玻璃横切结构及人机界面系统设计开题报告

一、    综述
玻璃装饰建材产品在日常生活中已得到了广泛使用。但是，就我国目前的浮法玻璃生产技术而言，除了合资生产线达到国际先进水平外，其余均属一般水平，与国际先进水平相比存在着较大差距。国家每年需要花大量外汇从国外进口大量优质浮法玻璃，以满足国内建筑业，装饰，装修和玻璃深加工业对优质浮法玻璃的需求。1994年，全国优质浮法玻璃产量占总产量的5.5%，经综合分析预测，本世纪末我国浮法玻璃需求量为1.4亿重量箱，其中，优质浮法玻璃需求量为：交通运输业850-900万重量箱，建筑业1250－1300万重量箱，制镜业300－350万重量箱，市场及其他400－450万重量箱，出口600－700万重量箱，供给3400－3700万重量箱。占总产量的24.3%－26.4%.我们应抓紧机遇，建设具有当代国际先进技术水平的浮法玻璃生产线，推进我国平板玻璃工业技术进步，生产出优质浮法玻璃，满足日益增长的市场需求，参与国际竞争，缩小我国浮法玻璃技术与国际先进水平的差距。我国浮法玻璃技术与国际先进水平的差距表现在软件上是指浮法玻璃生产线各部分的自动控制能力和全线自动控制程度和水平。对于浮法玻璃的生产来说，高水平的自控可以最大限度的消除认为因素对玻璃质量的影响，从而达到稳定，高质量的生产。国内的浮法玻璃生产线一般都是以半经验半技术自控，自控程度和自控水平较低。在加工浮法玻璃的过程中,高精度的玻璃切割作为加工的第一道工序是必不可少的。平板玻璃生产线是连续型生产线。原料在经过了熔化、成形、退火后成为连续的带状玻璃带。这条玻璃带必须经过在线切割才能满足包装与市场的需求。横切机就是玻璃在线切割必不可少的设备之一。它的设备形式、控制原理及与生产的匹配性直接影响了成品玻璃板的几何质量。平板玻璃生产线的特点是连续性和大规模，但是由于缺乏行之有效的控制方法，横切机切割质量的检测和调节一直是由人工来完成的。由于人工检测调节的间歇性、经验性和不确定性，玻璃切割质量的控制不能很好的针对工况的变化，同时又加重了工人的劳动强度。而横切机的切割系统是一个离散、滞后、非线性不确定的系统。传统的控制方法又很难满足它的控制要求。采用先进的智能控制技术可以将这一问题较好的解决。 [资料来源：http://Doc163.com]
目前,横切机对切割过程中的切刀速度的控制策略有两种: ①在切刀切割的过程中, 切刀的速度与玻璃带的速度在每一时刻都保持一定的关系, 即完全随动的策略, 切刀速度为时时变化的。以这种控制策略控制的横切机称为完全随动斜置式横切机。②当切刀停止时, 控制器根据玻璃带速度按一定的公式不停的计算着切刀的速度。当切刀启动时, 切刀以最
后计算的速度为切刀速度进行玻璃的切割。即不完全随动的策略, 每一次切割过程中, 切刀的速度是不变的。以这种控制策略控制的横切机称为不完全随动斜置式横切机。不完全随动式用于浮法玻璃生产中。完全随动式较难实现，目前尚无应用实例。

二、研究内容
研究方向、内容
随着单片机、PLC技术的发展，传统的控制系统逐渐被新型智能控制系统取代。鉴于PLC比单片机成本高，且输入/输出点数受到限制。本次毕业设计我主要研究单片机技术的全自动玻璃横切结构，分别对其机械结构和人机界面系统进行设计。
系统功能：
1）机械系统功能：
切割速度方向要求：玻璃带为运动的带状物体, 运动速度为V L。为了保证成品玻璃板为矩形, 横切机的切刀必须同时具有纵向与横向两个方向的运动 (如图1 所示)。纵向运动使切刀与玻璃带保持运动同步, 即纵向运动速度V Z 与玻璃带运动速度V L 保持一致; 而横向运动则使切刀完成切割工作, 其运动速度为V H。 [资料来源：https://www.doc163.com]
刀架运动要求；接到单片机控制信号后，落刀，由皮带带动沿横梁方向切割玻璃，抬刀，返回原落刀点。其中落刀刀口压力要控制在指定厚度的玻璃的承载范围之内。要保证其对玻璃的冲击不至于使玻璃损坏。
横梁的直线度不低于对玻璃的直线度的要求。
2）人机界面系统功能：
手动输入所要切割的玻璃的长度，当送料长度达到设定值后，切割。LCD显示切片数量，落刀位置，抬刀位置等参数，并可以通过键盘修改相关参数。键盘设置急停键，抬刀键、回车键，以便切割出现问题时手动处理。
 

三、实现方法及预期目标
初步方案：
1）机械结构方案
根据横切机上用以承载切刀工作机构并担负其工作运动导轨作用的横梁与玻璃带输送辊道 (玻璃带运动方向) 的相互位置关系, 横切机机械运动机构的组成方式可以分为垂直式与斜置式。
垂直式横切机（如图2所示）采用双运动执行机构,它的机械运动机构由横梁、横梁传动机构、横梁导轨、切刀小车、小车传动机构、小车导轨等组成。垂直式横切机的特点是控制方式简单易行, 但机械运动机构的组成方式较为复杂, 并由于横梁的运动惯量较大, 因而不适用于玻璃带运动速度较高的生产场合。在实际生产中, 垂直式横切机在平拉或格法玻璃生产线上应用较多。 [资料来源：Doc163.com]
 
斜置式横切机, 就是通过把决定切刀小车运动方向的横梁与玻璃带输送辊道 (玻璃带运动方向) 倾斜放置, 并对切刀小车沿横梁的工作运动进行控制, 从而实现玻璃带切割时所需的横向与纵向运动。
切刀小车的工作运动速度V Q 与横向运动速度V H 和纵向运动速度V Z 的关系, 可以由式 (1) 和式(2) 表示, 其中Α为V Q 与V H 之间的夹角。
V H= V Q•co sΑ (1)
V Z= V Q•sinΑ (2)
在玻璃切割过程中, 为了保证切痕的平直, 切刀的纵向运动必须与玻璃带的运动保持同步, 即必须保证V Z= V L。当V L 为恒量或基变量时, 由式(2) 可知, 可以通过分别控制Α和V Q 来实现V Z 与V L 相等的要求。若仅变化 A则称为角度调节方式;若仅变化V Q , 则称为速度控制方式。此外, 由于机械运动机构实现困难, 通常都不会采用对 Α和V Q同时调控的方式。
角度调节式横切机（如图3所示）
采用角度调节方式的斜置式玻璃横切机, 称为角度调节式横切机。它的机械运动机构由横梁、切刀小车、小车导轨、小车传动机构和角度调节装置等所组成 。
目前, 角度调节式横切机仅在一些应急的、非生产关键环节上有限使用, 但一般都不作为生产线上的主用横切机。而且, 角度调节一般都是针对某种相对固定的产品规格及以相对稳定工况为前提而进行的, 难以根据实际的V L 实现无级自动跟踪式的调节。 [资料来源：http://doc163.com]
 
速度控制式横切机(如图4所示)
采用速度控制方式的斜置式玻璃横切机, 称为速度控制式横切机。它的机械运动机构由横梁、刀具小车、小车导轨、小车传动机构等组成。这是机械运动机构组成方式最为简单的横切机, 也是目前使用最为广泛的。
当进行速度控制时,V Q =V L/sinΑ 由于Α为定值, 可知, 切刀工作运动速度V Q 与玻璃带运动速度V L 成正比。因此, 可根据实际测出的V L , 就能通过式 (6) 求出对应的V Q ,最终根据V Q 来控制驱动电机的实际运行。
 
图4　速度调节式横切机的组成示意图

由于机械运动机构组成方式简单可靠, 因此速度控制式横切机作为生产线上的主用横切机而得到了广泛的应用。本次毕业设计我也决定采用此种机械结构。机械结构简图如图5。
 
1 主电机    2  同步带    3  刀架    4  气动元件    5  玻璃切割刀
6 支杆      7  被切玻璃  8  工作台（玻璃输送机构）
图5  自动玻璃横切机机械结构组成

具体工作过程：
1、    通电：由键盘输入所切玻璃长度、切片数量、，落刀、抬刀位置等参数。点击启动键，系统自动运行。

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2、    启动主电机；单片机发出控制信号，启动主电机，同步带带动刀架到指定落刀位置。
3、    切割：传感器检测玻璃输送情况，到达要求长度时，单片机控制气动元件落刀并切割
到指定抬刀位置，抬刀。单片机的计数单元自动加一。刀架以最大回车速度运动到指定落刀点
4、    显示：将单片机计数单元中的数值传输给LCD并显示，全程显示落刀、抬刀位置、要求切片量等数值。
5、系统自动重复切割至实际切割片数等于设定切割片数或手动停车为止。
2）控制系统方案
主电机控制单元
为了保证加工过程的连续性和生产效率，切刀必须连续不断地工作，同时因切割玻璃长度的不同，主电机应持续通电，且能够调速以适应不同切断长度的需要。考虑到此要求，本设计中主电机采用步进电机，并变频器进行速度控制。
单片机控制模块单元
1、硬件设计
处理器用51单片机主要用于信号的采集，数据的处理、控制信号的输出等，它是整个控制系统的核心。
键盘完成加工参数以及干预信号的输入，通过对自动横切机的整个生产过程分析，用薄膜开关矩阵键盘。
考虑到以后显示功能的扩展，本设计采用的是RT12864M ST7920 汉字图形点阵液晶显示模块。

 
图6  控制系统结构原理

名称    型号    功能
单片机    51    中央处理器
接口扩展芯片    8255    扩展I/O口
LED显示屏    RT12864M ST7920    显示参数
按键    矩阵键盘    输入参数
地址锁存器    74LS373    锁存地址
变压器    24/12/5V输出    为单片机和步进电机驱动电路提供电源
测讯轮  脉冲发生器        测玻璃传输速度

表1  元器件列表

2、软件设计
根据自动横切记的自动化过程，采用模块化结构设计。设计掉电保护程序，保护工作状态信息和加工参数，以便恢复生产。
 
系统电源配置
为了保证系统可靠，单片机的电源与外部控制通道的电源必须隔离。
本次计的重点难点
本次计的重点难点是刀架结构的设计和显示系统程序的编写。
本系统的核心问题之一是对玻璃长度进行实时检测。在此系统中传感器采用测讯轮和脉冲发生器组成，测讯轮与玻璃平面接触，当玻璃向前运动时，带动测讯轮转动，脉冲发生器的轴随之转动。把脉冲送入处理器，对脉冲进行计数，实现对玻璃长度的计量。（如图8所示）

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图8传感器
四、对进度的具体安排
1、第1-4周    实习调研；
2、第5周      撰写并提交调研报告和开题报告；
3、第6-9周    机械结构设计；
4、第10-12周   电路设计及调试
5、第13-15周   软件设计及调试
6、第16-17周   撰写并提交毕业论文；
7、第18周      毕业论文答辩
五、参考文献
1、    聂刚. 平板玻璃横切机的分类及类别特征. 《玻璃》,　2002 年　第 2 期　总第161 期
2、    杨清翔 李文江.单片机在玻璃自动计数系统中的应用. 《辽宁工程技术大学学报 》2005年4月 第24卷增刊
3、    欧耀海.机电一体化全自动横切机. 《玻璃》 　2007 年 第 6 期 总第 195 期
4、    刘克福 李晓虹。基于单片机技术的全自动横切机研制。 《微机算计信息》(嵌入式与SOC) 2008年 第24卷 第1－2期
5、    叶文才.自动玻璃切割机控制系统的设计
6、    张瑞 张宇干 谈军 费晓勇.浮法玻璃横切机智能控制系统的开发. 中国建材装备 [来源：http://www.doc163.com]
7、    孟正大　郝立　戴先中. 开放式玻璃自动切割机计算机控制系统. 电气传动　2003 年　第 3 期　
8、    龚振邦，等 机器人机械设计【M】. 北京：电子工业出版社，1995
9、    殷际英编著 光机电一体化理论基础. 化学工业出版社.
10、    薛万鹏等译 C程序设计教程. 机械工业出版社.
11、    沈文等编著，AVR单片机C语言开发入门指导，清华大学出版社，2003. [来源：http://www.doc163.com]