注塑機原料溫度閉環(huán)控制設(shè)計

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童白石.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學電子學教研組 16 高天元.單片機原理及應(yīng)用.北京:中四電力出版社 17 賴壽宏.微型計算機控制技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社 52 第1章　緒 論 第1章 緒 論 1.1 單片機及其發(fā)展 所謂單片機是指由一個芯片組成的微機系統(tǒng)。它包含了CPU，程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，定時器/計數(shù)器及各種I/O接口。 單片機又稱微機控制器，主要用于現(xiàn)代智能產(chǎn)品的設(shè)計，由20世紀初至今，單片機已有了30多年的發(fā)展歷史了，隨著產(chǎn)品智能化的需要和微電子技術(shù)的不斷進步，目前已有上百家廠商生產(chǎn)幾千種型號的單片機。單片機正在向著高速低功耗，低成本的，多檔次，使用方便及外圍接口豐富等方面發(fā)展 1.2 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域 單片機具有極為廣闊的應(yīng)用前景，主要應(yīng)用領(lǐng)域為 1.2.1 自動控制 單片機在工業(yè)過程控制，機床控制，機器人控制，汽車控制，飛行器制導系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用，由于單片機建立了串行口，很容易建立雙機或多機之間的通訊聯(lián)系。從而為建立分布式控制系統(tǒng)制造了十分有利的條件，目前已有多種分布式控制系統(tǒng)用于工業(yè)控制之中。 1.2.2 智能儀器儀表 由于單元片機具有超微型化的特點，并且具有無可比擬的高性能價格比，從而為儀器儀表的智能化提供了可能。大量的智能化儀器儀表應(yīng)運而生。如：智能化示波器、智能化數(shù)字儀表待。 1.2.3 數(shù)字采集系統(tǒng) 由于單片機可以提供多路A/D輸入通道，因此很適應(yīng)于模擬量（溫度、壓力及流量等）輸入采樣系統(tǒng)。 1.2.4 計算機外部設(shè)備的控制器 計算機的外部設(shè)備五花八門，隨著單片機的發(fā)展，很多外部設(shè)備都使用單片機作為控制器，使這些外部設(shè)備智能化。智能化鍵盤、智能化顯示器、智能化打印機、智能化軟盤和硬盤、智能化驅(qū)動器、智能化磁帶驅(qū)動器、智能化繪圖儀等均可用單片機作為控制器。 1.2.5 家用電器 家用電器是單片機生產(chǎn)廠家競爭非常激烈的應(yīng)用領(lǐng)域。這個領(lǐng)域的特點是：量大、面廣、并且要求價格低廉。電飯鍋、電子游戲機、電視機、錄音機、組合音響、錄像機等都使用單片機進行控制?？傊瑔纹瑱C由于體積小，價格低，性能優(yōu)越，可靠性高，已廣泛地滲透到社會、生產(chǎn)、服務(wù)等領(lǐng)域。其廣闊的前景是無限光明的。所以工程技術(shù)人員有必要很好地掌握單片機的工作原理及系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。 1.3 單片機的工業(yè)過程控制 所謂單片機的工業(yè)過程控制系統(tǒng)就是由單片微型計算機代替原來的中小型計算機，對工業(yè)生產(chǎn)實施自動控制。它的基本組成與中小型計算機控制系統(tǒng)相同，也可分為三部分。其中第一部分是現(xiàn)場信息或數(shù)據(jù)采集及輸入通道。第二部分是單片機系統(tǒng)。第三部分是控制信息輸出通道的執(zhí)行機構(gòu)。第一部分用來對現(xiàn)場參數(shù)進行測量，并把模擬量信號轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字量。然后輸入給單片機。單片機根據(jù)輸入的生產(chǎn)過程參數(shù)，按照人們預先建立的數(shù)學模型及人們根據(jù)需要隨機輸入的控制要求進行分析、計算、判斷并做出決策。然后由輸出通道發(fā)出各種控制信號，控制執(zhí)行機構(gòu)對受控對象進行實際控制。 在單片機組成的工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，也可根據(jù)生產(chǎn)過程的復雜程度和對精度的要求采用不同的控制方式，常用的控制方式由數(shù)字程序控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)與分級控制系統(tǒng)等。其中數(shù)字程序控制系統(tǒng)方式是將控制對象所要進行的一系列操作按照其執(zhí)行的先后順序編寫程序，這些程序通常存在外部存儲器中，例如：磁帶、磁盤等。對于單片機控制系統(tǒng)，通常存在EPROM存儲器中。使用時將計算機EPROM存儲器插入相應(yīng)的插座上，這樣中央處理器僅作簡單的運算就能按其要求對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。這種控制系統(tǒng)控制規(guī)律簡單，專用性強，速度不高，常用在程序控制、順序控制和數(shù)值控制等場合，例如數(shù)字程序控制線切割機、數(shù)控機床、電腦繡花機、自動定時控制裝置等。直接數(shù)字控制系統(tǒng)是一臺計算機或單片機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，檢測結(jié)果與給定值比較，再按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律（例如PID調(diào)節(jié)）進行控制計算，然后發(fā)出控制信號，由執(zhí)行機構(gòu)對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。監(jiān)督控制系統(tǒng)是由計算機或單片機按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型計算出最佳給定值，送給模擬調(diào)節(jié)器或直接數(shù)字控制系統(tǒng)，最后由模擬調(diào)節(jié)器或直接數(shù)字控制系統(tǒng)控制生產(chǎn)過程，使生產(chǎn)過程處于最佳狀態(tài)。分級控制系統(tǒng)也稱為分布控制系統(tǒng)。在一些生產(chǎn)過程比較復雜或者被控制的設(shè)備臺數(shù)較多的情況下，往往采用分級控制。它是將一個較大的復雜的集中控制系統(tǒng)分解為若干個較小的獨立系統(tǒng)，分別由微型計算機或單片機控制，或者將單臺或多臺設(shè)備由一臺微型計算機或單片機控制，這一級稱為前級控制。前級控制一般多采用數(shù)字程序控制、直接數(shù)字控制方式，或者進行巡回檢測。然后再在前級控制的上面設(shè)置一級監(jiān)督控制系統(tǒng)，用為進行全部生產(chǎn)過程的最佳控制和自適應(yīng)控制計算。在較大的多級控制系統(tǒng)中，還可以監(jiān)督控制的上面再增設(shè)一級生產(chǎn)管理級，一方面對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)和管理，另一方面根據(jù)控制要求指揮監(jiān)督控制級工作。 在以上的控制方式中，計算機承擔了全部的計算、分析、判斷和決策工作，使生產(chǎn)過程按照人們預定的要求進行。近年來，隨著微型計算機的發(fā)展，尤其是單片機的產(chǎn)生與應(yīng)用，使自動控制向前邁進了一大步。由于單片機機構(gòu)簡單，體積小，抗干擾能力強，可靠性高，易于采取屏蔽措施，可在惡劣環(huán)境下工作，因此已成為自動控制系統(tǒng)中主要的組成部分。但是，由于與中型機、大中型機比較，功能畢竟有限。因此單片機主要用于數(shù)字程序控制、直接數(shù)字控制、監(jiān)督控制、分級控制中的前級控制及工業(yè)現(xiàn)場的巡回檢測。隨著半導體微電子技術(shù)的發(fā)展，單片機的功能還在不斷的增強，因此應(yīng)用范圍還將繼續(xù)擴大。 1.4 本設(shè)計的出發(fā)點與目的 在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化學生產(chǎn)、電力工程、機械制造、和食品加工等許多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)督和控制。采用單片機來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等特點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。現(xiàn)在對它進行設(shè)計，這不僅可以讓我所學過的知識得以升華，而且還能得到舉一反三和觸類旁通的效果。 1.5 小結(jié) 本章介紹了單片機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域，并主要介紹了它在工業(yè)控制方面的所發(fā)揮的作用和它在工業(yè)控制中的控制方式。溫度是工業(yè)控制中經(jīng)常被用到的模擬量，對它進行設(shè)計是具有典型性和必要性的。 3 第2章 注塑機的工作過程及工藝 第2章　注塑機的工作過程式及工藝 2.1 注射成型工藝 注塑機注射成型工藝就是將塑料通過注射機螺桿旋轉(zhuǎn)而將料斗中粉粒漏入保持一定溫度的料筒之內(nèi)，并輸送到料筒的前部而積聚，塑料的積聚給予螺桿反作用力使之后退，用限位開關(guān)來決定螺桿的后退距離，即決定了螺桿前部的塑料量。由于料筒保持30℃-80℃的受熱和螺桿的攪拌，使料筒前部的塑料達到粘稠狀態(tài)。此時，開動連接在螺桿后面的注射活塞，則熔融塑料即以高壓、高速通過料筒噴嘴和安裝有注射機定模板上的定模部分的澆口套及澆道系統(tǒng)注入模腔內(nèi)。熔料在模具內(nèi)冷卻硬化到一定時間后，鎖模機構(gòu)松壓并帶動其動模板與定模板沿分型面分開，利用頂出機構(gòu)把塑件從模具內(nèi)頂出，完成注射成型的全過程。 2.2 熱塑性塑料注射成型過程及原理 2.2.1 進料階段 將塑料放入注射機料斗中，由螺桿或柱塞將定量的塑料推入注射機料筒內(nèi)。 2.2.2 預熱階段 塑料在保持一定溫度的料筒內(nèi)預熱并成粘稠狀態(tài)。料筒的溫度一般為30℃-80℃ 2.2.3 合模階段 模具沿分型面可分為定模部分和動模部分。安裝時定模以定位圈或澆口套與注射機定模板上的定位孔配合并將定模部分緊固在定模板上，動模則緊固在注射機動模板上，待塑料預熱到粘稠狀態(tài)時，注射機的鎖模機構(gòu)推動其動模將動模與定模鎖緊合模。 2.2.4 注射階段 當模具合模后，啟動注射機液壓缸中的活賽，推動料筒中的螺桿，并以40-130Mpa的壓力，將注射料筒中已加熱成均勻熔融的塑料，通過料筒噴嘴和定模部分的澆口套及澆道系統(tǒng)注入定模與動模鎖緊后組成的型腔內(nèi)。 2.2.5 保壓階段 塑料充滿型腔后需保持一定時間的注射壓力，并使型腔內(nèi)有足夠的壓力，以對塑料收縮時行補料，使塑件密實，同時塑件在模內(nèi)冷卻定形。 2.2.6 開模卸件階段 塑件在模具型腔中冷卻硬化到一定強度后，注射機的鎖模機構(gòu)松壓并帶動動模板使動模與定模沿分型面分開，開啟模具。并由注射機上的頂出機構(gòu)，推動動模部分的頂出系統(tǒng)，將塑件從模具內(nèi)頂出即可卸下塑件。 經(jīng)過上述六個階段后，即可制成塑件。依此循環(huán)下去可成都市批量生產(chǎn)。 2.3 料筒的預熱 塑料粉粒注入料筒后的溫度應(yīng)是逐步上升的，范圍為30℃-80℃。最終達到粘稠狀態(tài)。一般的注塑機從前到后共分四段。本設(shè)計中前三段溫度達到60℃，設(shè)定第四段的溫度為60℃-80℃，為了讓每段的溫度都保持在各自的范圍內(nèi)，對每個加熱圈都進行閉環(huán)控制，利用熱電偶作為傳感元件，用PID數(shù)字調(diào)節(jié)器對電熱圈進行控制，調(diào)節(jié)導通的半波個數(shù)來控制電熱圈的功率使溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)。流程圖如圖2-1。 圖2-1 用單片機控制電熱圈工作 Fig.2-1 resistance coil works under the control of 8031 singlechip 2.4 小結(jié) 本章主要介紹了注塑機的工作原理、成型過程和成型工藝。對料筒的預熱進行了詳細介紹。為更好的設(shè)計注塑機的溫度控制系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。 5 結(jié) 論 結(jié) 論 注塑機的溫度控制控制系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計出來了。此溫度控制系統(tǒng)具有價格低廉、簡單、靈活、易維護等特點。 本設(shè)計所用器件都是一些價格較低的器件，所以從整體來說價格低廉；由于系統(tǒng)每個部分都具有獨性，所以當其中一個器件損壞時，只需更換此器件，對其它元件是沒有影響的。所以此系統(tǒng)維護起來非常簡單。 在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是常用到的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機械制造和食品加工等領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對它們進行控制，不僅具有控制方便、簡單、靈活等特點。而且可大副度提高被控溫度的指標，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，因此單片機對溫度的控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。 本設(shè)計采用的器件都是一些很基本的器件。根據(jù)生產(chǎn)過程的實際情況，我們可以選擇更合適控制指標的硬件系統(tǒng)。例如：在MCS－51基礎(chǔ)上研發(fā)的AVR系統(tǒng)單片機，它具有很高的運算速度。它里面具有快速存取RISC存儲器，傳統(tǒng)的基于累加器的結(jié)構(gòu)需要大量的程序代碼以實現(xiàn)累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。在AVR單片機中，可以避免傳統(tǒng)的累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸造成的頸瓶現(xiàn)象。所以它常用在實時性要求高的場合。 因此在不同的場合，不同的時間，系統(tǒng)都需要選擇最合適的器件，以更好的適應(yīng)控制的要求。 39 致 謝 致 謝 在此論文完成之際，我要給予我耐心指導和幫助的李惠光老師表達最真誠的謝意和最深切的敬意！ 在論文設(shè)計的每個階段，李老師都給我提供一些中肯的建議，使我受益匪淺。設(shè)計之初真的不知該從何下手，多虧李老師的細心指導，才使我漸漸的步入設(shè)計的正軌。才有今天的順利完成。真的感激李老師，他的一絲不茍的學者精神和人格魅力真的令我欽佩。 同時對于設(shè)計過程中給予我?guī)椭钠渌蠋熂巴瑢W，表達衷心的謝意！ 53