机械毕业设计688钢管自动喷标系统设备之立柱横梁设计.doc
机械毕业设计688钢管自动喷标系统设备之立柱横梁设计
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机械毕业设计688钢管自动喷标系统设备之立柱横梁设计,机械毕业设计论文
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摘要 钢管是一种用途广泛的工业金属材料，也是国民经济发展的一个重要支柱。本文根据国内外钢管生产线上喷标系统的研究开发现状，进行了该项目的控制系统和软件系统的设计，并取得了成功。本课题的主要研究工作： 第一章：综述钢管的工艺生产流程及 API 国标；说明国内喷标系统的开发研究现状及存在的问题并阐述了开发喷标系统的必要性；陈述课题来源和论文的主要工作和意义。 第二章：提出系统的设计要求；根据系统的组成结构进行 立柱横梁 的设计，包括 立柱横梁的 组成以及设计时应注意的问题， 重点论述了齿轮齿条的设计， 最后给出机械结构 部分的设计 ； 第三章：论述喷标系统中立柱横梁的设计组成；介绍了伺服系统的相关技术；给出了控制系统的特点。 第四章：简述了 PLC 编程的方式和 S7400 的特点；着重介绍了 PLC 程序的喷标流程设计以及 配电原理图；简单介绍 了 PLC 程序设计的特点。 关键词 ：钢管；喷标；立柱横梁；齿轮齿条；伺服系统； PLC nts ABSTRACT Pipe is a widely used industrial metal materials, development of the national economy is an important pillar. According to domestic and foreign steel tube production line jet standard system of research and development of the status quo, the project control systems and software systems design, and has achieved success. The main topic of this research: Chapter 1: Summary of the pipe of the production process and the API GB; indicate the domestic jet Marking System Research and Development of the existing problems and described the development of standard systems spray the necessity of top ics presented papers and the main source of work and significance. Chapter 2: The system design requirements under the system structure spraying the composition of the standard system design, including the composition and work of system design process and they should pay attention to the problem, and give some of the mechanical structure design, and a brief overview of control The system design programme. Chapter 3: The standard system in the post spray beams of the design; focuses on the design of gear and rack; introduced the Servo System technology, the control system features. Chapter 4: briefed the PLC programming methods and S7400 features; PLC program focuses on the process of spraying standard schematic design and distribution; brief account of the PLC program design features. Key words: steel pipes sprayed superscript column beams gear and rack servo system PLC nts 目 录 1 绪论 .1 1.1 钢管喷标系统的开发现状 . 1 1.1.1 引言 . 1 1.1.2 喷标系统的开发现状 . 2 1.2 钢管喷标系统开发的必要性 . 3 1.3 课题的来源 . 4 1.4 论文的主要工作和意义 . 5 2 喷标系统总体设计 .6 2.1 喷标系统设计要求 . 6 2.2 喷标系统总体设计 . 6 2.2.1 系统组成 . 6 2.2.2 工作过程 . 8 2.2.3 立柱横梁结构设计 . 8 2.3 本章小结 . 15 3 立柱横梁的设计 . 16 3.1 立柱横梁的组成 . 16 3.1.1 机架概述 . 16 3.1.2 悬臂梁的设计 . 17 3.1.3 横移机构的设计 . 18 3.1.4 喷标机的强度校核 . 18 3.2喷标伺服系统 . 23 3.2.1 伺服电机 . 23 3.2.2 伺服电机的控制 . 24 4 PLC 程序设计 . 28 4.1 PLC 软件及编程 . 28 4.2 S7-400 编程方式 . 28 4.3.1 PLC 喷标流程设计 . 29 4.3.2 I/O. 32 4.4 PLC 程序设计特点 . 32 4.5 脉冲 编码器 . 32 总结 . 34 致谢 . 35 参考文献 . 36 附录 .错误 !未定义书签。 nts 附录 1 .错误 !未定义书签。 附录 2 .错误 !未定义书签。 nts 1 1 绪论 1.1 钢管喷标系统的开发现状 1.1.1 引言 钢管广泛地应用于机械、建筑和石化等行业，又是国防工业的重要材料，用于制造枪管、炮筒以及其他武器。 钢管的生产工艺种类繁多，生产过程非常复杂，生产设备也很庞大，以 163机组为例，热轧钢管生产流程如图 1 1 所示。 图 1-1 机组热轧钢管生产工艺流程 按照工艺流程，管坯进入车间后按照工艺要求锯成定尺长度，然后依次经过环形炉加热、三辊穿孔机穿孔、连轧机轧钢、定径机定径。加工成的钢 管需要减径的再加热后送至减径机上减径。从定径或减径机轧出的成品管，送至链式冷床上冷却，冷却后锯成定尺长度的钢管（有的需要热处理 )输送到斜辊式矫直机上矫直，矫直后依次经过超声波探伤，水压机试验，随后进行其他各项精整工序。精整后的成品管经过感应加热炉后进行涂油打捆入库。 根据 GB2102-88 规定，外径不小于 36mm 的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。印记内容应包括钢的牌号、产品规格、产品标号和供方印记或注册商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。 随着我国 加入 WTO，国内市场和国际市场的接轨，钢管市场同样面临一系列的问题。国内钢管进入国际市场，必须遵守国际的相关标准。比如无缝钢管要遵守国际标准 API SPEC 5CT（见表一所示）。 过去，大部分的钢管厂家采用人工的方式进行测量和标记。人工测定钢管的长度和重量，并把相关的内容根据国家标准，用涂料写在钢管上。有的钢管厂由工人随意手写，字迹不统一，有的用刷模的方式，字迹相对工整。这种做法沿用nts 2 了很长一段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在测量精度低、劳动强度大、生产效率低、字迹不清楚等缺点。 从上个世纪 90 年代开始，国内一些大型的钢铁公司的产品为了参与国际竞争，耗巨资引进国外的整条流水线。这些进口的设备测量精度高、生产效率高、劳动强度低、字迹统一规范。但是进口设备成本高、要求工人素质高、维护成本也高。落后的传统方法与高成本的进口设备都难适应国内的市场需求。因此，开发研制同类产品已经迫在眉睫。 表 1 1 API SPEC 5CT 标准摘录 1.1.2 喷标系统的开发现状 钢管的喷标是国际国内标准明确要求的内容。 国外早已开发出钢管的喷标设备，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，尤其是喷头部分的设计。例如美国著名喷标机公司 Videojet、 Marsh 以及英国 Willet，丹麦 Magnemag 公司、 Infosight 公司的 spray marking system。其中丹麦 Magnemag 公司的喷标机能满足冶金企业的恶劣要求，已经应用在鞍钢，酒钢等钢铁公司，但是其价格昂贵，约为 250万人民币，涂料每升约 800 元。 过去国内对喷标系统的研究比较少，一般依靠进口国外先进设备。直到二十世纪九十年代才开始有少数机构对钢铁行业的喷标进行研究。其中杭州钢 铁公司的热轧钢坯喷标机采用七段码方式进行喷标。其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 2 为该系统使用的喷头示意图。 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nts 3 出所需的号码。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，具有较高的可靠性，号码调整灵活，不需要更换字模，喷标速度快等优点。但是，与点阵式不同，在七段码中，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。这既要保证喷头有良好的雾化和喷射的可靠性，也要对控制电路作出保证，必须增加工作状态检测。 同时，该喷标系统也存在如下问题：在高热环境下，涂料立即凝结在喷头上，很快堵塞喷头；涂料的雾化效果不好；不适合在曲面的钢管上进行喷标。但是我们可以从中得到一些启示：采用点阵式的喷头，以点阵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；利用压缩空气作为涂料喷射的动力。 图 1 2 喷头结构示意图 1.2 钢管喷标系统开发的必要性 现在国内有近百家钢管生产厂家，除了几家最大型的钢管公司具备雄厚的资金实力，能从国外引进专业的生产设备，其他企业的生产设备都很落后。有一些公司自己组织技术力量进行技术攻关也研制出了一些产品，能在一定的程度上解决问题，但产品大体上存在以下一些问题： （ 1）设备大都只能完成单一的任务，不能在自动生产线上和其他设备一起工作，使得生产效率依然低下，不能从根本上解决问题。 （ 2）产品的技术开发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。以喷标工位的喷头为例，由于国内的精加工技术、特种材料制造技术的落后，自行设计的喷头可靠性差，直接影响生产。 （ 3）产品的稳定性不够。由于这些产品的主要控制部件采用了单片机控制，nts 4 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。 （ 4）产品缺乏扩展性。易扩展性已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。 （ 5）满足不了企业日益增长的企业管理功能。 ERP、 PDM 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里都很重要。过去自行开发的系统只考虑到在生产中的功能，而忽略了在管理中的功能。 所有这些说明，开发研制高性能的喷标此类钢管生产的辅助设备和完善的监控系统是非常必要的。 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喷标系统应具备的特点： （ 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 PLC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。在结构设计上满足稳定性和可靠性的要求。 （ 3）完善的计算机监控功能。生产现场的恶劣环境，不适宜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同时具有故障报警和自诊断功能，这样只要在控制室里就能“看到”现场的一切动作。 （ 4）友好的人机界面。系统软件具备图像界面，可以把不同画面，同时分别以多单元以并行方式实时显示。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）系统具有可扩展性。系统应具有 ERP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。 （ 6）系统精度高和工作周期短。喷标速度快，喷标速度最高可以达到 120m/min。 1.3 课题的来源 国内大多数企业 几年来持续不断的技术改造和创新，使技术装备始终保持在先进水平。但是由于 企业产品标号效率低，管理不便，制约质量管理实施，无法满足生产自动化，有设备的厂家设备价格高 昂且维护困难 。 面对日益激烈的市场竞争， 为适应生产的需求，国内大多数企业 急需 新的喷标系统。 nts 5 1.4 论文的主要工作和意义 钢管喷标系统的开发涉及到多学科，多专业，是集光、机、电、和计算机一体化的产品。本论文主要完成以下工作： 1、通过对钢管喷标系统开发现状的分析，对钢管喷标系统进行了总体方案设计。 2、根据总体方案设计了以可编程序控制器为核心的控制系统。 3、根据对伺服电机的研究，设计了交流伺服电机驱动的喷标系统。 4、通过对系统工作原理和 PLC 的研究，进行 了 PLC 程序设计。 nts 6 2 喷标系统总体设计 2.1 喷标系统设计要求 （ 1）工作范围 钢管外径： 48（ 32） 246mm；钢管重量： 20Kg 1000Kg；钢管长度： 6m 15m；喷标介质：白色涂料； （ 2）精度要求 喷标标高： 10 50mm 可选；喷标字迹清晰； （ 3）生产效率 喷标速度： 0 120m/min； （ 4）自动化要求 选择好喷标打标内容后，无需人工干预自动完成生产；自动喷印管号；采用视窗图形作为人 机交互界面；具有自动报警功能，急停功能，半自动、手动功能；喷标数据保存并可上网；提供报表统计、查询，出库单打印等功能。 2.2 喷标系统总体设计 2.2.1 系统组成 喷标系统的结构组成如图 2 1 所示，系统外形如图 2 2所示。系统的主要有 以下 几个部分组成： 图 2 1 喷标系统的结构组成图 nts 7 1、 机身； 2、精密滚动导轨副； 3、精密齿轮齿条副； 4、喷标头； 5、气缸； 6、滑板； 7、小车； 8、电、气、液总导管； 9、伺服电机； 10、电气控制箱； 11、钢管。 图 2 2 喷标系统外形图 （ 1）机身部分。机身包括 立柱和横梁部分，是整个设备的支撑。 （ 2）横移机构。横移机构由齿轮齿条传动副、滑道、滚轮、伺服电机及其控制驱动部分、原点传感器、安全极限位传感器等组成。横移机构的主要功能是带动喷头在横梁上移动。喷标设备有一绝对原点，由原点传感器决定，所有的其他位置都以原点为基准。系统工作时，由伺服系统精确定位小车到达所需位置，在喷标过程中，喷头一边沿钢管轴向运行，一边完成喷标工作。在横梁的两头有安全保护：当小车由于某些原因，到达安全极限位置时，系统马上停止所有的动作，并发出安全报警。 （ 3）喷头升降机构。升降机 构由气缸、电磁阀、传感器、气路系统、直线滚珠导轨、手轮、手柄等组成。喷头在不进行喷标时，处于上位，而在进行喷标时，喷头下降到达工作位置。喷头的上升下降由系统控制电磁阀的动作从而控制气缸动作来完成。手轮和手柄则是用来调节喷头的下降时的位置的。由于钢管管径大小不同，而喷头工作时离钢管表面的距离有一定的范围约 20 30mm，超出这个范围，喷出来的字迹不能达到最佳状态。因此当换一批不同管径的钢管时，要靠手轮和手柄人工调整喷头的最低位置。 （ 4）防撞机构。防撞机构分为侧部防撞和底部防撞。底部防撞由四个接近开关组 成，喷头的任一角碰到障碍物，气缸就立即带动喷头上升，并且小车停止运动，发出报警信号。侧部防撞是一个接近开关，当钢管碰到接近开关时，喷头马上上升，并且小车停止运动，发出报警信号。由于喷头是整个喷标设备的核心部件，而且极为昂贵，所以要专门为它设计防撞设施。 nts 8 （ 5）喷头及其控制器。喷头及控制器部分是喷标系统最关键的部件。喷头在喷标控制器的控制下，涂料系统、气路系统、清洗系统的共同作用下，完成喷标任务。 （ 6）气路系统。气路系统主要为两个部件提供气源及控制：一是喷头升降控制；另一是喷头及控制器系统。 （ 7）控制系统。喷标控制系统主要由上位计算机、 PLC、脉冲发生单元、伺服放大器等。 2.2.2 工作过程 喷标系统的工作方式可以分为复位方式、手动方式与自动方式三种： （ 1） 复位方式 复位方式一般用在每次自动开始时，复位的目的是为系统中所有位置提供一个基准原点。复位的过程如下：在手动方式下，把小车移至原点传感器的前端，然后按复位按钮，小车将自动往原点传感器方向移动，等碰到传感器后，电机再转动一圈，伺服电机停止，复位完成。系统把这个位置记为原点值，接下来的运动中，任何距离都以这个位置为基础 。 （ 2） 手动方式 手动方式一般用在系统调试阶段或自动方式出现故障时。手动方式能完成喷标系统的一切任务，包括：喷头前进、喷头后退、喷头上升、喷头下降、开始喷标、清洗、报警等。手动方式是不可缺少的一种工作方式。 （ 3） 自动方式 自动方式是系统用得最多的一种工作方式，在钢管生产线上，要靠自动方式来完成钢管的喷标任务。典型的自动工作过程如下图所示： 图 2 3 喷标系统自动工作过程图 2.2.3 立柱横梁结构设计 2.2.3.1 齿轮齿条的设计 1 齿轮传动机构的特点 齿轮机构是现代机械中应用最广 泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。 nts 9 齿轮传动主要优点：传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确。 齿轮机构主要缺点：制造及安装精度要求高，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合。 2 齿条的主要特点 1） 由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为 20。 2） 与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。 3） 与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。 3 传动的基本要求 在 齿轮传动机构的研究、设计和生产中，一般要满足以下两个基本要求： 1.传动平稳 -在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动及噪音尽量小。 2.承载能力大 -在尺寸小、重量轻的前提下，要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长。 4 齿轮传动的润滑具有特殊性 1）轮齿形成油楔的条件差； 2）啮合齿面间压力大，而且相对滑动的大小和方向变化大，齿轮常处于边界润滑和混合润滑状态； 3）每次啮合都要重新建立油膜，润滑是断续的； 4）载荷大，摩擦热也大，易使油温上升，加速油膜的破坏； 5）齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗 糙度等影响因素； 因此，齿轮传动的合理润滑设计是十分重要的。 用于开式齿轮传动的为开式工业齿轮油及润滑脂。 开式齿轮油种类选择： 开式齿轮油种类选择 开式齿轮油种类 适用范围 抗氧防锈开式齿轮油 工作平稳的半封闭和开式传动 极压开式齿轮油 重载开式传动 sH500MP/mm nts 10 剂稀释开式齿轮油 重载开式传动 sH500MP/mm2 开式齿轮油粘度选择： 开式齿轮油粘度选择 给油方法 推荐粘度（ 100 C）（ mm2/s） 环境温度（ C） -15 17 5 38 22 48 油 浴 150 220 16 22 22 26 涂刷 热 193 257 193 257 386536 冷 22 26 32 41 193257 手 涂 150 220* 22 26 32 41 开式齿轮传动润滑方式：开式齿轮传动，因速度低，一般采用人工定期加润滑油或润滑脂。 2.2.3.2 齿轮齿条传动副的设计要求 （一）材料选择： 应具备条件 ： 1）齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀，抗磨粒磨损，抗胶合和抗塑性流动的能力； 2)在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度； 3)具有良好的加工 和热处理工艺性； 4)价格较低； （二） 几何计算： 模数 m=3 分度圆直径 3 2 0 6 0d m z 齿顶高 * 3aah h m齿根高 *( ) 1 . 2 5 3 . 7 5fah h c m m 齿全高 2 . 2 5 6 . 7 5afh h h m nts 11 齿顶圆直径 2 ( 2 ) 3 ( 2 0 2 ) 6 6aad d h m z 齿根圆直径 2 ( 2 . 5 ) 3 ( 2 0 2 . 5 ) 5 2 . 5ffd d h m z 基圆直径 c o s 6 0 c o s 2 0 5 6 . 3 8bdd 齿距 3 9 . 4 2pm 齿厚 4.712ps 齿槽宽 4 .7 12pep 顶隙 * 0 . 2 5 3 0 . 7 5c c m （三） 载荷计算：圆周力 112tTF d 径向力 tanrtF F a法向力 costn FF 根据名义转矩求得的 圆周力称为名义圆周力。实际圆周力要比名义圆周力大。为此，用各种系数对名义圆周力进行修正以考虑各种因素的影响，故实际圆周力tcF为： tc tF KFavK K K K K（四） 强度计算：在预定的使用期限内，齿面不产生疲劳点蚀的强度条件为： 221212111HHFbEE 齿面接触疲劳强度计算： 1.初步计算 转 矩 6 19 .5 5 1 0iPT n 6 209 . 5 5 1 0 1 9 1 0 0 01000 N m m 齿宽系数 查表取 d =1.0 接触疲劳极限 查图取 lim1H 710MPa lim2H 580MPa 初步计算的的许用接触应力 1 li m 10 . 9HH0 . 9 7 1 0 6 3 9 M P a 2 li m 20 . 9HH0 . 9 5 8 0 5 2 2 M P a nts 12 dA 值 查表取 dA 85 初步计算的小齿轮直径 1d 131 21ddHT udAu g3 21 9 1 0 0 0 3 18 5 8 3 . 11 5 2 2 3 取1 85d mm初步齿宽 b 1dbd 1 8 5 8 5 mm 2.校核计算 圆周速度 1160 1000dnv 8 5 1 0 0 0 4 . 4 5 /6 0 1 0 0 0 ms 精度等级 查表 选 8级精度 齿数 z和模数 m 模数 m=3 11 85 2 8 . 3 33dz m 取1 29z 21 3 2 9 8 7z iz 使用系数 查表取 1.5AK 动载系数 查表取 1.5VK 齿间载荷分配系数 HK 先求 112tTF d 2 1 9 1 0 0 0 449485 N AtKFb 1 . 5 4 4 9 4 7 9 . 3 /85 N m m 100 /N mmp 12111 . 8 8 3 . 2 c o szz 111 . 8 8 3 . 2 1 . 7 53 4 1 0 2 4 3Z 4 1 . 7 5 0 . 8 73 由此得 21HK Z 21 1 .3 20 .8 7 齿向载荷分布系数 HK 查表 2 3110H bK A B C bd nts 13 231 . 1 7 0 . 1 6 1 0 . 6 1 1 0 8 5 =1.38 载荷系数 K A V H HK K K K K 1 . 5 1 . 2 1 . 3 2 1 . 3 8 =3.28 弹性系数 EZ 查表取 1 8 9 . 8EZ M P a节点区域系数 HZ 查表取 2.5HZ 接触最小安全系数 minHS =1.05 总工作时间 1 0 3 0 0 8 0 . 2 4 8 0 0hth 应力循环次数 LN 查表 791 0 1 0LN则指数 8.78m 11 1 m a x60mniL v i h iiTN N n tT 8 . 7 81 m a x60 n i h ihi hTtt 8 . 7 8 8 . 7 8 8 . 7 8 76 0 1 1 0 0 0 4 8 0 0 1 0 . 2 0 . 5 0 . 5 0 . 2 0 . 3 5 . 7 9 1 0 原估计应力循环次数正确 21/LLN N i 775 . 7 9 1 0 / 3 1 . 9 3 1 0 接触寿命系数NZ查图1 1.18NZ 2 1.25NZ 许用接触应力 H lim 1 11 m inHNH HZS 7 1 0 1 . 1 8 7981 . 0 5 M P a li m 2 22 m i nHNH HZS 5 8 0 1 . 2 5 6901 . 0 5 M P a 验算 1212 1H E HKT uZ Z Zb d u g22 3 . 2 8 1 9 1 0 0 0 3 11 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 7 6 8 18 5 8 5 3 M P a 2H 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。否则， 尺寸调整后还应在进行验算 3.确定传动主要尺寸 实际分度圆直径 d 因模数取标准值时，齿数已重新确定，但未圆整，故 分度nts 14 圆直径不会改变，即 11d mz 3 29 87 mm 22d mz 3 8 7 2 6 7 mm 中心距 a 12()2m z za 3 2 9 8 7 1742 mm 齿宽 b 1dbd 1 87 87 齿跟弯曲疲劳强度验算： 重合度系数 Y 0 .7 50 .2 5Y 0 . 7 50 . 2 5 0 . 6 81 . 7 5 齿间载荷分配系数 FK 1/FKY 1/0.68 齿向载荷分布系数 FK /bh 8 7 / ( 2 . 2 5 2 . 5 ) 1 5 . 5 7 1.38FK 载荷系数 K A V F FK K K K K 1 . 5 1 . 2 1 . 4 7 1 . 3 8 3 . 6 5 齿形系数 FaY 查图1 2.46FaY 2 2.19FaY 应力修正系数 SaY 查图1 1.65SaY 2 1.8SaY 弯曲疲劳极限 limF 查图li m 1 600F M P a li m 2 450F M P a 弯曲最小安全系数 minFS 查表min 1.25FS 应力循环次数 LN 查表估计 6 1 03 1 0 1 0LN 的范围，得指数 m=49.91 4 9 . 9 11 1m a x60 n i h iL V hi hTtN N n t 4 9 . 9 1 4 9 . 9 1 4 9 . 9 16 0 1 1 0 0 0 4 8 0 0 ( 1 0 . 2 0 . 5 0 . 5 0 . 2 0 . 3 75.67 10 原估计应力循环次数正确 21/LLN N i 4 9 .9 15 .7 6 1 0 / 3 71.92 10 弯曲寿命系数 NY 查图 1 0.95NY 2 0.97NY 尺寸系数 XY 查图 1.0XY 许用弯曲应力 F l i m 1 11 l i mF N XF FYYS 6 0 0 0 . 9 5 1 4561 . 2 5 M P a nts 15 l i m 2 22 l i mF N XF FYYS 4 5 0 0 . 9 7 1 3491 . 2 5 M P a 验算 11 1 112F F a S aKT Y Y Yb d m 2 3 . 6 5 1 9 1 0 0 0 2 . 4 6 1 . 6 5 0 . 6 88 5 8 5 2 . 5 1213 FM P a 2211 11F a S aFFF a S aYYYY 22 . 1 9 1 . 82 1 3 2 0 72 . 4 6 1 . 6 5 FM P a 传动无严重过载，故不作静强度校核 （五） 加工工艺：齿面加工可以分为两类方法：一成形法，用与被切齿轮槽形状相符的成形刀具切出齿面，如铣齿，拉齿和成形磨齿等；二是展成法，齿轮刀具与工件按齿轮副的啮合关系做展成运动，工件齿面由刀具的切削刃包络而成，如滚齿，插齿，剃齿和磨齿等，加工精度和生产率都较高，应用十分广泛。 2.3 本章小结 本章提出了喷标系统 的总体设计方案，提出系统的设计要求；根据系统的组成结构进行喷标系统的设计，包括系统组成和工作过程以及设计时应注意的问题，最后给出机械结构部分的设计 。 nts 16 3 立柱横梁的设计 3.1 立柱横梁的组成 在机器（或仪器）中支承或容纳零部件的零件称为机架，是机座、床身、壳体、箱体及基础平台的统称。机架是各种机器中重要的零件之一。 3.1.1 机架概述 3.1.1.1 机架的主要功能： 1）对机器中的零部件起容纳、支承的作用 如变速器箱体支持其中的轴承、轴、传动零件，使它们保持 一定的相对位置。 2） 安全保护和密封作用 保护内部零件不受外界尘土、异物、腐蚀性气体液体的侵害；防止内部气体、液体外泄。 3） 对比较复杂的机械，保证密切相关的部件间相对位置，与利于加工、装配、调整和维修。 3.1.1.2 机架设计的原则 机架多数处于复杂的受载状态，外形结构复杂，因而机架的设计应针对具体情况进行分析，以便满足不同的要求。一般而言，机架的设计主要应保证刚度、强度及稳定性，同时，还应满足形状简单，便于制造、截面形状合理和肋板布置恰当的要求。 1）刚度 评定大多数机架工作能力的主要准则是 刚度，例如金属切削机床及其它要求精确运转的机器机架，以满足刚度条件为主。 2）强度 强度是评定重载机架工作性能的基本准则。如锻压机床、冲剪机床等机器，以满足强度条件为主。 3）稳定性 机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。 4）形状简单，便于制造 机架结构设计应合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机架的加工。 5）便于在机架上安装附件 机架的结构力求便于安装与调整，方便处理和更换零部件。 6）良好的耐磨性 有导轨的机架，要 求导轨面受力合理、耐磨性良好，以保证机架有足够的使用寿命。 另外，在满足强度和刚度的前提下，机架还应满足重量轻、成本低、抗振性nts 17 好、噪声小、温度场分布合理、热变形对精度影响小和造型好的要求。 3.1.2 悬臂梁的设计 悬臂梁与立柱相接是整个设备的主体部分，并且横移机构在悬臂梁上往返运动，其结构形式与加工方法直接影响喷头与钢管表面的喷印距离，所以悬臂梁的设计在整个系统中显得尤为重要。 3.1.2.1 悬臂梁的影响因素 在悬臂梁的设计中必须要考虑到温度差异引起的伸缩变形、加工中的应力引起的变形、挠度和应力变 化。 l)温度差异的影响 :由于悬臂梁一端是自由端，而且与立柱的联接的一端采用的是铰制螺栓联接，所以温度的差异可以不计算在内。 2)应力的影响 :由于导轨对于横移机构运动是否平稳有着很大的影响，因此需要对导轨进行精加工。为了消除由于内应力而引起的悬臂梁变形，必须进行热处理。 3)挠度的影响 :悬臂梁比较长，而且自重比较大，当横移机构在悬臂梁的自由端时，悬臂梁产生挠度变形最大，会直接影响到喷头到钢管表面的喷印距离。 4)机械极限位置 :由于横移机构的速度很快，为了确保设备安全，以防出现误动作时横移机构脱离悬臂梁的危险 ，特别在悬臂梁两端除了设计有电气保护之外还特别设有机械极限挡板。 3.1.2.2、悬臂梁结构的确定 悬臂梁的结构设计可以使用型钢结构也可以使用箱形结构，二者各有优缺点，我们在设计时采用了二者相结合的结构方式。 型钢结构 :型钢存在方钢、槽钢、工字钢等形式。型钢的优点是一次性成材，具有良好的直线度，采购方便。缺点是若采用一种形式的型钢作为喷标机横梁，在其结构上很难实现与喷标机其他部分的连接 ;喷标机悬臂梁要求有良好的刚性，但型钢只能通过增大型号实现，其结果是增加悬臂梁自重，从而增加了悬臂梁的挠度，无法优化结构。 箱形结构 :箱形结构主要由板材焊接而成。箱形结构的优点是可进行结构优化设计，减少设备重量。缺点是焊接过程的存在使得横梁产生弯曲、扭曲等变形及较大的内应力。 为使得横梁具有较好的直线度、变形量小及良好的连接性能，喷标机横梁截面结构形式设计成
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