（机械制造及其自动化专业论文）悬臂式喷标机的研制与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 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。论文根据 国内外钢管生产线精整区的生产实际需要，以天津钢管公司石油套管的“检测与 标识系统的研制与开发”为项目背景，对钢管喷标系统进行设计，并取得了成功。 本论文的主要内容有： 第一章综合叙述了喷标系统的国内外发展现状，陈述了课题的来源和论文的 主要工作和意义，介绍了喷标系统设计的相关技术。 第二章根据喷标生产工艺的要求提出了系统的整体方案设计。分别对系统的 机械结构设计、控制系统设计、软件设计进行分析。 第三章根据设备运行的要求设计了喷标机的机械结构，并且对关键部分的设 计进行分析。 第四章主要是钢管喷标系统的电气控制设计，设计了喷标系统位置伺服控 制并对其进行建模仿真，分析了喷标位置伺服系统的误差与稳定性。 第五章对钢管喷标系统的下位p l c 控制软件和上位监控软件进行设计，重 点分析了p l c 程序的流程和时序，并且设计了上位监控界面。 第六章总结了钢管喷标系统开发过程所做的工作，并对系统的改进方向进 行了展望。 关键词：钢管、喷标、p l c 、伺服电机、位置控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e lt u b ei sw i d e l yu s e da sas o r to fm e t a l l i c m a t e r i a li n o i l ，m e t a l l u r g y , a u t o m o b i l e ，w a t e r c r a f t ，e l e c t r i cp l a n t ，w a ri n d u s t r ya n ds oo n i ti si m p o r t a n tt ot h e n a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no f r e s e a r c ho ns t e e lt u b e ss t e n c i ls y s t e mb o t hh e r ea n da b r o a d ，w i t ht h ea i mo f r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h es t e e it u b e ss t e n c i ls y s t e mi nt i a n j h ap i p ec o r p o r a t i o n ， t h es u c c e s s f u ld e s i g no ft h er e l e v a n tc o n t r o ls y s t e ma n dp r o c e d u r ea r cp r e s e n t e d t h e m a i nc o n t e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，f i r s t ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c ha n dp r o b l e m so ns t e e lt u b e s s t e n c i ls y s t e mi nc h i n aa r ed e s c r i b e d t h e n ，t h es o u r c ea n dt h em a i nc o n t e n t sa sw e l l a st h es i g n i f i c a n c eo ft h i sp a p e ra r em e n t i o n e d f i n a l l y , t h ec o r r e l a t i v et e c h n i ca r e i n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，t h ew h o l eb l u ep r i n ti sb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h em a n u f a c t u r e t e c h n i c so ft h es t e e lt u b e ss t e n c i ls y s t e m t h em e c h a n i s ms m a c t u r e ，t h ec o n t r o l s y s t e ma n dt h es o f t w a r ea r cd e s i g n e d i nc h a p t e r3 ，t h em e c h a n i s ms t r u c t u r ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f t h ee q u i p m e n tf u n c t i o n a n dt h ep i v o t a lp i e c ei sa n a l y z e d h ac h a p t e r4 ，t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h es t e e lt u b e ss t e n c i li sd e s i g n e d t h ec o r r e l a t i o n t e c h n i q u e sa b o u ts e r v os y s t e m l i f ea l s oi n t r o d u c e d t h e n t h ed e s i g na n dt h em o d e l i n g s i m u l a t i o no fs t e n c i ls y s t e mb a s e do ns e f v oc o n t r o ls y s t e ma r ee x p a t i a t e d m o r e o v e r , f l o we r r o r a n ds t a b i l i t yo f t h es y s t e a na r ea n a l y z e d ，f i n a l l y , t h ec h a r a c t e r so f t h ec o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r5 ，f i r s tt h ep l cp r o g r a ma n dt h eu p - l e v e lc o m p u t e rp r o g r a ma r ep r e s e n t e d t h e n ， t h ep l cp r o g r a mf l o wa n dt i m es e q u e n c ea r ca n a l y z e d f i n a l l yt h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m i n t e r f a c e sa r ed e s i g n e d h lc h a p t e r6 t h ew o r ka n da c c o m p l i s h m e n ti nt h er e c o n s u u c f i o no ft h es t e e lt u b e ss t e n c i l c o n t r o ls y s t e ma n ds o f t w a r ea r es u m m a r i z e d ，a n dr n o r e o v e r ，w a y st oi m p r o v et h i ss y s t e ma r e p o i n t e do u t k e y w o r d s ：s t e e lt u b e ；s t e n c i l ；p l c ；b 哪om o t o r ；p o s i t i o nc o n t r o l ； 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及来源 1 1 1 课题的背景 第一章绪论 钢管是一种多功能的钢材。随着我国经济的迅猛发展，钢管在国民经济各部 门中的应用越来越广泛，其用途覆盖了石油、冶金、煤炭、化工、汽车、船舶、 电站以及军工、航空航天、核能等行业，为国家经济建设和国防安全做出了巨大 的贡献。 根据g b 2 1 0 2 - - 8 8 规定，外径不小于3 6 毫米的钢管及截面长不小于1 5 0 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，在自己生产的产品作上标识印 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、维护成本高，这就要求厂家要有雄厚的经济实力。 1 1 2 课题的来源 随着我国加入w t 0 ，国内市场与国际市场接轨使得一些种类的钢管，比如石 油管作为无缝钢管用于油井中抽取石油或天然气，石油套管用作油气井的管壁， 必须要符合国际标准，钢管市场同样面临着激烈的竞争。 为了增强竞争能力，与国际市场接轨，企业必须建立一套完整的产品质量跟 踪系统提高产品性能、质量、外观，以满足国际市场的要求。方法之一是在产品 上进行标识，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。对于钢管行业来讲，钢管喷标是完成此项任务的主要方法，相对于在钢 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，所以钢管喷 标机有其他设备不可替代的作用。 天津钢管有限责任公司始建于1 9 8 9 年，是一座专业生产无缝钢管的现代化 大型冶金企业，是目前我国最大的石油管材生产基地。目前为止该公司产品已覆 盖全国2 4 个陆地及部分海上油田，石油套管的国内市场占有率达到5 0 以上， 主要产品已经出口到美国、中东、欧洲等4 0 个国家和地区。 浙江人学硕士学位论文 随着市场发展的需要，天津钢管公司几年来持续不断的进行技术改造和创 新，在此情况下，我们与天津钢管有限公司下属无缝钢管厂合作研制开发了钢管 自动喷标系统。 1 2 喷标机的发展现状 喷标机也称喷码机，发明于六十年代，直到七十年代末才生产出世界第一台 商用喷标机。八十年代后期，喷标机这一融合了多项技术于一体的高科技产品进 入我国市场。到目前为止，世界上也只有英美日德等少数几个国家能够生产非接 触式喷标机。 1 2 1 国外的发展现状 国外已经开发出了钢管喷标设备，而且设备功能强大，能喷各种各样的字符 甚至中文，设备采用了各种先进技术，尤其是喷头部分的设计。例如美国著名喷 标机公司v i d e o j e t 、m a r s h 以及英国w i l l c t ，丹麦m a g n e m a g 公司、l n f o s i l g h t 公司 的s p r a ym a r k i n gs y s t e m 。 1 、主要的喷码产品 1 ) m a g n e m a g 公司的喷码机 该公司是世界冶金行业生产喷印标记设备的专业公司，其产品工艺先进、运 行可靠，可以应用于钢厂等生产环境比较恶劣的地方，但是价格很昂贵。 m a g l 妞m a g 公司产品的特点： 运行可靠，该系列设备经过多次更新换代，运行可靠、经久耐用。其设备 零配件互换性强，并且寿命长、维修量小。多台设备使用期已经超过1 5 年，运 行状态良好。 技术先进，该系列产品是用电磁驱动冲印设备，准确度高，速度快，经久 耐用，适用于连续作业；可以利用计算机控制喷头，上位机输入，终端设定调整， 实现全自动喷印；喷枪具有自动清洗系统，具有加热泵，保证了冬季喷嘴畅通无 阻；供涂料的系统采用双向隔膜泵，涂料压力稳定；传动系统采用了交流变频调 速，可实现双向喷印；计算机编程系统先进，用户可以根据需要编程。 2 ) m a r k t e c 公司的喷码机 m a r k t e c 公司的喷码机的特点： 字符鲜明，5 种字体大小可由用户任意选择。 喷印速度可以达到2 7 6 m m i n 。 稳定性好，保养、维护方便。 采用1 6 点阵组合，分辨率高，可喷印特殊字符、图标。 本机采用油漆喷印、耗材成本比油墨印机大大降低，不用使用稀释剂，没 有溶剂蒸汽的飞散、无异味，可保护良好的卫生环境。 6 浙江大学硕士学位论文 设备小巧轻便，在线使用时可以与自动生产线上位机连接，也可单独由手 提终端输入印字数据进行工作。 3 ) n f o s i g h t 公司的喷码机 该公司的产品具有以下特点： 非接触式喷码方式。 手提终端或者计算机控制。 7 、9 或者1 6 点喷码， 大字体a s c i i 码。 速度可达到4 0 0 f p m 。 电子光点控制。 模块化设计。 以上只是主要的几家可以生产钥管喷标机的厂家的产品特点，其他也有一些 厂家，例如美国喷标机公司v i d e o j e t 、m a r s h 以及英国w i l l e t 等公司的产品，我 们通过比较后选择了日本m a r k t e c 公司的p j 1 b 系列1 6 点阵式喷标头。 1 2 2 国内的发展现状 我国国内在二十世纪九十年代以前对喷标系统的研究一直比较少，到了二十 世纪九十年代，才有少数科研机构开始进行钢铁行业的喷标研究。其中杭州华翔 建筑工程机械厂与浙江大学生产工程研究所联合为杭州钢铁公司转炉分厂开发 研制的热轧钢坯喷号机通过省级技术鉴定，对我们的研发有一定的参考价值。热 轧钢坯喷号机的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 需号码。图1 一l 为该系统使用的喷头的示意图。 压缩空气喷嘴 ( 共七个) 涂料供 涂料供 七段码中的一段 料供应管 图1 1喷头结构示意图 考虑到实际使用中只需要肚9 等1 0 个数字，采用七段码方式完全可以满足 7 浙江大学硕士学位论文 要求，而且七段码还可以喷出少数几个字母。在喷头结构示意图中，通向7 段“笔 划”的涂料管彼此连通，同时供应涂料；而7 个压缩空气的喷嘴是独立控制的， 只有当该段有压缩空气喷出时，涂料才会随之流出而形成喷雾在钢坯上喷上笔 划。对7 个空气喷嘴进行组合控制即可喷出所需的号码。 七段码方式喷号，喷头的设计相对简单，号码的变换转化为对7 个压缩空气 喷嘴的控制，控制系统得到简化，可以获得较高的系统可靠性；号码调整灵活， 不需要更换字模，喷号速度快。但是与点阵式不同，在七段码中，每笔划都至关 重要，缺少笔划将使号码失去意义，因此必须保证每一笔划的可靠喷射。这既要 从喷头本身着手保证良好的雾化和喷射的可靠性，也要从控制电路上做出保证， 必须增加工作状态检测。 该喷标系统出现的主要问题是：由于是在高热环境下使用，因此涂料喷出后 易凝结在喷头上，致使喷头堵塞，同时喷标的效果不够理想。 该喷标设备在一定的使用环境下，有较好的效果，但由于钢管表面是曲面， 这种方式的喷标显然不适用于钢管的喷标。分析现有的喷标设备后，可以从这种 喷标方式中得到几点启发： 采用点阵式的喷头。以点阵列的方式形成字体的方式比较适合钢管表面的 喷标。 利用白色涂料作为喷标介质。白色涂料与钢管表面的对比程度大，能够达 到标准中规定的“标识清楚”的要求。 利用压缩气体作为涂料喷射的动力。 1 2 3 喷码的实现方式 根据喷码原理的不同可以将喷标方式分为连续喷射式喷标机( c o n t i n u ei n k i e tp r i n t e r 简称c u ) 和按需喷墨式喷标机( d r o po nd e m a n d 简称d o d ) 。 1 、连续喷射式喷码( c o n t i n u ei n kj e tp r i n t e r ，简称c i j ) ：它是把攫水 通过压力从单喷嘴不断喷出，经晶体振荡后发生断裂形成墨点；墨点经充电、 高压偏转后在运动的物体袭而扫捕成字。其使用的介质是墨水，主要应用于小字 符喷印，适合食品、饮料、酒类及医药等产品包装。 连续喷射式喷码机的特点： 可喷印的字符高度为0 0 6 m m 1 5 m m 。 喷印5 * 5 点阵时很快，喷印中文、图形、1 6 点阵文字时速度变慢。 机器运行时，墨水循环使用，使得墨水浓度不稳定，而且还需要添加稀释 剂，稀释液不断挥发，造成浪费。 墨水回收系统容易将粉尘潮气等吸入机器内部，从而影响机器正常工作。 墨点需要经晶体振荡、充电、高压偏转等精密控制，所以出故障的几率就 比较大。 浙江大学硕十学位论文 控制系统比较复杂，需要精密调整参数爿+ 能保证正常使用。 墨水循环过程中，大量有机溶剂挥发，气睬难闻，造成环境污染。 由于使用的是外界气源供气，对压力及清洁高度要求高，气源质量直接影 响机器寿命。 齿轮泵供墨式喷码机，电机高速运转时需要通风散热，由于不密封粉尘及 潮气容易进入机器内部。 轮泵容易磨损，不能修复，只能更换，维修成本比较高。 2 、按需喷墨式喷码( d r o po i ld e m a n d ，简称d o d ) ：是由多个精密电磁阀组 成，在喷字时，字型相对应的电磁阀快速开启，墨水依靠内部恒定压力喷出，在 运动的表面形成点阵式字符或者图形。 这种喷码机的喷嘴开口度较大，可以形成较大的喷点，因此除了可以使用墨 水外，还能够使用一些特殊的涂料，例如，水基白色涂料，使用特殊涂料在物体 表面喷出的字型很清晰，即使是在户外也可以保持很长时间。相比较而言，墨水 在钢铁材料上存在着透析，很容易扩散，而这些特殊涂料的粘度大，与钢铁的亲 和力强，因此在钢铁行业一般都使用这些特殊的涂料。 按需喷墨式喷码机在大字符或图形喷印上存在很大优势。一般这种喷码机的 喷头有9 点、1 6 点、3 2 点、6 4 点等几种形式。9 点阵喷码机所喷射形成的单点 直径3 5 毫米，喷小字符比较困难，3 2 点阵与6 4 点阵在喷印效果上较好，在 钢管喷标上1 6 点阵已基本达到要求。 按需供墨式喷码机的特点： 喷印字符高度为2 5 m m 6 4 m m 。 喷印速度不受字型点阵的影响，最快可以达到1 2 0 m m i n 。 机器运行时，墨水不循环使用，不需要添加稀释剂，墨水浓度始终如一。 墨水不需要回收，供墨系统密封良好，避免了墨水污染。 墨水直接喷出，自带压力泵，精密部件少，故障率低。 控制系统简单可靠，操作简单，便于维护。 自带低压供气系统，气源压力稳定，质量洁净。保证机器正常运行。 - 机内没有大功率器件，工作时无需散热，设备系统密封性能良好，不受工 作环境的影响。 机内没有易损件，维修成本相对来说比c u 式喷码机要低一些。 1 3 相关技术介绍 钢管喷标机是集光、电、机技术于一身的高科技产品，下面介绍一下涉及到 的相关技术。 9 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 机械技术 机械技术是钢管喷标机技术的基础，直接影响喷标机的性能指标。对悬臂 梁的直线度、挠度变形、立柱与悬臂梁联接垂直度的要求会直接影响喷标的效果， 因此，设计时需要选用性能优良的材料和合理的机械结构以满足喷标机的精度、 刚度及动态性能的要求。 经典的机械技术借助于计算机的辅助设计技术，以及在此基础上同时采用 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 与专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 等，已经形成新 一代机械制造技术。 1 3 2 伺服控制技术 在喷标系统中，位置伺服控制起着非常重要的作用，位置伺服的定位精度会 直接影响到重复喷印与双向喷印的效果，因此设计中采用何种位置伺服控制方式 是十分关键的。 位置伺服系统是一种与普通电机调速系统有着紧密联系但又有明显不同的 系统。一般说来，位置伺服系统是一种闭环跟踪系统，以足够的位置控制精度( 定 位精度) 、位置跟踪精度( 位置跟踪误差) 和足够快的跟踪速度作为它的主要控 制目标，系统运行时要求能够以一定的精度随时跟踪指令的变化，因此伺服系统 在跟踪性能方面的要求一般会比普通调速系统高而且要严格得多。 广义上的位置伺服系统口】包括机械执行机构和电气自动控制两大组成部分。 机械执行机构常包括导轨、减速齿轮等；电气自动控制部分包括交流或者直流伺 服电机、驱动功率放大器、反馈检测传感器和控制调节器等。狭义上的位置伺服 系统指的是半闭环结构中的电气自动控制部分。 按照系统的构造特点，大体上可以将其分为四种基本结构类型： 1 、开环位置伺服控制系统 开环位置伺服控制系统是一种没有位置反馈的位置控制系统。它的伺服机构 按照指令装置发来的位置移动指令，驱动机械作相应的运动，但是不对机械实际 位移量和转角进行检测，因此无法将其与指令值进行比较。它的位置控制精度只 能靠伺服机构本身的传动精度保证。这种开环位置伺服系统仅仅适用于一些对位 置控制精度要求不高、位移速度较低的简易型控制系统，其位置控制精度一般在 0 o l m m 左右。由于其结构简单、造价低、调试容易，因此仍然广泛应用于各种 定位要求较低的位置控制系统。 区卜吨巫卜匝鲋l i 尹恒 图1 - 2 开环位置伺服系统 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 、半闭环位置伺服控制系统 半闭环位置伺服系统是具有位置检测和反馈的闭环控制系统，它的位置检测 器与伺服电机同轴相连，可通过它直接测出电机主轴旋转的角位移，进而可以推 知当前执行机械的实际位置。由于其位置检测器不是直接装在执行机械上，位置 闭环只能控制到电机轴为止，所以称之为半闭环。它只能间接地检测当前的位置 信息，并且难以随时修正、消除因电机轴以后的传动链误差引起的位置误差。半 闭环位置伺服系统在其闭环中非线形因素少，容易整定，还可以比较方便地通过 补偿提高位置控制精度，此外，半闭环的结构使得它的执行机械与电气自动控制 部分相对独立，系统的通用性增强。 图1 - 3 半闭环位置伺服系统 3 、全闭环位置伺服系统 全闭环位置伺服系统的位置检测器直接安装在执行机构上，从而可以获得执 行机构实际位置的精确信息，通过反馈闭环实现精确的位置控制。从理论上讲， 这是一种最理想的位置伺服控制方案。但是采用全闭环时，执行机构本身的机械 传动链也被包含在位置闭环中，伺服的电气自动控制部分和执行机构不再相对独 立，因此，传动的间隙、摩擦特性的非线性、传动链的刚性等都会影响到控制系 统的稳定性，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时负载的变化也对系统的 摩擦特性、机械惯量等产生影响，给系统的整定造成困难。此外，出于执行机构 的一部分包含在位置闭环内，位置控制调节器的设计就必须要考虑这部分的传输 特性。全闭环位置伺服系统的通用性比较差，不利于降低成本。 图1 4 全闭环位置伺服系统 4 、混合闭环位置伺服系统 混合闭环位置伺服系统中同时存在半闭环和全闭环。系统启动时，半闭环起 主要控制作用。由于半闭环中电气自动控制部分与执行机械相对独立，可以采用 浙江大学硕上学位论文 较高的位置增益，使系统易于整定、响应快、跟踪误差小；系统稳定运行时利用 全闭环进行稳态误差补偿，位置增益可以选的较低以保证系统的稳定性。两者相 结合可以获得较高的位置控制精度和跟踪速度。但是，由于系统中同时存在两个 闭环，使系统变得比较复杂，它们之间的配合、增益调整等都必须仔细整定，位 置伺服系统的通用性也就比较差。 图1 - 5 混合闭环位置伺服系统 半闭环位置伺服系统由于其电气自动控制部分与机械部分相对独立，可以根 据机械惯量和负载情况划分为不同的等级，独立地对电气控制部分进行通用设 计，因此半闭环结构是目前应用晟广泛的一种位置伺服控制系统。 1 3 3 传感与检测技术 传感与检测技术同计算机技术与通信技术起被称为信息技术的三大支柱。 从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成 传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”，它与系统的输入 输出相连，并将检测到的信号发送到信息处理部分，是实现自动化的关键环节。 传感与检测是从自然信源获取信息，并对之进行处理( 变换) 和识别的一门 多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、 开发、制建造、测试、应用及评价改进等活动。信息获取的来源主要是依靠传 感器，所以传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质 量，直接影响到系统的精度问题，是高品质传感技术系统的构造第一个关键。随 着工业自动化领域的不断发展，对传感器进一步提出了数字化、智能化、标准化 的高要求。 1 3 4 气动与液压技术 气动与液压技术是实现现代传动与控制的关键技术之一，其水平和发展速度 直接影响机电产品的质量和水平，广泛应用于国民经济各个部门。 气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号传递，从而实现生产过程 自动化的一门技术。它包含气压传动与气动控制两方面的内容。气动技术具有成 本低、结构简单、工作可靠、无污染、安装维护方便等显著优点，为了适应工业 浙江人学硕上学位论文 自动化领域的需求，这也使得它在工业自动化领域的应用不断扩大，现在气动技 术与电子、液压技术一样，都是生产过程自动化最有效的技术之一。 液压技术是以油液为工作介质进行能量和信号传递，从而实现生产过程自动 化的一门技术。液压系统具有传动出力大、惯性小、响应快等有点，但是同时液 压系统也具有效率低、漏油、维修性差等缺点。 1 ，4 喷标机研发的意义 1 4 1 课题的研发意义 过去，我国大部分的钢管厂家对产品的标识技术都很落后，大多是用油漆标 志或者涂色区分，少数采用滚印标志。通常是用人工方式进行测量。然后将人工 测定钢管的长度、重量和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。可想而 知，这种人工标识方式使得厂家无法实现不间断生产，存在着测量精度低、劳动 强度大、生产效率低、字迹不清楚和字迹不统一等缺点。直到目前为止，仍然有 部分厂家采用这种人工标识方式。 相对来说，国外钢管喷标设备功能强大，能够喷印各种各样的字符，甚至也 可以喷印中文。喷出的字型清晰，字迹一致，可以实现不问断生产，提高了生产 效率。但是这些同类产品的价格十分昂贵，例如丹麦m a g n e m a g 公司的喷标机性 能能够满足冶金企业的恶劣要求，已经应用在鞍钢，酒钢等钢铁公司，其价格约 为2 5 0 万人民币，涂料每升约8 0 0 元。所以到现在为此，也只有几家最大的钢铁 公司有能力引迸国外的喷标设备。 由此可见传统方法的落后与进口设备的高成本形成了明显的矛盾。国内开发 研制喷标设备已经刻不容缓。 1 4 。2 论文的主要工作 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 )通过对喷标系统开发现状的分析和对钢管喷标工艺的调查与研究，确定 喷标系统要求达到的具体技术要求，并且进行了总体方案设计。 2 ) 根据总体设计方案确定喷标系统的机械结构。 3 ) 根据总体方案设计了以可编程控制器为核心的电气控制系统。 4 ) 对喷标位置伺服进行分析，设计了位置伺服控制系统。 5 ) 通过对钢管喷标工艺的生产流程的分析，进行了p l c 程序设计。 6 ) 将人机工程学运用到系统中，设计了上位机监控程序。 本课题的主要目标是根据钢管生产精整线的工艺要求，研发出定位精度及重 浙扛大学倾士学位论文 复定位精度高、喷标速度快、可正反向喷标、字符和图形清晰、字迹统一、操作 方便、易维修、性能稳定的自动化喷标系统。 1 5 论文的内容安排 第一章绪论。主要介绍了钢管喷标机研发背景及其发展状况；介绍了设计所 需要的相关技术；本课题的来源及研发的意义；阐述了论文的主要工作及主要目 标。 第二章总体方案设计与研究。提出了设计的总体要求，并且对系统的机械结 构设计、系统控制设计、软件设计进行了论证：介绍了喷标系统的设计特色。 第三章喷标机的机械设计。本章主要是根据设备运行的要求设计了喷标机的 机械结构，对关键部件的设计进行了详细的分析，并且对挠度变形、温度差异引 起的变形、加工中应力变形进行了分析，在此基础上分析了喷标机的受力情况， 对悬臂梁的强度与挠度进行了校核，并且应用m a t l a b 软件对悬臂梁的受力情况 进行校核。 第四章喷标机的电气控制设计。提出了电气设计的总体要求和设计内容，阐 述了伺服技术、伺服电机转矩计算和选型，并且建立伺服控制模型，进行系统稳 定性分析和误差分析，对伺服系统进行了p i d 调节。 第五章喷标机的软件设计。本文将喷标系统的软件设计分为p l c 程序与上 位机监控程序两部分，分别对二者模块化设计和特点进行介绍，建立其1 d e f o 模型。 第六章总结与展望。简要地说明了喷标系统开发过程所完成的工作以及得到 的结论，展望了今后需要进一步提高喷标系统性能的工作。 1 4 浙江大学硕上学位论文 第二章喷标机总体方案设计 2 1 喷标机的性能要求 在对喷标工艺的深入研究后，确定了喷标机的设计方案，要求机械结构设计 合理、动作可靠安全、设备体积小、重量轻，电气元件的响应速度快、灵敏度高、 性能稳定，软件部分要求运行稳定，界面友好，功能齐全，便于操作。 1 、工艺规范 ( 1 ) 执行规范 石油管作为无缝钢管用于油井中抽取石油或天然气，石油套管用作油气井的 管壁，所依循的国际标准为a p is p e c5 c t ，见附表卜l 。 对喷标机而言，此规范的要求是喷标起始位置在距管端或接箍6 0 0 m m 处， 6 0 0 m m 以内为其他标识位置。 ( 2 ) 钢管标准 钢管外径：4 8 1 6 8 m m 钢管壁厚：3 2 2 2 2 m m 钢管定尺长度：6 1 5 m 钢管重量：3 5 k g 7 8 0 k g 钢级：n 8 0 ，c 9 5 ，p 11 0 ，l 8 0 ，q 2 1 5 等 生产效率：小于等于为2 0 0 根小时 钢管温度：室温 全年工作时间：6 5 0 0 小时。( 有效工作时间5 0 7 0 小时) 2 、喷标机技术要求 ( 1 ) 标号方式：喷标点阵式为1 0 8 、1 2 8 、1 4 x 1 0 、1 6 1 2 、等1 0 多种； ( 2 ) 字体要求：标准字体( g b 标准) ，字体( 符) 和大小可自由选择编辑： 字体高度有( 单位：m m ) 3 0 、3 6 、4 2 、4 8 四种可调；特殊字符或者图形可存储 5 0 个以上；一组( 条) 喷印内容字符个数不低于1 0 0 个；能存2 5 条以上不同的 喷印模板，并能方便调出；字体美观、清楚；有单划和双划的选择。每组( 条) 喷印内容的间距、位置和组数能任意选择。 ( 3 ) 喷点直径( 1 1 】i n ) ：卜2 ； ( 4 ) 喷标速度：o 一8 0 m m i n ； ( 5 ) 标记介质：白色涂料； ( 6 ) 喷印字符种类：计算机可编辑的任意字符和图形； ( 7 ) 耗漆量：约0 0 1 升1 0 0 0 字符 ( 8 ) 喷印涂料喷印到钢管上以后在室温下2 秒钟内应初步固化，此后字符与 辊道或者台架接触时，不应产生字符笔画模糊或者脱落。在室温下5 1 0 秒内字 浙江大学硕士学位论文 符应完全干燥固化。 ( 9 ) 字符附着能力强，耐腐蚀。能在露天条件下保持7 个月以上。 ( 1 0 ) 操作界面上能显示正在喷印的内容，在喷标机工作时能设定下一组参 数。实现自动和人工喷印，人机界面良好，并有故障报警系统。 ( 1 1 ) 出厂前制作好a p i 、工厂产品商标和厂标图形，并输入内存待用。 3 、能源及外部条件 ( 1 ) 供电要求：3 8 0 v 4 - 1 0 ；5 0 h z ； 2 2 0 v 1 0 ：5 0 h z ； ( 2 ) 装机容量：约6 0 k w ； ( 3 ) 供气要求：0 4 一o 6 m p a ；l m 3 h ； ( 4 ) 环境温度：o - - 5 0 。 2 2 喷标的主要内容及功能 l 、喷标的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 钢管的长度、重量： ( 2 ) 生产厂家的信息：班号、炉号、管号； ( 3 ) 合同号 ( 4 ) 钢管生产的时间 ( 5 ) 执行标准 2 、喷标实现的功能主要有以下几个方面： ( 1 ) 人工预设定及修改项目参数； ( 2 ) 自动存储、显示、统计、打印相关数据信息； ( 3 ) 实现自动、手动操作方式； ( 4 ) 喷头自动清洗和定期清洗，在每次喷印完成后实现自动清洗，并且在 时间间隔比较长的情况下完成定期清洗； ( 5 ) 系统自检和故障报警； ( 6 ) 正、反向喷印，重复喷印，重复喷印字符重合度要高； ( 7 ) 计算枫界面上可以设定钢管的起喷位置，即在距管端固定位置开始自 动喷标； ( 8 ) 每根钢管的喷标内容利用模板自动生成，同时也可以进行人工修改； ( 9 ) 可以通过自带软件画出图形、图标，实现特殊字符喷印，例如美国石 油协会的会标； ( 1 0 ) 数据统计、查询、报表功能； 1 6 浙江_ 人学硕士学位论文 2 3 喷标系统设计方案 喷标机系统由执行单元、控制单元、信息处理单元三部分组成。喷标系统的 结构框图如图2 1 所示。 信息处理 单元 控制单元 执行单元 2 3 1 喷标机的执行单元 图2 - 1喷标系统组成框图 执行单元是喷标系统的基本组成部分，包括机械和气动、液压三个组成部分。 机械部分主要由立柱、横梁、横移机构、升降机构等组成。 气动系统、液压系统主要由电磁阀、二联件、涂料泵、清洗剂泵、气缸等组 成。 根据钢管与喷头的相对运动方式的不同，喷标方式可以分为两种：、钢管 静止，喷头运动。钢管在v 型槽上静止不动，而喷头由伺服电机带动沿钢管的 轴向直线运动。这种喷标方式占地位置比较大，相对成本比较高，但是由于伺服 电机运行时很平稳，不会出现跳动现象，所以喷印的字符很清晰。二、喷头静止， 钢管沿其轴向运动。喷头前后位置固定不变，钢管由辊道带动前进。这种喷标方 式占地位置比较小，相对成本比较低，但是由于行进过程中钢管轴端会与辊道的 1 7 浙江大学碗士学位论文 支撑块相碰，钢管会有不同程度的跳动，导致字符变形，因此喷印的效果并不太 理想。经过比较，在满足天津钢管公司小于等于2 0 0 根每小时要求的情况下， 我们选择了第二种方式，并且采取了正、反向喷标，节约了时间，尽可能地提高 生产效率。 根据机械结构的不同，可以将喷标机分为龙门式喷标机和悬臂式喷标机。 1 龙门式喷标机 龙门式喷标机主要是用于厂家要求采取钢管不动、喷头动的喷标方式，并且 要求全长喷印的场合。其结构示意图如下图2 2 ： i l i圈。 浔 1 州 fo 葫 ” 望 坠 1 哥” 甓 图2 2 龙门式喷标机械结构示意图 2 悬臂式喷标机 悬臂式喷标机既可以完成全长喷印又可以完成部分喷印。如果采用钢管轴向 运动、喷头不动的喷标方式，则悬臂式喷标枧可以完成全长或者部分喷印，此时 不需要伺服电机进行定位，系统的控制相对比较简单：如果采用钢管不动、喷头 动的喷标方式，则悬臂式喷标机只能完成部分喷印，需要采用伺服电机定位。本 文中的喷标机指采用的是钢管不动、喷头动的运动方式的悬臂式喷标机。 悬臂式喷标其结构示意图如下图2 3 和图2 4 ： 图2 - 3 喷标机示意图 浙江大学硕士学位论文 二力丑诌 l 纠 蛰 j l r 刈 翦翠 ，气 亡j 图2 4 悬臂式喷标机械结构示意图 立柱：整个设备的支撑。立柱相对横梁偏置。留出横移机构的原始停留位置 以减少横粱长度，减轻设备重量，降低悬臂梁挠度。立柱底面尺寸为o 5 8 m x o 7 6 m ，高为2 1 m 。 横梁：横梁的主体是由工字钢和方型钢上下组合而成，方型钢底部安装有精 密齿条，与横移机构上伺服电机主轴上的齿轮相啮合，组成齿轮副。横粱长6 8 m 。 前位极限丌关和后极限位开关；一般情况下，横移机构在二者之间运动，一 旦横移机构碰到了后位极限开关或者前位极限开关，则伺服电机停止转动，并且 发出报警信号。 原点定位开关：是喷标横移机构运动的基准点。 横移机构：也叫喷标小车，伺服电机主轴上安装的齿轮和横梁底部的齿条相 瞄合，通过滚动轴承和横梁上的导轨形成滚动副，同时可以限制横移机构在垂直 平面内的自由度，起到导向作用，保证横移机构只能沿钢管轴向运动。 升降机构：根据钢管直径大小，可以通过手轮调节喷头的下极限位置。同时 通过一个升降气缸带动喷头上升或者下降，从而实现自动操作。 喷头保护罩：由于喷头是进口的先进设备，价格昂贵，为了保护喷头，特别 设计了喷头保护罩。 喷头及其控制器。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，在涂料系统、气路系统、清洗系统的共同作用下，完成喷标任 务。 气动部分：喷头气动的主要组成部分是由1 6 个高速开关式气动阀组成，升 降机构的气动部分由一个气缸、一个二联件和一个气阀等组成。 液压部分：由涂料泵、液压阀等组成，通过涂料泵将涂料和清洗剂提供给喷 头。 浙江大学硕上学位论文 2 3 2 喷标系统控制单元 控制单元的主要功能是根据喷标系统的要求，分析喷标动作的先后顺序，使 执行机械按照一定的时序正确安全地完成规定动作。p l c 发出信号，控制升降气 缸推动喷头下降，由定位模块发出指令脉冲，经过信号转换后送入伺服放大器， 由伺服放大器驱动伺服电机的运动，到达起喷位置开始喷标，喷标完成后，伺服 电机停止转动，气缸上升。 控制单元主要由西门子s 7 3 0 0 系列的p l c 为核心，采用精确定位模块 f m 3 5 3 和高速输入、输出模块，其他还有伺服控制系统、信号匹配系统、喷标 控制器、电源等。 伺服控制：是由伺服放大器控制伺服电机完成横移机构的横向正、反向运行， 要求精确定位，位置误差要小于0 1 m m 。 升降运动：是由p l c 控制电磁阀的开关状态，从而完成对气缸上、下动作 的控制。 喷标控制：是接收p l c 向喷标控制器发出的指令，从而控制开始喷印、清 洗、反向喷印等动作，并且接收上位机发出的喷印内容。 信号检测：横移机构、升降机构、伺服电机等部件的运行状态由各类传感器 检测完成；各种报警由指示灯及屏显方式输出；各种手动动作的操作可以通过按 钮完成。 信号匹配：用于解决伺服放大器的信号与西门子定位模块f m 3 5 3 的指令脉 冲信号不匹配的问题。 2 3 3 喷标系统信息处理单元 信息单元的主要功能：由上位机对p l c 采集到的数据进行实时处理。完成 数据的存储、查询功能等数据管理任务，不仅要生成相应的数据库文件，而且还 要根据生产厂家的需要动态生成各种统计报表，完成打印功能，除此以外还要完 成与喷标控制器的信号交流，发送喷印内容，真正实现二级管理。 信息处理单元主要是由工控机为核心。 2 3 4 喷标控制锯 喷标控制器采用下位单片机控制1 6 个喷嘴的电磁阀实现喷标，上位计算机 仅在需要查询状态和需传送喷印字符对才通过串口传送命令字和字符给t f f 单 片机，上位机可以独立出来专职从事设备监控和数据管理的功能。喷标控制系统 框图如图2 - 5 所示， 浙江大学硕上学位沦文 卫咆一 l 一 驱动模块r 叫1 6 路啧嘴电磁闲 气路压力- 厂 一喷印清洗状态指示 垒苎墨堕一一a d1 - 4 扩展字库内存i- 气压不足报警 i 赫制弛q u 生 片 一时钟电路i_ 涂料故少报警l 际强 机 - 4 故障报警显示卜| 清洗荆缺少报警i l 上住z 控枷k 爿通讯电路毕 一 复住电路 f 。一 通讯错误报警 l 图2 5喷标控制器系统框图 2 3 5 悬臂式喷标机方案设计的特色 喷标机机械部分以立柱与横梁相对偏置的框架结构为基础，以西门子p l c 为控制核心，以1 6 点阵喷头为关键技术，以交流伺服电机半闭环控制实现精确 定位是喷标设计的显著特色。 2 4 本章小结 喷标机的机械结构设计采用了立柱与横梁相对偏置的形式，减短了悬臂梁的 长度，降低了设备的重量，减小了悬臂梁的挠度变形；采用交流伺服系统实现精 确定位i 以工控机为上位控制系统对p l c 采集到的数据进行实时处理，以p l c 为下便控制系统对现场的生产过程进行自动控制，实现了二级控制。 2 1 浙江大学颀士学位论文 第三章喷标机机械、气动与液压设计 3 1 喷标机的机械结构设计 机械设计中首先要确定机械设计所需的基本参数，喷标机机械总体尺寸对检 测与标识生产线的工艺安排及设备布置直接相关。因此必须合理确定喷标机的整 体尺寸、横移机构的最大速度及喷嘴与钢管的最佳间隙。 1 、喷标机高度的确定：根据现场情况，钢管在各工位的标高应一样，并且 考虑到现场有行车，而且要保证喷头距钢管表面的距离在最佳喷印距离内等，因 此最后设计的结果喷标机高度为3 m 。 2 、喷标机悬臂梁长度的确定：在设计悬臂梁的长度时，首先要满足最大喷 印范围为3 4 m 的要求；其次喷标起始位置为距管端6 0 0 r a m 处；最后还要考虑到 喷标机立柱与悬臂梁的结合部分的长度。根据这三个条件，悬臂梁长度最后设计 结果为6 8 m 。 3 、喷标机宽度的确定：喷标机的宽度的设计要考虑到三个问题，一、从整个 精整线的设备的平面与立面布置来看，每个工位之间的距离为3 5 0 m m ；二、要 保证喷标机不与周围设备干涉；三、立柱与悬臂梁的相对偏置。根据这三个条件 喷标机的宽度最后设计结果为1 2 m 。 4 、气、液总导管的设计：由于系统采用喷头动、钢管不动的喷标形式，伺服 电机与喷头长时间处于运动中，电缆、气管、涂料管等要尽可能的短些，一方面 可以减小电信号受到的干扰和气液压力损失，另一方面也可以减小电机负载。 5 、横移机构最大运行速度：钢管生产线最快节奏为2 0 0 根，j 、时