钢管自动喷标系统之喷标小车的设计【21张CAD图纸+PDF图】
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I摘要钢管是一种多功能的钢材，其用途覆盖了石油、冶金、煤炭、汽车、船舶、电站以及军工等行业，为国家经济建设和国防安全做出了巨大的贡献。本文以国内外钢管生产线上精整区喷标系统的研究与开发现状为背景，对悬臂式钢管喷标系统进行了研究设计。本课题的主要研究工作：第一章综合叙述了钢管的工艺生产流程及 API 国际标准；说明了国内喷标系统的开发现状及存在的问题并阐述了开发钢管喷标系统的必要性；陈述了课题的来源以及论文的主要工作和意义。第二章针对喷标系统设计的总体说明，提出了系统的设计总目标；给出了系统设计的关键参数并给出了系统的平面布置图；根据系统的整体组成结构，对各部分机构及工作过程进行简单说明；最后给出喷标小车机械部分的设计方案以及简要概述喷标控制系统的总体设计。第三章根据设备运行的要求设计了喷标小车的机械、电气结构，并且对关键部分的设计进行分析。第四章介绍了喷标控制系统的设计组成，简述了 PLC 的编程方式，西门子 S7400PLC的特点；PLC 技术在工业应用中的优势分析以及 PLC 的硬件设计要求，喷标小车的伺服运动控制原理，最后给出了喷标流程图和相应的 PLC 程序。第五章总结喷标系统设计过程所做的工作，并对系统的改进方向进行了展望。关键词关键词 钢管；喷标；PLC；伺服电机；位置控制IIABSTRACTSteel tube is widely used as a sort of metallic material in oil,metallurgy,automobile, watercraft, electric plant, war industry and so on. It is important to the national economic development. This dissertation is based on the design and development of the system of steel tencil in home and abroad.with the aim of designing a Cantilever-Stencil Machine for Steel Pipe. the main contents are shown as follows:In chapter 1,technological process of steel tube and the international standard API are introduced.Then the current situation of research and problems on tencilling system in China are described.And also,the necessities of the improvement of it are explained.Finally,the source of this project and the main contents as well as the significance of this paper are mentioned.In chapter 2,according to the design target of stencil system,some key design parameters as well as the manufacture flow are put forward.The framework of an integrated tencil system comprising structures is presented,followed by a description of the mechanical struction and interaction.In chapter 3, the mechanism structure is designed according to the requirement of the equipment function. And the pivotal piece is analyzed.In chapter 4,PLC program metheod and the characters of S7400 series are introduced in brief.Attention are mainly focused on the modular design of PLC program,the servo-controlling system of the moving structure.flowed by the PLC program is mentioned.In chapter 5,the work of dissertation is summarized and prospect of improving direction of system is presented.Key words steel tube stencil PLC servo motor position control目目 录录1 绪论11.1 钢管喷标系统的开发现状11.1.1 引言11.1.2 喷标系统的开发现状31.2 钢管喷标系统开发的必要性41.3 课题来源41.4 论文的主要工作和意义42 喷标系统总体设计52.1 喷标系统设计要求52.2 喷标系统总体设计52.2.1 喷标小车的机械结构设计52.3 喷标系统的控制系统设计72.3.1 喷标系统的自动工作过程72.4 本章小结83 小车机械、电气结构设计93.1 横移机构的设计93.1.1 齿轮齿条副设计93.1.2 滚动直线导轨副设计103.1.3 伺服电机的选型143.2 喷头升降机构的设计153.2.1 选择喷标方式163.2.2 气缸的选型183.2.3 气缸活塞与喷头的配合183.2.4 气缸的固定193.3 喷头位置调节机构设计203.3.1 滚动直线导轨副213.3.2 锥齿轮副设计213.3.3 丝杆副设计293.4 防撞机构设计293.4.1 动作方式303.5 气路控制系统设计30II3.5.1 气动回路303.6 本章小结324 喷标控制系统设计334.1 控制系统的组成334.2 PLC 软件及编程334.3 PLC 在喷标系统中的应用344.3.1 PLC 的特点344.3.2 PLC 在工业应用中的优势344.3.3 S7-400 编程方式354.4 PLC 系统的硬件设计364.4.1PLC I/O 点数统计364.5 喷标小车的伺服运动控制374.5.1 伺服控制系统简介374.5.2 伺服运动控制系统工作原理384.6 PLC 程序设计394.6.1 喷标流程394.7 配电电气控制404.8 本章小结405 结论41致谢42参考文献43附录44附录 144外文原文44译文部分49附录 254附录 3651 绪论绪论1.1 钢管喷标系统的开发现状钢管喷标系统的开发现状1.1.1 引言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。钢管的种类繁多，生产过程复杂，生产设备也很庞大，大型企业一般采用自动化生产线来完成钢管生产的各个工艺流程，一般热轧钢管的生产工艺如下图 1-1 所示。2 管 坯剪 断称 重加 热冷 定 心斜 轧 穿 孔自 动 轧 管均 整定 径再 加 热减 径 冷 却矫 直切 管 头检 验成 品发 货标 记 打 捆入 库标 记 打 捆入 库重 切修 磨热 定 心热 处 理待 整 品检 查图 1-1 热轧管生产流程按照工艺流程，管坯进入车间后在剪断机上按工艺要求切成定尺长度。需要冷定心的合金管坯送至定心车床加工定心孔。管坯切断(冷定心)后送入管坯加热炉内进行加热。需要热定心的管坯出炉后由辊道送至热定心机上热定心。经热定心后的管坯由斜蓖条送到穿孔机上穿孔。穿孔后的毛管还要经过自动轧管机、均整机、定径机等加工成钢管。需要减径的管子，经过再加热炉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，由辊道送至链式冷床上冷却，冷却后的钢管(有的要热处理)送到斜辊式矫直机上矫直，然后进行其他各项精整工序。精整后的成品管经检验后涂油打捆入库。钢管喷标系统是对成品管进行喷涂标记的一种设备，根据一定的标准如钢管生产的炉号、班号、材料、长度、重量、生产厂家等按一定的标准标注在钢管表面。由此可知，钢管喷标系统应该安排在钢管生产工艺流程的精整部分。根据 GB2102-88 规定，外径不小于 36mm 的钢管应该在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴标记。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、产品标号和供应厂家的印记或者商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。随着我国入世，国内和国际市场的接轨，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 如下表 1.1-1 所示。过去，大部分的钢管生产厂家采用人工方式进行标记。人为的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3方式，字迹相对工整。这种做法一直沿用了很长一段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在劳动强度大、生产效率低、字迹不清楚、无法统一管理，难于与国际市场接轨。表 1.1-1 APISPEC 5CT 标准摘录GB/T 8162尺寸偏差项目允许偏差D101.60mm0.79mm管体D114.30mm0.5%外径接箍1%壁厚-12.5%6.50%单根-3.50%重量车载量-1.75%长度项目范围 1范围 2范围 3油管6.10-7.32m8.53-9.75m-套管4.88-7.62m7.62-10.36m10.36-14.63m从上世纪九十年代开始，国内一些大型的钢铁公司的产品为了参与国际竞争，花费巨资引进国外的生产设备。这些进口设备生产效率高、劳动强度低、喷印字迹规范，易于管理。但是进口设备成本高、要求工人素质高、维护成本大。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，设计研发同类设备已经迫在眉睫。1.1.2 喷标系统的开发现状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，而且设备的功能强大，能喷印各种各样的字符，设备采用了各种先进技术。 过去国内对喷标系统的研究较少，一般依靠进口国外先进设备。直到上世纪九十年代才开始有少数科研机构对喷标系统进行研究。如国内最先采用的七段码方式进行喷印。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的号码。这种设计相对简单，号码的变换转化为七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，不需要更换模子，喷印速度快等优点。但是，在高热环境下涂料会很快凝结在喷嘴上造成喷嘴阻塞，涂料的雾化效果不好，不适合在曲面的钢管上喷印。为克服上述不足，又相聚研发出了点阵式喷标，它以点阵式形成字体的方式比较适合钢管表面的喷印；白色涂料经过压缩空气的推动从高速电磁阀中喷出，速度较快，可4以在钢管表面形成一个个有规则的圆点，通过伺服控制系统控制喷头的有序移动，便可在钢管表面喷印出一系列的符号。1.2 钢管喷标系统开发的必要性钢管喷标系统开发的必要性国内除大型企业外其他企业生产设备落后，产品存在诸多标准不一致问题。设备功能单一，不能配合自动生产线生产，效率低，技术开发水平落后，精度低，可靠性差，设备故障率高，产品缺乏扩展性，阻碍自动化发展，跟不上现代化管理。所有这些说明，开发研制高性能的喷标系统等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，可以提出开发钢管喷标系统应具备的特点：控制和智能的全分散化、高内聚、松耦合、高稳定性、高可靠性、适应能力强、故障报警和自诊断功能、可扩展性、系统精度高，工作周期短。1.3 课题来源课题来源为实现质量管理和跟踪，行业规定钢铁产品进入国际市场必须标号，符合 API 标准，由于国内大多数企业产品标号效率低，管理不便，严重制约质量管理实施，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。面对激烈的市场竞争，为适应生产的需求，在消化国外先进设备的基础上，借鉴国内开发经验，根据国内企业现状，着手改进设计新的喷标系统。1.4 论文的主要工作和意义论文的主要工作和意义该系统的设计涉及到多学科，多专业，是集机械、电子和计算机一体化的设备，本论文主要完成以下工作：1）通过对系统开发现状的分析，对喷标系统进行了总体方案设计。2）根据总体方案设计了喷标小车的具体机械结构，气路系统，安全防护，控制系统。3）通过对系统工作原理的研究，进行了 PLC 程序的设计，该系统的设计综合运用了机械、电子、计算机三大知识体系，由于采用了喷头伺服电机拖动的形式，喷印定位精度得到了提升。52 喷标系统总体设计喷标系统总体设计2.1 喷标系统设计要求喷标系统设计要求喷标系统的设计要求如下：1） 工作范围 钢管外径：48（32）246mm；钢管质量：20Kg1000Kg；钢管长度：6m15m；喷标介质：白色涂料；打印喷标内容：计算机能编辑的任意字符；2） 精度要求 喷标标高：1050mm 可选；喷标字迹清晰；3） 生产效率 过管速度：最少 278 根/小时；喷标速度：0120m/min；4） 自动化要求 选择好喷标内容后，无需人工干预自动完成生产；自动喷印管号；具有自动报警功能，急停功能，半自动、手动功能； 2.2 喷标系统总体设计喷标系统总体设计喷标系统工作方式有自动、半自动、手动三种方式。自动方式是主要工作方式，不需要人工干预，能够自动完成喷标工作；半自动控制流程中单工位的流程与自动流程一致，它是便于测试和手动操作的一个灵活的流程。手动控制主要用于系统的调试和处理异常情况。例如：检验一下各工位是否运行正常，系统的运行情况是否正常，电气线路接触是否良好等；喷标工位布置如下图 2-1 所示。图 2-1 喷标工位布置图2.2.1 喷标小车的机械结构设计喷标小车的机械结构设计喷标小车是喷标系统中主要的机械运动部分，它由以下五个部分组成，如下图 2-2所示。6立柱横梁V型台架无缝管防撞机构喷头及控制器升降机构横移机构气路系统喷标小车图 2-2 小车在喷标系统中的结构示意1）横移机构。横移机构由齿轮齿条传动副、滚动直线导轨副、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移动，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。2）喷头升降机构。升降机构由气缸、电磁阀、传感器、气路系统、滚动直线导轨、手轮、手柄等组成。喷头不进行喷标时，处于上位；而在进行喷标时，喷头位置下降到达工作位置。喷头的上升下降由系统控制电磁阀的动作从而控制气缸活塞动作来完成。手轮和手柄则是用来调节喷头下降时的最低位置的。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，大概在 20mm30mm，超出这个范围，喷出来的字迹不能达到最佳的喷印要求。因此当钢管管径不同时，要靠手轮和手柄人工调整喷头的最低位置。3）防撞机构。防撞机构分为侧面防撞和底面防撞。底面防撞由四个接近开关组成，喷头的任意一角碰到障碍物，气缸立即带动喷头上升，并且喷标小车停止运行，发出报警信号。侧面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。由于喷头是整个设备的核心部件，而且比较昂贵，所以要为它设计专门的防护机构。4）喷头及控制器。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。5）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，给喷头的驱动部件-气缸提供动力；再者是喷头及控制器系统，为其提供一个动力，使涂料从7喷嘴（电磁阀）中喷射出去。2.3 喷标系统的控制系统设计喷标系统的控制系统设计2.3.1 喷标系统的自动工作过程喷标系统的自动工作过程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。根据设计要求，按钢管长度最长为 15 米算，单根喷标时间为 7.5s，而过管单根时间为 12.94s，可得知在进行喷标任务时，小车有足够时间来进行初始化和预处理任务。典型的自动工作过程如下图 2-3 所示: 钢 管到 位 喷 头预 清 洗气 缸 动 作喷 头 下 降电 机 转 动小 车 前 进到 始 喷 位 置开 始 喷 标喷 标结 束喷 头 上 升清 洗 喷 头光 电 检测 防 撞图 2-3 喷标系统自动工作过程示意图由上图可以看出，要设计的控制系统中需要用相应的控制部件来控制喷标过程的每一个环节。如钢管到位需要传感器来检测；小车的运动需要前面的工步完成后才能动作，也就是说小车的运动和停止需要一个相应的信号；喷标起始和结束位置的判断又需要一些开关设备，考虑到上述种种因素，喷标系统电气控制采用积木式结构，集散控制原理。由工控机集中管理信息，监控现场设备的工作状况；PLC 作为底层控制负责采集现场传感器信号，控制变频器、伺服电机等有序的执行生产命令。电气原理组成如下图 2-4 所示。8控 制 柜配 电 柜喷 标信 号 转 换 板伺 服 电 机、电 磁 阀接 近 开 关喷 标 控 制 箱开 关 电 源PLC、继 电 器断 路 器、接 触 器变 频 器 等工 控 机、UPS打 印 机控 制 台上 位 机图 2-4 喷标系统电气组成示意图2.4 本章小结本章小结本章提出了喷标系统的总体设计方案，介绍了喷标系统机械结构 、喷头防撞 、气路系统的设计要求并给出了相关示意图，简要介绍了喷标控制系统的设计组成、工作原理及设计时应注意的问题。93 小车机械、电气结构设计小车机械、电气结构设计喷标系统中，喷头的移动主要通过小车的来回移动完成。而喷头的上升下降是由安装在小车上的气缸来驱动的。在喷印字符时，喷头距离钢管有一个最佳的喷印距离，在这个距离之内喷印出来的字符效果相对较好。而不同批次的钢管管径是不一样的，为了使喷头在气缸活塞下降至极限位置时与钢管保持最佳喷印距离，这就增加了设计一个喷头位置调节机构的必要。此外，气缸的运动需要一个动力源，必须给其设计一个合理的气路系统。3.1 横移机构的设计横移机构的设计横移机构的主要组成部分有精密齿轮齿条副、滚动直线导轨副、伺服电机等。横移机构通过连接在伺服电机主轴上的齿轮与安装在横梁上的齿条啮合，伺服电机转动进而带动小车整体的移动。同时，滚动直线导轨副限制了横移机构整体框架的上下、左右及各方向的旋转自由度，使得横移机构只能沿着横梁轴向运动。横移机构如下图 3-1所示：伺服电机齿条机架导轨副横梁图 3-1 横移机构示意图3.1.1 齿轮齿条副设计齿轮齿条副设计前面已经提及小车的动力系统是伺服电机，而伺服电机主要提供的是转动，结合小车的运动方式为直线移动，因此需应用一种将转动转换为直线运动的机构，参考相关的机械设计资料，可知将转动转换为直线运动的机构主要有齿轮齿条机构、螺旋机构、带10传动机构、链传动机构等。考虑到小车有一定载重、来回运动频繁、传动效率高、要求工作时间长、定位精度高、工作环境适应性强等因素，选择精密齿轮齿条传动副。齿轮齿条副的设计应注重以下几方面的问题：1)齿条的直线度 由于系统对喷印字符的要求很高，必须保证小车运动的直线度，这就要求相应的齿条有很高的直线度要求。2)齿条与横梁的配合 按所设计的齿条在进行与横梁的装配时必须保证装配的直线度保持较小的误差。3)齿轮齿条的精度 考虑到喷标小车的定位精度要求，所设计的齿轮齿条必须有较高的精度等级。除上述应注意的问题外，在设计齿轮齿条副时必须进行必要的强度和载荷校核计算。详细设计过程由设计合作者黄方兴论述。3.1.2 滚动直线导轨副设计滚动直线导轨副设计滚动直线导轨副用于限制喷标小车除沿横梁移动外的所有自由度。由于导轨对于横移机构运动是否平稳有着很大的影响，因此对导轨副有很高的精度要求。此外，导轨的尺寸应与所设计的悬臂梁配套。 导轨类型的确定：由于喷标小车沿导轨移动要保证高的直线度，保证喷头与某一批次钢管的相互位置保持不变，小车移动时应轻便省力，速度均匀，低速时无爬行现象，同时又要求导轨能保持一定的使用精度，在使用过程中磨损量要小，且磨损后能自动补偿或便于调整，要有足够的刚度且受温度变化的影响较小，结构工艺性好等特点。综合上述，结合系统的使用环境和结构紧凑问题，参考相关设计资料，选用滚动直线导轨副。此类导轨的特点是摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现爬行现象，故运动均匀平稳。 导轨结构形式：图 3-2 所示为双 V 形截面的滚动导轨，由于滚动体和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大的场合。 11滑 块导 轨滚 动 体图 3-2 滚动导轨结构示意图 导轨选用计算：首先要满足最大喷印范围为 3.4 米的要求。其次，根据所设计的悬臂梁的长度，导轨的长度应与其配套。由于悬臂梁的长度确定为 6.8 米，则导轨的长度亦确定为 6.8 米。a）载荷计算根据上述设计要求与规格，选用型号为 GGB35 AA2P 滚动直线导轨副。安装形式如下图 3-3 所示F3F2F1Ft3 Ft4Ft1 Ft2GGFt4Ft2Ft3Ft1caF4导轨 滑块 箱形横梁小车机架图 3-3 导轨副立式横向安装图查阅这种型号导轨的规格：受力方式为四方向等载荷，额定动、静载荷分别为12Ca=35.1kN，Coa=47.2kN，硬度系数 fh=1，温度系数 ft=1，接触系数 fc=0.81，精度系数fa=1.0，载荷系数 fw=1.2计算公式 式（3.1）112342lFFFFGa 式（3.2）13142cFFGGa 式（3.3）24142cFFGGa式中 、各滑块所受载荷；1F2F3F4F 、各滑块所受剪切力；1F2F3F4F 悬挂件总质量；G同一平面内安装导轨数；1l其中 悬挂件总质量为 79kg代入数据得 F1=F2=F3=F4=0.126kNF1=F3=0.194kNF2=F4=0.194Kn b）额定寿命滚动直线导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同。计算公式 式（3.4） 式maxPF（3.5）式中 L额定寿命（km） ；Ca额定动载荷；P当量动载荷；Fmax受力最大的滑块所受的载荷；指数，当滚动体为滚珠时，=3；K额定寿命单位（km） ，滚动体为滚珠时，K=50；代入数据得 L=126542kmc）寿命时间当行程长度一定时，以 h 为单位的额定寿命为h t c aawf ff f CL=KfP13 式（3.6）式中 La行程长度（m） ；n2每分钟往复次数；代入数据得 Lh=31015h按年工作日为 300d，二班工作制，每班 8h，开机率为 80%，则预计寿命年限为 式h31015300 16 0.8年L（3.7）代入数据得 Lh=8.07 年 提高导轨刚度的措施及导轨的预紧如下图 3-4 所示，当承导件往复移动时，承导件压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，承导件保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使承导件倾斜 角，由此造成误差。此外，滚动体支承承导件，若承导件刚度差，见下图 3-5，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使承导件下凹（有时还可能出现波浪形） ，影响导轨的精度。 图 3-4 滚动体受力 图 3-5 承导件受力3ha210 hn60LLL14为减小导轨变形，提高刚度，除靠导轨本身的制造工艺外，常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。 试验证明：随着过盈量的增加，导轨的刚度开始急剧增加，达到一定程度后，再增加过盈量，刚度不会显著提高。牵引力随着过盈量增加而增大，但在一定限度内变化不大，过盈量超过一定值后，则急剧增加。因此，合理的过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。 技术要求导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度，根据设计和使用要求，制定出滚动导轨的若干安装技术条件：1. 不允许将滑块与导轨分离或超行程又推回去。如因安装困难，需要拆下滑块，必须使用引导导轨； 2. 安装前必须检查导轨副是否有合格证、有否碰伤、锈蚀，用防锈油清洗干净，清楚装配表面毛刺及污物等，检查装配连接部位螺栓孔是否吻合，如果发生错位而强行拧入螺栓，将会降低运行精度； 3. 安装前必须分清基准导轨副与非基准导轨副， （基准导轨上产品编号标记最后一位有“J” ，滑块上有磨光的基准面） ，其次是认清导轨副安装时所需的基准侧面； 4. 导轨轴和滑块座与侧基准面靠上定位台阶后，应从另一面预紧后再固定。3.1.3 伺服电机的选型伺服电机的选型1）确定电机转速根据生产要求可以得知要达到 80m/min 的生产速度，则电机的转速应为： 式380 10425 /minnrmz（3.8）式中 n电机转速；m齿轮模数，在此为 3；z齿轮齿数，在此为 20；2）确定电机转动惯量由于伺服电机的运行性能依赖于负载和电机惯量的匹配，为了满足系统灵敏性稳定性的要求，负载的转动惯量 JL应限制在电机惯量 JM的 15 倍之内。等效转动惯量算法如下： 式（3.915LMJJ）15 式2211mnikLikikvJJM（3.10）式中 Ji各种转动件的转动惯量，Kgm2；i各转动件角速度 rad/min；Mk移动件的质量，Kg；vk各移动件速度，m/min；伺服电机的角速度，rad/minJM电机的转动惯量，Kgm2；伺服电机是依靠齿轮齿条啮合，从而带动横移机构在悬臂梁上做直线运动，因此上面式（3.10）中旋转部分的转动惯量为零，而直线运动部分的总重为 79Kg，代入式（3.10）可得 式（3.11）2-3-423 20 1079630 10 ()2LJkg mA又由式（3.9）可得 式（3.12）42/1542 10 ()AMLJJkg m根据以上的计算可以看出，要满足喷印速度 80m/min 的要求，伺服电机的转速必须达到 425r/min,而要满足伺服电机与负载的转动惯量比的要求，则伺服电机的转动惯量应该大于 4210-4kgm2。因此，查阅相关伺服电机型号规格表，选择三菱 HC-SFS121 型伺服电机，其额定转速为 1000r/min，转动惯量为 4210-4kgm2，满足要求。3.2 喷头升降机构的设计喷头升降机构的设计喷头升降机构用于驱动喷头在进行喷标任务时喷头与所要喷印的钢管间的距离，使其保持最佳喷印距离。如下图 3-6 所示，升降机构由喷头、气缸、电磁阀、传感器、气路系统、直线滚珠导轨副、手轮、手柄等组成。喷头不进行喷标任务时，处于上位；而在进行喷标时，喷头位置下降到达工作位置。喷头的上升下降由系统控制电磁阀的动作进而控制气缸活塞动作来完成。手轮和手柄则是用来调节喷头下降时的最低位置的。16喷头托架防尘罩气缸标尺图 3-6 升降机构组成结构3.2.1 选择喷标方式选择喷标方式目前喷标技术主要采用CIJ 连续式喷标和DOD 按需喷墨式喷标。CIJ 方式一般以磁流变液体为介质，墨水通过压力从单一喷嘴不断喷出，经晶体振荡后发生断裂形成墨点；墨点经充电、高压偏转后在运动的物体表面扫描成字。其使用的介质是墨水，主要应用于小字符喷印。如下图3-7所示, CIJ连续式喷标的特点：图3-7 CIJ喷标1）可喷印的字符高度为0.06mm-15mm2）喷印5*5点阵时很快，喷印中文、图形、16点阵文字时速度变慢3）机器运行时，墨水循环使用，使得墨水浓度不稳定，而且还需要添加稀释剂，稀释液不断挥发，造成浪费。4）墨水回收系统容易将粉尘潮气等吸入机器内部，从而影响机器正常工作性能。5）因墨点需要经晶体振荡、充电、高压偏转等精密控制，所以故障几率就比较大。176）控制系统比较复杂，需要精密调整参数才能保证正常使用。7）墨水循环过程中，大量有机溶剂挥发，气味难闻，造成环境污染。8）由于使用的是外界气源供气，对压力及清洁度要求高，气源质量直接影响机器寿命。9）齿轮泵式喷标电机高速运转时需要通风散热，由于不密封粉尘及潮气容易进入机器内部。10）轮泵容易磨损，不能修复，只能更换，维修成本比较高。DOD 按需喷墨式喷标是通过控制一列高频开关式电磁阀实现点阵式喷标，结构简单，可靠性高。如下图3-8所示：图3-8 DOD喷标这种喷头的喷嘴开口度较大，可以形成较大的喷点，因此除了可以使用墨水外，还能够使用一些特殊的涂料，例如，水基白色涂料，使用特殊涂料在物体表面喷出的字型很清晰，即使是在户外也可以保持很长时间。相比较而言，墨水在钢铁材料上存在着透析，很容易扩散，而这些特殊涂料的粘度大，与钢铁亲和力强，因此在钢铁行业一般都使用这些特殊的涂料。按需喷墨式喷标在大字符或图形喷印上存在很大的优势：1）喷印字符高度为2.5mm-64mm。2）喷印速度不受字型点阵的影响，最快可以达到120m/min。3）机器运行时，墨水不循环使用，不需要添加稀释剂，墨水浓度一定。4）墨水不需要回收，供墨系统密封良好，避免了污染。5）墨水直接喷出，自带压力泵，精密部件少，故障率低。6）控制系统简单可靠，操作简单，便于维护。7）自带低压供气系统，气源压力稳定，质量清洁，保证机器正常运行。8）机内没有大功率部件，工作无需散热，设备系统密封性能良好，不受工作环境影响。9）没有易损件，维修成本相对CIJ要低些。考虑上述因素，本系统采用DOD 喷标技术，选择日本MAKTEC 公司的PJ-1B 型喷头。18该喷头由16个精密高速电磁阀构成，在喷印字符时，字型相对应的电磁阀快速开启，墨水依靠内部恒定压力喷出，在运动的表面形成点阵式字符或者图形。3.2.2 气缸的选型气缸的选型对于喷标系统而言，喷头升降并不需要太大的作用力，也不会出现负载突然变化的情况，因此采用气动方式控制喷头的升降完全可以满足工作要求，但同时也要考虑到升降时间对钢管生产节奏的影响。设现场提供的气源压力为0.4Mpa，气缸所要推动的部件总重约为110N（喷头和防撞机构的质量总和）。实际选用的是缸径为80mm，行程为200mm的FESTO公司DNGU80-180-PPV-A型气缸，所能承受的最大负荷为Q=D2P/4。根据FESTO气缸活塞负荷与活塞速度的关系图查得：气缸的升降速度为225mm/s，可知气缸的全行程时间不超过2s。3.2.3 气缸活塞与喷头的配合气缸活塞与喷头的配合喷头是喷标执行部件，气缸通过活塞驱动喷头做上下升降运动，这里就涉及到气缸活塞与喷头的配合以及喷头的导向问题。如下图 3-9 所示：图 3-9 气缸活塞与喷头的连接示意图活塞部件主要通过销连接与喷头部件进行连接，喷头与喷头固定板用内六角螺钉固定，喷头定位销部分内嵌在冲头内部，并用沉头螺钉预紧，喷头销连接部分零件与过渡19板为螺钉连接。活塞杆头部与活塞头销连接部分为螺纹连接，并装有用于微调的螺母。喷头在进行喷标任务时，必须保证喷头作上下垂直运动，动作过程中不能出现喷头的左右晃动，以影响喷印质量，因此，必须在气缸驱动喷头到达喷印位置的过程中保持喷头运动方向的一致性，就必须对喷头安装导向装置。如下图 3-10 所示：图 3-10 喷头导向装置结构示意图该装置主要由导柱导套副组成，导套用螺栓固定在气缸固定座上，导柱安装在喷头过渡板上面，喷头上下升降运动的同时，导柱在导套内滑动，限制喷头前后左右的自由度。 3.2.4 气缸的固定气缸的固定如下图 3-11 所示，气缸的固定设计采用固定座子，气缸通过螺栓连接安装在固定座上，固定座与喷头位置调节机构的托架通过螺栓连接。20 图 3-11 气缸固定示意图3.3 喷头位置调节机构设计喷头位置调节机构设计由于不同批次的钢管管径大小不同，而喷头工作时离钢管表面的距离有一定的范围，大概在 20mm30mm，超出这个范围，喷印字迹不能达到最佳喷印效果。因此当钢管管径不同时，要靠手轮和手柄人工调整喷头的最低位置。根据所设计的锥齿轮副和丝杆传动副，当转动手轮一圈时，大齿轮转动 2/3 圈，丝杆螺母上升或下降 5.33mm，则升降托架带动喷头也跟着运动 5.33mm。根据所能喷印的钢管管径差最大为 200mm，最大调节距离需要转动手轮 37.5 圈，比较合适。该机构组成结构图如下图 3-12 所示：图 3-12 喷头位置调节机构示意图21该机构主要由托架、滚动直线导轨副、丝杆螺母副、锥齿轮传动副、调节手轮等组成。手轮的转动通过锥齿轮副转换为丝杆的转动，通过丝杆螺母来带动托架作上下升降运动。3.3.1 滚动直线导轨副滚动直线导轨副考虑到喷头调节机构由人工通过手轮来调节，导轨副采用精度高、摩擦阻力小，运动轻便灵活的直线滚动导轨。根据系统的尺寸和相关设计要求选用型号为 GGB 30BA2P2720-2 型滚动直线导轨副。3.3.2 锥齿轮副设计锥齿轮副设计锥齿轮是圆锥齿轮的简称，它用来实现两相交轴之间的传动,两轴交角称为轴角，其值可根据传动需要确定，一般多采用 90。锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上，轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小，如下图 3-13 所示。由于这一特点，对应于圆柱齿轮中的各有关圆柱在锥齿轮中就变成了圆锥，如分度锥、节锥、基锥、齿顶锥等。锥齿轮的轮齿有直齿、斜齿和曲线齿等形式。直齿和斜齿锥齿轮设计、制造及安装均较简单，但噪声较大，用于低速传动（5m/s）；曲线齿锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点，用于高速重载的场合。在本文中锥齿轮副用在喷头位置调节机构中，速度较低且属于轻载，因此考虑用直齿锥齿轮传动。 图 3-13 直齿锥齿轮副 直齿锥齿轮主要参数初算22详细计算数据见附表一，其中 m 为大端模数，应圆整到标准值。 （见附表二）注：n1小轮转速；n2大轮转速。 直齿锥齿轮几何计算根据锥齿轮传动的特点，其基本几何尺寸按大端计算，但锥齿轮齿宽中点处及其当量齿轮的几何尺寸必须通过大端导出。1） 齿宽系数 FR FR=1/3，且 b1=b2=b 式（3.13）式中 b1小锥齿轮齿宽；b2大锥齿轮齿宽；b平均齿宽；2） 齿宽中点的分度圆直径（平均分度圆直径）dm和平均模数 mm 式（3.14）111(0.5 )/(1 0.5)mRdd RbRd 式（3.15）22(1 0.5)mRdd 式（3.16）11/(1 0.5)mmRmdzm式中 dm1小轮平均分度圆直径；dm2大轮平均分度圆直径；d1小轮分度圆直径；d2大轮分度圆直径；R齿宽系数；R锥距；mm平均模数；m大端模数；z1小轮齿数；3） 齿宽中点处当量齿轮的分度圆直径 dmv、当量齿数 zv及当量齿数比 uv 式（3.17）21111/cos(1 0.5)1/mvmRddduu 式（3.18）22222/cos(1 0.5)1mvmRdddu 式（3.19） 式（3.20）221vvvzuuz式中 dmv1小轮当量分度圆直径；dmv2大轮当量分度圆直径；1小轮分度锥角；211111cosvzzuzu232大轮分度锥角；u齿数比；zv1小轮当量齿数；zv2大轮当量齿数；z1小轮齿数；uv当量齿数比；式中齿数比影响分度锥顶角的大小，一般取 u3，最大不超过 5。相关的数值计算见附表三所示。 直齿锥齿轮传动的运动设计1） 背锥和当量齿轮 下图 3-14 为一锥齿轮的轴向半剖面，其中 DOAA 为分度锥的轴剖面，锥长 OA 称锥距， 用 R 表示；以锥顶 O 为圆心，以 R 为半径的圆应为球面的投影。若以球面渐开线作锥齿轮的齿廓，则圆弧 bAc 为轮齿球面大端与轴剖面的交线，该球面齿形是不能展开成平面的。为此，再过 A 作 O1AOA，交齿轮的轴线于点 O1。设想以 OO1为轴线，以 O1A 为母线作圆锥面 O1AA，该圆锥称为锥齿轮的大端背锥。显然，该背锥与球面切于锥齿轮大端的分度圆。由于大端背锥母线 O1A 与锥齿轮的分度锥母线相互垂直，将球面齿形的圆弧 bAc投影到背锥上得到线段 bAc，圆弧 bAc 与线段 bAc非常接近，且锥距 R 与锥齿轮大端模数 m 之比值愈大（一般 R/m30），两者就更接近。这说明：可用大端背锥上的齿形近似地作为锥齿轮的大端齿形。由于背锥可展开成平面并得到一扇形齿轮，扇形齿轮的模数 m、压力角 a 和齿高系数 ha*等参数分别与锥齿轮大端参数相同。再将扇形齿轮补足成完整的直齿圆柱齿轮，这个虚拟的圆柱齿轮称为该锥齿轮的大端当量齿轮。这样就可用大端当量齿轮的齿形近似地作为锥齿轮的大端齿形，即锥齿轮大端轮齿尺寸（ha、hf等）等于当量齿轮的轮齿尺寸。 24 图 3-14 锥齿轮轴向半剖图2） 当量齿数当量齿轮的齿数 zv称为锥齿轮的当量齿数。zv与锥齿轮的齿数 z 的关系可由上图求出，由图可得当量齿轮的分度圆半径 rv 式（3.21）/cos/2cosvrrmz式中 rv当量齿轮分度圆半径；而 式（3.22）/2vvrmz则有 式（3.23）/cosvzz3） 当量齿轮和重合度计算 背锥和当量齿轮下图 3-15 为一对锥齿轮的轴向剖面图。该对锥齿轮的轴角等于两分度锥角之和，即 式（3.24）12 式中 轴交角；25 图 3-15 锥齿轮的当量齿轮由于直齿锥齿轮传动强度计算及重合度计算的需要引进一对当量齿轮（上图），它们是用该对锥齿轮齿宽中点处的背锥展开所得到的。当量齿轮的分度圆半径 dv1/2 和dv2/2 分别为这对锥齿轮齿宽 b 中点处背锥的母线长；模数即为齿宽中点的模数，称为平均模数 mm。 直齿圆锥齿轮的啮合传动特点一对锥齿轮的啮合传动相当于其当量齿轮的啮合传动。因此有如下特点：a、正确啮合条件 ： 式（3.25）121212,mmm 式中 小轮压力角；1大轮压力角；2啮合压力角；b、续传动条件 e1，重合度 e 可按其齿宽中点的当量齿轮计算。C、不根切的最少齿数 式（3.26）minmincosvzz式中 zmin不根切最少齿数；zvmin最小当量齿数；d、传动比 i12 因 式（3.27）11222 sin,2 sindRdR故 26 式（3.28）1212212121/sin/sinizzdd当=90时，有 式（3.29）121tan2coti图 3-16 锥齿轮啮合直齿锥齿轮的当量齿轮用于重合度计算和强度计算。参考点 M 的各个参数代号中引入下角标“m” ；当量齿轮各参数代号中引入下角标“v” 。相关的数值计算见附表四所示。 直齿锥齿轮传动的强度计算直齿锥齿轮的强度计算比较复杂。为了简化计算，通常按其齿宽中点的当量齿轮进行强度计算。这样，就可以直接引用直齿圆柱齿轮的相应公式。因直齿锥齿轮的制造精度较低，在强度计算中一般不考虑与重合度的影响，即取齿间载荷分配系数 Ka、重合度系数 Ze、Ye 的值为 1。1） 轮齿受力分析忽略齿面摩擦力，并假设法向力 Fn集中作用在齿宽中点上，在分度圆上可将其分解为圆周力 Ft、径向力 Fr和轴向力 Fa相互垂直的三个分力，如下图所 3-17 所示。各力的大小分别为27 式（3.30）111121112111211cos22(1 0.5)tancostansintnttmRratartFFTTFFddFFFFFF 式中 T1小齿轮的名义转矩（Nmm）； 图 3-17 轮齿受力分析各力的方向 主动轮圆周力的方向与轮的转动方向相反，从动轮圆周力的方向与轮的转动方向相同；主、从动轮径向力分别指向各自的轮心；轴向力则分别指向各自的大端。载荷系数 K=KAKvK 式（3.31）式中 KA使用系数，按使用系数 KA表查取（见附表五）Kv动载荷系数，降低一级精度等级，用齿宽中点的圆周速度由动载荷系数Kv 图查取（见附图一）K齿向载荷分布系数，可按式（3.30）得KH=KF=1.5KHbbe 式（3.32）式中 KHbbe由齿向载荷分配系数表 KHbbe查取（见附表六）。2） 齿面接触疲劳强度计算以当量齿轮作齿面接触疲劳强度计算，则式（3.33）28 式（3.33）11tHEHHPKF uZ Z Zbdu为 式（3.34）111vvHEHHPvvKF uZ Zbdu式中 计算应力值；H弹性系数；EZ节点区域系数；HZ接触强度计算重合度系数；Z载荷系数；K齿面接触应力基本值；HP许用接触应力；HP将当量齿轮的有关参数代入上式中，可得直齿圆锥齿轮传动的齿面接触疲劳强度校核公式为 式（3.35）211(1 0.5)tHEHHPRKFuZ Zbdu而齿面接触疲劳强度设计公式为 式（3.36）123124()(1 0.5)EHRRHPKTZ Zdu式中各参数按前述确定。相关的计算数据见附表七所示。从附表七可看出，齿面接触应力基本值 HO（725.7325MPa）接触疲劳极限值Hlim（1370MPa）且接触强度安全系数大于许用值，所设计的锥齿轮接触强度达到要求。3） 齿根弯曲疲劳强度计算直齿圆锥齿轮传动的齿根弯曲疲劳强度校核公式和设计公式见 式（3.37）0(1 0.5)ttFFaSaSaFaFPmRKFKFY YY Ybmbm 式（3.38）1322214(1 0.5)1FaSaFPRRKTY Ymzu式中 YFa齿形系数，根据当量齿数 ，由外齿轮的齿形系数图 YFa查取（见附图二）；YSa应力修正系数，根据当量齿数 ，由应力修正系数 YSa图查取（见附图三）；29齿根弯曲疲劳强度的相关计算数据见附表八所示。由附表八可看出，大小齿轮的齿根应力基本值 FO（119.7289Mpa、201.2453Mpa）均小于弯曲疲劳极限值 Flim（206.89Mpa）且弯曲强度安全系数大于许用值，所设计的锥齿轮弯曲强度达到要求。3.3.3 丝杆副设计丝杆副设计丝杆副是将旋转运动转换为直线运动或者把直线运动转换成旋转运动，同时进行能量和力的传递，或者调整零件间的相对位置。主要由螺杆和螺母组成。在喷标系统中通过螺母的上下移动带动升降托架的升降运动。 丝杆传动设计根据喷标小车调整喷头的精度要求及系统载荷运转平稳性情况，喷标小车喷头位置调节机构中需要通过手轮来调节喷头的最低位置，速度比较低，运转比较平稳，载荷较小。同时由于系统在运行过程中要求喷头与钢管的距离保持一定，就要求丝杆副具有一定的自锁能力，配合手轮的锁紧机构来保证调节好距离的喷头位置保持不变。参考上述条件，选择梯形螺纹牙型的滑动螺旋丝杆副。相关设计计算见附表九所示。3.4 防撞机构设计防撞机构设计由于喷头是整个设备中最为昂贵的部件，因此特别设计了立方体形式的喷头防撞机构。如下图 3-18 所示： 图 3-18 防撞机构示意图303.4.1 动作方式动作方式防撞机构由一个保护罩和相关的微动开关组成。在保护罩底部的四个角分别安装一个感应式传感器（底部防撞微动开关）,保护罩外部靠感官上料侧还有一个摆臂式行程开关（侧部防撞行程开关） 。当喷头在下位时，一旦有其他物体从底部接近某个角，或者有物体从侧面接近，碰到行程开关的摆臂，则气缸立即带动喷头上升，并发出报警信号，起到保护喷头的作用。3.5 气路控制系统设计气路控制系统设计气动控制系统与电气和液压系统一样，都是实现生产过程机械自动化最有效的手段之一。气动系统有很多优点，例如，系统机构简单，使用维护简便，成本低廉；能适应恶劣的生产环境，安全性高；工作寿命长；容易获得工作介质（压缩空气） 。同时，气动系统也存在大距离传递信号速度慢，在负载有波动时难以保证气动执行元件输出平稳等不足。然而对于自动化机械设备中的大多数对象来说，气动系统的参数是合适的。3.5.1 气动回路气动回路喷标系统的气动系统回路的动作顺序如下：升降气缸接到启动信号后下降，涂料泵将涂料压倒喷头，喷嘴电磁阀动作，喷印字符完成后，清洗剂泵将清洗剂压到喷头对喷嘴进行清洗，同时冷却空气对喷嘴电磁阀进行冷却，最后气缸复位，等待下次启动信号。经过以上分析，喷标系统共有喷头升降、冷却空气回路、清洗空气回路、涂料回路、清洗剂回路等五个回路。气路系统的设计原理图如下图 3-19 所示。1） 喷头升降回路喷头升降回路的气动元件主要有缸径 80mm 行程 200mm 的升降气缸 1、三位五通电磁阀 2、消声器 3 和三联件 4 组成。用于完成喷头上升和下降的动作。2） 冷却空气回路冷却空气回路的气动元件有二联件 8、球阀 9、球阀 10、过滤器 11。该回路从打开喷标气路的时候就开始需要不断的输出冷却空气，对喷头的 16 个高速开关电磁阀进行冷却，避免高速开关电磁阀在工作过程中过热，导致电磁阀线圈烧坏。3） 清洗空气回路清洗回路的气动元件有二联件 12、二位二通电磁阀 13.该回路用于在每次喷标完成31后将清洗剂用压缩空气打出喷嘴进行清洗，从而保证喷嘴的顺畅，达到清洗的目的。4） 涂料回路涂料回路主要的气动元件有压力表 14、气动隔膜泵 15、二位二通电磁阀 16、单项节流阀 19、过滤器 23、高速开关电磁阀 26。5) 清洗剂回路清洗剂回路主要的气动元件有空气膜泵 17、二位二通电磁阀 18、单向节流阀 21、二位二通电磁阀 22、过滤器 24 和二位二通电磁阀 25。清洗剂从清洗剂箱开始经过过滤和单向节流阀之后到达空气膜泵 17，压缩空气通过推动泵内膜片，从而将清洗剂输送到喷嘴的清洗剂仓，由清洗空气提供的压缩空气打出喷嘴，达到清洗的目的。 图 3-19 气路系统原理图1、气缸 2、三位五通电磁阀 3、消声器 4、三联件 5、球阀 6、主空气压力开关 327、主空气压力表 8、冷却压缩空气二联件 9、冷却空气球阀 10、主球阀 11、过滤器 12、清洗压缩空气二联件 13、清洗压缩空气二位二通电磁阀 14、涂料压力表 15、涂料空气隔膜泵 16、涂料压缩空气二位二通电磁阀 17、清洗剂空气膜泵 18、清洗剂压缩空气二位二通电磁阀 19、涂料单项节流阀 20、涂料回流二位二通电磁阀 21、清洗剂单向节流阀 22、清洗剂回流二位二通电磁阀 23、涂料过滤器 24、清洗剂过滤器 25、清洗剂二位二通电磁阀 26、高速开关电磁阀 27、清洗剂压力传感器 28、涂料压力传感器涂料从涂料箱开始经过过滤之后，通过单向节流阀 19 进入气动膜泵 15，压缩空气的推动泵内膜片，从而将泵内的涂料输送到喷头的高速开关电磁阀，然后通过二位二通电磁阀 20 回到涂料箱。气动隔膜泵有着安全、节能、高效、耐用的特点，由于使用压缩空气为动力，工作过程中不会产生火花、静电或电磁干扰，适宜于易燃易爆场合使用。介质的流量可根据需要，通过泵上的调压阀进行无极调节。在喷标系统中，涂料具有腐蚀性，而且喷嘴极易堵塞，气动隔膜泵的耐腐蚀性能良好，而且使用气动隔膜泵可以将空气与涂料分开，可以避免压缩空气中的杂质进入喷嘴。3.6 本章小结本章小结本章主要介绍了喷标小车的机械结构、电气与液压系统的设计，详细论述了小车定位导轨、锥齿轮副（手轮调节机构） 、升降丝杆的设计，最后给出了小车气动液压回路图并说明了相关回路的工作原理。334 喷标控制系统设计喷标控制系统设计控制系统是整个喷标系统的核心部分，它实现喷标过程的控制，检测现场传感器、电机、变频器等的工作状况，使系统更好的适应生产环境。4.1 控制系统的组成控制系统的组成控制系统由上位机、PLC 系统、喷标机微处理系统组成。上位机监控系统实现集控功能，接受 PLC 所传送的现场各工位的采集信号，统一调度；PLC 负责采集现场传感器、各工位工作信号，控制变频器、电机、制动器、伺服电机等的运行。控制系统组成如下图4-1 所示。ACS II打印机伺服放大器信号转换卡S7400PLCRS232（MPI）CP5611MOXA串行扩展卡喷标控制器伺服电机喷标小车图 4-1 控制系统组成图4.2 PLC 软件及编程软件及编程PLC 软件包括系统程序和用户程序，系统程序用户不能修改，用户程序则由用户根据控制对象的要求进行编制。PLC 程序设计语言的标准由国际电工委员会（IEC）提出IEC1131-3，指定了PLC 程序设计的语法和语义。该标准定义了如下几种PLC 程序设计语言。1） 指令列表（Instruction list）2） 结构文本ST（Structured Text）3） 功能块语言FBD（Function Block Diagram）4） 梯形图LD（Ladder Diagram）5） 顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）34这几种语言中，梯形图应用的最为广泛，因为它既能表达电气工程师熟悉的继电器控制线路又能表达各种特殊功能，包括算术运算，数据传送通讯，中断，I/O，DRAM 刷新，子程序的调用，堆栈操作，表格操作等。除梯形图外还有用于超小型可编程控制器使用的布尔代数，但它只能进行逻辑运算和少数表达功能。顺序功能图是专为顺序控制而设计的，便于模块化编程并缩短了程序扫描时间，其应用也越来越多。而随着PLC 的发展，有些中、高档编程器也采用BASIC，PASCAL，C 语言等。4.3 PLC 在喷标系统中的应用在喷标系统中的应用4.3.1 PLC 的特点的特点PLC 是一种数字运算操作的电子系统，用来完成工业控制中不同的复杂的控制功能，它通过自己的编程语言来执行一些逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算指令，并通过继电器、A/D 或D/A 的输入输出达到控制的目的。PLC 硬件主要包括CPU 微处理器、存贮单元、输入/输出单元及电源，为在工业现场可靠运行，其输入输出单元和电源采取了许多抗干扰和提高可靠性的措施。1）微处理器：它是PLC 控制中枢，不同类型的产品采用不同的CPU，选用的CPU 决定了PLC 的扫描速度及其功能和处理能力。2）存贮器：PLC 的存贮器有二类：ROM 和RAM，一般系统程序存贮器采用ROM，其程序由可编程控制器制造厂商提供，用户不能修改。用户程序存贮器可选用RAM，EPROM 和EEPROM 中的一种。3）电源：为了使PLC 能在各种工业环境中可靠运行，电源要求很高，采用隔离性能好的电源。4）输入 / 输出：输入 /输出是可编程控制器的关键部件，它包括用于离散信号的开关量输入 / 输出，用于连续信号的模拟量输入/输出等。其接口采用了光电耦合技术，起到了很好的隔离作用。4.3.2 PLC 在工业应用中的优势在工业应用中的优势PLC 经过近三十年的发展，现已形成了完整的工业控制器产品系列，其功能已经发展到目前的具有接近计算机的强有力的软硬件功能，在工业控制应用中有以下优点：1）由于采用了大规模集成电路和计算机技术，可靠性高、逻辑功能强，且体积比较小。在需要大量中间继电器、时间继电器和计数器的场合，PLC 无需增加硬设备，用微处理器及存贮器的功能，就很容易地完成这些逻辑组合和计算，大大减少了复杂的接线，降低了控制成本。352）PLC 采用了软件编制程序来完成任务，随着要求的变更对程序地修改显得十分方便，软件程序下载非常方便。采用面向对象的梯形图编程，从用户的角度看，已经不具备编程的复杂性，编程变得较容易。3）可在恶劣的工业环境下运行， 其设计原则是高可靠性，抗干扰能力高，坚固耐用。其平均无故障时间约为5 万小时，可以经受1000v/1us 矩形脉冲干扰。4）输入输出端口可以和工业现场的强电信号相接，如交流220V，直流24V，并可直接驱动功率部件（一般负载电流为2A）。5）采用模块化结构（除小型PLC），可以使PLC 扩展容易，并可实现分布式控制。如西门子S7-400 系列PLC 采用模块化、无排风扇结构，可实现分布式的配置。6）目前的PLC 已经发展成为网络化的控制系统及信息系统，如西门子的SIMATIC PCS7 系统，这是PLC 与DCS 相结合的新系统。7）具有完善的监控和诊断功能，内部工作状态、通信状态、I/O 点的状态及异常状态均有醒目的显示，维修人员可以及时准确地发现和排除故障，大大缩短了维修时间。8）通信功能大大增强，高级的PLC 都支持现场总线和ETHERNET，因此开放性好；西门子PLC 可以利用DP 或FMS 协议，或通过光纤电缆，连接到Profibus；或借助ISO/TCP 或TCP/IP 数据通信协议，接到工业以太网。9）增加冗余容错功能，提高可靠性。现代 PLC 已经能够完成，并能做冗余或热备，模块也可以带电插拔；主流 PLC 可以轻易的提供以太网、双控制器、电源、IO 模块的冗余方案。目前PLC 在设计中采用了最新的微处理器装置和电子线路，在许多恶劣环境（例如电噪声、高温和存在机械振动）的工业应用中能可靠、安全的工作。4.3.3 S7-400 编程方式编程方式S7-400PLC 使用STEP7 编程。STEP7 用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需要的数据。这样，PLC 的程序组织明确，结构清晰，易于修改。通常，用户程序由组织块(OB)、功能块（FB）、功能（FC）、数据块（DB）构成。其中，OB 是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的执行。每个S7CPU 包含一套可编程的OB 块，不同的OB 块执行不同的功能。OB1 是主程序循环块，控制各个功能的循环执行，调用为了实现控制功能而编写的功能FC、功能块FB。功能块FB 实际上是用户子程序，是由一个数据结构与该功能的参数表完全相同的数据块DB 构成，该DB 是背景数据块，存放在背景数据块中，数据在FB结束后继续保持。功能FC 包含经常使用的例行程序，是无存储区的逻辑块，FC的临时变量存储在局部数据堆栈中。36数据块DB 是用户定义的用于存储数据的存储区，也可以被打开或关闭。DB可以是属于某个FB 的背景数据也可以是属于通用的全局数据块，用于FB 或FC。4.4 PLC 系统的硬件设计系统的硬件设计从经济、可靠、便捷、灵活性、实时性等各方面综合考虑，控制系统采用上位机PC 集中管理控制与下位机PLC实时对生产过程进行控制的结构。系统降低了工人劳动强度，节省了人力，对生产过程进行实时跟踪，能对生产过程中出现的故障进行报警。PLC 在控制系统中的主要作用是：在自动运行状态下对传感器和操作人员的指令进行检测，对系统的运行状况进行监控，控制电机等执行机构，保证系统按设计的程序运行，当出现异常时能采取相应报警，和上位机通信，把数据传送给上位机监控系统。参考上述PLC的特点和系统要完成的功能，采用SIMATIC S7-400 PLC。该 PLC 是一种中、高档性能范围的可编程控制器，能够满足现场复杂的任务要求。它具有以下几个特点：1) 功能齐全的CPU 以及种类齐全的模块，能为其自动化任务找到最佳的解决方案；2) 实现分布式系统和扩展通讯能力很方便，组成系统灵活自如；用户友好性强，操作简单，免风扇设计；3) 可以利用DP 或FMS 协议，简单的通过光纤电缆，连接到Profibus 总线，或借助ISO/TCP 或TCP/IP 数据通信协议，接到工业以太网。4) 增加了冗余容错功能。S7-400 系列PLC 既可作为标准PLC 又可作为容错型或安全型使用的PLC。其容错性是通过两个并行的中央控制器实现的，它们的CPU 通过光纤连接，并通过冗余的ProfibusDP 线路对冗余I/O 进行控制。在错误发生时，将会出现一个无碰撞的传输控制，即未受影响的热备设备将在中断处继续执行而不丢失任何信息。根据设计要求，系统要有高的抗干扰能力，CPU选用CPU412-2模块，电源采用西门子PS5A型号，输入模块采用：SM421 DI 32DC24V，输出模块采用：SM422 DO 32DC24V。由于系统中采用伺服电机定位。伺服电机的调速一般有两种方法：一是通过脉冲控制，靠脉冲频率来改变电机的转速；另一种是模拟量控制，如以10V 对应额定转速。由于模拟量控制方式比脉冲控制方式复杂，因此系统采用脉冲控制方式对伺服电机进行调速。采用西门子公司的FW453 定位模块，它用于各种伺服或步进电机的定位任务，能完成任何定位控制，从简单的点到点定位到需要快速响应、高精度和高速度的复杂模型的加工等。4.4.1 PLC I/O 点数统计点数统计喷标系统的生产效率要求高，平均12秒过一根管，其中包括喷标小车初始化、原点37判断及喷印标记完成时间，要求PLC输入输出模块的响应时间要短。根据现场传感器的个数、电机、变频器、交流伺服电机的控制点数、气路系统电磁阀控制点数以及为系统预留20%的输出点数的原则进行计算，共需I/O点数50点。其中包括有无管判断、小车原点判断、喷头控制器、喷头下降时间判断、喷头受阻判断、报警、初始状态判断、正向喷标信号、反向喷标信号、喷头清洗信号、伺服电机控制、变频器控制、电磁阀等。4.5 喷标小车的伺服运动控制喷标小车的伺服运动控制由于喷标工位的工作最复杂，要求精度高、快速，并且启动频繁，因此前面的论述中采用了伺服电机作为喷标小车运行及定位的执行部件，采用半闭环的伺服控制模式来满足喷标要求的精度和速度。4.5.1 伺服控制系统简介伺服控制系统简介目前，伺服技术正朝着交流化、数字化发展，现代控制理论应用到伺服系统中，使得伺服系统具有高精度、高柔性、高响应能力、高的可靠性。它以电子轴和电子齿轮为标志，作为电子传动的主要执行元件的伺服电机，由于其结构紧凑、控制灵活、使用方便、定位精度高，获得了广泛的应用。伺服系统具有位置控制的功能，该功能通过电子齿轮实现。上位控制器向伺服系统发出位置指令脉冲。位置指令脉冲具有三种形式：方向信号脉冲序列；反转脉冲正转脉冲；相位相差900 的两相脉冲。指令脉冲包含了两方面的信息，一是指明电机运行的位移，二是指明电机运行的方向。通常指令脉冲单位是0.01mm 或0.001mm 等，而伺服系统的位置反馈脉冲当量由检测器（如光电编码器等）的分辨率，以及电机每转对应的机械位移量等决定。当指令脉冲单位与位置反馈当量二者不一致时，就可以使用电子齿轮使二者完全匹配。使用了电子齿轮功能，可以任意决定一个输入脉冲所相当的电机位移量。下图4-2所示是具有电子齿轮的伺服系统原理图。SM伺服系统装置机械编码器伺服电机4倍频转矩控制速度控制计数器偏差齿轮电子指令脉冲38图4-2 具有电子齿轮的伺服系统电子传动伺服系统是一个高精度的伺服控制系统，它能够满足如下要求：1)可逆运行在运行过程中，可根据喷标系统的要求，随时实现正向或反向运动。同时在方向变化时，没有反向间隙和运动的损失。2)调速范围宽为了适应喷标速度可调的要求，伺服电机有很宽的调速范围和优异的调速特性。3)快速响应并且无超调对位置控制的伺服系统，除了具有较高的定位精度外，还有良好的快速响应特性，即要求跟踪位置指令信号的响应要快。这就要求伺服系统的动态性能满足两个方面：一方面在伺服系统处于频繁启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率以及为了保证喷印质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。一般伺服电机的起调时间应该控制在200ms 以下，甚至几十毫秒，而且速度变化时，不应该有超调；另一方面当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，而且无振荡。4.5.2 伺服运动控制系统工作原理伺服运动控制系统工作原理构建伺服系统时要考虑到系统的动态质量要求、稳定准确度、工作环境、能源和安装等。在对直流伺服电机和交流伺服电机作出比较后，结合技术要求和工作环境，系统采用以交流伺服驱动的电子传动控制技术。喷标的主要任务是定位喷标位置，达到规定的精度要求，因此伺服控制系统采用位置控制方式，伺服运动系统包括伺服电机、伺服放大器、喷标小车、齿轮动机构、PLC 位置控制模块、信号转换卡、喷头控制器等。伺服运动控制系统原理如下图4-3所示。 图4-3 伺服控制系统原理图该伺服运动控制系统的工作原理是：PLC 检测到钢管到位后，由PLC 伺服定位模块发送控制脉冲，经过信号转换卡转换后传送到伺服放大器，然后伺服放大器经过位置控制后控制伺服电机，带动小车和喷头运动，把上位机发送过来的字符喷印在钢管表面上，39喷印完成以后，将数据写入数据库。4.6 PLC 程序设计程序设计4.6.1 喷标流程喷标流程喷标系统在进入自动工作状态前，一定要先进行原点定位，满足FM453进入自动工作状态的条件，否则FM453 不能正常工作，产生错误。喷标系统的工作步骤如下：FM453 检测满足进入自动工作状态条件后，PLC 检测到钢管到位且需要喷印，气缸下降到下限位，启动电机运动，在设置位置处发喷标开始信号给喷标控制器，开始喷标，到达终点，喷头上升至触发上限位传感器后进行清洗，清洗完毕，置位喷标完成，并退出程序。同样的，若喷标工位没有钢管，则PLC直接认为喷标完成；若该钢管认为是坏管，不需要喷印，也直接认为喷标完成。PLC自动喷标的流程如下图4-5所示。 图4-4 PLC自动喷标流程图404.7 配电电气控制配电电气控制根据喷标系统各部分电气的组成情况，结合工业现场的用电状况，需要为系统选择合理的供电方式。根据国家的相关用电标准，工业用电普遍采用三相四线制电源。结合系统的电气组成，需要配电的地方为喷标系统主电源、伺服放大器、主控（PLC）柜、上位机等，通常还预留一相备用。 （具体参见图纸）首先，由现场引入主电源，为保证系统安全，在主线上设置总空开，设置交流互感器、电流表、电压表监测主线电流电压。其次，为喷标系统引入主电源，为保证线路安全，设置一断路器。考虑到伺服放大器为交流220v，设置一380v交流转220交流变压器。接入伺服放大器之前，为防止变压器故障导致伺服放大器电压不正常，在伺服放大器与变压器之间设置一断路器。最后，引入主控（PLC）柜电源，一相开关电源，一相PLC电源，均为单相。上位机电源和备用相电源单独引入。考虑到气路系统的用电，需要引出一相作为带接地插头。4.8 本章小结本章小结本章主要介绍了喷标控制系统的设计，简单介绍了PLC编程语言和S7-400PLC编程方式，简述了PLC在工业应用中的优势以及喷标小车的伺服运动控制，给出了喷标自动化流程图。415 结论结论本文在对钢管喷标系统的功能和要达到的性能指标进行研究的基础上，主要完成了喷标小车的机械结构设计和控制系统设计，给出了相关的设计原理和实现策略，针对现有设备存在的不足之处进行了重新设计，通过利用伺服电机定位小车的行走，横梁导轨采用滚动直线导轨副，使系统的喷印精度得到了提升。同时在设计过程中也发现了存在的诸多技术难点。从设计的过程可以看出，喷标系统的应用面还比较窄，仅能应用在钢管生产行业，可以考虑设计适用于钢坯、钢板等生产的同类设备。系统中选用的许多关键部件是国外进口的，如光电传感器、编码器、喷头、PLC、换向阀、节流阀、减压阀等。而且成本高，所以系统部件的国产化工作有待进行。另外，如喷头位置调整机构可以根据标准的钢管外径（事先设计成数据库）设计成自动控制机构，不同的管径对应不同的喷印距离，工人只需根据不同批次的钢管按下对应的按钮，系统就能自动识别并且调节喷头的垂直距离到达最佳喷印位置，省去人工调节的麻烦还能提高精度和工作效率。42致谢致谢本设计是在指导老师崔增柱老师悉心指导和无微不至的关怀下完成的。一学期以来，尊敬的崔老师不论是在生活上还是在学习上，都给了我莫大的期望、激励和关怀，我所取得的每一点成绩无不浸透着崔老师的心血。崔老师学识渊博，治学严谨，有执着的敬业精神。在毕业设计过程中，他给了我许多重要的参考意见，并经常和我一起讨论设计过程中所遇到的难题，耐心细致地帮助我将设计完成地更加完善。在本次设计的过程中,崔老师不惜牺牲自己宝贵的时间进行悉心辅导和参考,提供了自己的书籍,帮助并且指导查阅很多资料，在此深表感谢。崔老师严谨的治学作风以及平和的为人态度给我留下了深刻的印象。在整个设计工作过程中,还得到了黄方兴同学的热心帮助,在此向他表示感谢！同时也感谢在大学四年中机电学院所有的老师和同学，他们给我的知识使我能够较顺利地完成此次毕业设计。再次表示衷心的感谢!43参考文献参考文献1 梁剑新.基于现场总线的自动喷号机的研制D.浙江：浙江大学硕士学位论文，2001 .22 魏爱玉. 钢管MWBPS系统设计及控制软件的开发D.浙江：浙江大学硕士学位论文,2004.23 姜晓勇.钢管测长、称重、喷标系统的研究与开发D.浙江：浙江大学硕士学位论文，2003. 14 施江肖.WMBPS系统软件设计及测试策略研究D.浙江：浙江大学硕士学位论文，2003. 15 唐志峰，项占琴，李明范等.点阵式自动钢管喷标机的研制J.工程设计，20026 王彤.机电领域中伺服电机的选择原则J.应用科技，2001（1）7 西门子.SIMATIC S7梯形图编程手册M,19988 Steve Teixera，Xavier Pachcco. Delphi5开发人员指南M.北京：机械工出版社，20019 蒋方炎.PLC在工业集散控制系统中的应用J.电子计算机与外部设备,200010 H-D.Chu and Dobson,Govement Report,PB97-176671,USA,199711 Alan Kilian. Quick and Easy Motor Control, CIRCUIT CELLAR. 2001, 712 Wai, R.-J.; Lee, M.-C.; Intelligent Optimal Control of Single-Link FlexibleRobot Arm, Industrial Electronics, IEEE Transactions on，Volume: 51，Issue:1，Feb. 2004 Pages:201一22013 郭庆鼎，王成元.交流伺服系统M.北京：机械工业出版社,1993. 614 沈安文.位置控制系统中电子齿轮实现的简易方法J.机械与电子,200115 孙克梅，田中大，王俊.喷绘机位置控制系统设计M.控制工程，2003. 316 姚晓光，余强等.微机监控系统中PLC与上位机通信的研究J.电气自动化，1999. 417 蔡忠法等.上下位机数据通信的模块化接口技术及应用J.微计算机信息，2002. 218 黄锡恺，郑文纬.机械原理M.北京:高等教育出版社，198919 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社，199620 秦曾煌.电工技术M.北京：高等教育出版社，199321 宋红晓，项占琴.龙门式钢管喷标机的研制J.机电一体化技术，2005.722 罗福兴.龙门式喷标机的研发D.浙江：浙江大学硕士学位论文,20004.223 OMRON中国有限公司.接近传感器以及光电传感器选型手册M,200224 电气工程师手册第二版编辑委员会.电气工程师手册第二版M.北京：机械工业出版社，2002.125 现代机械传动手册编辑委员会.现代机械传动手册第二版M.北京：机械工业出版社，2002.326 机械设计手册编委会.机械设计手册第三版第2卷M.北京机械工业出版社，2004.827 机械设计手册编委会.机械设计手册（单行本）零部件设计常用基础标准M.北京：机械工业出版社，2004.828 左键民.液压与气压传动M.北京：机械工业出版社，2005,729 范思冲.画法几何及机械制图M.北京：机械工业出版社，2005.944附录附录 2附表一 直齿锥齿轮主要参数初算序号名称代号/单位计算公式和说明计算数据1轴交角902齿数比初值u0，i120u0= i120=n1/n21.53原始参数小轮转矩T1/(N.m)2004小轮大端分度圆直径初值d10/mm90时，=20查表取较大值555小轮齿数z1查表得206大轮齿数z2（圆整）201zu z307齿数比u21u=z /z1.5/mmm101m =d /z2.758模数/m mm圆整到标准值2.75459小轮分锥角 1190sinarctanu+cossin(180arctancos(180)u 时时33.6810锥距R/mm110.5/sinRmz45.19311齿宽b/mm取 b=0.3R 和 b=10m 中小者14附表二 锥齿轮模数（摘自 GB12368-90）0.311.1251.251.3751.51.755544.555.566.5789101112附表三 直齿锥齿轮几何计算计算数据序号名称代号/单位计算公式和说明小齿轮大齿轮1齿数z1查表得20302大端模数m/mm(圆整)101m =d /z2.53齿宽b/mm取 b=0.3R 和 b=10m 中小者144齿顶高系数ha*1(/ 12369 1990)ahGB T15顶隙系数c*0.2(/ 12369 1990)CGB T0.26压力角/( ) 20(/ 12369 1990)GB T 207轴交角/( ) 908高变位系数xi121210.46 1 cos/( cos) ;xuxx 0.26-0.269切向变位系数xtixt1查表得；xt2=-xt10.034-0.034几何参数计算10大端分度圆直径di/mmdi=mzi507511分锥角/( )i1查表得；2=-133.6856.3212大端锥距R/mm110.5/sinRmz45.125213大端齿距p/mmp=m7.8544614大端齿顶高hai/mm1()aiahm hx1.923.3915大端齿根高hfi/mm1()fiahm hcx 1.192.3016大端全齿高h/mmaifihhh5.1917齿根角/( )fiarctan(/)fifihR1.475.118无根切许用最大齿根角max/( )fimax2220.52180 (14tansincos)1 /(2 tancos)fiii 4.2798.41847 续附表三 直齿锥齿轮几何计算不等顶隙收缩arctan(/)aiaihR6.9496.94919齿顶角/( )ai等顶隙收缩1221;afaf5.11.4720顶锥角/( )aiaiiai 36.8759.48021根锥角/( )fifiifi 29.8852.522大端齿顶圆直径dai/mm2cosaiiaiiddh54.1677.7723冠顶距Aai/mmcossinaiiaiiARh 36.146422.949424大端分度圆弧齿厚si/mm11(/22tan)itsmxx4.4853.9325大端分度圆弦齿厚/is mm32/(6)iiiisssd3.923.9326大端分度圆弦齿高/aihmm2cos/(4 )aiaiiiihhsd2.562.53附表四 直齿锥齿轮的当量齿轮与重合度计算计算数据序号名称代号/单位计算公式和说明小齿轮大齿轮1参考点锥距Rm/mm0.5RmRb38.12522参考点模数mm/mm/mmmmRR2.1123参考点分度圆直径dmi/mmsinmiiiddb42.23663.3494参考点齿顶高hami/mm/amiaimhh RR2.16292.13755参考点齿根高hfmi/mm/fmifimhh RR1.0053.4056参考点分度圆弧齿厚smi/mm/miimss RR3.3123.327当量齿轮齿数zvi/cosviiizz24.03454.0988当量齿轮齿数比uv21/vvvuzz2.259当量齿轮分度圆直径dvi/mm/cosvimiidd50.755114.23410当量齿轮中心距av/mm12()/2vvvadd82.49511当量齿轮齿顶圆直径dvai/mm2vaiviamiddh55.081118.50948 续附表四 直齿锥齿轮的当量齿轮与重合度计算12当量齿轮基圆直径dvbi/mmcosvbividd47.694107.34513当量齿轮啮合线有效长度gva/mm220.511220.5220.5 ()()sinvavbvvavbgvadddda10.66914当量齿轮基圆齿距pvb/mmcos/vbmppRR6.23515当量齿轮端面重合度av/vavvbgp1.711附表五 使用系数KA表原动机工作特性均匀平稳轻度冲击中等冲击严重冲击工作机工作特性电机、平稳运行的类汽或燃气轮机（启动转矩小，启动次数少）类汽或燃气轮机，电动机和液压马达（启动频繁，启动转矩大）多缸内燃机单缸内燃机均匀平稳载荷平稳的发电机、带式或板式运输机、机床进给机构、轻型离心机、螺旋输送机、搅拌机（物料密度均匀）、包装机等1.000轻微冲击机床注传动机构、通风机、重型离心机、多缸活塞泵1.251.351501.75中等冲击橡胶挤压机、轻型球磨机、木工机械、钢坯轧机、起重机装置、单缸活塞泵等1.501.601.752.00严重冲击挖掘机、重型球磨机、冷轧机、钻机、压坯机、破碎机、橡胶挤压机1.751.852.002.2549附表六 齿向载荷分配系数KHbbe表锥齿轮副支承情况应用范围两轮均用两端支承一轮两端支承一轮悬臂支承两轮均用悬臂支承工业机器、船舶0车辆、飞机1.001.101.25附表七 齿面接触疲劳强度计算序号名称代号/单位计算公式和说明计算数据1节点区域系数ZH0. 5HZ =2(1/ si n2)2.4945732F1F1=223F22vaF =2(- 1)1.4224单对齿啮合系数ZM-B1122221122()1()1vavavbvvbvdFdFdzdz M- Bt anZ=1.04755弹性系数/EZMPa221212111()EZvvEE189.81176螺旋角系数ZZ=117锥齿轮系数ZKZK=0.80.88尺寸系数ZXZX=119CZLlim8500
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