顶棒自动识别系统之检测支架设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 01339828或 11970985 I 摘要 在 钢管测长 时 ,需要实时了解每根顶杆的长度、外径、使用次数等信息。 本论文 介绍了通过在顶杆尾部开槽的方式 ,实现顶杆的识别与信息跟踪，给出了系统的检测原理。本课题主要研究工作： 说明了国内顶杆自动识别系统 的开发现状及存在的问题并阐述了顶杆自动识别系统的工作原理及流程 。 根据系统的整体组成结构 进行了机架设计，传感器的应用及检测原理，包括系统组成和工作过程以及设计时应注意的问题。 对选择过程做出 相应说明，以及一些相关的力学和强度校核计算还有给出零部件的受力变形图等设计过程。 对系统的改进方向进行了展望。 关键词 测长； 顶杆 ；检测；机架 ； 横梁；传感器 ； 文档就送您 01339828或 11970985 n it of of we to is 1. of of 2. to of of of to 3. is by to of of of as of 4. of 5. up of of of 文档就送您 01339828或 11970985 I 目 录 1 绪论 . 1 . 1 . 7 . 7 2 顶杆自动识别系统的总体设计 . 9 . 9 . 9 3 机架部分的设计 . 12 . 12 . 14 . 14 . 14 . 15 . 15 . 17 . 20 . 20 . 21 . 22 4 分的设计 . 25 . 25 . 30 . 30 . 31 7. 31 . 32 . 33 结论 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 附录 . 38 附录 1 . 38 附录 2 . 46 买文档就送您 01339828或 11970985 1 1 绪论 言 钢管的长度是通过直接测量顶杆尾部是否开槽并最终通过 保存的数据得到的 。测长过程中顶杆的定位精度要求很高 ,每根顶杆在动作之前必须调整到恰当的位置 ,才能在运动过程中避免前卡、中卡、后卡等现象的发生。为此每根顶杆需要事先编号 ,把顶杆长度、外径等参数保存到上位机的数据库中。每次测长前检测装置通过检测获取编号 ,并上传给上位机 ,上位机依据编号从数据 库中读取参数进行处理 ,然后把最终处理完成的数据发送给 前识别、输入编码的方式有 3种 :人工识别和输入的方式、一维条形码识别方式、二维编码识别方式。但是这 3种检测方式并不适合现场的实际需求 ,原因如下 : (1)现场工作环境恶劣 ,所以要求系统在无人干涉下能自动完成检测。 (2)顶杆工作在高温状态下 ,测长过程中顶杆的表面温度可能达高达 300 ,即使经过冷却装置冷却后其表面残留的余温也在 100以上。一维条形编码检测需要用到的涂料在如此高温下很容易脱落 ,所 以用传统的一维条形编码方式并不合适。 (3)顶杆是圆柱形的物件 ,不容易在上面打上二维码。况且二维码编码区域很小 ,即使打上了二维码 ,检测时定位也很困难 ,所以用检测二维码的方式也不合适。 (4)顶杆在运行过程中经常滚动 ,频繁跟其他设备碰撞 ,一般的编码方式其编码表面很容易磨损 ,造成检测的失败。因此 ,研发适合现场工作条件的顶杆检测装置十分必要。我们从实际出发 ,参照相关的检测方式 ,设计了一套符合现场要求的顶杆检测系统。 顶杆自动识别系统的原理 顶杆检测装置必须满足以下功能要求 :能在高温下工作 ,能检测不 同管径的顶杆 ,能克服因为顶杆磨损而造成的误差。为此 ,采用了在顶杆尾部开槽的方式。具体原理如下 : 每个十进制的数都可以转换为相应的二进制数来表示。例如 33可以表示为 100001 B,而二进制数又可以通过实际的开关量来表示 ,100001 B 就可以用 6 个传感器的状态来表示 ,这样任何一个十进制的数都可以通过传感器的状态来表示。在顶杆检测的过程中 ,传感器感应不到顶杆开槽的部分 ,则这个传感器的状态就是 0； 传感器能感应到开槽的部分 ,则传感器的状态就为 1。这样通过传感器检测顶杆尾部开的槽的状态就可以获取 顶杆编号 ,达到检测的目的。系统的检测原理图 ,如图 1根顶杆的尾部刻槽 ,槽的宽度是传感器阵列 （ 6 6传感器阵列）中每单元传感器的宽度。传感器阵列分为 6组 ,分别用来检测 A、 B、 C、 D、 E、 F 6道槽的状态。每组有 6 个传感器并联 ,以提高工作的可靠性 ,这 6 个传感器中只要有一个感应到 ,则这组传感器状态为 1。以图 1例 ,传感器的状态为 :A =0, B =1, C =0, D =1, E =0， F=1。以上的数字转换成十进制就等于 21（ 010101B） ,那么此顶杆就是第二十一 号顶杆。 买文档就送您 01339828或 11970985 2 检测系统的组成 顶杆检测系统的结构简图 ,如图 1示 ,系统包括检测头、检测头对齐挡板、检测头顶针、支撑板、升降气缸、机身、对齐气缸、顶杆对齐板、顶杆编码部分、顶杆到位检测传感器、顶杆等 11个部分。 1. 检测头 2. 检测头对齐挡板 3. 检测头顶针 4 支撑板 5. 凸轮 6. 气缸 7. 机身 8. 对齐油缸 9. 顶杆对齐板 10. 顶杆编码部分 11. 顶杆到位检测传感器 12. 顶杆 整个系统的工作流程可以分为 7个步骤 ： 1. 传感器检测顶杆是否到位。 2. 对齐气缸推出。 顶杆到位后 ,气缸先把顶杆推到检测的位置。气缸装有前位传感器 , 图 1测示意图 图 1杆检测系统的结构简图 买文档就送您 01339828或 11970985 3 出电磁阀控制信号后延时 2s 后若还没检测到前位传感器信号 ,说明气压系统存在故障 , 3. 气缸下降 ,对齐气缸后退。气缸向前推到位后（前位传感器触发） ,升降气缸下降 ,同时气缸后退。因为顶杆的直径变换范围很大 （ 48256,所以相应的气缸升降距离也不一样 ,所以无法安装气缸下位传感器 ,只有程序上通过延时来设定。气缸后退的控制跟前进过程的控制一样 ,采用后位传感器来 检测是否到位。 4. 凸轮旋转。气缸下降到位后 , 制电机驱动器 ,使其顺时针转动。有个磁感应式的传感器用来检测凸轮的旋转位置。当传感器从有信号状态变为无信号状态后 ,凸轮已经转过了所需要的角度 ,凸轮停止旋转。凸轮旋转过程中 ,检测头在弹簧拉力的作用下向凸轮机构靠近 ,最终检测头对齐挡板和顶杆对齐挡板紧靠在一起 ,其目的是为了让检测传感器和顶杆上的槽相互对齐。 5. 检测头检测。凸轮停止转动后 , 取传感器阵列的状态 ,并根据传感器的状态转换化为十进制数值传给上位机。上位机根据此数值从数据 库中读取数据、处理完数据后 ,上位机发给 个“检测成功 ”的信号 , 开始运行下步动作。如果上位机用 传的编码不能从数据库中读取数据 ,上位机会在监控界面中报错 ,同时通知 6. 凸轮复位。检测完成后 ,凸轮顺时针旋转 , 直到传感器信号从无变有 ,凸轮电机停止旋转 ,凸轮旋转到位。 7. 气缸上升。凸轮复位后 ,气缸上升 ,直到上位传感器信号触发停止。顶杆检测完成。图 1 买文档就送您 01339828或 11970985 4 初始状态满足？测头下降报警处理对齐气缸推出报警否？开始检测检测成功吗？检测头上升报警否？结束报警处理报警处理图 1统的工作流程图 顶杆检测头是一个特殊设计的部件 ,其作用为 :检测头是一个 6 6 的传感器阵列 ,固定在一块安装板上 ,安装板通过安装底板和整个检测头连为一体。平时生产的时候 ,有一副传感器组作为备用 ,当正在使用的传感器发生故障时 ,只需要把安装板拆下 ,换上备用传感器组就行 ,保证生产节奏不受影响。图 1顶杆检测的正视图。如图 1,不同直径的顶杆 , 传感器在 X 轴的位置上存在着偏差。设台架的角度为 2 ,台架 与水平面的夹角为 ,小圆 半径为 r,大圆 半径为 R, X 方向上的偏差为 X。则存在关系 见式 ( c o ss i 式 (由图 1检测头在 ,只有系统的传感器 才能保证检测成功。现场顶杆的直径变化范围为 32 256 为 60 , 为 10。把数据代入上式可得。 x =文档就送您 01339828或 11970985 5 输入 器 阵 列654321台架顶杆2顶杆11测正视图 所以 ,只要 能满足检测要求。传感器选用欧姆龙 列方型传感器 , 其截面为 2525测距离为 7为 X25以 ,如果在 X 方向只安装一个传感器 ,显然不能满足现场检测的需要。按理论要求只要在 X 方向装 4 个传感器就能满足需求 ,但考虑机械设计和现场安装的方便 ,所以 ,在 X 轴上安装了 6个传感器。 检测头上安装有 36 个传感器，都是欧姆龙公司方型 列传感器，它通过探针接触式检测，其限位型触摸开关经常振动高频，当被检测物体与探针接触后，振动电路的常数将发生变化，开关电路发生动作输出信号，只要轻微触碰就能检测，通过发光二极管来显示动作，这 36个传感器通过螺钉安装在一个树脂浇注的模架内，传感器是将感受到的外界信息，按照一 定的规律转化成所需的有用信息的装置，通常是将非电量转换成电量，在本系统中传感器将感受到的模拟信号转化成电信号。而 输入输出接口是可编程控制器和现场各类信号连接的部分，但是从传感器中出来的信号太微弱，需要经过放大器放大后才能达到 常采用三极管来达到放大的目的， 图 1 买文档就送您 01339828或 11970985 6 4在本系统中所使用的传感器均选用欧姆龙公司的 列方型传感器，图 1实际安装图，图 1安装俯视图，整个模架 通过四个螺钉和连接板 连接在一起， 模架下面多出的长度用于和顶杆对齐， 由于本型号的传感器重量很小所以不需要力学校核。 另外本型号传感器需要使用传感器专用电源，通过开关电源供电。 30 + 0 . . 8 550-+0 . 3 0图 1买文档就送您 01339828或 11970985 7 300 60 +4由于 36 个传感器是并联使用，所以安装时天线之间的距离要大于 4连接软线蓝（黑）接地。 文的主要工作 本系统涉及到多学科，多专业，是集光、机、电和计算 机一体化的产品。本论文在老师的指导下主要完成以下工作： 1、通过对顶杆检测系统开发现状的分析，对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、通过对系统工作原理和传感器工作原理研究，进行了测长程序设计。 4、将人机工程学运用到系统中，设计了自动检测系统。 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。 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，在钢管生产买文档就送您 01339828或 11970985 8 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。 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 。 买文档就送您 01339828或 11970985 9 2 顶杆自动识别系统的总体设计 杆自动识别系统的设计要求 系统的设计要求如下： 钢管外径： 48（ 32） 246管重量： 201000管长度：6m 15m。 系统能在恶劣的环境下工作，使用寿命长； 气缸在下降的时候 2s 到达指定位置，上升时 1s 回到起始位置，对齐气缸 2 具有自 动报警功能，急停，自锁功能，半自动、手动功能；动态显示钢管参数 。 杆自动识别系统的组成部份 在对顶杆自动识别系统进行总体分析后给出系统总图如 图 2检测头气缸滚珠丝杠500钢管2300立柱横梁图 2统总图 1 图 2架上带有尼龙垫。尼龙垫起到两方面作用：一是用来保护钢管的表面在被推动的过程中不被台架划伤；另一方面是用来增大钢管与台架之间的摩擦系数，增大两者之间的摩擦力，增强钢管在被推动时运动的平稳性。这里还涉及到“ V”槽夹角大小问题，如果夹角太小那钢管的重心就会上移，这样钢管就容易滚动，不利于传感器的识别，但是夹角过大承载面就会趋于水平，这样钢管也容易滚动，也不利于传感器的识别，所以夹角一般选择 120 140为了便于计算（这里选择 120）。 买文档就送您 01339828或 11970985 10 图 2架示意图 2 机架，横梁和横移机构 本系统中机架的材料为 号为“工”字型钢，横梁和立柱采用螺栓螺母联接，横梁内部安装了滚珠丝杠传动副，在横梁的尾部连有一个手动摇柄装置，因为滚珠丝杠可以将螺旋运动转化成水平运动，这样整个横移机构就可以通过手动控制在横梁上水平移动。横移机构为一升降气缸和一对滚珠丝杠联接装置，在机构的底盘上安装了一块平板，平板的下方就联接了检测头部分。因为在本系统中钢管规格为 48 246管间直径相差 198以系统将气缸和滚珠丝杠连为一体，这样铅直方向上可以解决因气缸行程不足带来的部分距离，在滚珠丝杠右侧还安装了一个竖直方向上的手柄装置，他通过一对啮合的锥齿轮传动，再通过滚珠丝杠的螺旋运动来实现竖直方向的升降，在水平面上配置一承载水泥台，设其高为 400 缸的行程为 S， h, 那么整个立柱的高度得大于 H=h+L+400+其中横移机构如图 2 图 2移机构 3 气缸及气路 气 缸的型号主要根据所需的移动距离和推力来确定。系统选用 列 用 01339828或 11970985 11 向阀作为气路的主要控制元件，当阀作用在左工作位时，推杆回缩，当作用在右位时，推杆伸出，当阀作用在中位时，五口全封闭，液压泵不卸荷，气缸闭锁，这样，若系统出现异常，使阀作用在中位，推杆能立即停止运动。 对齐气缸型号为 二位五通阀相连，当阀处于左位时，活塞推出，右位时活塞缩回。两个气缸并联，由 4 手柄 见图 2 因为手动控制是系统的一个重要工作方式，每当系统报警或是运行不畅都需要由手动来调节，不论是在水平方向还是在竖直方向上都需要安装一个手柄装置，在装置里面主要由一对啮合的锥齿轮来实现旋转方向上的变化，再通过滚珠丝杠转化为直线运动。 图 2柄简图 5 检测头部分 顶杆检测头是一个特殊设计的部件 ,其作用为 : 检测头是一个 6 6 的传感器阵列 ,固定在一块安装板上 ,安装板通过安装底板和整个检测头连为一体。平时生产的时候 ,有一副传感器组作为备用 ,当正在使用的传感器发生故障时 ,只需要把安装板拆下 ,换上备用传感器组就行 ,保证生产节奏不受影响。 买文档就送您 01339828或 11970985 12 3 机 架 部分的设计 架 主体部分 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。 机架的主要功能： 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。 尘土、异物、腐蚀性气体液体的侵害；防止内部气体、液体外泄。 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。 机架的分类 机架的种类很多，常见的 机座、机架 类型见 图 3图 3 图 3 座 常用类型 买文档就送您 01339828或 11970985 13 图 3架常用类型 机架还可按所用材料分为金属机架和非金属机架两大类。金属机架按制造方法又可分为铸造机架、焊接机架和组合机架。非金属机架又分为花岗岩机架、混凝土机架和塑料机架。 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。 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。 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。 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。 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。 机架的结构力求便于安装与调整，方便处理和更换零部件。 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。 买文档就送您 01339828或 11970985 14 面形状和肋板布置 面形状的合理选择 截面形状的合理选择是机架设计中的一个重要问题。零件的抗弯、抗扭强度和刚度除与其截面面积有关外， 还取决于截面形状。合理改变截面形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而发挥材料的作用。 几种截面面积相等而形状不同的机架零件在弯曲强度、刚度和扭转强度、刚度等方面的相对比较值见下表。从表中可以看出，空心矩形截面的弯曲强度不及工字形截面，扭转强度不及圆形截面，但其扭转刚度却大很多，且空心矩形截面的机架较易安装其它机件。综合考虑各方面的情况，选择空心矩形截面作为机架截面形状比较有利。 常用的几种机架截面形状性能的对比 见表 3 表 3板的布置 恰当的设置肋 板有利于提高机架的刚度、强度，减小机架的重量。对于铸件，设置肋板使壁厚减小，还有利于减少铸造缺陷。对于焊接机架，设置肋板使焊件比较薄，有利于保证焊接质量。 表 3出了几种常用的肋板性能对比。 买文档就送您 01339828或 11970985 15 表 3柱和横梁的选型 柱和横梁的形状设计 机架的设计图如 图 3材料选用 图 3架设计简图 为了便于研究机架的受力情况及它的变形情况，现给机架一个简化的图。如 图 3示，为机架的示意如： 买文档就送您 01339828或 11970985 16 图 3架示意图 分析内力 : 内力指物体因受外力作用而变形，其内部各部分之间因相对位 置改变而引起的 互作用。下面以截面法分析机架立柱和横梁所受的力的情况。 求截面法应力的一般方法是 一 欲求某一截面上的内力时，就沿该截面假想地把构件分成两部份，任意地取出一部分作为研究的对像，并弃去另一部分。 二 用作用在 截面上的内力代替弃去部份对取出部份的作用。 三 建立取出部份的平衡方程，确定未知的内力。 图 3架分析示意图 1.设 面假想地将机架立柱部份以 分成两部份，取 面以上的部份进行研究，如图 3 买文档就送您 01339828或 11970985 17 图 3架分析示意图 选取以 向水平向右为 及横梁自重 点转动， n 以及 柱和横梁的力学计算 这里 通过 点的力偶矩 , 由平衡条件 : 0 0 0M 得 关系式 (式 ( 0 F 式 (式中 F 为横移机构给横梁的力 ； G 为横梁的重力 ； 为通过 O 点的力 。 0F a G b M 式 (式中 a 为横移机构运动到最远时横移机构到立柱中心的距离 ； b 为横移机构运动到最 近 时横移机构到立柱中心的距离 。 求得内力 见式 (式 ( G 式 (M b 式 (横移机构设计重量为 200内 ,横梁自重不超过 50以得到 式 (式 (式( 2500 式 (m a x 2250M N m 式 (m i n 1150M N m 式 (买文档就送您 01339828或 11970985 18 对于横梁的研究可以把其当作悬臂梁的固定端约束了端截面的移动和转动。 图 3分析示意图 故有垂直反力 见式（ 。 G F 式（ 式中 Fs(x) 为垂直反力 ； 为移去部份给的同等反力，如图中所示的 。 图 3分析示意图 由平衡方程 0 0 得 式（ 式（ 。 F 式（ a G b 式（ 式中 反作用力偶矩 。 在距离原点为 支反力 式（ G F 式（ 买文档就送您 01339828或 11970985 19 0 a x G b x x b 式（ 当 式（ 式（ 图 3分析示意图 / 式（ / a x 式（ 剪力图如 3 图 3力图 买文档就送您 01339828或 11970985 20 图 3 图 3矩图 经校核满足要设计要求 的设计及计算校核 许用切应力计算 轴要满足一定的抗弯曲能力 ,抗扭转能力 ,在这个检测系统中还要满足高要求的传动精度，材料选用常用的 40下图是轴的设计简图 图 3示意图 受转矩 圆轴，其切应力 见式（ 6 39 . 5 5 * 1 0 /0 . 2 式（ 式中 T 为轴受到的切应力 ； T 为轴受到的扭矩 ； 为轴的抗扭截面系数 ； P 为轴传递的功率 ； N 为轴的转速 ； T 为许用切应力 ； d 为设计轴的直径 。 买文档就送您 01339828或 11970985 21 转化为设计公式 见式（ 633 9 . 5 5 * 1 00 . 2 式（ 式中 C 为与轴材料有关的系数 。 既设计的轴要在直径上满足以上的设计要求， C 为与轴材料有关的系数 ， 可 由 表 3 表 3 轴的材料 20 35 45 408 /T C 12 160 15 148 20 135 25 125 30 118 35 112 40 106 45 102 52 98 在本次设计的检测系统中 0r/选用 112 所以 得式（ 633 9 . 5 5 * 1 00 . 2=3 0 2 1 460 式（ 而以上设计的最小 轴直径为 22 以完全可以满足要求。 许用弯曲应力计算 由弯曲所产生的弯曲应力 b 应不超过许用弯曲应力 b 。 合成弯矩 见式（ 22xy M 式（ 式中 为水平面上的弯矩； 为垂直面上的弯矩 。 当量弯矩 见式（ 22M M a T 式（ 式中 a 是根据转矩性质而定的应力校下系数 。 对于不变的转矩 见式（ 11 式（ 对于脉动的转矩 见式（ 10 式（ 式中 1b 为材料在静应力状态下的许用弯曲应力； 0b 为材料在脉动循环状态下的许用弯曲应力； 买文档就送您 01339828或 11970985 22 1b 为材料 在对称循环应