1、基于单片机的结晶器液压振动波形发生器的设计下位机部分大学本科毕业论文毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（
2、论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校
3、有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2
4、.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）
5、2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于单片机的结晶器液压振动波形发生器的设计下位机部分摘 要在连铸连轧生产过程中,结晶器按预定波形受控振动是连铸机正常生产的重要保障。目前先进的连铸机结晶器主要采用电液伺服振动装置,它可以方便地实现非正弦波形等多种振动规律、实时显示振动波形、在线修改振动参数,自动化程度高,是连铸生产中提高板坯表面和内在质量的先进技术。如何控制结晶器(Mould)按给定波形规律进行振动是连铸生产过程的关键技术。本文设计的基于单片机的结晶器液压振动波形发生器的目的即控制结晶器按给定波形规律进行振动。该波形发生器以89C51单片机为核心，外接
6、键盘及双缓冲方式D/A转换电路，可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波以及非正弦波等多种波形，可通过键盘设定所需波形参数。根据波形发生器所给定的波形可以对结晶器振动进行控制。关键词：:结晶器；液压振动；单片机；波形发生器；D/A转换Based on SCM crystallization hydraulic vibration waveform generator design - Under the crew ofAbstractIn the continuous casting tandem rolling production process, the crystallizer is con
7、trolled the vibration according to the predetermined profile is the conticaster regular production important safeguard. At present the advanced conticaster crystallizer mainly uses the battery solution servo shake-out equipment, it may realize the non-sinusoidal wave form conveniently and so on many
8、 kinds of vibration rules, the real time display vibration profile, the online revision vibration parameter, the automaticity is high, is in the continuous casting production enhances the tube blank surface and the intrinsic quality vanguard technology.How controls crystallizer (Mould) according to
9、assign the profile rule to carry on the vibration is the continuous casting production process key technologies. This article designs is the control crystallizer according to assigns the profile rule based on monolithic integrated circuits crystallizer hydraulic pressure vibration profile generator
10、goal to carry on the vibration. This profile generator take the 89C51 monolithic integrated circuit as the core, the external connection keyboard and the double cushion way D/A switching circuit, may have the square-wave, the triangular wave, the saw-tooth wave, the sine wave as well as the nonsine
11、wave and so on many kinds of profiles, may need the waveform parameter through the keyboard hypothesis. The profile which assigns according to the profile generator may carry on the control to the crystallizer vibration.Key words: Crystallizer;Hydraulic pressure vibration;Monolithic integrated circu
12、it;Waveform Generator; D/A transformation 第一章 绪论一.1 连铸结晶器的发展背景回顾连续铸钢的发展历史，连续浇铸的生产方式首先是从有色金属开始的。铸机采用的是垂直固定的结晶器，拉坯过程中，坯壳极易与结晶器壁发生粘结，从而导致拉不动或拉漏事故。因此浇铸速度很低，铸坯的液相心长度一般不超过结晶器长度。据有关文献记载，于1913年瑞典人皮尔逊（AHPehrson）曾提出结晶器应按照一定的振幅和频率做往复运动的想法，但真正将这一想法付诸实施的却是德国人容汉斯（SJunghans）。容汉斯开发的结晶器振动装置于1933年成功的应用于有色金属黄铜的连铸。1949
13、年容汉斯的合作者美国人艾尔文罗西（IrvingRossi）获得了容汉斯振动结晶器的使用权，并在美国的阿勒德隆钢公司（Allegheng Ludlum Steel Corporation）的Watervliet厂的一台方坯试验连铸机上采用了振动结晶器。与此同时，容汉斯振动结晶器又被应用于德国曼内斯曼（Mannesmann）公司胡金根厂（Huckiugen）的一台连续铸钢试验连铸机。容汉斯振动结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使其在钢连铸中迅速得到了推广。从此，结晶器振动便成了连铸生产的标准操作。可以看出是振动的结晶器使连续铸钢生产实现了工业化。一.2 本文主要研究的内容及目的一.2.1 研究内容
14、本课题主要研究的是基于单片机的结晶器液压振动波形发生器。通过给定的振动波形（频率和振幅可由键盘设定），对结晶器液压振动进行控制，可以通过调节振动频率、振幅和波形偏斜因子来控制波形的变化,使非正弦运动的位移、速度和加速度发生变化,从而能够得到高质量铸坯,并能有效避免粘结的振动波形。一.2.2 研究目的结晶器按预定波形受控振动是连铸机正常生产的保障。目前先进的连铸机结晶器主要采用电液伺服振动装置,它可以方便地实现非正弦波形等多种振动规律、实时显示振动波形、在线修改振动参数,自动化程度高,是连铸生产中提高板坯表面和内在质量的先进技术。如何控制结晶器(Mould)按给定波形规律进行振动是连铸生产过程的
15、关键技术。本文设计的基于单片机的结晶器液压振动波形发生器的目的即控制结晶器按给定波形规律进行振动。第二章 连铸结晶器简介二.1 结晶器的功能及结构结晶器是水冷的铜模，是连铸机非常重要的部件，被称为连铸机的“心脏”。钢水在结晶器内冷却，初步凝固成形，并具有一定厚度的坯壳，这一过程是在坯壳与结晶器壁连续相对运动下完成的。因此结晶器应具有良好的导热性和刚性，不易变形，重量要轻，以减小振动时的惯性力；内表面耐磨性要好，以提高使用寿命。结晶器是连铸设备中最为关键的部件,在相当大的程度上影响着铸坯的质量和连铸生产的稳定性。结晶器铜板的工作环境非常严酷,因而对其物理性能的要求也十分苛刻。首先,结晶器铜板必须
16、具备良好的导热性。这是为了保证钢液在结晶器内迅速凝固成一定厚度、一定强度的坯壳,防止铸坯出结晶器后漏钢。其次,它要有高的屈服强度。由于结晶器铜板要和1470至1600的高温钢水接触,背面又受约30左右的冷却水冷却,在如此巨大的温度梯度下,反复产生的热应力也是极大的。铜板没有足够的强度,就会在表面或冷却水槽底部产生龟裂,甚至导致冷却水与钢水接触,并可能引起爆炸。此外,其要有足够的硬度和耐磨性,尤其是要有较高的软化温度。这是因为铜板表面要直接与铸坯接触而产生磨损,在高温下要求铜板不软化。按结晶器的外形，结晶器可分为直结晶器和弧形结晶器。直结晶器用于立式、立弯式以及直弧形连铸机，而弧形结晶器用在全弧
17、型和椭圆形连铸机上。从结构来看，有管式结晶器和组合式结晶器。二.2 连铸结晶器振动概述结晶器振动是连铸机的核心技术之一,钢水所形成的坯壳与结晶器壁的脱离全靠振动的作用。连铸机结晶器振动的目的是防止拉坯时坯壳与结晶器黏结,同时获得良好的铸坯表面。结晶器向上运动时,减少新生坯壳与铜壁产生黏着,以防止坯壳受到较大的应力,使铸坯表面出现裂纹;而当结晶器向下运动时,借助摩擦,在坯壳上施加一定的压力,愈合结晶器上升时拉出的裂痕,要求向下运动的速度大于拉坯速度,形成负滑脱。结晶器壁与运动坯壳之间存在摩擦力,此摩擦力被认为是撕裂坯壳进而限制浇注速度的基本因素。在初生坯壳与结晶器壁之间存在液体渣膜,此处的摩擦为
18、黏滞摩擦,即摩擦力大小正比于相对运动速度,渣膜黏度,反比于渣膜厚度。在结晶器振动正滑脱期间摩擦力及其引起的对坯壳的拉应力就较大,可能将初生坯壳拉裂,为此开发了采用负滑脱的非正弦振动技术来减小这一摩擦力。坯壳与结晶器内壁之间的摩擦主要是液态摩擦,因此,在结晶器向上运动过程中坯壳所受到拉应力大小随坯壳与结晶器内壁之间的相对速度的增加而增大。当相对速度达到一定数值时,摩擦可能会导致坯壳与结晶器内壁之间的液态润滑膜被撕裂,润滑被破坏,或者坯壳被撕裂这两种后果。这两个后果都可能导致粘模甚至拉漏事故。通过减小振动行程、延长正滑脱时间和减小振动频率这三条途径可达到减小相对速度从而减小摩擦力的目的。二.2.1
19、 结晶器振动规律的发展结晶器由静止变为振动，引起了连铸工作者的广泛关注和兴趣，人们纷纷进行试验研究工作，对粘结性漏钢机理进行了研究，发展了各种结晶器振动规律。最早出现的是矩形速度振动规律，基于“拉裂焊合”理论，其特点是结晶器在下降时与铸坯做同步运动，然后以3倍的拉坯速度上升，即所谓的3:1型振动方式。这种振动方式对铸坯脱模是有效的，早期得到了应用。但其主要缺点是机械加工比较困难，振动机构和拉坯机构之间要有严格的电器连锁，在上升和下降的转折点处速度变化很大，设备冲击大，不利于采用高频振动。但这种波形的采用，使固定的结晶器变为振动的结晶器，使结晶器技术产生一个飞跃。随着负滑动理论的出现，矩形速度规
20、律被梯形速度规律所代替，其特点是结晶器向下运动过程中有较长一段时间其速度稍大于拉坯速度，即“负滑脱运动”，使坯壳中产生压应力，可以使拉裂的坯壳压合，使粘结的坯壳强制脱模，结晶器在上升、下降转折点处速度变化较缓和，提高了设备的平稳性，梯形波的出现使连铸的生产更加顺畅，这种速度波形沿用了很多年，负滑动理论一直沿用至今。随着负滑动理论的不断发展和完善，出现了正弦速度规律，正弦振动速度规律采用偏心轮实现。这种振动规律打破了结晶器和铸坯之间要有一定的速度关系的限制，着重发挥它的脱模作用，用偏心轮代替凸轮，正弦振动仍有一小段负滑动阶段，有利于脱模，速度、加速度变化平缓，采用偏心轮设备简单，易于加工制造、安
21、装和维护，运动精度高，设备运动平稳，冲击小，易于采用较高频率振动。正弦振动目前仍被广泛应用。二.2.2 结晶器的振动方式目前结晶器的振动有正弦波和非正弦波两种方式：正弦波式振动振动的速度与时间的关系为一条正弦曲线或余弦曲线。正弦振动方式的上下振动时间相等，上下振动的最大速度也相同。在整个振动周期中，铸坯与结晶器之间始终存在着相对运动，在结晶器振动过程中，有一小段下振速度大于拉坯速度，因此可以防止和消除坯壳与结晶器内壁间的粘结，并对被拉裂的坯壳起到愈合作用。另外，由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的，其加速度必然按余弦规律变化，所以过度比较平稳，冲击较小。非正弦振动结晶器振动速度随时间变化的规
22、律不是正弦曲线的都称为非正弦振动。随着高速铸机的开发，拉坯速度越来越快，结晶器上振时与铸坯间的相对运动速度加大，特别是高频振动后此速度更大，由于拉速提高后结晶器保护渣用量相对减少，坯壳与结晶器壁之间发生粘结而导致了漏钢的可能性增加，为了解决这一问题，除了使用新型保护渣外，另一个措施就是采用非正弦振动；非正弦振动是结晶器上振动时间大于下振时间，以缩小结晶器上振与铸坯之间的相对运动速度。由此可见非正弦振动具有以下特点:在正滑动时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差减小。因此,可减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力,作用在弯月面下坯壳的拉应力减小,减少拉裂;在负滑动时间里结晶器振动速度vm与拉坯速度之差
23、较大。因此,作用于坯壳上的压力增大,有利于铸坯脱膜。负滑动时间短,铸坯表面振痕浅;正滑动时间长,可增加保护渣的消耗量,有利于结晶器的润滑。可以通过调节振动频率、振幅和波形偏斜因子来控制波形的变化,使非正弦运动的位移、速度和加速度都发生了变化,从而能够得到高质量铸坯,并能有效避免粘结的振动波形。二.2.3 结晶器振动参数结晶器振动的主要参数包括振幅、频率、波形偏移率和负滑脱时间。 振幅与频率。结晶器振动装置的振幅与频率是互相关联的，一般频率越高，振幅越小。如频率高，结晶器与坯壳之间的相对滑移量大，这样有利于强制脱模，防止粘结和提高铸坯表面质量。如振幅小，结晶器内钢液面波动小，这样容易控制浇注技术
24、，使铸坯表面光滑。还有利于减少坯壳被拉裂的危险。波形偏斜率。非正弦振动的一个参数是波形偏斜率，用表示，即图1.1中A1与A0（T4）的比值。显然，正弦振动时=0。=100%图1.1正弦振动和非正弦振动曲线1非正弦振动；2正弦振动 负滑脱时间在一个振动周期里，结晶器下振速度大于拉坯速度的时间是负滑脱时间，用tN表示。二.2.4 结晶器振动机构结晶器按一定的运动轨迹振动。连铸机振动机构有短臂四连杆振动机构、四偏心轮振动机构和液压振动机构。【1】将四连杆机构中的部分或全部连杆由刚性杆改为弹簧钢版，消除了振动过程结晶器的水平摆动，结构简单，维修方便。 四偏心轮振动仍属于正弦振动。其优点是：结晶器振动平
25、稳，无摆动和卡阻现象，适合于高频小振幅，但结构复杂。短臂四连杆振动和四偏心轮振动均属于机械振动。薄板坯连铸结晶器振动形式的方向是液压振动。目前,液压和液压伺服振动系统已在许多连铸机上成功地取代了机械振动系统,并取得了良好效果。通常，期望通过液压振动来改善铸坯表面与结晶器铜壁间的接触状态。传统的偏心轮传动是结晶器做机械振动，其波形只能达到近似于正弦波。众所周知，在负脱滑时间内，连铸保护渣不能够流入坯壳和铜板间的缝隙中，难以形成均匀的保护渣膜。为此，一般均想尽量缩短负滑脱时间TN，而在机械振动条件下，难以进一步降低TN值，只有采用液压振动形式，才可通过获取非正弦曲线来将TN减小。与机械振动相比,板
26、坯连铸机的液压振动装置具有一系列优点: 【2】振动力由两点传入结晶器,传力均匀;在高频振动时运动平稳,高频和低频振动时不失真,振动导向准确度高;结构紧凑、简单,传递环节少,与结晶器对中调整方便,维护也方便;采用高可靠性和高抗干扰能力的单片机控制,可长期保证稳定的振动波形;可改变振动曲线,并可在线设定振动波形等,增加了连铸机可浇钢种;改善铸坯表面与结晶器铜壁的接触状态,提高铸坯表面质量并减少黏结漏钢。第三章 基于单片机的液压振动波形发生器波形发生器是一种常用的信号源，广泛的应用于电子电路，自动控制等领域。目前，使用的波形发生器大多是用分立元件组成的。结晶器液压振动波形发生器可由单片机、虚拟仪器、
27、VB等各种编程语言和可编程逻辑器件实现。用单片机构成的波形发生器可以产生正弦波，方波，三角波等波形，而且波形的周期和频率都可以改变。本文介绍一种用MCS-51单片机构成的波形发生器，其线路简单，结构紧凑，价格低廉，通过键盘可以设定振动波形的频率和振幅等参数。三.1 方案比较与选择结晶器液压振动波形发生器的设计，可由单片机、虚拟仪器、VB等各种编程语言以及可编程逻辑器件实现。本设计主要用单片机构成波形发生器，下面对几种方案进行比较和选择。方案1：采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，会寄生一些
28、高次谐波分量，采用其他的措施虽可滤除一些，但不能完全滤除掉。方案2：采用AT89C51单片机和DAC0832数模转换器生成波形，通过在函数中对一个数组附值，再经过DAC0832输出，在示波器上就会观察到不同函数值的波形。外接键盘电路，可由键盘进行波形选择，设定波形频率和振幅等参数。由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。它的特点是线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。经反复论证及应实际要求，最终选择方案2。三.1.1 设计思路本设计以89C51单片机为核心，通过单片机控制各种外围芯片及电路。波形的产生是通过89C51执
29、行某一波形发生程序，在其数据线上送出一系列按一定规律变化的数据信息，通过D/A转换器和运算放大器转化为电压信号。这次设计主要要完成的波形是正弦波、三角波、锯齿波和方波，通过在函数中对一个数组附值，经过DAC0832输出，在示波器上就会观察到不同函数值的波形。通过函数对数组中的数附值之后不是一次就输出显示出来的，这要对51单片机编写控制字，使其开中断，再用计数器计数，当计数器溢出时便提出中断请求，这时调用中断函数，将数组中一个值送到DAC0832中，这样连续不断的进行送值，输出的就是一完整波形。三.1.2 总体设计框图高精度波形发生器分为上层应用软件和下层软硬件两大部分。其中上层软件提供人机交互
30、界面即操作员控制台，用于选择波形，生成波形数据,以及串口通讯控制和人机通讯；下层硬件为I/O控制器，由CPU，DAC，计数器，定时器等模块组成，主要是用于对上层波形数据的接收，存储，同时可以单独使用，通过CPU向DAC发送所需波形数据。本设计主要做下位机部分，即基于单片机的波形发生器的波形生成部分。该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。总体设计方框图如下：图3.1 总体设计方框图三.2 硬件设计三.2.1 总体电路设计波形发生器的原理是通过89C51单片机执行某一波形发生程序，在其数据线上送出一系列按一定规律变化的数据信息，通过D/A转换器和运算放大器转化为电压信号。单片机P0口外接
31、键盘电路，可通过键盘选择波形类型和设定所需要的波形频率及振幅。波形发生器的原理接线图如图3.1所示：图3.1波形发生器硬件原理图单片机电路功能：形成扫描码、键值识别、键处理、参数设置；形成波形的数字编码，并输出到DA转换电路。89C51的P0口作为扩展IO口，与DAC0832相连接。P0（分时复用）提供16位地址线。P1口接16键的矩阵键盘。D/A转换电路功能：将波形样值的数据转换成模拟电压信号。D/A转换电路采用双极性电压输出，由DAC0832和两块uA741运放组成，单片机向0832送数字编码，产生不同的输出。0832输出波形信号时，其幅度是可调的。生成波形样值编码，经D/A转换得到波形的模拟样值点。假如N个点构成波形的一个周期，则0832输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。重复输出N个点，成为第二个周期。三.2.2 AT89C51单片机简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个
