（机械制造及其自动化专业论文）热钢坯电弧喷涂标记系统优化研究.pdf

摘要 热钢坯电弧喷涂标记系统具有标记效果好、标记效率高、稳定性好等优点，能够满足 钢厂对热钢坯标记的要求，已被逐渐应用在国内的钢坯生产线上，使用率越来越高。目前 大部分标记设备仍依赖进口，国内虽然也有厂家生产标记设备，但是在设备性能上和国外 的同类产品相差甚远，造成产品缺乏竞争力。针对目前标记系统普遍存在的喷印动态特性 较差、喷印字符的笔画较粗等问题，本文拟从标记系统交流伺服运动控制系统、电弧喷涂 过程中的射流现象以及标记系统标记功能的实现三方面对热钢坯电弧喷涂标记系统进行 研究，以期能够在对设备原理深入分析的基础上，得出的结论能为该设备的性能优化提供 借鉴。全文分为以下六章： 第一章阐述了热钢坯电弧喷涂标记系统的研制背景，介绍了国内外标记系统产品的研 究现状，对比了国内外不同产品的特性，分析其存在的不足，最后概括了课题的主要研究 内容及研究意义。 第二章首先介绍了标记系统的组成、原理和系统工作流程，然后从机械和电气两方面 介绍了标记系统的设计方案。 第三章对标记系统交流伺服运动控制系统进行了研究，首先从基于p c 运动控制卡的 交流伺服运动控制系统结构入手，接着根据标记系统技术指标对标记系统交流伺服运动 控制伺服电机进行选型，最后对标记系统运动控制系统静态定位精度进行了实验分析，结 果表明该工作台的精度能够满足标记系统喷印字符的要求。 第四章对标记系统电弧喷涂系统进行了优化研究，首先从电弧喷涂设备组成和工艺参 数两方面对标记系统电弧喷涂系统进行了介绍，然后从射流形成与结构两方面对电弧喷涂 过程中的射流现象进行了分析，最后从数值仿真的角度得到了电弧喷涂优化工艺参数，该 优化工艺参数能够显著提高标记效果。 第五章主要阐述了标记系统标记功能的实现。首先介绍了标记系统标记流程，然后从 硬件结构和软件设计两方面，阐述了标记系统标记功能的实现。 第六章是对热钢坯电弧喷涂标记系统的优化研究工作进行了总结并且展望了今后需 要进一步完善的工作。 关键词：钢坯标记，电弧喷涂，伺服控制，射流，c f d ，字模 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g eo ft h eg o o dm a r k i n gq u a l i t y , h i g hm a r k i n ge f f i c i e n c y , m a r k i n gs t a b i l i t y a n dt h ec a p a b i l i t yt om e e tt h em a r k i n gn e e df o rt h el l o ts t e e ls l a bi nt h es t e e lf a c t o r i e s ，t h eh o t s t e e ls l a ba r cs p r a ym a r k i n gs y s t e mh a sb e e ng r a d u a l l ya p p l i e di n t h ed o m e s t i cs t e e ls l a b p r o d u c t i o nl i n e ，g a i n i n gah i g hu t i l i z a t i o nr a t e a tp r e s e n t ，m o s tm a r k i n ge q u i p m e n t sa r es t i l l d e p e n d e n to ni m p o r t s ，a l t h o u g ht h e r e a r es o m em a r k i n ge q u i p m e n t sm a d eb yt h ed o m e s t i c m a n u f a c t u r e r s ，w h o s ep e r f o r m a n c eh a saf a rd i s t a n c ef r o mt h a to ft h es i m i l a rp r o d u c t sa b r o a d ， r e s u l t i n gi nt h el e s sc o m p e t i t i o n t h i sp a p e rm a d e t h eo p t i m i z a t i o no ft h em a r k i n gs y s t e mf r o m t h r e ea s p e c t sw h i c ha r er e s p e c tt ot h ed e f i c i e n c i e sf o u n do nm o s to ft h em a r k i n ge q u i p m e n t s a v a i l a b l e p a p e ri sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gs i xc h a p t e r s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eh o ts t e e ls l a ba r cs p r a ym a r k i n gs y s t e mw a s p r e s e n t e d t h e nt h er e s e a r c hs t a t u sb a s e do nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ef o r e i g na n dd o m e s t i c p r o d u c t sw a sm a d e l a s tc a m et ot h em a i nc o n t e n t sa n d t h es i g n i f i c a n c eo ft h i sp a p e r i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ec o m p o s i t i o n 、p r i n c i p l ea n dt h ew o r kf l o wo ft h em a r k i n gs y s t e m w a ss t u d i e d s t r u c t u r ed e s i g no ft h es y s t e mw a si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h em a c h i n e r ya n d e l e c t r i c a ls t r u c t u r eo ft h em a c h i n e i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h er e s e a r c ho ft h eo p e nm o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h em o t i o n c a r dw a so p e r a t e d t h ec o n t e n to ft h er e s e a r c hi n c l u d et h em o t o rs e l e c t i o na n dt h es t a t i cp o s i t i o n e r r o ra n a l y s i s i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h es t u d yo ft h ep h e n o m e n o no fj e ti nt h ea r cs p r a yp r o c e s sw a s l a u n c h e df r o mt h ep o i n t so ft h ef o r m a t i o n 、s t r u c t u r ea n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ej e t c o m i n gf r o mt h en o z z l eu s e di nt h e a r cs p r a yp r o c e s s i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h em a r k i n gf u n c t i o no f t h em a r k i n gs y s t e mw a s i n t r o d u c e d f i r s t ，t h ep r o c e s si nt h em a r k i n gw a sa n a l y z e d ，t h e nt h ec o n s t r u c t i o no ft h es p a y s u b s y s t e mo f t h em a r k i n gs y s t e mw a sd i s c u s s e df r o mt h ep o i n to ft h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h ec o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n st o o ku pt h es i x t hc h a p t e r k e yw o r d s ：s t e e ls l a bm a r k i n g ，a r cs p r a y , s e r v oc o n t r o l ，j e t ，c f d ，c h a r a c t e rm o d u l e i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝江盘堂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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：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盘姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字口期：年月日签字日期：年月 日 致谢 首先，衷心感谢两位尊敬的老师项占琴教授、吕福在副教授，在我硕士学 - - - j 期间，不 仅为我创造了良好的学 - - j 环境，也给予我学业上悉心的教诲指导和生活上的关心他们两 位严谨的治学态度、孜孜不倦的探索精神、正直宽容的为人之道、积极向上的生活态度， 都令我钦佩并深深的影响着我。 同时，还要感谢本课题组的唐志峰博士、魏爱玉硕士以及浙大精益机电技术工程有限 公司的李星恒高工，他们给予我的建议和帮助让我获益匪浅；另外，也还要感谢和我一起 工作学 - - j 的刘洋硕士、徐正达硕士和王兆然硕士以及杜瑞涛硕士、王飞硕士、张磊硕士、 竺冉硕士、顾晓蕾硕士、刘磊硕士，感谢室友杨德亮、周伟安、张宗伟对我的支持和帮助。 感谢我的父母以及其他亲人，他们在我的成长道路上，无时无刻不在鼓励和支持着我， 让我无论遇到任何困难，都有前进的勇气和动力。 最后谨向百忙之中抽出宝贵时间评审本论文的专家致以最诚挚的谢意! 作者：张志胜 于浙大求是园 2 0 1 0 年1 月2 0 日 浙江大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 【本章摘要】本章阐述了研制基于电弧喷涂技术的热钢坯标记系统的背景，介绍了国内外研 制的热钢坯标记系统产品的现状，最后概括了课题的主要研究内容和意义。 1 1 课题研究的背景 随着现代化工业生产的发展，由气动技术、液压技术、传感技术、p l c 技术、网络及 通讯技术等学科相互渗透而形成的机电一体化技术正起着越来越重要的作用。而近年来随 着我国国民经济的飞速发展，各种工业产品的制造量明显上升，为了让用户能够方便直观 地了解这些产品的基本信息，需要在这些产品的表面进行信息标识。过去，在工业产品上 标记字符、图形等大多靠手工操作，采用这一方式的最大缺点是速度慢，图案单调，产品 质量难以控制，在恶劣的环境下难以进行操作，不利于现代化操作流程的实现。随着计算 机技术、自动控制技术、传动技术及c a d 技术的快速发展，自动化标识技术已被广泛应 用于大量的现代化生产过程中【。 标识工艺的基本要求是标记字符清晰、时间持久。较早的工业标识方法有字模冲压、 电腐蚀等，这几种标记方法不仅效率低、不美观，而且防伪性差，很难达到同一规格，尤 其难以适应现代化大生产的需要。后来发展的激光打标技术虽然较好地克服了传统工艺的 许多缺点，但由于受到激光器自身缺点的制约，如激光器本身寿命低等，所以这一方法不 能满足生产实际的需要；同时，由于有色金属对激光的吸收能力较差，所以打印深度浅， 除在金刚石或硬质合金这类特殊材料上应用较多外，都未得到普及推广 2 1 。而气动打号机 则采用击打的方式来完成标识，优点是字符清晰且不易丢失，不用涂料之类的介质，控制 系统简单，设备的使用成本较低等，但标识的字符种类有限，字符大小有限，打印针力与 速度的精确控制较难以实现。 在板坯连铸生产线中有一道工序，就是需要对板坯做产品标识工作，以消除钢坯混淆 事件，目的是加强科学管理，便于组织生产【3 1 ，国内大部分炼钢厂仍采用的是将热钢坯切断 后，从生产线上搬离，由工人以手工的方式在端面上喷上标记。由于工艺走向的要求，钢 坯此时的温度仍然很高，工人操作时容易烫伤，操作危险；并且容易造成“混钢”，使标 号与钢坯不能一一对应，必将逐渐被自动化标识设备所取代。 目前国际上对铸坯进行标识的自动化设备主要有三种：采用字模冲击钢坯形成标识 的热打号机，该方式最大的优点是对钢坯表面不需做特殊处理，可以形成永久标识，但标 浙江丈学碗学位论文 识的字符一般较小( 字符大则要求字模大，冲击力也成倍增加) 且颜色对比不明显，追成 标识不醒目，只能近距离查看； 采用电磁闻控制喷射涂料形成点阵式字符的热喷号机， 该方式最大的特点是喷印速度快，可达1 2 0 m m i n ，但它对钢坯表面清洁度要求最高，此 外涂料遇热后会挥发出刺激性的气体，烟雾，影响操作工人的身体健康，并进一步污染环 境，限制了其推广应用： 应用电弧喷涂原理的热钢坯电弧喷涂标记系统，电弧喷涂标记 系统采用了电弧喷射原理，利用电弧熔化金属丝，压缩空气喷射形成金属涂层，其成本相 对较低。同时这种方式所形成的金属涂层与基体结合强度高，在露天环境中，字符至少可 保存半年：字符种类不受限，字的大小也可以任意选择；基材所受热影响小，不会留下变 形和热反应；电弧喷射生产效率高，能源利用率和金属材料的沉积率较高，而且不会对铜 坯的后续工序处理产生影响；介质仅使用电能和压缩空气，能耗以及材料消耗成本低，安 全可靠。所以热铜坯电弧喷涂标记系统相对于其它标记设备，其性价 匕是最高的。近年来， 标记设备已经越来越受欢迎，目前已成为众多金属特别是钢铁生产厂商的首选标识设备 1 2 国内外研究现状 在电弧喷涂标记系统方面开始较早研究的公司是奥地利的n u m t e c 。在20 0 4 年n d m t e c 公司就推出了一敖型号为e 7 0 0 0 的电弧喷涂标记系统，如图11 所示。作为垒球第一台电 弧喷涂标记系统，e t 0 0 0 能够对厚度范围在2 2 0 m m 一3 0 0 m m ，长度在6 8 m 一1 1 8 m 的钢坯进行 标记“1 ，其主要技术参数见表1 1 。 囤i 】e 7 0 0 0 标记系统 浙江大学硕上学位论文绪论 表1 1e 7 0 0 0 系列卧式标记系统主要技术参数 标记字符个数 1 1 个 字符高度 6 0 m m 15 0 m m 字符种类数字0 9 、字母a z 喷印位置 侧面 板坯温度 2 0 1 2 0 0 喷印速度* 6 s 字符 喷印全部时间* 6 0 秒每块( 1 0 字符计) 压缩空气耗量 约0 2m 3 m i n 总体上来说，国外的标记设备技术先进，但是其辅助设备很多，且价格昂贵，使用费 用也很高。国内在二十世纪九十年代以前对标记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标记系统研究。 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 开发研制了一种热轧钢坯七段码喷标机，其原理是用水基白色涂料在压缩气体的作用下在 热钢坯上喷上所需号码。图1 2 所示为其喷头结构示意图。 涂 料 供 应 管 图1 2 喷头结构示意图 七段码可以满足0 9 十个数字的喷涂，还可以喷印少数几个可以用七段码表示的字 母。在喷头结构示意图中，通向7 段“笔划”的涂料供应管彼此连通，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。该标记 系统存在的主要缺点是：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，导致喷标的效果不理想。 浙太学顾学位论文 无锡康威仪器设备有限公司生产的r j 系列卧式标记系统( 田1 3 ) 和淅大精益机电技术 工程有限公司生产的r l p y - 0 2 系列卧式标记系统( 图1 4 ) ，都能够实现对钢坯的标记功能 田i3r j 螽列卧式标记系统 表i2r j 系列卧式标记系统主要技术参数 字符高度 7 0 r n m - 1 0 0 r a m 字符宽度 字符种类数字0 - 9 、字母a - z 喷印位置惜面 板坯温度 皇涅母0 0 喷印速度 e4 s 字符 喷单全部时问“6 0 秒，每块【1 1 字符计) 纵向穆动速度 5 3 - 2 3 7r e n d s 纵向行程最大1 8 0 0 m m 横向秽动速度 横向行程最大4 0 0 0 m m 昧鳞器转速约6 0 0 转分 写字装置x y 轴向速度 压缩空气耗量 曲ln 1 3 i m i n 铅丝耗量约1 5 克i 每个数字 青铜丝约1 5 克，每个数字 * 大学蛳十学位论文 田14r l p y - 0 2 系列卧式标记系统 表i3r l p y - 0 2 系列卧式标记系统主要技术参数 字符高度 字符宽度 数字0 - 9 、字母a - z ，自定义字符与 字符种类 圈集 喷印位置侧面 板坯温度 室温9 0 0 啧印速度3 4 “字符 喷印全部时间 * 5 0 秒每块( 12 字符计) 纵向移动速度 最大3 0 0 m m s 纵向行程最大l8 0 0 m m 横向移动速度最大3 0 0 m m a 横向行程 最大4 0 0 0 m m 压缩空气耗量 约1m 3 r a i n 铝丝耗量约15 克每个数字 青铜丝约i5 克每个数字 国外大多企业选用的是奥地利的n u m t e c 公司生产的电弧喷涂标记系统，其性能优 良，质量可靠，但价格昂贵，国内只有少数几家大型钢铁企业如上海宝钢进口了此类设备。 通过对该设备的实地调研，发现n u m t e c 公司生产的电弧喷涂标记系统除价格贵，在技 术上还存在一些不足，表现在：( 1 ) 缺乏对交流伺服运动控制系统性能的优化设计，在喷印 稳定性、动态特性方面还有待提高；( 2 ) 对电弧喷涂的射流研究不足，喷审字符的笔画较粗， 影响7 标识效果；( 3 ) 缺乏对标记功能的设计研究，喷印速度还有较大的提升空间。 浙江大学硕上学位论文绪论 1 3 本课题的主要研究内容和意义 1 3 1 课题的主要研究内容 课题的主要研究内容包括：交流伺服运动控制系统研究、电弧喷枪射流集束性研究以 及字符轨迹优化分析几个方面。 ( 1 ) 交流伺服运动控制系统研究 。 标记系统的运动控制系统结构如图1 5 所示： p c 机 7 轴 v 伺 1 服 驱 广 动厂 n 图1 5 标记系统运动控制系统构成 基于p c 运动控制卡的交流伺服运动控制系统是一个多c p u 系统，在该系统中，运动 控制卡为带c p u 的智能模块，它与p c 机构成上、下位机型的主从式数字控制系纠5 1 ；由 c p u 各自完成系统分配的任务，并在系统信息上传下递的交互中，实现系统资源的共享。 这种系统结构所具有的“集中管理，分散控制”的特点，可以极大地增强系统的稳定性和 可靠性。该运动控制系统的性能优良与否，将会影响电弧喷枪运动的稳定性和静态定位精 度，进而影响标记系统的标记效果。 ( 2 ) 电弧喷涂射流研究 在电弧喷涂过程中，由电弧喷枪喷嘴喷射出的压缩空气喷射到周围静止的空气中，形成 湍流射流的这个过程，对电弧喷涂涂层的形成至关重要。电弧喷涂射流含有压缩气体和液 态金属丝材熔融粒子两种流体，而且在抵达基体形成涂层之前，射流会与周围空气进行剧 烈的动量和热量交换，为了对标记系统的电弧喷涂过程有更加深入的认识，有必要对电弧喷 涂射流进行研究。 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 6 电弧喷涂湍流射流示意图 ( 3 ) 标记系统标记功能的实现 对热钢坯进行高效标记是标记系统的核心功能，该过程涉及到字模信息解析、运动轨迹 规划等，送丝电机控制等环节，在标记系统中是由喷涂子系统来完成上述这些功能的。子系 统只有在硬件和软件协同工作的情况下，才能完成标记系统的标记任务。 x 图1 7 标记系统标记示意图 1 3 2 课题的研究意义 热钢坯电弧喷涂标记系统是集电弧喷涂、机械、电气、控制、气动、计算机等技术为一 体的高科技产品，主要用于钢铁公司连铸生产线上热钢坯的标识。它的特点是利用电弧喷 涂技术，将熔融的金属喷印到热钢坯表面形成字符，起到把相关信息标注在热钢坯侧面上 的作用，同时能将此信息存入数据库中，有利于用户的产品质量管理与跟踪，为企业信息 化管理提供基础。 经过实地调研，发现在实际应用中，进口和国产标记设备都普遍存在一些不足，比如喷印动 态特性较差、喷印字符的笔画较粗、喷印速度比较慢等问题，这些不足不仅影响热钢坯的 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 标记效果，而且由于标记系统是连铸生产线上的一部分，标记系统喷印速度慢的不足，必然 会降低整条生产线的生产效率。 本课题有针对性地对上述这些问题进行了研究，从标记系统交流伺服运动控制系统、电弧 喷涂过程中的射流现象以及标记系统标记功能的实现三方面对标记系统进行了研究，研究 结论对改进目前标记系统存在的不足有很好的借鉴意义。 浙江大学硕士学位论文 标记系统总体设计 第二章标记系统总体设计 【本章摘要l 本章对标记系统进行了总体设计。首先介绍了标记系统的组成、原理和系 统工作流程，然后从机械和电气两部分介绍了标记系统的设计方案。 2 1 标记系统的组成及工作原理 2 1 1 标记系统的组成 标记系统主要由包括喷涂电源、横向移动机构、纵向移动机构、送丝机构、通风机、 x y 线性模组、除鳞器、电弧喷枪等在内的机械本体和电气控制系统组成。其结构如图 2 1 所示。 图2 1 标记系统结构示意图 1 喷涂电源2 横向移动电机3 纵向移动电机4 送丝机构 5 通风机6 x y 线性模组7 除鳞器8 电弧喷枪 2 1 2 标记系统的原理 标记系统采用电弧喷涂技术，通过电控驱动实现自动标记，从而取代传统的人工标记 方式。电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的被喷涂金属线材之间的电弧作为热源来使金 属线材熔化，用高速气流把熔化的金属雾化成微粒，并使雾化金属粒子加速，雾化粒子射流 高速沉积到工件表面形成涂层的技术【6 1 。电弧喷涂工作原理如图2 2 所示。 浙江大学硕士学位论文标记系统总体设计 压缩空气 - 盛徽 图2 2 电弧喷涂工作原理 如图2 3 所示的由伺服电机、高精度线性模组等构成的二维平面运动机构，带动电弧喷 枪( 如图2 4 所示) 按照预定字符轨迹高速运动，从而在连铸坯表面形成字符，实现铸坯标识 的目的。现今大多数的标记系统在喷头旁边还安置有除鳞器，在喷印之前去除连铸坯表面 的氧化皮，使高速雾化的金属颗粒与高温的金属基材( 连铸坯) 结合强度增高并具有良好 的耐腐蚀性，达到标识字符清晰可辨、粘结牢固等特点。 图2 3 标记系统二维平面运动机构结构示意图 1 喷枪安装位置2 x y 二维线性模组3 x 轴伺服电机4 y 轴伺服电机 浙江大学硕士学位论文标记系统总体设计 图2 4 标记系统电弧喷枪结构示意图 2 1 3 标记系统工作流程 标记系统的工作流程如图2 5 所示，主要由以下几个环节组成： 图2 5 标记系统工作流程 浙江大学硕士学位论文 标记系统总体设计 1 ) 横移起喷距离：设备最初处于原点位置，当钢坯到达标记工位后，设备根据上位机 的设置值来初始化横移起喷距离，具体过程为：上位机发送具体定量运动的距离给下位机， 下位机通过检测f m 3 5 0 计数模块的编码值控制横向移动电机进行设备横向定位，从而初始 化横移起喷距离。 2 ) 纵向定位并初始喷涂距离：横向定位完成后，设备在纵向移动电机的带动下进行 纵向定位，使得设备喷枪与钢坯的距离能够保持在2 0 2 5 m m 之间，即设备的喷涂距离。 3 ) 横移并除鳞：这个环节主要是在设备进行喷印之前由高速旋转的除鳞器去除连铸 坯表面的氧化皮，从而保证喷涂效果。 4 ) 两字喷印：系统利用两根不断送进的金属线材之间电弧产生的热源使金属线材熔 化，用高速气流把熔化的金属雾化成微粒并使其加速，雾化后的金属粒子通过特有的集束 型喷嘴后喷射在铸坯表面；同时通过控制系统控制二维平面运动机构( 由伺服电机、x y 高精度线性模组等构成) 带动喷枪按照预定字符轨迹高速运动，从而在连铸坯表面形成字 符。 5 ) 设备回零：当设备喷完所需字符时，系统自动回原点，以备下次喷涂。 2 2 标记系统设计方案 2 2 1 机械结构设计 标记系统采用的是标记小车( 如图2 6 所示) 在导轨上运动的机械结构方案。这种结构方 案采用厚实的导轨支撑实现喷涂功能的标记小车，可以增强设备的稳定性和刚度，同时标记 小车在横纵移电机的带动下在导轨上作二维平面运动，保证了喷枪和钢坯之间距离的可操 作性，为标记系统设定合适的喷涂距离提供条件，如图2 7 所示为标记小车运动示意图。 标记小车载有实现标记功能的喷涂设备，包括电弧喷涂电源、送丝机构、二维平面运动 机构以及电弧喷枪，如图2 8 所示为标记小车标记单元示意图。作为标记字符核心部件的电 弧喷枪( 如图2 9 所示) ，安装在二维平面运动机构上( 如图2 1 0 所示) ，位于标记小车的最前 端。当钢坯到达标记系统标记工位的时候，标记系统开始在x o y 平面内定位，使得喷枪在x 和y 方向上距离钢坯保持适当的距离，y 方向的距离称为喷涂距离，适中的喷涂距离，才能保 证喷印的字符笔画清晰，涂层和钢坯结合性强，喷印在钢坯上的字符不容易脱落。x 方向的 距离保证钢坯表面留有足够的空间满足标记字符长度的需要。定位完毕，标记小车开始对 钢坯进行边除鳞边标记的动作，每喷完两个字，标记小车会沿横向导轨移动足够喷印两个字 符的距离，开始新的两字喷印，直至所有字符喷印完成，设备回到原点。 浙江太学硕学位论文标记系统总体蹬计 图2 6 标记小车外观结构示意圉 图27 标记小车逗动示意田 浙人学硕i 学位论女 标记系统总体设汁 田2 8 标记小车标记单元示意囤 维平面运动机构2 电弧喷掩3 除鳞器4 钢坯端面传感器5 通风机 图2 1 0 = 蛙平面运动机构 浙大学硪学也论文标记系统总体设计 2 22 电气系统设计 根据标记系统的电气控制要求，可以将标记系统电气系统分为交流伺服运动控制系统 系统与p l c 逻辑控制系统，总体电气系统结构如图2 1 1 所示： m “霹享一毋 图21 i 标记系统总体电气结构示意图 一、交流伺服运动控制系统系统 由工控机、两轴运动控制卡、伺服控制器和伺服电机组成的基于p c 的开放式交流伺 服运动控制系统用于控制电弧喷枪的喷枪运动轨迹，其结构示意图如图2 1 2 所示。 侗q 控m 4 器 捌控制器 图2 】2 交流伺服运动控制系统系统示意圉 塑垩查兰璺主兰堡堡兰 墅望墨苎璺苎塑盐 二、p l c 逻辑控制系统 p l c 逻辑控制系统主要负载标记系统的逻辑控制，其系统示意图如图2 1 3 所示 圈2 1 3p l c 逻辑控制系统示意圉 2 3 本章小结 本章首先介绍了标记系统的组成和工作原理，在此基础上对其进行了机械设计和电气 设计，通过对机械结构总体布置和电气系统结构的分析，完成了对标记系统的总体设计 浙江大学硕士学位论文标记系统交流伺服运动控制系统研究 第三章标记系统交流伺服运动控制系统研究 【本章摘要】本章主要对标记系统交流伺服运动控制系统进行了研究。首先论述了基于 p c 运动控制卡的交流伺服运动控制系统结构，接着根据标记系统xy 轴伺服电机的工作 情况进行了电机选型，最后对标记系统运动控制系统静态定位精度进行了测量分析。 3 1 引言 根据第二章标记系统总体设计的论述，在标记系统中，电弧喷枪安装在二维平面运动 机构上，二维平面运动机构的有序运动带动喷枪的运动，从而实现喷印字符的功能要喷印 出清晰、准确的字符，控制喷枪运动的交流伺服运动控制系统起着非常重要的作用，该运 动控制系统的性能优良与否，将会影响电弧喷枪运动的稳定性和静态定位精度，进而影响 标记系统的标记效果，因此对标记系统交流伺服运动控制系统进行研究是非常有必要的。 3 2 基于p c 运动控制卡的交流伺服运动控制系统结构 标记系统采用的是基于p c 的开放式交流伺服运动控制系统。该运动控制系统可以充 分利用p c 机的资源和第三方软件资源完成用户应用程序的开发，将应用程序指令通过p c 机总线传送给运动控制器，运动控制器则根据来自上位机的应用程序指令，按照设定的运 动模式，向驱动器发出运动指令，完成相应的实时运动规划，达到工业生产的目的【7 1 。标记 系统利用运动控制卡作为上位控制单元，驱动伺服电机，通过滚珠丝杠带动工作台，采用 旋转变压器作为反馈传感器，组成闭环运动控制系统，从而实现二维平面运动机构的精确 定位，其结构如图3 1 所示。 图3 1 标记系统交流伺服运动控制系统示意图 浙江大学硕士学位论文标记系统交流伺服运动控制系统研究 基于p c 运动控制卡的交流伺服运动控制系统作为整个标记系统的核心子系统，担任 着根据用户的特定的标识要求，带动电弧喷枪按照指定的字符轨迹进行高速运动，从而在 连铸坯表面形成字符，实现铸坯标识目的的重要任务。 3 3 标记系统交流伺服运动控制系统伺服电机选型 3 3 1 伺服电机的选择 标记系统采用由伺服电机连接丝杠带动工作台运动的传动方案，如图3 2 所示。 图3 2 标记系统驱动工作台传动装置示意图 伺服系统的性能与负载有关，负载对电动机轴的影响，一是通过转矩；二是通过飞轮惯 量【8 1 。 ( 1 ) 负载转矩计算 a ) 折合到电机轴上的负载转矩的计算如下： 水平直线运动轴负载转矩： 互= 等( 删 ( 3 ，1 ) 式中：形为滑台重量( 工作台及工件) ，弓为滚珠丝杠螺距( 聊) ，肛为摩擦系数，叩为伺服传 动链的总效率9 1 。 垂直直线运动轴负载转矩： 乃：堕型_ ! 盟堕( m ) ( 3 2 ) 2 7 r xr 、。 式中：呒为配重块重量( k g ) b ) 加速转矩计算如下： 乃= 型6 群0 4 - ( 聊)( 3 - 3 ) jp 一 一 、1 ，、o - o ， 1 f 。乃 、7、 浙江大学硕士学位论文标记系统交流f u g , i l t 运动控制系统研究 式中：耳为加速转矩( 朋) ，心为电机转速( r m i n ) ，厶为电机负载惯量( g g m 2 ) ，j 工为负 载惯量( g g 小2 ) ，乞为加速时间常数( s e c ) 。 c ) 必要转矩计算如下： 乙= 2 xg + 乙) ( m ) ( 3 4 ) ( 2 ) 负载惯量计算 a ) 圆柱体的惯量 以= 学( 劬2 ) ( 3 5 ) 式中：y 为密度( 磁硎s ) ，以为惯量( c 肌s e c ：) l ( k g m 2 ) ，d 为圆柱体直径，l 为圆柱体长 度。 注：铁的密度y 7 8 7 1 0 _ 3 k g c m 3 = 7 8 7 1 0 3k e d m 3 ，铝的密度yz 2 7 0 1 0 3 k g c m 3 = 2 7 0 1 0 3k e d m 3 b ) 直线运动体的惯量 以：m ( 乏) 2 ( k g m 2 ) ( 3 6 ) z 7 r 式中：m 为直线运动体的重量( k g ) ，忍为滚珠丝杠螺距( m ) ( 3 ) 运转功率及加速功率计算 电机功率的计算一般可按下式求得： a ) 运转功率计算 忍= 半( 叨 ( 3 7 ) 式中：b 为运转功率( w ) ，为电机转速p m i n ) ，瓦为负载转矩( n m ) b ) 加速功率计算 只：箕等 8 ， 式中：p a 为加速功率( 矿) ，为电机转速p m i n ) ，以为负载惯量( g g m 2 ) ，乞为加速时 浙江大学硕士学位论文 标记系统交流f 司服运动控制系统研究 间常数( s e c ) 3 3 2x 轴伺服电机选型 x 轴伺服电机的工作数据如表3 1 所示。 表3 1 标记系统x 轴伺服电机工作数据 ( 1 ) 计算电机转速 由滚珠丝杠螺距尼可求得负载驱动转速： m = v 最= o 2 5 6 0 0 0 0 5 = 3 0 0 0 ( r m i n ) 由于采用直联传动方案，减速比= 1 故： n m = n l2 3 0 0 0 ( r m i n ) 2 0 - ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 浙江大学硕士学位论文标记系统交流伺服运动控制系统研究 ( 2 ) 计算负载转矩五 由式( 3 1 ) 水平直线运动轴负载转矩计算公式得负载转矩： 互= 竺墨筹2 xx = 竺墨兰2 兰x 堕3 等1 4 x 07 = o 1 ( n m ) ( 3 1 1 ) 丌 卵 、 ( 3 ) 计算负载惯量 由式( 3 6 ) 直线运动体的惯量计算公式可得工作台的负载惯量： 以= m ( 去) 2 = 3 0 丽0 0 0 5 ) 2 = 0 1 9 x 1 0 ( k g m 2 ) 由式( 3 5 ) 圆柱体的惯量计算公式可得 滚珠丝杆的负载惯量： ，一至兰! 圣堡：兰刍一! ：! 兰圣z ：璺z 荃! q ：圣( q ：q ! 丛荃q ：三! j 曰一 3 2 3 2 = o 1 5 x 1 0 。4 ( 题m 2 ) 联轴器的负载惯量： ，一至圣2 蚤幺：兰幺一! ：! 兰兰z ：! z 兰! q ：荃( q ：q 塑：兰q ：q ! 3 23 2 = 0 5 8 x 1 0 ( k g m 2 ) 总负载惯量为 屯= 以+ 以+ 以= o 1 9 x 1 0 - 4 + o 1 5 x 1 0 - 4 + o 5 8 x 1 0 _ 4 = 0 9 2 x 1 0 ( k g m 2 ) ( 4 ) 运转功率及加速功率计算 由式( 3 7 ) 运转功率计算公式可得运转功率： p 一兰至圣幺兰互一三荃! ：! 兰兰! q q q 圣业1o 一 6 0 一 6 0 = 3 1 4 ( 形) 由式( 3 8 ) 加速功率计算公式可得加速功率： p 一( 2 7 r q x u n m ) 2x j l 总 一( 2 x 3 1 q 4 业x 3 0 0 0 ) 2 x o 9 2 x l o _ 4 14 t a 0 2 = 4 5 4 ( 形) - 2 1 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 浙江大学硕士学位论文 标记系统交流伺服运动控制系统研究 ( 5 ) 暂选伺服电机 选用条件： 瓦电机额定转矩 + 昂= ( 1 2 ) 电机额定输出功率 电机额定速度 么伺服系统的允许负载惯量 根据以上条件，暂选用l e n z e ( 伦茨) m d s k s r s 0 5 6 2 3 ，19 0 伺服电机， 电机额定数据如下： 额定输出功率：1 1 ( k w )额定转速：3 8 0 0 ( r m i n ) 额定转矩为2 8 ( n m ) 峰值转矩：11 6 ( n m ) 电机负载惯量厶：1 2 x 1 0 一( k g m 2 ) ( 6 ) 伺服电机确认 由式( 3 3 ) 加速转矩计算公式可得加速转矩： 丁一圣! 兰丝兰! 丘! 缝2 一兰圣! ：! 兰兰! q q q 兰( ! ：兰圣! q ：q ：! 兰圣! q ：! ， 6 0 z 。+ 乃 6 0 0 2 + 0 1 = 0 3 3 ( n 聊) 由式( 3 4 ) 必要转矩计算公式可得必要转矩： l = 2 x ( r + 乃) = 2 x ( o 1 + 0 3 3 ) = 0 8 6 ( n m ) ( 7 ) 由以上计算数据可以得出以下结果为： a ) 乙 电机额定转矩2 8 ( n m ) b ) 只+ 蜀= 3 1 4 + 4 5 4 = 7 6 8 w 电机额定功率1 1 k w c ) 电机额定速度3 8 0 0 r m i n d ) jl 总 伺服系统的允许负载惯量厶：1 2 x 1 0 一( k g 垅2 ) 因此所选用的伺服电机满足设计要求。 3 3 3y 轴伺服电机选型 y 轴伺服电机的工作数据如表3 2 所示。 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 浙江大学硕士学位论文标记系统交流伺服运动控制系统研究 表3 2 标记系统y 轴伺服电机工作数据 ( 1 ) 计算电机转速 由滚珠丝杠螺距弓可求得负载驱动转速： m = v 尼2 0 2 5 6 0 0 0 0 5 = 3 0 0 0 ( r m i n ) 由于采用直联传动方案，减速比= 1 故： ( 2 ) 计算负载转矩瓦 n m = n l2 3 0 0 0 ( r m i n ) 由式( 3 2 ) 垂直直线运动轴负载转矩计算公式得负载转矩： - 2 3 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 浙江大学硕士学位论文 标记系统交流伺服运动控制系统研究 ( 3 ) 计算负载惯量 瓦=坐紫=坐瓣=0172 2 31 407 咖) ( 3 2 2 ) 丌卵 、 。 由式( 3 6 ) 直线运动体的惯量计算公式可得工作台的负载惯量： - ，：m ( 墨) 2 ：1 5 ( 旦堕) 2 以划( 舞) 2 = ( 揣1 ) 2z 丌z j | = o 1 x 1 0 一( r g m 2 ) 由式( 3 5 ) 圆柱体的惯量计算公式可得 滚珠丝杆的负载惯量： ( 3 2 3 ) ，一竺圣! 兰幺：兰刍一! ：! 兰圣z ：! z 兰! q ：荃( q ：q ! 堡荃q ：三 j 口一 3 2 3 2( 3 2 4 ) = 0 1 5 x 1 0 一( k g m 2 ) 联轴器的负载惯量： 总负载惯量为 ，一至圣! 兰幺：兰幺一! ：! 兰圣z ：! z 圣! q ：荃! q ：q 塑：荃q ：q 兰 一 3 2 3 2( 3 2 5 ) = 0 5 8 x 1 0 ( k g m 2 1 以总。以+ 厶+ 以= 叭x i o - 4q - o 1 ：1 0 - 4 + o 5 8 1 0 ( 3 2 6 ) = 0 8 3 1 0 - 4 ( r g m 2 ) ( 4 ) 运转功率及加速功率计算 由式( 3 7 ) 运转功率计算公式可得运转功率： p 一三至圣幺蚤互一2 x 3 1 4 x 3 0 0 0 x o 1 71o 一 6 0 一 6 0 = 5 3 4 ( ) 由式( 3 8 ) 加速功率计算公式可得加速功率： 2 4 ( 3 2 7 ) 浙江大学硕士学位论文标记系统交流伺服运动控制系统研究 ( 5 ) 暂选伺服电机 选用条件： 只：华6 0 ：(2x314一x3000)2 x o 8 3 x l o _ 4 2 8 ， = 4 0 9 ( 形) 瓦电机额定转矩 只+ 昂= ( 1 2 ) 电机额定输出功率 电机额定速度 么伺服系统的允许负载惯量 根据以上条件，暂选用l e n z e ( 伦茨) m d s k s r s 0 5 6 2 3 ，1 9 0 伺服电机， 电机额定数据如下： 额定输出功率：1 1 ( k w )额定转速：3 8 0 0 ( r m i n ) 额定转矩为2 8 ( n m )峰值转矩：11 6 ( n m ) 电机负载惯量厶：1 2 x l o 一( k g m 2 ) ( 6 ) 伺服电机确认 由式( 3 3 ) 加速转矩计算公式可得加速转矩： 6 0 乞+ 冕 2 x 3 1 4 x 3 0 0 0 x ( 1 2 x 1 0 4 + o 8 3 x 1 0 4 1 6 0 x 0 2 + 0 1 ( 3 2 9 ) = 0 3 1 6 ( n 聊) 由式( 3 4 ) 必要转矩计算公式可得必要转矩： 乙= 2 x ( t l + 乙) = 2 x ( o 1 7 + 0 3 1 6 ) = o 9 7 2 ( n m ) ( 7 ) 由以上计算数据可以得出以下结果为： a ) 乙 电机额定转矩2 8 ( n m ) b ) + 异= 5 3 4 + 4 0 9