（机械工程专业论文）测长喷标系统的研发与应用.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d e v e l o pa n da p p l y t h es t e e lp i p es y s t e mo f m e a s u r i n ga n ds t e n c i l i n g b yw e iz h o n g b o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc o n gh e n g b i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 j j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二芷 思。 学位论文作者签名： 仡寸波 日 期： 砂g 7 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：伍中救 签字日期： 砂否7 弓 两年 导师签名：从恒蚓 签字日期： 加多7 l j 一 东北大学工程硕士学位论文摘要 测长喷标系统的开发与应用 摘要 钢管是一种多功能的经济断面钢材。随着我国经济的不断飞速发展它在国民经济各 部门中的应用愈来愈广泛。 钢管测长、喷标系统是对成品钢管进行长度的检测，根据一定的标准把钢管定义为 好管或坏管；然后，把钢管的有关信息，如炉号、班号、材料、长度、生产厂家等按一 定的标准标注在钢管的表面。 随着我国加入w t o ，国内市场与国际市场的接轨，钢管市场同样面临着一系列的 问题。国内钢管要进入国际市场，必须遵守国际上的相关标准。钢管测长、喷标的质量 严重影响我国钢管的出口和参与国际竞争。进t 瑚, t j 长喷标设备价格昂贵，促使我们自主 开发测长喷标设备。 本文介绍了结合鲁宝现场实际情况通过调研；平面、立面布置图设计；拨料机构设 计；输送辊道设计；测长系统设计；喷标系统设计；电气控制设计；机加工等一系列过 程开发的一套具有进口设备相应的功能、满足企业具体要求、系统精度高、可靠性好， 在很大程度上能替代进口设备的测长喷标系统。 该系统目前已经得到了应用，实际运行表明：该系统提高了测长喷标的效率，满足了 客户对测长精度和喷标质量的要求。 关键词：钢管测长；钢管喷标；m s 测长喷标系统；高速计数器模块f m 3 5 0 ；编码器： 测长精度 东北大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p a n d a p p l y t h es t e e lp i p es y s t e mo f m e a s u r i n ga n ds t e n c i l i n g a b s t r a c t t h es t e e lp i p ei so n ek i n do fm u l t i p u r p o s ee c o n o m i cs e c t i o ns t e e lp r o d u c t s a st h er a p i d d e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m yi t i su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nn a t i o n a le c o n o m i c d e p a r t m e n t s m e a s u r i n ga n ds t e n c i l i n gt h es t e e lp i p es y s t e mi s c a r r i e so nt h el e n g t h , t h ew e i g h t e x a m i n a t i o nt ot h ee n dp r o d u c ts t e e lp i p e ，d e f i n e sa c c o r d i n gt oc e r t a i ns t a n d a r dt h es t e e lp i p e a st h eg o o ds t e e lp i p eo rt h eb a ds t e e lp i p e ；t h e n , s t e e lp i p e sr e l a t e di n f o r m a t i o n ，l i k e f u r n a c en u m b e r , c l a s s e s ，m a t e r i a l ，l e n g t h , m a n u f a c t u r e ra n ds oo na c c o r d i n gt o c e r t a i n s t a n d a r dl a b e l i n gi ns t e e lp i p e ss u r f a c e a sc h i n a sa c c e s s i o nt ot h ew t o ，t h ed o m e s t i cm a r k e ta n di n t e r n a t i o n a lm a r k e t i n t e g r a t i o ns t e e lp i p em a r k e ta l s of a c i n gas e r i e so fp r o b l e m s t h ed o m e s t i cs t e e lp i p et oe n t e r t h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t ，w em u s tc o m p l yw i t ht h er e l e v a n ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s t h e q u a l i t yo fm e a s u r i n ga n ds t e n c i l i n gt h es t e e lp i p es e r i o u s l ya f f e c t st h ec h i n a ss t e e lp i p e e x p o r t sa n dp a r t i c i p a t i n gi ni n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o n t h ei m p o r tm e a s u r i n ga n ds t e n c i l i n g t h es t e e lp i p ee q u i p m e n tp r i c et ob ee x p e n s i v e ，u r g e su st od e v e l o pi n d e p e n d e n t l yo u r s t h i sp a p e rp r e s e n t sas e to fi m p o r t e de q u i p m e n tw i t l lt h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n s m e e t t h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t s ，t h es y s t e mo fh i g ha c c u r a c y , r e l i a b i l i t y , t oal a r g ee x t e n tc a n r e p l a c ei m p o r t e de q u i p m e n to ft h es t a n d a r dm e a s u r i n ga n ds t e n c i l i n gt h es t e e lp i p es y s t e m ， b yac o m b i n a t i o no fl ub a o s c e n ei n v e s t i g a t i o nb yt h ea c t u a ls i t u a t i o n ；p l a n e ，e l e v a t i o n l a y o u td e s i g n ；h o o k i n gu ps y s t e md e v i c ed e s i g n ；c o n v e y o rr o l l e rd e s i g n ；m e a s u r i n gs y s t e m d e s i g n ；s t e n c i l i n gs y s t e md e s i g n ；e l e c t r i c a lc o n t r o ld e s i g n , m a c h i n i n g ，e t c t h ec u r r e n ts y s t e mh a sb e e na p p l i e d t h ea c t u a lo p e r a t i o ns h o w sw h a ti m p r o v e st h e e f f i c i e n c yo f , m e a s u r i n ga n ds t e n c i l i n g t h es t e e lp i p ea n ds a t i s f yt h ec u s t o m e ro nt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n ds t e n c i l i n gq u a l i t yr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p i p em e a s u r i n g ；p i p es t e n c i l i n g ；m s - j e ts t a n d a r dm e a s u r e m e n ts y s t e m ；h i g h s p e e d c o u n t e rm o d u l e sf m 3 5 0 , e n c o d e r ；m e a s u r i n ga c c u r a c y 1 1 1 东北大学工程硕士学位论文目录 目录 独创性声明。i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录i v 第1 章绪论1 1 1 钢管测长、喷标系统的开发现状1 1 1 1 引言1 1 1 2 测长系统开发现状3 1 1 3 喷标系统开发现状3 1 2m s 系统开发的必要性5 1 3 课题来源及内容7 1 3 1 课题来源7 1 3 2 开发的主要内容7 第2 章m s 系统总体设计9 2 1 总体说明。9 2 2m s 总体设计9 2 2 1 概述9 2 2 2 主要技术参数。9 2 2 3m s 系统总体设计1 0 2 3m s 系统电气控制设计1 2 第3 章测长系统设计1 5 3 1 测长系统的功能要求1 5 3 2 测长系统设计1 5 3 2 1 系统组成。l5 3 2 2 基本原理。1 7 i v 东北大学工程硕士学位论文 目录 3 3 误差分析l8 3 3 1 理论分析18 3 3 2 数据分析及结论2l 3 3 3 减小误差的措施2 2 3 4 测长系统设计关键点2 3 第4 章喷标系统设计2 5 4 1 喷标系统的功能要求2 5 4 2 喷标系统设计2 5 4 2 1 喷标系统组成。2 5 4 2 2 工作过程2 7 4 2 3 喷头系统。2 8 4 2 4 关键技术3 0 4 3 喷标效果31 第5 章系统软件设计3 3 5 1 西门子s 7 - - 3 0 0 p l c 3 3 5 2w i n c c 3 5 5 - 3m s 系统软件设计。3 6 5 3 1 系统软件设计原理一3 6 5 3 2p l c 部分3 7 5 3 3 上位软件部分3 9 5 4 控制界面介绍4 2 第6 章结论与展望4 5 6 1 结论4 5 6 2 展望。4 5 参考文献4 7 致谢5 l v 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 钢管测长、喷标系统的开发现状 1 1 1 引言 钢管是一种用钢制作的具有中空截面而长度远大于外径( 或边长) 的金属材料。截 面通常为圆形，但也可呈扁、方和异型等。钢管的结构特征是： ( 1 ) 具有封闭的环形横断面。 ( 2 ) 两端开口。 ( 3 ) 管长与外径之比l d 较大。 钢管是一种多功能的经济断面钢材。它在国民经济各部门中的应用愈来愈广泛。 钢管作为输送管广泛地用于输送油、气、水等各种液体，如石油及天然气的钻探开 采与输送、锅炉的水与蒸汽管道、一般的水煤气管道等。 钢管作为结构管大量地用于机械制造业和建筑工业，如用于制作房架、塔吊、钢管 桩、各种车辆的构架等。在断面面积相同的条件下，钢管比圆钢、方钢等的抗弯能力大， 钢性好，其单位体积的重量轻。因此，钢管是一种抗弯能力较强的结构材料。 钢管还作为中空的零件毛坯用于制造滚动轴承、液压支柱、液压缸筒体、空心轴、 花键套、螺母以及手表壳等，这既节约金属又节省加工工时。 钢管又是国防工业中的重要材料，如用于制造枪管、炮筒及其他武器。随着航空、 火箭、导弹、原子能与宇宙空间技术等的发展，精密、薄壁、高强度等钢管的需求量正 迅速增长。 钢管的生产工艺有好多种，生产过程非常复杂，生产设备也很庞大。 钢管测长( m e a s u r e ) 、喷标( s t e n c i l ) 系统( 以下简称m s 系统) 是对成品钢管进行长度 的检测和喷标，根据一定的标准把钢管定义为好管或坏管；然后，把钢管的有关信息， 如炉号、班号、材料、长度、生产厂家等按一定的标准标注在钢管的表面。由此可见， m s 系统应该安排在钢管生产工艺流程的精整部分，具体的，应该在探伤系统之后涂油 和打榴机之前。 根据g b 2 1 0 2 - - 8 8 规定，外径不小于3 6 毫米的钢管及截面长不小于1 5 0 毫米的异 型钢管应在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴印记。印记应清晰明显，不 易脱落。印记应包括钢的牌号、产品规格、产品标准号和供方印记或注册商标。具体不 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 同类型的管子有不同的印记内容。 随着我国加入w t o ，国内市场与国际市场的接轨，钢管市场同样面临着一系列的 问题。国内钢管要进入国际市场，必须遵守国际上的相关标准。比如石油管作为无缝钢 管的一大部分应用，它用于油井中抽取石油或天然气，石油套管用作油气井的管壁，其 国际标准为a p is p e c5 c t ( 见表1 1 所示) 。 过去，大部分的钢管厂采用手工方式进行测量和标记工作。先把钢管搬离生产线， 由工人进行手工测定钢管的长度、按长度计算重量，并把相关的内容根据国家标准，用 白色涂料写在钢管上。有的钢管厂由工人随手写，字迹不统一。有的厂用刷模的方式， 字迹相对工整【1 l 。鲁宝钢管厂采用的就是第一种方法。这些方法明显存在测量的精度低、 劳动强度大、生产效率低下、字迹模糊不清等缺点。 表1 1a p is p e c5 c t 标准摘录 t a b l e1 1a p is p e c5 c ts t a n d a r d se x c e r p t 项目允许偏差( 范围) 管体外径 接箍外径 壁厚 单根重量 车载量 油管长度 套管长度 国内一些大钢铁公司的产品要参与国际竞争，其产品必须符合国际上通用的标准。 于是大型的钢铁公司耗巨资引进了国外的整条生产线，进口设备测量精度高、生产效率 高、可靠性好、工人劳动强度低、字迹统一规范。但同时进口设备成本高、要求工人的 素质高、维护成本高。到现在为此，也只有几家最大的钢铁公司引进了国外的成套设备。 传统方法的落后性与进口设备的高成本性造成了明显的矛盾。国内开发研制同类设 备已经迫在眉节了。各钢铁研究院已经组织队伍对钢管生产的主机进行了积极的研究， 同时各科研院校也对生产线的辅机开始了研究。为了提高钢管的效益，参与国际竞争， 鲁宝钢管厂也必须淘汰原始落后的生产方式，钢管测长、喷标的自动化改造项目被提上 - 2 - 一 一挑一一一 一 一一 一一 g 畛 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 了日程。 1 1 2 测长系统开发现状 长度是钢管的主要规格指标之一，是成品钢管贸易结算的主要依据，也是i s 0 9 0 0 0 质量论证标准中明确要求的产品质量参数。为了贯彻i s 0 9 0 0 0 标准，并使钢管产品质量 达到a p i 国际标准，在钢管生产线上要求进行测长工作。并且钢管的长度指标是喷标信 息的重要组成部分。 长期以来，钢管自动化测长系统主要依靠进口，但由于进口设备价格昂贵，维修及 更换零部件不方便，使用厂家迫切需要适用、可靠的国产钢管自动测长系统。 测长这一功能在钢管生产中的重要性是显而易见的。在9 0 年代以前，国内大多数 钢管公司采用手工测量钢管长度的方法或运用国外进口设备进行测量。从9 0 年代开始， 国内有多家钢管公司对钢管测长系统进行了研制，主要采用数控钢管推动测长系统。 该系统的优点有： 该系统运用间隔分布的光电开关管和光栅尺作为测量钢管长度的检测元件，这种方 法只需判断光电管的开关状态及光栅数显表的读数就可计算出钢管长度，简单实用。 由变频调速器电机来推动钢管的移动，使得移动过程平稳，而且测量周期短。 由于底层采用了p l c 对各部件进行控制，使得系统的可靠性加强。 该系统的缺点有： ( 1 ) 钢管生产车间尘埃多、振动大，在测量过程中不能保证推动小车运动的平稳性， 从而直接影响光栅尺的精度，使得测量精度的误差偏大。 ( 2 ) 现场大型动力设备多，电磁干扰严重，系统虽然使用p l c 作为底层控制部件， 但却采用单片机系统作为中央处理核心。单片机系统容易受电磁干扰，增加了系统的不 稳定性。 数控推动测长系统的设计基本适合钢管生产的实际情况，有一定的实用价值。若能 在此基础上进行改进，必然能开发出测量精度高、系统稳定的自动测长系统。 由以上分析可看出，国内研制的钢管测长系统在一定意义上已经比较成熟，在现有 测长系统的基础上进行改进设计，即可设计出高精度、高效率的测长系统 3 1 。 1 1 3 喷标系统开发现状 钢管的喷标是国际国内标准明确要求的内容。过去国内钢管公司完成喷标工作主要 有两种方式： 3 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 人工方式，工人以白色涂料为介质把标注内容写到钢管表面。这种方式明显存在 很多的缺点：首先工人的劳动强度高；其次生产钢管的生产线是全自动的，但标记却要 人工进行，打断了生产的连续性；再次每个人的书写笔迹不一样，即使同一个人，书写 的字迹也不可能一致，因此标记看起来零乱不堪，极不规整。有的公司采用刷模的方式 进行标记，当然这种办法标记出来的字迹相对规整，但生产效率极低。 ( 2 ) 进口国外先进设备。国外早已开发出钢管的喷标设备了，而且设备功能强大，能 喷各种各样的字符甚至中文。设备采用了各种先进技术，特别是喷头部分的设计。进口 喷标系统能工作在自动和手动方式，能很好的安排到钢管生产线中，极大的提高了生产 效率。但是国外此类设备的价格非常高，关键部件的价格更是让国内厂家不敢问津，因 此只有大规模的、拥有雄厚资金的企业才有可能进口喷标设备，实现喷标任务的自动完 成。 过去国内对喷标系统的研究比较少，到了二十世纪九十年代开始，才有少数科研机 构开始进行钢铁行业的喷标研究。热轧钢坯喷号机的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 1 为该系统使用的喷头的示意图。 压缩空气喷嘴 ( 共七个) 七段码中的一段 料供应管 图1 1 喷头结构不意图 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo fn o z z l e 考虑到实际使用中只需要o 9 等1 0 个数字，采用七段码方式完全可以满足要求， 而且七段码还可以喷出少数几个字母。在喷头结构示意图中，通向7 段“笔划 的涂料 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并在钢坯上喷出笔划。对7 个空气喷嘴进行 组合控制即可喷出所需的号码。 4 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 七段码方式喷号，喷头的设计相对简单，号码的变换转化为对7 个压缩空气喷嘴的 控制，控制系统得到简化，可以获得较高的系统可靠性；号码调整灵活，不需要更换字 模，喷号速度快。但是要注意的是，与点阵式不同，在七段码中，每笔划都至关重要， 缺少笔划将使号码失去意义，因此必须保证每一笔划的可靠喷射。这既要从喷头本身着 手保证良好的雾化和喷射的可靠性，也要从控制电路上作出保证，必须增加工作状态检 测。 该喷号系统的主要问题有： ( 1 ) 在高热环境下，涂料立即凝结在喷头上，很快堵上喷头。涂料的雾化效果达不 到要求。 ( 2 ) 该喷标设备在一定的使用环境下，有较好的效果，但由于钢管表面是曲面，这 种方式的喷标显然不适用于钢管的喷标。 不过，可以从这种喷标方式中得到几点启发： ( 1 ) 采用点阵式的喷头。以点阵列的方式形成字体的方式比较适合钢管表面的喷标。 利用白色涂料作为喷标介质。白色涂料与钢管表面的对比程度大，能符合标准中规定的 “标识清楚的要求。 ( 2 ) 利用压缩气体作为涂料喷射的动力。 1 2m s 系统开发的必要性 现在国内有近百家钢管生产厂家，除了几家最大型的钢铁公司具备雄厚了资金力 量，能从国外引进专业的测长、喷标等设备外，其他中小型的钢管公司都还技术装备比 较落后。以手工进行测长、然后以测得的长度按一定公式计算出重量、最后再以手工方 式在钢管表面进行喷涂的方法还大量存在小型的钢管公司。有一些公司自己组织技术力 量进行科研攻关，也研制出一些产品，能在一定程度上解决问题，但这些产品大体上还 存在一些问题： ( 1 ) 设备大都只能完成单一功能，不能在自动生产线上与其他的设备一起工作，使 得生产效率仍然低下，改变不了现状，不能从根本上解决问题。 ( 2 ) 产品的开发技术水平还停留在二十世纪八十年代的水平。由于这些产品大多是 工厂自己组织力量开发研制的，技术水平达不到国外的最新发展动态；开发设备的精度 低，可靠性差。在测长系统中，传感器的选用、编码器计数的方法、钢管推动的速度等 方面都直接影响了测长的精度；在喷标系统，喷头的设计是关键，由于国内的精密加工 技术、特种材料制造技术的落后，自行设计开发的喷头可靠性差，将直接影响生产。 - 5 东北大学工程硕士学位论丈第l 章绪论 a 产品的稳定性不够。由于这些产品的主要控制部件大多采用单片机系统，在钢管 生产的恶劣环境中，各种干扰使得系统的故障率极高。 b 有些科研单位根据国外设备进行仿制，仿制的设备大体上能完成动作的执行，但 关键部件的开发、传动控制的精度、电气控制可靠性还有一定的差距。 c 产品缺乏扩展性。易扩展性已经成为现代产品的特征，缺乏扩展性的产品将阻碍 自动化的发展。 d 满足不了日益重要的企业管理功能。e r p 、p d m 实现程度已经成为企业现代化的 重要标志。企业的质量管理已经成为现代制造企业的管理核心。每一根钢管都有一系列 的数据，这些数据在钢管的整个生命周期中都很重要。过去自行开发的产品只考虑到生 产中的功能，而大都忽视了管理中的功能。 所有这些说明，开发研制高性能的测长、喷标等此类钢管生产的辅助设备是非常必 要的。 在参考国外同类设备以及比较国内现有设备，可以提出开发钢管生产线上的m s 系 统的特点： ( 1 ) 系统强调控制和智能的全分散化，各个设备是具有自治功能的智能主体，相互 之间高内聚、松耦合。某些局部协调通过p l c 自治完成，而上位的监控计算机实现大 范围的协调等高级控制功能。 ( 2 ) 系统应该具有高稳定性、高可靠性。稳定性与可靠性是自动化生产线上设备的 最基本的要求。因此在开发研制设备时，不但要在结构设计上满足稳定性与可靠性的要 求，而且在关键的零部件的选用上也要慎重。特别是国内技术不成熟而国外已经很成熟 的部件，尽量选用成熟稳定的产品。 ( 3 ) 完善的计算机监控功能。由于生产现场的环境十分恶劣，不适合工人在现场长 时间的操作，因此要求在上位计算机上能够监控所有现场的运行情况，这样只要在控制 室里就能“看到 现场的一切动作。 ( 4 ) 完善的管理功能。系统应具有e r p 接口，企业的信息化管理已经成为企业发展 必由之路，因此现在开发的系统要为以后企业的信息化管理提供方便。系统软件要求能 对生产情况进行详细的管理，包括：钢管各种数据的统计、查询、钢管是否符合要求的 判别、喷标内容实时动态跟踪、报表的打印、以及操作人员管理等一系列的管理工作。 ( 5 ) 系统要能进行故障自诊断。对系统中各关键部件实时诊断，出现故障进行声光 报警1 5 j 。 6 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 1 3 课题来源及内容 1 3 1 课题来源 根据鲁宝钢管有限责任公司的发展需要，鉴于以上的分析，在消化国外设备的基础 上，借鉴国内企业开发的经验，根据国内企业的特点，开发出生产效率高、精度高、可 靠性高的m s 系统是可行的。为此我们着手开发精整线上的m s 系统。 1 3 2 开发的主要内容 系统开发的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 调研； ( 2 ) 平面、立面布置图设计； ( 3 ) 拨料机构设计； ( 4 ) 输送辊道设计； ( 5 ) 测长系统设计； ( 6 ) 喷标系统设计； ( 7 ) 电气控制设计； ( 8 ) 机加工； ( 9 ) 安装调试； ( 1 0 ) 文档整理。 1 3 3 本文的主要工作 主要工作如下： ( 1 ) 对国内外的发展现状进行充分的调研，以论证开发的必要性和可实现性。 ( 2 ) 结合国际标准、国内相关标准及用户要求，进行系统的总体方案设计，具体包 括：m s 系统的平面、立面布置；工作流程的确定；测长系统的总体设计方案；喷标系 统的总体设计方案；确定了控制软件的功能等。 ( 3 ) 方案论证。结合鲁宝现场实际情况对总体设计方案进行了详细的审查，并对方 案中一些设计针对自身的特点进行了修改。 ( 4 ) 具体设计。对m s 系统的每个子系统进行详细设计，主要包括机械设计制造、 电气设计、软件设计等。并各自对每个子系统进行调试。 ( 5 ) 安装调试。设计制造完成后，进行现场安装调试。 7 ， 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 ( 6 ) 文档整理。对系统的所有文档进行归纳整理。 8 东北大学工程硕士学位论文第2 章m s 系统总体设计 2 1 总体说明 第2 章m s 系统总体设计 在系统的总体设计过程中，有以下几方面要说明： ( 1 ) 关键部件如：测长系统的光电传感器、脉冲编码器、喷标系统的喷头、喷标系 统的喷标控制器，系统的p l c 等尽量保证采用国外著名公司的产品，从而保证系统的 控制精度和可靠性。 ( 2 ) 对于电控、软件设计这方面的工作，我们将依托高校的技术资源；在设计开发 过程中，组织管理工作由有经验丰富的专家负责。1 m s 系统的开发研制是冶金行业钢管生产设备国产化的一个重要过程。本系统在设 计时已经考虑到鲁宝公司精整设备及场地的特点，每一系统都可以独立控制，各系统可 以采用不同的组合方式。 系统的开发研制的总目标是：系统具有进口设备相应的功能、满足企业具体要求、 系统精度高、可靠性好，在很大程度上能替代进口设备。 2 2m s 总体设计 2 2 1 概述 钢管m s 系统是集光、机、电和计算机一体化的产品，它应具有测长精度高、喷标 速度快、字体清晰、自动化程度高、功能齐全等特点。系统可以根据生产线上的实际情 况很方便的集成进其他功能的设备，如涂色环、烘干、打标等也可能除去某几个系统。 m s 中的每个系统都可独立控制工作，因此不但可以用于钢管生产线上自动精整，而且 单台设备可以用于其他相同功能的场合。 m s 系统能进行测长、喷标的生产过程控制，由控制系统控制完成给料、测长、喷 标等工序。主控软件在上位计算机上给出各系统上的钢管分布状态，并将所测钢管的长 度及其它相应信息按有关国际标准喷印在相应钢管上【6 q 翻。 2 2 2 主要技术参数 下列列出比较典型的钢管参数。 ( 1 ) 执行规范 9 东北大学工程硕士学位论文第2 章m s 系统总体设计 a p is p e c5 c i 、a p is p e c5 l ( 2 ) 钢管标准 钢管外径：由1 3 3 巾3 2 5 m m ： 钢管重量：2 0 0 k g 1 2 0 0 k g ； 钢管长度：6 m 1 5 m 。 ( 3 ) 测长 测长范围：6 1 3 m ； 测长精度：3 m m 。 ( 4 ) 喷标 方式：点阵式，多种尺寸大小； 标号高度( r a m ) - 可选； 喷点直径( i 姗) ：约1 2 ； 标号速度：0 - 8 0m m i n ； 标记介质：白色涂料，要求快干； 喷印字符种类：计算机能编辑的任意字符和图形。 2 2 3m s 系统总体设计 1 、m s 系统的典型工艺流程 根据鲁宝现场的实际情况，其工艺流程为： 钢管经过探伤系统后，进入m s 系统。钢管进入7 6 、8 撑输送辊道即进入测长一喷 标一钢管进入输出辊道。m s 中每一子系统都设有钢管检测传感器，以便控制系统是否 进行工作，每一子系统工作完毕都发出一个信号，这样就能对每一子系统进行单独的控 制。 2 、m s 系统的构成 m s 系统的总体构成由控制室内设备和现场设备两部分组成。控制室内设备主要由 以下几部分构成： ( 1 ) 配电柜。配电柜主要由空开、互感器、热保护器、交流接触器、变压器、开关 电源、电压表、电流表等电气元件组成，其功能是为系统各部件提供电源。 ( 2 ) 电控柜。电控柜主要用来安装位控制部件，由可编程控制器( p l c ) 、高速计数 模块、继电器组、端子条等组成。 ( 3 ) 控制台。控制台是控制室内的操作平台，主要由指示灯及按钮等组成。 1 0 东北大学工程硕士学位论文第2 章m s 系统总体设计 ( 4 ) 上位计算机、u p s 、打印机。上位计算机是系统的监控设备，整个系统由计算 机上的主控软件控制运行，所有的数据也都发送到上位计算机进行保存，同时计算机还 起到系统及人员管理等作用。u p s 是当计算机电源出现故障时，提供给计算机临时电源 的设备。打印机主要用来打印报表等。 现场的设备主要测长系统、喷标系统及一些辅助设备组成。下面简要介绍各部分的 构成，后面的章节将详细介绍测长、喷标两个部分的设计情况。 3 、测长系统总体设计 测长系统的主要功能是测量钢管的长度。 典型测长系统的结构构成框图见图2 1 。从图上可以看出，测长系统主要构成部分 为：传动辊道，辊道有变频器控制；一系列的光电传感器；测长轮，同轴传动气缸控制 升降；脉冲编码器；高速计数模块等。 系统通过脉冲编码器与光电传感器配合记数的形式测长。测长系统工作过程如下： 钢管经翻料机构移到测长前辊道上后，由到位传感器向p l c 发出钢管到位信号，p l c 收到在位信号之后，发信号给变频器，电机动作，辊道带动钢管前进，当钢管的尾部脱 离被遮住的第一个光电传感器时，光电传感器状态变化，从0 变为1 ，高速计数模块清 零，并开始计数；紧接着在钢管移动的过程中，每当光电传感器状态变化，计数模块就 清零，并对编码器重新记数；以此类推，直至钢管的头部到达0 号光电传感器，计数器 停止记数；p l c 将遮住光电传感器的数目和编码器的记数值传给上位机，由上位机计算 出钢管的长度。 光电传感器 辊道 可编程控制器( p l c ) 气缸推动系统l叫高速计数模块 测长轮传动卜刊脉冲编码器 有料检测传 感器 测长轮前传 感器 o 号光电 传感器 图2 1 测长系统构成框图 f i g 2 1m a p p i n go fl e n g t hm e a s u r e m e n ts y s t e m 测长系统中，光电传感器的响应速度直接影响测量精度和生产效率。从系统的可靠 东北大学工程硕士学位论文第2 章m s 系统总体设计 性而言，在工业现在最好选用继电器方式的开关，但继电器开关的响应速度太慢，测量 误差太大，同时钢管前进速度被限制，生产效率降低。若选用晶体管方式的开关，响应 速度是能满足要求，但晶体管形式的开关抗干扰能力较弱。所以，要认真比较，得出最 佳方案。 4 、喷标系统总体设计 图2 2 喷标系统构成 f i g 2 2c o m p o s i t i o no f j e tm a r k i n gs y s t e m 喷标系统的结构构成如图2 2 示意。喷标系统由立柱、横梁、喷号小车升降机构、 喷头、液动及气动系统、控制系统、计算机等组成。其中立柱位于辊道的侧面；喷标机 升降部分包括升降气缸、位置传感器等组成；控制器由p l c 、驱动电源、数据采集卡及 相应的软件系统等组成。 喷标的工作过程如下：当钢管由辊道带动移动到喷标机下方后，喷标机升降机构到 达钢管的相应位置，然后气动机构开始工作，同时液动系统靠涂料泵供涂料，开始喷标， 喷标根据喷头的设计可为多种形式的点阵；待一根钢管喷标结束，喷头升起，退回初始 位置，清洗泵启动，开始对喷头进行冲洗，以防堵塞。 2 3m s 系统电气控制设计 m s 系统主要有两个部分，完成两种功能：测长系统完成钢管长度的测量，并显示 其值；喷标系统按有关标准把钢管信息标注在钢管的表面。每个子系统都有明确的功能， 而且两个部分即能单独工作也可能相互协调共同完成任务。这就是系统高内聚，松耦合 的特点。 - 1 2 - 东北大学工程硕士学位论文第2 章m s 系统总体设计 鼯 控制柜 p l c 、i 断路器 开关电源等1 接触器等 电动机 变频器暑鬈昙 蓁耋霎二器 辊道电机 i 对齐、拨料1测长 接近开关 编码器 电磁阀 图2 3 m s 系统电气原理 f i g 2 3e l e c t r i c a lp r i n c i p l e so fm ss y s t e m m s 系统的各个子系统相互配合共同完成任务要靠电气与软件控制。图2 - - 3 为系 统的电气组成原理图。电气连接是系统的硬连接，系统所有的动作都是靠电气动作或由 电气动作带动机械动作来完成的。从图上可看出，系统的电气元件主要包括：电源、断 路器、接触器、继电器、位置传感器、电机、电磁阀等。整个系统就是由控制软件控制 这些电气元件来完成功能的。 控制软件是系统的“大脑”，系统所有的动作都是在大脑的指挥下做出的。m s 系 统的控制系统分为上下两层，上层控制由监控计算机完成；下层控制由可编程控制器 ( p l c ) 完成。系统的主控软件安装在上位计算机上，负责整个系统的监控与管理；p l c 1 3 - 东北大学工程硕士学位论文第3 章测长系统设计 第3 章测长系统设计 3 1 测长系统的功能要求 经过对国内开发的测长系统的调研及对国外同类产品的借鉴，确定了测长系统的功 能要求和设计目标。 测长系统要达到的功能要求为： ( i ) 测量精度要达到规定要求，设备工作稳定。 ( 2 ) 具有手动和自动两种工作方式。 ( 3 ) 测量结果能上传中央控制计算机进行保存、分析、打印等。 ( 4 ) 对不合格的测量结果能进行报警。 ( 5 ) 测量结果将作为钢管的基本数据之一，要求应用方便。 ( 6 ) 测量结果可以进行公英制转换，以符合各国不同习惯和需要。 ( 7 ) 测长系统的设计目标为：测量精度不但要达到a p is p e c5 c t 所规定的要求， 而且还要达到客户确定的检测精度，例如：+ 2 m m 。 ( 8 ) 测长系统要有一定的柔性。能测量一定范围直径和一定范围长度的钢管。 ( 9 ) 测长系统即可以作为钢管生产线上的一个系统，也可以单独作为一套系统工作。 ( 1 0 ) 测长周期不能太长，要满足实际工作的生产效率。 3 2 测长系统设计 3 2 1 系统组成 测长系统的结构示意见图3 1 。由图3 1 中可看到，测长系统由以下几部分组成： ( 1 ) 辊道。测长辊道用变频器控制，使得辊道带动钢管前进时钢管运动速度平稳。 ( 2 ) 光电传感器。在垂直于钢管轴向的方向上等距布置一系列的光电传感器，这些 光电传感器的技术指标及安装精度将直接反映在测长精度上。系统采用对射式的光电传 感器，它由一个发射管和一个接收管组成，分别装在垂直于钢管轴向的两侧。这些传感 器负责检测钢管的位置，若钢管从一对传感器的发射管与接收管的中间穿过，传感器就 会发出一个电平信号给p l c 。传感器的发射与接收有一定的范围，若安装时两者偏离角 度太大将使接收管接收不到发射过来的光信号，造成系统出错。另一点需要注意的是， 光电传感器的开关速度( 即响应速度) 的快慢很大程度上影响测量系统的精度，所以若 15 东北大学工程硕士学位论文第3 章测长系统设计 选用继电器方式的输出接口，其响应的时间在十几个毫秒，而选用晶体管方式的输出接 口其响应时间只要几个毫秒甚至更小，但同时要注意的是，晶体管方式的输出接口要和 与之相连的p l c 的输入匹配。由于钢管生产现场的工作环境很恶劣，粉尘大，这对光 电传感器有致命的影响，而且现场的磕磕碰碰都会使光电传感器的位置发生改变，从而 造成很大的系统误差，所以要专门为光电传感器设计安装盒，图3 - - 2 为光电传感器的 安装盒示意。光信号从发射安装盒的窄缝中发出，射入接收安装盒的窄缝中。安装盒同 样也是分成几段的，这是为了增加制造加工的工艺性、安装拆卸的方便性。 西 h 曰曰曰铷 东 图3 i 测长系统 f i g 3 1s y s t e mo fl e n g t hm e a s u r e m e n t 传感器安装间隔 图3 2 测长光电传感器安装盒 f i g 3 2i n s t a l l a t i o nb o x o fl e n g t hm e a s u r e m e n tp h o t o e l e c t r i cs e n s o r ( 3 ) 测长轮、脉冲编码器及高速计数模块。测长轮通过联轴器与脉冲编码器的转动 轴相连，受气缸控制。这样，钢管的运动会带动测长轮的运动，同时测长轮的运动带动 脉冲编码器的转动，最终钢管运动的距离反映为脉冲编码器转过的角度。因此测长轮的 大小将会影响系统的精度。通过接收脉冲编脉冲编码器的选用也会影响系统的精度。编 码器以每转输出的脉冲数作为其技术指标，若每转输出的脉冲数过少，则每个脉冲所代 表的油缸推杆沿钢管轴向的距离值