制肩机控制系统关键技术的研究
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摘 要
制肩机用于制造日常生活用品的软管包装。完成一个成品软管需要经过制管、
注肩等工艺过程，现在国内生产的制肩机大部分是手动或者半自动型，工作中需
要人工将制好的管子套入芯模，然后操作机器进行吐塑、冲压、脱模、等待注出
的肩冷却成型后，再通过人工将成品从芯模上拔下。这样的间歇工作方式，效率
低，劳动强度大，人力成本高，工作环境恶劣，本文研究的一种高速连续工作的
全自动制肩机改变了这种现状。
本文在分析了传统制肩机控制方面存在的缺陷的基础上，研究并制造了一种
基于嵌入式触摸屏一体机的制肩机控制系统并得到了实际应用，运行情况可靠，
效果良好。
本文介绍了自动制肩机控制要求和工作原理，对吐塑工位的温度控制模块进
行了详细的分析论述，实现了对吐塑工位耦合温度场进行模糊补偿解耦的控制方
法；从硬件和软件两个方面完成了基于嵌入式一体机的制肩机控制系统的研究和
开发，包括系统硬件、接口电路和操作系统；软件方面还完成了系统软件平台的
搭建，选用
μC/OS-II
操作系统做为一体机的系统平台，采用
μC/GUI
图形系统作为
图形显示界面，并移植应用
Yaffs
文件系统；完成了设备驱动程序的开发以及应用
软件流程和界面的设计；实现制肩机实时温度监测功能，最终完成制肩机应用控
制软件系统的程序编写与运行调试。
关键词：制肩机 吐塑温度控制 嵌入式操作系统 触摸屏一体机
ABSTRACT
Cosmetic and medicine that packaged by flexible tube are necessaries in our daily
life. A finished flexible tube producing requires the process of tube making and heading.
Nowadays, most of the inland tube-heading machines are manual or semi-automatic.
The workers should put the tubes onto the modules, then operate machine to inject resin
material, punch and head. They take off those finished products after the heading being
done. This kind of working methods can't meet the needs of modern volume-production
but only have many weaknesses such as low efficiency, hard laboring, bad environment
and high cost. So there is an urgent demand for a high-speed continuous automatic
tube-heading machine instead the old producing way.
According to the application situation and market requirements of packaging
industry in our nation, we have researched and developed a new high-speed automatic
tube-heading machine control system using advanced control theory based on the actual
requirements, and it has been applied to produce reliably and effectively.
The control requirement and working principle of the whole automatic tube heading
control system are introduced in detail. The key technology and difficulties in the
process of the system development are analyzed. The paper discussed the technique to
solve, optimize and present the design and solvent of the software and hardware in the
whole system. Starting from the development of the control system, a particular analysis
has been done to the system of the temperature and pressure control, fault diagnosis in
the whole system, the general structure design of the control system and the design
project in each functional module have also been expatiated, the method of realizing the
Fuzzy control in the fuzzy control for temperature system in the practice of the
engineering have been presented as well.
Knowledge involved in the text mainly contains: Fuzzy Control Theory、
Automatic
Control Theory、Embedded Operating System、Touch Screen.
Key words: Tube heading system, Fuzzy Control, Embedded
Operating System，Touch Screen
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 课题来源及意义................................................................................................1
§1.2 国内外发展现状................................................................................................1
§1.2.1 制肩机的国内外发展状况.........................................................................1
§1.2.2 嵌入式系统的发展.....................................................................................2
§1.3 课题目标和主要研究内容................................................................................2
§1.3.1 课题目标.....................................................................................................2
§1.3.2 主要研究内容.............................................................................................3
§1.4 本章小结............................................................................................................3
第二章 制肩机控制系统结构组成及分析 ................................................................. 4
§2.1 全自动制肩机的结构组成及工作原理............................................................4
§2.1.1 工作原理介绍..............................................................................................4
§2.1.2 控制结构分析..............................................................................................6
§2.2 控制模块控制方案分析....................................................................................6
§2.2.1 时序控制模块..............................................................................................6
§2.2.2 运动控制模块..............................................................................................8
§2.2.3 通讯手段的运用..........................................................................................8
§2.2.4 温度控制模块............................................................................................10
§2.2.5 压力控制模块............................................................................................10
§2.3 本章小结..........................................................................................................12
第三章 吐塑工位控制系统 ....................................................................................... 13
§3.1 温度控制的常规方法......................................................................................13
§3.2 被控对象特征分析以及控制方案选择..........................................................15
§3.2.1 被控对象的温度控制结构........................................................................15
§3.2.3 被控对象数学模型建立............................................................................16
§3.4 吐塑工位温度控制的实现..............................................................................19
§3.4.1 模糊控制的基本原理................................................................................19
§3.4.2 前馈补偿解耦控制基本原理....................................................................21
§3.4.3 模糊补偿解耦控制的实现........................................................................22
§3.4.4 模糊补偿解耦控制的仿真........................................................................28
§3.4.5 控制测试效果............................................................................................30
§3.5 本章小结.........................................................................................................32
第四章 嵌入式一体机软硬件开发环境与平台构建 ............................................... 33
§4.1 硬件系统设计.................................................................................................33
§4.1.1 微处理选型................................................................................................33
§4.1.2 系统启动架构设计....................................................................................33
§4.1.3 硬件系统组成...........................................................................................36
§4.2 软件系统设计.................................................................................................48
§4.2.1 软件系统设计方法...................................................................................48
§4.2.2 嵌入式操作系统的选择...........................................................................48
§4.2.3 软件开发过程...........................................................................................49
§4.3 本章小结.........................................................................................................57
第五章 总结与展望 ................................................................................................... 58
§5.1 全文总结.........................................................................................................58
§5.2 前景展望.........................................................................................................58
附录 ............................................................................................................................. 59
参考文献 ..................................................................................................................... 71
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 74
一、论文..................................................................................................................74
二、专利..................................................................................................................74
三、科研项目..........................................................................................................74
致 谢 ......................................................................................................................... 75
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源及意义
软管包装的化妆用品、药品是人民日常生活中不可缺少的生活用品
。
但是国内
包装机械行业较薄弱，有些包装机械自动化程度较低，有些甚至需要完全进口
，
课
题研究的制肩机也大多是半自动的
，
工作中需要工人将制好的管子套入模具
，
然后
对软管进行加工
，
再通过工人将成品从模具上拔下。这样的工作方式为间歇工作
，
工作效率低
，
劳动强度大
，
工作环境恶劣
，
人力人本高
，
使用熟练工人生产一分钟仅
能达到
30
支左右的生产速度
，
跟不上现代化大批量生产的需要。本文研究的一种高
速连续工作的全自动制肩机改变了这种现状
。
课题来源于上海理工大学自动化研究所与三槐包装机械有限公司的江苏省通
州市重点技术攻关合作项目。论文研究了新型高速全自动制肩机自动化控制的关
键技术
，
进行基于
Arm9
嵌入式一体机的硬软件设计与在线调试
，
实现对吐塑温箱
耦合温度场的模糊补偿解耦恒温控制，通过
PID
算法控制吐塑量均匀控制
，
通过一
体机平台实现实时监测控制机器的动作与数据采集，保证整个机器安全准确的运
行，完成了全自动高速制肩机控制系统的研制，并得到了实际应用。
§1.2 国内外发展现状
§1.2.1 制肩机的国内外发展状况
随着我国包装工业化进程的加快，对包装机械提出了更高的要求。目前我国
包装机械尚有相当一部分不能自给生产或产品技术水平不高，需要从国外进口。
我国的包装机械装备属国际中、低档产品。整体水平比发达国家要落后
20
年，
我国包装机械仅有
5%
能达到国际
90
年代初期水平，
20%
的产品达到国际
80
年代
水平，其余
60%
仅能达到国际
70
年代水平。单机多，成套流水线少:通用机型多，
高效专用生产机械少:结构简单、技术含量低的产品多，高技术附加值、高生产率
的产品少。目前进口产品在国内高档食品机械和包装机械市场占主导地位，国产
设备主要集中于中低档市场[1]
我国食品和包装机械产品技术、品种的国内满足度不断增加。但出口的产品
多为低档产品和零部件，而进口产品多为技术含量较高的高档产品。产品的自动
化程度和产品可靠性与国外先进产品还相差较大，在大型成套设备上表现尤为突
出。
制肩机控制系统关键技术的研究
2
§1.2.2 嵌入式系统的发展
随着后
PC
时代的到来以及
3C
技术的迅猛发展，嵌入式系统已渗入到信
息家电、消费电子、医疗仪器、工业控制、航空航天等社会生产和生活的各个领
域。嵌入式系统的开发也成为近年 IT 行业的技术热点。嵌入式系统是以应用为中
心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、
成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用
户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能
[3,4]。嵌入式系统一般指非
PC
系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/
微处理器、存储器及外设器件和
I / O
端口、图形控制器等。软件部分包括操作系
统(OS)和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着
应用程序编程与硬件的交互作用。
嵌入式控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等优点，其应用已
深入到制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航
天、军事装备、消费类产品以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、
产品更新换代、加速自动化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。
嵌入式控制器的应用已经随着技术的发展越来越广泛。
§1.3 课题目标和主要研究内容
§1.3.1 课题目标
总体目标是：
1).研究制肩机吐塑系统温度、压力的控制方法,包括吐塑工位的温度解耦控制
和压力的恒定控制。
2).在
Arm9
嵌入式一体机平台下，实现对制肩机软件控制，满足制肩机实时、
准确和长期稳定运行的要求，技术参数要求如表 1-1 所示。
具体目标是：在弄清已有制肩机工作原理的基础上，对已有制肩机功能的缺
陷进行分析并提出解决方案加以改进实施，完成吐塑系统温度压力控制的关键技
术的研究。实现基于
Arm9
嵌入式一体机平台对制肩机的显示操作和控制功能，基
于
μC/OS-II
操作系统开发嵌入式一体机，通过一体机进行参数设置和调节，并实
现自动实时监测温度、压力的功能，编制触摸屏操作系统软件和应用程序软件。
第一章 绪论
3
表1-1 技术参数要求
技术参数要求
设计生产速度
温度波动范围
压力变化率
标准范围
50 支/min
±2℃之内
10%之内
本机能正确完成各工位工序要求。机器可分为两类工作单元，即主工作台和
各个工位。主工作台单元主要实现主工作台的转动及其检测。本机一共有 10 个工
位：各个工位主要包括上管、吐塑、压模、冷却、脱膜等功能。
§1.3.2 主要研究内容
1).研究影响制肩机吐塑工位加工质量的关键因素：吐塑温度和压力；根据嵌
入式一体机的功能特性，研究和开发模糊控制算法实现对耦合温度场的温度解耦
控制，模糊控制算法采用查表和搜索的计算方式，响应速度快，运算量小，控制
适应性好，鲁棒性强，使用嵌入式一体机集成温度控制模块满足了控制要求，达
到了设计需要，提高了控制系统的集成度和性价比。
2).研究和开发基于嵌入式一体机的全自动制肩机控制系统，包括系统硬件、
接口电路和操作系统；软件方面还完成了系统软件平台的搭建，选用
μC/OS-II
操
作系统做为一体机的系统平台，采用
μC/GUI
图形系统作为图形显示界面，并移植
应用
Yaffs
文件系统；完成了设备驱动程序的开发以及应用软件流程和界面的设
计；实现制肩机实时温度监测功能，最终完成制肩机应用控制软件系统的程序编
写与运行调试。
§1.4 本章小结
本章从课题的研究背景与研究意义出发，介绍了全自动制肩机、嵌入式系统
的国内外发展状况，分析了本文研究的主要内容。
制肩机控制系统关键技术的研究
4
第二章 制肩机控制系统结构组成及分析
§2.1 全自动制肩机的结构组成及工作原理
§2.1.1 工作原理介绍
制肩机从机器布局来说分为主工作台与
10
个加工工位如图 2-1 所示，各个工
位主要包括上管、吐塑、压模、冷却、脱膜等功能。注肩机由一台伺服电机驱动
主转台，一台伺服电机控制加压系统，还有三台伺服电机分别控制上管、卸管、
计量。具体工作流程简单介绍如下：
图2-1 全自动高速注肩机工位示意图
主工作台由一伺服电机经齿轮组驱动。齿轮组的输入轴每旋转一转(
360
)主
工作台转动一个工位(
36
)。设加工一个软管的时间为
T
，其中
40%
的时间旋转工
作台在移动工位，而
60%
的时间处于静止状态供各工位对软管进行加工。使用伺
服电机控制输出轴旋转位置，嵌入式一体机采集伺服电机的到位信号，然后发出
同步信号，通过同步信号控制各工位的运转，使各工位在主工作台静止状态时完
成加工动作。
同步信号到达后，二号工位(上管工位)将管套在芯棒上；三号工位(喷管工位)
把一定量的聚乙烯喷在模具上；四号工位(压管工位)将芯棒压入模具，压制出需要
的“肩”；五号工位(冷却工位)为冷却工位；六号工位(检测工位)检测模具是否在加
工中脱开；七号工位(冷却工位)依然是冷却；八号工位(缓冲工位)脱模缓冲，将压
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摘要制肩机用于制造日常生活用品的软管包装。完成一个成品软管需要经过制管、注肩等工艺过程，现在国内生产的制肩机大部分是手动或者半自动型，工作中需要人工将制好的管子套入芯模，然后操作机器进行吐塑、冲压、脱模、等待注出的肩冷却成型后，再通过人工将成品从芯模上拔下。这样的间歇工作方式，效率低，劳动强度大，人力成本高，工作环境恶劣，本文研究的一种高速连续工作的全自动制肩机改变了这种现状。本文在分析了传统制肩机控制方面存在的缺陷的基础上，研究并制造了一种基于嵌入式触摸屏一体机的制肩机控制系统并得到了实际应用，运行情况可靠，效果良好。本文介绍了自动制肩机控制要求和工作原理，对吐塑工位的温度控制模块进行了详细...
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