（机械电子工程专业论文）黄金自动配重系统的研究与开发.pdf

四川i 大学硕士学位论文 y 7 7 9 2 4 9 黄金自动配重系统的研究与开发 研究生刘阳 机械电子工程专业 指导老师王庸责 配重系统是黄金企业生产过程的“咽喉”，落后的手工配重方式费时赞力费 财，严重阻碍了企业的发展。自动配重系统虽然在工业生产的很多领域都有广 泛的应用，但是对于责羹金属的定量自动配重， 蠡于其黉求精度高、速度快、 量程小、用途特殊等原因，目前还没有现成的自动化系统可供选用。因此，为 掇离生产效率、辩低劳葫强度鞍生产戒本，实现生产自动纯、管理科学纯，设 计开发一套稳定可靠、计最精确的自动配重系统就显得非常迫切了。 本黄金鑫动酝重系统采嗣鼙镕# 广泛运用的、具有集中管理、分散遂辑优势 的分布式控制来实现整体构架，采用多工位协同工作、料珠筛分、振动绘料预 溺控裁、丝精绘鹣俑摄驱动、c a n 总线遂信等方法，分澍解决了黄金舀动配重 商精度与快速度的协调、振动给料非线性大滞后过程的简准确度控制、丝料进 给长凄静精确控京l 、各工位模块之溺弱送行节掐协调控翻、上下位辊之澜安全 可靠的数据通信等关键问题，设计了功能完善的上、下位机硬、软件，实现了 蘩个系统聚重精壤一1 0 0 m g 、速凄2 0 0 次，分镑、豢程1 0 1 0 0 0 9 鑫透应静预簸鼙 桥。系统实用性强，技术在国内处于领先水平。 论文扶叁动聚重系绞懿慈谤结擒设诗震署，溺述了块瓣热翳、臻耩凝配、 珠料细配、丝料粗配、丝料细配、卸料六个工位及料珠筛分模块、回转工作台 熬褪辕、毫气结掬及控铡过程，蓬点谂逡了舔量天乎戆逸受、王 乍露理、数据 采集方法：珠料振动给料机构、缝料进给伺服机构的机械结构、电气控制原理 帮控制方法；振秘绘料过程的数学模型、特点分掇，基于理怒攘銎鳃蕞溅控制 策略的提出、设计和算法实现，实验数撼、仿真数据的对比分析：上位机的运 摘要 行控制、数据管理软件，匕下位机的数据通信等。 通过对黄金自动配重系统关键环节、关键技术的设计、疆制、实验秘分板， 系统达n t 镉户的预期要求，配重过程快速、稳定、可靠，配重结果计量准确、 精腹商。该系统的研制完成，极大的降低了王人的劳动强艘，提高企业的生产 效率，为企业实现生产过程的全面蠢动纯、信息化葵定良好的基础。 关键谲：黄金翅动配羹系统定量绘料分郝式控翩系统预溺控翻交流伺 服系统c a n 总线 珏 【l 川太学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f g o l d a u t o b u r d e n i n gr a t i o n i n gs y s t e m m e c h a t r o 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 g r a d u a t e ：l i uy a n g s u p e r v i s o r ：w a n g b n g g u i r a t i o n i n gi sak e yp r o c e s st ot h eg o l di n d u s t r y , b u tn o w a d a y sm a n u a lr a t i o n i n g i si n e f f e c t i v e ，t i m ea n de n e r g yc o n s u m i n gw h i c hi m p e d e st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f t h ee n t e r p r i s ea n dc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fc o m p a n i e s 。a u t o - b u r d e n i n g r a t i o n i n gs y s t e mw a sw i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i e s b u tn oa u t o b u r d e n i n g r a t i o n i n gs y s t e mf o rg o l di sa v a i l a b l ed u et o 糙馥p r e c i s i o n ，n a r r o ww e i g h t i n gr a n g e ， r e a l - t i m e ，a n ds p e c i a lp u r p o s eo ft h es y s t e m t oi m p r o v ew o r k i n ge f f i c i e n c y , l o w e r c o s t s ，a n dt or e a l i z em a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o na n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n t , i ti s c r u c i a lt oc o n s t r u c tt h eg o l da u t o b u r d e n i n gr a t i o n i n gs y s t e m t h es y s t e mw a se s t a b l i s h e dw i t ht h ee m p l o y m e n to f d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ，w h i c hh a sa d v a n t a g e so fc e n t e r e dm a n a g e m e n ta n dd i s t r i b u t e do p e r a t i o n sa n d w a sa d o p t e db ym o s to ft h ep r o c e s sc o n t r o ld o m a i n s 。t or e a c ht h ed e s i g nt a r g e t ，t h e f o l l o w i n gm e a s u r e sw e r et a k e n ：m u l t i w o r k i n g - p o s i t i o nw o r k i n gc o l i n b o r a t i v e l ya n d c l a s s i f i e db e a dg o l dw e r ee m p l o y e dt oa t t a i nt h es y s t e m sh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r i n g w i t h i nr a t h e rs h o r tp e r i o d ；p r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mw a sa p p l i e dt oc o m p e n s a t e t h en o n l i n e a rd e l a yo fv i b r a t i o nf e e d i n g ；s e r v om o t o rd r i v ew a su s e dt oa c c u r a t e f e e d i n go ft h r e a dg o l d ；c a nb u sc o m m u n i c a t i o nw a sa d o p t e dt oa c c o m p l i s ht h e w o r k i n gc o n c e r t e d l yo fw o r k i n gp o s i t i o n sa n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n u p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r s ；s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r s w e r ed e v i s e d ，a p p l i c a t i o n si nab a n k n o t ep r i n t i n gc o m p a n ys h o wt h a tt h es y s t e m r e a c h e sa c c u r a c yo f lo 0 r a gw i t h2 0 0t i m e sp e rm i n u t ei nm e a s u r i n gr a n g eo f 1o mo o o g ，w h i c hi sh i g h l ye v a l u a t e db yt h eu s e r so ft h ec o m p a n ya n dk e e p sa h e a d d o m e s t i c a l l y f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o nc o n c e r n sa b o u tt h es c h e m ed e s i g no f t h es y s t e m t h e n ，i t c o v e r st h ed e t a i ld e s i g na n di m p l e m e n to ft h es y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sm e c h a n i c a l ， e l e c t r i c ，e l e c t r o n i cm o d u l ed e s i g na n dc o n t r o lp r o c e s so fs i xw o r k i n gp o s i t i o n ( i e b r i c kg o l df e e d i n g ，b e a dg o l dc o a r s eb u r d e n i n g ，b e a dg o l da c c u r a t eb u r d e n i n g ，t h r e a d g o l dc o a r s eb u r d e n i n g ，t h r e a d 耐da c c u r a t eb u r d e n i n g ，g o l dd i s c h a r g e ) ，硗a dg o l d c l a s s i f i c a t i o na n dr e v o l v i n gw o r k b e n c h f u r t h e r m o r e ，i ta l s od i s c u s s e sw o r k i n g m e c h a n i s m ，d a t aa c q u i s i t i o na n ds e l e c t i o no ft h ew e i g h t i n gs c a l e ；m e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n de l e c t r i cc o n t r o lo f b e a dg o l df e e d i n gm a c h i n e ；m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ， p r e d i c t i v e c o n t r o la l g o r i t h m ，a n dc o n t r a s ta n a l y s i sb e t w e e ne x p e r i m e n t a la n d s i m u l a t i o nd a t a ；t h ed e s i g no fr u n n i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s o f t w a r e ，a n d c o m r a u n i c 确o ns o f t w a r e 。 t h er u n n i n go ft h es y s t e mi ss t a b l ea n db u r d e n i n gr a t i o ni sa c c u r a t ea th i 曲 s p e e d a p p l i c a t i o n so ft h es y s t e mi nt h ec o m p a n yr e d u c et h ew o r k i n gi n t e n s i o no f w o r k e r sa n di m p r o v e w o r k i n ge f f i c i e n c y , w h i c hl a y s t h ef o u n d a t i o n so f m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o na n di n t e g r a t e dm a n a g e m e n to f t h ew h o l ee n t e r p r i s e 。 k e yw o r d s ：g o l da u t o b u r d e n i n gr a t i o n i n gs y s t e m ，r a t i o n f e e d i n g ， d i s t r i b u t e dc o n t r o l l e ds y s t e m ( d e s ) ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ，a l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) s e r v om o t o r ，c a nb u s 1 绪论 随着计算机技术和现代控制技术的飞速发展，及以先进信息技术改造传统 产业的进一步深入，越来越多的生产过程需要实现称量的臼动化和智能化。本 谍题从分布式控制系统( d c s ) 的设计原则出发，融合自动控制技术、计算枧技术 与现代控制技术为一体h j ，设计实现了自动化集中管理，功能和位置分散处理 的黄金自动配重系统。本章首先简要介绍课题的来源和课题研究败鼠的 n 意义， 分车厅了定嶷配重系统的组成等，并对自动配重系统的发耧、现状、应用釉趋势 进行探讨，最后简要介绍课题的主要研究内容。 1 1 课题来源及课题研究的圈的和意义 1 1 1 谍灏来源 黄金自动配熏系统是应某黄金精炼厂委托，用以改变原有的手工定量配料 稼塞方式，采爰残找控翱援术、穗电一钵纯技术、计算氛技术等蕊代秘蒎手段， 实现高精度自动定量配料称量的黄金生产系统。 系统甏求竣该企韭瓒有黄金凝重生产滚疆为鬻景，对涣精、臻辩、丝辩混 合配料，自动分配物料比例，最终实现黄盒产品的定量精确称量。构建黄金自 动酲凝懿爨系统，戳毫遮褰糖凄瓷量程豹鑫动配蓬过程取代盘数黎有鹣手工过 程。在此前提条件下，本课题将对黄金自动配重系统进行研究和开发。 1 1 2 谍飚研究的目的和意义 在工照生产豹每拿领域，龟撬翻萎、食鑫、黧辩、承泥、诧= 芏= 、玻璃、采 矿及金属游行业，经常需漂按照工艺配方戚其他臻求进行备种物料的准确配料 与稼量 魏。麓粒赫谤繁多，滚囊毂舅，称量莛澄参，精凄要求篱，但瑟时又 是蠢殳善或提高产晶性能、保证产品质量的关键的一步。人工配料劳动强艘大、 生产效率低、工 管环境差，在酝瓣遥程中容易造畿罐嚣、漏配，潍精精度受委 人员素质和情绪的影响。翻动配料称量是今后配料发展的必然趋势。 黄金佟为一稽贵重金满，其繇藿藕凄鼗求缀盔，黄金企选豹称重系统是受 业生产过程的“咽喉”，称照精度对整个产品的质燎举足辎重。落厢的称谶计量 菠餐靼手王配重浚程效率低虽劳动强度大，严重影响金渡拣生产效率及产瀑囊 量的稳定。因此，实现商精度黄盘自动酉己藁系统对黄金企业来说姆在必行，对 结论 改薄企业在配科称髓水平，实现生产自动化、管理科学化，提高企业的经济效 益，具有积极晦重要的意义。 本课题研究的 j 的在于，通过多 _ 步的、多形态黄金原料的籀精自动定量 配料过程，实现黄金快速、离精度的自动定量配料称量，从丽改善现有手= 黄 金称重计登带来的种种入力、物力、财力嘲难，提高黄金称重计登的效率，提 高称量精度相称量精度的稳定性，实现黄金称重计量的自动化，降低工人劳动 强艘，提高生产效率，实现企业生产过程的自动纯和现代化。 本课题的研究开发和项目实施有以下意义： 对擒商黄金称量的精度及其稳定往蕊有重要意义。之前黄金的称重计量 依靠手工i 投行，称熏计量精度很大程度上依赖于工人对仪器操作的熟练程度， 工人静按术承乎及箕精粹状态对称霪诗量精度影响瞧缀大，实现整动配重后， 将达到高精度称量和稳定称量。 踺疆蔫生产效率、降低工夫劳动强瘦、提高金监营劝讫水平具有董嚣意 义。黄金自动配重系统实现自动称犍，将大大提高称量速度，同时显著降低工 人鼹工捧豢，提高金、豆浆舀动讫永平。 对提高产品质量、降低黄金原料的消耗、提高企业效益和竞争力具裔重 要意义。黄金静醚燕是生产过程静美捷环节之一，配重的精度对嚣序生产过程 具有重要影响，进而影响产品的质挺，实现黄金的精确配煎对提高产品质爨具 有黧要意义。黄金逶责重量重要静衾敲铸籍锈资，黄金鬣黧静精凌低，不仅会 造成黄金原料的不必要损失，同时也将严徽影响企业信誉，因此，实现高精度 塞凌酝重黯提毒企激效益秘竞争力蕊有重簧意义。 本课题的研究是对黄金等贵重金属囱动定爨配料精确计量的一种尝试， 黠獒它贵耋拳孝秘及冀宅行潼实褒垂动琵籍精确计量粪有重要瀚黄鍪作蠲。 ，2 盎葫配重系绞篱贪 本课题的研究圈标是建立定量自动配麓系统，它是为了达到定摄称量物料 ( 销懿称萋爨t o o 克豁黄金) 瓣嚣蛉，誊务羚琵蚤耱不弱形态褰辩( 主要包括 块料、珠料和丝料) 的给料熏量，并控制各种物料给料过程和称量结果，同时 台邂稔当遗对墨簿物辩给辩麓蠡馥送行潺整窝替繁，最葵实现定量输 襄魏料蕊 生产要求。 2 旧川1 人学硕十学位论文 定量自动配重系统是一种新型的配料称量系统，不能等同于现有的微机配 料系统、称重计量系统等。微机配料系统是为了获得各种物料的准确配比而将 各种物料以一定比例称量、喂料，而定量配重系统是为了获取准确的称量结果 而将不同形态的物料以串行的方式依次给料，使其总重量达到目标值：它也不 同于单纯的称重计量系统，为了达到称量的目标值需要由配重系统本身完成物 料的给料过程，而不单单是对已有物料的称量。本文介绍的定量配重系统将多 级定量给料系统、称重计量系统等采用分稚式控制系统的方式集成为一个完整 系统，巨其偏差范围要求必须是负偏差，而不是一般配料称量系统的正负偏差。 因此，这里的定量配重系统涉及到精确称重计量、定量给料、给料过程控 制、多工位分布式控制、总线通信等，是融合传感器技术、过程控制技术、计 算机技术与信息通信技术等为一体的复杂的配料称量系统。 1 ，3 自动配重系统的丽内外现状 1 3 1称麓计量技术的发膳现状 稼重计量技术在工泣领域其有广泛豹瘟螽背聚，称羹计量技术在经历了税 械式、模拟式称量，电子化、数字化称量及微机智能化称量等的时代之后，至 丸卡年代，进入集畿 皂称震诗量、摸鍪纯蒋重请羹酶薪时 弋l 。 数字化、集成化称量技术的产生与发展是人类称重计量发展史上的激要历 疆霹l “。这是淹着生产过程螽动纯两提出静。蓬蘩工艺过程静不叛自动化，称 重越来越失去它作为单件计量器熬的意义，而变成了调节和控制过程中的个 蘩要骂节，它良箕信意来控誊l 霜调节工艺滚程，为经济棱簿提供霾要静数据。 这发展最初以模拟方式获取称煎结果，随后导效了许多工业部门用计算机控 制生产过程。予怒，稳重计量茳往残为获褥过程参数秘决定往静灏量环节。在 许多应用场合中，需要称蓬计量能够接受榆定，以求在获取量值、处理和记录 羹煎方瑟都能保持较毫蠡擘测量准礁度拉l 。 近来，采用模数转换器把模拟量转换成数字爆，借助于微处理机，能够把 璺瞧获取秘楚瑾等缀件集成起来，裁鼹软僭程彦窳充分发浑毫瘦榘或静滚气电 路的效能。因此，这种线路技术的重点从硬件移到软件上，特别是在自动称量 技术中，称量软俘对未寒臻量技术载菱鼹熬重要瞧将鑫慧遂长，疑有钱越歃软 件设计才能使系统的硬件得到充分的发挥，使系统达到最佳状态。 ! 二! ! ! ! ， 国际t 已经取得丫动态精密称孱的技术突破，逐步实现了智能化测量，称 量技术已经跨入，高技术王国。我国的穆羹计量技术在国家鲍大力支持下，己 经取得了很大的发腥，就产品的品种、技术水平和质量而苦t 动态电子轨道衡、 电子汽车徽、电予皮带秤、电子计价拜等，基本达到了国际同类产品的承乎。 而在自动衡器中的电子定鼙包装秤、非连续和连续称量自动秤、重量检验秤、 重懿分选秤等，还有一定的差距【6 1 ，致使我国要进豳提多的稼重计爨装置e 1 3 2 分布式控制系统的发展现状 自动配重系统楚将多缀定量配料称量系统等采用分布式控制系统的方式集 成为一个完艇系统，所谓分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，d c s ) ，它 是强微娃毽祝为棱心，采蠲数据通讯技术和图形显示技术的新型计算祝控制系 统，它是种利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和现场前 端分散控翻辐统一豁耨鍪羟铺技术弘l 。 分布式系统是在总结模拟调节仪表和计算机集中控制的优缺点的基础上发 震形藏静。势森式羧裁系统蹉多台徽橇处理枫分散在生产现场，邋行过程晌铡 量和控制，实现了功能和地理上的分散，避免了测量、控制高度集中带来的危 陵键秘鬻麓仪表控澍功能零的嚣羰经 3 ，9 1 ；数据通信毅术和c r 显示技术以 及其他外部设备的应用，能够方便的集中操作、显示和报警克服了常规仪表 控麓过于分散穗久孛氕联系潮难靛特点。2 0 氆纪7 0 年代锾电予技术稍计算车曩技术 的煎大突破，为分布式控制系统提供了体积小、功能强、可靠性高、价格低廉 豹微整理枫窝各类半导薅芯片，为发震分南式控裁系统奠迩了物蕊基础。分布 式控制系统自产生以来，受到研究人员的鬯遍关注，在各行各业控制系统中也 褥戮了骜遍应蠲l & ”，”1 。 1 3 3鑫动配重系统在匿内羚势发袋及痉羽 自动配藏系统魑将多级定量给料、称羹计量系统等采用分布式控制系统的 方式囊袋为一令完整系缝，在嚣羹系统蕊关键嚣节球羲摄确缭辩工整，f 位规 系统实际上就是一个定量配料称量系统。所谓配料称量系统，是指绘料系统在 运行孛蒋翳褥褥魏实际给辩藿隧露与按生产王艺要求诿覆在控制饺器中熬璃论 给料量相比较，并翻动调整给料设梧速度以进行给料量的控制和计霜的给料设 毒 四川犬学硕 学位论文 备。实际给料量紧紧跟踪预置鼍，使其差值在一很小范围内，这个差值与预定 值的百分比就是给料精度，目前给料精度的国际水平一般在o 5 以内。根据 生产工艺要求，如需改变给料量，可以键盘输入或自动输入新的预置量，定量 给料系统就会立刻自动跟踪这个新的预置量，自动调节电气控制设备，使系统 的给料满足预定的要求。 在国外，对定量配料称量技术的研究比较深入【1 3 , 1 4 1 ，已有高度自动化的定 量配料称量设备【l ”，而国内这方面的设备在控制精度、稳定性方面较差。为达 到定量给料的目的，给料机构的控制成为研究的重点 1 6 j 。现代控制技术在定量 配料称量系统中的应用也取得了较大的进步，如采用模糊智能控制实现核子秤 定量配料称量，达到了o 4 的精度【1 7 】；使用动态模糊优化算法实现炼镍矿热 电炉配料的控制，降低能耗，提高资源利用率，获得了显著的经济效益f 1 8 1 。 近十年来，我国已从日本、英国等地引进了多台小粉料的配料称重系统， 从实际使用效果看，只有环形布置的多工位配料称量系统和圆形布置集中配料 称重系统最为成功，受到使用厂家的欢迎。前一种即环形布嚣的系统配料品种 多、配料周期短，可满足多台大型密炼机组的小粉料配重要求，但价格昂贵； 后种即圆形布置的系统配料品种少、周期长，适合于规模较小的厂家使用。 国内有万向公司已研制的圆形布置的配料称重系统，采用上位工控机和下位p l c 的两级微机控制，各项技术指标优于进口圆形系统产品，并已成功应用于橡胶 1 厂的密炼生产线上【j 。 l 。3 4 自淤配重系统翘发糙趋骜 自动定量配重系统正向着在线式、高精度、模型化、数字化、微机智能化 以及系统佬、集戏仡方国发蒙。 配霪方式向自动、在线方式发展。配重方式过去主爱为手动、离线和静 态方式，为了适应工鳖生产等部f 戆捷这亵效生产窝运俸瓣震要，囱叁动、在 线方式发鼹。自动在线配种称量魁正常连续作业的情况下，在生产线上自动进 纷舔量，裁够及时掌握重燕信息，合理精确控裁酝睾喜过程，提高生产率萃瑟产品 质最，节约能源【2 】。自动在线配重将成为未来主导的配料称量方式。 配重向毫精度方国发展。壤蕾霆动穗量系绞在工娩镶域广泛应溪，放潆 粉的配料称量，到黄金等贵重金属的配重，由于应用领域的特殊要求，对配重 绪瞳 精度的要求越来越高。l 刊时，同领域为了追求更高的经济效益和更少的材料 消耗，也逐步提高配重的精度。 配重过程向精确的、模型化的配料称量方向发展。它把配料、称量视为 个整体的过程，把计量及信息处理视为系配料统的一个组成部分。根据事先 掌握的信息即先验知识，以及实验获得的数据即后验知识，利用系统辨识来建 立配重过程的数学模型，并通过相应的算法来处理数据，从而对配重过程性能 进行状态估计，或通过算法、软件来修正配料过程，达到准确的定量称量结果。 定量配重向系统化、集成化方向发展。以前的定量配料称量多是分离 的各个过程，给料、称量、工位转换等多是分开实现的，互相之间关系不大， 将各个部分组成一个系统后，提高了生产的效率，减少了人为干预的过程。 本系统的研究正是为了达到高精度、自动、在线方式的称量目标，采用模 型化、系统化、集成化的方式构建自动定量配重系统的。 1 4 课题盎要研究内容 矮鏊磷究内容主要毯捂以下死个方面： 1 ) 系统总体方案设计； 2 ) 系统整毒垂辍禳结构戆竣诗； 3 ) 系统控制模块详细方案的设计： 毒) 稔蓬专 量传感器遗塑及数攒采集； 5 ) 控制模块的设备选型和硬件设计： 6 ) 掇动绘瓣数学挨銎、控毒l 模型懿建立 7 ) 振动给料撩制算法的实现； 8 ) 系统主下像橇软馋戆缡写； 9 ) 软硬件调试、实验及仿真分析。 四川大学颞士学 亏论文 2 系统总体设计 2 i 系缝设计舅标 根据客户提出臻求，经过对现有工岂过程的仔细分拼讨论，确定出本系统 的设计目标为： 配堕范围：1 0 1 0 0 0 克 配重精发；一】0 - 0 毫吏( 腿目标1 鬟) 连续正常工作速成：2 0 0 次j 、时 从上述系统设计目标可以看出，黄金自动配重系统与普通的称重计量相比， 育以下显麓特点： 1 ) 计量总重摄范围宽。计量总重量为1 0 1 0 0 0 克，最小时低达1 0 克，与 其他场合蠢羁承混厂豹每次配料数褥公斤稻比，要小的多，因既对系统总静精度 要求高，从而要求系统机械部分、传感器部分、电气控制部分等器个组成部分 鸯缀高懿鞲度。并且逶过一套系统实现1 0 1 0 0 0 克静宽藏圈配重，要求系统有 很好的适应性。 2 ) 计量精凌离。系统要求懿鬣料绝对误差为，1 0 0 毫克，黉翔粟配料1 0 0 0 克，其相对误差达十万分之一，这是相当高的精度要求。并且由于黄金计量系 统蕊蒋豫靛，要求系统绱夔只髭为负镳差，这氇臻蕊了对系统诗堂精度靛难度。 3 ) 计量速度快。每小时2 0 0 次的计量速度本身对黄金这类贵夏金属来说是 藏已经是凝当筷黪计量逮瘦，又怒在i 塞z , 离要求静计量睾骞菠下，闲瑟系统的诗 量速度的要求也椴高。 4 ) 鑫动讫程凄毫。要求整个过程叁渤进行，无嚣大王戆于予囊。 2 2 系绫总体设诗悬想 根据系统设计目标及特点分析可知，采用单次配料的方法难以满足系统的 要求，其原因是擎次配料逮痊与糍度难予渗调，缀然可以配料速度宓瑟裂缀抉， 但精度很难达到要求。基于此，本系统采用物料糨配和精配相结合的方法进行 计爨配料，充分发挥粗配鬻料速度块，秽凝配配睾喜糖度赢豹饶势，著虽，糖配 和精配分开配料，易于针对其物料特征进行恰当的设计。本系统采用以下方法 和措施保证设计爨栎的实现。 计量系统通过配料来完成。为了同时满足计量的精度和速度要求，根据 7 三曼望璺竺堡生一 黄金原利形态分为块料、珠料和丝料的现宵条件，系统分为块料加料、珠料配 料、丝料醚糙三种方式进行醚料逆篓= 。块辩、珠糕醚燃速黢诀，单次配料羹量 大，精度不宜控制，完成物料的粗西己；而丝料自t 料速度馒，单次进给物料重量 小，配料精度高黾容易拧制，完成物料鲍精确配料，并绦谶系统的诗量精度。 通过块料加料实现大量稃计靖时的初始配料。由于计量总重量范围宽， 为l o - 1 0 0 0 克，供仅通过球料、丝料盼配料毋易满足矢量援龅诗量r 增加蛱将 工步，迅速接近配羹的目标德，为盾续配料过程节约时间，减少工作量。 计量通过粳、精计量分步完成。为了进一步提高计量的速度和糖度，在 珠料和丝料的配料过程，都将原料避行进一步筛分，提高物料的均匀度和一致 性，为分析物料特性、针对物料特性进行配料过程的精确控制奠定凝础。 通过枫械手都瓣工位来实琉配重完成后产品钓自动卸料过獠。系统配重 完成后，完成配料的产品需要自动转送出本生产线系统，同时新产品的配料过 程癸从该工靛开始遂入配重系统中，因此通过祝槭手卸辩工位实现已完成产品 退出系统，和新产品进入系统。 逶过均匀分布在嚣彩托盘主的回转互作台素实现多王位的密动流转。系 统分六个工位，分别为块料粗配、珠料粗配、珠料糟配、丝料粗配、珠料精敝、 瓶掇手帮辩。为实聪一次配搴粤过程在六个工位的自动切换，设计了嘲形托盘自 动生产线，使各工位依次均匀分布托盘转台，l ，托盘每次转动6 0 度角( 3 6 0 ， 实凌次配辩在多王位主鹣秘动彝豁流转。 2 3 撬裰缭梅设计 就机械部分来说，本系统有六个工位，缚个工位均可视为一个子系统，加 主辩臻热辩之翦爨霉要蕊摄弱菊分嚣t 襁，释鼹转王佟蠹，共有，令子系统。褫 械部分主体是六工位均匀分布的圆形自动生产线，与配套的振动筛分机构，结 擒紧凑，拯露2 。 翳示： s 旧川人学钡士学位论文 工位5 ： t 位4 ： 丝料精酣 丝料粗配 国一固 r 位6 ：， 卸料 工位l ： 、块料加料 一- b r 位3 ： 一储j i | 画。 ，之：。，飞 。一。工位2 ： d n 一匿徊 操作人员 图21 系统总体机械结构图 具体分寄斤如下： 工链：久工( 交麓) 块辩热瓣，胃在控稍管理软 孛中设置弱换久工或鸯 动。主要幽电磁振幼送料机构和电子称及相关电路构成： 工位二：大颥珠释凝料。主要宅强送精辍秘帮电子称及稳关电路鞠威， 其机械结构如图2 , 2 所示： 潮2 2 珠攀； 热孝萼工稼壤援绣梅图 9 2 系统总体设计 工位三：小颗珠料加料。主要电振送料机构和电子称及相关电路构成， 其机械结构与工位二相同，如图2 2 所不： 工位四：粗丝料加料。主要由伺服电机系统、送丝机构和电予称构成， 使用黄令丝直径不小于0 5 m m ，且所加丝的单段长度小于3 0 r n 】r n ，该工位加丝最多 不超过5 段，其机械结构图如图2 3 所示： 槽 吉| 服机构 切刀 图23 丝料加料工位机械结构图 王位五：绸丝精藉瓣。主要宙饲鼹毫税系统、送丝椒穆和商糖凄电予称 构成，使用黄金丝氟径不小于0 3 m m ，且所加丝的单段长度小于3 0 m m ，该工位加 丝鬣多不越过5 段，其辊缀结穆与王位西鞠嗣，翅图2 3 繇示： 工位六：机械手卸料。主要由机械手及相关电路构成，其机械结构图如 霆2 。4 联示： 0 翌 传送线 、一一一， 、，、回转1 _ 作台 图2 4 卸料工位机械结构网 搬动筛分视构：筛分出工位二和工位三所需要的料珠，料珠颗粒大小比 例通过调套现有料珠情况靳本系统需求状况综合确定，分开的料珠保证颗粒大 小的一致襁，用以提高计溪精度，并可戳自动加入工位二和工位三的电掇给料 机的料仓内，振动筛分机构主要由电振机_ ；： 筛分机构构成； 酗转工作台：幸# 为六个工位的支撑和输送机构。为了提高工作台扁停、 上下的速度t 采用气动方式，通过工作台转动实观料杯在工位问的依次递进与 褥环。 2 。4 控涮结梅设计 由系统的机械结构，可知系统的八个子系统捆互独立，又相互协作。各个 子系统稳耍独立，每部分殇需甍进行不同嚣控制，如泠辩工位浠要校瓣计量 天平测得的重量控制给料机构的运行，卸料工位控制机械手抓起或放下料梅并 转动1 8 0 液，等等。各个予系凌栩互镑乎蕃，蘸一予系统酾运行状况将直接影响 后一子系统的工作，如需硬每个工位均工作完成聪回转工作台才能转动，匕一 王窿聚糕鬟已蓑邋蠢标燕嗣可莪需要蘸过夺工整熹接遂入下一工位，等等。 鉴于以上特点，我们决定由单片机分别完成六个工位和筛分机构这七个子 系统戆猿立控裁，童工控橇实溪七个子系缝嚣稔溺工存及露转工作台瀚转动。 即工业控制机与单片机结合的分布式控制祭统( 简称d c s ) ，又称黛敞控制系统， 这也是雾籍最流行翡工数控裁系筑模式。以模块纯夺型孳片规露为现场掩籁单 元( 下位机) ，通过现场总线与工业控制机( 上位机) 进行通汛。 一姆 ，竺 。 2 簌统总体设 十 一卜位机一般采用p c 上控机，通过其串行口及网络通信控制器与网络上的各 控制站单片4 枧进行信息交换，f 线运行时安时地监视d c s 阙络上各个单片机的 运行情况，及时调整系统配溉及些系统参数的设定，做好协调工作，使d g s 随 时处在最佳的工作状态之一f 。上位枫是控剑系统的核心，负褒对系统进行配 器、 维护和管理，对生产过程集中式监控，生成各种报寝等。 下位机为单片机控制模块，即现场控制单元，踟以微处理器8 0 c 5 1 为核心 的智能控制器、a d 、d a 模块、i o 模块及通讯接口单元构成。它黩备行使控 制和监测功能的一切必备要索：包括c p u ，存储器，i o 控制功能，通讯能力， 两终支持，高级语言编程能力，扩腥能力以及在线数据修改能力等 2 鼬。下位机 分担数据的采集测擞、执行机构的运行控制等功能，保证备个子系统的独立运 行、稳定可靠。 上下位机之间的通信采用现场总线技术，使用可进行简单连接的双绞线等 捧为总线，把多个f 位辊连接成网络，并按公开、烧范的通信济议，在位子现 场的下位机与远程监控上位机之间，实现数据传输与信息交换，线路简单，数 据臻确可靠。 这样，d c s 系统羧地区把微处理机安装在测量装鼹与控制执行机构附近，将 茬截功藐尽可爱努散，蓉建凌麓糖对集孛。既能可靠邃实现现场裁缝控割，又 能实现流水线作业的集中显示与控制，充分保证了系统的安全性、可靠性致灵 活强。戳系统蕊络为藿穑，僳证整令系统运行韵实对性、可靠牲霸扩充链。 由于l a c s 系统舆商性能先进、功能齐全、可靠憷高、结构灵活、组态快挞、 舅子扩震等褥点，臻兹已广泛瘟豫予工堑爨动纯镶域豹实对髓控营矮系统孛。 以下简要介绍本系统中各个下位机模块的功能规划、上位机的管理功能及撩统 蘸道德瓣终结橇。 2 4 。l 下位橇系统设计 2 4 1 i 块料加料工位 在瑷弱麓鬻工程孛，块精趣褥采鬻天王魏秘。窒辩棒转动戮浚工应，接 近开关检测剿信号后，单片机开始记时，同时提示操作员加料，当时间到达8 秒黩，警承搽俸曩已经完成鼹糕，著确谈天平蕊量髂号，系统延对5 移；警德 工作台转动避入下个工位。 四j i j 大学硕【学位论文 块料加料工位的控制结构图如图2 5 所不 图2 5 块料加料工位控制结构图 1 紧急停机按键 2 步进调试按键 ( 3 结束按键) 1 双色灯：正常异常指示 2 托架转动前提示 在块料加料工位，下位机予系统的功能主要有： 对此工位的配料数据进行采集、处理、运算、显示和存储等 判断工位的工作状态，并进行相应的状态指示： 及时提示操作人员，保证人员安全和正确操作。 2 4 1 2 料珠筛分模块 瓣珠簿分模块将现有黻粒严燕不均匀豹靛黄衾珠瓣滋行筛分，以褥到符合 配料机构疆求的粗料和细料，并自动将筛分后的物料输送到珠料粗配和珠料精 醚韵拳季仓中，傈泌两令工位的正黉运行。辩臻筛分模块後用硬件包括龟蕊筛、 电机、料位传感器、指示灯、单片机控制模块、接口模块、驱动放大模块等。 辩珠筛分模块懿控裁结擒图麴圈2 6 所示。 在料珠筛分模块，下位机子系统的功能主要商： 宠藏对振动筛分装嚣静掩铡； 筛选运行状态指示和故障报警； 对瓣臻醚精工位瓣仓静糕位透露稔溅，含理淘糕仓送精。 2 蠢铳总体设计 图2 6 料珠筛分模块控制结构图 2 4 1 3 料球粗配糟配工仪 稼耩抟鞭配工霞帮精瑟工建，辑谊建抟硬舞帮控销原遵、控裁方法竭穗黼。 使用鞭件包括汁量天平、天平数据采集模块、电磁搬动给料机、指示灯、单片 瓿接京蒺块、接日袋凌、驱劝放大模块、螽遮带隔离逶谖模块等1 2 l l 。振动给科 机幽单片机挂制其给料过程，由计鬣天平动杰称量配料量，通过数搬采集模块 蒋重墓反镶绘攀片飙，萃冀瓤攘据实时麓耄蕊通过一定麓算法诗算输密整裁餐， 调节振动给料机的工作电压，从而控制电振机给料过程。电振机工作电压商则 振动鼷瘦丈，缭藉速度姨，缭辩误麓大；工馋电歪繇燃菝动幅度凄、，绘精速度 慢，绘料误熬小。邀里的控制过程是一个闭环控制过程。 糖配帮鼗酲黎匿鬻在于穆瓣霰靛戆平均太每不溺，疆懿王位辩拣颗粒为0 3 克一5 克，精配工位为0 0 1 克一0 3 克。大料琳落料不易控制。由落料黼度、冲击 等产生隧瓤子燕夫，蔽嚣配辩误差较大；孛瓣臻穗对容易整翩，于撬穗黠较小， 配料误差也较小。 拳 珠嚣释工位瓣控裁缝穗热臻2 。? 氍累： 辱l 四川大学硕士学位论文 一卅拧制模块r _叫驱动器卜叫电磁振荡器 叫振动盘 一l 料珠! 裂。l _ 口丧珥一百i 弋，_ 7 系统i r _ 口丧珥| i ，7 千+ 双色灿：l l 常异常指示r7 料杯 i 厂， ，j 上 l剖高速带隔离通讯模块 _ i i i 二二二二二；一 天平 l 数据采集模块卜一_ | 图2 7 料殊配料上位控制结构图 在料珠配料工位，下位机子系统的功能主要有： 通过数据采集模块和天平，完成配料重量的实时数据采集；数据处理、 运算、显示和存储等；天平称重状态的掌握； ( d 利用一定算法完成对振动给料装置的工作电压控制； 运行状态指示和故障报警，主要是指给料进程的指示、料仓缺料或来料 太慢、天平状态异常等。 2 4 1 - 4 熊料粗配精配工位 丝精酝精工佼胄! | 到静硬件主癸有计量天平、天平数攥采集模块、伺服电机、 黄金丝料进给装置、切刀装置、指示灯、单片机控制模块、接口模块、驱动放 大模块、离速带隔离道讯模块等。单片枫穰据已配物辩的重量和金属丝荦位长 度的质量计算出需要加入丝线的长度，然后控制伺服电机转动角度，从而控制 导线轮转劾靛受液，峦剪刀装置鑫动剪繇金弱丝，使萁落入科舔中，称戆等待 进入下一王位。 丝籽程配移精配采辩不蠢鸯强的黄金丝线。辍丝配辐对，出予走丝较长， 须不断将送入的熊剪断，放入料杯中：丝料粗配只计算次，如不够，在丝料 精配王位每 足。裰配为开环控翻，精配为蠲环控涮。 丝料酉己料j e 位的控制结构如图2 8 所示： 2 蓉绕总体没 十 围2 8 丝料配料工位控韦4 结构鼹 在丝料酉已料工位，下位帆孑系统的功能主要存： 通过数据采策模块鞫天平，完成配料重量的实对数据采集；数据处瑷、 运算、显示和存储等；天平称重状态的掌握； 诗算褥到需粼秘静丝线长褒，控眚n 镯服电枫转动稳应的角蔑，如天平溺 量得到实际已配物料的重量与目标值之间的偏值是l l q ，黄金丝密度为p ，半径 为r ，送骞 滚予酶半经为r ，那么偶蔽滚 ： i 控截送辩滚予转萄桶角度8 - - m lnp r ； 粗丝配料过程中，切刀持续工作；细丝配料只切断次： 运行、捩态指示帮蔽簿擐警，主要指绘料进程豹指示、丝精缺料、天平状 态异常等。 2 4 1 5 倒料工位 强鹳王位实现已完成酝瓣戆产黯退鲞嚣转工传台、输送鲻指定位置，鞠空 料杯进入回转工作台。使用的硬件包括汽缸、机械手、指示灯、单片机控制模 块、接墨谟块、驱动放大模袄、高速豢隔离遥添模块等。 倒料工位的控制结构如图2 9 所示。 在丝瓣鬻糙工俊，下位搬子系绕豹珐筑主要骞； 完成实时对机械手的控制，按要求实现倒料动作； 运行过程状态揍示秘竣障擞警。 1 6 厂一 接_ _ l 指示灯 叫甚_ r 虾一 伏，l jl 】 l _ j 图2 9 倒料工位控制结构图 2 4 。2 上位机系统设计 d c s 系统中的上位机主要实现两大功髓：运行妊视和数据管理。前者指的是 豁视整个系统各个节点( 下位视模块) 的运行状态、协谪节点共同工作，包括 参数设置、数据通信、运行状态掇示报警等：后卷是指实现管理系统的功能， 包括数据维护、报表统计、系统帮助等。 2 4 2 1 运行监视功能 在本系统中，上位机的运行蠊视功能为协调六个工位和料珠筛分模块的工 佟，及捂簿匿转王作台酌转动，遗主要通过运行参数设嚣、数耀遁信、运行节 拍控制、状态指示报警等来实现。 i ) 参数设置 设置器个工位正常运行所需要的信息，如配煎的目标值、块料加料是人工 袋者鲁动，各工位最丈绘精量，黧料直径大小等。 2 ) 数据通信 实凌上位藏与各个下位税模辍之淘静数据遗信和交捩。向下位机发送运行 参数等，随时检查接收下位机运行状态信号。 3 ) 运葶亍节稿控餐 根据上下位机通信结聚，协调下位机工作顺序，控制回转工作台转动。 4 ) 运蜇状态攒示摄警 根据上下位机通信的结果在界面上显示上位机和各个下位机模块的运行状 态，整爨敢