小中型锯切加工设备，主要适用于切割。金属带锯床作为机械加工制造的第一道工序所需的加工设备， 其加工精度和自动化程度便成为控制后续工序质量和效率的重中之重。所以，金属带锯床测量控制系统的设计研究具有及其现实的意义。现如今的加工设备需要有比较好的操作界面，并且可以对加工状态实行实时监控，显示、处理加工和保存过程数据等，并完成对数据的分析与计算。基于计算机控制的全自动金属带锯床的研究成为一大热点，它实现了传统金属锯床与先进的计算机控制系统的结合，使得金属锯床在软件的指导下完成预定的锯切动作，自动化程度得到了极大的提高并且有效的提高了锯切的效率、速度、精度，扩大了加工的广度与深度
14、，很好的满足了各行各业对金属锯切的要求，极大的提高了劳动效率，促进了工业的发展与科学技术的进步。随着我国制造自动化水平的提高和生产过程管理自动化的不断发展，对生产设备产生了更高的要求。自动化技术使得机械设备产品与计算机技术、电子技术有机结合，为机械行业和制造业注入了新的活力和动力，正在得以广泛的应用和发展。1.2 金属带锯床研究的发展带锯床、弓锯床以及圆盘锯床是三种锯床的主要形式，其中带锯床正逐步代替传统弓锯床和圆盘锯床在锯床中开始占据主导地位。带锯床具有切割速度快、尺寸精度高、材料损失小等诸多特点。除此之外，金属带锯床适应性广、第一章 引 言- 2 -动力消耗低、操作简便、易于维护并可进行角
15、度切割，因此获得了越来越广泛的应用。从历届的国际机床展览会上来看，国外自动化水平和设计水平发展相对国内来说较快。而且国内最先进的全自动金属带锯床目前只是采用 PLC 控制系统。不仅如此，国内现有金属带锯床还普遍存在结构复杂，使用过程中带锯条易断裂、掉带，加工只适用于金属圆钢、方钢的切割，自动化程度低，精度低，多台协同加工困难等问题。随着坯料精度要求的不断提高及生产管理的自动化进程，尤其是企业 CIMS（计算机集成制造系统）系统的实行，对备料设备金属带锯床的要求越来越高。于是基于 windows 操作系统的，利用单片机对金属带锯机进行控制和管理，并采取相应机械结构组成的带锯床备受关注，它既可以实
16、现自动化加工的目的，又提高了金属带锯机的加丁精度，而且使之适合于企业的 CIMS 系统，成为现代企业自动化加工生产的新要求。1.3 金属带锯床概述金属带锯床（Metal band sawing machine）从其功能来看主要用于锯切各种黑色金属和有色金属，比如高、低合金钢、特殊合金钢、碳素钢不锈钢、耐酸钢等。根据结构主要有卧式和立式两种。立式带锯床的锯架是垂直的，切割时工件移动，用以切割板料和成形零件的曲线轮廓，还可把锯带换成锉链或砂带，进行修锉或打磨。卧式带锯床的锯架是水平的或倾斜布置的，沿垂直方向或绕一支点摆动的方向进给，锯带一般扭转 40左右，用来保持锯齿与工件垂直。卧式带锯床又分为剪
17、刀式双立柱、单立柱式带锯床；根据使用情况可分为自动型、手动型；根据使用控制器的自动化程序又可分为全自动型（自动送料，自动切割）、手动型（手动送料）；根据切割的角度要求分为角度锯床（能锯切角度 90 度 45 度）、无角度锯床（即 90 度垂直切割）。目前国内较为先进的金属带锯床，要属液压式双立柱型带锯床。它因为速度快，效率高，操作方便受到国内外加工工厂的欢迎。一般金属带锯床主要部件包括：床身、立柱、底坐、锯梁和传动机构、送料架、导向装置、工件夹紧、张紧装置、电气控制系统、液压传动系统、润滑及冷却系统等。第一章 引 言- 3 -1.4 本课题的研究对象、目标和方法鉴于在中国国内领域单片机控制的全
18、自动金属带锯床还没有普及，现阶段主要为 PLC 控制的测控系统，我选择数控双柱卧式带锯床中的型号 GZ4240 为研究对象，因为现有资料有限，采用光栅位移传感器的金属带锯床依然很少，所以只能借鉴它的工作原理，有关软件设计还需要自己钻研。本设计是采用单片机控制的，在现实生活中还没能找到单片机控制的带锯床的实例，课题研究的目标是通过对型号 GZ4240 全自动金属带锯床的研究设计出由单片机控制的光栅传感器探测信号的金属带锯床测控系统，采取的方法前文有提到，主要是采用搜集数据分析的方法，对比总结出较合适的方案，然后利用 Protel 99 SE 绘制各部分原理图和总原理图，完成软件设计和程序的编写。
19、1.5 系统设计主要内容本设计主要分为四大部分：系统方案设计、系统硬件设计、系统软件设计、附录（编程和电原理图）。系统方案设计包含控制系统、传感器的论证和选定；系统的硬件设计主要介绍了带锯床的工作原理、单片机的工作原理、光栅位移传感器的原理和特性、主要使用的芯片功能及引脚的作用，各部分电路的设计、系统的抗干扰措施以及精度分析。系统的软件设计包括系统的初始化过程、置数操作过程、单步执行过程和自动运行过程等部分。附录包含系统程序和电原理图。第二章 系统方案设计- 4 -第二章 系统方案设计2.1 设计要求与性能指标设计要求：1、掌握单片机的原理和特点；2、掌握全自动金属带锯床的控制原理；3、设计系
20、统硬件原理图；4、系统软件设计。性能指标：1.锯床测量误差 0.05mm；2.锯床定位误差 0.05mm。2.2 系统总体方案确定本控制系统以单片机为主要控制核心，在电源的驱动下，接收键盘输入信号、接收来自传感器信号处理元件处理过的信号，经显示电路显示、经由必要的驱动电路，驱动带锯床电机的运作。实现对电机的控制进而完成高精度、高自动化程度的金属锯切。系统原理框图如图 2-1 所示。图 2-1 系统原理框图单 片 机 键 盘 输 入 电 路电 磁 阀电 动 机 显 示 电 路光 栅 位 移传 感 器 驱 动 电 路信 号 处 理电 路电 源 电 路 8279报 警 电 路指 示 电 路第二章 系
21、统方案设计- 5 -2.2.1 控制系统论证与选定方案一：单片机控制单片机的种类繁多，品种齐全，但大同小异，功能类似。在传统的数字集成电路设计中，通常将电源端和地端分别布置在对称的两边。例如左下角为地，左上角为电源。这使得电源噪声穿过整个硅片。改进方法将单片机的电源和地安排在两个相邻的引脚上，这样不仅降低了穿过整个硅片的电流，还便于印制板上设计电源退耦电容，以降低系统噪声；单片机测控系统的时钟电路是一个调频噪声源，它不仅能干扰本系统，还能对外界产生干扰，使其他系统的电磁兼容检测不能达标。在保证系统可靠性的前提下，选用时钟频率低的单片机。以 8051 系列单片机为例，当最短指令周期为 1US 时
22、，时钟是 12MHZ，能够满足设计要求。方案二：PLC 控制PLC 采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式：1每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。2输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU 执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的 PLC 扫描速度都是非常快的。6由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入 /输出响应延迟。方案三：继电器控制继电器控制系统是由接触器、继电器、主令电器和保护电器按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。其工作原理就是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机或其他机械设备的起动、停止，反向、调速及多台设备的顺序控制和自动保护功能。方案选定：
