（机械制造及其自动化专业论文）电液式钢管梱自动成形系统的研制与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 近年我国钢管出口迅速增长，但传统的人工钢管包装方式由于难以符合国际钢 管a y ! 标准的技术要求，已经成为制约我国钢管出1 3 进一步增长的重要因素。因此， 钢管包装形式的改善和钢管榴自动成形打捆系统的国产化迫在眉睫。 本文以“天津钢管公司的钢管榴自动成形系统研制与开发”项目为背景，研究 了钢管榴自动成形系统的机械结构与控制系统原理，确定了钢管榴自动成形系统的 总体设计方案，并进行了该项目的电磁吊液压伺服系统的设计和控制软件的设计， 取得了成功。本论文的具体内容安排如下： 第一章绪论，首先介绍了钢管榴自动成形系统的开发现状和相关技术，接着分 析了国内钢管打捆生产线存在的不足，阐述了开发钢管榴自动成形系统的必要性。 第二章钢管捆自动成形系统总体设计，着重分析了钢管榴自动成形系统的生产 工艺流程，并系统的介绍了其关键机构的工作原理和设计、气动和液压设计、电气 控制设计；最后简要说明了系统的软件架构组成。 第三章电磁吊车液压伺服系统的设计和数学建模，首先介绍了电液比例控制的 组成和特点，然后着重分析了电磁吊车液压伺服系统的控制方式和控制原理，给出 了硬件架构和液压控制的原理图，最后建立了系统的线性化数学模型。 第四章电磁吊车液压伺服系统的位置控制研究，首先对常规p i d 控制和参数模 糊自整定p i d 控制以及同步误差控制结构进行了比较分析，然后根据系统特点，在 实际控制系统中采用改进型数字p i d 和简化的模糊p i d 两种控制算法相结合的控制 策略，改善了系统动态性能，实现单缸位置跟踪和双缸同步控制的精确性，最后给 出了各自的仿真和现场试验的结果。 第五章钢管榴自动成形控制系统设计，首先给出了整个p l c 程序的基本框架和 设计思想，然后详细叙述了系统各工序p l c 程序的的工作流程。最后简要介绍了上 位机监控软件的的各个功能模块的设计和主要的控制界面的设计，详细阐述了系统 中钢管跟踪的实现原理和上位机跟p l c 的通讯方式。 第六章总结和展望，简要地说明了钢管榴自动成形系统达到的性能目标，并展 望了今后需要进一步完善的工作。 关键字：钢管、成形、打捆、电液比例控制、p i d 、模糊控制 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 e se x p e r ti no u rc o u n t r yh a sd e v e l o p e dv e r yq u i c k l yi nt h er e c e n ty e a r s ，b u t t r a d i t i o n a ls t e e lt u b ep a c k i n gh a v en o ta l r e a d y , m e e tt h e - d e m a n do fw o r l dm a r k e l c u r r e n t l y , s t u d yo f d o m e s t i cs t e e lt u b e sa u t o - s h a p e & b a n d l es y s t e mi sl o o m i n ga h e a d b a s e d o r t h e p r o j e c t o f r e s e a m ha n d d e v e l o p m e n to f s t e e l t u b e s a u t o - s h a p es y s t e m f o rt i a n j i ns t e e lt u b ec o r p e m t i o n ，t h et h e s i se x p l o r e e dm e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o na n d c o n t r o ls y s t e m sp r i n c i p l e so fs t e e lt u b e sa u t o - s h a p e & b u n d l es y s t e m , d e t e r m i n e dt h e o v e r a l ld e s i g n i n g p l a n o fs t e e lt u b e s a u t o s h a p e & b u n d l es y s t e m d e s i g i n e d e l e c t r o m a g n e t i cd e v i c e sh y d r a u l i cs e r v o s y s t e ma n dc o n t r o ls o f t w a r e t h ep r o j e c th a d b e e nd o n es u c c e s s f u l l y t h ec o n t e n to f p a p e rw a sa r r a n g e d 豁f o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，f i r s t , t h ea c t u a l i t y , c o r r e l a t i o nt e c h n i q u ea n dp r o b l e m se x i t i n gi nt h e d e v e l o p i n go fs t e e l t u b e sa u t o s h a p es y s t e mw e r ei n t r o d u c e d f u r t h e r m o r et h e n e c e s s a f i t yo f s t o d y i n gs t e e lt u b e sa u t o s h a p es y s t e mw a ss t a t e d i nc h a p t e r2 ，f i r s t , t h es y s t e mt e c h n i c sf l o ww a sa n a l y z e de m p h a t i c a l l y t h e nt h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f t h ek e yo r g a n ，t h ed e s i g no f p n e u m a t i ca n dh y d r a u l i cs y s t e ma n d t h ed e s i g no fe l e c t r i cs y s t e mw e r ei n t r o d u c e db yt l l en u m b e r s f i n a l l y , t h es t r u c t u r eo f s y s t e ms o f t w a r ew a se x p h i n e d i nb r i e f i nc h a p t e r3 ，t h ec o m p o s e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e mw e r e i n t m d u c e df i r s t l y t h e nt h ep r i n c i p l ea n dm o d eo fe l e c t r o m a g n e t i cd e v i c e sh y d r a u l i c s e l v o s y s t e r mw g r ed i s c u s s e d ，a n dh a r d w a r es y s t e ma n d s c h e m a t i cd i a g r a mw e r ea l s o c o n f i r m e d f i n a l l y ，s y s t e m i cl i n e a r i z i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sw a se s t a b l i s h e d i nc h a p t e r4 ，a f t e rt h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l ，f u z z yp i dc o n t r o la n dc o n t r o l s t r u c t u r eo f s y n c h r o n i z i n ge r r o rw e r ea n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y ；t h ec o m p o s i t ec o n t r o lt y p e o ft h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la n df u z z yp i dc o n t r o lw a sa d o p t e di nt h ep r o j e c t i t i m p r o v e dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，r a i s e dp r e c i s i o no fs i g n a lc y l i n d e r s p o s i t i o na n dd o u b l ec y l i n d e r ss y n c h r o n i z i n gc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h er e s u l to f s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n to f t h es c e n ew a sg i v e n i nc h a p t e r5 ，d e s i g n i n gi d e a sa n dt h eb a s i cf r a m e w o r ko f t h ew h o l ep l cp r o g r a m m e w f f eg i v e nf i r s t l y t h e nw o r kf l o wo f t h ee v e r yp l c p r o g r a m m ew a sn a r r a t e dd e t a i l e d l y f i n a l l yd e s g i no fe v e r yf u n c t i o nb l o c ka n dm a i ni n t e r f a c ei nt h em o n i t o rs o f t w a r ew o r e i n t r o d u c e di nb r i e f t h ep r i n c i p l e so fs t e e lt u b e st r a c ka n dc o n t a c tm e t h o db e t w e e n c o m p u t e ra n dp l c w e r ee x p a t i a t e di nd e t a i l 。 i nc h a p t e r6 ，t h ew o r ko f d e v e l o p m gs t e e lt u b e sa u t o - s h a p es y s t e mw a ss u m m a r i z e d a n dp r o s p e c to f s y s t e mi m p r o v e dw a sp m s e n t e & k e yw o r d ：s t e e lt u b e , a u t o - s h a p e ，b u n d l e , e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l , p i dc o n t r o l ，f u z z yp i dc o n t r 0 1 2 曲 心 ， 浙江大学硕士学位论文 学号墨堕塑! 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 研究成果据我所知，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：易谚钐 签字日期：冲； 年；月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎姿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，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；善形锣 导师签名： 签字日期：k ；年多月口 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 彤年乏 ， 电话： 邮编： 月9 日 c 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 钢管榴自动成形系统的开发现状 近十年来，随着我国冶金行业的飞速发展，一方面各企业的钢管产品和出口量 都有了非常迅猛的增长；另一方面也面临着前所未有的激烈市场竞争。不容忽视， 产品的“软”质量( 产品的包装质量) 在继“硬”质量之后成为了企业市场竞争能 力的又一明显体现。在这样一种情形下，国内各大型冶金企业仍沿用以往采用的手 工钢管包装作业方式存在着很多问题。如人工包装的钢管橱存在着各种成形质量问 题，容易使捆扎钢管榴的各道包装带受力不均匀，从而导致包装带的破坏，甚至造 成钢管桕在运输途中的散相事故；还有，人工操作也不能适应恶劣环境下的钢管包 装，例如高温、具有腐蚀性气体的环境等等。因此，传统的人工钢管包装方式已远 远不能满足实际生产和出口任务的需要，钢管生产线对引入钢管成形打捆包装自动 化设备的需求日趋强烈。 钢管橱自动成形系统是可按生产实际和设定的要求，自动的将钢管分层计数累 计，并成排的堆垛成规定榴形状( 正六角型、矩形和三角形等) 以及打捆包装的智能 机械。它的投入使用可以有效地提高钢管的生产效率和包装质量，减轻工人的劳动 强度，实现钢管生产包装的全面自动化。 在国外，钢管成形打捆设备早在上世纪8 0 年代就作为钢管精整工序的主要设 备，被引入到现代化钢管连轧生产线中。国际上的包装大国主要有美国、德国、意 大利、日本等。其中的德国s i i n a t i c 公司和美国s i g n o d e 公司更是在上世纪初就开 始了物料成形打捆包装技术的研究，并针对冶金工业实际生产需要，研制了适用各 种不同场合的包装设备。意大利m a i r 公司可算是后起之秀，它们的产品以机构精巧、 外形美观著称，其永磁材料的物料搬运技术更属国际专利技术。在我国市场，包头 钢铁公司耗资一千多万于2 0 0 2 年引进了德国s i m a t i c 的钢管成形打捆包装设备； 2 0 0 3 年天津钢管公司也耗资一千多万引进了意大利m a i r 公司的钢管成形打捆包装 设备。 国内对打捆包装设备的研制工作起步于上世纪8 0 年代。经过近2 0 多年的努力， 钢管榴的打捆包装工具技术已经接近国外水平，如北京航空航天大学研制了钢管打 捆机械手，以及其它民营企业如温州恒星包装公司等也都能制造和生产钢管打捆包 装工具。但是受多方面因素的影响，钢管的自动成形技术一直处于空白状态，目前 在国内基本没有或者说没有专门对钢管成形系统进行研究与制造，使国内的钢管成 形打捆包装市场始终被国外公司所垄断。 浙江大学硕士学位论文 1 2 钢管桐自动成形系统的相关技术 钢管橱自动成形系统是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、机 械传动技术、电液比例控制与气动技术等多个学科技术综合交叉的技术密集型系统 工程。 ( 1 ) 机械技术 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 智能与专家系统等，已经形成新一代机械制造技术。 机械技术是钢管棚自动成形系统技术的基础，是自动成形系统至关重要的部分， 因此需要更新机械设计概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小体积、 减轻重量、提高精度，提高刚性、改善性能的要求。 ( 2 ) 系统技术 系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术。从全局的角度和系统目标 出发，将总体分解成相互有机联系的若干概念单元，以功能和单元为子系统进行二 次分解，生成功能更为单一的子系统功能和单元。这些子功能和单元同样可以继续 逐层分解，直到能够找出一个可实现的技术方案。深入了解系统内部结构和相互关 系，把握系统外部联系，对系统设计和产品开发十分重要。 接口技术是系统技术中的一个重要方面，它是实现系统各个部分有机连接的保 证。接口包括电气接口、机械接口、人一机接口。电气接口实现系统间电信号的连 接；机械接口则实现机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接；人一机接口提 供人与系统问的交互界面。 ( 3 ) 自动控制技术 自动控制技术范围广泛，主要包括；基本控制理论；在此理论的指导下，对具 体控制装置或控制系统进行设计；设计后系统仿真、现场调试；最后使研制的系统 能可靠的投入运行。由于系统控制对象种类繁多，所以控制技术的内容及其丰富， 例如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现，检索等 等。 由于微型计算机的广泛应用，自动控制技术越来越多的与计算机控制技术联系 在一起，成为检测系统中十分关键的技术。 ( 4 ) 传感及检测技术 传感器与检测装置是系统的感官器官，它与系统的输入输出相连，并将检测到 的信号输送到信息处理部分，传感器检测装置是实现自动化的关键环节，它的功能 越强，系统的自动化程度越高。随着自动化领域的不断扩展，需要测量的参量日益 增加，对传感器进一步提出数字化，智能化、标准化的紧迫要求。 ( 5 ) 电、气、液传动技术 传动系统包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，由微型计算机通过接 口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线及其它各 种复杂的运动。传动系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件，对系统的动 2 浙江大学硕士学位论文 态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见的系统驱动执行部件有交流电机、 步进电机、气缸等等。 气动技术是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专门技术由于它具有 节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等优点，广泛应用于各工业部 门。现在，气动技术与微电子、液压技术一样，都是实现生产过程自动化最有效技 术之一。 ( 6 ) 现场总线技术 现场总线是应用在生产现场、在微机和测量控制设备之间实现双向串行多点数 字通信的系统。现场总线最终实现的是管理的集中化和控制的完全分散化。现场总 线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算 和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表 连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制 设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息的交换，形成 各种适应实际需要的自动控制系统。 现场总线具有系统开放性、互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治 性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性等技术特点。正是由于具有了以 上的特点，使用现场总线可以节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开销， 同时给了用户高度的系统集成权，也提高了系统的准确性和可靠性。 本系统采用p r o f i b u s d p 现场总线标准。 1 3 成形打捆存在的主要问题及开发必要性 目前，国内的钢管成形、打捆主要还是采用人工方式，与国外先进的成形打捆 机相比，存在很多的问题： 1 ) 钢管榴的成形没有在专门的成形机构中完成，钢管棚的外形不能得到保证。这 就很容易使捆扎钢管榴的各道包装带受力不均匀，导致包装带的破坏，甚至造 成钢管榴的散橱。 2 ) 不能适应于恶劣环境下的钢管包装，例如高温的线管，管线管的打捆包装。 3 ) 不能和精整线其余工位的设备建立起有效的工业控制网，导致无法在线获取钢 管数据信息和上传输出钢管橱的规格参数和生产记录。 4 ) 作为生产线的尾端设备，自动化水平低，已经成为了制约整条生产线生产能力 的瓶颈，不能满足现代化钢管企业生产的需要。 然而钢管产品包装是钢管产品生产的继续，它是保护钢管产品在流通过程中质 量完好和数量完整的必要措施。大多数钢管产品如管线管，高压容器用管、液压缸 用管、流体输送用管、气缸用管等，只有加以必要的包装，才算完成铜管产品的生 产，才能进入流通领域和进行销售，从而完成钢管产品的价值和使用价值。良好的 钢管产品包装有利于保护钢管产品、美化钢管产品、吸引顾客、扩大销路和增加售 价。因此，许多国家都把改进钢管产品包装作为加强对外竞销的一个手段。特别是 浙江大学硕士学位论文 中国要继续扩大钢管出口的国际市场，就必须下决心在提高钢管产品质量的同时， 认真解决好钢管产品的外观质量和包装质量问题。这样开发高性能的钢管榴自动成 形系统完全符合市场需求。 另外应用自动成形系统有利于减轻包装工人的劳动强度，减少甚至杜绝精整包 装工序的工伤事故，提高打捆包装生产率和质量，而且自动成形系统运行时无环境 污染，因此轧钢企业用自动成形系统代替包装工人将成为必然。 自动成形系统的全自动化，低成本，高可靠性是其发展方向，自动成形系统本 身是一个集机械、液压、电子、计算机控制于一体的高科技产品。是我国钢铁企业 精整包装生产线的急需设备，而且是轧钢企业精整包装生产线的核心设备。可见， 开发研制符合我国需求的先进成形系统及其配套设备是我国钢铁行业的迫切要求， 代表钢铁行业的发展趋势。 l 。4 课题的来源及任务 通过对国外几种钢管打捆机相关技术的分析，根据国内当前的工业基础和技术水 平，研制开发具有自主产权的钢管榴自动成形系统是可行的，为此，浙大精益公司 和天津无缝钢管公司签定了合作协议，着手开发应用于无缝钢管的钢管相自动成形 系统，实现钢管榴自动成形系统的国产化，以填补国内这一空白，适应市场的需求。 课题开发任务主要包括以下几个方面： ( 1 ) 市场和技术调研； ( 2 ) 系统总体方案确立，通过分析德国西马特公司和意大利m a i r 公司的钢管成 形打捆生产线，针对打捆线的生产工艺流程，提出其机械机构、控制系统进行理 论分析和可行性分析，确定了生产线的机械结构形式和系统控制方案； ( 3 ) 关键技术的论证，如电磁吊搬运机构的跟踪策略、同步控制方案的确立； 工位问钢管数据跟踪的实现； ( 4 ) 工艺流程设计； ( 5 ) 机械系统设计； ( 6 ) 电气控制系统设计； ( 7 ) 气动和液压系统设计； ( 8 ) 系统软件设计； ( 9 ) 安装调试。 1 5 本论文的主要工作及成果 系统的技术开发包括总体方案设计、平面布置图设计、电磁吊车设计、储料机 构设计、成形台架设计、成形榴输送机构设计、打捆机构设计、气动和液压系统设 计、电气系统设计、p l c 程序设计，上位机程序设计。作者主要参与完成了液压系 统的设计及上下位机监控程序的设计本文的重点放在电磁吊系统的设计和系统控 4 浙江大学硕士学位论文 制软件的设计上，主要完成了以下的工作： ( 1 ) 对电磁吊车、储料机构，成形台架、成形榴输送机构，打捆机构等系统关键 机构的机械设计进行了研究，提出了其结构设计中的要点。 ( 2 ) 完成电磁吊车液压伺服系统的设计，选择合适的元件，确定系统的关键参数。 ( 3 ) 完成电磁吊车液压伺服系统数学建模，确定改进型p i d 和模糊p i d 两种控制 算法相结合的控制策略。 ( 4 ) 根据现代软件的设计思想，设计了上位机与下位机程序的工作流程，并提出 了上位机与下位机程序接口的实现方法。 经过一年多的设计和调试，钢管橱自动成形系统已经在天津无缝钢管厂投入实 际生产作业，实际应用表明该设备的研制是成功的。它可以有效的实现钢管的成形 和打捆包装，并且其成形和打捆包装的质量均达到了国际同类产品的性能要求。 该系统的研制成功，填补了国内的空白，标志着该项技术由国外企业长期垄断 局面的打破，其应用和推广情景十分广阔。系统自研制成功投放市场以来，取得了 良好的经济效益，同时也受到国内外用户的关注和亲睐。国内许多大型钢铁企业， 如宝钢、包钢、成钢、鞍钢都曾经派人参观钢管橱自动成形系统，并给予了很高的 评价。目前，为成都钢铁公司和衡阳钢铁公司设计的钢管橱自动成形系统也已进入 制造阶段。国外的白俄罗斯钢铁公司也与我们签订了供货合同，还有乌克兰，哈萨 克斯坦钢铁公司也有合作意向，它们标志着钢管榴自动成形系统将逐步进入国际市 场。 浙江大学硕士学位论文 第二章钢管榴自动成形系统总体设计 该钢管榴自动成形系统是集光、机、电和计算机一体化的产品，可按设定要求， 自动将钢管堆垛成规定的形状，而后由小车输出并进行打捆包装的智能机械。系统 主要采用先进的液压伺服电液比例控制技术和电磁吸盘无触点控制技术以及 s i e m e n sp r o f i b u s - - d p 总线技术，能够很好地实现钢管榴的自动成形和打捆，既减 轻了工人的劳动强度，又大大地提高了钢管包装生产效率和质量。此外，系统还具 有友好的人机交互界面，可以实时地监控和显示生产情况，榴成形的各个参数设定 灵活，可以满足用户不同生产实际的需要。本章则将从系统结构设计、系统控制设 计等方面介绍自动成形系统的总体设计。 2 1 钢管榴自动成形的生产工艺流程 研发的钢管榴自动成形系统的主要性能指标见表2 1 ： 表2 - - 1 系统主要性能指标 钢管的规格参数 钢管捆的规格参数 生产要求 外径：十4 8 o 1 7 8 榴形状：六边形，矩形，三角形等捆端面允许错位对齐 壁厚：3 2 2 2 2 j榴管总重；5 吨钢管成形过程需平稳，不允许剐漆 长度；6 1 5 m最大管捆相径：1 0 6 0 m要求钢管数据跟踪 管端有接箍或保护环捆端面对齐精度；士5 m生产速度1 5 0 0 0 0 吨年 单管最重 7 8 0 k g钢带捆扎遭数按国准( g b 2 1 0 1 - 8 8 ) 钢管榴自动成形系统的设备总图如图2 - - 1 所示，主要由储料机构、电磁吊车机 构，成形台架机构、成形榴运输机构和打捆机构组成。 钢管倦输方向 - - - - 。- - - 图2 1 钢管榴自动成形系统的设备总图 6 浙扛大学硕士学位论文 设备的主要成形工艺过程如图2 2 所示，大致可以分为钢管上料、计数和成排 累积( 盆6 ) ，成排运输和端面对齐( c 力，吸盘下降和成排夹紧( p ) ，成排运送 堆垛( ， 由) ，吸盘圆位和成形台架的位置准备以及再次堆垛( 膏) ，橱成形完毕 和榴输出( j ，由) ，继续成形( 疗一a ) 这些过程。 ， 锅譬计藏 的。毛抽皇事 b ) o 焉渤譬! 事 巴鬻= 鼋 d ) 亡j 莒毫_ e = = 蟊管排对齐 _ 几 e ) c 暖茁兰挈备捧夹紧 ，删底 一 ”嫡酶 罡葛 图2 2 系统成形工艺过程 2 2 钢管榴自动成形系统的关键机构设计 2 2 1 储料机构 储料机构与设备外部相衔接，它主要的功能有三个：一是对来料钢管进行分层 计数和成排累积；二是将达到累积要求的一排钢管运输到起吊准备工位：三是对成 排钢管进行端面对齐，并做好起吊准备。 如图2 3 所示，根据机构功能要求，储料机构主要由储料台架、挡料器、摆动 台和对齐机构构成，其正常工作过程为： ( 1 ) 最长为1 5i n 的钢管先由一排倒“7 ”字型摆动钩搬到储料台架上，而后钢管 沿着设计有2 5 4 倾斜度的储料台架斜面滚动，经由传感器检测计数，进入到挡料 器处进行钢管的成排累计； ( 2 ) 当挡料器处的屯管数达到一层钢管的数量时，挡料器由气缸驱动落下，该成 排钢管顺着储料台架的斜面进入到摆动台的挡料处； ( 3 ) 当成排钢管到达摆动台挡料处后，一方面挡料器又由气缸驱动抬起，以实现 对钢管的继续成排累积；另一方面储料机构旁的对齐机构由液压缸驱动，完成对成 排钢管端面的对齐操作，对齐液压缸推进时有前停止位和后停止位，可将成排钢管 的一端面推向前停止位或后停止位对齐，即可以实现不同层的成排钢管的错位对齐。 7 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 摆动台挡料处的成排钢管由气缸驱动被抬平，这就保证了该成排钢管起吊时 与电磁吸盘磁极的良好接触： ( 5 ) 当成排钢管被电磁吊车吊走后，摆动台再由气缸驱动回位以继续对下一成排 钢管进行操作。 2 2 2 电磁吊车 删t l l 9 i 邱 图2 - - 3 储料机构示意图 电磁吊车也叫磁盘输送机，它主要有三个功能：一是实现对成排钢管夹紧；二 是对成排钢管吸吊；三是将成排钢管吸吊后进行水平和竖直运输；四是将成排钢管 精确堆放入准备好的成形台架中。 如图2 4 、图2 5 所示，根据机构功能要求，电磁吊车主要由举升液压缸( 2 个) 、水平液压缸( 2 个) 、行车、行车立柱( 4 个) ，行车轨道门梁( 2 个) 、电磁吸盘 ( 6 个) 、成排钢管的夹紧装置( 3 个) 以及其它辅助装置组成。其中的电磁吸盘和成排 钢管夹紧装置分别安装在升降梁上，而升降梁又经举升液压缸挂接在行车的主跨梁 上，所以升降梁和电磁吸盘( 或吸盘和成排钢管一起) 可由比例阀控举升液压缸机 构驱动实现上下运动；另外行车由比例阀控水平液压缸机构驱动，实现行车、升降 梁和电磁吸盘( 或吸盘和成排钢管一起) 的水平运动。如图2 5 所示，电磁吸盘和 成捧钢管夹紧装置都采用了反力弹簧以支撑自身重量，这样既可以保证吸盘和夹紧 爪与管排的良好接触，又可以防止与成排钢管以及台架硬碰撞。成排钢管夹紧装置 由固定爪和动爪组成，动爪由液压马达驱动，夹紧力和夹紧速度可由马达油路上的 减压阀和节流阀调节。 参见图2 4 ，电磁吊的具体工作过程为： ( 1 ) 电磁吸盘起始处于2 的位置； ( 2 ) 当需要运输成排钢管时，吸盘先下降到l 位置，即吸盘和成排钢管接触位置， 然后成排钢管夹紧装置将钢管夹紧，以防止钢管在吊吸时因机构晃动产生滚动或脱 8 浙江大学硕士学位论文 落； ( 3 ) 电磁吸盘携带着成排钢管先由比例阀控举升液压缸机构驱动上升到2 位置。 ( 4 ) 由比例f 固控水平液压缸机构驱动前进到3 位置( 成排钢管的水平定位位置) 。 ( 5 ) 由比例阀控举升液压缸机构驱动将成排钢管精确放入已准备好的成型台架 内，随后将成排钢管夹紧爪松开。由此可见，成排钢管的堆放需要电磁吸盘位置和 成形台架位置的同时配合才能完成。 ( 6 ) 完成一次成排钢管堆放后，电磁吸盘经由位置4 回到位置1 复位，以继续进 行下一排钢管堆放。 图2 4 电磁吊车机构 2 2 3 成形台架 图2 5 电磁吸盘和成排钢管夹紧装置 根据工艺安排，成形台架主要有三个功能：一是提供钢管捆成形用的，尺寸可 变的六角形框架；二是配合电磁吊车工作，为逐次堆放的成排钢管准备相应的框架 位置，也就是说六角形框架可以作上下移动，三是将成形完的钢管榴交给成形榴输 送机构。 如图2 - - 6 所示，为实现成形台架主要功能，机构由成形定臂、运动台架和运动 9 浙江大学硕士学位论文 台架同步传动机构( 减速电机、双排链、链张紧装置和通轴) 构成。其中运动台架， 成形定臂组成了尺寸可变的六角形钢管框架，沿着钢管轴向共布置了六组；运动台 架同步传动机构则负责将运动台架移动到需要位置，以实现成排钢管堆放位置准备 和将管相交给成形榴运输机构。运动台架又主要由成形底边和安装在它上面的成形 动臂机构构成。如图2 - - 6 所示，一方面运动台架通过螺栓连接在成形台架同步传动 机构的双排链上；另一方面，运动台架上装有滚动轮，并通过滚动轮导向槽安装在 成形台架上。这样运动台架就可以由同步传动机构驱动，在成形台架上作上下移动 了。此外，运动台架上的成形动臂使用特殊的锁紧气缸驱动，既保证其摆起时与成 形底边成1 2 0 0 角，又防止了成形台架内的钢管橱在运动台架移动时散榴。成形动臂 还可由调节手轮驱动在成形底边上作水平移动，其水平移动的位置由成形动臂上的 指针和成形底边上的标尺确定，这样钢管榴底边的具体宽度就可以由调整成形动臂 得到了。 图2 6 成形台架机构 成形台架的工作过程为： ( 1 ) 当要堆放第一层钢管时，首先成形动臂按预定榴底边宽度调整好并处于摆起 位置，然后运动台架带着成形动臂上升到如图所示的1 位置( 即第一层钢管的堆放 位置) 。 ( 2 ) 运动台架在电磁吸盘将第一层钢管堆放进来后，载着该层钢管下降到第二层 钢管堆放的位置。 ( 3 ) 若以三层的钢管橱( 钢管榴形式2 - 3 - 2 ) 为例，则经过3 次的堆放就完成了整 榴钢管的成形，但此时运动台架并不在其最低位置2 。 ( 4 ) 为了便于将整相钢管由成形台架输送到打捆机构处，成形榴输送机构( 如图 2 - - 7 所示) 将先到达运动台架最低处位置2 ，并将摆动臂摆起；而后运动台架载着 整橱钢管下降到最低位置2 ，此时成形动臂落下将整栖钢管交给成形榴输送机构。 ( 5 ) 在成形榴输送机构将钢管橱纵向送离成形台架区域后，成形台架的复位( 成形 动臂摆起和运动台架上升) 准备下一轮的操作。 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 4 成形榴输送机构 d 图2 - - 7 成形榴输送机构 继成形台架之后的成形榴输送机构主要功能有：将成形台架上接过来的钢管捆 完整地输送到打捆机构处。 如图2 - - 7 所示，成形橱输送机构主要由成形榈输送车、摆动臂、调整臂机构和 保证成形榴输送车运行同步的通梁组成。沿钢管轴向布置的6 组机构中有2 组装有 电机驱动部件，另两组则通过花键轴连接在主驱动部件上，剩余的两组通过通梁实 现与整体机构的运动同步。摆动臂和调整臀部安装在成形橱输送车上，以构成类似 于成形台架的六角形可变框架。调整臂与成形动臂相似，可以通过手轮调整铜管榴 底边宽度，以保证与成形台架上成形底边宽度的一致，但不可摆动。摆动臂由锁紧 气缸驱动，既可以保证了其摆起时与成形榴输送车的底边成1 2 0 0 角，又可以防止成 形橱输送车上的钢管榴在输送过程中散榴。 成形橱输送车的工作过程为； ( 1 ) 当成形榴输送车的初始位置在打捆机构位置时，为了到成形台架处接送钢管 橱，要先将摆动臂落下以防止摆动臂与成形台架上的钢管棚碰撞，待后退到成形台 架的位置最低处时，把摆动臂重新摆起做好接送准备。 ( 2 ) 如果成形榴输送车的初始位置就在成形台架的运动台架的位置最低处，则只 要把摆动臂重新摆起就可以作好接送钢管橱的准备了。 ( 3 ) 成形榴输送车的初始位置准备好后，成形台架载着成形完的钢管榴下降到其 最低点。 ( 4 ) 成形台架把成形动臂落下，将钢管橱交给成形橱输送车，并一直保持落下状 态直到成形榴输送车将钢管榴输送出成形台架区域后再摆起。 ( 5 ) 成形榴输送车载着成形好的钢管棚一直运行到打捆机构处。 ( 6 ) 当钢管相打捆完毕被吊走后，成形枢输送车重复步骤( 1 ) 准备下一轮的操作。 浙江大学硕士学位论文 2 2 ，5 打捆机构 打捆机构主要功能是对成形榴输送车输送过来的钢管栖进行打捆包装。如图 2 - - 8 所示，为实现钢管榴的打捆操作，机构主要由打捆梁架、送带机构和打捆工 具构成。打捆工具安装在送带机构上，而送带机构通过滚动轮又安装在打捆梁架 上。这样，送带机构就可以停止在打捆粱架纵向的任意位置，以适应操作人员在 钢管榴的任意位置进行打捆操作。送带机构由打捆用的钢带盘、导向轮，钢带压 紧和抽送装置( 压带气缸和导带电机) 和封扣安装装置组成。 打捆包装的过程主要是包装钢带的送带过程，其主要工作原理是压带轮由压 带气缸驱动，将钢带压紧在压带轮和导带电机的主动轮( 硬花摩擦轮) 之间；然后， 钢带由导带电机主动轮上传递的摩擦力驱动，实现从钢带盘到导带轮以及封扣安 装口的抽送操作。而封扣的安装如图2 8 的钢带缠绕示意图所示，当钢带被抽送 出来后，先被套上封扣，然后经过钢管橱作如图示的缠绕，最后由打捆工具完成 钢带与封扣的固定操作。 图2 8 打捆机构示意图 2 3 主要气动、液压回路设计 2 3 1 气动系统设计 钢带缠绕示意图 设备的气动系统主要分为3 组，均选用f e s t o ，s m c 等知名品牌的元器件组装而 成。第一组是储料机构的气动回路，如图2 9 所示，由控制屯管用挡料器的7 个气 缸( 缸径为l o o m ，行程为5 0 r e ) ，以及控制摆动台的7 个气缸( 缸径为1 2 5 哪，行 程为2 l o r e ) 和2 套气源净化装置组成，两组气路都采用中封式的三位五通阀控制。 1 2 图2 9 储料机构气动原理图 第二组是成形台架机构气动回路，如图2 - - 1 0 所示，由成形台架上6 个锁紧气 缸( 缸径为l o o m m ，行程为3 2 0 唧) ，榴输出小车上6 个锁紧气缸( 缸径为1 0 0 m ， 行程为2 1 0 r a m ) 和l 套气源净化装置组成( 该套气源净化装置不需加油) 。各气缸的 输入口和输出口都装有节流调速阀，可以实现各个气缸速度的调节。为保证锁紧气 缸的工作性能，分设三位五通阀和二位5 通阀控制锁紧气缸。 图2 - - 1 0 成形台架机构气动原理图 第三组是的打捆机构气动回路，如图2 - - 1 1 所示，由2 只打捆工具，2 个压带 用的单作用气缸( 缸径为5 0 唧，行程为5 0 - m ，弹簧复位，由单电控二位五通阀控制) 和1 套气源净化装置组成。为保证打捆工具的工作质量和气体流量，其硬管气路上 都采用了液压卡套式管接头，并加干净的一号透平油( 粘度等级3 2 ) 。 浙扛大学硕士学位论文 2 3 2 液压系统设计 图2 一1 1 打捆机构气路原理图 液压系统主要包括油源、水平回路，竖直回路和成排钢管夹紧爪驱动回路。 油源由2 台2 7 k w 的油泵机组、电液比例溢流阀、卸荷阀、单向阀、散热器以及 相关辅件组成，可以提供最高2 0 m p a 的工作压力和最大1 8 0 l m i n 的供油流量。 水平回路对应于电磁吊车的水平运动，由2 个比例阀控水平液压缸( 规格6 3 x 4 5 1 5 0 0 1 m ) 机构和安全阀组成。水平回路上的安全阀可以防止单个液压缸的两腔压 力过大，这既保护了液压缸，又有效的防止了行车的啃轨。另外，水平回路上的两 个比例阀则根据电磁吊车水平速度和两液压缸同步性能要求，分别调定流入两相应 液压缸的流量，以实现电磁吊车的水平平稳运动。 举升回路对应于升降梁的竖直运动，由2 个比例阀控举升液压缸( 规格8 0 5 6 x 4 0 0 r n m ) 机构、安全阀以及电磁锁阀和单向阀组成。升降梁的运动原理与电磁吊车 水平运动相似，电磁锁阀用于在规定情况时锁紧举升液压缸，而单向阀则用于对举 升液压缸上腔的补油。 成排钢管夹紧爪驱动回路对应于钢管的夹紧操作，主要由三位四通电磁换向阀 控液压马达机构实现，其夹紧力和夹紧速度可分别由相应油路上的减压阀和节流阀 调定。 按照钢管榴成形工艺，正常工作时系统只启动一台油泵，系统工作压力1 4 f l p a 由比例溢流阀调定，各回路安全阀则根据相应的安全压力值调定。首先，系统启动 举升回路将升降梁落下，让电磁吸盘接触成排钢管，同时成排钢管夹紧爪由液压马 达驱动实现成排钢管起吊前的夹紧；然后还是利用举升回路将电磁吸盘( 吸盘和成排 钢管) 提起；接着启动水平回路，电磁吊车推出到指定位置；最后再由举升回路将电 磁吸盘( 吸盘和成排钢管) 落到成形台架上方指定位置，释放成排钢管完成一层钢管 的堆放，同时成排钢管夹紧爪由液压马达驱动松开。 当系统出现停电或危险时，举升回路的电磁锁阀可以锁死举升液压缸，保护现 场，等待维护人员处理。这里由电气系统设计配合( 电磁吸盘控制回路由蓄电池供电 保磁，举升回路中的电磁锁阀和比例阀由u p s 供电) ，从而可以实现在系统断电的情 1 4 况下将电磁吸盘( 吸盘和钢管) 落下并释放钢管。 2 4 电气系统设计 电气系统主要包括了供电回路、主控系统、电磁吊车液压伺服系统，成形台架 伺服系统，电磁吸盘控制系统等。 其主控系统如图2 - - 1 2 所示，采用西门子p r o f i b u s - - d p 技术，将电磁吸盘控制 量竺塑电磁吊车液压伺服系统、成形台架伺服系统、电磁吸盘控制系统和计算机篮 控系统以及其它相关的现场信号采集、处理和控制集成在一起。 i 监控和管理计算机l l - - - - - - - - - - - - - - _ j 广 r 1 i 对齐油缸 ) f 授压电磁换向闶l l - - - - - - 一jl - - - j r r 1 f 夹紧马达k | 液压电磁换向弼1 l - - - - - - - j l _ j r 1r i 备气动执行器i 0 j 气动电磁婀l o - - - - - - - - - - - - _ 一l - - j r r 1 j 成形捆运输电机卜0 l 变频器l l - - - - - - - - - - - - - - - j l 一 r - 1r 1 l 风机，指示灯i l 继电器l l - - - - j l j 厂 i 其它各传感器信号i 图2 - - 1 2 主控电气系统设计原理 电磁吊车液压伺服系统分为水平和举升液压伺服系统，每组伺服系统都由液压 缸的位移传感器、p l c 的相应模块( 高速a d 模块、c p u 、d a 模块) 和控制液压缸的比 例阀构成，液压缸的位移传感器均采用高精度的t e m p o s o n i c sm t s 位移传感器，液 压缸位移信号的检测和比例阀控制信号的产生均由p l c 完成( a d 精度1 6