鋼管自動噴標系統(tǒng)之噴標小車的設計【21張CAD圖紙】

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I 摘要 鋼管是一種多功能的鋼材，其用途覆蓋了石油、冶金、煤炭、汽車、船舶、電站以 及軍工等行業(yè)，為國家經濟建設和國防安全做出了巨大的貢獻。本文以國內外鋼管生產 線上精整區(qū)噴標系統(tǒng)的研究與開發(fā)現(xiàn)狀為背景，對懸臂式鋼管噴標系統(tǒng)進行了研究設計。 本課題的主要研究工作： 第一章綜合敘述了鋼管的工藝生產流程及 API 國際標準；說明了國內噴標系統(tǒng)的開 發(fā)現(xiàn)狀及存在的問題并闡述了開發(fā)鋼管噴標系統(tǒng)的必要性；陳述了課題的來源以及論文 的主要工作和意義。 第二章針對噴標系統(tǒng)設計的總體說明，提出了系統(tǒng)的設計總目標；給出了系統(tǒng)設計 的關鍵參數(shù)并給出了系統(tǒng)的平面布置圖；根據(jù)系統(tǒng)的整體組成結構，對各部分機構及工 作過程進行簡單說明；最后給出噴標小車機械部分的設計方案以及簡要概述噴標控制系 統(tǒng)的總體設計。 第三章根據(jù)設備運行的要求設計了噴標小車的機械、電氣結構，并且對關鍵部分的 設計進行分析。 第四章介紹了噴標控制系統(tǒng)的設計組成，簡述了 PLC 的編程方式，西門子 S7400PLC 的特點；PLC 技術在工業(yè)應用中的優(yōu)勢分析以及 PLC 的硬件設計要求，噴標小車的伺服運 動控制原理，最后給出了噴標流程圖和相應的 PLC 程序。 第五章總結噴標系統(tǒng)設計過程所做的工作，并對系統(tǒng)的改進方向進行了展望。 關鍵詞 鋼管；噴標；PLC；伺服電機；位置控制 II ABSTRACT Steel tube is widely used as a sort of metallic material in oil,metallurgy,automobile, watercraft, electric plant, war industry and so on. It is important to the national economic development. This dissertation is based on the design and development of the system of steel tencil in home and abroad.with the aim of designing a Cantilever-Stencil Machine for Steel Pipe. the main contents are shown as follows: In chapter 1,technological process of steel tube and the international standard API are introduced.Then the current situation of research and problems on tencilling system in China are described.And also,the necessities of the improvement of it are explained.Finally,the source of this project and the main contents as well as the significance of this paper are mentioned. In chapter 2,according to the design target of stencil system,some key design parameters as well as the manufacture flow are put forward.The framework of an integrated tencil system comprising structures is presented,followed by a description of the mechanical struction and interaction. In chapter 3, the mechanism structure is designed according to the requirement of the equipment function. And the pivotal piece is analyzed. In chapter 4,PLC program metheod and the characters of S7400 series are introduced in brief.Attention are mainly focused on the modular design of PLC program,the servo-controlling system of the moving structure.flowed by the PLC program is mentioned. In chapter 5,the work of dissertation is summarized and prospect of improving direction of system is presented. Key words steel tube stencil PLC servo motor position control 目 錄 1 緒 論 .1 1.1 鋼管噴標系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀 .1 1.1.1 引言 .1 1.1.2 噴標系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀 .3 1.2 鋼管噴標系統(tǒng)開發(fā)的必要性 .4 1.3 課題來源 .4 1.4 論文的主要工作和意義 .4 2 噴標系統(tǒng)總體設計 .5 2.1 噴標系統(tǒng)設計要求 .5 2.2 噴標系統(tǒng)總體設計 .5 2.2.1 噴標小車的機械結構設計 .5 2.3 噴標系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計 .7 2.3.1 噴標系統(tǒng)的自動工作過程 .7 2.4 本章小結 .8 3 小車機械、電氣結構設計 .9 3.1 橫移機構的設計 .9 3.1.1 齒輪齒條副設計 .9 3.1.2 滾動直線導軌副設計 .10 3.1.3 伺服電機的選型 .14 3.2 噴頭升降機構的設計 .15 3.2.1 選擇噴標方式 .16 3.2.2 氣缸的選型 .18 3.2.3 氣缸活塞與噴頭的配合 .18 3.2.4 氣缸的固定 .19 3.3 噴頭位置調節(jié)機構設計 .20 3.3.1 滾動直線導軌副 .21 3.3.2 錐齒輪副設計 .21 3.3.3 絲桿副設計 .29 3.4 防撞機構設計 .29 3.4.1 動作方式 .30 3.5 氣路控制系統(tǒng)設計 .30 II 3.5.1 氣動回路 .30 3.6 本章小結 .32 4 噴標控制系統(tǒng)設計 .33 4.1 控制系統(tǒng)的組成 .33 4.2 PLC 軟件及編程 .33 4.3 PLC 在噴標系統(tǒng)中的應用 .34 4.3.1 PLC 的特點 .34 4.3.2 PLC 在工業(yè)應用中的優(yōu)勢 .34 4.3.3 S7-400 編程方式 .35 4.4 PLC 系統(tǒng)的硬件設計 .36 4.4.1PLC I/O 點數(shù)統(tǒng)計 .36 4.5 噴標小車的伺服運動控制 .37 4.5.1 伺服控制系統(tǒng)簡介 .37 4.5.2 伺服運動控制系統(tǒng)工作原理 .38 4.6 PLC 程序設計 .39 4.6.1 噴標流程 .39 4.7 配電電氣控制 .40 4.8 本章小結 .40 5 結論 .41 致謝 .42 參考文獻 .43 附錄 .44 附錄 1.44 外文原文 .44 譯文部分 .49 附錄 2.54 附錄 3.65 1 緒論 1.1 鋼管噴標系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀 1.1.1 引言 鋼管是一種用鋼制作的具有中空截面而長度遠大于外徑(或邊長)的金屬材料。截面 通常為圓形，但也可呈扁、方和異型等。鋼管的結構特征是： 1)具有封閉的環(huán)形橫斷面； 2)兩端開口； 3)管長與外徑之比 L/D 較大； 鋼管是一種多功能的經濟斷面鋼材。它在國民經濟各部門中的應用愈來愈廣泛。 鋼管作為輸送管廣泛地用于輸送油、氣、水等各種液體，如石油及天然氣的鉆探開 采與輸送、鍋爐的水與蒸汽管道、一般的水煤氣管道等。 鋼管作為結構管大量地用于機械制造業(yè)和建筑工業(yè)，如用于制作房架、塔吊、鋼管 樁、各種車輛的構架等。在斷面面積相同的條件下，鋼管比圓鋼、方鋼等的抗彎能力大， 鋼性好，其單位體積的重量輕。因此，鋼管是一種抗彎能力較強的結構材料。 鋼管還作為中空的零件毛坯用于制造滾動軸承、液壓支柱、液壓缸筒體、空心軸、 花鍵套、螺母以及手表殼等，這既節(jié)約金屬又節(jié)省加工工時。 鋼管又是國防工業(yè)中的重要材料，如用于制造槍管、炮筒及其他武器。隨著航空、 火箭、導彈、原子能與宇宙空間技術等的發(fā)展，精密、薄壁、高強度等鋼管的需求量正 迅速增長。 鋼管的種類繁多，生產過程復雜，生產設備也很龐大，大型企業(yè)一般采用自動化生 產線來完成鋼管生產的各個工藝流程，一般熱軋鋼管的生產工藝如下圖 1-1 所示。 2 管 坯 剪 斷 稱 重加 熱 冷 定 心斜 軋 穿 孔 自 動 軋 管均 整 定 徑再 加 熱 減 徑 冷 卻矯 直 切 管 頭 檢 驗成 品 發(fā) 貨標 記 打 捆入 庫 標 記 打 捆入 庫重 切修 磨熱 定 心熱 處 理 待 整 品 檢 查 圖 1-1 熱軋管生產流程 按照工藝流程，管坯進入車間后在剪斷機上按工藝要求切成定尺長度。需要冷定心 的合金管坯送至定心車床加工定心孔。管坯切斷(冷定心)后送入管坯加熱爐內進行加熱。 需要熱定心的管坯出爐后由輥道送至熱定心機上熱定心。經熱定心后的管坯由斜蓖條送 到穿孔機上穿孔。穿孔后的毛管還要經過自動軋管機、均整機、定徑機等加工成鋼管。 需要減徑的管子，經過再加熱爐再加熱后送至減徑機上減徑。從定徑或減徑機軋出的成 品管，由輥道送至鏈式冷床上冷卻，冷卻后的鋼管(有的要熱處理)送到斜輥式矯直機上 矯直，然后進行其他各項精整工序。精整后的成品管經檢驗后涂油打捆入庫。 鋼管噴標系統(tǒng)是對成品管進行噴涂標記的一種設備，根據(jù)一定的標準如鋼管生產的 爐號、班號、材料、長度、重量、生產廠家等按一定的標準標注在鋼管表面。由此可知， 鋼管噴標系統(tǒng)應該安排在鋼管生產工藝流程的精整部分。 根據(jù) GB2102-88 規(guī)定，外徑不小于 36mm 的鋼管應該在每根鋼管一端的端部有噴印、 滾印、鋼印或粘貼標記。印記應清晰明顯，不易脫落。印記內容應包括鋼的牌號、產品 規(guī)格、產品標號和供應廠家的印記或者商標。具體不同類型的管子有不同的印記內容。 隨著我國入世，國內和國際市場的接軌，鋼管市場同樣面臨一系列的問題。國內鋼 管進入國際市場，必須遵守國際的相關標準。比如無縫鋼管要遵守國際標準 API SPEC 5CT 如下表 1.1-1 所示。 過去，大部分的鋼管生產廠家采用人工方式進行標記。人為的把相關的內容根據(jù)國 家標準，用涂料寫在鋼管上。有的鋼管廠由工人隨意手寫，字跡不統(tǒng)一，有的用刷模的 3 方式，字跡相對工整。這種做法一直沿用了很長一段時間，部分廠家目前仍在使用。很 明顯，這些方法存在勞動強度大、生產效率低、字跡不清楚、無法統(tǒng)一管理，難于與國 際市場接軌。 表 1.1-1 APISPEC 5CT 標準摘錄 GB/T 8162 尺寸偏差 項目 允許偏差 D101.60mm0.79mm管體 D114.30mm0.5% 外徑 接箍 1% 壁厚 -12.5% 6.50%單根 -3.50% 重量 車載量 -1.75% 長度 項目 范圍 1 范圍 2 范圍 3 油管 6.10-7.32m 8.53-9.75m - 套管 4.88-7.62m 7.62-10.36m 10.36-14.63m 從上世紀九十年代開始，國內一些大型的鋼鐵公司的產品為了參與國際競爭，花費 巨資引進國外的生產設備。這些進口設備生產效率高、勞動強度低、噴印字跡規(guī)范，易 于管理。但是進口設備成本高、要求工人素質高、維護成本大。落后的傳統(tǒng)方法與高成 本的進口設備都難適應國內的市場需求。因此，設計研發(fā)同類設備已經迫在眉睫。 1.1.2 噴標系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀 鋼管的噴標是國際國內標準明確要求的內容。 國外早已開發(fā)出鋼管的噴標設備，而且設備的功能強大，能噴印各種各樣的字符， 設備采用了各種先進技術。 過去國內對噴標系統(tǒng)的研究較少，一般依靠進口國外先進設備。直到上世紀九十年 代才開始有少數(shù)科研機構對噴標系統(tǒng)進行研究。如國內最先采用的七段碼方式進行噴印。 其原理是用水基白色涂料在壓縮氣體的作用下在熱鋼坯上噴上所需的號碼。這種設計相 對簡單，號碼的變換轉化為七個壓縮空氣噴嘴的控制，控制系統(tǒng)得到簡化，具有較高的 可靠性，號碼調整靈活，不需要更換模子，噴印速度快等優(yōu)點。但是，在高熱環(huán)境下涂 料會很快凝結在噴嘴上造成噴嘴阻塞，涂料的霧化效果不好，不適合在曲面的鋼管上噴 印。為克服上述不足，又相聚研發(fā)出了點陣式噴標，它以點陣式形成字體的方式比較適 合鋼管表面的噴??；白色涂料經過壓縮空氣的推動從高速電磁閥中噴出，速度較快，可 4 以在鋼管表面形成一個個有規(guī)則的圓點，通過伺服控制系統(tǒng)控制噴頭的有序移動，便可 在鋼管表面噴印出一系列的符號。 1.2 鋼管噴標系統(tǒng)開發(fā)的必要性 國內除大型企業(yè)外其他企業(yè)生產設備落后，產品存在諸多標準不一致問題。設備功 能單一，不能配合自動生產線生產，效率低，技術開發(fā)水平落后，精度低，可靠性差， 設備故障率高，產品缺乏擴展性，阻礙自動化發(fā)展，跟不上現(xiàn)代化管理。所有這些說明， 開發(fā)研制高性能的噴標系統(tǒng)等此類鋼管生產的輔助設備和完善的監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。 參考國外同類設備以及比較國內現(xiàn)有設備，可以提出開發(fā)鋼管噴標系統(tǒng)應具備的特 點：控制和智能的全分散化、高內聚、松耦合、高穩(wěn)定性、高可靠性、適應能力強、故 障報警和自診斷功能、可擴展性、系統(tǒng)精度高，工作周期短。 1.3 課題來源 為實現(xiàn)質量管理和跟蹤，行業(yè)規(guī)定鋼鐵產品進入國際市場必須標號，符合 API 標準， 由于國內大多數(shù)企業(yè)產品標號效率低，管理不便，嚴重制約質量管理實施，無法滿足生 產自動化，有設備的廠家設備價格高昂且維護困難。面對激烈的市場競爭，為適應生產 的需求，在消化國外先進設備的基礎上，借鑒國內開發(fā)經驗，根據(jù)國內企業(yè)現(xiàn)狀，著手 改進設計新的噴標系統(tǒng)。 1.4 論文的主要工作和意義 該系統(tǒng)的設計涉及到多學科，多專業(yè)，是集機械、電子和計算機一體化的設備，本 論文主要完成以下工作： 1）通過對系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀的分析，對噴標系統(tǒng)進行了總體方案設計。 2）根據(jù)總體方案設計了噴標小車的具體機械結構，氣路系統(tǒng)，安全防護，控制系統(tǒng)。 3）通過對系統(tǒng)工作原理的研究，進行了 PLC 程序的設計，該系統(tǒng)的設計綜合運用了 機械、電子、計算機三大知識體系，由于采用了噴頭伺服電機拖動的形式，噴印定位精 度得到了提升。 5 2 噴標系統(tǒng)總體設計 2.1 噴標系統(tǒng)設計要求 噴標系統(tǒng)的設計要求如下： 1） 工作范圍 鋼管外徑：48（32）246mm；鋼管質量：20Kg1000Kg；鋼管 長度：6m15m；噴標介質：白色涂料；打印噴標內容：計算機能編輯的任意字符； 2） 精度要求 噴標標高：1050mm 可選；噴標字跡清晰； 3） 生產效率 過管速度：最少 278 根/小時；噴標速度：0120m/min； 4） 自動化要求 選擇好噴標內容后，無需人工干預自動完成生產；自動噴印管號； 具有自動報警功能，急停功能，半自動、手動功能； 2.2 噴標系統(tǒng)總體設計 噴標系統(tǒng)工作方式有自動、半自動、手動三種方式。自動方式是主要工作方式，不 需要人工干預，能夠自動完成噴標工作；半自動控制流程中單工位的流程與自動流程一 致，它是便于測試和手動操作的一個靈活的流程。手動控制主要用于系統(tǒng)的調試和處理 異常情況。例如：檢驗一下各工位是否運行正常，系統(tǒng)的運行情況是否正常，電氣線路 接觸是否良好等；噴標工位布置如下圖 2-1 所示。 圖 2-1 噴標工位布置圖 2.2.1 噴標小車的機械結構設計 噴標小車是噴標系統(tǒng)中主要的機械運動部分，它由以下五個部分組成，如下圖 2-2 所示。 6 立 柱 橫 梁V型 臺 架無 縫 管防 撞 機 構噴 頭 及 控 制 器升 降 機 構橫 移 機 構 氣 路 系 統(tǒng)噴 標 小 車 圖 2-2 小車在噴標系統(tǒng)中的結構示意 1）橫移機構。橫移機構由齒輪齒條傳動副、滾動直線導軌副、伺服電機及其控制驅 動部分、原點傳感器、安全極限位傳感器等組成。橫移機構的主要功能是帶動噴頭在橫 梁上移動。噴標設備有一絕對原點，由原點傳感器決定，所有的其他位置都以原點為基 準。系統(tǒng)工作時，由伺服系統(tǒng)精確定位小車到達所需位置，在噴標過程中，噴頭一邊沿 鋼管軸向移動，一邊完成噴標工作。在橫梁的兩頭有安全保護：當小車由于某些原因， 到達安全極限位置時，系統(tǒng)馬上停止所有的動作，并發(fā)出安全報警。 2）噴頭升降機構。升降機構由氣缸、電磁閥、傳感器、氣路系統(tǒng)、滾動直線導軌、 手輪、手柄等組成。噴頭不進行噴標時，處于上位；而在進行噴標時，噴頭位置下降到 達工作位置。噴頭的上升下降由系統(tǒng)控制電磁閥的動作從而控制氣缸活塞動作來完成。 手輪和手柄則是用來調節(jié)噴頭下降時的最低位置的。由于鋼管管徑大小不同，而噴頭工 作時離鋼管表面的距離有一定的范圍，大概在 20mm30mm，超出這個范圍，噴出來的字 跡不能達到最佳的噴印要求。因此當鋼管管徑不同時，要靠手輪和手柄人工調整噴頭的 最低位置。 3）防撞機構。防撞機構分為側面防撞和底面防撞。底面防撞由四個接近開關組成， 噴頭的任意一角碰到障礙物，氣缸立即帶動噴頭上升，并且噴標小車停止運行，發(fā)出報 警信號。側面防撞是一個接近開關，當鋼管碰到接近開關時，噴頭馬上上升，并且小車 停止運動，發(fā)出報警信號。由于噴頭是整個設備的核心部件，而且比較昂貴，所以要為 它設計專門的防護機構。 4）噴頭及控制器。噴頭及控制器部分是噴標系統(tǒng)最關鍵的部件。噴頭在噴標控制器 的控制下，涂料系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)的共同作用下，完成噴標任務。 5）氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)主要為兩個部件提供氣源及控制：一是噴頭升降控制，給噴 頭的驅動部件-氣缸提供動力；再者是噴頭及控制器系統(tǒng)，為其提供一個動力，使涂料從 7 噴嘴（電磁閥）中噴射出去。 2.3 噴標系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計 2.3.1 噴標系統(tǒng)的自動工作過程 自動方式是系統(tǒng)用得最多的一種工作方式，在鋼管生產線上，要靠自動方式來完成 鋼管的噴標任務。根據(jù)設計要求，按鋼管長度最長為 15 米算，單根噴標時間為 7.5s，而 過管單根時間為 12.94s，可得知在進行噴標任務時，小車有足夠時間來進行初始化和預 處理任務。典型的自動工作過程如下圖 2-3 所示: 鋼 管到 位 噴 頭預 清 洗 氣 缸 動 作噴 頭 下 降 電 機 轉 動小 車 前 進 到 始 噴 位 置開 始 噴 標 噴 標結 束噴 頭 上 升清 洗 噴 頭 光 電 檢測 防 撞 圖 2-3 噴標系統(tǒng)自動工作過程示意圖 由上圖可以看出，要設計的控制系統(tǒng)中需要用相應的控制部件來控制噴標過程的每 一個環(huán)節(jié)。如鋼管到位需要傳感器來檢測；小車的運動需要前面的工步完成后才能動作， 也就是說小車的運動和停止需要一個相應的信號；噴標起始和結束位置的判斷又需要一 些開關設備，考慮到上述種種因素，噴標系統(tǒng)電氣控制采用積木式結構，集散控制原理。 由工控機集中管理信息，監(jiān)控現(xiàn)場設備的工作狀況；PLC 作為底層控制負責采集現(xiàn)場傳感 器信號，控制變頻器、伺服電機等有序的執(zhí)行生產命令。電氣原理組成如下圖 2-4 所示。 8 控 制 柜 配 電 柜噴 標信 號 轉 換 板伺 服 電 機 、 電 磁 閥接 近 開 關噴 標 控 制 箱開 關 電 源PLC、 繼 電 器 斷 路 器 、 接 觸 器變 頻 器 等工 控 機 、 UPS打 印 機控 制 臺 上 位 機 圖 2-4 噴標系統(tǒng)電氣組成示意圖 2.4 本章小結 本章提出了噴標系統(tǒng)的總體設計方案，介紹了噴標系統(tǒng)機械結構 、噴頭防撞 、氣 路系統(tǒng)的設計要求并給出了相關示意圖，簡要介紹了噴標控制系統(tǒng)的設計組成、工作原 理及設計時應注意的問題。 9 3 小車機械、電氣結構設計 噴標系統(tǒng)中，噴頭的移動主要通過小車的來回移動完成。而噴頭的上升下降是由安 裝在小車上的氣缸來驅動的。在噴印字符時，噴頭距離鋼管有一個最佳的噴印距離，在 這個距離之內噴印出來的字符效果相對較好。而不同批次的鋼管管徑是不一樣的，為了 使噴頭在氣缸活塞下降至極限位置時與鋼管保持最佳噴印距離，這就增加了設計一個噴 頭位置調節(jié)機構的必要。此外，氣缸的運動需要一個動力源，必須給其設計一個合理的 氣路系統(tǒng)。 3.1 橫移機構的設計 橫移機構的主要組成部分有精密齒輪齒條副、滾動直線導軌副、伺服電機等。 橫移機構通過連接在伺服電機主軸上的齒輪與安裝在橫梁上的齒條嚙合，伺服電機 轉動進而帶動小車整體的移動。同時，滾動直線導軌副限制了橫移機構整體框架的上下、 左右及各方向的旋轉自由度，使得橫移機構只能沿著橫梁軸向運動。橫移機構如下圖 3-1 所示： 伺 服 電 機 齒 條機 架 導 軌 副橫 梁 圖 3-1 橫移機構示意圖 3.1.1 齒輪齒條副設計 前面已經提及小車的動力系統(tǒng)是伺服電機，而伺服電機主要提供的是轉動，結合小 車的運動方式為直線移動，因此需應用一種將轉動轉換為直線運動的機構，參考相關的 機械設計資料，可知將轉動轉換為直線運動的機構主要有齒輪齒條機構、螺旋機構、帶 10 傳動機構、鏈傳動機構等?？紤]到小車有一定載重、來回運動頻繁、傳動效率高、要求 工作時間長、定位精度高、工作環(huán)境適應性強等因素，選擇精密齒輪齒條傳動副。齒輪 齒條副的設計應注重以下幾方面的問題： 1)齒條的直線度 由于系統(tǒng)對噴印字符的要求很高，必須保證小車運動的直線度，這 就要求相應的齒條有很高的直線度要求。 2)齒條與橫梁的配合 按所設計的齒條在進行與橫梁的裝配時必須保證裝配的直線度 保持較小的誤差。 3)齒輪齒條的精度 考慮到噴標小車的定位精度要求，所設計的齒輪齒條必須有較高 的精度等級。 除上述應注意的問題外，在設計齒輪齒條副時必須進行必要的強度和載荷校核計算。 詳細設計過程由設計合作者黃方興論述。 3.1.2 滾動直線導軌副設計 滾動直線導軌副用于限制噴標小車除沿橫梁移動外的所有自由度。由于導軌對于橫 移機構運動是否平穩(wěn)有著很大的影響，因此對導軌副有很高的精度要求。此外，導軌的 尺寸應與所設計的懸臂梁配套。 3.1.2.1 導軌類型的確定： 由于噴標小車沿導軌移動要保證高的直線度，保證噴頭與某一批次鋼管的相互位置 保持不變，小車移動時應輕便省力，速度均勻，低速時無爬行現(xiàn)象，同時又要求導軌能 保持一定的使用精度，在使用過程中磨損量要小，且磨損后能自動補償或便于調整，要 有足夠的剛度且受溫度變化的影響較小，結構工藝性好等特點。綜合上述，結合系統(tǒng)的 使用環(huán)境和結構緊湊問題，參考相關設計資料，選用滾動直線導軌副。此類導軌的特點 是摩擦阻力小，運動輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動、靜摩擦系數(shù)差別小，低 速時不易出現(xiàn) 爬行 現(xiàn)象，故運動均勻平穩(wěn)。 3.1.2.2 導軌結構形式： 圖 3-2 所示為雙 V 形截面的滾動導軌，由于滾動體和導軌面是點接觸，故運動輕便， 但剛度低，承載能力小。常用于運動件重量、載荷不大的場合。 11 滑 塊導 軌滾 動 體 圖 3-2 滾動導軌結構示意圖 3.1.2.3 導軌選用計算： 首先要滿足最大噴印范圍為 3.4 米的要求。其次，根據(jù)所設計的懸臂梁的長度，導 軌的長度應與其配套。由于懸臂梁的長度確定為 6.8 米，則導軌的長度亦確定為 6.8 米。 a）載荷計算 根據(jù)上述設計要求與規(guī)格，選用型號為 GGB35 AA2P 滾動直線導軌副。安裝形式如下 圖 3-3 所示 F321t4GGFt431c導 軌滑 塊 箱 形 橫 梁小 車 機 架 圖 3-3 導軌副立式橫向安裝圖 查閱這種型號導軌的規(guī)格：受力方式為四方向等載荷，額定動、靜載荷分別為 12 Ca=35.1kN，C oa=47.2kN，硬度系數(shù) fh=1，溫度系數(shù) ft=1，接觸系數(shù) fc=0.81，精度系數(shù) fa=1.0，載荷系數(shù) fw=1.2 計算公式 式（3.1）112342lFGa 式（3.2）c 式（3.3）24 式中 、 、 、 各滑塊所受載荷；1F234F 、 、 、 各滑塊所受剪切力； 懸掛件總質量；G 同一平面內安裝導軌數(shù)；1l 其中 懸掛件總質量為 79kg 代入數(shù)據(jù)得 F 1=F2=F3=F4=0.126kN F1 =F3 =0.194kN F2 =F4 =0.194Kn b）額定壽命 滾動直線導軌副額定壽命的計算與滾動軸承基本相同。 計算公式 式 （3.4） 式maxPF （3.5） 式中 L額定壽命（km） ； Ca額定動載荷； P當量動載荷； Fmax受力最大的滑塊所受的載荷； 指數(shù)，當滾動體為滾珠時，=3； K額定壽命單位（km） ，滾動體為滾珠時，K=50； 代入數(shù)據(jù)得 L=126542km c）壽命時間 當行程長度一定時，以 h 為單位的額定壽命為 htcawfCL=K 13 式 （3.6） 式中 La行程長度（m） ； n2每分鐘往復次數(shù)； 代入數(shù)據(jù)得 L h=31015h 按年工作日為 300d，二班工作制，每班 8h，開機率為 80%，則預計壽命年限為 式h31056.8年L （3.7） 代入數(shù)據(jù)得 L h=8.07 年 3.1.2.4 提高導軌剛度的措施及導軌的預緊 如下圖 3-4 所示，當承導件往復移動時，承導件壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變 化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。當導軌在位置時，兩端滾動體 受力相等，承導件保持水平；當導軌移動到位置或時，兩端滾動體受力不相等，變 形不一致，使承導件傾斜 角，由此造成誤差。此外，滾動體支承承導件，若承導件剛 度差，見下圖 3-5，則在自重和載荷作用下產生彈性變形，會使承導件下凹（有時還可能 出現(xiàn)波浪形） ，影響導軌的精度。 圖 3-4 滾動體受力 圖 3-5 承導件受力 3ha210hn6L 14 為減小導軌變形，提高剛度，除靠導軌本身的制造工藝外，常用預加載荷的辦法來 提高導軌的剛度。 試驗證明：隨著過盈量的增加，導軌的剛度開始急劇增加，達到一定程度后，再增 加過盈量，剛度不會顯著提高。牽引力隨著過盈量增加而增大，但在一定限度內變化不 大，過盈量超過一定值后，則急劇增加。因此，合理的過盈量應使導軌剛度較好而牽引 力不大。 3.1.2.5 技術要求 導軌的質量取決于它的制造精度和安裝精度，根據(jù)設計和使用要求，制定出滾動導 軌的若干安裝技術條件： 1. 不允許將滑塊與導軌分離或超行程又推回去。如因安裝困難，需要拆下滑塊，必 須使用引導導軌； 2. 安裝前必須檢查導軌副是否有合格證、有否碰傷、銹蝕，用防銹油清洗干凈，清 楚裝配表面毛刺及污物等，檢查裝配連接部位螺栓孔是否吻合，如果發(fā)生錯位而強行擰 入螺栓，將會降低運行精度； 3. 安裝前必須分清基準導軌副與非基準導軌副， （基準導軌上產品編號標記最后一 位有“J” ，滑塊上有磨光的基準面） ，其次是認清導軌副安裝時所需的基準側面； 4. 導軌軸和滑塊座與側基準面靠上定位臺階后，應從另一面預緊后再固定。 3.1.3 伺服電機的選型 1）確定電機轉速 根據(jù)生產要求可以得知要達到 80m/min 的生產速度，則電機的轉速應為： 式 3801425/minnrz （3.8） 式中 n電機轉速； m齒輪模數(shù)，在此為 3； z齒輪齒數(shù)，在此為 20； 2）確定電機轉動慣量 由于伺服電機的運行性能依賴于負載和電機慣量的匹配，為了滿足系統(tǒng)靈敏性穩(wěn)定 性的要求，負載的轉動慣量 JL應限制在電機慣量 JM的 15 倍之內。 等效轉動慣量算法如下： 式（3.915L ） 15 式 2211mni kLi kvJM （3.10） 式中 J i各種轉動件的轉動慣量，Kgm 2； i各轉動件角速度 rad/min； Mk移動件的質量，Kg； vk各移動件速度，m/min； 伺服電機的角速度，rad/min JM電機的轉動慣量，Kgm 2； 伺服電機是依靠齒輪齒條嚙合，從而帶動橫移機構在懸臂梁上做直線運動，因此上 面式（3.10）中旋轉部分的轉動慣量為零，而直線運動部分的總重為 79Kg，代入式 （3.10）可得 式（3.11） 2-3-420179601()LJ kgmA 又由式（3.9）可得 式（3.12）42/152()MLJk 根據(jù)以上的計算可以看出，要滿足噴印速度 80m/min 的要求，伺服電機的轉速必須 達到 425r/min,而要滿足伺服電機與負載的轉動慣量比的要求，則伺服電機的轉動慣量應 該大于 4210-4kgm2。因此，查閱相關伺服電機型號規(guī)格表，選擇三菱 HC-SFS121 型伺 服電機，其額定轉速為 1000r/min，轉動慣量為 4210-4kgm2，滿足要求。 3.2 噴頭升降機構的設計 噴頭升降機構用于驅動噴頭在進行噴標任務時噴頭與所要噴印的鋼管間的距離，使 其保持最佳噴印距離。如下圖 3-6 所示，升降機構由噴頭、氣缸、電磁閥、傳感器、氣 路系統(tǒng)、直線滾珠導軌副、手輪、手柄等組成。噴頭不進行噴標任務時，處于上位；而 在進行噴標時，噴頭位置下降到達工作位置。噴頭的上升下降由系統(tǒng)控制電磁閥的動作 進而控制氣缸活塞動作來完成。手輪和手柄則是用來調節(jié)噴頭下降時的最低位置的。 16 噴 頭托 架 防 塵 罩 氣 缸標 尺 圖 3-6 升降機構組成結構 3.2.1 選擇噴標方式 目前噴標技術主要采用CIJ 連續(xù)式噴標和DOD 按需噴墨式噴標。CIJ 方式一般以磁 流變液體為介質，墨水通過壓力從單一噴嘴不斷噴出，經晶體振蕩后發(fā)生斷裂形成墨點； 墨點經充電、高壓偏轉后在運動的物體表面掃描成字。其使用的介質是墨水，主要應用 于小字符噴印。如下圖3-7所示, CIJ連續(xù)式噴標的特點： 圖3-7 CIJ噴標 1）可噴印的字符高度為0.06mm-15mm 2）噴印5*5點陣時很快，噴印中文、圖形、16點陣文字時速度變慢 3）機器運行時，墨水循環(huán)使用，使得墨水濃度不穩(wěn)定，而且還需要添加稀釋劑，稀 釋液不斷揮發(fā)，造成浪費。 4）墨水回收系統(tǒng)容易將粉塵潮氣等吸入機器內部，從而影響機器正常工作性能。 5）因墨點需要經晶體振蕩、充電、高壓偏轉等精密控制，所以故障幾率就比較大。 17 6）控制系統(tǒng)比較復雜，需要精密調整參數(shù)才能保證正常使用。 7）墨水循環(huán)過程中，大量有機溶劑揮發(fā)，氣味難聞，造成環(huán)境污染。 8）由于使用的是外界氣源供氣，對壓力及清潔度要求高，氣源質量直接影響機器壽 命。 9）齒輪泵式噴標電機高速運轉時需要通風散熱，由于不密封粉塵及潮氣容易進入機 器內部。 10）輪泵容易磨損，不能修復，只能更換，維修成本比較高。 DOD 按需噴墨式噴標是通過控制一列高頻開關式電磁閥實現(xiàn)點陣式噴標，結構簡單， 可靠性高。如下圖3-8所示： 圖3-8 DOD噴標 這種噴頭的噴嘴開口度較大，可以形成較大的噴點，因此除了可以使用墨水外，還 能夠使用一些特殊的涂料，例如，水基白色涂料，使用特殊涂料在物體表面噴出的字型 很清晰，即使是在戶外也可以保持很長時間。相比較而言，墨水在鋼鐵材料上存在著透 析，很容易擴散，而這些特殊涂料的粘度大，與鋼鐵親和力強，因此在鋼鐵行業(yè)一般都 使用這些特殊的涂料。 按需噴墨式噴標在大字符或圖形噴印上存在很大的優(yōu)勢： 1）噴印字符高度為2.5mm-64mm。 2）噴印速度不受字型點陣的影響，最快可以達到120m/min。 3）機器運行時，墨水不循環(huán)使用，不需要添加稀釋劑，墨水濃度一定。 4）墨水不需要回收，供墨系統(tǒng)密封良好，避免了污染。 5）墨水直接噴出，自帶壓力泵，精密部件少，故障率低。 6）控制系統(tǒng)簡單可靠，操作簡單，便于維護。 7）自帶低壓供氣系統(tǒng)，氣源壓力穩(wěn)定，質量清潔，保證機器正常運行。 8）機內沒有大功率部件，工作無需散熱，設備系統(tǒng)密封性能良好，不受工作環(huán)境影 響。 9）沒有易損件，維修成本相對CIJ要低些。 考慮上述因素，本系統(tǒng)采用DOD 噴標技術，選擇日本MAKTEC 公司的PJ-1B 型噴頭。 18 該噴頭由16個精密高速電磁閥構成，在噴印字符時，字型相對應的電磁閥快速開啟，墨 水依靠內部恒定壓力噴出，在運動的表面形成點陣式字符或者圖形。 3.2.2 氣缸的選型 對于噴標系統(tǒng)而言，噴頭升降并不需要太大的作用力，也不會出現(xiàn)負載突然變化的 情況，因此采用氣動方式控制噴頭的升降完全可以滿足工作要求，但同時也要考慮到升 降時間對鋼管生產節(jié)奏的影響。 設現(xiàn)場提供的氣源壓力為0.4Mpa，氣缸所要推動的部件總重約為110N（噴頭和防撞 機構的質量總和）。實際選用的是缸徑為80mm，行程為200mm的FESTO公司DNGU80-180- PPV-A型氣缸，所能承受的最大負荷為Q=D 2P/4。根據(jù)FESTO氣缸活塞負荷與活塞速度的 關系圖查得：氣缸的升降速度為225mm/s，可知氣缸的全行程時間不超過2s。 3.2.3 氣缸活塞與噴頭的配合 噴頭是噴標執(zhí)行部件，氣缸通過活塞驅動噴頭做上下升降運動，這里就涉及到氣缸 活塞與噴頭的配合以及噴頭的導向問題。如下圖 3-9 所示： 圖 3-9 氣缸活塞與噴頭的連接示意圖 活塞部件主要通過銷連接與噴頭部件進行連接，噴頭與噴頭固定板用內六角螺釘固 定，噴頭定位銷部分內嵌在沖頭內部，并用沉頭螺釘預緊，噴頭銷連接部分零件與過渡 19 板為螺釘連接。活塞桿頭部與活塞頭銷連接部分為螺紋連接，并裝有用于微調的螺母。 噴頭在進行噴標任務時，必須保證噴頭作上下垂直運動，動作過程中不能出現(xiàn)噴頭 的左右晃動，以影響噴印質量，因此，必須在氣缸驅動噴頭到達噴印位置的過程中保持 噴頭運動方向的一致性，就必須對噴頭安裝導向裝置。如下圖 3-10 所示： 圖 3-10 噴頭導向裝置結構示意圖 該裝置主要由導柱導套副組成，導套用螺栓固定在氣缸固定座上，導柱安裝在噴頭 過渡板上面，噴頭上下升降運動的同時，導柱在導套內滑動，限制噴頭前后左右的自由 度。 3.2.4 氣缸的固定 如下圖 3-11 所示，氣缸的固定設計采用固定座子，氣缸通過螺栓連接安裝在固定座 上，固定座與噴頭位置調節(jié)機構的托架通過螺栓連接。 20 圖 3-11 氣缸固定示意圖 3.3 噴頭位置調節(jié)機構設計 由于不同批次的鋼管管徑大小不同，而噴頭工作時離鋼管表面的距離有一定的范圍， 大概在 20mm30mm，超出這個范圍，噴印字跡不能達到最佳噴印效果。因此當鋼管管徑 不同時，要靠手輪和手柄人工調整噴頭的最低位置。根據(jù)所設計的錐齒輪副和絲桿傳動 副，當轉動手輪一圈時，大齒輪轉動 2/3 圈，絲桿螺母上升或下降 5.33mm，則升降托架 帶動噴頭也跟著運動 5.33mm。根據(jù)所能噴印的鋼管管徑差最大為 200mm，最大調節(jié)距離 需要轉動手輪 37.5 圈，比較合適。該機構組成結構圖如下圖 3-12 所示： 圖 3-12 噴頭位置調節(jié)機構示意圖 21 該機構主要由托架、滾動直線導軌副、絲桿螺母副、錐齒輪傳動副、調節(jié)手輪等組 成。手輪的轉動通過錐齒輪副轉換為絲桿的轉動，通過絲桿螺母來帶動托架作上下升降 運動。 3.3.1 滾動直線導軌副 考慮到噴頭調節(jié)機構由人工通過手輪來調節(jié)，導軌副采用精度高、摩擦阻力小，運 動輕便靈活的直線滾動導軌。根據(jù)系統(tǒng)的尺寸和相關設計要求選用型號為 GGB 30BA2P2720-2 型滾動直線導軌副。 3.3.2 錐齒輪副設計 錐齒輪是圓錐齒輪的簡稱，它用來實現(xiàn)兩相交軸之間的傳動,兩軸交角稱為軸角， 其值可根據(jù)傳動需要確定，一般多采用 90。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由 齒輪的大端到小端逐漸收縮變小，如下圖 3-13 所示。由于這一特點，對應于圓柱齒輪中 的各有關圓柱在錐齒輪中就變成了圓錐，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒 輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設計、制造及安裝均較簡單， 但噪聲較大，用于低速傳動（5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小及承載能 力大等特點，用于高速重載的場合。在本文中錐齒輪副用在噴頭位置調節(jié)機構中，速度 較低且屬于輕載，因此考慮用直齒錐齒輪傳動。 圖 3-13 直齒錐齒輪副 3.3.2.1 直齒錐齒輪主要參數(shù)初算 22 詳細計算數(shù)據(jù)見附 表一，其中 m 為大端模數(shù)，應圓整到標準值。 （見附 表二） 注：n 1小輪轉速；n 2大輪轉速。 3.3.2.2 直齒錐齒輪幾何計算 根據(jù)錐齒輪傳動的特點，其基本幾何尺寸按大端計算，但錐齒輪齒寬中點處及其當 量齒輪的幾何尺寸必須通過大端導出。 1） 齒寬系數(shù) FR FR=1/3，且 b1=b2=b 式（3.13） 式中 b 1小錐齒輪齒寬； b2大錐齒輪齒寬； b平均齒寬； 2） 齒寬中點的分度圓直徑（平均分度圓直徑）d m和平均模數(shù) mm 式（3.14）11(0.5)/(0.5)mRdRbd 式（3.15）2. 式（3.16）1/z 式中 d m1小輪平均分度圓直徑； dm2大輪平均分度圓直徑； d1小輪分度圓直徑； d2大輪分度圓直徑； R齒寬系數(shù)； R錐距； mm平均模數(shù)； m大端模數(shù)； z1小輪齒數(shù)； 3） 齒寬中點處當量齒輪的分度圓直徑 dmv、當量齒數(shù) zv及當量齒數(shù)比 uv 式（3.17）211/cos(0.5)1/mv Rdu 式（3.18）22 式（3.19） 式（3.20）21vzu 式中 d mv1小輪當量分度圓直徑； dmv2大輪當量分度圓直徑； 1小輪分度錐角； 1csvz 23 2大輪分度錐角； u齒數(shù)比； zv1小輪當量齒數(shù)； zv2大輪當量齒數(shù)； z1小輪齒數(shù)； uv當量齒數(shù)比； 式中齒數(shù)比影響分度錐頂角的大小，一般取 u3，最大不超過 5。相關的數(shù)值計算 見附 表三所示。 3.3.2.3 直齒錐齒輪傳動的運動設計 1） 背錐和當量齒輪 下圖 3-14 為一錐齒輪的軸向半剖面，其中 DOAA 為分度錐的軸剖面，錐長 OA 稱錐距， 用 R 表示；以錐頂 O 為圓心，以 R 為半徑的圓應為球面的投影。若以球面漸開線作錐齒 輪的齒廓，則圓弧 bAc 為輪齒球面大端與軸剖面的交線，該球面齒形是不能展開成平面 的。為此，再過 A 作 O1AOA，交齒輪的軸線于點 O1。設想以 OO1為軸線，以 O1A 為母線 作圓錐面 O1AA，該圓錐稱為錐齒輪的大端背錐。顯然，該背錐與球面切于錐齒輪大端的 分度圓。由于大端背錐母線 O1A 與錐齒輪的分度錐母線相互垂直，將球面齒形的圓弧 bAc 投影到背錐上得到線段 bAc，圓弧 bAc 與線段 bAc非常接近，且錐距 R 與錐齒輪大端 模數(shù) m 之比值愈大（一般 R/m30），兩者就更接近。這說明：可用大端背錐上的齒形近 似地作為錐齒輪的大端齒形。由于背錐可展開成平面并得到一扇形齒輪，扇形齒輪的模 數(shù) m、壓力角 a 和齒高系數(shù) ha*等參數(shù)分別與錐齒輪大端參數(shù)相同。再將扇形齒輪補足成 完整的直齒圓柱齒輪，這個虛擬的圓柱齒輪稱為該錐齒輪的大端當量齒輪。這樣就可用 大端當量齒輪的齒形近似地作為錐齒輪的大端齒形，即錐齒輪大端輪齒尺寸（h a、h f等） 等于當量齒輪的輪齒尺寸。 24 圖 3-14 錐齒輪軸向半剖圖 2） 當量齒數(shù) 當量齒輪的齒數(shù) zv稱為錐齒輪的當量齒數(shù)。z v與錐齒輪的齒數(shù) z 的關系可由上圖求 出，由圖可得當量齒輪的分度圓半徑 rv 式（3.21）/cos/2cosmz 式中 rv當量齒輪分度圓半徑； 而 式（3.22）/vrz 則有 式（3.23）/cosv 3） 當量齒輪和重合度計算 背錐和當量齒輪 下圖 3-15 為一對錐齒輪的軸向剖面圖。該對錐齒輪的軸角等于兩分度錐角之和，即 式（3.24）12 式中 軸交角； 25 圖 3-15 錐齒輪的當量齒輪 由于直齒錐齒輪傳動強度計算及重合度計算的需要引進一對當量齒輪（上圖），它 們是用該對錐齒輪齒寬中點處的背錐展開所得到的。當量齒輪的分度圓半徑 dv1/2 和 dv2/2 分別為這對錐齒輪齒寬 b 中點處背錐的母線長；模數(shù)即為齒寬中點的模數(shù)，稱為平 均模數(shù) mm。 直齒圓錐齒輪的嚙合傳動特點 一對錐齒輪的嚙合傳動相當于其當量齒輪的嚙合傳動。因此有如下特點： a、正確嚙合條件 ： 式（3.25）121212,m 式中 小輪壓力角；1 大輪壓力角；2 嚙合壓力角； b、續(xù)傳動條件 e1，重合度 e 可按其齒寬中點的當量齒輪計算。 C、不根切的最少齒數(shù) 式（3.26）minicosvz 式中 z min不根切最少齒數(shù)； zvmin最小當量齒數(shù)； d、傳動比 i12 因 式（3.27）1122sin,sindRd 故 26 式（3.28）12212121/sin/izd 當=90時，有 式（3.29）121tan2coi 圖 3-16 錐齒輪嚙合 直齒錐齒輪的當量齒輪用于重合度計算和強度計算。參考點 M 的各個參數(shù)代號中引 入下角標“m” ；當量齒輪各參數(shù)代號中引入下角標“v” 。相關的數(shù)值計算見附 表四所示。 3.3.2.4 直齒錐齒輪傳動的強度計算 直齒錐齒輪的強度計算比較復雜。為了簡化計算，通常按其齒寬中點的當量齒輪進 行強度計算。這樣，就可以直接引用直齒圓柱齒輪的相應公式。因直齒錐齒輪的制造精 度較低，在強度計算中一般不考慮與重合度的影響，即取齒間載荷分配系數(shù) Ka、重合度 系數(shù) Ze、Ye 的值為 1。 1） 輪齒受力分析 忽略齒面摩擦力，并假設法向力 Fn集中作用在齒寬中點上，在分度圓上可將其分解 為圓周力 Ft、徑向力 Fr和軸向力 Fa相互垂直的三個分力，如下圖所 3-17 所示。各力的 大小分別為 27 式（3.30） 11121121cos2(0.5)tancositnttmRrarFTdF 式中 T1小齒輪的名義轉矩（Nmm）； 圖 3-17 輪齒受力分析 各力的方向 主動輪圓周力的方向與輪的轉動方向相反，從動輪圓周力的方向與輪的 轉動方向相同；主、從動輪徑向力分別指向各自的輪心；軸向力則分別指向各自的大端。 載荷系數(shù) K=KAKvK 式 （3.31） 式中 K A使用系數(shù)，按使用系數(shù) KA表查取（見附表五） Kv動載荷系數(shù)，降低一級精度等級，用齒寬中點的圓周速度由動載荷系數(shù) Kv 圖查?。ㄒ姼?圖一） K 齒向載荷分布系數(shù)，可按式（3.30）得 KH =KF =1.5KHbbe 式（3.32） 式中 K Hbbe由齒向載荷分配系數(shù)表 KHbbe查?。ㄒ姼?表六）。 2） 齒面接觸疲勞強度計算 以當量齒輪作齒面接觸疲勞強度計算，則式（3.33） 28 式（3.33）1tHEHPKFuZbd 為 式（3.34）1vHEHPubd 式中 計算應力值；H 彈性系數(shù)；EZ 節(jié)點區(qū)域系數(shù)； 接觸強度計算重合度系數(shù)； 載荷系數(shù)；K 齒面接觸應力基本值；HP 許用接觸應力； 將當量齒輪的有關參數(shù)代入上式中，可得直齒圓錐齒輪傳動的齒面接觸疲勞強度校 核公式為 式（3.35） 211(0.5)tHE HPRKFuZbd 而齒面接觸疲勞強度設計公式為 式（3.36）123124()(0.5EHRRPTZu 式中各參數(shù)按前述確定。相關的計算數(shù)據(jù)見附 表七所示。 從附 表七可看出，齒面接觸應力基本值 HO（725.7325MPa）接觸疲勞極限值 Hlim（1370MPa）且接觸強度安全系數(shù)大于許用值，所設計的錐齒輪接觸強度達到要求。 3） 齒根彎曲疲勞強度計算 直齒圓錐齒輪傳動的齒根彎曲疲勞強度校核公式和設計公式見 式（3.37）0(10.5)t tFFaSSaFPmRKYYb 式（3.38）32214(.)aSFPRRTzu 式中 Y Fa齒形系數(shù)，根據(jù)當量齒數(shù) ，由外齒輪的齒形系數(shù)圖 YFa查?。ㄒ姼?圖二） ； YSa應力修正系數(shù)，根據(jù)當量齒數(shù) ，由應力修正系數(shù) YSa圖查取（見附 圖三） ； 29 齒根彎曲疲勞強度的相關計算數(shù)據(jù)見附 表八所示。 由附 表八可看出，大小齒輪的齒根應力基本值 FO（119.7289Mpa、201.2453Mpa）均 小于彎曲疲勞極限值 Flim（206.89Mpa）且彎曲強度安全系數(shù)大于許用值，所設計的錐 齒輪彎曲強度達到要求。 3.3.3 絲桿副設計 絲桿副是將旋轉運動轉換為直線運動或者把直線運動轉換成旋轉運動，同時進行能 量和力的傳遞，或者調整零件間的相對位置。主要由螺桿和螺母組成。在噴標系統(tǒng)中通 過螺母的上下移動帶動升降托架的升降運動。 3.3.3.1 絲桿傳動設計 根據(jù)噴標小車調整噴頭的精度要求及系統(tǒng)載荷運轉平穩(wěn)性情況，噴標小車噴頭位置 調節(jié)機構中需要通過手輪來調節(jié)噴頭的最低位置，速度比較低，運轉比較平穩(wěn)，載荷較 小。同時由于系統(tǒng)在運行過程中要求噴頭與鋼管的距離保持一定，就要求絲桿副具有一 定的自鎖能力，配合手輪的鎖緊機構來保證調節(jié)好距離的噴頭位置保持不變。參考上述 條件，選擇梯形螺紋牙型的滑動螺旋絲桿副。相關設計計算見附表九所示。 3.4 防撞機構設計 由于噴頭是整個設備中最為昂貴的部件，因此特別設計了立方體形式的噴頭防撞機 構。如下圖 3-18 所示： 圖 3-18 防撞機構示意圖 30 3.4.1 動作方式 防撞機構由一個保護罩和相關的微動開關組成。在保護罩底部的四個角分別安裝一 個感應式傳感器（底部防撞微動開關）,保護罩外部靠感官上料側還有一個擺臂式行程開 關（側部防撞行程開關） 。當噴頭在下位時，一旦有其他物體從底部接近某個角，或者有 物體從側面接近，碰到行程開關的擺臂，則氣缸立即帶動噴頭上升，并發(fā)出報警信號， 起到保護噴頭的作用。 3.5 氣路控制系統(tǒng)設計 氣動控制系統(tǒng)與電氣和液壓系統(tǒng)一樣，都是實現(xiàn)生產過程機械自動化最有效的手段 之一。 氣動系統(tǒng)有很多優(yōu)點，例如，系統(tǒng)機構簡單，使用維護簡便，成本低廉；能適應惡 劣的生產環(huán)境，安全性高；工作壽命長；容易獲得工作介質（壓縮空氣） 。同時，氣動系 統(tǒng)也存在大距離傳遞信號速度慢，在負載有波動時難以保證氣動執(zhí)行元件輸出平穩(wěn)等不 足。然而對于自動化機械設備中的大多數(shù)對象來說，氣動系統(tǒng)的參數(shù)是合適的。 3.5.1 氣動回路 噴標系統(tǒng)的氣動系統(tǒng)回路的動作順序如下：升降氣缸接到啟動信號后下降，涂料泵 將涂料壓倒噴頭，噴嘴電磁閥動作，噴印字符完成后，清洗劑泵將清洗劑壓到噴頭對噴 嘴進行清洗，同時冷卻空氣對噴嘴電磁閥進行冷卻，最后氣缸復位，等待下次啟動信號。 經過以上分析，噴標系統(tǒng)共有噴頭升降、冷卻空氣回路、清洗空氣回路、涂料回路、 清洗劑回路等五個回路。氣路系統(tǒng)的設計原理圖如下圖 3-19 所示。 1） 噴頭升降回路 噴頭升降回路的氣動元件主要有缸徑 80mm 行程 200mm 的升降氣缸 1、三位五通電磁 閥 2、消聲器 3 和三聯(lián)件 4 組成。用于完成噴頭上升和下降的動作。 2） 冷卻空氣回路 冷卻空氣回路的氣動元件有二聯(lián)件 8、球閥 9、球閥 10、過濾器 11。該回路從打開 噴標氣路的時候就開始需要不斷的輸出冷卻空氣，對噴頭的 16 個高速開關電磁閥進行冷 卻，避免高速開關電磁閥在工作過程中過熱，導致電磁閥線圈燒壞。 3） 清洗空氣回路 清洗回路的氣動元件有二聯(lián)件 12、二位二通電磁閥 13.該回路用于在每次噴標完成 31 后將清洗劑用壓縮空氣打出噴嘴進行清洗，從而保證噴嘴的順暢，達到清洗的目的。 4） 涂料回路 涂料回路主要的氣動元件有壓力表 14、氣動隔膜泵 15、二位二通電磁閥 16、單項節(jié) 流閥 19、過濾器 23、高速開關電磁閥 26。 5) 清洗劑回路 清洗劑回路主要的氣動元件有空氣膜泵 17、二位二通電磁閥 18、單向節(jié)流閥 21、二 位二通電磁閥 22、過濾器 24 和二位二通電磁閥 25。 清洗劑從清洗劑箱開始經過過濾和單向節(jié)流閥之后到達空氣膜泵 17，壓縮空氣通過 推動泵內膜片，從而將清洗劑輸送到噴嘴的清洗劑倉，由清洗空氣提供的壓縮空氣打出 噴嘴，達到清洗的目的。 圖 3-19 氣路系統(tǒng)原理圖 1、氣缸 2、三位五通電磁閥 3、消聲器 4、三聯(lián)件 5、球閥 6、主空氣壓力開關 32 7、主空氣壓力表 8、冷卻壓縮空氣二聯(lián)件 9、冷卻空氣球閥 10、主球閥 11、過濾 器 12、清洗壓縮空氣二聯(lián)件 13、清洗壓縮空氣二位二通電磁閥 14、涂料壓力表 15、涂料空氣隔膜泵 16、涂料壓縮空氣二位二通電磁閥 17、清