-钢板在线监测装置设计本科毕业论文.doc

目录1.引言22.激光扫描技术钢板宽度检测装置的工作原理及结构32.1 激光扫描技术钢板宽度检测装置方案32.2 工作原理52.3 系统标定62.4 激光扫描技术钢板宽度检测装置工艺流程6CCD图像感光器程序组成框图73.激光源和CCD图像感光器的选择83.1 线性激光源的选择83.2 CCD图像感光器的选择83.3 钢板输送床电机的选择84.钢板运输装置的设计84.1传动装置的设计84.1.1传动带的设计94.1.2 V带带轮的设计114.2传动轴的设计134.2.1根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度144.2.2 初步选择输出轴系144.2.3确定输出轴上的圆角半径值154.2.4 按弯扭合成条件校核轴的强度154.2.5 校核轴的强度185.自动化系统设计195.1 C51单片机概述195.2芯片的选择195.2.1单片机的确定195.2.2单片机的结构196控制仿真图的设计226.1控制的仿真图226.2仿真程序：227结论25致谢25参考文献：25附件1：激光测宽装置装配图26附件2：滚桶轴承27钢板在线检测装置设计摘要：采用计算机数字图像处理技术对钢板宽度进行实时检测。在硬件结构上，采用双CCD感光器加激光线辅助光源扫描检测技术，提高系统检测精度。根据CCD成像原理及三角形相似定理，对因钢板宽度变化及钢板边缘上浮所引起的宽度变化计算模型进行了推导，提出了采用激光线遮挡板分线法来判定钢板边缘上浮所引起的测量误差，并根据误差测量结果，对钢板宽度进行了修正；同时，通过分析CCD激光线条最佳成像方法对系统进行了试验标定。结果表明，该系统的测量精度能满足实际生产需求。关键词：钢板宽度检测；激光扫描测量；CCD相机；图像处理；Laser scanning technology for steelPlate width measuring deviceAbstract: The real time detection of steel plate width is made by computer digital image processing technology. In the hardware structure, the dual CCD photosensitive device is used to detect the light source and the light source is used to improve the accuracy of the system. According to the CCD imaging principle and triangle similarity theorem and width variation caused by plate width and the edge of the steel plate surface of the calculation model is deduced, and puts forward the using laser line covering baffle dividing method to determine the measurement error caused by steel plate edge floating, and according to the error of the measurement results, the steel plate width is modified; at the same time, through the analysis of CCD laser stripe optimal imaging method, the system calibration. The results show that the measurement accuracy of the system can meet the actual production requirements.Keywords: steel plate width measurement; laser scanning measurement; CCD camera; image processing;1.引言钢板宽度是冶金行业钢板剪切过程中的一个重要检测和控制参数，实现钢板宽度的准确检测和实时控制是提高钢板成材率和保证后续产品质量的重要因素。目前，钢材生产企业多数采用人工检测方法，由于受现场钢板高温和复杂的生产环境影响，人工劳动强度过大、检测滞后，且检测精度依赖于人工经验，生产率较低。近年来，计算机数字图像处理作为视觉成像检测方法的技术支撑，与计算机、自动化、集成技术、光学等众多领域交叉，在检测精度和实时性上均有很大的进展。作为图像采集设备的电荷耦合器件，CCD集成度高、光敏元间距小、几何尺寸严格，在图像采集、信号处理和数字存储等领域已得到广泛应用。作者在前人研究基础上，采用双面阵CCD图像传感器和绿色线形激光发射器作为辅助光源的计算机数字图像处理技术对钢板宽度实时检测原理及方法进行了研究，建立了软硬件系统。试验结果表明：该方法及检测精度能满足工业现场应用要求。2.激光扫描技术钢板宽度检测装置的工作原理及结构2.1 激光扫描技术钢板宽度检测装置方案 图1激光扫描技术钢板宽度检测装置示意图钢板在传送过程中，左右边缘有可能高于基准面，因此，检测过程中应同步计算钢板边缘浮动量，并根据计算结果对钢板宽度值进行修正，该结果将包含在板型重构信息中。钢板在传送过程中出现的边缘上浮动情况，及由此产生的CCD激光线断点位移量计算方法下图所示。为经分线板分割的激光线条原始图像，边缘左处和边缘右处分别代表了实际测量中钢板宽度的变化信息。以左边缘处检测为例。图2计算钢板边缘浮动量可知，CCD1像素位移量1值的变化可能有两种因素引起：其一是钢板自身的宽度变化引起激光线辅助光源断线点位置的变化，其二是钢板边缘上浮引起的断线点位置变化，图中由于钢板号边缘翘起导致在方向出现了a到的位移量。由于系统设计采用激光线分线板的方式，因此可通过检测断线位置点的横向移动来判断钢板边缘位移量是否由浮动导致，断线点处位置的变化所导致的CCD像素位移量与实际断线点移动距离D1表示为： （2-1）同样，钢板边缘处点处移动距离： （2-2） 因此，可通过判断点位置的变化计算出点的实际位移量，进而对实测结果进行修正。计算结果如下，当系统固定后可得到以下相关参数，中令：；分线板距钢板表面高度：可知：则：与与之间的函数关系由三角形相似定理可得： （2-3） 可得： （2-4） 最后可得： （2-5）其中：及在实际应用应通过标定得出。软件处理过程中，钢板边缘位置的提取基于灰度图像特征区域提取技术，即在CCD视场内采用激光线条断线点实时定位提取技术。2.2 工作原理 采用激光线光源辅助成像测量方式，需根据被测量钢板和激光源在CCD感光元上的像面照度决定传感器光积分时间，即要保证图像采集能获得清晰的激光线条，由像面照度公式决定如下 （2-6）式中：、分别为物、像方介质折射率；表示光学系统透过率；表示光亮度；表示像方孔径角。其中，可通过实验测量高温或常温自身辐射光亮度和激光线经钢板反射亮度，则实际钢板表面反射亮度应为： （2-7）式中：为激光发射器光源自身照度；为钢板表面反射率（）。则钢板表面漫反射激光线像面照度应满足下式： （2-8）因CCD光圈固定时其感光元像面照度与被采集图像亮度为正比关系，因此可通过控制CCD感光元件的光积分时间得到激光线与被测量钢板表面最大宽容度图像，从而准确定位图像中的激光线条边缘断线位置。实际测量过程中，可通过钢板传送速度来控制CCD积分时间，以保证测量的实时性。其测量计算方法表述如下，若检测精度需控制为，则： （2-9）其中： （2-10）式中：为面阵CCD成像面横向尺度，即为横向像元总数1024与像元尺寸52的乘积；为CCD距被测钢板表面高度，试验中定为1000mm；F为CCD镜头的焦距（25mm）。把相应数据代入式（9）、（10），可得每个像素代表的横向尺寸：即为宽度检测精度。2.3 系统标定实际应用中，系统各参数的确定难免存在误差，因此需采用标定模块对系统进行应用前标定。仍以图3中号边缘为例，如图5（a）、（b）所示分别为钢板边缘宽度变化和边缘上浮所引起的CCD像素偏移量变化值，其中，图5（a）采用步进电机以0.2mm/s的速率向钢板宽度方向移动钢板，并同时每隔1s记录此刻像素位移量值，共延伸10mm长度；以同样方式记录钢板边缘上浮10mm时CCD像素偏移量值，可得到图5（b）的对应关系曲线。因此，测量过程中 通过边缘上浮判定即可对实际钢板测量结果进行修正。2.4 激光扫描技术钢板宽度检测装置工艺流程初始化系统计算模式导入摄像机标定像素偏移量计算宽度计算浮动判断Y修正宽度计算结果N输出实际钢板宽度板形重构显示中断结束图3 计算机工作循序流程图CCD图像感光器程序组成框图CCD缓存放大驱动ADCFPGA输出图4CCD图像感光器程序组成框图 3.激光源和CCD图像感光器的选择3.1 线性激光源的选择 选择普通的绿色线性激光发射光源输出波长650nm管芯功率1030mW规格，线宽4米长线宽0.5mm使用寿命：连续使用大于8000小时，出光张角90120，光学透镜光学镀膜玻璃透镜G3，工作电压直流 5V。3.2 CCD图像感光器的选择双面阵CCD图像传感器图象大小1280 x 720；像素宽度20.07mm；封装类型20.07mm；尺寸33.02 x 20.07 x 3.33mm；帧速138 (Quad) fps, 39 (Single) fps, 69 (Dual) fps；引脚数目68；最低工作温度-50 C；最大工作电源电压17.5 V；最小工作电源电压-0.4 V；最高工作温度+70 C；长度33.02mm；高度3.35mm。3.3 钢板输送床电机的选择条件：转速，n=300r/min,T=300Nm。主要作用就是控制钢板床滚轮转动。选择三相笼型异步电动机，其工作电压为380V，星型连接。工作机的工作功率 （3-1）电动机的工作功率 （3-2）从电动机到主轴的总效率 （3-3）取，=0.8，所以 （3-4） （3-5）故电动机类型为Y200L-8。4.钢板运输装置的设计4.1传动装置的设计根据钢板运输装置的具体传动要求，可选取电动机和主轴之间用V带和带轮的传动方式传动，传动件V带是一个滚筒，它赋有弹性，能缓和冲击，因而使钢板运输装置工作平稳，等优点。虽然在传动过程中V带与带轮之间存在弹性滑动，使传动比不精确，因为压力分离机不需要精确的传动比，只要传动比比较准确就可以满足要求，而且V带的弹性滑动是一种过载保护，不会造成机体部件的严重损坏，还有V带及带伦的结构简单、制造成本底、容易维修和保养、便于安装，所以，在电动机与压力分离机之间选用V带与带轮的传动配合是很合理的。4.1.1传动带的设计 (1) 确定计算功率 (4-1)式中：工作情况系数； 电动机的功率。查文献1中的表87 可知： =1.0 (2) 选择V带的型号根据计算得知的功率和电动机上带轮的转速（与电动机一样的速度），可以选择V带的型号为A型。(3)确定带轮的基准直径初选主动带轮的基准直径可选择V带的型号参考表86和8-8，选取 。计算V带的速度V （4-2）V带在5的范围内，速度V符合要求电动机与主轴传动比的计算 （4-3）计算从动轮的直径 （4-4）(4) 确定传动中心距和带长 （4-5） 其中： 为中心距；为相应带长。查文献2中表82，选择相近的基本长度和 相对应的公称长度（内周长）可查得：。实际的中心距也可用经验公式： （4-6）(5)验算主动轮上的包角 （4-7） 满足V带传动的包角要求。(6) 确定V带的根数V带的根数由下列公式确定： （4-8）其中： 单根普通V带的许用功率值 ；考虑包角不同大的影响系数，简称包角系数；考虑的材质情况系数，简称材质系数，对于棉帘布和棉线绳结构的胶带，取 ，对于化学线绳结构的胶带，取 ；计入传动比的影响时，单根普通V带所能传递的功率的增量。查表取值： 由 查得： 所以： 取 根(7) 确定带的初拉力 单根V带适当的初拉力 由下列公式求得 （4-9）其中：传动带单位长度的质量，。(8)求V带传动作用在轴上的压力为了设计安装带轮轴和轴承，比需确定V带作用在轴上的压力，对于新安装的带楚拉应力为1.5，对于运转后的v带初拉应力应为1.3。 （4-10） 4.1.2 V带带轮的设计 （1） 带轮的材料选择带轮是带传动中的重要零件，质量分布均匀；铸造和焊接时的内应力小；轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为Ra=3.2）,以减轻带的磨损。带轮材料主要采用铸铁，因为带轮的转速，即，转速比较低。 常用材料为HT150或HT200；转速较高时宜采用铸钢或用钢板冲击后焊接而成；小功率时可用铸铝或塑料。（2） 结构参数设计 表1 带的结构参数 单位（mm）带的型号mfts A165014147.53817.4 主动带轮的设计主动轮的结构见图3。因为根据主动带轮的基准直径尺寸，而与主动带轮配合的电动机轴的直径是，因此根据经验公式，所以主动带轮采用实心式。带轮参数的选择： 通过查文献，可以确定主动带轮的结构参数，结构参数如表2，其他的相关尺寸可以根据相应的经验公式计算求得。 主动带轮的厚度可以由计算公式： （4-11） 从动带轮的设计从动轮的结构见图4。因为根据主动带轮的基准直径和传动比来确定，即 ，所以从动带轮采用腹板式。从动带轮的参数选择：通过查文献1，可查得带轮的结构参数表，其他一些相关尺寸可以根据相应的经验公式计算求得。 表2带轮的结构参数 单位（mm）带的型号mftsB1652014147.53817.5 从动带轮的厚度可以由计算公式： （4-12） 4.2传动轴的设计传动轴是压力分离机的主要设计部件之一，它在正常工作过程中，承担传递转矩、扭矩、弯矩和支撑传动轴上的回转零件，钢板运输瞬时冲击很大，且冲击次数很频繁，因此传动轴的设计是很关键的。它的主要公用是：一是支撑轴上所安装的回转零件，使其有确定的工作位置；二是传递轴上的运动和动力3。根据钢板运输装置的结构特点钢板运输装置的主轴选用直轴形式传递，而且选用直轴中的阶梯轴。轴的材料主要采用碳钢和合金钢，也可采用球墨铸铁。碳钢有足够的强度，对应力集中不太敏感，便于进行机械加工和热处理，价格低廉，应用广泛。轴的材料应根据轴的工作状况、重要性和结构复杂程度、生产批量、材料供应情况、加工可能性以及经济性等因素，综合考虑、合理选取。此轴的设计如下：根据轴的扭转强度来初步计算确定其最小直径，可利用经验公式： （4-13）其中：轴常用的几种材料的的值；主轴上的功率，；主轴上的转速，。轴上的材料由文献2中表111 可以查到，应选取调质处理的45号钢，书中表112取，于是得 ：输出轴上的最小直径显然是安装带轮的内孔，必在轴上开有键槽，因此，为了开键槽又不消耗输出轴的强度，可以使周的直径增加5%以上，这样增加输出轴的尺寸，因而可以提高轴的工作强度。即： （4-14）主输出轴的最小直径是安装带轮处的直径，为了使所选的轴直径与带轮相配合，故使输出轴端的轴径选为25在文献2一书。查表可以得知带轮的厚度，则取输出轴的次段轴径为，其长度为。4.2.1根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度轴的基本结构如图5。为了满足带轮的轴向定位要求，轴段右端需要制出一个轴肩，故取段的轴直径 ，输出轴的径向定位由普通平键来完成。选用键图5轴结构图的型号为普通平键为。键的型号可以通过查文献2一书取得。4.2.2 初步选择输出轴系 由钢板运输装置的结构和相关尺寸可知所设计的轴上装有带轮和钉齿滚筒，其上的钉齿承螺旋排列，但由于受力不大可以忽略它的受力。又根据，初步选取支撑的轴承为相心球轴承，在文献2查得相心球轴承的型号为406，它的结构尺寸为，故取段与段的直径相等，即。考虑到机体的制造误差等原因造成的安装错位或是借口不齐等，滚动轴承应在机体内有一段移动的位移，查文献2可等位移量。取安装钉齿的轴段的直径为，轴承与轴肩用轴端挡圈固定，左、右两端采用的轴承用轴承座固定轴承，配合为，其上在距离处，焊接钉齿滚筒，已知钉齿滚筒长为。4.2.3确定输出轴上的圆角半径值 轴端倒角在轴的两端均为，小轴肩为轴肩的作用是使阶梯直轴在轴径改变截面上减小应力集中。4.2.4 按弯扭合成条件校核轴的强度图5弯矩图(1)求输出轴上的所受作用力的大小根据公式： （4-15）其中：电动机的额定功率，； 主轴的转速，。(2)钉齿条上的合力根据公式： （4-16）其中 ：输出轴的轴心到钉齿定的距离。根据公式： （4-17）其中：80%径向力占圆周力的百分数。 由于压力分离机的主轴轴向不受力。 则取 (3)轴上水平面内所受支反力根据公式： （4-18） 是输出轴上段的中心线到段距左端三分之一处的距离，； 是输出轴上段距左端三分之一处到右端段中心线之间的距离。 （4-19）(4)轴在垂直面内所受的支反力根据公式： （4-20）其中 ：钉齿的顶端到主轴轴心的距离，。根据公式 ： （4-21）(5)作弯矩图 在水平面内，轴上、三点的弯矩为 ：根据公式 ： （4-22） （4-23）作水平面内弯矩图如图6（b）所示。在垂直面内，轴上、三点的弯矩为 ： 根据公式 ： （4-24） （4-25）根据公式 ： （4-26）作垂直面内弯矩图如图6（c）所示。合成的弯矩为 ： （4-27）作轴的合成弯矩图如图6（d）所示。(6)作扭矩图根据公式 ： （4-28） 其中 ：电动机的额定功率，； 主轴转速，。作轴的弯矩图如图5（e）所示。(7)作当量弯矩图（弯矩、扭矩合成图）B 点： （4-29）C点左侧： （4-30）D点右侧 ：作轴的当量弯矩图如图5（f）所示。4.2.5 校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大当量弯矩的强度（既危险截面c的强度）。由经验公式及上面计算出的数值可得出。 （4-31）其中 ： 轴的抗弯抛面模量，； 轴的许用应力，。按轴实际所受弯曲应力的循环特性，在、中选取其相应的数值，从文献2中可以查出。 （4-32）查得，对于的碳钢，承受对称循环变应力时的许用应力。 5.自动化系统设计5.1 C51单片机概述单片机（Micro controllers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。单片机是单片微型计算机的简称。 微型计算机具有体积小，功耗低，价格低，可靠性高，开发使用简便等一系列优点，自问世以来得到了非常广泛的应用。 其发展逐步形成两大分支，一是 PC 机，PC 机主要用于高速数据处理，兼顾控制功能。二就是单片机，单片机主要用于控制。5.2芯片的选择5.2.1单片机的确定通过对激光扫描测宽装置的分析，根据单片机优缺点，本检测装置选择AT89C51单片机作为检测系统的“大脑”。通过上面的叙述，AT89C51满足设计任务。因此，本系统选择AT89C51单片机作为核心控制对象。5.2.2单片机的结构（1）AT89C51单片机内部包含以下一些功能部件：一个8位CPU；一个片内震荡器；4KB的ROM；128*8字节内部RAM；可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；两个16位定时/计数器；21个特殊功能寄存器；四个八位并行I/O口，可编程I/O端线三十二个；一个全双工可编程串行口；5个中断源。AT89C51单片机的封装方式是双列直插DIP封装，图6为单片机引脚排列图。40个引脚大致可分为四类：电源、时钟、控制和I/O引脚。图6AT89C51引脚排列图（2）电源引脚VCC（Pin40）:正电源引脚。单片机的正常工作电压为+5V；GND（Pin20）:接地引脚。（3）时钟引脚时钟引脚的作用是为单片机提供工作时序。XTAL1（Pin19）、XTAL2（Pin18）反相输入端和输出端，如图7所示。图7外接石英晶振（4）控制信号引脚四根控制线，三根重复使用线:（Pin29）外ROM读选通信号。80C51访问外ROM时，每个机器周期内有两次输出。反之，没用。可驱动8个LSTTL门电路。 RST/Vpd（Pin9）复位/备用电源。正常工作时，RST（Reset）端的作用是复位，当该引脚上连续保持两个机器周期以上的高电平，80C51芯片即可以复位，复位后一切从头开始，单片机从00H开始。其复位方式有自动复位和手动复位两种方式，如下图7和图8所示。图7自动复位图8手动复位 ALE/PROG（Pin30）地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 EA/VPP（Pin31）内外ROM选择/片内EPROM编程电源。（5）输入/输出引脚（I/O口线）P0口（Pin32Pin39）P0口能驱动8个LSTTL门。P1口（Pin1Pin8）P1口能驱动为4个LSTTL门。P2口（Pin21Pin28）8位准双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL门。P3口（Pin10Pin17）8位准双向I/O口，P3口驱动能力为4个LSTTL门。6控制仿真图的设计6.1控制的仿真图图9电路仿真图6.2仿真程序：#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar aa,a,b;void init();void sound();void baojing();sbit k1=P34;sbit in1=P00;sbit in2=P01;sbit in3=P02;sbit in4=P03;sbit jq1=P20;sbit jq2=P21;sbit led1=P15;sbit led2=P16;sbit led3=P17;sbit bz=P37;bit biaozhi;void init()TMOD=0x01; TH0=(65536-10000)/256; TL0=(65536-10000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1;void timer0() interrupt 1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; aa+;if(k1=0)bz=0; aa=100;led1=0; led2=0; led3=0;in1=1;in2=1; in3=1;in4=1;jq1=1; jq2=1;biaozhi=1; void main()init();led1=0; led2=0; led3=0;while(1) if(biaozhi=0)led1=0; led2=0; led3=0;in1=0;in2=1;in3=0;in4=1;aa=0;while(aa1*20);in1=1;in2=0;in3=1;in4=0;aa=0;while(aa1*20);in1=1;in2=1;in3=1;in4=1;jq1=0; jq2=0;aa=0;while(aa3*20);/jq1=1; /jq2=1;led1=1; led2=1; led3=1;biaozhi=1;7结论(1)通过本设计, 基本上满足了水玻璃轧机的设计要求,可实现产品宽度和厚度的调整;(2)该设计对水玻璃轧机的结构进行了详尽的设计，实现了系统的自动控制要求，在水玻璃轧制方面是一个创新，对以后的行业设计和计算举要很大的借鉴意义。致谢 经过三个月的毕业设计忙碌之后，设计最终完成，心里有一种说不出的轻松，设计过程中遇到许多的问题，在孟老师和同学的帮助下予以解决。首先要感谢老师对我的指导和督促，在设计过程中孟老师给我指出了正确的设计方向，使我加深了对知识的理解，同时也避免了在设计过程中走弯路，孟老师的督促使我一直把毕业设计放在心里，保证按质按量的完成；还要感谢同组同学，是大家营造了良好的学习环境，在做设计的过程中互帮互助，使我的CAD操作水平比以前有了很大提高，同时较全面的掌握了Word的编辑功能，使我能够按时完成毕业设计。大学生活即将画上句号，在这四年中我是充实的、快乐的，这要感谢学校领导给我们提供了一个好的学习环境和丰富的课余生活，同时也要感谢所有老师对我们的辛勤培育。参考文献： 1傅雷基于案例推理的轧辊磨床故障诊断系统的研究科技信息2010(29):52-53. 2徐坚M1432A型万能外圆磨床故障的排除机床与液压2012,40(10):171-172. 3赵荣泳，张浩，樊留群，等数控磨床远程故障诊断专家系统分析与关键技术研究机电一体化2005,(1):73-77. 4张海南，胡学雄振动分析技术在轧辊磨床故障判断中的应用中国设备工程2011(8):51-52. 5丛庄远，刘震北. 液压技术基本理论M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.263-264 6左健民. 液压与气压传动M. 北京：机械工业出版社，2006 7章宏甲，黄宜主. 机床液压传动M 北京：机械工业出版社，1987.10-90 8刘延俊、王秋敏.液压与气压传动.第二版.机械工业出版社 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