（机械设计及理论专业论文）全自动液压校直机控制技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 油田钻具发生弯曲变形是一个普遍的问题，它给各油田的物力和财力造 成了一定损失。目前我国的压点式校直机械还没有关于钻具校直的全自动液 压校直功能。对于这种钻具的校直，主要是靠操作者的经验和手动来实现， 测量不精确，精度不能保证。为了提高钴具校直的精度与效率，我们进行了 全自动液压校直机控制系统的研究。本文的主要研究内容有以下几个方面： l - 完成了校直机的机械结构设计，并依据负载情况，确定了液压缸的主要 参数，对各驱动电机的功率进行了选择，并绘制了液压系统的原理图。 2 按照校直机的工作特点，提出了适合于本系统的控制方案。并依据系统 功能的要求，完成了对控制系统硬件电路的设计，绘制了控制系统硬件电路 的原理图。 3 完成了基于v b 的部分控制系统的软件。 4 对引起钻杆校直误差的因素进行了分析，并对系统的校直误差进行了 估算。 关键词：油井钻具：液压校直机；计算机；自动控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t i sau n i v e r s a lp r o b l e mt h a td r i l l - - p i p e so fo i lf i e l dc u r v e a f t e rs o m et i m e su s e d ，w b i c hcauseal o to fl o s s e so fm a t e r i a la n d f i n a n c i a lresourcest oe v e r yo i lf i e i d a tp r e s e n t ，i no u rc o u n t r y ， t h e r ei sn o tak i n do fa u t o m a t i ch y d r a u l i cs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e t h is p r e s s i n gp o i n tk i n do fo p b e n d i n gs t r a i g h t e n i n gm a c h i n eh a sb ejn gu s e d d e p e n d i n go nt h ee x p e r i e n c e sa n dh a n d w o r k so ft h eo p e r a t o r s ，b u ti t s p r e c is es t r o k eo fp r e s s i n gd o w ni sv e r yl o wa n dm e a s u r ei so u to ff o c u s t oi m p r o v et h ep r e c is i o na n dt h ee f f i c i e n c yi ns t r a i 曲t e n i n gd r i l l p i p e s ，w em a k ear e s e a r c hi nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea u t o m a t i c h y d r a u i i cs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e p r i m a r yr e s e a r c hi t e m sa r ea s f o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h el o a do ft h em a c h i n e ，w ew o r ko u tm a i np a r a m e t e r s o fh y d r a u l i cc r o c k ，c h o o s et h ep o w e ro fa l le l e c t r i cm a c h i n e sf o rt h e s t r a i g h t e n i n gm a c h i n ea n dp r o t r a c tt h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h e h y d r a u li cs y s t e m 2 a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t yo ft h es t r a i g h t e n i n gm a c h i n e ，w ep u t f o r w a r dac o n t r o ls c h e m et h a ts u i t st ot h es y s t e ma n dc o m p l e t et h e d e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i tr e l y i n go nt h er e q u i r e m e n to fs y s t e m f u n c t i o nf o rt h ec o n t r o ls y s t e ma n dp r o t r a c tt h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ec o n t r o ls y s t e m 3 ap a r to fc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ew h i c hb a s e so nv bh a sb e e n c o m p e t e d 4 w ea n a ly z ef a c t o r st h a tc a u s et h ee r r o rd u r in gt h ep r o c e s so f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s t r a i g h t e n i n gd r i l lp i p e sa n dw o r ko u tt h ea p p r o x i m a t ev a l u eo f s t r a ig h t e n i n ge r r o r k e yw o r d s ： o i lw e l l d r i l lp i p e ：h y d r a u l i cs t r a i g h t e n in gm a c h i n e c o m p u t e r ：a u t o m a t i ec o n t r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的意义 油田钻井钻具在使用过程中会发生弯曲变形甚至断裂。发生弯曲变形的 钻具，为使其能被继续使用，从而节约费用，就必须进行校直。因而，校直 设备的研究就成为必要。校直方式分两大类，既辊式校直和压点式校直。其 中辊式校直设备己做得相当成熟，但由于钻具结构上的特殊性，即在钴杆两 端连接处直径较大，不能在辊式校直设备上进行校直，所以必须选择压点式 校直设备。我国的压点式校直设备对小直径、小跨距的轴类等工件的压点式 校直己实现自动化，校直精度高，生产效率较高；对大直径、大跨距的工件 进行的校直还主要通过手动来实现，对操作者的经验依赖较大，在校直过程 中存在测量不精确、校直精度差、生产率低。因此，针对大直径、大跨距的 钻具校直来研究全自动液压校直机的计算机控制系统的研究具有重要的实用 价值和意义。 1 2 国内外发展概况 国外发达国家专门有校直机制造公司和研究机构。近二十年来，德国、 意大利、日本等国发展了手动伺服控制精密液压校直机，其应用比较普遍。 全自动精密液压校直机也己发展完备。 同本东和精机株式会社生产的a s p 系列智能型校直机能自动检测工件 在三维方向上的挠度，以计算结果为基础，选出校直点，控制滑块行程值及 校正挠度值。检测装置包括：计算机控制的轴直线度检测系统，以千分表指 示修正点的顺序号和挠度值，以数字开关输入最小校正值，通过弯曲形式的 识别，计算并选择出滑块的加压点。该机还带有自动上下料装置。国内已有 一家引进。 日本国际计测器株式会社与长春试验研究所合作生产了a s c 系列校直 哈尔滨工程火学硕士学位论文 机。该机有自动、半自动二种模型，采用日本技术及关键零部件，由长春试 验研究所生产主机及装配。该校直机有智能化的分析测量系统、可程控的电 机、电器、机械、液压、空压控制技术。a s c 系列校直机灵活的人机界面、 向用户开放的技术条件为提高整机的工作效率创造了极大的方便。 詹尼公司生产的高精度全自动校直设各，其校直力选择范围从l l o o t ， 并具有可选择适合于各种工件几何尺寸的校直点和测量点等功能。 德国d u n k e s 公司生产从1 0 0 2 0 0 0 k n 共1 1 个规格的手动伺服单柱精密 液压校直机。 德国的m a e 公司发展了a d s 2 5 r h 型2 5 k n 和a d s f 6 3 r h 型6 3 0 k n 闭式全自 动液压校直机，该系统带有与材料性能有关的自动优化工艺软件，并以可编 程的微处理器控制校直和测量顺序。其功能有：最大8 个感觉位置的测量、 处理和记忆系统；数字键盘的屏幕显示终端并有人机对话系统；以清楚的文 字修正错误信息和相应的程序，能确定最终校直阶段的顺序；大量统计数据 的修正和求值；还有与主计算机连接的接口。适用于校直中、大批量生产的 对称平衡件，或自动生产线中的校直工序。 m u l l e r w e i n g a r t e n 公司生产了用于校直轴类零件的全自动液压校直机 r r e 系列( 1 0 0 1 0 0 0 k n ) 。该系列校直机为闭式，组合结构床身，由电子系统 控制工件的回转和夹紧，可编程控制器可进行编程记忆和主要故障防护、数 据存储及对校直过程进行控制等。还配备自动废品剔除系统、裂纹监控装置、 机器人等。 还有一些生产校直机知名度较高的企业，如意大利的g a ld a b i n i 公司， 美国的t a at r a n d i n g 公司等。他们的校直机都有较高的水平，集中表现在智 能化、自动化、测量精度高、生产节拍快等。 近年来，国内的校直设备有了很大的发展，总的发展趋势如下：系列完 整、品种规格齐全；精度高，检测、显示手段完善，校直工件质量好；附件 2 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 齐全、校直工艺范围扩大；向数控化、柔性化、自动化方向发展。但国内大 多数是辊式校直机，压点式校直设备在国内应用比较普遍的是y 4 1 系列单柱 校正压装机，该产品自动化程度低，属于凭经验校直，校直精度低。 合肥工业大学与合肥压力机械厂合作，研究成功最大校直力为i o o k n 的 单柱精密校直液压机。该机采用移动式手动液压伺服控制，具有压力、行程 和油温数字显示和预置功能，并具有多种报警。该机的研制成功，提高了我 国型材精密校直工艺装备的水平。对轴类、管类、棒料等零件进行精密校直， 可提高工件校直精度和生产效率。 手动伺服控制型精密校直液压机带有适应各种轴类零件的附件，调整操 作方便，校直精度高，国外发达国家已普及应用。我国液压机行业在调整产 品结构中，应积极开发技术附加值高的精密校直液压机系列及成套附件，完 善检测装置，这样对以国内产品替代进1 3 产品，提高经济效益，增强市场竞 争力等都具有广阔的前景。 1 3 本文主要的研究内容 本文主要完成了液压校直祝的机械结构设计、控制系统设计等内容。 ( 1 ) 完成了校直机的机械结构设计，拟定了液压系统原理图。 ( 2 ) 完成了校直机的控制系统硬件设计。本系统采用了下位单片机，上 位p c 机这样一个简单的控制系统。设计了下位单片机传感器及开关量信号检 测电路、控制电磁阀输出电路、复位电路、p c 机与单片机之间的通信的接口 电路等，并给出了控制系统电路原理图。 ( 3 ) 按照校直过程要求，初步设计了上位p c 机的程序软件。其中，p c 机软件采用v i s u a lb a s i c 6 0 高级语言编写，该软件应能完成与下位单片机 的通信功能、实时数据采集与处理、监控并实时显示校直系统的状态等功能。 ( 4 ) 针对校直系统提出的校真精度要求，分析了几种影响系统校直精度 的主要因素，并对系统的校直误差进行了估算。 哈尔滨_ _ | 二程大学硕士学位论文 1 4 论文的工作计划 2 0 0 1 1 2 2 0 0 2 1 2 0 0 2 1 2 0 0 2 3 2 0 0 2 3 2 0 0 2 6 2 0 0 2 6 2 0 0 3 9 2 0 0 2 9 2 0 0 2 1 1 2 0 0 2 1 1 2 0 0 2 1 2 2 0 0 2 】2 2 0 0 3 3 调研、收集资料 方案论证、开题 完成校直机机械结构设计 完成校直机控制系统硬件电路设计 完成部分控制系统的软件编制 完成系统的误差分析和计算 撰写论文、修改论文、申请答辩 4 哈尔滨t 程火学硕士学位论文 第2 章校直系统的机械结构设计 本章主要介绍了液压校直机系统的机械结构组成，并对组成校直机的压 力机部分的液压系统进行初步设计，在明确设计原则和依据的条件下，确定 液压系统的主要参数，拟定液压系统原理图，计算和选择液压元件，并对驱 动油泵的电机、驱动钻杆旋转的电机和驱动压力机小车的电机进行了选择。 2 1 液压校直机的机械结构及工作过程 21 1 液压校直机的机械结构 液压校直机的结构简图如图2 1 所示。它主要由校直机机架和压力机组 成。校直机机架上的导轮起旋转定位的功能。它由交流电机通过减速箱变速， 降低转动速度的同时提高输出力矩，带动钻具旋转。压力机由压力机小车带 其中，l 总控制箱2 液压源3 液压油路4 立柱锁紧螺母5 压 头6 主油缸7 工件8 立柱9 工件旋转机构1 0v 型支架1 1 工字梁形工作台 1 2 下横梁1 3 立柱锁紧螺母1 4 行走机构1 5 调整螺母1 6 上横梁 图2 1 校直机的结构简图 萄 哈尔滨工程人学硕士学位论文 动沿导轨往复运动，压力机小车由交流电机驱动，这里的压力机采用液压泵 驱动，液压泵采用交流电机驱动。 2 1 2 液压校直机的工作过程 当钻杆上台以后，校直机启动校直过程。先由传感器检测出钻杆的弯曲 情况，检测数据交由控制系统加工处理，然后由控制系统控制各电机的动作， 完成校直过程。即先由电机驱动导轮使钻杆的最大弯曲处竖直向上，再由电 机驱动压力机小车将压头移到钻杆最大弯曲处，然后压头压下完成第一次校 直过程。 2 2 校直机液压系统元部件的确定 2 2 1 压力机液压系统的设计原则和依据 压力机一般有两类。一类为机械式；一类为液压式。其中机械式结构复 杂，制造周期长，成本高。而液压装置的工作比较平稳，重量轻，惯性小， 反应快，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压传动容易实现自动化， 因为它是对液体的压力、流量和流动方向进行控制或调节，操纵很方便。当 液压控制和电气控制结合在一起使用时，能实现复杂的顺序动作和远程控制。 另外，液压装置易于实现过载保护。液压元件能自行润滑，因此使用寿命较 长。由于液压元件已实现了标准化、系列化、通用化，液压系统的设计、制 造和使用都比较方便。而且用液压传动来实现直线运动远比机械传动简单。 参照以上液压传动的优点，因此本设计拟采用液压式压力机。 液压式压力机的机体结构一般常用的有单臂式( 开放式) 、柱式等不同种 类。工作缸一般有单缸、双缸和多缸等。系统的传统方式一般有液压泵宜接 传动、液压泵一蓄能器传动和增压器传动等。 本系统中压力机的负载不大，主缸中的压力随活塞的工作行程而平稳地 增加，最后达到最高压力。负载特性接近直线。负载特性见图2 2 所示。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f m a x 0s 图2 2压力机的负载特性 本系统中压力机对钻杆校直过程中，要求压力机有快速空程、快速回程 等基本动作。压力机的基本工作循环是：快进，减速接近工件，加压工作行 程，泄压、快速回程。压力机的工作循环见图2 3 。 s 一 一快进- 减速加快退 啼 t 进 图2 3 压力机的工作循环 所以本系统拟采用双柱式结构、单缸、液压泵直接传动的方式。 由于立式设备占地面积虽小，但商度方向要求i 0 米以上，对厂房高度或 吊车等均有影响，操作不方便。卧式设备占用厂房面积大，但操作、吊装等 方便，因而本设备采用卧式方案。 本液压系统中的执行元件是液压缸，主要实现快进一工进一快退一停止 的工作循环。压力机最大行程3 0 0 毫米，工作行程2 0 0 毫米，工作速度6 2 0 毫米秒。本系统中取压力机的工作速度为1 0 毫米秒。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 液压缸主要参数的确定 在明确了液压系统的设计依据之后，下面确定液压系统的主要参数。确 定液压系统的主要参数，这里是指确定液压执行元件的工作压力和最大流量。 工作压力可以根据同类型设备所选用的压力级来参照选取。最大流量则由执 行元件速度的最大值计算出来。这两者都与执行元件的结构参数( 指液压缸 的有效工作面积) 有关a 一般的做法是先选定工作压力，求出液压缸的有效 工作面积，经过验算、调整，最后确定出最大流量来。 为求出执行元件负载的最大值，先进行钻杆校直时的受力分析： ( 1 ) 钻杆弯曲受力分析 杆件弯曲是在载荷作用下产生的弯曲变形。载荷( 力或力矩) 均位于轴 面内，且与轴线相垂直。常见的是单弯的平面弯曲。如图2 4 所示。若裁荷 作用于两支承点之凤蜊料力锄，最大挠度为。且k 一箍。 图2 4 钻杆弯曲受力情况 此时，若在弹性范围内，载荷p 去掉后，杆件将恢复为直杆，但当载荷大到 一定程度后( 即超过屈服极限) ，一部分会产生塑性变形，另一部分( 弹性变 形部分) 在载萄去掉后，变形将得以恢复，但塑性变形部分将残留下来，杼 件变弯。 ( 2 ) 校直时受力分析 钻杆校直时，可看作为平面单弯校直。钻杆校直过程相当于上述钻杆弯 曲的反过程。其受力和能量转换类似。因此，可以此进行反计算。如：弯曲 最大挠度为y m 。，则校直时，p 一4 8 e j y , 。1 s 。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 本课题中校直力的估算 已知：钻杆外径d = 西1 3 9 7 ( 壁厚9 m m ) 钻杆内径d = 中1 2 l 弹性模量 e = 2 0 0 g p a 则有 胜矩，= 型 支承距离 最大弯曲 ，= 1 5 0 0 r a m 】k2 5 0 r a m p ：- 4 8 e d y m x ，5 = 1 1 8 5 4 3 r g 即校直压力为1 1 8 吨。 考虑一定安全系数和余量，初选p = 1 2 0 吨。按机械工程手册 表3 4 7 - - 4 中液压机压力级的参考值，可初定为1 6 m p a 因本系统的执行元件为单活 塞杆液压缸，且以无杆腔为工作腔，见图z 5 所示。 则有： 式中： 圪 d d a 图2 5 液压缸结构简图 p j a l p 2 a 2 = f o ( 2 - 1 ) 缸的最大工作力 缸的工作腔压力 缸的回油腔背压力 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a ：n - d 2 无杆腔的有效面积 4 爿，：丛生二盟有杆腔的有效面积 d d 活塞直径或缸内径 d活塞杆直径 缸最大工作力e 可按以下关系确定： f o ：旦 ( 2 2 ) ” 式中：f 缸的外负载 = 1 一叩。缸的机械效率 缸的机械损失率 按机械工程手册表3 4 7 一1 6 ，当活塞密封圈采用o 、u 、x 、y 型式 中一种时，墨 。一0 92 a - 式中：0 9 考虑交流电网波动1 0 一 交流电机过载倍数，此处 ，= 2 0 则代入数据得： 2 2 哈尔滨工程人学硕+ 学位论文 只器姐3 9 6 ( 例 此处选择y t t 一8 0 l 一4 型交流异步电机，额定功率为0 5 5 k w ，额定转速为 1 0 0 0 r r a i n 。因为按过载能力选择的电机功率较大，在发热方面有裕度，因 而不必进行温升校验。 2 3 2 钻杆旋转系统电机的选择 钻杆旋转系统的传动方案与压力机行车传动方案相似，其依靠摩擦轮与 钻杆表面的摩擦力完成钻杆的旋转。已知钻杆外径d = 1 3 9 7 m m ，内径 d = 1 2 1 r a m ，壁厚为9 r a m ，则钻杆重量为： g ；，杆= p 坫杆g 【茚。( 刍：一万。( 要) z 。序( 2 - l 。) 式中：h 钻杆长度m p 钻轩 钻杆密度磁伽3 代入已知数据得： g 锚扦2 7 8 1 。3 9 8 1 【z ( 半) 2 _ f l j ( ! 兰! ! ；坚) 2 】1 。= 2 9 2 8 j v 钻杆受力如图2 1 1 所示。由力系平衡原理可得： g = 4 ns i n 0 ( 2 一1 1 ) 图2 1 1 钻杆受力图 2 3 堕堑鎏王堡奎堂堕主堂笪堡苎 式中：g 钻杆重量 摩擦轮受钻杆正压力 0 钻杆受摩擦轮反作用力与水平面夹角 则代入已知数据： = 丽2 9 2 8 = 4 2 1 5 4 ( )4 s i n l o o 、 根据机械工程手册表3 3 3 6 ，摩擦轮与钻杆间滑动摩擦系数，= 0 2 则摩擦轮与钻杆间摩擦力为： f 2 n 代入已知数据得 r = 4 2 1 5 4 0 2 = 8 4 3 ( n ) 由此摩擦轮产生的驱动力矩可计算如下： 式中 驰2 珞，4 驱摩擦轮产生的驱动力矩 f 钻杆半径 f 2 1 2 ) 代入已知数据得： m 摩叫3 掣4 _ 2 3 5 5 ( n 已知钻杆最大弯曲不超过5 0 脚m 。在钻杆旋转过程中，由于钻杆弯曲而 产生的最大阻力矩为： 2 g s( 2 - 1 3 ) 式中： 钻杆弯曲产生的阻力矩 g 钻杆重量 s 钻杆质心最大偏离量 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 钻杆最大弯曲情况如图2 1 2 所示。现求其质心最大偏离量。将钻杆弯曲 j i v 汰 、 _ j ， r 、 5 0 0 005 0 0 0 ，+ f ， ， r 图2 1 2 钻杆最大弯曲情况 部分近似视为圆的一部分，则有： 可解得 可得出该圆弧方程： r 2 一( r 一5 0 ) 2 = 5 0 0 0 2 ( 2 - t 4 ) r = 2 5 0 0 2 5 ( m m 、 下面求出在此弯曲情况下圆弧质心的最大偏移s ，可得： 弦2 = 2 5 0 0 2 5 xyay 2 5 0 0 2 5 删n c 罴m m 再2 删n ( 意羔) s n 将圆弧方程代入，得： 2 5 0 0 2 5 25fy+249975250025- ) j 2 5 u u 2 5 ) 0 1 - y + 2 4 9 9 7 5 d ( 业翌) 一2 5 0 0 2 5 。 。2 5 0 0 2 5 ：- 州s 片一( 筹) = 2 5 0 0 2 5 x 蝴( 万5 画0 0 0 i y + 2 4 9 9 7 52j 1 - 一l j j 石石：! ；一j 、2 5 0 0 2 5 4 “1 。2 5 0 0 2 5 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 整理得： s ：1 6 6 6 7 3 _ 1 4 ：3 3 3 ( m m ) 5 0 0 0 3 将s = 3 3 3 代入式( 21 ) ，得： m = 2 9 2 8 3 3 3 1 0 一= 9 7 6 ( n m ) 可见m 驱 m 阻，即通过摩擦轮可驱动钻杆旋转。 己知钻杆工作时的转速为厅t a d s ，初定电机转速为1 0 0 0 r m i n 。则中 间减速机构的减速比应为2 3 9 。此处采用w s 型圆柱蜗杆减速器，传动比为 1 7 6 7 。另一级链传动比约为1 4 7 。已知各级传动的效率：r 雎= o 9 ，叩链= o 9 6 ， r 践= o 5 。此时对钻杆起动的快速性提出要求，令其在0 2 秒内由起动达到稳 定转动状态。则求其角加速度： 5 ：竺：三：1 5 7 ，耐s 26 一一l j ，“，j ro 2 求未发生弯曲时钻杆转动惯量： ，钻杆= 去m ( 月l2 + 矗22 ) ( 2 一1 5 ) 式中：m 钻杆质量 j 钻杆 为弯曲时的钻杆转动惯量 咒钻杆外径 尺，钻杆内径 代入已知数据得： i ，钻杆，= 1 2 7 4 ( k g 聊2 ) 如前所述，当考虑钻杆弯曲时，钻杆质心最大偏移量为3 3 3 m 脚，则其总 的转动惯量，。为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ，总= ，钻杆+ m s 2 ( 2 1 6 ) 将已知数据代入得： 如= 1 2 7 4 + 等0 0 3 3 3 2 = 1 6 0 5 ( k g 彬) 则起动时所需加速转矩为： m 加2 ，总5 = 1 6 0 5 1 5 7 = 2 5 2 ( n m ) 所以负载工作时最大阻力矩为： m = m 阻+ m = 9 7 6 + 2 5 2 = 1 2 2 6 ( n m ) 则折算到电机轴上的负载功率为： r = m x9 0 ( 2 - 1 7 ) f | 寄“f | 链x 1 1 械 式中：0 3 钻杆旋转角速度 则代入已知数据得： p ，：丝：! ! ! 一1 4 4 5 8 ( ) 0 9 09 6 0 52 、7 按小功率电机选取原则，此处再加1 5 的发热裕度，则： 最= 最( 1 + o 1 5 ) = 4 4 5 8 1 1 5 = 5 1 2 7 ( w ) 按过载能力来选电机： p 墨： 0 9 2 兄 式中：0 , 9 考虑交流电网波动1 0 如交流电机过载倍数，此处为2 4 代入已知数据得： 尸器=264(w)092 2 4 初选坯7 1 2 6 型异步电机，额定功率只= 2 5 0 l ：e ，额定转速为1 0 0 0 ，m i n 。因 哈尔滨工程大学硕士学位论文 按过载能力选择裕量较大，所以不再进行发热温升校验。f 面检验其起动能 力。园电机在起动时，可能遇到m 5 = 9 7 6 n - m 的情况。启动时负载转矩为： m 。：监立生一1 1 0 一9 5 5 _ 9 _ o ( 21 8 ) 叩摩。叼链叩臧 2珂 式中： m 。 电机启动时的负载转矩 代入已知数据得： m z q = i 淼三1 0 - 3 x 9 1 0 5 0 5 0 0 = 3 3 9 ( n 0 9 0052 - ，”) 9 6 1 0 0 0 所选屯机启动转矩为： m 。= k r 二上9 5 5 0 ( 2 一1 9 ) 式中： k ，起动转矩倍数，此处取1 ，8 代入已知数据得： m 。：1 8 堕9 5 5 0 ：4 2 9 ( n m ) 1 0 0 0 q， 由此可见，此时m 。 m ：。，这样起动能力校验通过。 因在钻杆旋转过程中，钻杆与摩擦轮之间不允许出现打滑，即在电机达 到最大电磁转矩时也不允许出现打滑。电机输出摄大电磁转矩为： m 。= 五。且( 2 2 0 ) 式中： m 。，电机额定转矩 九电机过载倍数，此处取为2 4 则代入已知数据得： m 。= 2 4 1 0 0 2 0 0 5x 9 5 5 0 = 5 7 3 ( n 珑) 传递到摩擦轮上的驱动力矩为： 2 8 哈尔滨1 稃大学硕二 学位论文 m 。= 丝鼍净坠( 2 - 2 1 ) k 式中： 甜 电机转速 i 减 减速器减速比 i 链 链轮减速比 m 。 传递到摩擦轮上的驱动力矩 代入已知数据得： 心= 等等蔫秽= 7 1 4 4 c 胁， 6 0 一_ 二：二：。= ： 6 0 1 7 6 7 1 4 7 钻杆与摩擦轮之间的摩擦力对摩擦轮所产生的最大可能力矩为： m 一= 鲁链 z z ， 2 式中： m 驱摩擦轮对钻杆旋转所产生的最大驱动力矩 d ，d 钻杆外径与内径 代入已知数据得： 。= 器警互1 8 4 3 ( n 2 由于m 。 m 。，即当电机输出其最大转矩时，摩擦轮与钻杆间也不会 发生相对滑动，能够满足要求。 2 4 电机制动器的选择 首先为压力机行车电机选择制动器。此处将传动机构的飞轮矩约取为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 0 3 g d 2 ，然后将系统的飞轮矩折算到电机轴上得 争百g d f 2x w 邓+ o s ，三等耐+ 扣z 。， 将已知数据代入得到折算到电机轴上的转动惯量： 1 0 0 0x 2 1 1 2 7 警_ ( 1 删黑+ 2 0 0 0 x ( - 9 。x 6 0 x 1 。0 厅0 0 ) 2 _ o0 4 5 1 ( 聪m 2 4 9 0 0 0 x ) 4 p8 、 iz 厅 、。 6 0 已知这里所选驱动小车的链条为t g l 2 7 ，其最低破断载荷q 为1 8 0 0 k g 小车正常行走速度为o 4 9 4 m s ，忽略摩擦，其最大减速度为： d 2 2 代入数据得： d 。：塑坠塑：8 8 2 5 m s 2 2 矿2 即小车由运动到静止最少须经过的时间： u f m m2 口撼 代入已知数据得： r 一= 罴= o 嘶秒 则加在电机轴上的最大制动力矩为： 竹制爿”“。毒 代入已知数据： m制20045l墼=8434(n60x00 5 6 m )剌 ”， 燃d l m 5 型交流电磁块式制动器，其制动力矩为8 0 n 研。 驱动钻杆旋转的电机制动器的选择。因为当摩擦轮与钻杆间处于临界相 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 对滑动时，系统由运动变为静止所经历的时间最短。则分析系统受力，己知 钻杆所受力矩情况如图2 1 3 示。 m m 图2 1 3 钻杆所受力矩 此处将传动装置飞轮矩约取为0 3 g d2 ，折算到电机轴上的系统的总的转 动惯量约为： 圭警划+ o s ，争詈耐+ 长研。t ， 式中： q 钻杆旋转角速度 础电机旋转角速度 代入已知数据得： 警= ( 1 + 0 3 ) 等+ 三1 6 0 5 2 (丽13 9 7 志14 7 而1 7 ) 2斗g 4 9 6 7 = 0 0 0 1 5 7 ( x g m 2 、 则应加在电机轴上的最大制动力矩为： = 皇芋。罢l 2 5 )1 。 4 9 ” k 嘧i 摩 代入已知数据得： m 制2 1 1 6 5 5 x 1 7 6 7 x l a 7 x 1 3 9 7 x 0 0 0 1 5 7 = 6 6 4 ( n m ) 此处选d l m 4 0 6 型交流电磁块式制动器，制动力矩为6 n 。 节 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章介绍了液压校直机的机械结构，并阐述了其工作过程。介绍了压力 机液压系统的设计思想，确定了液压缸的主要参数，拟定了液压系统原理图， 并对液压系统的性能进行了初步的估算。计算结果表明，液压系统的性能能 够满足系统设计要求。又根据钻杆旋转驱动电机和压力机行车电机的负载情 况初步确定了电机的功率，并依据对系统的工作要求相应地选择了电机制动 器。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章控制系统硬件设计 3 1 控制系统总体方案 依据校直机的校直作业要求，设计了控制系统的硬件电路，其示意图如 图3 1 所示。在此采用了下位单片机、上位p c 机组成一个简单的控制系统。 图3 1 控制系统硬件电路示意图 这里的控制用计算机采用8 0 9 8 单片机。8 0 9 8 单片机是专为工程应用而 设计的按工业品级生产的计算机，可以在十分恶劣的环境中工作。考察本课 题中校直机实现计算机控制所需的微机配置。要实现实时控制对计算机的运 算速度要求较高。在本系统中，由于系统所要求的校直精度较高，所以它的 直接影响就是对系统硬件的要求较高。8 0 9 8 单片机的运算速度完全能满足本 系统的要求，1 6 位乘法和3 2 位对1 6 位的除法所需时间是微秒数量级的，那 么即使数字控制器再加上其它操作，对对象采样、处理、输出一次，最多占 用时间在毫秒数量级。因此，8 0 9 8 的运算速度完全能满足本控制系统的需要。 本系统涉及3 个传感器的模拟输入，2 个计数器的脉冲输入，3 个开关信号输 入，7 个开关信号输出分别控制电机的起动、换向阀的换向及制动器的开合， 3 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 另外还有6 个输出口控制两个步进电机。8 0 9 8 单片机通过自身引脚及i o 口 的扩展完全能够满足系统输入输出的要求。 3 。1 1 钻杆旋转控制 钻杆旋转的控制由交流电机驱动实现，交流电机由三相交流接触器、继 电器控制实现电机的起、停、正转、反转等功能。电机的控制采用闭环控制， 控制精度高是其一大优点。 3 1 2 支点、压力机小车行车定位控制 支点小车行车采用步进电机驱动，步进电机是一种将电脉冲信号转换成 相应的角位移或线位移的执行元件。每外加一个脉冲信号，它就运动一步。 目前，步进电机广泛采用数字控制系统。步进电机有以下几个特点：可直接 实现数字控制，且控制性能好；通常不需要反馈就能实现位置或速度控制： 位置误差不会积累；具有自锁能力和保持转矩。 根据以上特点，支点小车行车定位控制采用开环控制，只要合理设计传 动方案，就可以获得希望的位置精度。如图3 2 所示，由8 0 9 8 单片机发出电 图3 2 支点、压力机行车定位控制原理 脉冲和方向信号，传到硬件环分电路，由硬件环分电路将输入脉冲有规律地 转换成数目与电机相数相同，相位差固定的触发信号，由功率驱动器驱动步 3 4 圈 h 一斗 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进电机，实现步进电机的转动。转动方向由单片机发出和电脉冲同步的方向 信号来控制。 压力机小车采用普通交流异步电机驱动，制动时采用制动器。因为钻杆 弯曲较为平缓，因此普通交流异步电机也能满足校直精度要求。具体校直误 差的计算见后面的章节。 3 1 3 压头的控制 压头的控制主要包括两方面。一是正、反行程控制：二是压头进给量的 控制。本系统采用电液换向阀来控制压头的正、反行程。电液换向阀由单片 机通过驱动电路来控制。其原理图如图3 ，3 所示： 8 0 9 8 监 片机系统 1 一黝蝴料一 图3 3 压头的正、反行程控制原理 压头进给量控制采用闭环控制。在压力机上安装上直线位移传感器，用 以测量压头的压下量；再在压头上安装一个开关电路，用来通知系统压头接 触钻杆的时刻。当测试系统工作完毕后，由计算机系统计算出钻杆的最大弯 曲挠度，进而算出钻杆的校直量。当压头压下接触钻杆时，由开关电路通知 系统，系统记下此时安装在压力机上的直线位移传感器的量值，此后系统反 复读取其量值，并与其初始记下的量值相减，直至其差值等于校直量。此时 校直结束，系统复位。下一轮校直开始。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 控制系统硬件电路 32 1 模拟信号输入电路的设计 在本系统中，模拟信号经过传感器自身电路的标定使其输入值范围 爿一肼为0 5 伏。这样，后续4 d 处理电路完全相同。下面仅以直线位移 传感器的模拟信号输入电路为例阐述电路构成。见图3 4 所示。 a 0v r e f 图3 4 模拟信号输入电路 f v r e f ( - s v ) 图3 4 中所示d ：、d 3 构成一个保护电路，以确保彳c 日。输入端电压在 允许范围内变化而不损坏芯片，此处为一o 7 5 7 伏。具体工作原理如下： 当a 点输入爿一i n 为很低负电压时，d ，导通，d ：截止。由于二极管自身管 哈尔滨工程大学硕士学位论文 压降为0 7 伏( 硅管) ，所以a c h 。点电压被箝位在一0 7 伏；当a 点输入a i n 大于5 伏时，d ：导通，d ，截止。由于二极管自身管压降为0 7 伏( 硅管) ， 所以a c h 。的电压被箝位在5 7 伏。所以，不管a i n 如何变动，a c h 。的输 入电压总是在一o 7 5 7 伏，这正是在a c h 。的允许变化之内。其中o p 0 7 是 电压跟随器，在电路中起降低噪声和缓冲的作用。 基准电压源是提供给一d 转换器在转换时所需要的参考电压，这是保证 转换精度的基本条件。在此，吒，单独由高精度稳压电源提供。l m 3 3 6 为精 密稳压电源，通过调节电位计，使得，的输出为精确的+ 5 伏。见图3 5 所示。 叟立 r 立 = 图3 5a d 转换基准稳压电源 实际接线时应注意：爿d 转换器的基准电压对转换精度的影响很大。 a n g n d 引脚必须很好地接地，尽量接到无干扰地线上。参考电压，应很好 3 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ；：；i ； 稳压。 a n g n d 引脚之间最好加一个o 1 胪的旁路电容器。两个之 f 刚连线尽量短，而且接地。a n g n d 要和连接，。与之间应加一个大 约1 驴的电容器。 3 2 2 开关信号输入电路的设计 下面介绍开关信号输入电路。在本系统中，输入的开关信号为开关触点 信号。它们的电路大体相同。见图3 6 所示。 图3 6 开关信号输入电路 开关信号经过光电隔离输入到8 0 9 8 的日，s x 端。当开关未接触时，发光 二极管不导通，则光敏三极管也不导通，从而8 0 9 8 单片机的高速输入口为高 电平；当开关接触时，发光二极管的导通将引起光敏三极管的导通，从而8 0 9 8 单片机的高速输入端变为低电平。根据电平变化就可知道三个开关信号的状 态，所以此电路可实现检测开关信号的功能。 工业系统强电控制电路与单片机测控系统共地是引起系统干扰的重要因 素。由于系统的连线间存在着一定的电阻，单片机系统各器件的地和电源地 3 8 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 之间存在着一定大小的地间电阻。在弱电系统中，电阻上的压降是很微小的， 系统地和电源地可以认为是一点。但在与强电连接时，若某一瞬间有干扰产 生大电流通过地问电阻，这时的压降会使单片机系统工作出现异常。清除这 种脉动干扰的方法是使单片机弱电部分的地和强电控制电路的地隔开，即信 号隔离。信号隔离主要采用光电隔离和继电器隔离，此处选用集成四路光电 耦合器t l p 5 2 1 4 进行光电隔离。 3 2 3i 0 及开关信号控制输出电路的设计 下面介绍i o 控制信号输出电路。这部分电路如图3 7 所示，其主要用 7 4 l s 2 7 3 + s v 图3 7i o 控制输出电路 于单片机输出控制开关的信号。本系统共有5 个开关量输出，利用a ，；a 。，地 址线给出地址作为译码信号输入，以2 4 译码器输出作为7 4 l s 3 7 7 芯片的片 选信号。7 4 l s 3 7 7 是一个八d 触发器，可以通过单片机指令对其赋值，d 【伍一。 输出的仅为一个脉冲开关信号，经过光电隔离，驱动电磁铁的通断，从两引 3 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 起机械的动作。 开关信号控制输出电路如图3 8 所示。其中，用7 4 l s 3 7 7 输出的开关信 + 5 v 2 2 0 v 图3 8 开关信号控制输出电路 号来控制发光二极管电路的通断，当7 4 l s 3 7 7 输出为低电平时，发光二极管 导通发光使晶闸管导通从而使电磁铁d t 通电，从而达到控制的目的。 晶闻管也称可控硅，触发晶闸管的一个非常方便的方法是使用晶闸管输 出型光电耦合器。这种器件的晶闸管输出功率相对较小，可驱动定的负载， 也常用于触发晶闸管。 幻c 3 0 2 l 为双向晶闸管输出型光电耦合器，b t l 3 6 为 双向晶闸管，由m o c 3 0 2 i 进行触发。 双向晶闸管在触发之后是双向导通的，而且在门极上所加的触发信号不 管是正还是负都可以使双向晶闸管导通，可以看成是两个单向晶闸管反向并 联而成的。它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的时间， 由于电磁铁是感性负载，其电流的滞后性有可能使得电压在过零时电流仍然 存在而导致双向晶闸管m o c 3 0 2 1 失控。为了使m o c 3 0 2 1 能正常工作，加入 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - ；= ； ：；= = ；i ；i ；= ； r c 吸收回路，其中矗取为3 3 0 i q ，c 取为2 2 0 p f 。 其中，7 4 0 7 为功率门电路，用来提高驱动能力，d t 为电磁铁线圈。当 o u t 输入为低电平时， 中发光二极管发光导通，随之光敏双向晶 m o c 3 0 2 1 闸管导通，双向可控硅b t l 3 6 控制端具有触发电流，d t 回路通电，电磁铁 动作。 3 2 4 单片机系统的复位电路 复位电路是单片机系统的基本扩展电路，单片机的复位一般都采用上电 自动复位和按钮复位两种方式。8 0 9 8 单片机的复位信号是一个低电平信号。 当电源电压在允许范围内( 5 ) ，且振荡器和反向偏压发生器稳定，复位引 脚r e s e t 上出现2 个时钟周期的低电平信号，即可完成次复位操作。通常 反向偏压发生器需要i m s 的稳定时间，振荡器的稳定时间与电源电压的上升 率有关，大约需要3 0 5 0 m s 。当r e s e t 从低电平再次变为高电平时，c p u 执行1 0 个时钟周期的复位序列，对各寄存器进行初始化，程序计数器p c 置 为2 0 8 0 h ，并从2 0 8 0 单元开始执行程序。 8 0 9 8 单片机的晶振频率选为6 m h z ，在电路设计时，采用m a x 7 0 5 芯 片做一个监视跟踪定时器，如图3 9 所示。m a x 7 0 5 型微处理器监控电路减 少了微处理器系统中监控电源及电池的功能所需的复杂程度和元件个数，比