毕业设计(雨辰)贴标机械手运动控制系统设计【全套图纸】.doc
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1、 雨辰教育工程学院 自动化学院 本科毕业设计(论文)题目: 贴标机械手运动控制系统设计 专 业: 自动化(数控技术应用) 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 起迄日期: 设计地点: 实验楼 _ Graduation Design (Thesis) The Design Of Labeling Manipulator ControllerByCAI WeitingSupervised byAssociate Prof. HUA MaofaDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 200
2、7摘 要本文概述了母导线的结构型式,使用范围以及选型,及其自动检测系统的组成和控制流程,着重介绍了贴标机运动控制系统的设计和功能实现。贴标机运动控制系统选用MCS-51系列单片机8031作为CPU,外部扩展了程序存储器和数据存储器,用于存储控制系统监控程序和数据,并设计了LED显示电路、手动键盘和编辑键盘。控制步进电机转动的脉冲信号,采用光电隔离输出,提高了系统的可靠性。另外还设计了与本控制系统相配套的步进驱动电路。在该驱动电路中,选用89C2051作环行分配器件,电路简单易于进行相序分配。本驱动电路为恒流斩波电路,能将电机绕组电流恒定,电路简单,工作可靠。文中绘出了驱动的电路原理图,给出了四
3、相步进电机的正转反转的程序设计流程图和主要的控制程序,最后介绍了Protel 99 SE 在电路设计中的应用,指出了设计中出现的问题,并提出了具体的解决方法。关键词:母导线贴标机;单片机控制;步进驱动电路;AbstractIn this paper, the structure, usage and composition of the automatic testing system and the control flow of the bus bar were introduced briefly, and the motion control of the labeling machi
4、ne is emphasized and realized. In the system developed, a 51 series MCU, 8031, is used as the controller, and data memorizer, program memorizer, LED displaying circuit, keyboard circuit and other function module are completed. Optical coupler used in the pulse generation and transmission, the system
5、 reliability is promoted greatly. Further more, a 89C2051 is used in the phase conversion of the step motor, the system got simplified. The schematic diagram of the driver, the flow chart of motion of the 4-phase step motor and main program of the controller is presented in detail. In the end of thi
6、s paper, the application of protel 99se in the system development, problems encountered during the design, is summarized and solution in detail is advisedKeywords: the bus bar labeling machine; Microcontroller control; step motor driver目 录第一章 绪 论 11.1 引言.11.2 选题背景与意义.21.3 研究现状.21.4 本文的结构3第二章 母导线参数检测
7、系统简介 42.1 母导线简介.42.2 母导线分类.42.3 母导线基本结构42.4 自动检测系统组成62.5 自动检测系统控制流程7第三章 贴标机运动控制系统电路设计103.1 贴标机运动机构概述.103.2 贴标机运动控制方案拟定.113.2.1 总体方案设计.113.2.2 贴标机控制系统设计.113.3 CPU选择及其外围电路设计.123.3.1 单片机8031简介.123.3.2 单片机8031的时钟及复位电路.133.4 存储器扩展电路设计.133.4.1 程序存储器的扩展.133.4.2 数据存储器的扩展.143.5 显示电路设计.173.5.1 LED显示器简介.173.5.
8、2 LED显示电路.173.6 键盘扩展电路设计.183.6.1 编辑键盘接口芯片选择.183.6.2 编辑键盘电路.203.6.3 手动键盘电路.203.6.4 编辑键盘流程图.213.7 输入/输出信号接口扩展电路设计.213.7.1 步进电机控制信号接口电路213.7.2 开关量输入/输出信号接口电路.213.8 地址译码电路设计.223.8.1 译码电路223.8.2 译码地址24第四章 步进电机驱动电路设计 254.1 步进电机简述.254.2 步进电机的控制原理.254.3 相序分配电路设计.264.3.1 相序分配电路264.3.2 相序分配软件274.4 功率放大电路设计.29
9、第五章 贴标机械手运动控制系统的原理图及PCB图绘制325.1 用Protel 99 SE 进行电路设计的基本步骤.325.1.1 电路原理图设计的步骤325.1.2印刷电路板设计的步骤.325.2电路原理图设计.335.3印刷电路板的设计.335.4 设计中的问题及解决方法35第六章 总 结 361、论文总结362、感谢36致 谢38参考文献 39附录A:英文资料.40附录B:英文资料翻译.45附录C:硬件设计原理图与PCB图.49附件: 毕业论文光盘资料第一章 绪 论1.1引言人类已经进入电气化时代,人们借助电气技术实现了自动控制机械、自动生产线甚至自动工厂,并大大地发展了自动控制理论。在
10、单片机出现后,计算机成为广大工程技术人员现代化技术革新、技术革命的武器。目前,计算机在工业控制领域中得到最广泛的应用,各种机电设备都竞相引入单片机构成各种控制器、控制系统以及相应的多机系统和网络系统。而本课题母导线贴标机控制系统,就是通过外扩键盘、显示和输入/输出接口等单元,满足母导线自动贴标功能的单片机系统。作为一名将成为电子、电气工程技术人员的自动化专业毕业生,了解和掌握单片机及其控制系统是非常必要的。目前,主要的自动贴标技术有三种:1“吸贴法”(或“气吸法”)这是最普通的贴标技术.当标签纸离开传送带后,分布到真空垫上,真空垫连接到一个机械装置的末端。当这个机械装置伸展到标签与包装件相接触
11、后,就收缩回去,此时就将标签贴附到包装件上。这种技术可靠地实现正确地贴标,且精度高,这种方法对于产品包装件的高度有一定变化的顶部贴标,或对于难于搬动的包装件侧面贴标是非常适用的,但是它的贴标速度较慢。2“吹贴法”(或“射流法”)这种技术的某些运作方式是与上述吸贴法相似的,就是将标签放置到真空表面垫上固定,直到贴附动作开始为止。但在本方法中真空表面是保持不动的,标签固定和定位在一个“真空栅”上,“真空栅”为一个上面具有几百个小孔的平面,这些小孔是用来维持形成“空气射流”的。由这些“空气射流”吹出一股压缩空气,压力很强,使真空栅上标签移动,让它贴附到被包装物品上.这是一项稍具复杂性的技术,它具有较
12、高的精度和可靠性。3“擦贴法”(或“刷贴法”)第三种贴标方法称为同步贴标法,也可称作“擦贴法”、“刷贴法”或“接触粘贴法”。在贴标时,当标签的前缘部分粘附到包装上后,产品就马上带走标签。在这一种贴标机中,只有当包装件通过速度与标签分配速度一致时,这种方法才能成功。这是一项需要维持连续作业的技术。此外,为使标签的贴附满足完整恰当的要求,像刷子或滚筒那样的第二套装置也是不可缺少的。1.2选题背景与意义近年来,随着市场竞争的日益激烈,人们对产品外包装的要求越来越高。在包装件或产品上加上适当的标签,不仅可以清晰地表示出产品的商标、主要参数、使用说明等信息,而且美观的产品标签还有助于提升公司形象,促进产
13、品的销售。自动贴标机是在包装件或产品上加上标签的一种自动化设备。目前所使用的贴标机中,多采用步进电机或伺服电机,结构和控制较复杂,制造成本较高。采用气动技术,不仅可以做到机械结构简单,而且具有绿色环保、防火、防爆、耐高温等特点,同时输出力及输出速度易于调节,可以最大限度地保护包装物品。因此,研究和开发基于气动技术的自动贴标机,具有实用价值。自动贴标机具有以下特点:1) 一般结构复杂,运动速度快,动作精度高。为满足性能要求,对零件的刚度要求和表面质量等都有较高的要求。2) 用于食品和药品的包装机要便于清洗,与食品和药品接触的部位要用不锈钢或经化学处理的无毒材料制成。3) 进行包装作业时的工艺力一
14、般都较小。4) 一般都采用无级变速装置,以便灵活调整速度、调节生产能力。5)特殊类型的专业机械,种类多,生产数量有限。随着各种贴标技术的深入发展,贴标机正向着以下几个发展方向:1)高生产率、高可靠性、高精度、好的柔性和灵活性,注重成套性和配套性;2)自动化程度不断提高,过去的手工半手工的复杂作业,己被半自动或自动的贴标机所取代,且逐渐向控制智能化的方向发展;3)先进的机电技术和新元件被综合应用于贴标机中,并通过采用先进的设计方法提高产品设计质量,缩短制造周期。贴标机作为包装生产线的一个重要组成部分,直接影响到包装质量,因此要努力提高贴标质量,根据贴标要求从设计、制造、装配、调试等方面综合考虑,
15、以较低的成本满足贴标机的功能要求。1.3 研究现状目前国内母导线技术参数的测定还是由人工完成,其自动检测技术在国内还是个空白。随着社会的发展,人工检测技术远远不能满足社会对生产率的要求,采用自动检测技术并配备自动化检测装置将大大提高企业生产的效率,减少人员的投入,将会给企业带来广阔的市场前景和显著的社会效益。1.4 本文的结构本文以贴标机械手的研发工程项目作为应用背景,对8031单片机的扩展技术、步进电机的恒流斩波技术进行了研究。全文共分为六章,各章的主要内容如下:第一章扼要地介绍了母导线、自动贴标机的概念、特点与相关研究背景;第二章研究了母导线参数检测系统;第三章对贴标机进行了研究,给出了外
16、部扩展电路的控制方案,并讨论了单片机的扩展相关外部电路的设计方法;第四章对步进电机进行了研究,给出了四相八拍步进电机的控制方案,并讨论了步进电机驱动电路的设计方法;第五章介绍了用Protel 99SE绘制原理图的过程其中遇到的问题及解决方法。第六章总结了全文的研究工作,给出了存在的问题和进一步研究的方向。第二章 母导线参数检测系统简介2.1母导线简介母线是一种可与几条电路分别连接的低阻抗导体;母导线由绝缘材料包裹的几条并排母线加上金属外壳封装而成。母导线是低压供电系统中负责传输电能、分配电能的一种新型的配电设备,由于母导线具有载流能力大、防护等级高、分配电能方便、安全可靠等优点是替代传统的电缆
17、和电缆桥架输配电系统的更新换代产品,尤其在大电流输送电方面母导线居于主导地位,其输电能力在200A5000A, 母导线由许多个直线单元和若干个弯曲单元连接组成。与传统的电缆配电方式比较,母导线具有体积小、输送电流大、安全可靠、拆装方便、基建与配电施工互不相扰,一次投资可反复使用等优点,是一种理想的配电产品。母导线的安装可直接从变压器接到低压配电柜,也可以从低压柜直接接到配电系统作为配电干线线路。2.2母导线分类母导线主要有三相三线制、三相四线制和三相五线制,其中又有单通道和双通道之分,截面如图2.1所示。按制造工艺和用途,又可以分为:密集型母导线、空气型母导线、高性能型母导线、耐火型母导线、防
18、水型母导线、绝缘型母导线;按其外壳材料分为钢外壳、铝合金外壳和钢铝混合外壳母导线;按其导体材料分有铜导体和铝导体母导线等。2.3母导线基本结构(1)外壳 母导线外壳由优质钢和铝组成,以减少磁滞涡流损耗,完成面喷涂灰色环氧树脂,对外表加以保护。母导线外壳完全封闭以免机械损伤和灰尘积聚,而且采用50%容量的整个外壳铝质接地导体,由于这导体是母导线外壳的一部分,当发生高容量的接地故障时,可有效接地和保护整个系统。(2)连接装置 母导线的连接装置是使用螺栓,其材料为高强度钢、弹簧垫片为宽沿以确保压力在整个受压面上的均匀分布,螺栓为双头设计,有力矩指示(81108Nm),处于地电位,在母线全部检测后扭断
19、力矩螺栓,以达到压紧力矩。800A及以上的母导线可以在不影响邻母导线段的情况下,拆除一段,也可以在要求电气隔离的情况下,拆除连接装置。(3)母线 母线采用表面度银的铜排作为导电材料。导电排的外表面均采用B级130聚脂胶片以达到长期绝缘效果。在额定负载电流下,母线槽内任何一点的温升不应高出周围环境55C。800A及意识的直线馈线和插入式母导线为三明治结构,除开口处,其余部分母线各层无空间存在,防止烟囱效应。(4)插接口 每条标准插接母导线为3.05m长,在每条母导线两个侧面均有插接口,插接口上有活页门作保护,插接口间距为610mm。在插接箱安全插入之前应使检查开口方便可行,明确标注插接口母线的相
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