（机械制造及其自动化专业论文）钢管自动倒棱系统的研究与开发.pdf

摘要 根据实际应用的需要，钢管应进行平端面加工，用于焊接的钢管还应进行倒 焊接坡口的加工。倒棱机是钢管端面加工的专用设备。目前传统倒棱机的加工质 量仍无法满足市场要求，而进口倒棱机价格昂贵，且安装周期长，因此，研发加 工质量和生产能力均满足实际要求的新型国产倒棱机迫在眉睫。 本文以“鞍钢股份无缝钢管厂巾1 8 0 自动倒棱生产线的研制与开发项目为 背景，研究了钢管倒棱的工作原理，完成了倒棱机的总体方案设计；对其机械结 构特别是倒棱主机做了详细的设计；用s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统与工控机和 p l c 组成了倒棱机的控制系统；设计了s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统应用程序、 下位机p l c 程序和上位机( 工控机) 监控程序。论文的具体内容安排如下： 第一章主要通过介绍钢管端面倒棱加工的意义和工艺过程，阐述了开发钢管 自动倒棱机的必要性，介绍了钢管自动倒棱机技术的研究现状和发展方向，提出 了本文的主要研究内容。 第二章根据自动倒棱系统基本功能和主要技术指标，提出了全自动倒棱机的 总体设计方案，确定了各主要部件的功能和结构；并对系统运动控制进行了研究， 提出了电气控制系统的方案。 第三章设计了倒棱主机、辅机机械结构；计算了切削力并据此对主机主轴电 机和伺服进给电机进行了选择。 第四章对控制系统硬件结构进行设计，介绍了s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统 并研究了其伺服控制理论和方法；介绍了液压控制系统和s 7 3 0 0p l c 主从控制 结构在倒棱辅机中应用；在分析系统干扰源的基础上提出了相应的抗干扰措施。 第五章根据实际工作要求，设计了s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统倒棱应用程 序、p l c 控制程序和上位机监控软件。 第六章对钢管自动倒棱系统的研制工作进行了总结，并对其进一步的开发研 究做了展望。 关键词：钢管，倒棱，s i n u m e r i k8 0 2 d ，交流伺服，p l c ，w i n c c a bs t r a c t a c c o r d i n g t ot h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，t h es t e e lp i p e - e n ds h o u l db ef l a t t e n e do rc u t t h ew e l d e dg r o o v ew i t ht h ep i p eu s e di nw e l d i n g c h a m f e r i n gm a c h i n ei st h es p e c i a l e q u i p m e n tf o rp i p e - e n dp r o c e s s i n g c u r r e n t l y , t h ep r o c e s s i n gq u a l i t yo f t h et r a d i t i o n a l c h a m f e r i n gm a c h i n ei ss t i l lu n a b l et os a t i s f yt h ed e m a n d so ft h em a r k e t ，w h i l ee x o t i c c h a m f e r i n gm a c h i n ei se x p e n s i v e , l o n gc y c l eo fs e r v i c e s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fn e wd o m e s t i cc h a m f e r i n gm a c h i n em e e t i n ga l la c t u a lr e q u i r e m e n t si n t h eq u a l i t ya n d c a p a c i t yo ft h ep r o c e s s i n gi si m m i n e n t t h es u b j e c ti so nt h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f s e a m l e s sp i p e 9 18 0 - c h a m f e r i n gp r o d u c t i o nl i n ef o r a n g a n gs t e e l ”t h i sp a p e r e s t a b l i s h e dt h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a mo ft h ef u l l ya u t o m a t i cc h a m f e r i n gm a c h i n eo n t h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs t e e lp i p ec h a m f e r i n g i t sm e c h a n i c a l s t r u c t u r e s ，e s p e c i a l l yt h ei m p o r t a n tm a i n f r a m eo ft h ec h a m f e r i n gs y s t e m h a sb e e n r e s e a r c h e da n dd o n ear e a s o n a b l ed e s i g n a d o p t e d8 0 2 dn cs y s t e mw i t hi p ca n d p l ca st h ec o m p o n e n to ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m d e s i g n e dt h e8 0 2 dn cs y s t e m a p p l i c a t i o np r o g r a m ，t h eu n d e rc r e wp l cp r o g r a ma n dt h ep c ( i p c ) m o n i t o r i n g p r o g r a m t h es p e c i f i cc o n t e n t o ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep i p ee n d c h a m f e r i n ga n di t s p r o c e s s ，e l a b o r a t e dt h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n ge x p o u n d e dn cc h a m f e r i n gm a c h i n e ， i n t r o d u c e dt h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h et e c h n o l o g ya n dr a i s e dt h e p a p e r sm a j o rc o n t e n t t h es e c o n dc h a p t e rr a i s e dt h e o v e r a l l l a y o u tp r o g r a mb a s e do nt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa n dp a r a m e t e r s ，i d e n t i f i e dt h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h em a j o r c o m p o n e n t s ，s t u d i e dt h em o t i o nc o n t r o lo ft h es y s t e ma n dr a i s e dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e mp r o g r a m t h et h i r dc h a p t e rd e s i g n e dt h em e c h a n i c a lf r a m e w o r ko ft h em a i n f r a m ea n d a c c e s s o r i e so ft h ec h a m f e r i n gs y s t e m ，c h o s et h es p i n d l em o t o ra n dt h es e r v om o t o r b a s e do nt h ec a l c u l a t e dt h ef o r c e t h ef o u r t hc h a p t e rd e s i g n e dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，d i s c u s s e dt h eh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o no f8 0 2 dn cs y s t e ma n ds t u d i e dt h et h e o r ya n da r i t h m e t i co f8 0 2 d s e r v o c o n t r o l ，i n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no ft h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n dp l c i n t h ec h a m f e r i n gm a c h i n e ，r a i s e dt h ec o r r e s p o n d i n ga n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sb a s e do n a n a l y z i n gt h es y s t e mi n t e r f e r e n c es o u r c e 1 1 t h ef i f t hc h a p t e rd e s i g n e dt h e8 0 2 dn cs y s t e mc h a m f e r i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r e ， t h ep l cc o n t r o lp r o c e d u r e si nl i g h to ft h ea c t u a lw o r kr e q u i r e m e n t sa n dt h ei p c c o n t r o ls y s t e m ss o f t w a r e t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e dt h ew o r kf o rr & do fn cs t e e lp i p ec h a m f e r i n g s y s t e m ，a n dp r o s p e c t e di t sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s t e e lp i p e ，c h a m f e r i n g ，s i n u m e r i k8 0 2 d ，a cs e r v o ，p l c ，w i n i i i 学号2 0 6 0 8 0 3 3 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，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 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。 靴做储鹕：声工午样嗍：彬年刖细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、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。本人授权逝鎏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 学位论文储签名居文节 签字日期：力翻年多月2 , , n 学位论文 工作单位 通讯地址邮编： 3 | 晰习 、吵 矽刁眩 凇彬， 卿彻 彩彰砰慨护电 粥咆 缸 衫、互 旒 第一章绪论 【本章提要】本章首先介绍了铜管端面倒棱加工的意义和工艺过程，以及课题来 源：然后介绍了倒棱机技术的研究现状和发展方向；最后叙述了课题的研究意义 与本文的主要内容。 1 1 课题研究背景及来源 1 1 1 钢管制造过程和端面倒棱加工的意义“” 按照生产方法，钢管分为无缝钢管和焊管。不论是无缝钢管还是焊管其加 工过程都包括热区的成形和冷区的精整。以下以无缝钢管为例，简单介绍钢管制 造过程。 在无缝钢管的加工中，管坯经过剪断、加热、穿孔、轧管、定径、冷却等一 系列加工工艺后，进入精整工序，完成钢管出厂前的精加工。根据技术要求进行 如下的精整工序：矫直，吹刷管子内表面，切头和切成定尺，去除耳子和倒棱， 端部定径，修理内外表面，水压试验，内外表面目视检查，车、镗、磨以及抛光 内外表面，检查几何尺寸( 直径、壁厚、长度、弯曲度) ，管子几何尺寸和质量的 非破坏性检查，喷漆，标记，打印，称重和包装( 装箱) 等。 廖警牛穹- 蕞警音毒斌希静幸辛专 管坏蝴加搀穿孔轧管定杼 4 主几矫血 丑m倒桂扮漉撵怕超卢波探怕喷# 也装 图11 无缝钢管加工流程图 焊管的热区成形工艺与无缝管不同，但冷区的精整同样是包括倒棱等在内的 类似的工艺。精整区域的生产设备及工艺水平直接影响到钢管的品质，是钢管生 产线中附加值最高的部分。 随着我国加入w t o ，国内市场与国际市场的接轨，钢铁企业的竞争也日趋 激烈，对钢管的质量要求日益增高如海底管线对钢管的内在质量稳定性、可焊 新人学碰i 等位论立 性、几何精度、防腐性能等均有较高的要求。为了适应市场对钢管需求数量不断 增长和对品种质量越来越高的变化要求，近年来，我国钢管生产企业均加大了技 术改造的山度，对钢管生产线技术装备进行改造。 多年来，我围钢管企业存在重视钢管成型工序，而轻视钢管热处理工序、精 整工序以及后续探伤检查工序的现象。这些工序不是处理能力不足，就是工序流 程不畅或是装备水平配置较低，难以满足生产高质量产品的要求。而高附加值的 产品就是因为有了这些高水甲配置的精整工序才生产出柬的，所以对精整工序的 技术改造十分必要。 据统计，我国2 0 0 5 年i 一9 月进口管材7 8 万吨，其中8 0 n 用丁石油化工行业。 进口钢管中大部分是附加值很高的产品，也是我国铡管生产能力不足或不具备生 产条件的产品。从国外进口钢管，无论是采购周期还是采购价格均给石化生产建 设的顺利进行造成一定的困难。因此，石化行业呼唤钢管制造业国产化，全力支 持国内钢管制造企业进行高质量钢管研发工作，以使我国早日成为真正的钢管制 造强国。 倒棱是钢管精整区域中的一个重要生产工艺。根据 a p i s p e c5 l 2 0 0 0 管 线钢管规范、g b 厂r 9 7 l l2 - 1 9 9 9 石油大然气i l k 输送钢管交货技术条什规定， 除非订货合同另有规定，通常钢管的端面应有坡口和钝边，如图12 所示。 囤l2 管端倒棱加工围 因此要在精整区对钢管进行铣头倒棱处理，经过倒棱的钢管，品质高，属于 标准产品。倒棱后的钢管在实际生产中，能大大提高工程质量在石油、冶金、 石化等行业得到了广泛的应用。倒棱机是对钢管进行倒棱加工的专用机床，倒棱 机的设计和制造水平决定了倒棱的效率和精度，是钢管生产线上的一台重要的生 产设备。 1 1 2 课题的来源 鞍钢股份无缝钢管厂于1 9 5 3 年竣工投产，是新中国第座无缝钢管厂。生 产的无缝钢管主要应用于石油化丁行业和高中低压锅炉行业以及机械结构的应 用。随着钢管行业的蓬勃发展，钢管质量要求的提高，无缝管厂不断引进新技术， 浙江大学硕： 学位论文 进行装备改造。无缝管厂原有一台倒棱机，基本上是人工操作，自动化程度低， 加工效率无法达到目前公司生产的要求；而且n i 质量已经无法适应现在市场上 对钢管加工精度的要求。鉴于此，必须要对倒棱机进行技术改造。若是引进国外 的倒棱设备，一是价格昂贵，二是安装周期长，因此，鞍钢股份无缝管厂和浙江 大学合作，自行研制开发加工质量高，加工能力强，自动化程度高的新型倒棱机。 1 2 国内外钢管自动倒棱机技术研究现状和发展方向钔町 1 2 1 钢管自动倒棱机技术的研究现状 倒棱机在钢管生产线上已经应用了较长的一段时间，经过科研工作者的不断 试验和总结，已经解决了某些一直阻碍倒棱设备应用的技术难题。但是由于倒棱 机技术含量较高，造价和维护费用也较高，国内许多资金实力薄弱的中小型钢管 厂尚无法配置倒棱机，而大中型钢管厂大都配置了进口的倒棱机，如宝钢从美国 p m c 公司引进的巾1 4 0 平头倒棱机，天津无缝钢管公司引进了由2 7 3 平头倒棱机， 衡阳华菱钢管有限公司从德国r e i k aw e r k 公司进口了巾1 3 3 平头倒棱机等。国 产的平头倒棱机主要是由西安重型机械研究所( 西重所) 设计成套的，在国内大型 钢管厂也得到了较好的应用。国内外这些主要的倒棱机生产厂家，在倒棱机设计 上各有特点，所生产的倒棱机适用于不同的工作要求。 ( 1 ) 美国p m c 公司的平头倒棱机的主要结构特点是：导轨轴承采用带有预 紧系统的直线滚柱轴承，保证切削时系统稳定，承载能力大；主轴进给采用了液 压伺服系统，响应速度快；夹紧装置采用了浮动夹紧机构及锁紧机构，保证了钢 管的自然形状并消除夹瓦滑动间隙，刚性好；步进传动采用了液压马达机构，速 度快，运行平稳；主轴刀盘带有冷却系统对刀具进行冷却，能有效延长刀具的寿 命。 ( 2 ) 德国r e i k a w e r k 公司的平头倒棱机的主要结构特点是：导轨轴承采 用了无预紧系统的直线滚柱轴承，主要用于负载较轻的场合；主轴进给采用了电 机伺服系统，低速性好，维护方便；无冷却系统，带有排屑运输装置：步进传动 采用了电机减速器机构。 ( 3 ) 西重所生产的平头倒棱机导轨轴承采用了带有预紧力滚柱直线轴承， 主轴箱里主轴带有预紧力轴承，夹紧装置采用带有浮动机构及轴向锁紧机构，提 高了设备的刚性和稳定性；刀盘上刀具采用了内浮动机构新技术，解决了因壁厚 不均而引起倒坡口后的钝边质量问题。带有冷却系统，对刀具进行冷却并且带有 对切屑的冲洗功能。 由以上对国内外先进的无缝钢管倒棱机的结构特点的分析可以看出，目前进 3 浙江人学硕士学位论文 给系统一般采用电液伺服系统或电机伺服系统；步进系统可根据节奏要求采用液 压马达或电机减速器机构。美国p m c 公司的倒棱机就采用电液伺服系统控制刀 盘轴向进给。电液伺服系统具有结构紧凑、系统快速性好，响应快，伺服系统抗 负载刚度大，低速稳定性好等优点，并且伺服系统可以与计算机相结合，具有很 大的灵活性和适应性。德国r e i k aw e r k 公司的平头倒棱机采用了电机伺服系 统。伺服电机进给系统采用伺服电机与滚珠丝杠直联，进给精度高、低速性好， 维护方便，而且主轴进给的动态特性比采用液压伺服系统要高一些。电机伺服系 统由于其易于维护，远距离传输方便，噪音低，应用越来越广泛。 在电气控制方面，目前高控制水平的倒棱机均采用p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机 控制，并与可编程控s t j 器p l c ( 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 ) 通过p r o f i b u s 网 络通讯方式，形成机、电、液一体化自动化网络系统。p c 机采用人机对话界面 h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) ，对各种动作故障进行报警诊断，界面友好，可以 方便地了解到产品信息及机组工作状态，并能进行参数设定。这些控制措施大大 地提高了生产效率。 由以上分析可知，在目前实际应用中，针对某些工况设计的倒棱机对于相应 规格的钢管管端的加工已经取得了成功，这对于我们改进传统倒棱机的设计，使 新型倒棱机能够具有更高的加工精度和更大的加工能力提供了经验和数据。 1 2 2 钢管自动倒棱机技术的发展方向 随着钢管种类的增多和工程对钢管质量要求越来越高，高柔性、高质量、高 自动化水平的钢管精整设备是现代化钢管精整工艺的新需求。作为钢管精整设备 中比较重要的倒棱机，大致朝以下方向发展： 1 高柔性 高柔性具体表现在：一个倒棱系统上可以加工钢管的口径范围变广和坡口多 角度。国内生产焊管倒棱机的较多，但主要以巾1 4 0 以下的倒棱机为主，而且装 机水平普遍较低。随着焊管向着大口径的( 如宝山钢铁的公司巾1 4 2 0 e r w 直缝 焊管生产线) 发展，倒棱机的可加工口径范围也要相应地增加。对于钢管坡口角 度，除了国际市场上统一的标准，各个国家都还有具体的标准，为了便于钢管的 出口贸易，在一个倒棱系统上可以加工多角度坡口成为一种必然趋势。 2 高精度，闭环伺服控制 轴向进给机构在进给切削时工作的稳定性、进给位置控制的精度直接影响钢 管断面质量、刀具使用寿命及生产效率，从而决定了整个钢管倒棱机的装机水平。 因此，轴向进给机构的控制是高精度钢管倒棱机设备需要解决的核心问题。目前 大部分生产及使用的倒棱设备的轴向进给控制普遍采用液压缸或电机减速机驱 4 浙江大学硕士学位论文 动，属于开环控制，控制精度低，稳定性差。所以倒棱设备要达到高精度，带有 速度、位置反馈的半闭环、闭环伺服进给控制必取代传统的开环伺服控制。 3 高自动化水平，控制系统模块化 在数控机床控制系统逐渐模块化的大背景下，钢管倒棱机控制也必然走向模 块化。传统的倒棱机控制系统结构复杂，走线较多，不但增加了干扰源，导致系 统不稳定而且系统响应慢。当采用各种功能模块，如伺服功率模块、总线控制接 口模块、远程i o 信号模块等，不但简化了控制结构，缩短安装、维修周期，而 且提高控制精度，便于功能扩展。所以，控制系统模块化也是钢管倒棱机发展的 一个重要方向。 1 3 课题研究的意义及主要内容 1 3 1 课题研究的意义 提高先进制造装备的国产化对促进我国钢管行业的发展有着很重要的意义。 石化、冶金、建筑等钢管使用广泛的行业，所需要的钢管的管径、壁厚不断增大 对钢管的质量要求也不断提高。国内钢管走向世界市场，在更大的舞台上同外国 的钢管产品竞争，对钢管加工设备如倒棱机的稳定性，进给精度及自动化程度提 出了更高的要求。传统的倒棱机加工精度、自动化程度低，显然不能满足需求。 本文所研发的新型自动倒棱机稳定性好，除了能加工较宽范围直径的钢管外，加 工、控制精度高，操作简单，所加工的钢管完全符合a p i 、d i n 、a n s i 等国际标 准的规定，可为钢管厂创造可观的经济效益，加之价格低廉，可以替代进口，能 够被各大中小型钢管厂采用，为我国钢管的发展做出了贡献。 国际上的钢管设备设计制造公司一直都在关注和占领着我国的这一重要市 场，我国的钢管装备市场不但面临国内的竞争，而且面临着更严峻的国际市场竞 争。本论文研发的新型倒棱机，加工质量达到国际水平，且价格低廉，具有很大 的国际竞争力，对提高我国钢管制造装备技术水平，促进先进装备的国产化，起 到了很好的示范作用。 1 3 2 论文的主要内容 本文旨在开发一种可以替代进口、填补国内空白的全自动数控钢管倒棱系 统，满足实际生产的要求，提高钢管倒棱加工的质量和自动化程度。具体来说， 论文的主要工作有以下几个方面： 1 分析了国内外钢管倒棱机的发展现状和趋势，结合加工工艺要求进行了 5 浙江人学硕士学位论文 倒棱系统的总体设计； 2 设计了倒棱机的机械部分，对倒棱切削力进行了计算和完成了倒棱主轴 电机和进给电机的选型； 3 对控制系统硬件结构进行设计，介绍了s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统并研 究了其伺服控制理论和方法；介绍了液压控制系统和s 7 3 0 0p l c 主从控制结构 在倒棱辅机中应用；在分析系统干扰源的基础上提出了相应的抗干扰措施； 4 根据实际工作要求，设计了s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统倒棱应用程序、 p l c 控制程序和上位机监控软件； 5 对钢管自动倒棱系统的研制工作进行了总结，并对其进一步的开发研究 做了展望。 本文所论述的倒棱机在完成现场的安装调试工作后，已经投入运行，设备运 行稳定，加工精度高，为鞍钢无缝钢管厂取得了可观的经济效益。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 【本章提要】本章首先提出了钢管自动倒棱系统的基本功能和主要技术指标，并 依照这些功能和指标，制定了钢管倒棱机的机械总体方案；在系统运动控制分析 的基础上确立了系统控制方案，为下一步机械、电气和控制软件的详细设计奠定 了基础。 2 1 系统设计要求 2 1 1 系统基本功能 为了符合生产中倒棱工艺的要求，本文所研发的自动倒棱系统应具有以下功 能和优点： 1 对钢管两端实现倒棱，在设备所占空间小和设备制造难度低的条件下实 现对钢管两端的倒棱工艺； 2 能加工一定直径尺寸范围的钢管，并且对一批同直径的钢管只需调整一 次设备即可； 3 在一次夹紧的条件下实现倒外圆、平端面、倒内角； 4 在一个刀盘上可以加工不同角度的坡口； 5 实现主轴和进给轴的同步控制和闭环控制，达到一定的控制精度，以获 得稳定的倒棱质量； 6 便于与上位机系统联接，能方便地与上位机通讯，使用通用的串行接口， 并且确定上下位机之间的通讯协议，便于上位机和下位机的数据交换和 数据共享； 7 用户操作界面友好，监控界面监控信号全面。用户可以通过上位机监控 界面监视现场各种传感器信号和各种报警，并且可以方便地进行系统参 数的设定、各种数据的输入、输出和处理。 2 1 2 主要技术指标 倒棱机是对钢管进行倒棱的专用设备，倒棱后的钢管应符合a p is p e c 5 l - 2 0 0 0 管线钢管规范、g b t 9 7 1 1 2 1 9 9 9 石油天然气工业输送钢管交货技术 条件等标准的规定。综合各项标准，倒棱后钢管应满足如下要求( 参见图2 1 ) ： 1 钢管管端均应切直且不应有毛刺； 7 浙江大学硕士学位论文 2 切斜f 不应超过l m m ( 适用于外径小于或等于2 2 0 m m 的钢管) ； 3 壁厚6 大于3 2 m m 的钢管其端面应开坡口，坡口角度( 3 1 应为3 0 。( 0 。 + 5 。) ，钝边宽度h 为1 6 m m 士o 8 m m ： 4 当进行内表面加工或修磨时，内锥角1 3 ，自钢管轴线测量，不应大于表 2 1 所列数值。 表2 1 内锥角规定表 规定壁厚6 ，m i l l 最大内锥角d ，( 。) 6 l o 57 1 0 5 6 1 49 5 1 4 3 2 m m 的钢管端面进行开坡口、平端面、倒内角和去毛刺的加工。其设计要求 及参数如下： 1 钢管规格尺寸： 外径：中6 0 中1 8 0 m m ； 壁厚：4 5 1 6 m m ； 长度：6 1 2 5 m ； 材质：碳钢如2 0 、4 5 、x 4 2 x 7 0 等，低合金钢如q 3 4 5 等，合金钢如 2 5 m n 2 v 、3 4 m n 2 v 、4 2 m n m 0 7 、3 4 c r m 0 4 、12 c r l m o v 等； 外径尺寸精度：1 o ( 最大不超过2 r a m ) ； 壁厚尺寸精度：- i - 8 5 ； 管体弯曲度：1 5 r a m m ； 管端弯曲度：、 l 【2 2 】 由式2 1 、2 2 得 三 毕 2 - 3 图2 3 导轨长度计算示意图 钢管的长度在6 1 2 5 m 之间，则三一= 1 2 5 m ，l 。i n = 6 m ， 由式2 - 3 得：导轨长度l z m a x _ - z m l n ：1 2 - 5 - 6 ：3 2 5 聊。 z，2 导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准，它的各项误 差将直接影响被加工零件的精度。机床导轨的精度要求有水平面内的直线度，垂 直面内的直线度和前后导轨的平行度，此外，机床导轨与带动刀盘回转的主轴轴 线不平行对加工精度也有不良影响。如上式计算得导轨长度l 3 2 5 m ，在保证 多个精度要求下，其制造和安装的难度将会很高。 第二种倒棱工艺如图2 4 。钢管一端先经对齐装置对齐后被移钢至倒棱工位 进行倒棱加工，然后钢管被移至下一工位，经反方向对另一端进行对齐和倒棱。 1 0 浙江人学硕士学位论文 列卉装置 钢1 】咔齐堰道 毋卸腻三三主耋三三雪一 傩主札 口 口 警豢直 囤一国 j 孵置 ( a )对齐钢管一端 画l 圃 ( c )反向对齐钢管另一端 a ) 对钢管另端进行倒棱 图2 4 钢管两端先后倒棱加工工序示意图 这种倒棱工艺，倒棱主机在导轨上移动的距离约为刀盘到钢管端面的距离与 切削进给量之和，比第一种两端同时加工时所需导轨的长度小很多，大大减少了 导轨制造和安装的难度。而且此种方式仅需被加工端面的中心线和刀盘中心线重 合，可以避免由于钢管不直度而产生的两端面中心线高度不同对切削加工的影 响。 但是，钢管仅在被加工端面附近被夹紧，而钢管长度在6 1 2 5 m 之间，重 心偏后，很难保证夹紧的可靠性。随着钢管壁厚的增加，管径的增大，切削力迅 速增大，切削过程中，钢管振动加剧，将严重影响加工质量。故采用此种方式的 倒棱机只适于薄壁、小管径的钢管。 在加工效率方面：设一根钢管一端倒棱加工时问为f 1 ，移钢机转动一周所需 沥江大学硕上学位论文 时i 剐f 2 ， 则第一种工艺在时间t 内可加工钢管根数- 为 。：j 二 + f 2 第二种工艺，由于钢管在一端倒棱完毕被移钢机移至后面工位倒棱另一端， 不会占用第一倒棱工位，第一倒棱工位可紧接着对下一根钢管的一端进行倒棱加 工，所以在时问t 内可加工的钢管根数2 为 ：三 + f 2 可见两种工艺的倒棱加工效率相同。鉴于以上分析，本文研发的新型自动倒 棱系统采用第二种加工工艺流程。 2 2 2 总体布置 根据以上先后对齐、倒棱钢管两端的工艺流程，本自动倒棱系统对机械部分 作如下总体布置，如图2 5 所示。整个系统主要包括两台倒棱主机及其辅助设备。 主机上装有回转刀盘完成管端倒焊接坡口、平端面、去毛刺和倒内角的加工。辅 助设备主要完成钢管的对齐、步进输送、定位和夹紧等工作，为主机作业做准备。 1 一进给电机；2 一主轴电机；3 一对齐油缸；4 一刀盘；5 一固定夹紧装置；6 一浮动夹紧 装置；7 一钢管；8 一升降机构；9 一移钢机；1 0 一对齐电机；1 1 一对齐辊道 图2 5 钢管自动倒棱系统平面布置示意图 首先，移钢机9 把钢管7 上料至1 # 对齐工位，一组对齐电机1 0 带动一组 对齐辊道1 l 把钢管7 左移经对齐油缸3 对齐。对齐完毕后，移钢机9 转动一周， 把钢管7 移至l # 倒棱工位，然后升降机构8 自动根据钢管的直径把钢管的中心 1 2 钢管顺序移动方向徊d i妙口甘口目 浙江大学硕上学位论文 线调至和倒棱中心线重合，固定夹紧装置5 、浮动夹紧装置6 先后夹紧钢管，之 后主轴电机2 带动刀盘4 转动，由进给电机l 完成伺服进给，对钢管的一端进行 倒棱加工。倒棱完毕后，浮动夹紧、固定夹紧先后松开。然后，移钢机9 再转动 一周，把钢管移至2 # 对齐工位。同样的，再分别由2 # 对齐工位和2 # 倒棱工 位完成对钢管另一端的对齐、倒棱。在连续加工时，移钢机在各工位动作都完成 之后转动一周，把钢管从上一工位移至下一工位加工，达到对钢管两端自动倒棱 的目的。 2 3 控制系统总体设计伽硼 2 3 1 系统动作控制分析 倒棱机系统的动作过程可以简单描述如下：钢管经吊车送至上料台架一步进 平移一对齐定位一步进平移一升降调整一管端夹紧一倒棱主机进刀一倒棱一机 头快退一夹紧松开一步进平移一反向对齐定位一步进平移一管端夹紧一倒棱主 机进刀一另一端倒棱一机头快退一夹紧松开一步进平移一钢管进入下料台架一 收集料框。在整个工作过程中，需要控制的动作有：主轴旋转，主轴进给，移钢 机输送钢管，辊道平移钢管，升降装置调整钢管中心高度，夹紧装置夹紧钢管等。 1 主轴的旋转运动和轴向的伺服进给运动控制 倒棱主机主轴既作旋转运动又随主轴箱一起作轴向移动，旋转运动为主切削 运动，轴向移动为进给运动。主轴运动的控制对于提高加工效率，扩大加工材料 范围，提升加工质量有着重要的作用，其控制精度直接影响所加工钢管的坡口尺 寸精度和管端的光滑平整。 为了满足管端加工要求，符合相应标准，主轴进给的过程分为：快进一粗进 给一精进给一光整一快速返回等，参见图2 6 ，刀具快进的距离为l k ，粗进给的 距离为k ，精进给的距离为b ，分别对应不同的进给速度v k 、v c 、和v ：i 。 u 一，r 卜一 i i f_弋一一广 膨箩孳勿烈 、i 刀片ii 1 - - 一 7 、 1 一l 上一 一l雹j l k i l j【，c 图2 6 刀具进给位置示意图 1 3 浙江大学硕+ 学位论文 由于主轴进给速度的控制精度要求较高，因此采用s i n u m e r i k8 0 2 d 数控 系统和交流伺服电机，完成对进给轴的半闭环电气伺服控制，控制原理见图2 7 。 主抽 量 图2 7 倒棱主机伺服进给半闭环控制原理图 主轴旋转控制是一个速度控制系统，实现在转速范围内无级变速，提供切削 过程中所需的转矩。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两 种，由于变频器的性价比高，因此倒棱机采用变频主轴系统进行无级调速，由 8 0 2 d 数控系统发出模拟信号控制变频器驱动交流电机，通过带传动带动主轴旋 转，实现主轴与进给轴的同步运动和主轴无极变速，并且简化主轴箱的结构。 2 移钢机的运动控制 移钢机主要完成把钢管从上一工位到下一工位的平稳输送，可由交流电机一 减速器一齿轮箱一步进梁传动链实现。对不同规格的钢管移钢机输送速度不同， 对同一根钢管在搬运过程中的不同位置移钢机也应有不同速度，以做到对钢管的 轻拿轻放，减少噪音和减轻撞击对钢管的损伤。如图2 8 所示，步进梁在电机带 动下平动，在最低位i 启动，在位置i i 开始减速，以减轻在位置i i i 举起钢管时， 步进梁与钢管的撞击；举起钢管后保持原速运行至位置v ，随即减速，以减轻在 位置放下钢管时的撞击；在v i 位放下钢管后，为了克服步进梁重力的影响， 调整电机转速，使步进梁匀速运行至最低位i 后停止，完成一个循环，把钢管从 上一工位移至下一工位。整个循环对应的移钢电机的转速变化如图2 9 所示。 图2 8 步进梁移钢动作示意图图2 9 移钢电机转速变化作示意图 1 4 浙江大学硕士学位论文 由上分析，可用带数字输入控制的变频器驱动普通的变频电机来实现电机转 速的多段控制。由装在移钢机上的编码器给出移钢机的速度变化的位置，p l c 的输出改变变频器的数字输入从而改变电机的转速。另外步进梁最低位置i 信号 由该处的原点传感器采集给p l c 。 3 对齐工位的运动控制 对齐装置的作用是确保钢管倒棱端面的精确位置。见图2 5 ，在对齐工位上 有钢管到位传感器、减速到位传感器、电机制动位置传感器、对齐油缸前位、后 位接近开关。首先对齐工位到位传感器有信号，主动辊子高速旋转，带动钢管高 速运动，当减速到位传感器有信号，电机减速，当对齐油缸前到位传感器有信号， 电机制动，使辊子处于自由状态，钢管在惯性力的作用下继续前进，推动油缸挡 板后退，以减少钢管对挡板的撞击，当对齐油缸后位接近开关发出信号时，油缸 再慢速推出直至油缸前位接近开关有信号，油缸停止，从而将钢管端面推到固定 位置( 金属线) 。 由上分析，可用一台变频器采用v f 控制方式控制数台并联的辊道电机，当 其中某一台电机出现故障时，不会影响整个对齐装置的正常运行。用p l c 处理个 传感器的信号，p l c 输出到变频器数字输入控制电机的转速变化。 4 夹紧装置的运动控制 夹紧装置是在钢管进行倒棱之前对钢管夹紧固定的装置，考虑到钢管的不同 壁厚，能承受的夹紧力差别较大，因此，采用夹紧油路压力可调的央紧油缸实现， 由p l c 控制电磁阀的开合从而控制夹紧油缸的夹紧、松开。 5 升降机构的运动控制 升降机构通过升降来调整不同直径的钢管的高度，把管径大的钢管稍稍升 高，管径小的钢管稍稍降低，使得不同直径的钢管的中心线均与倒棱中心线重合， 避免因为管径的差别导致倒棱的不均匀。可用普通的电机传动升降机构，同时在 升降机构装置位置编码器，形成闭环位置控制。 2 3 2 控制系统总体方案设计 研制全自动钢管倒棱机的一个重要任务就是要实现倒棱过程的自动化。根据 上述对倒棱机运动控制的研究可知，系统工作过程中涉及到对进给电机、主轴电 机、移钢机电机、辊道电机等的控制，以及现场各种传感器、行程开关、编码器 等电气元件的信号采集和控制。因此采用以s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统为核心， 结合工控机、s 7 3 0 0 p l c 和变频器等组成倒棱机的电气控制系统，实现钢管倒棱 1 5 浙江大学硕t - 学位论文 各个过程的协调、跟踪、各种信息的传输、显示、数据管理、人机界面等。 控制系统总体结构如图2 1 0 所示，可分为现场控制层、过程监控层和生产 管理层。 在现场控制层，分为倒棱主机和辅机的控制。倒棱主机需要两个运动：主轴 的回转运动和刀盘的进给运动，本系统应用s i n u m e r i k8 0 2 db a s el i n e 配备 s i m o d r i v e6 11 u e 和带编码器的1 f t 6 伺服电机来实现。负责钢管对齐、升降、 夹紧等工序的辅机和整个系统动作顺序的控制则由以s 7 3 0 0 p l c 为主站， e t 2 0 0 m ( 分布式i o 模块) 、步进梁和对齐电机变频器为从站，基于 p r o f i b u s d p 总线协议的主从控制结构完成。 s i n u m e r i k8 0 2 db a s el i n e 是西门子专门为数控车、铣机床开发的c n c 系统，集所有的c n c 、p l c 、h m i 和通讯任务于一身。6 11 u e 是一种模块化晶 体管脉冲变频器，由电源模块、功率模块、控制板模块和其它附件组成，在同一 功率模块上可以同步控制主轴和伺服进给轴，最多可以扩展到两个功率模块 同时控制四个数字进给轴和一个数字或模拟主轴。8 0 2 dp c u 、6 1i u e 驱动器和 i o 模块由p r o f i b u s 连接，其主要功能为三轴联动，具有直线插补、平面圆弧 插补、螺旋线插补等控制方式，同时具有螺纹加工、旋转轴控制、前馈控制、加 速度突变限制等功能。8 0 2 d 通过p r o f i b u s 总线发出伺服控制信号，6 11 电源 馈电模块提供总功率，功率模块再对伺服控制信号进行功率放大驱动伺服电机， 编码器反馈伺服电机位置信号给6 1 1 u e 完成对伺服进给的闭环控制。同时6 1 1 u e 功率模块的模拟量输出控制通用变频器，由变频器驱动主轴电机，主轴电机输出 再由编码器反馈至6 1 1 u e ，从而完成对主轴的闭环控制。 主、辅机之间还有交互信号，可以分别由i o 模块和e t 2 0 0 m 收发，在8 0 2 d 和p l c 之间传递央紧完成、开始倒棱、倒棱结束信号，使整个顺序控制顺利完 成。 过程监控层既是现场智能节点的c p c ( 中央控制器) 又是生产管理层的现 场服务器。上位机通过m p i 协议、c p 5 6 1 l 卡网络接口，实现s t e p 7 与p l c 的 通讯；通过w i n c c 组态软件，无需了解的w i n c c 和s 7 3 0 0 p l c d 内部通讯协议， 实现上位机对p l c 的监控；通过r s 2 3 2 ( 中远距离用r s 4 8 5 ) 串口通讯实现上 位程序到8 0 2 d 的下载以及程序的离线调试；通过以太网与生产管理层交互信息， 实现工厂的生产调度、计划、销售等的管理。 生产管理层是企业的生产管理信息系统，为企业的生产管理服务，管理人员 可以通过网络完成监视现场控制部件的运行状态与全厂生产过程，集成系统历史 数据，以及向下层发布生产指令等任务。 1 6 浙江人学碰学位论文 2 4 本童小结 囤21 0自动倒撞控制系统构成图 本章嫩据钢管倒棱过程的工艺设计要求制定了倒棱机的机械总体方案和控 制系统总体方案，具体包括以下几个方面： 1 对钢管加工工艺过程进行了研究，采用钢管固定，刀盘旋转，钢管两端 先后加工的方式，并据此设计了倒棱系统的总体布最方案；