顶杆自动识别系统的设计.docx
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顶杆自动识别系统的设计
图书分类号:
密级:
毕业设计(论文)
顶杆自动识别系统的设计
ThedesignoftheAutomaticDetectingSystemforMandril
学生姓名
张利民
学院名称
机电工程学院
专业名称
机械设计制造及其自动化
指导教师
崔增柱
2008年
06月
2日
徐州工程学院学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用或参考的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标注。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
论文作者签名:
日期:
年 月 日
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论文作者签名:
导师签名:
日期:
年 月 日日期:
年 月 日
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S7400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。
关键词:
顶杆;检测;机架;气缸;传感器;PLC
Abstract
Intheexpansionofproduction,itisnecessarytounderstandthereal-timeeachmandrillength,diameter,frequencyofuseandotherinformation.Introducedthroughthemandrilslottingthetail,andpushtoachievetheidentificationandtrackinginformation;PLC-basedcontrolsystem,thesystemisthedetectionprinciple,thesystemandsoftwareprogram.Themainresearchtopics:
ThefirstchaptersynthesisnarratedthesteelpipecraftproductionprocessandtheAPIinternationalstandard;Explainedthedomesticroofbarautomaticdiagnosissystemdevelopmentpresentsituationandtheexistencequestionandelaboratedtheroofbarautomaticdiagnosissystemprincipleofworkandtheflow;Statedthetopicoriginandthepaperprimetaskandthesignificance.
Thesecondchaptersetthesystemoveralldesignrequest;Toexaminethesystemaccordingtothesteelpipeconcreteparameterandtheworkrequirementtheentireracksectiontocarryonthedesign.
Thirdchaptermainlyistocomposesthemainmechanicalsparepartwhichtherackneeds(aircylinderandballbearingguidescrewvice)carriesontheshaping,andtochoosestheprocesstomakethecorrespondingexplanation,aswellasthesesparepartcorrelationmechanicsandintensityexaminationcomputation.
ThefourthchaptertosummarizethePLCprogrammingwayandtheS7400compositions;ProposedthePLCprocedureteststrategy;Introducedthesensorshapingandthesignaltransformation.Fifthchaptersummarizedtheworkwhichtheroofbarautomaticdiagnosissystemandthesoftwaresystemperformancehistorydoes,andhascarriedontheforecasttothesystemimprovementdirection.
Keywords:
mandrildetectionrackbeamssensorPLC
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APISPEC5CT(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、生产效率低、字迹不清楚等缺点。
表1—1为国际标准APISPEC5CT标准摘录:
表1—1国际标准APISPEC5CT标准摘录
GB/T8162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。
(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100001B,而二进制数又可以通过实际的开关量来表示,100001B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、F6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
1.3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。
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。
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。
图1—5PLC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
,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ΔX。
则存在以下关系,见式(1.1):
式(1.1)
由图1—6可知,检测头在X方向上的变化范围为ΔX,只有系统的传感器X方向检测距离
才能保证检测成功。
现场顶杆的直径变化范围为32mm~246mm,
为60°,
为10°。
把数据代入上式可得
=84.5mm。
图1—6检测正视图
所以,只要
≥84.5mm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
>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。
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:
φ48(32)~φ246mm;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。
图2—1外形示意图
(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Φ48mm~Φ246mm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200mm,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500mm,整个V形台架高为1500mm,丝杠螺纹长度为300mm,那么整个横梁的高度就得大于HH=500+1500+300mm。
取整为2300mm,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MN1HISO5599-1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
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