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钢管自动喷标系统之喷标小车的设计开题报告.doc

钢管自动喷标系统之喷标小车的设计【21张CAD图纸和说明书】

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A0-喷标小车装配图.dwg

A1-升降托架.dwg

A1-气路图.dwg

A1-电路原理图.dwg

A1-移动支架.dwg

A2-丝杆.dwg

A2-冲头.dwg

A2-喷标系统总装配图.dwg

A2-气缸固定座.dwg

A2-润滑线路图.dwg

A2-电机角铁.dwg

A2-轨道安装板.dwg

A3-大锥齿轮.dwg

A4-丝杆座.dwg

A4-喷标流程图.dwg

A4-小锥齿轮.dwg

A4-手柄轴.dwg

A4-摩擦盘.dwg

A4-螺套.dwg

A4-轴承座.dwg

A4-铜螺母.dwg

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关键词：: 钢管自动系统小车设计 21 cad 图纸以及说明书仿单

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摘要

钢管是一种多功能的钢材，其用途覆盖了石油、冶金、煤炭、汽车、船舶、电站以及军工等行业，为国家经济建设和国防安全做出了巨大的贡献。本文以国内外钢管生产线上精整区喷标系统的研究与开发现状为背景，对悬臂式钢管喷标系统进行了研究设计。本课题的主要研究工作：
第一章综合叙述了钢管的工艺生产流程及API国际标准；说明了国内喷标系统的开发现状及存在的问题并阐述了开发钢管喷标系统的必要性；陈述了课题的来源以及论文的主要工作和意义。
第二章针对喷标系统设计的总体说明，提出了系统的设计总目标；给出了系统设计的关键参数并给出了系统的平面布置图；根据系统的整体组成结构，对各部分机构及工作过程进行简单说明；最后给出喷标小车机械部分的设计方案以及简要概述喷标控制系统的总体设计。
第三章根据设备运行的要求设计了喷标小车的机械、电气结构，并且对关键部分的设计进行分析。
第四章介绍了喷标控制系统的设计组成，简述了PLC的编程方式，西门子S7400PLC的特点；PLC技术在工业应用中的优势分析以及PLC的硬件设计要求，喷标小车的伺服运动控制原理，最后给出了喷标流程图和相应的PLC程序。
第五章总结喷标系统设计过程所做的工作，并对系统的改进方向进行了展望。

关键词钢管；喷标；PLC；伺服电机；位置控制

ABSTRACT

Steel tube is widely used as a sort of metallic material in oil,metallurgy,automobile, watercraft, electric plant, war industry and so on. It is important to the national economic development. This dissertation is based on the design and development of the system of steel tencil in home and abroad.with the aim of designing a Cantilever-Stencil Machine for Steel Pipe. the main contents are shown as follows:
In chapter 1,technological process of steel tube and the international standard API are introduced.Then the current situation of research and problems on tencilling system in China are described.And also,the necessities of the improvement of it are explained.Finally,the source of this project and the main contents as well as the significance of this paper are mentioned.
In chapter 2,according to the design target of stencil system,some key design parameters as well as the manufacture flow are put forward.The framework of an integrated tencil system comprising structures is presented,followed by a description of the mechanical struction and interaction.
In chapter 3, the mechanism structure is designed according to the requirement of the equipment function. And the pivotal piece is analyzed.
In chapter 4,PLC program metheod and the characters of S7400 series are introduced in brief.Attention are mainly focused on the modular design of PLC program,the servo-controlling system of the moving structure.flowed by the PLC program is mentioned.
In chapter 5,the work of dissertation is summarized and prospect of improving direction of system is presented.

Key words steel tube stencil PLC servo motor position control
目录

1 绪论 1
1.1 钢管喷标系统的开发现状 1
1.1.1 引言 1
1.1.2 喷标系统的开发现状 3
1.2 钢管喷标系统开发的必要性 4
1.3 课题来源 4
1.4 论文的主要工作和意义 4
2 喷标系统总体设计 5
2.1 喷标系统设计要求 5
2.2 喷标系统总体设计 5
2.2.1 喷标小车的机械结构设计 5
2.3 喷标系统的控制系统设计 7
2.3.1 喷标系统的自动工作过程 7
2.4 本章小结 8
3 小车机械、电气结构设计 9
3.1 横移机构的设计 9
3.1.1 齿轮齿条副设计 9
3.1.2 滚动直线导轨副设计 10
3.1.3 伺服电机的选型 14
3.2 喷头升降机构的设计 15
3.2.1 选择喷标方式 16
3.2.2 气缸的选型 18
3.2.3 气缸活塞与喷头的配合 18
3.2.4 气缸的固定 19
3.3 喷头位置调节机构设计 20
3.3.1 滚动直线导轨副 21
3.3.2 锥齿轮副设计 21
3.3.3 丝杆副设计 29
3.4 防撞机构设计 29
3.4.1 动作方式 30
3.5 气路控制系统设计 30
3.5.1 气动回路 30
3.6 本章小结 32
4 喷标控制系统设计 33
4.1 控制系统的组成 33
4.2 PLC软件及编程 33
4.3 PLC在喷标系统中的应用 34
4.3.1 PLC的特点 34
4.3.2 PLC在工业应用中的优势 34
4.3.3 S7-400编程方式 35
4.4 PLC系统的硬件设计 36
4.4.1PLC I/O点数统计 36
4.5 喷标小车的伺服运动控制 37
4.5.1伺服控制系统简介 37
4.5.2 伺服运动控制系统工作原理 38
4.6 PLC程序设计 39
4.6.1 喷标流程 39
4.7 配电电气控制 40
4.8 本章小结 40
5 结论 41
致谢 42
参考文献 43
附录 44
附录1 44
外文原文 44
译文部分 49
附录2 54
附录3 65

1 绪论
1.1 钢管喷标系统的开发现状
1.1.1 引言
钢管是一种用钢制作的具有中空截面而长度远大于外径(或边长)的金属材料。截面通常为圆形，但也可呈扁、方和异型等。钢管的结构特征是：
1)具有封闭的环形横断面；
2)两端开口；
3)管长与外径之比L/D较大；
钢管是一种多功能的经济断面钢材。它在国民经济各部门中的应用愈来愈广泛。
钢管作为输送管广泛地用于输送油、气、水等各种液体，如石油及天然气的钻探开采与输送、锅炉的水与蒸汽管道、一般的水煤气管道等。
钢管作为结构管大量地用于机械制造业和建筑工业，如用于制作房架、塔吊、钢管桩、各种车辆的构架等。在断面面积相同的条件下，钢管比圆钢、方钢等的抗弯能力大，钢性好，其单位体积的重量轻。因此，钢管是一种抗弯能力较强的结构材料。
钢管还作为中空的零件毛坯用于制造滚动轴承、液压支柱、液压缸筒体、空心轴、花键套、螺母以及手表壳等，这既节约金属又节省加工工时。
钢管又是国防工业中的重要材料，如用于制造枪管、炮筒及其他武器。随着航空、火箭、导弹、原子能与宇宙空间技术等的发展，精密、薄壁、高强度等钢管的需求量正迅速增长。
钢管的种类繁多，生产过程复杂，生产设备也很庞大，大型企业一般采用自动化生产线来完成钢管生产的各个工艺流程，一般热轧钢管的生产工艺如下图1-1所示。
图1-1热轧管生产流程
按照工艺流程，管坯进入车间后在剪断机上按工艺要求切成定尺长度。需要冷定心的合金管坯送至定心车床加工定心孔。管坯切断(冷定心)后送入管坯加热炉内进行加热。需要热定心的管坯出炉后由辊道送至热定心机上热定心。经热定心后的管坯由斜蓖条送到穿孔机上穿孔。穿孔后的毛管还要经过自动轧管机、均整机、定径机等加工成钢管。需要减径的管子，经过再加热炉再加热后送至减径机上减径。从定径或减径机轧出的成品管，由辊道送至链式冷床上冷却，冷却后的钢管(有的要热处理)送到斜辊式矫直机上矫直，然后进行其他各项精整工序。精整后的成品管经检验后涂油打捆入库。
钢管喷标系统是对成品管进行喷涂标记的一种设备，根据一定的标准如钢管生产的炉号、班号、材料、长度、重量、生产厂家等按一定的标准标注在钢管表面。由此可知，钢管喷标系统应该安排在钢管生产工艺流程的精整部分。
根据GB2102-88规定，外径不小于36mm的钢管应该在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴标记。印记应清晰明显，不易脱落。印记内容应包括钢的牌号、产品规格、产品标号和供应厂家的印记或者商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。
随着我国入世，国内和国际市场的接轨，钢管市场同样面临一系列的问题。国内钢管进入国际市场，必须遵守国际的相关标准。比如无缝钢管要遵守国际标准API SPEC 5CT 如下表1.1-1所示。
过去，大部分的钢管生产厂家采用人工方式进行标记。人为的把相关的内容根据国家标准，用涂料写在钢管上。有的钢管厂由工人随意手写，字迹不统一，有的用刷模的方式，字迹相对工整。这种做法一直沿用了很长一段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在劳动强度大、生产效率低、字迹不清楚、无法统一管理，难于与国际市场接轨。

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内容简介：: 徐州工程学院毕业设计（论文）任务书机电工程学院学院机械设计制造及其自动化专业设计（论文）题目钢管喷标系统之喷标小车的设计学生姓名沈忠班级 04 机本 4 起止日期指导教师崔增柱教研室主任李志发任务书日期 2008 年 2 月 25 日根据定，外径不小于 36 毫米的钢管及截面长不小于 150 毫米的异型钢管应在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴印记。印记应清晰明显，不易脱落。印记应包括钢的牌号、产品规格、产品标准号和供方印记或注册商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。国内一些大型钢铁公司的产品要参与国际竞争，其产品必须符合国际标准，厂家必须要加强自身的质量管理和自我保护意识，在自己生产的产品上标识印记，利用喷码技术对钢管进行产品质量控制和跟踪是发展趋势。于是大型的钢铁公司耗巨资引进了国外的整条生产线，虽然进口设备测量精度高、生产效率高、可靠性好、工人劳动强度低、字迹统一规范，但是同时进口设备成本高、要求工人的素质高、维护成本也高。这就对整个国内钢铁行业带来了新的挑战。对于钢管行业来讲，钢管喷标是完成此项任务的主要方法，将产品的批次、班号、材质、钢级、执行标准等有关信息都喷印在产品上。相对于传统在钢管上打的印记来说速度快，相对于涂的色带而言，包含的信息量大。面对传统方法的落后性与进口设备的高成本性之间的矛盾，开发设计钢管喷标系统有着其他设备不可替代的作用。论文 )的内容和要求：本论文所设计的钢管喷标系统部件喷标小车，是涉及到多学科，多专业，集机电和计算机一体化的设备。主要内容有通过对系统开发现状的分析，对喷标系统进行了总体方案设计；根据总体方案设计了喷标小车的具体机械结构、气路系统、安全防护、控制系统。通过对系统工作原理的研究，进行了序的设计。该系统的设计综合运用了机械、电子、计算机三大知识体系，由于采用了喷头伺服电机拖动的形式，喷印定位精度得到了提升。设计要求如下：成机械系统的设计计算书、图纸、图表等相关内容；电图、输入输出的设计。 1 魏爱玉 . 钢管统设计及控制软件的开发 D. 浙江：浙江大学硕士学位论文 ,2 唐志峰，项占琴，李明范等自动钢管喷标机的研制 J2002 3 濮良贵，纪名刚 M高等教育出版社， 1996 4 现代机械传动手册编辑委员会 .现代机械传动手册第二版 M械工业出版社， 5 机械设计手册编委会 .机械设计手册第三版第 2卷 M6 机械设计手册编委会行本）零部件设计常用基础标准 M械工业出版社， 7 西门子册 M,1998 8 蒋方炎 J2000 9 孙克梅，田中大，王俊 M2003. 3 10 左键民 M械工业出版社， 2005,7 11 范思冲 M械工业出版社，论文 )进度计划 (以周为单位 )：起止日期工作内容备注第 1 周周第 3 周周第 5 周周第 7 周周第 9 周 0 周第 11 周 2 周第 13 周 4 周第 15 周第 16 周论文开题，外文翻译 /查阅资料论文大纲 /资料准备 /绪论部分论文总体设计部分论文机械设计部分论文机械设计部分论文机械设计部分 /电气及控制系统部分设计论文电气及控制系统设计论文初稿检查、修改论文定稿与课题相关文献大纲简明完整突出重点难点列出计算过程给出零部件图纸配电、程格式符合要求教研室审查意见：室主任 2008 年 2 月 27 日学院审查意见：教学院长 2008 年 2 月 27 日附录附录 1 外文原文 of ne of is to of on as a of as a of in be a of is is to be In to of to us to of in be to of of it OF is to of to in at of A to a in is of In be be in a or a of in we to of no to of on A on on A on a of on on at a of of of in of up of A is at or at or is ti as a by a is to or if is as be ,in as at of of is to ie is of a as s is we do a of in to of we te s to to do so we to of do as in to a at we to an as we A of be by of by s to a of be s we of we we a of It it as or of an It is a in a be by to to to do so in a a to in in to =to a of to to of in or is be to To do in it is to do we be to to in at on as he to be as in if is to a it be of to is a be he is if of or if is in in be in of of is it is by of (1)of or in an is (2)is in so a of is (3)is in is at or be so is (4) to be is to is to do to It is we be of is to to be in of no To of is to to of of or It is to of a to of is by in at at is to is to be of a is 0mm id a of of is of of at be as in of a it to is an in is it is a of of a it to be as a is to be to or is of is in a is to a or in to be is an to is be on is be or in as in A to be If be so to a on of in a 0 in as to be to of in of a in ft of In be to a of an be a of is .4 or in to of is in is a of as on by of of in be in to to If at a it is to of so be As a of be at 0 by or is on of of be in of a if by or id it be to as to it as it of an be of an of is of to is by as A is a of In to a is in it is to be of it be in an or of on if an is in a or a on a it is in A of of by to of to a of in by of a on of In to as an a of is a is in a as to of of to in to of to 译文部分机械运动和动力学运动学的基本目的是去设计一个机械零件的理想运动。然后再用数学的方法去描绘该零件的位置，速度和加速度，再运用这些参数来设计零件。因为，对于大部分固着在地球上的机械系统来说，与之联系最密切的是时间，将加速度和动态力定义成时间作用的结果力是作用在物体上的外力和惯性力的作用结果。所以机械设计的内容是要建立一种在该机器的使用寿命内保证其安全的系统，目的是要在一定的工况要求下，对材料进行选择，使材料的应力在许用极限应力之内。这一点很明显要求所有的系统要在理想的限制内工作。在机械设计中，零件受到的最大力是取决于材料本身的动态性能。这些动态力引起了零件的加速度，加速度又要回到运动学中去计算 ,这是机械设计的基础。运动分析是最基本的也是最早出现在设计的过程中的，它对与任何一个零件的成功设计够起着至关重要的作用。在设计过程中很差的运动学分析会带来麻烦和错误。根据机构所具有的自由度，任何机械系统都可以被分类。系统的自由度是在任何时候限制它的位置独立的参数数目。在通常情况下，刚体在相关的平面内能实现复杂的自由运动。这个运动同时包括转动和平移。在三纬空间内，在可以饶任何轴转动的同时可以沿着三个坐标平移。在一个平面或是一个二维的空间内，复杂运动变成了饶一个 (垂直与这个平面的 )轴线的转动和同时发生的可以被分解为沿在这个平面内的两个坐标轴的平移分量。为了简化，我们将当前的讨论限制在二维的运动系统中。接下来将要介绍相关的术语：纯转动物体围绕着在相对于一个静止的坐标系静止的一点 (回转中心 )转动。其他所有物体上的点都可以用相对中心的弧来描述有在角度方向上有变化。纯平动所有在物体上的点在平行的路径上平移。物体上的参考线在线性位置上有变化 ,而在角度方向上没有发生变化。复杂运动同时包含转动和平动的运动。在物体上的参考线在沿线性点平动的同时又在角度方向上有变化。物体上的点不会在沿着平行的路径移动 ,他们在饶中心转动的同时也不停着改变着位置。铰链是联接所有机构的基本的构件。所有一般形式的机械 (齿轮、带、链 )实际上都是不同类型的铰链，铰链组成了联接和运动部件。联接是一个刚体和另外的连接件至少有两个结点。运动部件 (也称接头 )是在两个连接件的结合部分 ,这个结合允许相对的运动，允许连接件之间潜在的运动。术语低副是用来描绘接头间的面接触。如针和孔的结合面是如果在针和孔之间有间隙存在 (当它们之间用于有相对运动时 )当针和孔只有一面接触时，在针间的面联接实际上已经变成了线接触。类似的，微观上看 ,在平面滑动的杆件实际上只存在一些相关点的接触 ,那是表面凹凸不平的突点，低副相对于高副的优点是有利于接触表面之间的润滑，这一点对于旋转接头来说是确实存在的。在高副中润滑易被挤出来延长寿命。当我们设计机械时，为了取得运动部件的加速度信息必须首先对我们的设计进行全面的运动分析。接下来再运用牛顿第二运动定律去计算动态力。但是这样做，我们需要知道所有运动部件的质量和加速度，这些零件还没有存在，正如碰到的所有设计问题，我们在设计决定零件最佳尺寸和形状时缺少足够的信息。为了通过最初的计算我们必须估计零件的质量和设计的其它部分。当我们得到更多的信息时，再得到更好的解决方案。在估计你设计的零件质量的初期通过合理的假设零件的形状和尺寸及其合理选择材料来获得。然后计算每个零件的体积，再去乘以所选材料的质量密度，去取得零件最初的合理质量。这些质量值在牛顿方程中可以运用。我们如何来判断我们所选择的尺寸和形状是否合理呢？很不巧，我们要到分析完所受应力和失效分析后才能知道，特别是细长零件，如轴、细长的连杆，甚至在很小的应力条件下，零件在动载的的失效形式将限制我们的设计。这种情况我们经常碰到。我们可能将会发现零件在动载荷的情况下会失效寸和材料，重新来选择设计。然后重复力，应力和失效分析。设计不可避免地成为一个迭代过程。值得注意的是 ,在静力作用下，可以通过增加零件的质量来提高其强度，将不合格的设计变为合格，而在动态力作用的情况下，这样做可能产生有害的后果。在相同的加速度条件下，更大的质量将会产生更大的力，随即也会有更大的应力。为了降低应力和失效 ,设计者要从零件上去除一些质量。同时设计者需要对材料的特性和应力实效分析都要有很好的了解才能通过用合理的形状和尺寸来达到最小的质量。与此同时，抵御动态力的强度和刚度最大。在设计任何机器或者机构时，所考虑的主要事件之一是其强度应该比它所承受的应力要大的多，以确保安全可靠性。要保证机械零件在使用过程中不发生失效 ,就必须知道它们在某些时候会发生失效的原因，然后，才能将应力和强度联系起来，以确保其安全。设计任何机械零件的理想情况为，工程师可以利用大量的他所选的这种材料的强度试验数据。这些试验应该采用与所设计是零件有着相同是热处理 ,表面粗糙度和尺寸大小的试件进行，而且试验应该在与零件使用过程中承受的载荷完全相同的情况下进行。这表明，如果零件将要承受弯曲载荷，那么就应该进行弯曲载荷的试验。如果零件将要受弯曲和扭转的复合载荷，那么就应该进行弯曲和扭转复合载荷的试验，这些种类的试验可以提供非常有效和精准的数据。它们可以告诉工程师应该使用的安全系数和对于给定的寿命时的可靠性。在设计过程中，只要能够获得这种数据，工程师就可以尽可能好地进行工程设计工作。如果零件的失效可能危害人的生命安全，或者零件有足够大的产量，则在设计前收集这样广泛的数据所花费的费用是很值得的。例如，汽车和冰箱的零件的产量非常的大，可以在生产之前对它们进行大量的试验，使其具有较高的可靠性。如果把进行这些试验的费用分摊到所生产的零件上的话，则摊到所生产每个零件的费用是非常低的。你可以对下列四种类型的设计作出评价。 (1)零件的失效可能危害人的生命安全，或者零件的产量非常大 ,因此在设计时安排一个完善的试验程序会被认为是合理的。 (2)零件的产量足够大，可以进行适当的系列试验。 (3)零件的产量非常小，以至于进行试验根本不合算；或者要求很快地完成设计，以至于没有足够的时间进行试验。 (4)零件已经完成设计，制造和试验，但其结果不能令人满意我们将主要对后三种类型进行讨论。这就说，设计人员通常只能利用那些公开发表的屈服强度，极限强度和延伸率等数据资料。人们期望工程师在利用那些公开发表的资料的基础上，对静载荷和动载荷，二维应力状态与三维应力状态，高温与低温以及大零件和小零件进行设计！而设计中所能利用的数据通常是从简单的拉伸试验中得到，其载荷是渐渐加上去的，有充分的时间产生应变必须利用这些数据来设计每分钟承受几千次复杂的动载的作用的零件,因此机械零件有时会失效是不足为奇的。概括地说，设计人员所遇到的基本问题是，不论对于哪一种应力状态或者载荷情况，都能利用通过简单拉伸试验所获得的数据并将其与零件的强度联系起来。可能会有两种具有完全相同的强度和硬度值的金属，其中一种由于其本身的延搌性而具有很好的承受超载荷的能力，延搌性是利用材料断裂时的延伸率来衡量的。通常将 5%的延伸率定义为延展性的分界线。断裂时延伸率小于 5%的材料称为脆性材料，大于 5%的称为延性材料。材料的伸长量通常是在 50为这并不是对实际应变量的测量，所以有时也采用另一种测量延展性的方法，这个方法在试件断裂后，测量其断裂处的很截面的面积。因此，延展性可以表示为横截面的收缩率。延展性材料能够承受较大的超载荷这个特性，是设计中的一个附加的安全因素。延展性材料的重要性在于它是材料泠变形能的衡量尺度。诸如弯曲和拉伸这类金属加工过程需要采用延性材料。在选用抗磨损，抗侵蚀或者抗塑性变形的材料时，硬度通常是最主要的性能。有几种可选用的硬度试验方法，采用哪一种方法取决于最希望测量的材料特性。最常用的四种硬度是布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，努氏硬度。大多数硬度试验系统是将一个标准的载荷加在与被试验材料相接触的小球或者棱锥上。因此，硬度可以表示为所产生的压痕尺寸的函数。这表明由于硬度是非破坏性试验，而且不需要专门的试件，因而，硬度是一个容易测量的性能。通常可以直接在实际的机械零件上进行硬度试验。实际上，几乎所有的机器中都装有轴。轴最常见的形状是圆形，其截面可以是实心的，也可以是空心的（空心轴可以减轻重量）。有时也采用矩形轴，例如，螺丝起子的头部，套筒扳手和控制旋转的杆。为了在传递扭矩时不发生过载，轴应该具有适当的抗扭强度。轴还应该具有足够的抗扭刚度，以使在同一个轴上的两个传动零件之间的相对转角不会过大。一般来说，在长度等于轴的直径的 20倍时，轴的扭转角不应该超过 1度。轴安装在轴承中，通过齿轮，皮带轮，凸轮和离合器等零件传递动力。通过这些零件传来的力可能会使轴产生弯曲变形。因此，轴应该有足够的刚度以防止支撑轴承受离过大。总而言之，在两个轴承之间，轴在每英尺长度上的弯曲变形不应该超过此外，轴还必须能够承受弯矩和扭矩的组合作用。因此，要考虑考虑扭矩与弯矩的当量载荷。因此扭矩和弯矩会产生交变应力，在许用应力中也应该有一个考虑疲劳现象的安全系数。直径小于 3 英寸的轴可以采用含碳量大约为冷轧钢，直径在 3寸之间的轴可以采用冷轧钢或锻造钢。当直径大于 5英寸时，则要采用锻造毛坯，然后机械加工到所要求的尺寸。轻载时，广泛采用塑料轴。由于塑料是电的不良导体，在电器中采用塑料比较安全。齿轮和皮带轮等零件通过键联接在轴上。在键及轴上与之对应的键槽的设计中，必须进行认真的计算。例如，轴上的键槽会引起应力集中，由于键槽的存在会使轴的横截面积减小，会进一步减弱轴的强度。如果以临界速度转动，将会发生强烈的振动，可能会毁坏整台机器。知道这些临界速度的大小是很重要的，因为这样可以避开它 I 摘要钢管是一种多功能的钢材，其用途覆盖了石油、冶金、煤炭、汽车、船舶、电站以及军工等行业，为国家经济建设和国防安全做出了巨大的贡献。本文以国内外钢管生产线上精整区喷标系统的研究与开发现状为背景，对悬臂式钢管喷标系统进行了研究设计。本课题的主要研究工作：第一章综合叙述了钢管的工艺生产流程及明了国内喷标系统的开发现状及存在的问题并阐述了开发钢管喷标系统的必要性；陈述了课题的来源以及论文的主要工作和意义。第二章针对喷标系统设计的总体说明，提出了系统的设计总目标；给出了系统设计的关键参数并给出了系统的平面布置图；根据系统的整体组成结构，对各部分机构及工作过程进行简单说明；最后给出喷标小车机械部分的设计方案以及简要概述喷标控制系统的总体设计。第三章根据设备运行的要求设计了喷标小车的机械、电气结构，并且对关键部分的设计进行分析。第四章介绍了喷标控制系统的设计组成，简述了编程方式，西门子术在工业应用中的优势分析以及硬件设计要求，喷标小车的伺服运动控制原理，最后给出了喷标流程图和相应的第五章总结喷标系统设计过程所做的工作，并对系统的改进方向进行了展望。关键词钢管；喷标；服电机；位置控制 is as a of in so It is to is on of of in of a as In ,of PI of on of of it of as as of In ,to of as as of an is by a of In , is to of is In ,7400 in on LC of by LC is In ,of is of of is 录 1 绪论 . 1 管喷标系统的开发现状 . 1 言 . 1 标系统的开发现状 . 3 管喷标系统开发的必要性 . 4 题来源 . 4 文的主要工作和意义 . 4 2 喷标系统总体设计 . 5 标系统设计要求 . 5 标系统总体设计 . 5 标小车的机械结构设计 . 5 标系统的控制系统设计 . 7 标系统的自动工作过程 . 7 章小结 . 8 3 小车机械、电气结构设计 . 9 移机构的设计 . 9 轮齿条副设计 . 9 动直线导轨副设计 . 10 服电机的选型 . 14 头升降机构的设计 . 15 择喷标方式 . 16 缸的选型 . 17 缸活塞与喷头的配合 . 18 缸的固定 . 19 头位置调节机构设计 . 20 动直线导轨副 . 20 齿轮副设计 . 21 杆副设计 . 28 撞机构设计 . 28 作方式 . 29 路控制系统设计 . 29 气动回路 . 29 章小结 . 31 4 喷标控制系统设计 . 32 制系统的组成 . 32 . 32 . 33 . 33 . 33 7. 34 . 35 !未定义书签。附录 1 . 错误 !未定义书签。外文原文 . 错误 !未定义书签。译文部分 . 错误 !未定义书签。附录 2 . 43 附录 3 . 56 1 绪论管喷标系统的开发现状言钢管是一种用钢制作的具有中空截面而长度远大于外径 (或边长 )的金属材料。截面通常为圆形，但也可呈扁、方和异型等。钢管的结构特征是： 1)具有封闭的环形横断面； 2)两端开口； 3)管长与外径之比 L/ 钢管是一种多功能的经济断面钢材。它在国民经济各部门中的应用愈来愈广泛。钢管作为输送管广泛地用于输送油、气、水等各种液体，如石油及天然气的钻探开采与输送、锅炉的水与蒸汽管道、一般的水煤气管道等。钢管作为结构管大量地用于机械制造业和建筑工业，如用于制作房架、塔吊、钢管桩、各种车辆的构架等。在断面面积相同的条件下，钢管比圆钢、方钢等的抗弯能力大，钢性好，其单位体积的重量轻。因此，钢管是一种抗弯能力较强的结构材料。钢管还作为中空的零件毛坯用于制造滚动轴承、液压支柱、液压缸筒体、空心轴、花键套、螺母以及手表壳等，这既节约金属又节省加工工时。钢管又是国防工业中的重要材料，如用于制造枪管、炮筒及其他武器。随着航空、火箭、导弹、原子能与宇宙空间技术等的发展，精密、薄壁、高强度等钢管的需求量正迅速增长。钢管的种类繁多，生产过程复杂，生产设备也很庞大，大型企业一般采用自动化生产线来完成钢管生产的各个工艺流程，一般热轧钢管的生产工艺如下图 1 2 管坯剪断称重加热冷定心斜轧穿孔自动轧管均整定径再加热减径冷却矫直切管头检验成品发货标记打捆入库标记打捆入库重切修磨热定心热处理待整品检查图 1按照工艺流程，管坯进入车间后在剪断机上按工艺要求切成定尺长度。需要冷定心的合金管坯送至定心车床加工定心孔。管坯切断 (冷定心 )后送入管坯加热炉内进行加热。需要热定心的管坯出炉后由辊道送至热定心机上热定心。经热定心后的管坯由斜蓖条送到穿孔机上穿孔。穿孔后的毛管还要经过自动轧管机、均整机、定径机等加工成钢管。需要减径的管子，经过再加热炉再加热后送至减径机上减径。从定径或减径机轧出的成品管，由辊道送至链式冷床上冷却，冷却后的钢管 (有的要热处理 )送到斜辊式矫直机上矫直，然后进行其他各项精整工序。精整后的成品管经检验后涂油打捆入库。钢管喷标系统是对成品管进行喷涂标记的一种设备，根据一定的标准如钢管生产的炉号、班号、材料、长度、重量、生产厂家等按一定的标准标注在钢管表面。由此可知，钢管喷标系统应该安排在钢管生产工艺流程的精整部分。根据定，外径不小于 36钢管应该在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴标记。印记应清晰明显，不易脱落。印记内容应包括钢的牌号、产品规格、产品标号和供应厂家的印记或者商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。随着我国入世，国内和国际市场的接轨，钢管市场同样面临一系列的问题。国内钢管进入国际市场，必须遵守国际的相关标准。比如无缝钢管要遵守国际标准下表过去，大部分的钢管生产厂家采用人工方式进行标记。人为的把相关的内容根据国家标准，用涂料写在钢管上。有的钢管厂由工人随意手写，字迹不统一，有的用刷模的方式， 3 字迹相对工整。这种做法一直沿用了很长一段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在劳动强度大、生产效率低、字迹不清楚、无法统一管理，难于与国际市场接轨。表准摘录 8162 尺寸偏差项目允许偏差外径管体 D 接箍 1% 壁厚重量单根车载量长度项目范围 1 范围 2 范围 3 油管 5m - 套管 6m 上世纪九十年代开始，国内一些大型的钢铁公司的产品为了参与国际竞争，花费巨资引进国外的生产设备。这些进口设备生产效率高、劳动强度低、喷印字迹规范，易于管理。但是进口设备成本高、要求工人素质高、维护成本大。落后的传统方法与高成本的进口设备都难适应国内的市场需求。因此，设计研发同类设备已经迫在眉睫。标系统的开发现状钢管的喷标是国际国内标准明确要求的内容。国外早已开发出钢管的喷标设备，而且设备的功能强大，能喷印各种各样的字符，设备采用了各种先进技术。过去国内对喷标系统的研究较少，一般依靠进口国外先进设备。直到上世纪九十年代才开始有少数科研机构对喷标系统进行研究。如国内最先采用的七段码方式进行喷印。其原理是用水基白色涂料在压缩气体的作用下在热钢坯上喷上所需的号码。这种设计相对简单，号码的变换转化为七个压缩空气喷嘴的控制，控制系统得到简化，具有较高的可靠性，号码调整灵活，不需要更换模子，喷印速度快等优点。但是，在高热环境下涂料会很快凝结在喷嘴上造成喷嘴阻塞，涂料的雾化效果不好，不适合在曲面的钢管上喷印。为克服上述不足，又相聚研发出了点阵式喷标，它以点阵式形成字体的方式比较适合钢管表面的喷印；白色涂料经过压缩空气的推动从高速电磁阀中喷出，速度较快，可以在钢管表面形成一个个有规则的圆点，通过伺服控制系统控制喷头的有序移动，便可在钢管表面喷印出一 4 系列的符号。管喷标系统开发的必要性国内除大型企业外其他企业生产设备落后，产品存在诸多标准不一致问题。设备功能单一，不能配合自动生产线生产，效率低，技术开发水平落后，精度低，可靠性差，设备故障率高，产品缺乏扩展性，阻碍自动化发展，跟不上现代化管理。所有这些说明，开发研制高性能的喷标系统等此类钢管生产的辅助设备和完善的监控系统是非常必要的。参考国外同类设备以及比较国内现有设备，可以提出开发钢管喷标系统应具备的特点：控制和智能的全分散化、高内聚、松耦合、高稳定性、高可靠性、适应能力强、故障报警和自诊断功能、可扩展性、系统精度高，工作周期短。题来源为实现质量管理和跟踪，行业规定钢铁产品进入国际市场必须标号，符合于国内大多数企业产品标号效率低，管理不便，严重制约质量管理实施，无法满足生产自动化，有设备的厂家设备价格高昂且维护困难。面对激烈的市场竞争，为适应生产的需求，在消化国外先进设备的基础上，借鉴国内开发经验，根据国内企业现状，着手改进设计新的喷标系统。文的主要工作和意义该系统的设计涉及到多学科，多专业，是集机械、电子和计算机一体化的设备，本论文主要完成以下工作： 1）通过对系统开发现状的分析，对喷标系统进行了总体方案设计。 2）根据总体方案设计了喷标小车的具体机械结构，气路系统，安全防护，控制系统。 3）通过对系统工作原理的研究，进行了序的设计，该系统的设计综合运用了机械、电子、计算机三大知识体系，由于采用了喷头伺服电机拖动的形式，喷印定位精度得到了提升。 5 2 喷标系统总体设计标系统设计要求喷标系统的设计要求如下： 1）工作范围钢管外径： 48（ 32） 246管质量： 201000钢管长度： 6m 15m；喷标介质：白色涂料；打印喷标内容：计算机能编辑的任意字符； 2）精度要求喷标标高： 10 50标字迹清晰； 3）生产效率过管速度：最少 278根 /小时；喷标速度： 0 120m/ 4）自动化要求选择好喷标内容后，无需人工干预自动完成生产；自动喷印管号；具有自动报警功能，急停功能，半自动、手动功能；标系统总体设计喷标系统工作方式有自动、半自动、手动三种方式。自动方式是主要工作方式，不需要人工干预，能够自动完成喷标工作；半自动控制流程中单工位的流程与自动流程一致，它是便于测试和手动操作的一个灵活的流程。手动控制主要用于系统的调试和处理异常情况。例如：检验一下各工位是否运行正常，系统的运行情况是否正常，电气线路接触是否良好等；喷标工位布置如下图 2 图 2标小车的机械结构设计喷标小车是喷标系统中主要的机械运动部分，它由以下五个部分组成，如下图 2 6 立柱横梁V 型台架无缝管防撞机构喷头及控制器升降机构横移机构气路系统喷标小车图 2车在喷标系统中的结构示意 1）横移机构。横移机构由齿轮齿条传动副、滚动直线导轨副、伺服电机及其控制驱动部分、原点传感器、安全极限位传感器等组成。横移机构的主要功能是带动喷头在横梁上移动。喷标设备有一绝对原点，由原点传感器决定，所有的其他位置都以原点为基准。系统工作时，由伺服系统精确定位小车到达所需位置，在喷标过程中，喷头一边沿钢管轴向移动，一边完成喷标工作。在横梁的两头有安全保护：当小车由于某些原因，到达安全极限位置时，系统马上停止所有的动作，并发出安全报警。 2）喷头升降机构。升降机构由气缸、电磁阀、传感器、气路系统、滚动直线导轨、手轮、手柄等组成。喷头不进行喷标时，处于上位；而在进行喷标时，喷头位置下降到达工作位置。喷头的上升下降由系统控制电磁阀的动作从而控制气缸活塞动作来完成。手轮和手柄则是用来调节喷头下降时的最低位置的。由于钢管管径大小不同，而喷头工作时离钢管表面的距离有一定的范围，大概在 2030出这个范围，喷出来的字迹不能达到最佳的喷印要求。因此当钢管管径不同时，要靠手轮和手柄人工调整喷头的最低位置。 3）防撞机构。防撞机构分为侧面防撞和底面防撞。底面防撞由四个接近开关组成，喷头的任意一角碰到障碍物，气缸立即带动喷头上升，并且喷标小车停止运行，发出报警信号。侧面防撞是一个接近开关，当钢管碰到接近开关时，喷头马上上升，并且小车停止运动，发出报警信号。由于喷头是整个设备的核心部件，而且比较昂贵，所以要为它设计专门的防护机构。 4）喷头及控制器。喷头及控制器部分是喷标系统最关键的部件。喷头在喷标控制器的控制下，涂料系统、气路系统、清洗系统的共同作用下，完成喷标任务。 5）气路系统。气路系统主要为两个部件提供气源及控制：一是喷头升降控制，给喷头的驱动部件者是喷头及控制器系统，为其提供一个动力，使涂料从喷嘴（电磁阀）中喷射出去。 7 标系统的控制系统设计标系统的自动工作过程自动方式是系统用得最多的一种工作方式，在钢管生产线上，要靠自动方式来完成钢管的喷标任务。根据设计要求，按钢管长度最长为 15米算，单根喷标时间为过管单根时间为得知在进行喷标任务时，小车有足够时间来进行初始化和预处理任务。典型的自动工作过程如下图 2 钢管到位喷头预清洗气缸动作喷头下降电机转动小车前进到始喷位置开始喷标喷标结束喷头上升清洗喷头光电检测防撞图 2标系统自动工作过程示意图由上图可以看出，要设计的控制系统中需要用相应的控制部件来控制喷标过程的每一个环节。如钢管到位需要传感器来检测；小车的运动需要前面的工步完成后才能动作，也就是说小车的运动和停止需要一个相应的信号；喷标起始和结束位置的判断又需要一些开关设备，考虑到上述种种因素，喷标系统电气控制采用积木式结构，集散控制原理。由工控机集中管理信息，监控现场设备的工作状况；制变频器、伺服电机等有序的执行生产命令。电气原理组成如下图 2 8 控制柜配电柜喷标信号转换板伺服电机、电磁阀接近开关喷标控制箱开关电源P L C 、继电器断路器、接触器变频器等工控机、 U P 印机控制台上位机图 2标系统电气组成示意图章小结本章提出了喷标系统的总体设计方案，介绍了喷标系统机械结构、喷头防撞、气路系统的设计要求并给出了相关示意图，简要介绍了喷标控制系统的设计组成、工作原理及设计时应注意的问题。 9 3 小车机械、电气结构设计喷标系统中，喷头的移动主要通过小车的来回移动完成。而喷头的上升下降是由安装在小车上的气缸来驱动的。在喷印字符时，喷头距离钢管有一个最佳的喷印距离，在这个距离之内喷印出来的字符效果相对较好。而不同批次的钢管管径是不一样的，为了使喷头在气缸活塞下降至极限位置时与钢管保持最佳喷印距离，这就增加了设计一个喷头位置调节机构的必要。此外，气缸的运动需要一个动力源，必须给其设计一个合理的气路系统。移机构的设计横移机构的主要组成部分有精密齿轮齿条副、滚动直线导轨副、伺服电机等。横移机构通过连接在伺服电机主轴上的齿轮与安装在横梁上的齿条啮合，伺服电机转动进而带动小车整体的移动。同时，滚动直线导轨副限制了横移机构整体框架的上下、左右及各方向的旋转自由度，使得横移机构只能沿着横梁轴向运动。横移机构如下图 3 伺服电机齿条机架导轨副横梁图 3移机构示意图轮齿条副设计前面已经提及小车的动力系统是伺服电机，而伺服电机主要提供的是转动，结合小车的运动方式为直线移动，因此需应用一种将转动转换为直线运动的机构，参考相关的机械设计资料，可知将转动转换为直线运动的机构主要有齿轮齿条机构、螺旋机构、带传动机构、链传动机构等。考虑到小车有一定载重、来回运动频繁、传动效率高、要求工作时间 10 长、定位精度高、工作环境适应性强等因素，选择精密齿轮齿条传动副。齿轮齿条副的设计应注重以下几方面的问题： 1)齿条的直线度由于系统对喷印字符的要求很高，必须保证小车运动的直线度，这就要求相应的齿条有很高的直线度要求。 2)齿条与横梁的配合按所设计的齿条在进行与横梁的装配时必须保证装配的直线度保持较小的误差。 3)齿轮齿条的精度考虑到喷标小车的定位精度要求，所设计的齿轮齿条必须有较高的精度等级。除上述应注意的问题外，在设计齿轮齿条副时必须进行必要的强度和载荷校核计算。详细设计过程由设计合作者黄方兴论述。动直线导轨副设计滚动直线导轨副用于限制喷标小车除沿横梁移动外的所有自由度。由于导轨对于横移机构运动是否平稳有着很大的影响，因此对导轨副有很高的精度要求。此外，导轨的尺寸应与所设计的悬臂梁配套。轨类型的确定：由于喷标小车沿导轨移动要保证高的直线度，保证喷头与某一批次钢管的相互位置保持不变，小车移动时应轻便省力，速度均匀，低速时无爬行现象，同时又要求导轨能保持一定的使用精度，在使用过程中磨损量要小，且磨损后能自动补偿或便于调整，要有足够的刚度且受温度变化的影响较小，结构工艺性好等特点。综合上述，结合系统的使用环境和结构紧凑问题，参考相关设计资料，选用滚动直线导轨副。此类导轨的特点是摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现爬行现象，故运动均匀平稳。轨结构形式：图 3 形截面的滚动导轨，由于滚动体和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大的场合。 11 滑块导轨滚动体图 3动导轨结构示意图轨选用计算：首先要满足最大喷印范围为次，根据所设计的悬臂梁的长度，导轨的长度应与其配套。由于悬臂梁的长度确定为导轨的长度亦确定为 a）载荷计算根据上述设计要求与规格，选用型号为动直线导轨副。安装形式如下图 3t 3 F t 4F t 1 F t 2t 4F t 2F t 3F t 1 箱形横梁小车机架图 3轨副立式横向安装图查阅这种型号导轨的规格：受力方式为四方向等载荷，额定动、静载荷分别为度系数，温度系数，接触系数度系数 12 载荷系数算公式 11 2 3 4 2 F F 式（ 13 142 G 式（ 24 142 G 式（式中 1F 、 2F 、 3F 、 4F 各滑块所受载荷； 1F 、 2F 、 3F 、 4F 各滑块所受剪切力； G 悬挂件总质量； 1l 同一平面内安装导轨数；其中悬挂件总质量为 79入数据得 2=4=1 =2 =b）额定寿命滚动直线导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同。计算公式式（ F 式（式中 L 额定寿命（额定动载荷； P 当量动载荷；受力最大的滑块所受的载荷；指数，当滚动体为滚珠时， =3； K 额定寿命单位（滚动体为滚珠时， K=50；代入数据得 L=126542km c）寿命时间当行程长度一定时，以式（式中行程长度（ m）；每分钟往复次数；代入数据得 1015h h t c a f f f 3h 0 13 按年工作日为 300d，二班工作制，每班 8h，开机率为 80%，则预计寿命年限为 h 310153 0 0 1 6 0 . 8 年 L 式（代入数据得高导轨刚度的措施及导轨的预紧如下图 3承导件往复移动时，承导件压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，承导件

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