文 献 综 述

自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。

从二十世纪20年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。在此之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目出现了急剧增。

机械制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线，也有包括不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合自动线。

自动线中设备的联结方式有刚性联接和柔性联接两种。在刚性联接自动线中，工序之间没有储料装置，工件的加工和传送过程有严格的节奏性。当某一台设备发生故障而停歇时，会引起全线停工。因此，对刚性联接自动线中各种设备的工作可靠性要求高。

在柔性联接自动线中，各工序(或工段)之间设有储料装置，各工序节拍不必严格一致，某一台设备短暂停歇时，可以由储料装置在一定时间内起调剂平衡的作用，因而不会影响其他设备正常工作。综合自动线、装配自动线和较长的组合机床自动线常采用柔性联接。

切削加工自动线在机械制造业中发展最快、应用最广。主要有：用于加工箱体、壳体、杂类等零件的组合机床自动线；用于加工轴类、盘环类等零件的，由通用、专门化或专用自动机床组成的自动线；旋转体加工自动线；用于加工工序简单小型零件的转子自动线等。自动线的工件传送系统一般包括机床上下料装置、传送装置和储料装置。在旋转体加工自动线中，传送装置包括重力输送式或强制输送式的料槽或料道，提升、转位和分配装置等。有时采用机械手完成传送装置的某些功能。在组合机床自动线中当工件有合适的输送基面时，采用直接输送方式，其传送装置有各种步进式输送装置、转位装置和翻转装置等对于外形不规则、无合适的输送基面的工件，通常装在随行夹具上定位和输送，这种情况下要增设随行夹具的返回装置。

自动线的控制系统主要用于保证线内的机床、工件传送系统，以及辅助设备按照规定的工作循环和联锁要求正常工作，并设有故障寻检装置和信号装置。为适应自动线的调试和正常运行的要求，控制系统有三种工作状态：调整、半自动和自动。在调整状态时可手动操作和调整，实现单台设备的各个动作；在半自动状态时可实现单台设备的单循环工作；在自动状态时自动线能连续工作。

控制系统有”预停”控制机能，自动线在正常工作情况下需要停车时，能在完成一个工作循环、各机床的有关运动部件都回到原始位置后才停车。自动线的其他辅助设备是根据工艺需要和自动化程度设置的，如有清洗机工件自动检验装置、自动换刀装置、自动捧屑系统和集中冷却系统等。为提高自动线的生产率，必须保证自动线的工作可靠性。影响自动线工作可靠性的主要因素是加工质量的稳定性和设备工作可靠性。

自动线的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性。为适应多品种生产的需要，将发展能快速调整的可调自动线。现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。数字控制机床、工业机器人和电子计算机等技术的发展，以及成组技术的应用，将使自动线的灵活性更大，可实现多品种、中小批量生产的自动化。多品种可调自动线，降低了自动线生产的经济批量，因而在机械制造业中的应用越来越广泛，并向更高度自动化的柔性制造系统发展。

1. 工艺流程描述

该课题是开发一套基于嵌入式系统多容箱（如下图所示）液体冲洗工件的控制系统，实现依次抽取各个容箱内的液体冲

如图所示，该系统的每个容箱的顶部洗工件（工件位于上面的容器内），并分别回收各个容箱的冲洗液至各自的容箱中。和底部均有电磁阀控制液体的流入和流出。容箱内部设有液位传感器，用于检测液体的高度。通过控制泵和电磁阀依次抽取每个容箱内的液体冲洗上面的工件。

备注：4、箱体 5、泵 8、电磁阀 9、液位仪

系统上电后，首先启动泵，并分别开启电磁阀K1”、K2#8217;、#8230;#8230;、Kn#8217;，给各个容箱内注入一定高度的水。然后在上面的容器内放入工件，此时，可以开始控制冲洗，具体步骤如下：

第一，开启电磁阀K1，启动泵，抽取第一个容箱内的液体冲洗工件，同时开启电磁阀K1#8217;，回收冲洗液。定时抽取第一个容箱内的液体冲洗工件，定时时间到后，开启电磁阀K2，关闭电磁阀K1，抽取第二个容箱内的液体冲洗工件。

第二，当第一个容箱内的水位达到原先的设定高度时，关闭K1#8217;电磁阀，开启K2#8217;电磁阀，用第二个容箱回收冲洗液。定时冲洗时间到后，开启电磁阀K3，关闭电磁阀K2，抽取第三个容箱内的液体冲洗工件。

第三，当第二个容箱内的水位达到原先的设定高度时，关闭K2#8217;电磁阀，开启K3#8217;电磁阀，用第三个容箱回收冲洗液。定时冲洗时间到后，开启电磁阀K4，关闭电磁阀K3，抽取第四个容箱内的液体冲洗工件。

第四，如此这样，直至抽取最后一个容箱的液体冲洗工件，并回收冲洗液至最后一个容箱内，定时到后关闭电机。

第五，至此，一个工件的冲洗流程结束，可以冲洗下一个工件了。

第六，当第一容箱内的液体浓度达到一定的值后（由第一个容箱内电导率测试仪测定），通过泵和电磁阀11将其排出。然后，依次将第二个容箱内的液体倒换到第一容箱中，第三容箱中的液体倒换到第二容箱中，如此这样，最后一个容箱中的液体倒换到倒数第二个容箱中。再给最后一个容箱中补上干净的冲洗液。接下来就可以进行正常的冲洗工件了。

第七，第六步的工作，全部由控制系统自动控制完成。

第八，当工件冲洗完毕或下班时，开启电磁阀12，放掉管路中残存的液体。

2．系统控制设计方案。

本系统控制的对象主要是电磁阀和电机，以开关量控制为主。硬件设计主要有电源模块、开关量输入输出模块、数据存储模块、LCD显示模块、按键模块、微型打印机模块和485通讯模块等，如下图所示。图中电源模块主要是为系统控

制板提供5V和3V电源。LCD显示控制系统的相关信息，并和按键配合设置控制过程相关参数。液位的测量由液位传感器输出0～5V的电压信号给MCU采样。开关量输出模块输出5V信号驱动继电器，由继电器再输出24V信号驱动电磁阀和电机。数据掉电存储模块保存控制过程中相关过程重要参数，便于后续控制的顺利进行，如突然停电，来电后能继续完成后续的控制而不从头再来。时钟模块为控制系统提供实时的时钟信息。微型打印机能随时打印出相关的控制信息，如简易生产报表等。485通讯接口能实现和上位计算机之间的通讯，便于集中监控。

系统的控制程序采用C语言设计，包括主程序模块、中断模块、数据采样模块、数据输出模块、通讯模块、打印模块和显示模块等。程序框图略。

3．微处理器的选择

在综合考虑了该系统的应用环境 ，要求芯片具有高一定的抗干扰、抗噪声、工业温度规格能力以及高质量、高性能、低成本的方面的要求。本方案选用华邦的NuMicro M051#8482;芯片。

4．模块介绍

（1）主控制器模块MCU

该控制系统应用于工业控控制领域，考虑到工业环境高噪声高干扰的应用场合，要求芯片具有高一定的抗干扰、抗噪声、工业温度规格能力，同时又能满足高质量、高性能、低成本的要求。在此基础上我们选用了意法半导体STM32F103VZE（144脚），该芯片是STM32F103xx增强型系列，使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。该型号的器件包含了2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。STM32F103xx增强型系列工作于-40#176;C至 105#176;C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V。这些模块减少了系统外围元器件的数量，节省了电路板空间的和系统成本。

该芯片主要应用于工业控制、安防、通讯系统与需要高速计算数据采集系统领域。

（2） A/D转换模块

A/D转换模块主要完成液位的检测、溶液浓度的检测等,把液位传感器和电导率传感器输出的模拟信号转换为数字量。A/D转换器的品种繁多、性能各异，在设计数据采集系统时，本设计选用芯片STM32F103ZE内部集成的ADC模块来实现模拟量的转换。该ADC模块内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，同时ADC可以使用DMA操作降低了系统的开销 ，从效率和精度方面都可以满足本设计要求。

（3）电源管理模块

1）整个监测控制系统的电源需求具有数据采集、控制开关量输出、通信，继电器等多种模块，核心模板需要提供3.3V的电压，各类传感器尽可能在供电系统上取电，该电源的管理部分提供几种电压有：3.3V、5V、12V、24V等。

2）为减小整个系统的功耗，在软件设计中，对系统中不工作的节点进行休眠控制，优化电源管理系统，利用STM32F103ZE芯片三种低功耗模式即睡眠模式、停机模式、待机模式等降低系统功耗，供电监视器可以保证电源系统系统的安全运行。

（4）存储模块

往往芯片内部的数据存储器记录数据是远远不够的，为了确保记录数据次数因而需要扩展数据存储器进行数据存储，可以利用芯片I2C总线模块扩展EEROME(AT24C02)，NANDFLASH等常用掉电非易失性外围FLASH数据存储模块。

（5） LCD显示模块

显示器是计算机的主要输出设备，在简单的工业控制系统中，常用的显示器有数码管显示器（LED），液晶显示器（LCD）等，该系统需显示启动状态，液位高度，电磁阀的开关状态，时间以及当前的容箱位置等诸多状态信息量， 3.2寸TFT LCD显示屏。

该芯片主要应用于工业控制、安防、通讯系统与需要高速计算数据采集系统领域。

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