电动式钢管自动测长机构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 I 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精整区测长系统的研究开发现状 ， 以 测长的硬件设计及控制系统和软件系统作为 设计 研究的主要工作： 本文 叙述了钢管的工艺生产流程及 际标准；说明了国内测长系统的开发现状及存在的问题并阐述了开发测长系统的必要性；陈述了课题的来源和论文的主要工作和意义。提出了系统设计的设计要求；根据系统的整体组成结构，进行了测长系统的设计，包括系统组成和工作过程以及设计时应注意的问题；最后给出了控制系统和软件系统的总体设计方 案及主要硬件的参数，简述了 程的方式 特点性，提出了 序的测试策略。提出了上位机软件的测试策略和监控系统的特点。 提出了 示；着重介绍了 序的模块化设计以及各个工位的程序流程、程序功能块的划分以及与上位机通讯的基本原理和时序图 ， 介绍了上位机监控系统的功能模块的设计； 陈述了上位机通讯方案的设计 ，而且在 机械 关键 部分 进行了 计算和校核。 最后 总结了测长控制系统和软件系统开发过程所做的工作，并对系统的改进方向进行了展望。 关键词 ：钢管；测长； 机；编码 器；光电传感器 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 is as a of in to In on of of on s of nd of PI of of of of as as of of to s of of of nd 7400 in of LC is of of LC on LC of of LC of of of is of is on of he in of to 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 1 目 录 1 绪 论 . 6 题研究的背景 . 6 管自动测长系统的的分类 . 7 前国内钢管自动测长的发展状况及趋势 . 9 内钢管自动测长发展状况 . 9 管自动测长的发展方向 . 9 2 方案原理的设计 . 10 2. 1 测长系统的设计 . 10 管自动测长原理 . 10 部件方案选择及说明 . 12 动方案说明 . 12 电传感器的选择及说明 . 14 . 15 应用中问题分析及改进措施 . 16 制系统的方案 . 17 . 17 . 18 . 20 位机监控系统的测试策略 . 21 3 部件设计及计算 . 22 . 22 . 22 . 25 . 26 的选择与 计算 . 27 栓的选择与校核计算 . 27 差的分析 . 28 差理论分析 . 28 . 30 . 31 4 控制系统 . 32 . 32 . 32 . 32 . 33 序的测试 . 40 位机监控系统的设计 . 41 位机系统监控功能模块设计 . 41 . 44 5 总结与展望 . 45 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 . 45 望 . 45 致谢 . 46 参考文献 . 47 附录 . 错误 !未定义书签。 附录 1 . 错误 !未定义书签。 附录 2 . 错误 !未定义书签。 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 1 绪 论 题研究的背景 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。 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。 钢管测长是对成品钢管进行长度根据一定的标准把钢管定义为好管或坏管。随着我国加入 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 5表 1示）。 过去，大部分的钢管厂家采用人工的方式进行测量。人工测定钢管的长度，这种做法沿用了很 长一段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在测量精度低、劳动强度大、生产效率低等缺点。 表 1 1 标准摘录 8162尺寸偏差 外径 项目 允许偏差 管体 DD 接箍 1% 重量 壁厚 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、字迹购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 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。 管自动测长系统的的分类 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，每根钢管的实际长度是喷标信息的重要组成部分。 钢管测长方法归纳起来有两种方案： 1电荷耦合器件（ 管测长方案 6 目前鞍钢无缝钢管厂热轧二车间生产线的测长系统即采用此方案。该测长方案包括精测和粗测两部分。图 1 2 和图 1 3 为系统的示意图。粗测部分由若干光源（激光器）和光电传感器组成。每一点光源和光电检测器组成一条测试线，各条测试线之间相互平行，且距离相对固定，每相邻的测试线之间的最大距离小于 件精测的测量范围。当钢管的前端经过测试线时，光电检测系统 发出信号，将相应的 I 0 信号送到单片机中。精测 摄像机，具有 2048 曝光像敏单元。为提高测量精度和可靠性，采用透光法进行 像测量，即光源和 件分别置于生产流水线的两侧。精测光源的光线一部分可以通过透镜投射到 件上，另一部分则被钢管挡住，光线无法到达 件上，如图 1示。在精测过程中，钢管在不同位置时， 件上的亮区长度也不相同。当钢管在生产流水线上向前运动时，如果其前端与粗测部分中某一条测试线重合。而型钢又在精测范围内，此时，即可进行型钢 的测长。单片机在这瞬间同时进行粗测和精测。单片机检测型钢与哪一根测试线相遇，求出粗测的长度。整个型钢由图 1以看出，整个钢管的长度为： L=0L+1L2 式中， L 为钢管总长，0一个测试线之间的距离，2统巧妙的将精测和粗测结合起来，实现对物体的长度测量。精度可以达到 1 此方案具有系统硬件简单、速度快、可扩展性好等优点，但是也存在着对测量环境要图 1长原理图 图 1测图 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 求高，设备安装调试不方便，维护困难等 缺点，对于周围温差大、光线不强、灰尘大的场合测量精度会受到很大影响。 2数控钢管推动测长系统 数控钢管推动测长系统 ”主要用于成品钢管的精确测长，在推动过程中实现动态测量，并为喷印作好定位对齐准备。本系统由机械推动、数字控制及精密测量三部分组成，主要性能指标为： 钢管测长范围： 测长精度： 2 测长周期： 20 (连续可调 )；测长原理图如图 1示 图 1长原理图 钢管送到测长工位， 测到 1、 2光电开关变为高电平后，产生 “钢管到 位 ”信号，并通过单片机系统通知上位机。上位机根据其它系统的情况和逻辑控制要求产生 “允许推动测量 ”信号传输给 到 “允许推动测量 ”信号后，确认有钢管且系统一切正常，便控制变频器驱动电机正转，推动钢管向前移动。当钢管端面 m(与推头接触的钢管端面 )与 1光电开关对齐的瞬间， 1光电开关状态发生跳变，此时 即发出复位信号给单片机系统，单片机系统将光栅数显表置于复位状态，当钢管端面 m 与 2光电开关对齐的瞬间， 即向单片机系统发出 “测量开始 ”信号，单片机系统瞬间取消光栅数显表的 复位状态，光栅数显表开始正常计量， 时根据此瞬间 3 14光电开关的状态得出 “光电开关状态编码 ”，并以 4 位 的形式锁存输出给单片机系统，单片机系统根据此编码查表得到 。当钢管另一端面 n 和下一个光电开关对齐的瞬间，单片机系统发出 “测量结束 ”信号，单片机系统立即锁定并采样光栅数显表的测量值a 。推动继续，当终点接近开关动作时，电机停止（每次推动的距离相同，即起点接近开关到终点接近开关）。约 1 秒钟后， 制电机反转将推头退回，当起点接近开关动作时电机反转停 止，推头立即停下来。同时， 单片机系统发出 “推动测量结束 ”信号，单片机系统得到此信号后再告诉上位机。至此，完成一个测量周期。则钢管的长度为： L = 式 （ 式中 为系统误差，计量检定后从单片机系统键盘上键入。 该测长系统已经应用在成都无缝钢管总厂的周轧分厂合金工段。具有精度高、测长周期短、系统可靠性好等优点。但是在振动大的场合，会影响小车运动的平稳性，使得测量购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 的误差偏大。同时 若现场大型动力设备多，电磁干扰严重，也会增加系统的不稳定性。 由以上分析可知，国内研制的测长系统在一定意义上已经比较成熟，只要在现有的基础上加以改进，即可设计出高精度、高效率的测长系统。 前国内钢管自动测长的发展状况及趋势 内钢管自动测长发展状况 本 文在对钢管自动测长系统的功能和要达到的性能指标进行研究的基础上 。测长系统填补了国内钢管生产线的空白，其检 测精度和标识效果达到了世界同类产品的先进水平，顺利通过了省级鉴定。解决了以前依靠国外进口的困境，在很大程度上降低了成本。本论文主要做了以下工作： （ 1） 对国内外产品的开发现状进行了研究，论证了测长系统开发的必要性，并进行了方案研究和论证。 （ 2） 对测长系统进行了总体方案设计，具体包括：各个工位的硬件组成、工作原理和具体设计方案，确定了控制系统和软件的功能等。 （ 3） 控制系统设计。对测长系统的控制系统进行了详细设计，主要包括系统电气组成、 件设计。 （ 4） 序的设计及调试。根据测 长系统的功能要求，针对 统的硬件特点，对 序进行了模块化设计。根据各个工位功能的不同和所需的交流信号，对各个工位 序的流程、控制信号和数据信号、以及 上位机通讯时序进行了详细设计。完成了现场调试，解决了现场中出现的问题。 （ 5） 上位机监控系统的设计及调试。采用面向对象的思想进行了上位机监控程序的设计，具体包括各个功能块的设计、控制界面的设计和数据库的设计。在现场进行了调试，按照要求完成各种不同报表的实现。 管自动测长的发展方向 测长系统 发展还不完善，需要进一步的进行优化设计。 下一步的工作主要有： （ 1） 测长系统的应用面还比较窄，仅能应用在钢管生产行业，下一步应以测长系统为基础，研制适用于钢坯、钢板等生产的同类设备，以实现产品的系列化。 （ 2）测长系统中，有许多关键部件是国外进口的，如光电传感器、编码器等。而且成本高，所以系统部件的国产化工作有待进行。 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 2 方案原理的设计 2. 1 测长系统的设计 测长的系统构成 如图 2示，由图可以看出系统组成如下： 图 2统结构 （ 1） 轮采用树脂。树脂起到两方面作用：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；另一方面是用来减小钢管与台架之间的摩擦 数，减小 两者之间的摩擦力，增强钢管在被推动时运动的平稳性。 （ 2）电动机的选择主要由所需的推钢机构的所需功率决定。系统选用普通三相异步电动机。而加上电机抱闸，这样推杆能立即停止运动。 （ 3）光电传感器 在垂直于钢管轴向的方向上等距布置 24 对光电传感器。系统采用对射式的 光电传感器，由发射管和接收管组成，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 （ 4）齿轮、齿条，光电脉冲编码器 齿条的连接在电动机的齿轮上，与齿条啮合的齿轮通过联轴器与脉冲编码器相连。当 电动机 推动钢管时带动齿条运动，同时齿条带动齿轮转动，而齿轮的转动带动脉冲编码器转动，最 电动机 推杆的沿钢管轴向运动的距离反映为脉冲编码器转过的角度。 管自 动测长原理 测长系统通过脉冲编码器与光电传感器配合计数的形式测长。测长原理如下： 当光电传感器检测到 工位上有钢管时，这时 操作上位机经 动测长工位的电动机 ，这时电机得到信号启动通过齿轮与齿条之间的转换从而使推杆向前运动，在这过程中光电脉冲编码器通过齿轮与齿条传动计数。当电动机转动带动齿条从而带动编码器也跟着旋转并计数 。 24 对光电管中被钢管挡住的状态为 1，没有被挡住的状态为 0。在推动过程中编码器开始计数，如有光电管的状态从 0 变为 1， 数模块就清零，编码器就重新开始计数，然后重新计数。 当 滚轮碰到左限位开关 的瞬间 ，测长工作完成 ，此时 录当前编码器的数值和每组光电管的状态 并保持 。设 保持的编码器计数值相对应的购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 钢管长度为 L，每组测长盒第一个光电管距零位基准的距离 都为定值 ，当光电盒安装完成后 ，这 6 个值就确定了。值得注意的是 ，在测长过程中 ，钢管尾部至少要经过一对光电管 ，即编码器计数值需要清过零以后 ，所测的长度才是正确的。如果在测长过程中编码器计数值没有清过零 ，那么所测长度值是无效的 ，应重新测量 以此类推，当电动机滚轮触发行程末端开关时，编码器就停止计数，然后电动机返回，测长过程结束 如图 2钢管的最终状态和编码器的数值传送给上位机，最终由上位机 计算出钢管的长度。最终一个管子的长度为： L1L3 其中，1脉冲当量，如式 2示： 3L N( 式中， N 为高速计数模块的绝对计数值，即正向计数值减去负向计数值后的结果； 测长系统在设计时为了达到规定的测长精度进行合理的设计，需要注意以下几个问题： 1）光电传感器的响应速度的快慢很大程度上影响测量的精度，若选用继电器方式的输出接口其响应时间为十几个毫秒，而晶体管方式的接口其响 应时间只要几个毫秒甚至更小，但是注意晶体管方式的输出接口要和与之相连的 输入匹配。 2）齿轮齿条的设计、加工、安装的误差都会引起脉冲编码器脉冲信号与电动机传动到推杆实际移动距离之间不一致，从而增大系统误差。脉冲编码器的分辨率也会影响系统的精度，分辨率越高，精度越高。因此要保证齿轮齿条的设计、加工、安装精度，选择高分辨率的编码器。本系统齿轮齿条的制造精度为 6 级精度，编码器选择 2000 线的。 3）到位传感器负责检测钢管到位，然后把钢管到位信号传给 接到钢管到位信号后才开始测 长。 责采集到位信号、接受脉冲编码器信号，控制电动机和推杆的运动，并把检测结果送到上位机。为了保证测长的精度要求 输入点的响应时间小，指令运行快。 4）合理设计以电动机为动力源的推动机构和传感器的数目。电动机的转数和齿轮之间的转动比所带动的推杆的距离必须比传感器的安装距离大，这样才能保证在钢管移动过程中至少有一对传感器能触发。传感器之间的安装距离不能太大，否则会增加齿轮传动的设计制造难度，使得推动行程太长，降低工作效率。如果太小，就会增加了传感器的数目，增加生产成本。因此要协调好推杆的行程 与光电传感器数目之间的关系。本系统测长推杆的行程为 460电传感器之间的距离为 450 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 部件方案选择及说明 动方案说明 动机选择及说明 电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点： (1)如果电动机功率选得过小就会出现 “小马拉大车 ”现 象，造成电动机长期过载使其绝缘因发热而损坏甚至电动机被烧毁。 (2)如果电动 机功率选得过大就会出现 “大马拉小车 ”现象其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利。而且还会造成电能浪费。 要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较： (1)对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率 (即生产机械轴上的功率 )1P(可按下式计算所需电动机 的功率 P( P=1P/121传动效 率。 按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此所选 电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。 例：某生产机械的功率为 3 95械效率为 70、如果选用效率为 0 8 的电动机，试求该电动机的功率应为多少 解 :P=于没有 规格所以选用 7 5电动机。 (2)短时工作定额的电动机与功率相同的连续工作定额的电动机相比最大转矩大，重量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电动机。 (3)对于断续工作定额的电动机，其功率的选择、要根据 负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电动机。负载持续串计算公式为 ： t)100 式 (式中 此外也可用类比法来选择电动机的功率。所谓类比法。 就是与类似生产 机械所用电动机的功率进行对比。具体做法是：了解本单位或附近其他单位的类似生产机械使用多大功率的电动机，然后选用相近功率的电动机进行试车。试车的目的是验证所选电动机与生产机械是否匹配。验证的方法是：使 电动机带动生产机械运转，用钳形电流表测量电动机的工作电流，将测得的电流与该电动机铭牌上标出的额定电流进行对比。如果电功机的实际工作电流与铭脾上标出的额定 电流上下相差不大则表明所选电动机的功率合适。如果电动机的实际工作电流比铭牌上标出的额定电流低70左右则表明电动机的功率选得过大 (即 “大马拉小车 ”应调换功 率较小的电动机。如果测得的电动机工作电流比铭牌上标出的 额定电流大 40以上则表明电动机的购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 功率选得过小 (即 小 马拉大车 )，应调换功率较大的电动机 . 表 2 2率因数 负载情况 空载 1/4 负载 1/2 负载 3/4 负载 满载 功率因数 . 89 效率 测长系统中 推钢机构中 各种 的数据和要求： 钢管直径： 48管长 L: L=6管重 M: M=20管移动速度 V： V=s 过管的速度 278 根 /小时 V 型架的摩擦系数 则推动钢管的力为 F： F=100010000N 则可得输出功率 P： V=100000W 滚动轴承效率： 轮与齿条传动效率： 轮与齿轮之间的效率 : 线针轮减少机电效率： 上可得：电动机的功率 要满足 02W 则电动机可以通过查表得 选 为 术参数 额定功率 /速 R/大静转矩 转子转动惯量22/ M 重量 /390 8 电动机在安装时应考虑到震对机构带来的影响，所以我们把电动机与推钢机构隔离。我们采用矩钢对电动机进行支撑，这样能够保证电动机不影响编码器的工作。 速器的选择及说明 在推钢 机构中要满足推杆的速度，则在电动机与推杆之间存在很大的传动比，这靠简单的减少是不能达到的，所以我们考虑到有很大的减少比的行星齿轮减速机和摆线针轮减少机，它们有很大的传动比，完全能够满足我们的要求。 我们初选减速机为： 线针轮减速机 ) 减速机的输出扭矩为： 购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 电动机： 1T=9550 M 式 (电动机传递到 减速机输出： 2T=1T 1i =201 式 (而 通过计算得推钢机构在推动钢管时所 克服的 最大 工作转矩：3T=以我们算出电动机最终输出的扭矩大于现场工作时推动钢管的真实最大扭矩， 所以即选定电动机和减速机都符合要求。 机 的 抱闸 制动 三相异步电动机从切除电源到完全停止旋转，由于惯性的原因，总需要一段时间。但实际工作中，机械在运行过程中都要求安全和准确定位、以及为了提高测量精度，都需要电动机能迅速停车，所以要求对电动机进行制动控制。 在本系统中我们采用弹簧抱闸示意图 如 2 K 1M 1Q 1234图 21234制动轮 当电磁铁 1 得电时，制动瓦 2 被吸起与制动轮 4 脱离，与制动轮相连的电动机可自由转动。当电磁铁失电时，在弹簧 3的作用下，制动瓦压紧制动轮使电动机无法转动。 这时可以防止电机由于惯性而继续转动，导致钢管测长完成后继续向前攒动。 电传感器的选择及说明 电传感器可以按以下 4 种方式分类 1、 检测形态 2、 构成 3、 输出 4、 光源检测形态的分类 A 透过型 投光部和受光部一体化 投受光部多数排列型 交叉光购买文档送 子版 图纸， Q 11970985 或 401339828 束扫描方式 B 镜面反射型 C 反射型 扩散反射型 狭视界反射型 限定反射型 距离设定式限定反射型 色标检测型构成的分类 A电源内藏型 B放大器内藏型 C放大器分离型 D光纤型输出分类 A 出 B 出 C直流两线式输出 D模拟电压、模拟电流输出 E继电器输出光源分类 A红外线 B红色光 C绿色光 D 3 色光（红绿蓝 ）。 光电传感器的检测模式分为如下几类：对射式、反射板式、偏振反射板式、直反式、宽光束式、聚焦式、定区域式和可调区域式。 我们在钢管自动测长系统中的光电传感器在垂直于钢管轴向的方向上等距布置 24 对光电传感器。系统采用对射式的光电传感器，由发射管和接收管组成，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 电传 感 器选 用 P 主要技 术参数 为 ：最大检 测距离 为 7m；最小 可检 测 的 物体 为 7 电 电源 为 30V；最 快 反 应 时 间 为 电传感器成对使用 ，分别安装 在 V 型辊 道的两边 。 在垂直于钢管轴向的方向上等距布置 24 对光电传感器，在安装时我们才用两端支撑，支撑才用外购件 。 测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。 使用的传感器盒要 能够符合现场工作的要求还有考虑到特殊情感下的事件，例如：进行修理时要承受一定的载荷，这就要求它要有良好的强度和韧性。所以在设计传感器时我们采用铝合金进行成模拉伸。 电脉冲编码器的选择及说明 电脉冲编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时， 光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件