（机械设计及理论专业论文）全自动钢板预处理生产线控制系统的研制.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论丈 摘要 随着国民经济的高速发展，制造业及其它行业对钢板的需求量越来越大，对其质量 特别是表面质量要求也越来越高。为适应市场需求，很多钢铁企业在确保钢板质量的同 时，采取抛丸清理技术对钢板进行表面预处理。由于钢铁企业要处理的钢板种类多、批 量大，传统钢板预处理生产线很难满足要求。所以，研制自动化程度高、预处理速度快、 抛丸清理质量高、适应现代化管理且成本低的全自动钢板预处理生产线具有重要意义。 以上海浦东钢铁公司全自动钢板预处理生产线控制系统为研究对象，在广泛调研和 查阅国内外相关文献资料的基础上，根据钢铁生产企业钢板预处理生产的特点和上海浦 东钢铁公司的技术要求，确定了由工控机作上位监控机、p l c 作下位实时控制机的全自 动钢板预处理生产线总体设计方案。在详细介绍控制系统的研制与开发的基础上，重点 论述了为适应钢铁生产企业对钢板预处理生产的高质量、高速度和现代化管理等特殊要 求，在控制系统中所采取的一系列控制算法和措施。 针对传统的钢板预处理生产线普遍存在高速下抛丸清理质量不高，不能满足钢铁生 产企业需求的实际情况，综合运用图像分析处理技术和模糊控制算法来实对调整弹丸流 量，从而取代传统钢板预处理生产线靠人工凭经验调整弹丸流量方法，从根本上解决了 制约钢板预处理生产线提高清理速度和清理质量的“瓶颈”。 在分析全自动钢板预处理生产线工作原理的基础上，着重论述了综合运用p l c 控制 技术、智能变频技术、智能弹丸流量控制技术、钢板自动测宽技术、i 訇像采集技术、远 程控制自动喷码技术的控制系统的软硬件开发过程。详细介绍了以组态软件为开发平台 的上位机监控软件的开发，该软件可实时模拟显示整条生产线的运行状态、实时监控p l c 及其控制系统的运行情况，实现对喷码机喷码的远程自动控制，对生产过程中的各种历 史数据可进行查询、统计、分析和报表打印，大大提高了生产线的管理水平。 一年多的生产实践证明，本文研制的全自动钢板预处理生产线的产品质量、处理速 度和管理水平等各项技术指标均达到或超过上海浦东钢铁公司的技术要求，控制系统技 术先进、工作稳定可靠，可广泛推广应用。 关键词钢板预处理；模糊控制；抛丸清理：组态软件；p l c 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h - s p e e d d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , l a r g e rq u a n t i t ya n dh i g h e rq u a l i t y , e s p e c i a l l ys u r f a c eq u a l i t yo ft h es t e e lp l a t e sa r er e q u i r e di nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n d o t h e r s i no r d e rt ok e e pu pw i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h em a r k e t ，m a n ys t e e le n t e r p r i s e sc o m et o d os u r f a c ep r e t r e a t m e n tb ym e a n so f s h o t b l a s t i n gb e y o n de n s u r i n gt h ei n t e m a lq u a l i t yo fs t e e l p l a t e s b e c a u s es t e e le n t e r p r i s e sn e e dt od e a lw i t hm o l ev a r i e t i e sa n dl a r g eb a t c h e so fs t e e l p l a t e s ，c o n v e n t i o n a ls h o t b l a s t i n gs t e e lp l a t ep r e t r e a t m e n tl i n e sc a nn o tm e e tt or e q u i r e m e n t so f t h e s e t h e r e f o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pa na u t o m a t i cs t e e lp l a t e p r e t r e a t m e n tl i n et h a th a sh i g h e ra u t o m a t i o n ，h i g h e rs p e e da n dp r e t r e a t m e n tq u a l i t y , l o w m a n u f a c t u r i n gc o s ta n dt h ea b i l i t yt oa d a p tm o d e mm a n a g e m e n t t h et h e s i st a k e st h ea u t o m a t i cs t e e lp r e t r e a t m e n tl i n ec o n t r o ls y s t e mo fs h a n h a ip u d o n g s t e e lc o m p a n ya ss t u d yo b j e c t a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e lp l a t ep r e t r e a t m e n tl i n e s a n dt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so fs h a n h a ip u d o n gs t e e lc o m p a n y , t h eg e n e r a ls c h e m eo f a u t o m a t i cs t e e lp l a t ep r e t r e a t m e n tl i n eh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do ne x t e n s i v es u r v e y sa n d r e s e a r c h e so nd o m e s t i ca n df o r e i g nr e l e v a n td o c u m e n t s ，w h i c hc o n s i s t so ft h ei n d u s t r i a l c o m p u t e ra st h eu p p e rs u p e r v i s o r , p l ca st h eb o t t o mr e a l t i m ec o n t r o lc o m p u t e r i no r d e rt o m e e tt h es p e c i a ld e m a n do fs t e e le n t e r p r i s e s ，t h i st h e s i se m p h a t i c a l l yd i s c u s s e so nh o wt oa d o p t as e r i e so fc o n t r o la l g o r i t h ma n dm e a s u r e st ou p g r a d et h ep r e t r e a t m e n tq u a l i t y , b l a s t i n gs p e e d a n dm a n a g e m e n tl e v e li nt h ec o n t r o ls y s t e ma b o v et h eb a s i so ft e l l i n gt h ep r o c e d u r eo f d e v e l o p m e n to f t h el i n ec o n t r o ls y s t e m i nv i e wo ft h ep r a c t i c a ls i t u a t i o nt h a tt h eq u a l i t yo fs h o t - b l a s t i n go fc o n v e n t i o n a ls t e e l p l a t ep r e t r e a t m e n tl i n e s i sn o th i g ha t h i g hs p e e dg e n e r a l l y , w h i c hc a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs t e e le n t e r p r i s e s ，t h et h e s i su s e st h ei m a g ea n a l y s i sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d t h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi n s t e a do fm a n u a lo p e r a t i o nt oc o n t r o lt h ef l o wq u a n t i t yo ft h e c a s t i n gs h o ta u t o m a t i c a l l y t h e r e f o r e ，t h e b o t t l e n e c k ”w h i c hl i m i t st h ei m p r o v e m e n to ft h e p r e t r e a t m e n ts p e e da n dq u a l i t yo ft h es t e e lp l a t e p r e t r e a t m c n tl i n e h a sb e e ns o l v e d 青岛理工大学工学硕士学位论文 f u n d a m e n t a l l y o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ea u t o m a t i cs t e e lp l a t ep r e t r e a t m e n t l i n e ，t h et h e s i se m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ew h i c h u s et h ep l c i m e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n i q u e ，i n t e l l i g e n tf r e q u e n c yc o n v e r s a t i o nc o n t r o lt e c h n i q u e ， e l e c t r o m a g n e t i s ms h o tf l u xc o n t r o lt e c h n i q u e ，a u t o m a t i cw i d t hm e a s u r et e c h n i q u e ，i m a g ed a t a a c q u i s i t i o nt e c h n i q u ea n dr e m o t ec o n t r o li n kj e ta u t o - p r i n tt e c h n i q u es y n t h e t i c a l l y t h e nt h e t h e s i sd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fu p p e rs u p e r v i s o rc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do nt h ep l a t f o r mo f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nd e t a i l t h i ss o f t w a r ec a l ld i s p l a ya l lt h er u n n i n gs t a t u s e so fw h o l e l i n eb ys i m u l a t i o na n dm o n i t o rt h ep l ca n dt h ew o r k i n gs i t u a t i o no fi t sc o n t r o ls y s t e mi nt i m e i ta l s oc a nr e a l i z ec o n t r o l l i n gi n kj e tp r i n t e rr e m o t e l ya n dr e a l i z et h ef u n c t i o no fq u e r y , c a l c u l a t i n g ，a n a l y z i n ga n dp r i m i n gt h eh i s t o r i c a ld a t ao f w o r k i n gp r o c e s s s oi th i g h l ye n h a n c e s t h em a n a g e m e n tl e v e lo f t h el i n e t h ep r o d u c t i o np r a c t i c e so fm o r et h a no n ey e a rp r o v et h a ta l lk i n d so ft e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o ns u c ha sp r o d u c tq u a l i t y , p r o c e s s i n gs p e e d ，m a n a g e m e n tl e v e la n ds oo no ft h i s a u t o m a t i cs t e e lp l a t ep r e t r e a t r n e n tl i n ec a nr e a c ho re x c e e dt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so f s h a n h a ip u d o n gs t e e lc o m p a n y t h ec o n t r o ls y s t e mw i t ha d v a n c e dt e c h n i q u e s ，w o r k i n g s t e a d i l ya n dr e l i a b l y , c a np o p u l a r i z ea n da p p l ye x t e n s i v e l y k e yw o r d s s t e e lp l a t ep r e t r e a t m e n t ；f u z z yc o n t r o l ；s h o t - b l a s t i n g ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ； p l c 1 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着国民经济的快速发展，造船、集装箱、汽车、机车车箱、机械设备制造等行业 对钢板的需求量越来越大，对钢板质量特别是表面要求也越来越高。钢板从生产完成到 最终用户使用前要经过保存、运输等众多环节，且多是露天存放，极易锈蚀【1 l ，由此造 成的损失相当惊人，给用户带来的麻烦也是不容忽视的，用户在使用前不得不进行表面 清理。为了防止钢板锈蚀，人类做出了不懈的努力，发明了许多行之有效的方法。出现 最早、应用最普遍的是采用涂层保护，以提高其防腐性能和使用寿命。使涂层长期有效 地保户好钢板的首要条件是涂层与钢板基体之间结合牢固，否则，再好的涂层材料、再 好的施工工艺、再好的施工机械、再优秀的施工人员也无法保证涂层对钢板的长期保护。 为了充分发挥涂料对钢板的保护，除了涂料本身的质量外，钢板的表面处理质量及 施工水平也直接影响着涂装工程的质量。实践经验表明，大部分的涂层缺陷都是来自于 不良的表面处理，任何涂料在处理不良的表面上都无法发挥其最佳性能。在锈蚀、油污 表面涂装，无论在时间还是在金钱上，都是极大的浪费，而高等级的表面处理，将会延 长涂层的寿命1 2 j 。 钢板表面处理的方法有抛丸、喷砂、酸洗等方法，其中使用最多，效率最高的是抛 丸清理，而钢板预处理生产线则集抛丸清理、喷漆、烘干等于一体，一次性完成多道工 序。钢板经过抛丸清理后，不但表面上的氧化皮、铁锈等对涂层有害的物质得到彻底的 清除，而且表面具有一定的粗糙度，提高了漆膜的附着力；经过喷漆以后，钢板的表面 质量和抗腐蚀能力得到了大大的提高。钢板预处理生产线处理速度快、工作效率高、质 量稳定，在我国很多造船、机车制造等行业得到了广泛应用。 但是，钢板预处理生产线生产工艺复杂，长度一般从几十米到上百米，占厂房面积 大，设备造价很高，还要有相应的除尘、空气净化设备，否则对周围环境造成严重的污 染。经调查发现，造船、集装箱、汽车、机车车箱、机械设备制造等行业现有的钢板预 处理生产线的生产任务较少，设备利用率比较低，造成了资源的浪费。所以，近年来有 青岛理工大学工学硕士学位论文 些钢铁生产企业为了适应市场的需要，提高产品的竞争力，按照用户的要求，在钢板出 厂前就对其表面进行预处理，这样以来，很受用户的欢迎，不但给钢厂带来了巨大的经 济效益，而且产生了良好的社会效益。 钢厂的用户遍布很多行业，所需钢板的规格多种多样，另外，很多用户从国外或其 它企业购买的未经表面预处理的钢板，也要委托钢厂进行预处理，所以，钢厂的钢板预 处理生产线生产的钢板品种多、批量大、生产任务繁重，管理起来也很麻烦。这就要求 钢板预处理生产线的处理速度要快，处理质量要高，还要有现代化的管理功能。 目前，国内制造的先进一些的钢板预处理生产线多采用p l c 控制，完成生产线的工 艺要求是没有问题的，但是很多工作，例如：弹丸流量和喷漆小车的运行速度等工作需 要凭操作人员的经验手动完成，这就给操作人员提出了很高的要求，产品质量受到人为 因素的影响，导致了产品质量的不稳定，钢板预处理速度也比较低。另外，操作比较复 杂，生产线出了故障不易排查，生产信息只能人工记录，无法满足现代化管理的需要。 所以，在基本不增加或仅少量增加成本的情况下，采用合理的控制方式，提高钢板预处 理生产线的自动化程度和管理水平成为钢板预处理生产线急需解决的问题。另外，为了 适应现代物流和产品出口的需要，所生产钢板要标记清楚且符合国家和国际标准，因此 预处理后对钢板自动喷码也是迫切需要的。 综上所述，探索合理的控制方式，研制自动化程度高、预处理速度快、抛丸清理质 量高、适应现代化管理且成本低的全自动钢板预处理生产线具有非常重要的实际意义。 1 2 钢板预处理生产线发展现状 1 2 1 国外钢板预处理生产线现状 近几十年来，美国、德国、英国等发达国家对钢板预处理生产线机械设备和控制系 统进行了大量的研究，且已产业化，如p a n g b o r n 公司和d i s a 公司推出了全自动钢板 预处理生产线。这两家公司制造的全自动钢板预处理生产线，采用先进的计算机控制技 术，除了钢板的上料和下料需要吊装外，生产现场几乎没有操作工人，使钢板预处理质 量和效率得到了大幅度的提高，目前在国外得到了广泛的应用。但是，从国外引进这样 的全自动钢板预处理生产线价格很高，致使很多钢板生产厂家可望而不可及。另外，国 外在很多方面技术保密，不利于我国技术水平的提高，且操作界面全是英文，给操作人 青岛理工大学工学硕士学位论文 员学习和工作带来困难。 1 2 2 国内钢板预处理生产线现状 目前，我国钢板预处理生产线制造厂家很多，但从国内制造的生产线来讲，总体水 平仍然不高，同美国、德国、英国等发达国家相比仍然存在很大的差距，主要是生产线 的自动化程度和智能化程度相对较低。实际上，国内外钢板预处理生产线的生产工艺和 所用机械设备基本差不多，差别主要在于其控制部分。青岛铸机集团生产的x q 6 9 型辊 道连续钢材预处理生产线达到了国内领先水平，采用p l c 控制，但是仍然无法实现全过 程计算机监控和弹丸流量的智能控制，无法实现钢板自动喷码，喷漆小车调速靠人工手 动调接，操作复杂，故障不易排查，无法实现生产信息自动化管理。 随着计算机技术的迅猛发展和企业现代化管理的需要，钢铁企业对钢板预处理生产 线提出了更高的要求，既要能高速度、高质量的进行钢板预处理，又要求能适应现代化 管理。所以，急需科研院所能开发出自动化程度高、稳定性好、成本低、适合我国国情 的全自动钢板预处理生产线控制系统。 1 3 课题来源及技术要求 1 3 1 课题来源 上海浦东钢铁公司为适应用户和市场的需求，在钢板出厂前要进行预处理，急需具 有处理速度快、清理效果好、经久耐用、方便生产和适应现代化管理的钢板预处理生产 线，所以委托青岛理工大学和青岛铸造机械集团公司联合开发钢板预处理生产线。其中 青岛铸造机械集团负责机械部分设计和制造，青岛理工大学主要负责控制部分的研发。 1 3 2 技术要求 上海浦东钢铁公司要求综合运用计算机智能控制技术、p l c 控制技术、钢板自动喷 码等先进控制技术，研制一条全自动钢板预处理生产线。分别从控制部分和机械部分提 出了相关的技术要求。 1 3 2 1 控制部分技术要求钢板预处理生产线的自动化程度主要体现在其控制部分，上 海浦东钢铁公司对控制部分技术要求具体如下： 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 中央控制室计算机可动态模拟显示整条生产线的运行状态，出现故障自动报警； ( 2 ) 自动调整电磁弹丸流量控制器输出量，以提高钢板的清理质量； ( 3 ) 自动调整喷漆小车运行速度，以提高喷漆质量； ( 4 ) 采取合理方式自动控制喷枪的开停，以减少油漆浪费； ( 5 ) 远程控制喷码机，实现对钢板自动喷码； ( 6 ) 对生产信息计算机管理，要能实现历史数据查询、打印报表等功能。 1 3 2 2 机械部分技术要求上海浦东钢铁公司对钢板预处理生产线机械部分提出如下 技术要求： ( 1 ) 清理钢板尺寸：厚度5 6 0 m m ，宽度1 0 0 0 3 0 0 0 m m ，长度3 0 0 0 1 2 0 0 0 m m ： ( 2 ) 输送辊道：额定负荷1 5 0 0 堙m ，辊道电机采用变频驱动，调速范围1 6 m 朋加： ( 3 ) 抛丸器：台数为6 台，最大抛丸量为5 5 0 k g m o t ，电机功率为3 7 k w ； ( 4 ) 弹丸流量控制器：采用电磁弹丸流量控制器； ( 5 ) 弹丸循环系统：提升机、分离器、螺旋输送器均为2 0 0 t h ； ( 6 ) 喷漆机：移动速度为3 0 1 2 0 m m o t ，喷枪数量为2 支： ( 7 ) 烘干室：烘干方式为热风循环电加热，烘干温度为4 0 6 0 ： ( 8 ) 钢板清理质量：除锈等级达到g b 8 9 2 3 8 8a - b s a 2 5 级，抛丸清理后表面粗糙度 达到5 0 u m ； ( 9 ) 漆膜质量：油漆干燥质量达到指于，漆膜干膜厚度为1 5 2 5 u m ： ( 1 0 ) 除尘系统：采用回转反吹双扁袋式除尘器，经过滤后粉尘排放浓度1 5 0 m g m 3 ， 达到国家环保排放标准要求。 1 4 本文的主要研究内容 全自动钢板预处理生产线整套系统的研制需要进行大量的工作，考虑到时间因素， 结合青岛铸造机械集团多年来研制开发钢板预处理生产线已有的丰富经验，本文主要研 究全自动钢板预处理生产线的控制部分。根据全自动钢板预处理生产线的特点和上海浦 东钢铁公司的技术要求，广泛检索、收集国内外钢板预处理设备控制系统的最新技术， 拟综合运用计算机智能控制技术、智能变频控制技术、智能图像分析技术、电磁弹丸流 量控制技术、钢板自动测宽技术、图像采集技术、远程控制自动喷码等先进控制技术， 研究适合我国国情的全自动钢板预处理智能计算机控制的新技术和新方法。本文围绕所 青岛理工大学工学硕士学位论文 要完成的主要工作进行了详细的论述，具体内容如下： ( 1 ) 钢板预处理系统总体设计 根据钢铁生产企业钢板预处理的生产特点和上海浦东钢铁公司对钢板预处理生产线 的技术要求，在详细分析钢板预处理生产工艺流程的基础上，提出钢板预处理系统总体 设计方案。接下来，介绍了钢板预处理机械系统的组成，详述了各组成设备的功能，确 定了由工控机作上位机、由p l c 作下位机的控制系统设计方案。然后，分别进行了软硬 件系统的总体方案设计，提出运用现有的图像处理设备，采用模糊控制算法对电磁弹丸 流量进行智能控制。确定以组态软件作开发平台研制上位机监控软件，以实现对生产线 的监控和管理：按模块编制p l c 控制软件，以实现对现场设备的实时控制。 但) 模糊控制算法设计 传统的钢板预处理生产线之所以不能满足钢铁生产企业的需求，主要是因为其在高 速下抛丸清理质量差。文中首先分析了在抛丸电机速度一定的情况下，影响抛丸清理质 量的最关键因素是弹丸流量的大小。然后根据传统的钢板预处理生产线靠人工凭经验手 动调整弹丸流量，导致抛丸清理过程中很难保证较好的弹丸流量输出值，严重影响了钢 板的清理质量和清理速度的现状。本文通过深入分析，针对电磁弹丸流量控制系统难以 建立精确的数学模型的情况，提出了采用模糊控制算法对弹丸流量进行实时控制的思想。 在介绍模糊控制工作原理的同时，详细阐述了钢板预处理系统模糊控制器的结构及其算 法，并离线计算出模糊控制查询表，在保证生产效率和质量的同时，简化了软件编程。 ( 3 ) 控制系统硬件设计 硬件是实现控制功能的基础，本文首先进行了控制系统硬件总体设计，然后按功能 模块，详细介绍了监控计算机控制模块、图像采集模块、喷码控制模块、p l c 主控模块、 变频调速控制模块、弹丸流量控制模块、钢板自动测宽模块、功率驱动模块、报警检测 模块和开关量输入输出控制模块的硬件设计及其开发过程。 ( 4 ) 控制系统软件设计 针对控制系统硬件和生产工艺及提高生产线管理水平的要求，首先，采用模块化程 序设计方法，进行了控制系统软件总体设计，然后，详细介绍了上位计算机监控软件和 下位机p l c 控制软件的开发过程。上位机监控软件以功能丰富，操作简便，全中文界面 以及价格适中的组态软件组态王为开发平台，实现了生产线全过程动态模拟显示、 自动故障报警、弹丸流量模糊控制算法程序的调用、钢板自动喷码管理、生产信息的计 算机管理等功能。详细说明了采用c o m 技术，以v c 为开发平台设计多米诺喷码机组态王 青岛理工大学工学硕士学位论文 驱动程序的过程，描述了组态王与p l c 及喷码机通讯的设计与实现。p l c 控制软件设计部 分主要讨论了p l c 主控程序模块、抛丸清理控制程序模块、喷漆过程控制程序模块、钢 板自动测宽控制程序模块、喷码控制程序模块的开发与研制。 ( 5 ) 安装调试及结果分析 介绍了钢板预处理生产线控制系统分阶段安装调试过程和部分设备布置图，分析了 钢板预处理的生产结果和生产线运行情况，生产实践表明：本文研制的全自动钢板预处 理生产线控制系统方案可行，自动化程度高，系统工作稳定可靠，完全满足或超过了上 海浦东钢铁公司的技术要求。 青岛理5 - 大学工学硕士学位论文 第2 章钢板预处理生产线总体设计 按照上海浦东钢铁公司所提的技术要求和研制全自动钢板预处理生产线的指导思 想，根据工艺要求、钢板预处理设备的特点以及现场条件，对全自动钢板预处理生产线 控制原理进行了深入分析和研究，经过多方面对比论证，制定出总体设计方案，然后进 行了机械系统和控制系统方案设计。 2 1 钢板预处理生产线总体方案设计 2 1 1 生产线整体规划 钢板预处理过程如图2 1 所示：首先钢板被吊装到上料辊道，上料辊道自动将其送入 抛丸清理室，经抛丸清理后，钢板得到光亮且有一定粗糙度的表面，接着进入喷漆室喷 漆，喷完漆后进入烘干室进行烘干，然后进入下料辊道进行喷码，最后成品钢板下线。 e 趣匦丑叫 匠 p 回 图2 1 钢板预处理过程示意图 根据钢板预处理过程，在做钢板预处理生产线整体规划时，主要考虑了以下几个方 面的问题： ( 1 ) 钢板在抛丸室中的放置形式一般有立式和水平两种方式，选择哪一种方式，必须 在设计之前确定下来。如果立式放置，钢板在抛丸清理过程中，清理后的氧化皮、弹丸 等在重力作用下，直接落入弹丸回收机构，这样丸料的清理和回收比较方便【3 】，但是钢 板的翻转机构比较复杂，适用于产品种类较少的场合。而上海浦东钢铁公司要求钢板预 处理生产线能处理多种型号的钢板，经多方调研，发现立式放置的钢板的翻转机构比较 复杂而且故障率比较高，不适宜多品种的生产场合，所以在做生产线整体规划时否定了 钢板立式放置的方案。目前，水平通过式抛丸清理室在世界各国应用非常广泛，结构简 单，而且弹丸清扫技术已经很成熟，抛丸清理后钢板上表面清洁度已达到钢板喷漆前国 青岛理工大学工学硕士学位论文 家标准的要求，所以确定钢板放置形式为水平通过式。 f 2 ) 为防止抛丸清理后钢板的上表面受到空气中灰尘的影响，一方面加上防护罩，另 一方面尽量缩短抛丸室和喷漆室之间的距离。另外，喷漆室和烘干室连在一起，钢板喷 完漆后直接进入烘干室烘干。 ( 3 ) 为防止喷漆和烘干过程中漆膜被破坏，辊道采取不同的形式，分成上料辊道、中 间辊道、下料辊道三部分，各辊道均使用变频驱动，运行速度既可以协调一致又可以分 别调整，便于设备维修。 2 1 2 控制方式的选择 近年来，可编程控制器由于其编程方便、操作简单、功能丰富、可靠性高，在工业 控制系统中得到广泛应用，在钢板预处理生产线控制系统中取代以往用继电器柜来完成 逻辑控制、顺序控制、联锁保护等，显示出独特的优势1 4 】。但是可编程控制器无法实现 对生产信息的管理功能，也无法实现对生产现场设备运行状态的动画模拟显示，而工业 控制计算机有着十分丰富的商品软件支持，可以开发出直观方便的图形界面，工控机与 可编程控制器联合已成为当前工业自动化发展的方向和趋势之一【6 j 。所以，本文对上海 浦东钢铁公司钢板预处理生产线拟选用以工控机作为上位机、以o m r o np l c 为下位机 的上下位机结构。 传统的钢板预处理生产线中弹丸流量不调整或靠人工通过目测钢板的锈蚀度凭经验 来调整，钢板抛丸清理质量得不到保障，尤其不适合钢板品种经常更换的场合，大大影 响了钢板预处理的速度。近年来，图像分析识别技术在工业上得到了越来越广泛的应用， 技术也日趋成熟，所以，本文拟采用图像采集识别系统代替人工目测，通过相关的软硬 件来实现对弹丸流量的自动调整。 钢板运行到下料辊道时，需要进行喷码标识，由于上海浦东钢铁公司预处理的钢板 品种多、型号多，不同型号的钢板喷码的信息也不同，所以本文拟选用具有远程控制功 能的喷码机，用计算机来自动控制喷码。 2 1 3 总体方案的确立 为满足上海浦东钢铁公司对全自动钢板预处理生产线高质量、高速度、高管理水平 的特殊要求，结合钢板预处理生产工艺和设备特点，本文设计的全自动钢板预处理生产 线总体方案如图2 2 所示，该生产线主要由机械系统和控制系统两大部分组成，其中：机 青岛理工大学工学硕士学位论文 械系统主要包括输送辊道、辊道驱动器、抛丸清理系统( 包括抛丸器、电磁弹丸流量控 制器、丸料输送装置、除尘系统、丸料清扫系统) 、喷漆室、烘干室等；控制系统主要包 括工业控制计算机、可编程控制器、图像采集系统、喷码打印系统等设备。 全自动钢板预处理工艺流程如下：工作开始前，操作人员将待处理钢板的型号、炉 号、批号、尺寸等信息按顺序输入到工业控制计算机中，生产线启动后，把钢板按顺序 吊装到上料辊道上，等钢板运行到图像采集位置，工控机开始进行图像采集并进行分析 识别，计算出钢板的锈蚀度，同时生产线的运行速度也通过p l c 送到工控机，工控机在 内置软件作用下根据模糊控制算法，通过查表计算出电磁弹丸流量控制器的弹丸流量。 钢板运行到抛丸清理位置，抛丸器开始工作，对钢板进行抛丸清理，钢板经过抛丸器高 速弹丸的抛射后获得一定粗糙度的光亮表面。抛丸清理完成后，钢板通过中间辊道被送 至喷漆室，上、下喷枪开始进行自动喷漆，钢板表面获得均匀的漆膜。然后，钢板由托 辊输送到烘干室进行烘干，漆膜经烘干达到指干后，由下料辊道将钢板送至打码工位进 行喷墨打码，最后形成成品钢板。需要说明的是生产线启动后，丸料输送装置开始工作， 保证丸料可以循环使用；除尘系统也开始工作，使空气排放达到国家标准规定的要求。 图2 2 钢板预处理生产线总体方案示意图 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 钢板预处理生产线机械系统方案设计 2 2 1 机械系统组成 如图2 3 所示，钢板预处理生产线机械系统主要由工件输送系统、抛丸清理系统、喷 漆室和烘干室四大部分组成。工件输送系统主要由上料辊道、中间辊道和下料辊道以及 各辊道的驱动装置组成；抛丸清理系统由抛丸器、电磁弹丸流量控制器、弹丸循环供给 系统、丸料清扫系统和除尘系统五大部分组成，其中弹丸循环供给系统由提升机、丸砂 分离器、储丸料斗、补丸装置、横向输送螺旋、纵向输送螺旋等组成；丸料清扫系统由 滚刷、尾吹风管、尾吹风机等组成；除尘系统由回转反吹双扁袋式除尘器、除尘管道等 组成。喷漆室由喷漆小车、喷枪、换向器、传送链条及减速机构组成；烘干室由电热风 加热器、活性炭吸附回收装置组成。 1 51 4 一 ii - i 【姻蟛 翁 晶 黼直瞥 飞声 7 上 qfe 1 1l ，一 l _ i r 司l o l_ _ 。 li ii1r n 1 _ llui _ _ j 翮1 广 i 广 l f l _h i 。 l 一上料辊道2 一提升机3 抛丸器4 一电磁弹丸流量控制器5 一料斗6 一丸尘分离器7 一除尘管道 8 一纵向螺旋卜滚刷1 尾吹风管1 l 一中间辊道1 2 一喷漆室1 3 一烘干室l 仁废气处理装置 1 5 下料辊道 图2 3 钢板预处理生产线机械系统示意图 2 2 2 机械系统主要设备 2 2 2 1 工件输送系统如图2 4 所示，工件输送系统主要由输送辊道和辊道驱动器组成。 输送辊道包括上料辊道、中间辊道和下料辊道。上料和下料辊道主要由套简滚子链、辊 青岛理工大学工学硕士学位论文 轴、带座轴承及其传动装置等组成。因为抛丸室内的辊道还应有防尘、耐磨等特殊要求， 所以在抛丸室内各辊子的两端设置了隔尘装置，并且将抛丸器弹丸直射下的两根辊子采 用高铬耐磨铸铁材料制成，以此解决了高速弹丸冲击下辊子寿命特别低的难题1 4 。为了 保护漆膜，中间辊道喷漆室部分在辊轴上安装链轮以使钢板和辊道之间只有点接触，烘 干室部分辊道则采用板链输送。板链输送钢板的优点在于喷漆后的钢板与传动件间无相 对运动，这样在钢板运行过程中就不会破坏钢板表面的漆膜，同时也不会出现钢板跑偏 现象【5 】。上料辊道、中间辊道、下料辊道都是通过变频器来控制其驱动电机的启动、运 行和停止的。上料辊道将钢板运至抛丸压辊处，抛丸压辊被钢板压下后，计数器开始计 数，钢板运行到抛丸位置后，抛丸器开始工作，钢板继续往前运行到清扫位置，滚刷和 尾吹装置下降，开始对钢板上表面残留的弹丸及氧化皮等清扫，抛丸清理结束后，钢板 进入中间辊道，将喷漆压辊压下，运行至喷漆位置后，喷漆车开始运行，上下平喷枪往 复运行进行喷漆。喷漆结束后，钢板由板链送入烘干室进行烘干，烘干结束后，钢板运 行至下料辊道，压下喷码压辊，喷码头向下运行，待钢板运行至喷码位置，喷码机对钢 板进行自动喷码，喷码完成后，喷码头抬起，钢板运行至下料位置，生产线自动停止， 等到将处理好的钢板吊走后，生产线继续运行。 奄 。 f夕 厂， 丁。支1 i啊ri 陬川i ih州陋训i 一f rii | 11 e 皿 。哪l ii i il ui ii i 吲删m i1i iu j lj jhi ii i 。= - i 。趟 i 山tj。一直一 l 一上料辊道驱动器2 一上料辊道3 一抛丸压辊4 一抛丸清理系统 5 一中间辊道驱动器 6 一中间辊道7 一喷漆压辊8 一喷漆室9 一烘干室1 0 一下料辊道驱动器 11 一喷码压辊 1 2 下料辊道 图2 - 4 工件输送系统示意图 2 2 2 2 抛丸清理室抛丸清理室是一个钢结构的室体，抛丸清理主要运行机构都装在它 的上面，它分为抛丸室、清扫室、回收料斗几大部分。各部分用螺栓密封连接，前两部 分与回收料斗连通，使丸粒回收再利用。抛丸室顶呈纵向斜面，其上部交错安装三台抛 丸器。抛丸室结构强度要求高，适应抛丸器的振动。它的内部搭接装有耐磨铸铁衬板， 青岛理工大学工学硕士学位论文 衬板悬空挂在固定点上，以防抛射的丸粒对室壁的损伤，提高抛丸室寿命。清扫室外形 的宽度与抛丸室宽度相关，长度、高度由丸粒清扫系统确定，丸粒清扫系统安装在其内 部，出口及与抛丸室接口处分别设置橡胶护帘。回收料斗是按丸粒自然堆积角设计的锥 形漏斗。上面开口回收丸粒，下面开口与纵向螺旋输送器相通，侧面安装三台抛丸器， 与上面抛丸器相对，其结构也应有足够强度。 该生产线是为适应钢板多品种、大批量设计的，当钢板宽度在2 米以内时，只有上 下对应的四台抛丸器开启，当钢板宽度在2 至3 米之间时，六台抛丸器全部开启。这样 既节约能源，又可以防止抛丸器空打对射，损伤抛丸器。 2 2 2 3 抛丸器抛丸器的外形如图2 5 所示，抛丸器的喂丸系统如图2 - 6 所示。抛丸器 由进丸管、分丸轮、定向套、叶轮、8 个曲线叶片、上下两层护板、壳体、抛丸扇面自动 调整机构、主轴、电机等组成1 ”。该抛丸器选用美国p a n g b r o n 公司设计的曲线叶片， 电机功率3 7 k w ，最大抛丸量可达5 5 0 k g m i n ，能获得良好的清理效果。该抛丸器的特点 是：抛丸量大、抛打区丸粒分布均匀稳定、除锈质量好、叶轮转速高、曲线叶片抛射丸 粒速度高达7 0 8 0 m s 。分丸轮、定向套、叶轮、曲线叶片、护板都是高锰合金钢或铬钼 系统耐磨合金铸铁精密铸造而成，磨损小、寿命长。同组8 个曲线叶片重量差不超过2 - - , 4 9 ， 叶轮不平衡力矩小于1 2 5 9 c m 。护板经专门热处理，硬度为h r c 6 0 。 叶轮叶片 图2 - 5 抛丸器外形图图2 - 6 抛丸器喂丸系统 2 2 2 4 弹丸循环系统弹丸循环供给系统主要由螺旋输送器、提升机、丸尘分离器、补 丸装置和电磁弹丸流量控制器等组成，如图2 7 所示。 ( 1 ) 螺旋输送器 螺旋输送器包括抛丸室下部和尾吹设备下部的横向及纵向螺旋输送器。螺旋输送器主 青岛理工大学工学硕士学位论文 要用于将抛丸清理过程中射下的弹丸和尾吹清扫下的弹丸及钢板上清理掉的氧化皮等送 到斗式提升机入口处，然后通过提升机和螺旋分配器将丸尘混合物送入丸尘分离器。 1 一螺旋输送器瑚升机3 一丸尘分离装置蝴斗瑚丸器6 一丸料溢流管 图2 7 弹丸循环供给系统原理示意图 ( 2 ) 提升机 提升机主要由上部传动机构、下部传动机构、筒体、皮带、料斗、皮带打滑检测装 置等组成。提升机主要用于将弹丸从下部的螺旋输送器提升至上部的丸尘分离器。斗式 提升机驱动链条的松垂度以链条中心距2 4 为宜。提升机运转过程中容易产生皮带打滑 现象，可调节张紧装置，或检查提升机下部是否因被弹丸堵塞造成超载1 9 1 。 ( 3 ) 丸尘分离器 丸尘分离器主要由减速器、螺旋分配器、链条、分离装置等组成。丸尘分离器主要 用于分离提升机料斗卸下的丸尘混合物。由螺旋分配器均匀布料，丸尘混合物在分离器 里通过风选进行分离，分离出来的含尘气流通过吸风管进入除尘系统，废料进入废料斗， 合格弹丸进入储丸斗供抛丸器使用【1 0 1 。丸尘分离器中吸风机的速度很重要，风速的大小 直接影响丸尘分离效果。 ( 4 ) 补丸装置 补丸装置主要由补丸料斗、料位计、输丸管和补丸电机等组成。当料位计检测到料 斗中所剩弹丸量较少时，就启动补丸电机通过输丸管向料斗中加入弹丸：当料位计检测 到料斗中弹丸达到一定量时，控制系统就关闭补丸电机1 1 2 】。这种自动补丸装置不需人工 青岛理工大学工学硕士学位论文 加料，保证了抛丸清理系统的正常运行，降低了操作工人的劳动强度。 ( 5 ) 电磁弹丸流量控制器 电磁弹丸流量控制器主要由砂膛、线圈、磁极和传感器等组成，如图2 8 所示为电 磁弹丸流量控制器的外形图。电磁弹丸流量控制器主要作用是在清理不同锈蚀度的钢板 时控制弹丸输出量，它是靠线圈中通电电流的大小来调节的。通电电流越大，线圈中形 成的磁场越大，弹丸流量越小；反之，通电电流越小，弹丸流量越大【l ”。 图2 8电磁弹丸流量控制器外形图 2 2 2 5 丸粒清扫系统它是由清扫刷、双向螺旋输送器、升降机构、尾吹系统组成【8 】。 清扫刷及双向螺旋输送器的主轴轴承座装在清扫室两侧导向板上，由卷扬机调整高度。 清扫室内吹风管为波纹管或布筒，由电动推杆或气缸带动。清扫刷为两瓣式尼龙丝编制， 耐磨损、抗高温。离心风机安装在地面上，以减少振动和噪音。清扫刷将钢板上的大部 分丸粒和杂物扫起，送给双向螺旋输送器，双向螺旋输送器将丸粒和杂物分送到钢板两 侧，丸粒和杂物靠自重落入回收料斗。吹风管将残余的丸粒和杂物吹向清扫刷。 2 2 2 6 除尘系统除尘系统主要由三管旋风除尘器、布袋除尘器、消音器、除尘管道、 设在清理室内的吸尘口、容积沉降除尘