（机械电子工程专业论文）基于plc控制的大型中频加热弯管机的研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 为满足国内各行业对高质量和精度弯管的需要，本论文研究了基于p l c 控制的 大型中频加热弯管机。首先对中频加热弯管机的结构进行了分析，并对其主要的机 械装置进行了选型与计算，设计了液压系统来代替传统的机械传动，设计了基于p l c 的中频加热弯管机控制系统。控制系统包括角度控制、温度控制以及运动过程控制 三部分。上位机采用p c 机，下位机采用可编程序控制器，利用可编程控制器的通 信功能，采用s u a lb a s i c 丌发了简单实用的监控软件，实现了时时监控的目的。 另外控制系统还采用了触摸屏，使人机交互更加的方便。 关键词：弯管机，液压系统，p l c ，中频加热，触摸屏 a b s t r a c t t bs a t i s f yt h en e e do fd o m e s t i ci n d u s t 拶f o rt h eh i g hq u a l i t ya n da c c u r a c yo ft h e b e n d i n gp i p e ，t h ep l c b a s e d1 a r g es c a l ei n t e m e d i a t ef r e q u e n c yh e a t i n gm a c h i n eo f b e n d i n gp i p ei sr e a s e a r c h e di nt h i sp a p e r - f i r s t l yi t ss t r u c t u r eh a sb e e na n a l y z e da n d m a i nm e c h a n i c a lc o m p o n e n t sa r ec a l c u l a t e d t h e nah y d r a u l i cs y s t e mi sl o o t e dt o r e p l a c et h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n t h em a c h i n ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n p l ci sr e s e a r c h e d t h ec o n t r o ls y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s t h e ya r et h ed e g r e e ， t e m p e r a t u r ea n dm o v e m e n tc o n t r 0 1 f i e l dc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h ep l c ，w h i l ep ca s i n d u s t r yc o m p u t e r m a k i n gu s eo fc o m m u n i c a t i o n向n c t i o no fp l c ， as i m p l ea n d p r a c t i c a lm o n i t o r i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e du s i n gv bt oa c h i e v et h ep u r p o s eo ft h e c o n s t a n tm o n i t o r i n g aa d d i t i o n a l l yc o n t r o ls y s t e ma l s oa d o p tt h et o u c hs c r e e n ，t om a k e t h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o r ec o n v e n i e n t w a n gj i a n y i n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nq i n g y a o k e yw o r d s ：b e n d i n gp i p em a c h i n e ，h y d r a u i i cs y s t e m ，p l c ，i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yh e a t i n g ，t o u c hs c r e e n 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 为满足国内各行业对高质量和精度弯管的需要，本论文研究了基于p l c 控制的 大型中频加热弯管机。首先对中频加热弯管机的结构进行了分析，并对其主要的机 械装置进行了选型与计算，设计了液压系统来代替传统的机械传动，设计了基于p l c 的中频加热弯管机控制系统。控制系统包括角度控制、温度控制以及运动过程控制 三部分。上位机采用p c 机，下位机采用可编程序控制器，利用可编程控制器的通 信功能，采用s u a lb a s i c 丌发了简单实用的监控软件，实现了时时监控的目的。 另外控制系统还采用了触摸屏，使人机交互更加的方便。 关键词：弯管机，液压系统，p l c ，中频加热，触摸屏 a b s t r a c t t bs a t i s f yt h en e e do fd o m e s t i ci n d u s t 拶f o rt h eh i g hq u a l i t ya n da c c u r a c yo ft h e b e n d i n gp i p e ，t h ep l c b a s e d1 a r g es c a l ei n t e m e d i a t ef r e q u e n c yh e a t i n gm a c h i n eo f b e n d i n gp i p ei sr e a s e a r c h e di nt h i sp a p e r - f i r s t l yi t ss t r u c t u r eh a sb e e na n a l y z e da n d m a i nm e c h a n i c a lc o m p o n e n t sa r ec a l c u l a t e d t h e nah y d r a u l i cs y s t e mi sl o o t e dt o r e p l a c et h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n t h em a c h i n ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n p l ci sr e s e a r c h e d t h ec o n t r o ls y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s t h e ya r et h ed e g r e e ， t e m p e r a t u r ea n dm o v e m e n tc o n t r 0 1 f i e l dc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h ep l c ，w h i l ep ca s i n d u s t r yc o m p u t e r m a k i n gu s eo fc o m m u n i c a t i o n向n c t i o no fp l c ， as i m p l ea n d p r a c t i c a lm o n i t o r i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e du s i n gv bt oa c h i e v et h ep u r p o s eo ft h e c o n s t a n tm o n i t o r i n g aa d d i t i o n a l l yc o n t r o ls y s t e ma l s oa d o p tt h et o u c hs c r e e n ，t om a k e t h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o r ec o n v e n i e n t w a n gj i a n y i n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nq i n g y a o k e yw o r d s ：b e n d i n gp i p em a c h i n e ，h y d r a u i i cs y s t e m ，p l c ，i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yh e a t i n g ，t o u c hs c r e e n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p l c 控制的大型中频加热弯管 机的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王建冀日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：王：建奠 日期：牝 导师签名： 华，i 匕电力人学硕十学位论文 1 1 选题的背景及其意义 第一章引言 管材的弯曲加工，在金属结构、农牧机械、工程机械、动力机械、以及锅炉、 石油化工、电力、轻工、管道工程、航天机械等工业部门，有着十分广泛的应用。 随着经济建设的迅速发展，对各种弯曲成型管件的数量、规格及用材的要求都在不 断地增加，花样不断翻新，同时对弯管精度和表面质量提出了更高的要求【1 1 。这一 特点在某些行业如电力系统中尤为突出。目前6 0 0 m w 的火力发电机组的主蒸汽管 路的直径已达6 6 3 m m ，壁厚可达1 0 3 m m ，其管材为1 2 c r l m o v 高温合金钢。 现在的大型电力管道国内外主要采用大型中频加热弯管机进行弯制，但国内的 中频加热弯管机多以国外技术为蓝本，采用机械传动，不仅造价昂贵，自动化程度 也偏低，很多都需要手动操作。尤其当设备严重老化时，运行极不稳定，因此难以 使每一种管径的钢管在弯制过程中的工艺水平达到最优状态，所弯制出的弯管，其 质量和精度比较差，不符合国内一些重大工程的要求，例如大型电站的机组、西气 东输等工程需要的管道大部分依赖进口。本论文在现有中频加热弯管技术的基础 上，通过反复的研究，决定采用液压系统代替机械传动，并且利用可编程逻辑控制 器( p l c ) 实现生产过程的自动控制，借以消除现有中频加热中存在的问题，以期 提高弯管的质量和精度。这种新型的弯管控制技术从弯管的实际出发，着重的是理 论联系实际，其结果可以直接的应用于实际生产，可以节省大量的成本，同时对弯 管的研究也具有深远的意义。 1 2 管材弯曲的国内外研究现状 在管材弯曲过程中，外侧壁的减薄、破裂，内侧壁的增厚、起皱和横截面畸变 及其演化过程，一直是包括管材弯曲成形在内的工程界未能有效解决的技术难题， 也是当今国内外塑性加工学科研究的难点和热点。随着大口径薄壁管小弯曲半径件 和难变形料( 钛合会) 管的应用推广，上述问题同益严重。 目前管材的弯曲方法众多，按照成形方法来区分，主要有滚弯曲、模弯曲及无 模弯曲三种；按照加热与否可分为冷弯法和热弯法；按照有无填充物可以分为有芯 弯管和无芯弯管。有时为满足管件的特定形状要求，或为减轻弯曲加工工艺难度， 也采用其他的特殊弯管方法，如振动冲击弯曲等。近年来，管材弯曲成形技术取得 了一些新的进展，相继开发出热应力弯曲和激光弯曲成形等新技术【2 1 。下面对弯曲 的方法进行简单的介绍。 华七电力人学硕十学位论文 1 2 1 滚弯 滚弯是用三个驱动辊轮对管材进行弯曲加工的加工方法，其工作原理如图l l 所示。滚弯方法及其工作原理与板材滚弯基本相同，区别仅在于管材滚弯所用的辊 轮具有与弯血管坯断面形状相吻合的工作表面。通过改变辊轮的问隔，就可作各种 曲率半径的弯曲，尤其对弯制环形或螺旋线形管件特别方便。不过，滚弯方法对弯 曲半径有一定的限制，仅适用于曲率半径要求大的厚壁管件【2 1 。 图1 1 滚弯- t 作原理示意图图1 2 压弯t 作原理示意图 1 2 2 模弯曲 模弯曲是一种钢管在弯曲模型中实现弯曲的成形过程，它包括压弯、推弯和绕 弯三种方式。 1 压弯 压弯是最早用于管材弯曲加工的工艺方法。如图1 2 所示，它是在液压机上利 用模具或胎具对管坯进行弯曲加工。压弯方法既可以弯制带直段的管件，又可以弯 制弯头。由于压弯具有生产效率高、模具调整简单等突出优点，故在生产中一直被 广泛应用。 图1 3 冷推弯示意图 图1 4 热推弯示意图 2 华北电力人学硕十学位论文 2 推弯 推弯是在一般压力机、液压机上进行弯曲加工，主要用于弯制弯头。推弯包括 型模式冷推弯管和芯棒式热推弯管。型模式冷推弯管是在普通液压机或曲柄压力机 上，利用金属的塑性，在常温状态下将管坯压入带有弯曲型腔的型模中，从而形成 弯头。型模式冷推弯管装置如图l 一3 所示。芯棒式热推弯管是在专用推制机上，在 推力和牛角芯棒阻力的作用下，边加热边推制，使管坯产生周向扩张和轴向弯曲变 形，从而将较小直径的管坯推制成较大直径的弯头，其工作原理如图卜4 所示。 3 绕弯 绕弯是最常用的弯管方法，包括辗压式和拉拔式，工作原理如图1 5 所示【3 】。 按照弯管设备的不同，绕弯又可以分为手工弯管和弯管机弯管两类。 ( a ) 辗爪式 ( b ) 拉拔式 图1 5 绕弯t 作原理图 手工弯管是利用简单的弯管装置对管坯进行弯曲加工。它不需要专用的弯管设 备，弯管装置制造成本低，调节使用方便，但劳动量大，生产率低，主要应用于小 批量生产的场合。弯管机弯管是在立式或卧式弯管机上进行冷念弯曲加工，是用得 最多的一种弯管方式。目前，弯管机弯管主要包括有芯弯管、无芯弯管和顶压弯管 三种工艺方法。 有芯弯管是在弯管机上利用芯棒使管材沿弯管模绕弯的工艺方法，其工作原理 如图1 - 6 所示【l l ：弯管模固定在机床主轴上并随主轴一起旋转，管坯的一端由央紧 模块压紧在弯管模上。在管坯与弯管模的相切点附近，其弯曲外侧装有导向压料模， 而管坯内部塞有芯棒。当弯管模转动时，管坯即绕弯管模逐渐成形。管件的弯曲角 度由挡块( 图中未示出) 控制，当弯管模转到管件要求的弯曲角度时，则撞击挡块， 使主轴停止转动。 3 华北电力人学硕十学位论文 添 i 膏瞥滇 肇转固定 义防慧援 芯棒辱向压辑模 图1 6 有芯弯管示意图 无芯弯管的工作原理与有芯弯管相似。它的结构比有芯弯管简单( 省去了芯棒和 芯棒的固定调整装置) ，工作原理与有芯弯管相同，只是没有芯棒支撑内管壁，而是 在管坯进入弯曲变形前，预先利用反变形装置( 如反变形滚轮和反变形滑槽) 给管坯 一定量的反向变形。在弯曲后，由于不同方向变形的相互抵消，使管坯截面基本保 持圆形。无芯弯管与有芯弯管相比，既提高了生产率，又避免了芯棒的消耗，省却 了管内的润滑。 1 2 3 无模弯曲 对于大口径、厚壁及高强度钢管的弯制加工，最适宜的方法就是无模弯曲。无 模弯曲是利用局部加热代替弯曲模具和芯棒等工具进行弯曲加工的方法。按加热方 式的不同，可分为中频感应弯管和火焰加热弯管两种。中频弯管原理如图2 1 所示， 它是将中频感应圈套在管坯上，依靠中频感应电流将管坯加热到所需的高温，随即 对加热部分进行弯曲，并在弯曲后紧接着喷水冷却，从而获得所需的管件。火焰弯 管的原理与中频弯管相同，只不过是用火焰加热圈代替了中频感应圈来加热管坯。 无模弯曲不需要模具，弯管成形质量好，弯管能力强，具有生产效率高、劳动 强度低的优点。由于无模弯曲的弯曲力臂自由回转，弯曲半径可随弯曲力臂长度的 变化任意改变，故其适应性比其他弯曲方法强。同时，由于加热线圈与管材的形状 无关，故利用无模弯曲代替弯模成形，可以巧妙地解决异形钢管的弯曲加工问题【2 l 。 1 2 4 热应力弯曲 热应力弯曲是一种利用工件内部温度分布不均所产生的热应力来驱动工件变 形的特殊成形方，具有无外力、无模具、便于现场操作等优点。通常产生热应力的 方法是对工件进行局部加热或冷却。加热方式包括火焰局部加热和加热炉内整体加 热；冷却方式包括空冷、喷水冷却及浸水冷却。具体采用哪种方法，应根据实际条 4 华北电力人学硕十学位沦文 件和工件特征来选择。 图1 7 热应力弯曲示意图 由于钢管的形状所致，采用火焰加热和喷水冷却的方法难以形成合适的温度 场，工艺过程不易控制。2 0 0 0 年，北京机电研究所对管的热应力弯曲进行了研究， 确定了炉内整体加热后浸水冷却的方案取得了较好的弯曲效果。即先将管子整体加 热到某一高温，然后以一定速度水平浸入水中( 图1 7 ) ，直至管件完全冷却，管件 最终凹向后入水的一侧f 4 】。 1 2 5 激光成形弯曲 激光成形是一种利用激光束照射材料表面时形成的内部非均匀热应力场来实 现材料成形的新技术。通过调整激光加工工艺参数和选择合适的扫描轨迹就能成形 任意的弯曲件、异形件和其他复杂的三维曲面等零件。它的显著优点是： 1 无模成形，生产周期短，柔性大，特别适合批量小的大型零件生产； 2 非接触式成形，变形件无外力作用，不产生回弹变形和由此带来的其他问题： 3 属热态成形，总变形由多次扫描累积而成，故能够成形在常温下不易成形的 难变形材料。 管材的激光成形方法比较复杂，根据所要弯曲的几何形状不同，采取的激光照 射方法也大不相同。一般是先通过精确的有限元计算，然后确定照射方法和照射区 域及工艺参数。通过选择不同的照射区域就可以形成变化多端的形状。其变形机理 很复杂，往往是好几种机理的混合【4 1 。 1 3 可编程控制器概述 可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 简称p l c ) 是一种采用微 机技术的通用控制器，专为工业环境下的应用而设计。可编程逻辑控制器采用可编 程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操 作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出方式控制各种类型的机器或 生产过程。 5 7二 ， 墩陶八劳 华北l 也力人学硕t 学f 7 ：论文 可编程逻辑控制器的出现彻底改变了工厂自动控制的面貌，使传统的继电器接 触式控制方式受到了巨大的挑战。随着微电子技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器 也开始采用通用的微处理器，它的功能就不再局限于当初的逻辑运算，同样也具备 诸如算术运算、简单的编程、数据的输入输出、网络通信等等功能。因此，人们更 确切地称之为可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o i l e r ) ，简称为p c ，但是个人计 算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 习惯上也简称为p c 机，为避免混淆，人们通常仍旧沿用 可编程控制器的传统简称一p l c 。多年来，微机化的可编程控制器得到了惊人的发 展，在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破，不仅控制功能增 强，编程和故障检测也更为灵活方便，而且远程i o 和通信网络、数据处理以及图 像显示的发展，使可编程控制器向连续生产过程控制方向发展。特别值得一提的是， 可编程控制器替代传统的继电器接触控制方式，取得了相当好的收效。目前可编程 控制器主要应用于开关逻辑、闭环过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制 以及用来组成多级的控制系统，它已经成为实现工厂自动化的一大支柱【5 】【6 1 。 1 4 课题的主要研究内容 近年来，国内外对不同材质的弯管工艺、弯管机构性能和微观组织等方面进行 了许多研究，取得了巨大的进展。但他们很少有采用p l c 来实现弯管的自动控制。 本论文主要研究以下几个方面的内容： 1 确定中频加热弯管机的总体结构，弯管工艺原理如图2 1 所示，结构部分包 括摇臂回转装置、央具、以及中频感应加热装置，对这几部分分别进行计算和选型。 2 设计中频加热弯管机的液压系统，内容包括小车推进液压回路，兴具央紧 松丌液压回路，导向轮的央紧松丌液压回路，摇臂回装装置复位液压回路等。 3 采用三菱公司的f x 2 n 6 4 m r 、触摸屏及其它相关的硬件建立弯管机控制系 统，控制系统主要包括角度控制、温度控制、运动过程控制。 4 实现p l c 和触摸屏及上位机的通信。以便实现时时监控，便于操作的功能。 全部论文工作的具体内容将在后续章节中详细阐述。 6 华北i l 三力人学硕十学位论文 第二章基于p l c 控制的中频加热弯管机 2 1 中频加热弯管机的总体结构及其工作原理 弯管机的总体结构简化为如图2 1 所示，主要是机械装置、液压系统、中频加 热系统、p l c 控制系统等组成。其基本过程是：它是利用电磁感应方法对管道待弯 部分中极窄的区域进行局部加热至塑性状态。同时沿轴向施加推力，在四个滚轮央 持下管道可沿推力方向运动，但是轴心固定的机械转臂限制了管道的直线运动，迫 使管道在加热部分绕机械转臂的轴心发生弯曲，感应加热圈的位置相对机床是固定 的，所以在推力的作用下管道发生变形的部分逐渐移出加热区，并被强迫冷却。加 热、推弯和冷却的过程连续进行即可实现管道弯制【7 1 。 图2 1 中频加热液压弯管机的总体结构 1 管坯2 导向轮装置3 中频加热装置4 主央头装置5 摇臂回转装置6 小车推进装置 2 2 中频加热弯管机的主要装置和系统 2 2 1 机械装置 机械装置是弯管机的主体部分，主要由小车推进装置、导向轮装置、主央头装 置、定位央紧和摇臂回转装置等5 部分组成，本论文主要介绍央紧装置和摇臂回转 装置的选型和计算。 2 2 1 1 摇臂回转装置 摇臂回转装置是中频加热弯管机的一个重要核心部件之一，它的作用是将加热 后的管件弯曲成符合规定要求的半径，具有弯曲、回转、变径的功能。 1 摇臂回转装置的构成及工作原理 摇臂回转装置主要由大滑台、摇臂驱动装置、摇臂、中滑台、回转支承、小滑 7 华北电力人学硕十学位论文 台等部件构成，其总体结构如图2 2 所示【引。 当使用摇臂回转装置调整弯曲半径时，首先启动定位液压马达，移动中滑台的 工作台，通过滑台的标尺，将央头中心定位于规定的半径处，此时关闭液压马达， 完成摇臂的定位。在弯管过程中，摇臂驱动装置不工作，摇臂回转装置由小车推进 装置经管件推动，承受圆周力及阻力矩。当弯管结束时，只要启动复位马达，摇臂 驱动装置驱动回转装置转动，使摇臂复位。 2 摇臂回转装置的特点 ( 1 ) 回位采用液压驱动，结构紧凑，驱动力大，可靠性高，回转速度可调节。 ( 2 ) 采用滚珠轴承式旋转支承作为回转定位元件，其回转精度高，结构紧凑， 工作平稳，使用寿命长。 图2 2 摇臂回转装置的总体结构示意图 1 中滑台2 大滑台3 小滑台4 一定位马达5 摇臂6 一回转支承 2 2 1 2 夹头装置 央头装置也是中频加热弯管机的一个重要核心部件之一，它主要起央紧、变径、 弯曲、回转等作用。目前，国内现役的多数中频弯管机央头装置多采用机械传动， 人工央紧、人工启闭，自动化程度低，这样既费时又费力。因此，现对所有的央头 装置( 主夹头、定位央头) 进行了全新的选型。 1 央头装置的构成及工作原理 该央头装置的构成主要包括夹头部分( 央头、液压缸) 、驱动央头丌合部分( 涡 轮蜗杆减速器、央头马达) 、兴头行进部分。其总体结构如图2 3 所示【9 1 。 央头装置的主要作用是通过小滑台的移动完成曲率半径的调整，然后央紧钢管 并带动其弯曲成形。它的工作过程为：装央钢管之前先启动定位马达，利用滑台上 的标尺，将整个央头调定于规定的弯曲半径上。然后启动央头马达，通过链轮装置 将央头可动部分拉起。当调整好钢管的位置后，央头马达反向转动，带动央头可动 r 华北l 乜力人学硕十学位论文 部分回到原来的位置。此时启动主央紧油缸，将钢管项紧。在小车推进装置的驱动 下，央头带动钢管围绕回转中心运动，从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。 1 中滑台2 标尺3 小滑台4 夹头马达5 涡轮蜗杆减速器6 夹头不可动部分7 一液爪缸 图2 3 央头装置的总体结构示意图 2 央头装置的主要计算 夹头装置的主要计算在这里租要包括两部分：一是涡轮蜗杆减速器的选取计 算；二是液压缸推力的计算。 ( 1 ) 涡轮蜗杆减速器的选取计算 在弯管过程中，央头要实现频繁的开合动作，央头可动部分被拉起是为了安装、 调试钢管位置和卸下弯制好的弯管，因此选取带有自锁功能的涡轮蜗杆减速器。其 设计计算依据：减速器要克服夹头可拉动部分的重力、阻力矩，彳能将其拉起。 计算央头可动部分引起的重力、阻力矩m o ： m o = g l l = 3 s q q n 酣 式中扣央头可动部分所承受重力n ，为7 0 0 0 m 广一央头可动部分承受的最大阻力臂砌，其值为0 5 m ( 随着央头可动部分的抬 起，重力、阻力臂是随时发生变化的) 。 要拉起央头可动部分，链条拉力产生的力矩需要等于或者大于央头可动部分所 受的重力、阻力矩。因此作用在两条链条上的最小拉力尸应为： f 2m l 2 = 、1s o o n 式中三厂链条产生的最小力臂m ，其值为o 2 m m ( 随着央头可动部分的抬起，链 条力臂是随时发生变化的) 。 9 华，l 匕l u 力人学硕十学位论文 减速器输出轴扭矩丁： t ( f 7 2 ) ( d 2 ) = & 5 3 腻m 式中a l 链轮中径j l l ，其值为1 1 0 3 6 7 肌 因此选取传动比为j = 3 3 ，输出转扭矩产5 6 5 历，能实现将央头可动部分拉起。 ( 2 ) 液压缸推力的计算 在中频加热弯管过程中，液压缸活塞需要将管坯顶紧，否则无法完成弯管的弯 制。所有的液压缸都要计算，定位央紧液压缸受力最大，故用它来进行计算。 计算液压缸推力的依据：中频加热弯管机的最大弯管直径d 2 1 9 d 7 6 2 m m ；弯管 壁厚6 3 2 m m 。当弯制直径为7 6 2 m m ，壁厚为3 2 m m 的弯管时，液压缸此时所需的推 力最大。弯管推力p 的计算公式如下： p = oy ( 一0 ) 6 r = & 峨( k n ) 式中卜弯制弯管时管子所受的推力k n ； 口广高温时的变形应力( k n m 2 ) ，其值为o 9x1 0 5k n m 2 ； 卜弯曲半径m ，其值为3 8 l m ； 肛管子外径m ，其值为0 7 6 2 m ； 扣管子内径m ，其值为0 6 9 8 m ： 液压缸活塞的推力= 4 6 9 p 9 8 9u = 1 0 6 0 ( k n ) 式中一管坯与央块的磨擦因数，因夹块圆弧面有防滑槽，摩擦因数增大2 0 。 故选两台液压缸，其中每台推力= 6 0 0 k n 。总推力为1 2 0 0 k n 1 0 6 0 k n ，故能实现 央紧管坯。另外其他的所有的液压缸也选取推力为6 0 0 k n 的，绝对满足条件。 3 夹头装置的技术特剧9 】 ( 1 ) 采用液压驱动，液压央紧，结构紧凑，驱动力大，性能安全可靠。 ( 2 ) 选用带有自锁性能的蜗轮蜗杆减速器，使央头可动部分能在任意位置安 全自锁。 ( 3 ) 自动限位装置增强了央头装置使用的可靠性。 2 2 2 液压系统 液压传动是以液体( 油、高水基液压油、合成液体) 作为介质来实现各种机械 量( 力、位移或速度等) 的传递。液压传动与单纯的机械运动、电气传动和气压传 动相比，具有传递功率大、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，因而被广泛应用于 各种机械设备及精密自动控制系统中。 l o 华北电力人学硕十学位沦文 1 中频加热弯管机的液压系统及其工作过程 中频加热液压弯管机的液压系统原理图如图2 4 所示。该系统为普通的开放式 液压系统，主要由1 个双联叶片泵、1 个三相异步电动机、9 个液压缸、3 个液压马 达、7 个三位四通的电磁换向阀、2 个电磁换向阀、1 个二位四通电磁换向阀、2 个 单项阀、1 4 个液控单向阀等元器件所组成。 其中9 个液压缸和2 个液压马达的作用为：主央缸在弯管时始终保证管道通过 夹具固定于转臂之上，确保管道按预定的半径进行弯曲；导央缸起辅助央管的作用， 同时具有导向和支撑的功能；推进缸在弯管进行时，为弯管机提供动力；防止管道 在推进时产生振动；定位央紧缸将主央头定位在摇臂导轨上，防止其在工作中因受 力而移动；央头马达在操作人员装、卸管材时，自动的拉起和放下夹头的可动部分： 定位液压马达，实现摇臂工作台的移动；复位马达是在弯管结束时，使摇臂复位。 在弯管机的液压系统中，弯曲主央缸、导央缸、推进缸以及定位央紧缸均采用液控 单向锁紧阀，减少压力损失，以保证弯管过程中央紧、弯曲动作可靠。 图2 4 中频加热弯管机的液压系统原理图 操作人员点动按钮控制电磁铁5 y a 得电，拉起央头的可动部分，装好管坯，点 动按钮控制电磁铁6 y a 得电，放下央头的可动部分，再通过点动按钮控制电磁铁 9 y a 得电而1 0 y a 失电，从而调整弯管的半径，半径调整好之后，点动另一按钮控 制7 y a 得电而8 y a 失电，定位央紧。然后按下启动按钮，在可编程控制器( p l c ) 的控制下依次自动执行以下的动作： ( 1 ) 电磁铁3 y a 得电，主央油缸驱动央头关闭，从而把管子加紧； ( 2 ) 电磁铁1 1 y a 得电，导央油缸驱动压料模把管子压紧； 1 1 华，i 匕电力人。学硕。 ：学何论文 ( 3 ) 电磁铁1 3 y a 得电，主驱动油缸推动小车，从而由小车带动钢管自i 进，沿 调整好的的弯曲半径进行快速弯曲； ( 4 ) 电磁铁1 5 y a 得电，将快速推进改为工进； ( 5 ) 弯管结束后，电磁铁1 2 y a 得电而1 1 y a 得电，导向油缸退回，使压料模 后退； ( 6 ) 电磁铁4 y a 得电3 y a 失电，主夹头松丌退回； 操作人员点动按钮控制电磁铁5 y a 得电，拉起夹头的可动部分，将弯制好的管 件取下之后，按下复位丌关令电磁铁1 6 y a 得电而1 7 y a 失电，摇臂反向回转，使 弯管机复位，准备下一个弯管开始，从而完成一个工作循环。电磁铁动作顺序表如 表2 1 所示。 表2 1 弯管机电磁铁动作顺序表 动作( y a ) 3456789101 112l3 1 4 1516l7 主夹头拉丌+ 主夹头闭合+ 调整半径+ 定位夹紧+ 主夹头紧+ 导向央紧+ 快速弯管+ 工进弯管+ 导向松开+ 主央头丌+ 定位央紧丌+ 主央头松丌+ 摇臂复位 + 2 中频加热弯管机的液压系统特点【1 0 】【1 1 1 ( 1 ) 系统回路为集成块油路，其连接方式采用叠加式，从而降低了成本，减 少了连接油路和液压油的泄漏与污染，使得系统集成度高、便于维护，并保证了工 作的稳定性； ( 2 ) 大部分油缸的回路上都采用了液控单向阀锁紧，以减少工作中的压力损 失，并保证油缸在任意位置能够保持，从而使弯管机的央紧、导向等动作可靠； 1 2 华北电力人学硕一 ：学何论文 ( 3 ) 仅用一个电磁溢流阀形成卸荷回路，系统结构简单、能量利用合理、功 耗小、节能效果明显； ( 4 ) 采用组合泵供油，通过丌关控制电磁阀1 y a 、2 y a 得、失电来实现容积 调速，以达到平稳弯管、快速复位的目的，工作效率高，结构简单。 2 2 3 中频电源加热装置 中频电源加热装置采用的是适用于弯管、淬火等工艺的k g p s 2 5 k h z 8 0 0 ( k v a ) ，这种感应加热中频设备的中频电源控制板采用扫频启动方式，具有启 动效率高、保护性能好、使用可靠、稳定性高等优点。使用中仅需按负荷的不同对 淬火变压器及感应线圈进行相应的改动，便可适用于不同的弯管管径【1 2 】。 中频电源加热装置主要由中频电源、中频淬火变压器、感应线圈、冷却系统等 组成，其结构如图2 5 所示。其对管道的加热原理为：当感应线圈中流过一定频率 的交流电流时，就会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又在管道中产生感应电势， 从热产生感应电流，产生热量、实现管道的加热。如图2 6 所示。 t 攥电彝 、 _、： 、 l 、一 一 r - 。-，一 ，- 一 。， ， _ 。一 一，一一 、_ ，一 一、 图2 5 中频电源加热装置结构示意图图2 - 6 加热原理图 2 2 4 冷却系统 适时的冷却可使管坯f 在弯曲的部位能够受到冷却介质的作用而迅速冷却，以 致管坯内侧褶皱还未形成便冷却成形，这样可有效地防止弯f h j 时管坯内壁出现褶。 冷却系统主要分为两种形式，一种是水冷却系统，应用于弯曲碳素钢管、低合金钢 钢管【1 2 】；另一种是空气冷却系统，应用于弯曲不锈钢钢管。水冷却系统中所使用的 水全部为软化水，软化水系统是控制冷却水质量的设备。使用软化水有利于延长设 备的使用寿命。 1 3 华北l 乜力人学硕十学位论文 2 2 5 控制系统 中频加热弯管机的p l c 控制系统主要由以下几个部分组成：液压驱动控制部 分、恒温度控制部分、角度测量控制部分以及监控部分。液压驱动控制部分主要 通过p l c 编程实现对中频加热弯管机运动过程的动作控制；恒温度控制部分是通过 适当的调整淬火变压器及感应线圈的功率，来完成对各种不同管径管道的恒温控 制；角度测量部分主要是通过编码器时时监控管道弯曲的角度；监控部分主要是对 管道的弯曲过程进行监控，以便于管理。控制系统主要采用集散式控制方式，外加 手动控制。这些将在下一章详细的介绍。 2 3 基于p l c 控制的中频加热弯管机的特点 采用p l c 控制的弯管机具有以下几个特点】： 1 弯管的工艺精度提高、质量好 采用编码器和p l c ，对弯管角度进行准确自动控制，弯管精度可达正负0 1 0 ， 完全满足弯管产品的精度需求。 2 安全可靠，操作方便 弯管的控制系统采用可编程控制器，大大提高了系统的可靠性及设备的自动化 程度；其操作系统采用人机界面，操作方便，并且提高了操作的精确度。 在实践中，机床的运行比较稳定，产品质量也完全能够满足工业中所使用范围 的要求，因此该弯管机有着广阔的应用前景。 1 4 华北电力人学硕十学伉论文 第三章中频加热弯管机的p l c 控制系统设计 控制系统采用了可编程控制器( p l c ) 作为现场的核心控制单元，因此又将该 系统形象地称为小型p l c 控制系统。本章将从整体上叙述小型p l c 控制系统构建 的思路，并对控制系统的功能、硬件的要求、软件的设计进行了讨论。 3 1 中频加热弯管机控制系统总体方案的确定 在弯管机控制系统的设计中，控制系统的核心采用可编程序控制器( p l c ) 。这 是因为：弯管机的工作环境非常恶劣，在管道进行弯曲的过程，会有较强的振动、 噪声产生，以及由于需要冷却工件造成的工作环境潮湿等问题。由于p l c 的输入 输出系统功能完善，性能可靠，能够适应各种形式和性质的丌关量和模拟量信号的 输入和输出；p l c 的硬件结构全部采用模块化结构，可以适应大小规模不同、功能 复杂程度及现场环境各异的各种控制要求，为控制系统的硬件设计提供了方便、快 捷的途径，可以大大缩短整个系统设计、生产、调试周期，节约系统投资；p l c 维 护操作方便，扩展容易，具有较好的性能和较高的可靠性，能在恶劣的工业环境下 正常运行，一般平均无故障时间可达几力小时以上。p l c 具有较高的性能价格比。 3 2p l c 控制系统的结构 一般说来，p l c 控制系统有以下3 种类型： 1 p l c 构成的单机系统 这种系统的被控对象往往是一台机器或一条生产流水线。被控对象的控制是由 一台p l c 来实现的。它一般不需要与其他的p l c 或计算机进行通信。但设计者还 要考虑将来是否有联网的需要，如果有，应当选择具有通信功能的p l c 。图3 1 是 典型的单机控制系统示意图【1 2 】。 2 p l c 构成的集中控制系统 这种系统的被控对象通常是由数台机器或流水线构成，就是用一台p l c 控制多 台被控设备。该控制系统多用于各种对象所处的地理位置比较近，且相互之间的动 作有一定联系的场合。由于采用一台p l c 控制，因此各被控对象之间的数据、状态 不需要另外的通信线路。但是，当某一个对象的控制程序需要改变时，必须停运p l c ， 其他的控制对象也必须停止运行。这是集中控制系统的最大的缺点。对于大型的集 中控制系统，通常采用冗余系统克服上述缺点。图3 2 是典型的集中控制系统示意 图【1 3 j 。 15 华北l 乜力人学硕十学位论文 l 可编程控制器 jl 1r l 被控对象 意图 3 p l c 构成的分佰式控制系统 分布式控制系统又称为分散控制系统，即每一个控制对象设置一台p l c ，各台 p l c 之间可通过信号传递进行内部连锁、响应和发令等，或由上位机通过数据通信 总线进行通信。这类系统的被控对象比较多，他们分布在一个较大区域内，相互 之间的距离较远，而且各被控对象之间要求经常的交换数据和信息。分散控制系统 多用于多台机械生产线的控制，各生产线之间有数据连接。由于各控制对象都由自 己的p l c 控制，当某一台p l c 停运时，不需要停运其他的p l c 。图3 3 是典型的 分布式控制系统示意图。 图3 3 分布式控制系统示意图 p l c3 j 工 被控对象n 由于本控制系统中有控制按钮、限位丌关、液压丌关、压力丌关、电动机等。 因此可以使用单台p l c 进行多个对象的控制，只要适当的选用高性能的p l c ，就可 以完全实现系统的控制功能。另外，为了用户直接方便的使用，需要给予人机界面， 所以采用如图3 4 所示的控制系统结构图。 在本系统中，p l c 利用传感器采集监控电磁阀、丌关等有关的各类对象的信息。 p l c 经过对输入信息的管理，综合采集所获得的信息，反馈控制监控对象，将信息 送入上位机。另方面p l c 接受上位机的控制指令，通过对输入和操作指令的分析、 1 6 华北电力人学硕： ：学位论文 判断、综合处理、输出控制信号，实现对中频加热弯管机的控制。上位机采用个人 计算机对p l c 进行监控、发送控制信息，同时计算机还能够接受p l c 的采集信息， 对监控对象进行故障报警与参数显示。其具有运行方式选择控制，系统的启动、停 止、暂停控制，弯管状念的显示，弯管角度，弯管温度的显示，事故报警显示等。 3 3 中频弯管机p l c 控制系统的功能 中频加热弯管机作为一种专用机床设备，与切削机床不同，它应实现管件的成 形加工。为此，中频加热弯管机的p l c 控制系统具有如下的功能【4 】： 1 弯管前的工装过程：包括摇臂定位，主央头、辅央头的丌和闭，导向轮的丌 和闭以及工件位置的调整。 2 主要工艺参数的实时采集和显示：包括加热温度小、弯曲的角度及中频加热 各个系统的工作状态。 3 参数设定的功能：包括弯曲角度的设定、加热温度上下限、工件行进速度定 工艺过程参数的设定。 4 自动作业时，可以完成液压系统、中频加热系统及水冷系统运行、小车推进 系统的运行，直到弯管完成为止的全过程。 3 4 中频弯管机p l c 控制系统的运行方式 用p l c 构成的中频弯管机的控制系统有两种运行方式，手动方式和自动方式。 1 手动运行方式 在这种运行方式下，操作人员可以通过操作台上的各种按钮和选择丌关( 主央 头拉开、主夹头闭合、调整半径、定位央紧、主夹头央紧、导向央紧、快速弯管、 工进弯管、导向松开、主央头松丌、定位央紧松丌等) 使中频加热弯管机进行各种 相应的动作。 2 自动运行方式 在这种运行方式下，除管道需要操作人员手动装填之外，其他的全部动作，如 弯管推进、夹紧、松丌等，均使用可编程控制器进行加工控制，按程序自动完成 上述一系列动作。 与系统运行方式的设计相对应，还必须考虑停运方式的设计。中频加热弯管机 的p l c 控制系统的停运方式有正常停运和紧急停运两种。正常停运由p l c 的程序 执行，当系统的运行步骤执行完且不需要重新启动执行程序时，或p l c 接收到操作 人员的停运指令后，p l c 按规定的停运步骤停止；紧急停运方式是在系统运行过程 中设备出现异常情况或故障时，若不中断系统运行，将导致重大事故或有可能损坏 1 7 华北电力人学硕十学位论文 设备，此时必须使用紧急停运按钮使整个系统停止运行。它是既没有连锁条件也没 有延迟时间的停运方式，紧急停运时，所有设备都必须停运，可编程控制器的电源 被切断。 图3 4 中频加热弯管机的控制系统结构图 3 5 中频弯管机p l c 控制系统的硬件要求 控制系统的硬件设计必须要根据控制对象而定，应包括控制对象的工艺要求、 设备状况、控制功能和i o 点数，并据此构成比较先进的控制系统【13 1 。 3 5 1 工艺要求 工艺要求是系统设计的主要依据，也是控制系统所要实现的最终目标，所以在 进行系统研究设计之前，必须了解清楚控制