防窜焊接滚轮架窜动检测及防窜控制系统设计说明书.doc
防窜焊接滚轮架窜动检测及防窜控制系统设计【22张图纸】【机+电】【优秀】
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防窜焊接滚轮架窜动检测及防窜控制系统设计
33页 12000字数+说明书+开题报告+任务书+22张CAD图纸
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文献综述.doc
机械设计图纸16张.dwg
电气升降设计图纸6张.dwg
防窜焊接滚轮架窜动检测及防窜控制系统设计开题报告.doc
防窜焊接滚轮架窜动检测及防窜控制系统设计说明书.doc
目 录
摘 要I
AbstractII
1.绪 论1
1.1 国内外焊接滚轮架发展现状1
1.2课题的研究内容及意义2
2.防窜焊接滚轮架系统的结构设计及工作原理2
2.1 系统的结构设计2
2.2 系统的工作原理3
3.筒体轴向窜动的理论分析3
3.1 焊接过程中常出现的一些问题3
3.2 轴向窜动的主要原因4
3,3 滚轮架简体轴向窜动机理5
3.4 焊件不发生轴向窜动的充分条件6
4.筒体轴向窜动的检测、调节及执行机构设计7
4.1 轴向窜动检测7
4.2 调节方式的选择8
4.3 调节执行机构的调节原理9
4.4 升降装置的选型10
5.系统控制部分12
5.1 系统硬件部分设计12
5.1.1 PLC控制器13
5.1.2步进电机的计算与选型16
5.1.3 步进电机驱动器的选用21
5.1.4 联轴器的选择22
5.1.5 位移传感器选型23
5.1.6 限位开关选型23
5.1.7 控制面板的设计23
5.2 系统软件部分设计24
5.2.1 防窜控制模式选择24
5.2.2主程序控制图25
5.2.3 梯形图程序25
6.总 结29
参考文献30
文献综述31
摘 要
焊接滚轮架是在焊接生产中与焊接工序相配一种辅助装置。在大厚壁、大型化、高容量、耐磨蚀的锅炉、石油、化工压力容器的焊接过程中，由于筒体的几何形状的不规则（偏离理想回转体）和焊接滚轮架的制造安装误差等原因，筒体在滚轮架上转动时，会不可避免的发生轴向窜动，从而影响环缝的焊接质量。本课题从理论上深入分析了筒体在焊接过程中产生轴向窜动的主要原因，分析了筒体轴向位移的调节机理，同时提出了采用螺旋升降装置和步进电机传动，用PLC控制器以脉冲控制的方式使步进电机精准的控制升降台的上升和下降的位移。
此防窜焊接控制系统有效地解决了窄间隙埋弧焊、内壁堆焊的问题，智能化控制焊接过程中出现的轴向窜动，此设计实现了精密化、大型化、数字化、智能化等优点。不仅提高了生产效率而且确保批量生产过程中焊接质量的稳定性，节省因窜动进行人工调节的时间，减少劳动力，提高焊接的精度和质量，降低成本。
关键词:窜动理论分析 窜动检测 调节执行机构 硬件部分设计 软件部分设计
- 内容简介：
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重庆理工大学毕业论文 防窜焊接滚轮架：窜动检测及防窜控制系统设计目 录 摘 要IAbstractII1.绪 论11.1 国内外焊接滚轮架发展现状11.2课题的研究内容及意义22.防窜焊接滚轮架系统的结构设计及工作原理22.1 系统的结构设计22.2 系统的工作原理33.筒体轴向窜动的理论分析33.1 焊接过程中常出现的一些问题33.2 轴向窜动的主要原因43,3 滚轮架简体轴向窜动机理53.4 焊件不发生轴向窜动的充分条件64.筒体轴向窜动的检测、调节及执行机构设计74.1 轴向窜动检测74.2 调节方式的选择84.3 调节执行机构的调节原理94.4 升降装置的选型105.系统控制部分125.1 系统硬件部分设计125.1.1 PLC控制器135.1.2步进电机的计算与选型165.1.3 步进电机驱动器的选用215.1.4 联轴器的选择225.1.5 位移传感器选型235.1.6 限位开关选型235.1.7 控制面板的设计235.2 系统软件部分设计245.2.1 防窜控制模式选择245.2.2主程序控制图255.2.3 梯形图程序256.总 结29参考文献30文献综述31摘 要 焊接滚轮架是在焊接生产中与焊接工序相配一种辅助装置。在大厚壁、大型化、高容量、耐磨蚀的锅炉、石油、化工压力容器的焊接过程中，由于筒体的几何形状的不规则（偏离理想回转体）和焊接滚轮架的制造安装误差等原因，筒体在滚轮架上转动时，会不可避免的发生轴向窜动，从而影响环缝的焊接质量。本课题从理论上深入分析了筒体在焊接过程中产生轴向窜动的主要原因，分析了筒体轴向位移的调节机理，同时提出了采用螺旋升降装置和步进电机传动，用PLC控制器以脉冲控制的方式使步进电机精准的控制升降台的上升和下降的位移。此防窜焊接控制系统有效地解决了窄间隙埋弧焊、内壁堆焊的问题，智能化控制焊接过程中出现的轴向窜动，此设计实现了精密化、大型化、数字化、智能化等优点。不仅提高了生产效率而且确保批量生产过程中焊接质量的稳定性，节省因窜动进行人工调节的时间，减少劳动力，提高焊接的精度和质量，降低成本。 关键词:窜动理论分析 窜动检测 调节执行机构 硬件部分设计 软件部分设计 Abstract Welding roller bed is in the welding production and welding process to match an auxiliary device The Welding and Production in the big Thick-Cliff、The Large-Scale、High-Content、Endure-Ablation of the pressure vessel of the Boiler、Oil、chemical,because of reason of the abnormity of geometry-form of the cylinder (departure ideal gyration object)and the error of the manufacture-installation ,the cylinder wheel on the roller bed,inevitably it will occur axial drifting,so that affect the welding quality. This topic of cylinder were analyzed theoretically in the welding process to produce axial channeling move, the main reason of the regulation mechanism of cylinder axial displacement are analyzed, at the same time puts forward adopting spiral lifting gear and step motor driving, PLC controller to control by means of pulse to make precise stepper motor control displacement of the rise and fall of the lifting platform. The anti channeling welding control system can effectively solve the narrow gap submerged arc welding, the welding problem, intelligent control in the welding process of the axial channeling move, this design implements the motors, large-scale, digital and intelligent advantages. Not only improves the production efficiency and ensure the stability of welding quality in mass production process, save for channeling manually adjust time, reduce the labor force, improve the accuracy of welding and quality, reduce costs.Key words: Dynamic analysis The axial dynamic detection Adjust the actuator The hardware part of the design Software part designI1 绪 论1.1 国内外焊接滚轮架发展现状近年来，随着我国改革开放进程的深化，随着中外合作合作生产和引进技术生产的机械产品日益增多，促进了我国焊接结构用量的迅速增加。尤其是为满足我国石油、化工、交通、能源等工业的迅猛发展，大厚壁、大型化、高容量、耐磨蚀、耐动载的锅炉、石油、化工压力容器的用量更是日益增加，其接头的焊接质量要求也越来越高，并且在实际生产中要求有较高的生产效率。 防窜焊接滚轮架就是在上述焊接生产中与焊接工序相配合，有利于实现焊接生产机械化，自动化，有利于提高装配焊接质量，促使焊接生产效率提高的一种辅助装置和设备。焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩接力带动焊件旋转的变位机械。在筒形工件内外环缝的焊接中，组合式焊接滚轮架逐渐取代长轴式、固定式等焊接滚轮架，获得了广泛的应用，但如何合理的控制其焊接时的轴向窜动及主动轮的转速仍值得分析。组台式焊接滚轮架主要由主动轮座、从动轮座、支架三部分组成。支架相当于机座，轮座坐在其上对工件起支承作用，其中主动轮座还起驱动作用。这三部分自成独立单元，人们可利用其数量的协调变化组合成能驱动各种长度、各种直径、不同重量筒形工件的焊接滚轮架。但是，作为标准组台，是由两个支架和四个轮座组成的，其中至少有一个轮座是主动轮座。我国在1990年颁布的焊接滚轮架的行业标准（ZBJ/T33003-1990）中规定：主动滚轮的圆周速度应在660m/h范围内无级可调，速度波动量按不同的焊接工艺要求，要低于510，滚轮转速应稳定、均匀，不允许有爬行现象。按GB150规定制造的筒体类工件在防轴向窜动滚轮架上进行焊接时，在整个焊接过程中允许工件的轴向窜动量为3mm。国外于20世纪80年代中期推出的防止焊件轴向窜动焊接滚轮架，能将焊件的窜动量控制在2mm以内。我国近年来也有个别工厂生产过防窜动滚轮架，但在实用性和可靠性方面，与国外产品相比还存在着差距。国外在80年代初期研制开发了一种防止工件轴向窜动的焊接滚轮架。如瑞典伊萨（ESAB）、意大利安莎多（ANSALDO）和英国（BODE）公司等都推出了这种产品。国外所研制的防轴向窜动焊接滚轮架与国内常规的焊接滚轮架相比，增加了一套高可靠度的轴向位移自动调节系统。在焊接过程中能同步调节筒体的姿态，使焊接过程可靠实施，大大提高了生产效率，同时可得到高质量的焊接接头。相比国外，我国防轴窜焊接滚轮架的研制还处于初始阶段，据调查，至今国内尚无正式厂家能够制造抽比较成熟的产品，生产中主要是依靠引进国外的设备，如兰州石油化工机械厂、哈尔滨锅炉厂、齐齐哈尔第一重型机械厂等，都是从国外引进的防轴向窜动的焊接滚轮架。这样，一方面要花费大量的外汇，另一方面也远远不能满足国内日益增长的焊接生产需要。1.2课题的研究内容及意义 本课题主要研究的内容是： 深入分析出现窜动的原因以及窜动机理； 设计防窜滚轮架控制系统（包括控制部分软硬件、梯形图、电气原理）；焊接滚轮架的轴向窜动问题一直是各大企业及各使用者所关心的重要问题，本课题能从理论上有效的解决焊接滚轮架在焊接过程中出现轴向窜动的问题，提高焊缝的精度和质量；同时也提高我自己在这方面的知识。2 防窜焊接滚轮架系统的结构设计及工作原理2.1 系统的结构设计防窜滚轮架系统主要由驱动滚轮架，从动滚轮架，调节装置，电气控制系统，PLC，步进电机等组成。主动滚轮架的滚轮旋转采用交流变频电机驱动、变频调速，具有调速范围宽，转动平滑性好等特点；从动滚轮架装置是由底座、滚轮、滚轮座、防窜滚轮装置等组成，其底座固定；防窜滚轮装置由从动滚轮装置和升降机构组成，升降机构包括蜗轮丝杆升降机构、升降限位开关等。采用步进电机驱动升降机的升降，根据位移传感器检测到的工件轴向窜动信号，自动纠正工件的轴向窜动。主要用于管道、容器、锅炉、油罐等重型圆筒形工件的装配与焊接。若对从动滚轮的高度做适当的调整后还可进行锥体、分段不等径回转体的装配与焊接。2.2 系统的工作原理 本设计防窜焊接滚轮架为四轮组合的可自动调心型，驱动轮采用交流电机驱动，利用变频器改变电动机的电压、频率来调整电机转速使滚轮线速度在6-60m/h之间可无级调速，以满足不同焊件的工艺要求。系统运行后，先手动方式调整从动轮的高度，使工件的轴线与滚轮尽量在同一水平面上并平行，以节省自动调整时间。然后启动驱动轮，进入自动调整状态。电气控制系统是由PLC作为控制器，如图1所示，由位移传感器检测，通过PLC读取位移传感器的输出信号，检测出工件的轴向窜动方向，窜动速度和窜动量的大小，为了始终保持工件达到最小平衡窜动量，PLC控制箱内的控制器经过计算、历史比较、逻辑判断，D/A转换把结果输出给步进电机驱动器，步进电机驱动器驱动步进电机转动，步进电机带动蜗杆蜗轮丝杠旋转，从而使调节装置升、降以克服工件轴向窜动力，并使工件向相反的方向窜动，最终达到工件的动态平衡。丝杠的两端加上限位开关，来限制升降装置的最大升降高度，其允许的最大范围由设计而定。位移传感器装在伸缩杆上，伸缩杆另一头由装在从动轮上的螺钉槽上螺钉的松紧控制。筒体左右两端分别装有位移传感器和左右微动式限位开关，其安装方法相同。左右微动式限位开关是为了防止筒体突然窜动量很大而导致无法焊接的问题。 控制系统电气原理图13 筒体轴向窜动的理论分析3.1 焊接过程中常出现的一些问题 (1)当筒体的形状是规则的圆柱体，但滚轮架的主动轮和从动轮的安装不在同一水平线上时，滚轮对简体也会产生轴向外力的作用使筒体出现向安装的滚轮较低的方向窜动。如图3.1所示。故其产生的轴向外力可以是简体重力G的轴向分量 式中： 为支承角，为摩擦系数。 (2)当简体的形状是规则的圆柱体，但滚轮架的2个主动轮和从动轮的轴线在水平面内不平行(呈喇叭形状)，2个滚轮也会对简体产生轴向外力使筒体出现轴向窜动。故由图3.2分析得水平向右的轴向力 (3)当简体的形状是规则的圆柱体，3个滚轮的安装都在同一水平面上，而另外的一个滚轮却不在同一平面内，滚轮架运行时，滚轮对简体产生轴向外力使筒体出现轴向窜动。故由图3.3分析得水平向左的轴向力 图3.1 图3.2 图3.33.2 轴向窜动的主要原因综上所述，影响焊件做轴向窜动的主要原因是滚轮各轴线与焊件轴线的平行度。焊接滚轮架的制造安装误差已有行业标准规定，误差的具体内容有滚轮的跨距、支承距、对角线长度、高度和偏角等允差，最终表现为螺旋角，因此筒体的轴向运动往往是不可避免的。由于制造、安装等原因，滚轮和工件之间存在的螺旋角是工件产生轴向运动的内在因素。因此，在制造和使用焊接滚轮架时，首先要尽量做到：主、从滚轮架都位于同一中心线上。各滚轮的轴线都在一个水平面内且相互平行。滚轮间距相等。3,3 滚轮架简体轴向窜动机理滚轮架至少有四个滚轮支承一个筒体从理论上讲，四个滚轮与筒体的接触线都应在同一平面且为平行线但实际情况是，由于制造和安装精度等原因，四个滚轮的高度不可能完全相等，筒体一端两滚轮的距离与筒体另一端两滚轮间的距离也不可能完全相等，每个滚轮的轴线不可能都与筒体的中心线平行，以上任何一个因素都会使某一滚轮的轴线与筒体的中心线不平行而成为异面直线当它们接触时，只能是点接触如图3.4所示：滚轮与工件的几何关系图3.4设接触点为，过点作简体的切平面，交线n则为简体的母线，直线m为滚轮上过点的母线，m，n夹角为 ，m在切平面上投影为， 与n的夹角为，该角定义为螺旋角，与m的夹角为y，称为轴偏角，这样滚轮和简体的相对关系可由， 来描述如果角不为零，滚轮和简体的接触点一定在滚轮的端面上由于滚轮约束在滚轮座上，只有围绕轴线旋转 。如果简体和滚轮接触点处产生纯滚动，那么接触点处简体和滚轮的线速度应该相等，其方向为滚轮过切点的切线方向，该切线在简体的切平面内，由于简体没有约束，简体的运动速度可分解为旋转速度和轴向速度，由于，是在切平面内的投影，根据几何三垂线定理知，又因，所以与的夹角为 。设所讨论的为第j个滚轮，则有 (1)可见螺旋角是简体轴向窜动的内在因素很显然四个滚轮与简体的关系不一定完全一致。设四个滚轮与简体的螺旋角分别为，则简体相对于四个滚轮的轴向速度分别为，但是由于简体可看作是刚体，其相对四个滚轮的轴向速度应相等对于某一个滚轮，它的和简体的轴向速度不相同，则滚轮和简体之间一定会产生轴向摩擦力分量如果摩擦力大于最大摩擦力则产生相对滑动，如果小于最大摩擦力，则通过弹性滑动使两者的运动加以协调。弹性滑动的原因是由于物体在受力时要产生局部形变型假设简体与滚轮的中心线相互平行，不存在螺旋角，若简体受到轴向力 ，则简体产生的轴向弹性滑动为，其中E为弹性滑动率，N为压力，f为摩擦系数，为简体的旋转速度简体和滚轮之间的协调关系为 （2）简体的轴向速度恒定时，四个滚轮对简体的轴向力代数和应等于零，由于式(2)中对四个滚轮皆相同，所以有 （3）将式(2)代入式(3)得简体的轴向速度； （4）式(4)中是滚轮架的固有特性，称简体螺旋运动的螺旋率，由式(4)得 （5）3.4 焊件不发生轴向窜动的充分条件 下图为一标准组合的焊接滚轮架示意图，当焊件、滚轮都是一理想圆柱体且各滚轮尺寸一致，转动轴线AA,BB在同一水平面内并平行焊件轴线OO时，则主动轮驱动焊件，作用在焊件上的力和从动轮作用到焊件上的力均为圆周力，焊件绕自身轴线旋转，不会产生轴向窜动。当这一条件受到破坏，则焊件自重以及主动轮、从动轮与焊件的接触处便会产生轴向分力，但该力仅是焊件轴向窜动的必要条件，因个滚轮对焊件虽有轴向力的作用，焊件本身也会产生自重的轴向分量，但力向有正反，当其合力满足（j=1,2,3,4）焊件仍会有轴向窜动。因此，使焊件不发生轴向窜动的充分条件是 焊接滚轮架和筒体图3.51-主动滚轮 2-从动滚轮 3-筒体4 筒体轴向窜动的检测、调节及执行机构设计4.1 轴向窜动检测我们的目的是要检测出焊件在轴线方向上的窜动位移，从原理上说，可以采取在焊件筒壁侧面检测方式和在焊件端面检测方式。筒壁侧面检测方式可以不受焊件端面误差的影响，但这种检测方式由于要去除筒壁的垂直旋转分量，再加上打滑、筒体表面粗糙、污物的影响，因此要制造出可靠的传感器来是不容易的。在焊件端面检测方式是目前贯用的检测方式，这种检测方法简单、易行，只要让传感器利用弹簧力顶住筒体端面，跟随焊件的轴向窜动即可。但这种检测方式不可避免地受到焊件端面与其轴心线垂直方向上凹凸不平的影响，因此要求对焊件的受测端面进行加工。但对大型焊件来讲，这种加工要求的精度越高，其困难和费用也就越大。能否降低对端面加工的要求，就显得重要起来。比如，工艺要求焊件的轴向窜动量不大于2mm，可是焊件的受测端面不平度却大于2mm，在这种条件下能否做到防止焊件的轴向窜动是衡量防窜滚轮架是否实用的重要指标之一。对滚轮架本身来说，在端面误差很大的情况下，检测装置检测到的数据即使能保证防窜在允许波动的范围以内，但如果使用焊接设备机头部分没有自动跟踪装置的话，最终焊接出来的焊缝是“S” 形的，这种结果我们只能判定为不合格，所以我们要尽最大可能消除端面误差。为此提出了检测工件中心位置的方案。要解决这一问题并不困难，在检测焊件中心位置不变的前提下，只要在检测的过程中能避免如上所说的端面加工误差造成的影响就可以了。因此我们可以采用简单加工固定法，即使用一个小的平板。至于平板面积只需要根据焊件实际情况来定，设法固定在焊件的中心位置即可。当然条件是要使平板和焊件的轴线基本垂直。总的来说，使检测装置检测的是一个基本垂直于焊件轴线的平面，而不是在加工的圆周上就基本可以了。4.2 调节方式的选择 实际上，焊件在滚轮架上的轴向窜动，其焊件本身是在作螺旋运动，如能采取措施，把焊件的左旋及时地改为右旋或将右旋改为左旋，直至焊件不再作螺旋运动为止。目前， 已有三种执行机构可完成此任务： (1)顶升式执行机构从动滚轮架的一侧滚轮可以做升降运动，使焊件轴线发生偏移，同时也使焊件自重产生的轴向分量发生变化，如下图4.1。这种调节方式其优点是调节灵敏度较高，缺点是制造成本高，体积大。 (2)偏转式执行机构 从动滚轮架的两侧滚轮沿其垂直中心线可做同向偏转，以此改变滚轮与焊件的轴向摩擦分力，如下图4.2。这种调节方式其优点是灵敏度高，但最大的缺点是对滚轮的磨损太大。 (3)平移式执行机构从动滚轮架的两侧滚轮可以同时垂直于焊件轴心线做水平移动，从而达到调节焊件轴心线以及调节滚轮轴线夹角的目的，如下图4.3。这种调节方式其优点是稳定性好，制造成本低，结构简单，不占用额外的安装空间。 升降式调节图4.1 平移式调节图4.2 偏转式调节图4.3 综上所述，系统运行后，很多时候会因为调整反应不够灵敏，连续工作的情况下甚至会无法阻止工件的轴向窜动趋势，最终导致工件窜出安全区域。所以从调节的灵敏度来看,由于筒体重力可自然消除举升机构传动链上的往复运动间隙,因此在三种调节方式中以升降式为优,而平移式和偏转式机构均需采取专门措施来消除其传动链上的往复间隙,特别是低速级的间隙。因此选择升降式调节方式。4.3 调节执行机构的调节原理 要改变简体的轴向运动速度，除改变简体的旋转速度以外，更重要的是要调节滚轮架的螺旋率螺旋率是由四个滚轮与简体的螺旋角所决定，通过调节四个滚轮与简体的相对位置，可以有效地控制滚轮架的螺旋率如图4.4所示，将从动轮之一放置升降装置上，当升降台上升到时，滚轮的中心C点运动到 图4.4点，简体的中心由点运动到 点，而主动轮处简体横截面的中心没有发生变化，轴向投影仍在点这样，简体的轴线位置发生相对改变，改变量可用轴偏位移矢量表示，由于右侧从动轮的位置没有发生变化所以在筒体的位置发生变化时，简体中心与右侧从动轮的中心距保持恒定也就是说，简体中心的运动轨迹是以右侧从动轮为圆点，筒体和滚轮半径之和为半径的圆弧。在一般调节过程中，轴偏位移矢量都很小，可近似认为与垂直筒体轴线发生变化后,与两侧滚轮形成附加螺旋角，其大小为 (6) (7)其中，为主动滚轮与从动滚轮间的距离,一般情况下使用的滚轮架中心角都为60。，所以的大小为的一半。 (8)设分别为左边和右边滚轮与筒体的初始螺旋角，据式(4)简体轴线发生偏移后，轴向速度为： (9)当轴偏移变化时可以改变轴向速度，可以看出轴偏位移可以增加也可以减小轴向速度,要有效控制轴向速度，必须正确选择轴偏位移矢量，由于螺旋角都很小，可将式(9)近似为 (10) 由图2推导出升降装置的位移与附加螺旋角的关系，它们之间的函数关系较为复杂，由于实际控制中螺旋角的变化范用较小，可近似认为升降装置的位移增量与附加螺旋角成线性关系，其比例系数与滚轮直径 d，筒体直径D，滚轮架中心角a有关为 （11）由式(4)、式(10)和式(11)可得： （12）令，则有： （13）举升机构电机转速 与螺旋千斤顶的位移的关系为 （14）其中，与升降装置传动比和丝杆螺距等有关。由式(13)和式(14)可得： (15)其中，设轴窜位移为y，由式(15)可写出举升机构及滚轮架的传递函数为4.4 升降装置的选型 型号：各参数意义：2.5：承载能力2.5吨 。1：结构形式丝杆不旋转，只作轴向移动。A：丝杆（或螺母）在安装底脚上面。：丝杆头部为法兰盘型。500：行程。 F：防旋转型Z：带防护罩型此螺旋升降机是由蜗轮蜗杆，箱体，轴承，丝杠等零部件组成。工作原理为：电机或者手动驱动蜗杆旋转，蜗杆驱动蜗轮减速旋转，蜗轮内腔加工为内螺纹，驱动丝杠上下移动，由于内部有蜗轮蜗杆，丝杠的减速作用，达到放大推力的作用。主要性能参数如下：最大起升力（KN）25丝杆每100mm的重量（Kg）0.45丝杆螺纹尺寸Tr306提升速度（m/mm）0.188最大拉力（KN）25蜗杆转速（r/min）750蜗杆蜗轮传动比1：6润滑剂蜗轮蜗杆油蜗杆每转行程（mm）1.0润滑脂量（Kg）0.1满载时蜗杆扭矩（N.m）18最大使用功率（KW）0.55效率（）22不加行程的重量（Kg）7.3功能特点：通过驱动蜗杆旋转，实现丝杠的上下移动，达到推拉或者顶升的作用。 自锁性能普通齿丝杠电动推杆和螺旋升降机，由于综合传动效率低，大部分有绝对动载自锁功能，增加设备运行的安全性；滚珠丝杠电动推杆和螺旋升降机不自锁；精度定位综合位置精度可达0，1mm。驱动系统：直流电机12/24V, 单项交流电机，三相交流电机，无需气源/液压源；过载保护可配备安全离合器防过载；也可配备过载压力传感器防过载；负载高推/拉力可至250吨；其他维护简单，噪音低，可在高/低温，防腐/防爆恶劣环境正常工作。外形尺寸如下图：S1S2S3ABMNHhh1行程+20行程+110150.516512013590974512d键GB1096d1LL1L2DD1D2D31655321442110.519048987045D4D5A1A2A3b1b2F986045506520208.55 系统控制部分5.1 系统硬件部分设计 系统硬件主要由位移传感器，PLC控制器，步进电机驱动器，步进电机，限位微动开关，联轴器等组成。5.1.1 PLC控制器（1）PLC的选型 根据对防窜控制系统的功能分析，可知其主要的输入信号有左右两传感器输入接口，启动停止按钮，自动手动按钮，控制电机正反转和停止的按钮，左右上下限位开关，风扇按钮。输出信号有方向信号，脉冲信号，左窜指示灯，右窜指示灯，风扇，运行指示灯。 通过对各个输入输出信号进行分析后可以得知，该防轴窜控制系统中有13个数字输入端口和7数字个输出端口。根据I/O点数和容量可以选择EC10-1614BTA型PLC。如下图： 图5.1为EC10-1614BTA外形接口图PORT0 和PORT1 为通讯端口。PORT0 为RS232 电平，插座为Mini DIN8。PORT1 提供RS485 和RS232 两种电平。母线插座用于连接扩展模块。模式选择开关有ON、TM、OFF 三个档位。其信号输入输出端口分配如下：输入端口：输出端口：其端子定义如下图：引脚标识功能说明L/N220V交流电源输入端，分别为火线、零线接地线端子PG+24V提供给用户外部设备使用的辅助直流电源，与COM配合使用COM对外提供+24V辅助电源的负极S/S提供给用户进行输入方式的选择，与+24V连接表示支 持漏型输入方式，与COM连接表示支持源型输入方式空端子，作隔离用，请不要接线X0X17开关量信号输入端子，将该端子与COM端配合使用产生输入信号Y0、COM0控制输出端子，第0组各输出组的COM x彼此电气隔离Y1、COM1控制输出端子，第1组Y2Y7、COM2控制输出端子，第2组Y10Y15、COM3控制输出端子，第3组（2）I/O点数的分配及接线在对防窜控制系统的各个硬件组成部分进行了详细分析后，对PLC主机的I/O点数进行分配，见下表：名称地址说明输入信号传感器（右）X0检测工件向右边窜动传感器（左）X1检测工件向左边窜动启动按钮X2启动防窜控制系统停止按钮X3停止防窜控制系统手动按钮X4手动调节自动按钮X5自动调节上升X6工件上升控制下降X7工件下降控制电机停止X10电机停止控制顶起上限位X11上限位行程开关顶起下限位X12下限位行程开关窜动限位1X13左边窜动限位开关窜动限位2X14右边窜动限位开关输出信号脉冲输出Y0输出脉冲信号控制方向输出Y1输出方向信号控制左窜Y2左窜运行显示灯右窜Y3右窜运行显示灯风扇Y4系统温度控制运行Y5系统运行指示灯蜂鸣器Y6极限位置时报警根据I/O分配表，画出PLC主机的硬件接线图如下： 控制系统PLC硬件接线图25.1.2 步进电机的计算与选型 （1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=40mm，总长l=500mm，导程，材料密度，移动部件总重力G=20KN，蜗杆蜗轮传动比为1:6，丝杆每100mm的重量为0.45kg。计算得各个零部件的转动惯量如下：， 滚珠丝杠的转动惯量，拖板折算到丝杠上的转动惯量，小齿轮的转动惯量，大齿轮的转动惯量。 初选步进电动机的型号为110BYG2602,为两相混合式，有常州宝马集团公司生产，两相四拍驱动时的步距角为0.75，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=17.211 kgcm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩： 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩，其中包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，其中 相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+ 考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= 其中： 式中：空载最快移动速度，指定为2000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，取=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由上式得移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.22最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：=+=2.347Nm 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩同样包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ 其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算。有：再计算垂直方向承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 最后求最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+= 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： 3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：初选步进电动机的型号为110BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩=20Nm。可见，满足要求。(2)步进电动机的性能校核 1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 工作台最快工进速度=0.15mm/min，脉冲当量脉冲,求出电动机对应的运行频率。从110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩19Nm，远远大于最大工作负载转矩=3.698Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 给定升降台最快空载移动速度=2000mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=11Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=2.347Nm，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=2000mm/min对应的电动机运行频率为。查表知110BYG2602电动机的空载运行频率可达，可见没有超出上限。4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz。综上所述，本次设计中升降台选用110BYG2602型步进电动机，完全满足设计要求。其具体参数如下：型号反应式步进电机的技术参数110BYG2602相数步距角电压电流最大静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量2/40.75/1.5120-310V5A20N.m1800Hz20000Hz其端口接线图如下：外形安装尺寸如下图：5.1.3 步进电机驱动器的选用 由步进电机的型号110BYG2602，生产厂家为常州宝马前杨电机电器有限公司。查表，选择与之配套的驱动器为DC280A型。输入电压为220V，相电流4A，分配方式为二相八拍。该驱动器如下图： 实物图驱动器与步进电机和PLC连线图如下： 驱动器与PLC硬件连线图5.1.4 联轴器的选择 刚性联轴器由于结构简单、成本低、可传递较大转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时常采用。因此本设计采用刚性联轴器中的凸缘联轴器。凸缘联轴器(亦称法兰联轴器)是利用螺栓联接两凸缘(法兰)盘式半联轴器，两个半联轴器分别用键与两轴联接，以实现两轴联接，传递转矩和运动。凸缘联轴器结构简单，制造方便，成本较低，工作可靠，装拆、维护均较简便，传递转矩较大，常用于载荷平稳、无冲击或传动精度要求高的轴系传动。但是凸缘联轴器不具备径向、轴向、角向补偿性能，所以要求两轴对中精度高。不具备减震、缓冲功能。 本设计选择蜗杆与步进电动机相连的联轴器采用凸缘式刚性联轴器,由蜗杆满载时扭矩为18，直径；步进电机最大静转矩为20，直径，根据两轴颈和最大转矩查机械设计手册选用型号 型。 名称型号公称转矩Tn（N.m）轴孔直径d1，d2（mm）轴孔长度L（mm）转动惯量质量kg凸缘联轴器GYS1 25 16420.00081.165.1.5 位移传感器选型选用XW-3-1.5K角位移型线绕式电位器型传感器。筒体顶端通过滚动触头，弹性复原机构，齿条齿轮传动机构带动电位器电刷动作，设计合适的齿轮直径可使满量程位移对应电位器电刷满行程。传感器与电阻构成电桥电路检测位移，电桥输出信号线性对应轴窜位移，当位移为0时输出为0v。将传感器固定在一伸缩杆上，检测时调整伸缩杆长度至位移传感器滚动触头刚好接触被测面位置。5.1.6 限位开关选型选用LXW6-11CG型微动开关式行程开关，此行程开关由推杆，弹簧，压缩弹簧，动断触点和动合触电组成，当工件推动推杆时，推杆推动压缩弹簧，弹簧由连接的动合触点移向动断触点，由此控制开关的闭合与断开。此微动开关适合于交流50HZ、额定电压至380V及以下的控制电路中，作行程控制或限位保护用。具有一常开、一常闭触头，安装方便，密封性好。工作条件：环境温度-5-40摄氏度；相对湿度40C时不超过50%，25C时不超过90%；海拔不超过2000m。5.1.7 控制面板的设计 控制面板图各按钮和指示灯的功能见I/O点数分配表。5.1.8 蜂鸣器 选用压电式蜂鸣器，主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。其型号为BL-PBZ12095DYB,额定电压为24V，额定电流为30A，频率范围为2300KHZ。5.2 系统软件部分设计5.2.1 防窜控制模式选择本设计采用了“ 模糊控制” 模式。对任何焊件来说，要想确切地知道其检测端面相对于其轴心线的直度和不平度是比较困难的。在这种情况下，如果要做到如数控机床那样想通过精确的公式计算来给定防窜调整脉冲量是不现实的。那么如何做到对不同的焊件都能达到防窜目的，甚至是零窜动，就成了关键之所在。针对设备的实际应用，防窜滚轮架这类控制系统，在影响焊件轴向窜动的不确定因素很多的情况下，可以借助于模糊控制理念，通过#$% 编程控制系统来实现防窜目的。模糊控制就是利用计算机模拟人的思维方式，按照人的操作规则进行控制，也就是利用计算机来实现人的控制经验。计算机仿照人的思维进行模糊控制，而人的大脑中的控制经验是由模糊条件语句构成的模糊控制规则。而计算机是否可以真如人的大脑一样呢？回答是肯定的。因为目前应用在这一领域的#$%
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