钢管自动喷标系统之喷标小车的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 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 编程方式，西门子 术在工业应用中的优势分析以及 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 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 钢管；喷标； 服电机；位置控制 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is as a of in so It is to is on of of in of a as In ,of PI of on of of it of as as of In ,to of as as of an is by a of In , is to of is In ,7400 in on LC of by LC is In ,of is of of is 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 1 绪论 . 1 管喷标系统的开发现状 . 1 言 . 1 标系统的开发现状 . 3 管喷标系统开发的必要性 . 4 题来源 . 4 文的主要工作和意义 . 4 2 喷标系统总体设计 . 5 标系统设计要求 . 5 标系统总体设计 . 5 标小车的机械结构设计 . 5 标系统的控制系统设计 . 7 标系统的自动工作过程 . 7 章小结 . 8 3 小车机械、电气结构设计 . 9 移机构的设计 . 9 轮齿条副设计 . 9 动直线导轨副设计 . 10 服电机的选型 . 14 头升降机构的设计 . 15 择喷标方式 . 16 缸的选型 . 17 缸活塞与喷头的配合 . 18 缸的固定 . 19 头位置调节机构设计 . 20 动直线导轨副 . 20 齿轮副设计 . 21 杆副设计 . 28 撞机构设计 . 28 作方式 . 29 路控制系统设计 . 29 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 气动回路 . 29 章小结 . 31 4 喷标控制系统设计 . 32 制系统的组成 . 32 . 32 . 33 . 33 . 33 7. 34 . 35 ， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪论 管喷标系统的开发现状 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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 定，外径不小于 36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 下表 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，有的用刷模的方式，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 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 准摘录 8162 尺寸偏差 项目 允许偏差 外径 管体 D 接箍 1% 壁厚 重量 单根 车载量 长度 项目 范围 1 范围 2 范围 3 油管 5m - 套管 6m 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。 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买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 系列的符号。 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。 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 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。 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 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 2 喷标系统总体设计 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） 246管质量： 201000钢管长度： 6m 15m；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： 10 50标字迹清晰； 3） 生产效率 过管速度：最少 278根 /小时；喷标速度： 0 120m/ 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； 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 图 2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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 2030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 者是喷头及控制器系统，为其提供一个动力，使涂料从喷嘴（电磁 阀）中喷射出去。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 标系统的控制系统设计 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 过管单根时间为 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 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； 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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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P L C 、 继 电 器 断 路 器 、 接 触 器变 频 器 等工 控 机 、 U P 印 机控 制 台上 位 机图 2标系统电气组成示意图 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 3 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。 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 伺服电机齿条机架导轨副横梁图 3移机构示意图 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、要求工作时间买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 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。 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。 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。 轨结构形式： 图 3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 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 滑 块导 轨滚 动 体图 3动导轨结构示意图 轨选用计算 ： 首先要满足最大喷印范围为 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 ，则导轨的长度亦确定为 a）载荷计算 根据上述设计要求与规格，选用型号为 动直线导轨副。安装形式如下图 3t 3 F t 4F t 1 F t 2t 4F t 2F t 3F t 1 箱形横梁小车机架图 3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 度系数 ，温度系数 ，接触系数 度系数 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 载荷系数 算公式 11 2 3 4 2 F F 式（ 13 142 G 式（ 24 142 G 式（ 式中 1F 、 2F 、 3F 、 4F 各滑块所受载荷； 1F 、 2F 、 3F 、 4F 各滑块所受剪切力； G 悬挂件总质量； 1l 同一平面内安装导轨数； 其中 悬挂件总质量为 79入数据得 2=4=1 =2 =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（ F 式（ 式中 L 额定寿命（ 额定动载荷； P 当量动载荷； 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（ 滚动体为滚珠时， K=50； 代入数据得 L=126542km c）寿命时间 当行程长度一定时，以 式（ 式中 行程长度（ m）； 每分钟往复次数； 代入数据得 1015h h t c a f f f 3h 0 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 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 h 310153 0 0 1 6 0 . 8 年 L 式（ 代入数据得 高导轨 刚度的措施及导轨的预紧 如下图 3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