顶杆自动识别系统的设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

充值下载文档就送 全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 毕业设计 (论文 ) 顶杆自动识别系统的设计 THE DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECTING SYSTEM FOR MANDRIL 摘要 在钢管生产过程中，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，基于 PLC的控制系统，给出了系统的检测原理，系统构成及软件程序。本课题主要研究工作： 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；陈述了课题的来源和论文的主要工作和意义。 第二章提出了系统总体的设计要求；根据钢管的具体参数和工作要求对检测系统的整个机架部分进行设计。 第三章主要是对组成机架所需要的主要机械零部件（气缸和滚珠丝杠副）进行选型，并对选择过程做出相应说明，以及这些零部件相关的力学和强度校核计算。 第四章简述了 PLC 编程的方式和 S7 400 的组成；提出了 PLC 程序的测试策略；介绍了传感器的选型，信号转换和安装。 第五章总结了顶杆自动识别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 。 充值下载文档就送 全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 关键词 ： 顶杆；检测；机架；气缸；传感器； PLC Abstract In the expansion of production, it is necessary to understand the real-time each mandril length, diameter, frequency of use and other information. Introduced through the mandril slotting the tail, and push to achieve the identification and tracking information； PLC-based control system, the system is the detection principle, the system and software program. The main research topics: The first chapter synthesis narrated the steel pipe craft production process and the API international standard； Explained the domestic roof bar automatic diagnosis system development present situation and the existence question and elaborated the roof bar automatic diagnosis system principle of work and the flow； Stated the topic origin and the paper prime task and the significance. The second chapter set the system overall design request； To examine the system according to the steel pipe concrete parameter and the work requirement the entire rack section to carry on the design. Third chapter mainly is to composes the main mechanical spare part which the rack needs (air cylinder and ball bearing guide screw vice) carries on the shaping, and to chooses the process to make the corresponding explanation, as well as these spare part correlation mechanics and intensity examination computation. 充值下载文档就送 全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 The fourth chapter to summarize the PLC programming way and the S7 400 compositions； Proposed the PLC procedure test strategy； Introduced the sensor shaping and the signal transformation. Fifth chapter summarized the work which the roof bar automatic diagnosis system and the software system performance history does, and has carried on the forecast to the system improvement direction. Keywords ： mandril detection rack beams sensor PLC - 1目 录 1 绪论 . 1 1 1 引言 . 2 1 2 背景及原理介绍 . 3 1 3 检测系统的组成 . 5 1 4 系统开发的必要性 . 9 1 5 论文的主要工作和意义 .10 2 顶杆自动识别系统的总体设计 . 11 2 1 顶杆自动识别系统的设计要求 . 11 2 2 顶杆自动识别系统的总体设计 . 11 3 机械部分的设计 .16 3 1 气缸部分 .16 3.1.1 气缸和阀的选型 .16 3.1.2 气缸的力学计算及校核 .16 3.1.3 气缸的图形及说明 .18 3.1.4 系统的气动回路 .19 3 2 导轨部分 .20 3.2.1 滚珠丝杠副的选型 .20 3.2.2 滚珠丝杠副的力学计算 .20 3.2.3 滚珠丝杠的图形及说明 .22 3 3 本章小结 .23 4 电气部分的设计 .24 4 1 系统的配电图及说明 .24 4 2 传感器的选择，安装及数据处理 .24 4 3 PLC 的组成及编程 .27 4 4 S7-400 编程方式 .29 4 5 本章小结 .31 结论 .32 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .34 附录 .35 附录 1 .35 附录 2 .42 - 2买文档送全套图纸 扣扣 414951605 1 绪论 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 热轧钢管生产流程 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 - 3效率低、字迹不清楚等缺点。表 1 1 为国际标准 API SPEC 5CT 标准摘录： 表 1 1 国际标准 API SPEC 5CT 标准摘录 GB/T 8162 尺寸偏差 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。 1 2 背景及原理介绍 扩管是指经穿孔机穿孔后的荒管加热以后在轧机的两个锥形辊的作用下，沿顶杆高速旋转前进，把管径扩大的过程。扩管过程中顶杆的定位精度要求很高，每根顶杆在轧制之前必须调整到恰当的位置，才能在轧制过程中避免前卡、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。每次轧制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 PLC， PLC 根据此数据调整顶杆的位置。目前识别、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。 - 4（ 2） 顶杆工作在高温状态下，轧制过程中顶杆的表面温度可能达高达 800，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 所示。每根顶杆的尾部刻槽 ,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。传感器选用欧姆龙公司方型 NL系列接近传感器，传感器阵列分为 6 组，安装在树脂制造的安装架内，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 2 为例，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。 图 1 2 检测正视图 - 51 3 检测系统的组成 顶杆检测系统的结构简图，如图 1 4 所示，系统包括检测头、检测头对齐挡板、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 10 个部分。整个系统的工作流程可以分为 5 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， PLC 输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， PLC 输出相应的报警信号并在上位机上显示报警信息，系统会根据实时情况做出 相应处理。 （ 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 （ 32mm 256mm），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。 下图可以直观的看出系统是怎样工作的，该图的视角为正对横梁前端，由图可知气缸和滚珠丝杠副并 没有安装于同一平面内，所以设计安装时该考虑到两平面之间的平行度问题，由于检测头下方的传感器是 6 6 方形阵列，所以钢管的放置方向对检测没有任何影响。气缸还安装了附件（前法兰），这样气缸缓冲装置可以得到定位，检测头上方的平板通过 Y型销杆连接器和气缸连接在一起，此外系统还在连接板上安装了一对可调节撑脚（实际上就是一对可调螺栓螺母）这样可以保护检测头不受损。当电源接通后， PLC 发出指令通过控制电磁阀来控制两个气缸的运行，当水平和竖直方向上的位置都满足检测要求后，系统开始正常工作。 图 1 4 为系统的工作图，对齐气缸 安装位置和 V 架同一高度，它通过连接在活塞杆上的推板推动钢管以达到对齐的作用，机架立柱旁边是控制柜，系统中所用到的电，气，液总导管均从这里引出。由于视角的原因，调节竖直方向上距离的手柄在图 1 4 中看不到，图 1 3 为整个系统机架的俯视图，该图可以清楚的看出手柄的安装位置。 - 6图 1 3 机架俯视图 （ 4）检测头检测。检测头到位即是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，这样传感器处于最佳工作位置。然后 PLC读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 PLC 一个检测成功的信号，PLC 就开始运行下步动作。如果上位机用 PLC 上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 PLC 重新检测一次。本系统的原理就是根据 PLC 接受到现场的信息然后对顶杆的位置做出实时调整，由于钢管间直径相差较大，因此顶杆的规格也会相差较大，而本系统精度要求较高，所以 PLC 现场对顶杆做出的调整很重要。 - 7检测头控制柜水泥台推板图 1 4 系统工作外形图 （ 5） 气缸上升。检测成功后，气缸上升，直到上位传感器信号触发停止，如果 2s内气缸没有上升到指定位置，系统就会报警， PLC 会根据现场具体情况做出调整。直到顶杆检测完成。图 1 5 是系统的 PLC 流程图。该图考虑到每个工作流程可能发生的状况，并对可能发生的意外状况进行处理，能直观的反映系统工作的全部流程。在本论文在第四章将说明现场的模拟信息是如何从传感器传出并被 PLC 识别的，系统中的所有用电部分经过统计后，给出输入，输出端子图。 - 8初始状态满足？NN报警处理Y结束NY报警处理气缸后退，检测头下降对齐气缸到位N报警处理YNP L C 流 程 图报警否？检测头上升检测成功吗？开始检测报警否？报警否？对齐气缸推出检测位置有无顶杆检测顶杆开始图 1 5 PLC 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 6 是顶杆检测的正视图。如图所示，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 C1 的半径为 r，大圆 C2 的半径为 R， C1 与 C2 在 X 方向上的偏差为 X。则存在以下关系，见式（ 1.1）： c o ss i nRrx 式（ 1.1） 由图 1 6 可知，检测头在 X 方向上的变化范围为 X，只有系统的传感器 X 方向检测距离xLx才能保证检测成功 。现场顶杆的直径变化范围为 32 mm 246 mm， 为60 , 为 10。把数据代入上式可得 x =84.5mm。 - 9输入PLCLx传 感 器 阵 列654321台架顶杆2顶杆1xyaBrRX图 1 6 检测正视图 所以，只要xL84.5mm 就能满足检测要求。传感器选用欧姆龙 NL 系列方型传感器， 其截面为 40mm 43mm,为探针接触式检测。因为 x 43mm，所以，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 3 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。 1 4 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。 （ 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 - 10 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 1 5 论文的主要工作和意义 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。 具体为机械组成框架部分的设计。 2、根据总体方案进行重要零部件选型，并做出说明和必要的力学计算。 3、通过对系统工作原理和 PLC 的研究，进行了 PLC 流程设计，给出其接线图。 4、将人机工程学运用到系统中，设计了上位机监控系统。 本系统的研制成功填补了国内检测行业空白，其检测精度和标识效果达到同类产品的先进水平。 - 11 2 顶杆自动识别系统的总体设计 2 1 顶杆自动识别系统的设计要求 系统的设计要求如下： （ 1）工作范围 钢管外径： 48（ 32） 246mm；钢管重量： 20Kg 1000Kg；钢管长度： 6m 15m； （ 2）工作环境要求 系统能在恶劣的环境下工作，使用寿命长； （ 3）气缸速度要求 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 2s 推到工作位置； （ 4）自动化要求 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；。 （ 5）效率和速度要求 系统要求过管速度为 278 根 /h，每 12s 过一根管。 2 2 顶杆自动识别系统的总体设计 在对顶杆自动识别系统进行总体分析再结合具体的工作要求后给出系统设计总示意图如下，图 2 1 只是设计开始的构思，只为示意。 台架检测头气缸滚珠导轨钢管立柱横梁控制柜顶杆自动识别系统的总体设计外形图图 2 1 外形示意图 - 12 （ 1） V 型台架 V 型台架用来放置钢管，由于钢管长度为 6m 15m，所以仅靠一个台架显然不行，本系统中在地面上放置了 5 个台架，这样可以根据钢管的长短来调整钢管的放置， 5 个台架按一定距离安放，高度要统一，确保钢管受力均匀，在台架上带有尼龙垫。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）。台架的具体设计思想为一“ V”型板和两个夹板通过两个螺栓螺母组连接在一起，再通过两个加强肋和底板焊接在一起，整个台架采用螺栓和螺母与一承载机构联接，承载机构的具体高度由具体工作要求决定，在承载台上安装的 V 架也可以设计成多排，本系统的 具体设计思想如图 2 2 所示。 图 2 2 台架设计 （ 2）机架，横梁和立柱 本系统中横梁的材料为 35 号钢，机架，立柱和底板的材料都为为 Q235 钢（有一定强度，良好的铸造性和韧性，焊接性好），横梁和立柱都选用冷拔无缝方形钢管，这样便于在横梁内部安装滚珠丝杠传动副，立柱先和一横板焊接之后再与横梁间通过 3 个螺栓，垫片螺母组连接，然后再和一加强肋板焊接紧固，立柱和底板通过 6 个螺栓螺母组连接，另外还加有四个加强肋板，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。设置肋板使壁厚减小，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。在横梁内部有一套滚珠丝杠副通过一块衬板安装在一“凹”形滑台上，由于丝杠的尾部没有开螺纹，所以可以连接一个手动摇柄装置，因为滚珠丝杠副可以将螺旋运动转化成直线运动，这样整个横移机构就可以通过手动控制横梁尾部的摇 - 13 柄而在横梁上水平移动，因为滚珠丝杠副不能自锁，所以在横梁上安装了压紧装置，通过压紧压板来限制滑板的移动。 （ 3）横移机构 横移机构的具体构造为一升降气缸和一对滚珠丝杠联接装置，在气缸的活塞杆上安装 了气缸附件（ Y 型带销连接杆），该附件和一连接板用螺栓连接在一起，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 48mm 246mm 即钢管间直径相差 198mm，系统将气缸部分和滚珠丝杠副连为一体，这样铅直方向上可以解决因气缸行程不足而有一段距离无法达到的问题，在滚珠丝杠副后侧还安装了一个控制竖直方向的手柄装置，他通过一对啮合的锥齿轮传动改变旋转方向，再通过滚珠丝杠副的螺旋运动来实现竖直方向的升降，在基准面即水平面上配置有一承载水泥台，设其高为 200 mm，整个横梁和机架和底板用地脚螺栓连接在水泥 台上，气缸的行程为 500 mm，整个 V 形台架高为 1500mm, 丝杠螺纹长度为 300 mm ，那么整个横梁的高度就得大于 H H=500+1500+300 mm。取整为 2300 mm，图 2 4 为横移机构剖视图： 图 2 3 横移机构剖视图 （ 3） 气缸及气路 因为在本系统中无论竖直方向上的升降还是水平方向上的对齐，都需要由一个机构来提供动力，参考国内大型钢厂的钢管生产线可知，很多设计在这一环 - 14 节采用气缸装置，故气缸的设计为本论文机械部分的重点，气缸的型 号主要根据所需的移动距离和推力来确定。因为 FESTO 公司生产的气缸结构比其他厂家节省空间，附带可调缓冲装置，附件范围广（附 8 个连接螺栓， 8 个圆片和螺母，一个法兰，内六角螺钉等）而且缸盖上有沟槽使传感器不突出表面，光滑，密封表面保护传感器电缆，防止灰尘进入。所以本系统选用 FESTO 气动元件系列的 DNC-40-500-PPV 型气缸作为气路的执行元件，因为本系统对精度要求很高，所以该气缸上的缓冲装置可以在气缸快速升降的时候消除惯性力和运动残余能量，分析气缸的运动要求后选用 FESTO 系列 MN1H ISO5599-1 型的三位五通换向阀作为气路的主要控制元件，当阀作用在左工作位时，推杆回缩即气缸上升，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。 对齐气缸的型号为 FESTO 系列 DNC-40-800-PPV，与 FESTO 系列 JMFH ISO5599-1型二位五通阀相连，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 PLC一齐控制。 由于气缸是安装在一个移动支架上面，该支架又通过槽钢和两个滚动导轨副接在一起 ，当手轮转动时，丝杠螺母就会升降，由于螺母通过螺母座和支架连接在一起，这样整个升降机构就可以上下升降（气缸和滚珠丝杠副不在同一水平面，所以安装时要特别注意两平面之间的平行度问题）。 （ 4）手柄 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的时候都需要由手动来调节，所以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，在手柄装置里面主要由一对啮合的锥齿轮（齿轮和传动轴之间用键连接）来实现旋转方向上的变化，再通过滚珠丝杠副将旋转运动转化为直线运动，因为本系统为精密检测系统，所以当系统在 工作中必须要能自锁，由于滚珠丝杠副不能自锁，这里在手轮上加上一个压紧装置，当此压紧机构转动时安装在传动轴上的斜楔机构因为螺纹配合就会向右挤，而右边的间隙又是固定的，当整个斜楔被挤到极限位置时，手轮就无法转动，这样就可以实现竖直方向上的自锁，当这个调节装置手柄摇动时，整个检测装置就会上下升降，下图中小锥齿轮的分度圆直径1 42.8d mm，大锥齿轮的分度圆直径2 63.2d mm（两锥齿轮的选型设计过程略），因为两锥齿轮的传动比等于它们分度圆 直径的反比，所以两齿轮的传动比为1i/ 2i=63.2/42.8=3/2,所以当手轮转过一圈时丝杠就会转 2/3 圈，因为本系统中丝杠的螺距为 6mm，所以此时丝杠螺母上升的距离为 6)3/2( l =4mm，钢管间直径相差198 mm，手轮大概需要转 50 转，查手册得人手摇的速度为 100 min/r ，所以钢管管径的差值通过手摇 30s 就可以解决，手动装置具体 的构造如图 2 5，该图为手动装置的剖视图。 - 15 图 2 5 手动装置剖视图 （ 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，固定在一块安装模架上，该安装模架为根据传感器安装的具体数据用树脂浇注而成，安装模架和连接板用 4 个 M8 20 的螺栓连接，由于气缸的活塞杆长度有限，为了将升降气缸和整个检测头连为一体，采用在活塞杆上安装附件，该附件为 Y 型带销连接杆，通过此装置将检测机构连接到气缸上。当系统正常工作的时候 ，有一副传感器组作为备用，如果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 2-6 Y 型带销连杆 - 16 3 机械部分的设计 3 1 气缸部分 3.1.1 气缸和阀的选型 考虑到在这个系统中无论气缸上升还是下降都是工作的一部分，所以采用双作用标准气缸，初步估计传感器头部分（传感器阵列以及一些固定夹紧装置）总质量为 m (m100Kg) 而气缸行程为 500 mm ，因为系统要求气缸 2s 下降到起始位置， 1s 上升到工作位置，所以气缸下降与上升的速度分别为 V1=250 mm s ， V2=500 mm s，气缸要在 2s 时间内压缩空气趋动质量为 m 的装置运行 500mm 距离，即 F=P S G 计算得 D 35 mm 故采用缸径为 40 mm 肯定能满足工作要求。参考 FESTO 气缸系列，选取标准气缸型号为DNC-40-500-PPV-A，气缸在工作时要实现上升，下降，停止控制功能，所以系统还需要一个气动控制元件，这里选取 FESTO MN1H ISO5599-1 型号的三位五通电磁阀，当阀处于中位时气缸不工作，这一位置就为气缸的原点，当左边的线圈得电时，阀处于左工作 位时气缸上升，右工作位下降。在顶杆右侧还安装有一个对齐气缸，如果传感器阵列和顶杆编码部分有水平距离，对齐气缸就会将顶杆推到应有的位置。对齐气缸与 159 687MN1H 5/2 D FR C 型二位五通阀相连，当阀处于左位时，活塞推出，右位时活塞缩回。 3.1.2 气缸的力学计算及校核 选好气缸型号后还要确定气缸安装所需要的零件，附件如法兰，螺栓，耳轴，脚架等，这里主要为气缸端盖上面的螺栓，本设计采用 M8 的 GB5780-86 ， l 为 35 80 螺栓，气缸工作 压力为 1MPa，下面对它进行强度校核： 图 3 1 连接示意图 弹簧垫片 被联接件 螺母 弹簧垫片 垫片 - 17 计算螺栓受力 气缸盖最大压力 2 21 40 1 1 2 5 6 . 644Q DFP N 螺栓工作载荷 121 2 5 6 . 60 , 1 5 7 . 18QFFF z N 剩余预紧力 21 . 5 1 . 5 1 5 7 . 1 2 3 5 . 6FF N 螺栓最大拉力 0 2 2 3 9 2 . 7F F F N 相对刚度系数 采用铜皮石棉垫片 1120.8ccc 预紧力 10 2 212267cF F Fcc N 螺栓拉力变化幅 02 6 2 . 8 52a FFF N 计算螺栓应力幅 假设螺栓直径 自定 8d mm 螺栓直径和几何尺寸 查手册 126 . 6 4 7 , 7 . 1 8 8 , 1 . 2 5 , 0 . 8 6 6 1 . 0 8d m m d m m p m m H p m m 螺栓危险截面面积 2 21 3 2 . 8 4 746cHA d m m 螺栓应力幅 6 2 . 8 5 1 . 9 13 2 . 8 4 7aaacF MPA 确定许用应力幅 螺栓材料和性能等级 35 号钢 5.8 级 5 1 0 0 5 0 08 4 0 010BaBSaMPMP 螺栓疲劳极限 1 0 . 3 2 1 6 0BaMP 极限应力幅 l i m 1 6 9 . 5muaakk MPk - 18 许用应力幅 l i m 6 9 . 5 1 7 . 34aaaa MPS 校核螺栓变载荷强度 aa所以所选择的螺栓完全能满足工作要求。 耗气量的计算，气缸单位时间内消耗的压缩空气量为： 当活塞杆伸出时 29V11Q 1 04 SD t 式（ 3.1） 式中 D 气缸缸径 S 气缸行程 t1 活塞伸出时 , 完成行程所需时间，由式（ 3.1）得 43V1Q 3 . 1 4 1 0 /ms当活塞杆缩入时 2 2 9V22Q 1 04 SDd t 式（ 3.2） 式中 d-活塞杆直径 t2-活塞杆缩入时 , 完成行程所需时间，由式（ 3.2）得43V2Q 5 . 2 8 1 0 /ms 因为对齐气缸和升降气缸的内径相同，只是行程不一样，所以同规格的螺栓也能满足工作要求，强度校核略。 3.1.3 气缸的图形及说明 本气缸为 FESTO 普通型双作用标准气缸 ,其部分性能参数为缸径 40mm, 行程 图 3 2 气缸设计资料 Z J +G 1 / 4 - 19 10mm2000mm, 缸体具体重量为 0.8kg，行程每增加 10 mm 部件重量增加 0.046 kg ，轴衬盖和端盖的材料为压铸铝，缸筒材料为阳极氧化铝，活塞杆材料为高质合金钢，经过回火处理，连接螺纹尺寸 G1/4， 由于本系统中对齐气缸和升降气缸的主要参数是一样的，只是行程不一样，所以可都选用 FESTO 系列气缸。图 3 2 为 FESTO 自动化公司的设计图纸。 3.1.4 系统的 气动回路 结合系统的工作要求知道升降部分的气缸和对齐部分的气缸各自独立工作，所以他们肯定是并联关系，而气缸都是外接气源型，所以系统可采用同一气源供气，气源由气管引出经过球阀 9543（与气管连接螺纹为 G3/8）之后与气源处理单元即三联件（型号为 FESTO公司 气源处理装置 QE-10-0347-TZ 系列，与气管连接螺纹为 G3/8）相连，然后皮管通过