頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【鋼管生產(chǎn)】

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引言對(duì)于零件加工，加工特征起到連接CAD和CAPP的作用。因?yàn)镃AD數(shù)據(jù)處于一個(gè)低水平的格式，比如邊界表示法。因此，CAD數(shù)據(jù)需要被轉(zhuǎn)化為一個(gè)高層次的格式以便滿足CAPP的應(yīng)用。在特征識(shí)別的過程中，在設(shè)計(jì)結(jié)束后，特征從零件描述中被識(shí)別出來。因?yàn)镃AD數(shù)據(jù)沒有明確的提供特征信息，因此，特征信息必須要被識(shí)別和提取。所以，從CAD模型中識(shí)別特征的方法和算法是非常關(guān)鍵的。旋轉(zhuǎn)零件通常以2D模型的形式來表述，旋轉(zhuǎn)特征可以從零件的2D輪廓或邊界模式中來判別。人們發(fā)現(xiàn)識(shí)別旋轉(zhuǎn)特征的方法可以用作旋轉(zhuǎn)模式的識(shí)別，專家系統(tǒng)/邏輯方法和基于圖的方法的識(shí)別。最近，柱狀3D特征普遍用固體模型表示。3D柱狀特征的識(shí)別已經(jīng)與搜索和匹配3D表面鄰接關(guān)系或體積模式的幾何推理有關(guān)聯(lián)。Joshi、Chang和Tseng總結(jié)了3D柱狀特征的特征識(shí)別方法。Sakurai和Dave、Trabelsi和Meeran、Wu和Liu、Dong和Vinayan、Qamhiyah et al、Allada、Anand代表著最近的方法。特征識(shí)別方法有允許使用不同系統(tǒng)的CAD作為輸入數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。方法本身沒有限制設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)零件的幾何。但是，識(shí)別程序始于一開始而且沒有一個(gè)設(shè)計(jì)者的想法可以用來協(xié)助識(shí)別。設(shè)計(jì)的作用性信息不代表著特征數(shù)據(jù)，那樣就需要在識(shí)別程序啟動(dòng)后解釋一下。另外，在某些情況下存在不識(shí)別的結(jié)果。一個(gè)零件幾何的一部分可能會(huì)由于一些參數(shù)和特殊方法的限制而不被識(shí)別。一些不被識(shí)別的結(jié)果可以發(fā)生在不同的情況下。（1）設(shè)計(jì)的零件可能還沒有完成或者由于設(shè)計(jì)者的錯(cuò)誤而造成的零件的不正確。比如，一個(gè)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)一個(gè)槽指定了2個(gè)面，但是2個(gè)面不互相平行。那么如果特征識(shí)別方法搜索一個(gè)關(guān)于2個(gè)面平行的模式，那么槽就不會(huì)被識(shí)別。（2）也有可能存在不是預(yù)定義的特征，設(shè)計(jì)者可能給一個(gè)零件設(shè)計(jì)一個(gè)新的形狀，那么新的幾何將不會(huì)被特征識(shí)別方法所識(shí)別。（a）這種方法四個(gè)階段的所有流程 (b)整合模塊化和模塊化特征識(shí)別的模塊化建模方法的所有流程圖1 （3）該特征識(shí)別算法可能沒有完成，比如，特征識(shí)別方法的推理和搜索方法不包括所有可能的情況。在某些情況下，由于特征的相互作用引起的邊界變動(dòng)而出現(xiàn)了不識(shí)別的結(jié)果。特殊的幾何結(jié)構(gòu)可能沒有被定義而識(shí)別不了。如果有一個(gè)不識(shí)別的結(jié)果出現(xiàn)，那么一個(gè)恢復(fù)過程是必須的。另一方面，在傳統(tǒng)的基于特征設(shè)計(jì)的方法中，在創(chuàng)造一個(gè)新零件的過程中，特征就被包含在里面了。事先定義的特征是來自于一個(gè)圖書館并且操縱設(shè)計(jì)著一個(gè)零件?；谔卣鞯牧慵拿枋隹梢灾苯佑迷贑APP中。關(guān)于基于特征設(shè)計(jì)方法的回顧和討論可以在Chang、Shah、Roger和Shah中找到。在一個(gè)典型的基于特征的設(shè)計(jì)中，可以用到設(shè)計(jì)中的形狀被限制在個(gè)別的基本加工特征中。設(shè)計(jì)者可能必須得考慮不使用功能因素的加工觀點(diǎn)的幾何。然而，所有的形狀是用基本的加工特征創(chuàng)造出來的，盡管那些形狀可能經(jīng)常使用組或者完成了的模型。最近，Laakko、Mantyla和De Martino et al已經(jīng)在討論基于特征的設(shè)計(jì)和特征識(shí)別的綜合化。在上述方法中主要討論的主題是在基于特征設(shè)計(jì)的程序之后去識(shí)別和更新特征。目的是分開互動(dòng)特征和在基于特征設(shè)計(jì)的模型中保持一組有效設(shè)置的特征。Han 和 Requicha提出的方法是在固體模型和設(shè)計(jì)特征中識(shí)別特征運(yùn)用信息是否有用。主要思想是利用設(shè)計(jì)特征或人的干預(yù)來提示特征識(shí)別程序。本文提出了一種新的方法。第一個(gè)想法是加強(qiáng)提供給設(shè)計(jì)者的技術(shù)支持。這種方法是基于設(shè)計(jì)者對(duì)功能設(shè)計(jì)觀點(diǎn)中的功能模塊比較熟悉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。那樣對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)者來說在設(shè)計(jì)中使用功能模塊比使用個(gè)人加工特征要方便的多。從功能觀點(diǎn)來看，一個(gè)功能模塊在一個(gè)零件中起著一個(gè)獨(dú)特的作用。從加工觀點(diǎn)來看，一個(gè)功能模塊可以看做是一個(gè)包含一組基本的加工特征的復(fù)合特征。在這種情況下，復(fù)合特征經(jīng)常出現(xiàn)在設(shè)計(jì)中，這個(gè)特征可以被定義為一個(gè)協(xié)助設(shè)計(jì)程序的模塊。第二種想法是簡(jiǎn)化特征識(shí)別程序上的負(fù)荷。數(shù)據(jù)顯示對(duì)于一個(gè)固定的產(chǎn)品類型，例如電機(jī)軸，只限制了功能模塊的存在。每個(gè)功能模塊只限制了加工特征的存在。因此，特征識(shí)別方法可以簡(jiǎn)化為申請(qǐng)僅有的必須的特征識(shí)別和只在每個(gè)單一的模塊上搜索。在典型的特征搜索方法中，經(jīng)常嘗試去開發(fā)一個(gè)方法，這個(gè)可以方法盡可能復(fù)雜和完全的去識(shí)別盡可能多的特殊例子。在這種新方法中的想法是去取消執(zhí)行十分復(fù)雜的特征識(shí)別和搜索整個(gè)零件的必要性?；诿總€(gè)模塊的特征，只有必須的特征識(shí)別程序才會(huì)在每個(gè)模塊上執(zhí)行。因此，該設(shè)計(jì)采用增強(qiáng)模塊的設(shè)計(jì)理念，只識(shí)別每個(gè)模塊上的加工特征簡(jiǎn)化了特征識(shí)別。在這種方法中，四個(gè)階段中執(zhí)行了兩個(gè)階段。在第一個(gè)階段中分析了存在的零件。模塊創(chuàng)造階段和模塊特征識(shí)階段仍在運(yùn)行著。在應(yīng)用階段，新零件可以被創(chuàng)造出來。模塊階段的設(shè)計(jì)和CAPP的準(zhǔn)備階段也在運(yùn)行著。四個(gè)階段的流程圖顯示在圖a中，方法的整體流程顯示在圖b中。在下面的介紹中，四個(gè)階段都被討論了。在電機(jī)軸的設(shè)計(jì)和流程規(guī)劃環(huán)境上實(shí)施這個(gè)方法同樣也被討論了。最后，結(jié)論將在第7節(jié)中得出。圖2 使用范例A說明一個(gè)電機(jī)軸被分成五個(gè)功能環(huán)節(jié)2 模塊創(chuàng)建階段首先，零件的類型被分析了并且分解成幾個(gè)孤立的功能環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)執(zhí)行著不同的功能和在整個(gè)零件中扮演著一個(gè)獨(dú)特的角色。在每個(gè)功能環(huán)節(jié)，幾何形狀可能會(huì)變化。不同的幾何形狀可以執(zhí)行著相同的功能但是可能會(huì)隨著它們自身的詳細(xì)幾何形狀而變化。這些不同的幾何形狀被叫做功能環(huán)節(jié)的功能模塊。在這個(gè)階段，各種功能模塊都為了每個(gè)功能環(huán)節(jié)而創(chuàng)造出來。從另一個(gè)觀點(diǎn)來看，一個(gè)功能模塊可以看做是一個(gè)包含著一系列的基本加工特征的復(fù)合特征。每個(gè)功能環(huán)節(jié)為了確定它的幾何和加工特征而分析。圖3 設(shè)置五個(gè)環(huán)節(jié)的每個(gè)模塊裝置的部分舉個(gè)例子，一個(gè)電機(jī)的軸可以被劃分為5個(gè)功能環(huán)節(jié)。5個(gè)功能環(huán)節(jié)可以命名為LE環(huán)節(jié)、LB環(huán)節(jié)、C環(huán)節(jié)、FB環(huán)節(jié)和FE環(huán)節(jié)。電機(jī)軸的每個(gè)環(huán)節(jié)的詳細(xì)功能是很長的而且不會(huì)在這里討論。為了確保一個(gè)有用的表決，這次任務(wù)需要和設(shè)計(jì)者和制造商詳細(xì)的討論。在表決之后，每個(gè)環(huán)節(jié)在軸中執(zhí)行著一個(gè)獨(dú)特的角色但是可以結(jié)合在特殊考慮下的詳細(xì)幾何而設(shè)計(jì)不同角色。一個(gè)不同的幾何圖形為功能環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個(gè)可能性的功能模塊。用一個(gè)電機(jī)軸作為插圖，五個(gè)功能環(huán)節(jié)如圖2所示。設(shè)置五個(gè)環(huán)節(jié)的每個(gè)模塊裝置的部分如圖3所示?？偨Y(jié)這個(gè)階段的程序如下所示。（1）根據(jù)功能設(shè)計(jì)的概念把一個(gè)零件劃分為幾個(gè)功能環(huán)節(jié)。一個(gè)零件劃分成n個(gè)環(huán)節(jié)并且標(biāo)記為S1,S2,S3Sn。比如說，一個(gè)電機(jī)軸可以被劃分為5個(gè)環(huán)節(jié)標(biāo)記為LE,LB,C,FB和FE。（2）為每個(gè)功能環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)功能模塊。在每個(gè)環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)可能結(jié)合基于不同詳細(xì)考慮的不同的幾何形狀來設(shè)計(jì)。每個(gè)不同的設(shè)計(jì)就是每個(gè)環(huán)節(jié)的模塊。因此，對(duì)于每個(gè)Si環(huán)節(jié)，各種Mij模塊被創(chuàng)造出來。環(huán)節(jié)S1：模塊M11，M12環(huán)節(jié)S2：模塊M21，M22環(huán)節(jié)S3：模塊M31，M32環(huán)節(jié)Sn：模塊Mn1，Mn2作為圖3的插圖，在一個(gè)電機(jī)軸中，不同的模塊為每個(gè)環(huán)節(jié)創(chuàng)造出來。對(duì)于LE環(huán)節(jié)，模塊LE1,LE2,LE3LEn被創(chuàng)造出來了。對(duì)于LB環(huán)節(jié)，模塊LB1,LB2,LB3LEn被創(chuàng)造出來了。對(duì)于C環(huán)節(jié)，模塊C1,C2,C3Cn被創(chuàng)造出來了。數(shù)據(jù)顯示這種方法比較適合固定的產(chǎn)品類型。在實(shí)際情況中，每個(gè)環(huán)節(jié)的不同的模塊數(shù)可以被一組受限制的數(shù)字所控制。根據(jù)當(dāng)?shù)匾患译姍C(jī)制造公司的數(shù)據(jù)顯示。盡管電機(jī)的尺寸在5到150馬力之間變化，軸中一個(gè)環(huán)節(jié)中的不同模塊數(shù)目在20之內(nèi)。主要的原因是一個(gè)環(huán)節(jié)的主要功能被確定了，然后主要的形狀通常也就固定了。那樣，模塊形狀的變異可能只是在細(xì)節(jié)上了。自從負(fù)載側(cè)通常是以顧客為中心的，最大的數(shù)目經(jīng)常出現(xiàn)在LE環(huán)節(jié)上了。經(jīng)過對(duì)所有章節(jié)的所有模塊創(chuàng)建之后，所有的模塊都投入了下一階段的特征識(shí)別。3 模塊化特征識(shí)別階段在這個(gè)階段，一個(gè)特征識(shí)別的方法應(yīng)用在前一階段創(chuàng)建的每個(gè)模塊的邊界表示數(shù)據(jù)中。從加工的觀點(diǎn)來看，每個(gè)模塊是一個(gè)復(fù)合特征而且是對(duì)應(yīng)著一組加工特征。每個(gè)環(huán)節(jié)有它自身鮮明的特點(diǎn)。只有限制了存在于每個(gè)環(huán)節(jié)中的模塊的基本加工特征的類型。因此，特征識(shí)別方法可以簡(jiǎn)化為只采用必須的特征識(shí)別和在一個(gè)明確的環(huán)節(jié)中搜索。有一種方法使用邊緣鄰接圖去識(shí)別，區(qū)分2D加工特征呈現(xiàn)在下面。（1）一個(gè)模塊的2D邊界表示數(shù)據(jù)是從CAD系統(tǒng)中檢索出來的。2D的幾何數(shù)據(jù)用坐標(biāo)(x，z)表示用來輸入到識(shí)別方法中。由于零件是旋轉(zhuǎn)的而且零件的邊緣是對(duì)稱的，只有上半部分能輸入到程序中。（2）模塊的邊緣是從右到左變化的。模塊的邊緣被劃分為線性邊緣和圓弧邊緣。鄰接邊緣的鄰接關(guān)系就被確定了。邊緣可以被劃分為凸鄰接或凹鄰接。如果從外部測(cè)量的零件的邊緣之間的角度是小于180度，那么兩邊緣是凹鄰接，否則是凸鄰接。（3）模塊的邊緣可以用節(jié)點(diǎn)來表示，連接兩邊緣的直線可以用圖中的圓弧表示。（4）特征模式可以用邊緣鄰接圖稱作特征圖來表示。每個(gè)特征模式有一個(gè)獨(dú)特的特征圖。這個(gè)應(yīng)用的特征模式包括外徑（H）、面（E）、錐度（T）、倒角（M）、圓角的加強(qiáng)（R）、棱角角度的加強(qiáng)（P）、槽（U）、V型槽（V）。特征模式和特征圖如圖4所示。圖4 特征模式和特征圖附件2：外文原文（復(fù)印件）徐州工程學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期情況檢查表學(xué)院名稱： 機(jī)電工程學(xué)院 檢查日期： 年 月 日學(xué)生姓名張利民專業(yè)班級(jí)04機(jī)本（2）指導(dǎo)教師崔增柱設(shè)計(jì)（論文）題目頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作進(jìn)度情況是否符合任務(wù)書要求進(jìn)度能否按期完成任務(wù)工作態(tài)度情況(態(tài)度、紀(jì)律、出勤、主動(dòng)接受指導(dǎo)等)質(zhì)量評(píng)價(jià)(針對(duì)已完成的部分)存在問題和解決辦法檢查人簽字學(xué)院負(fù)責(zé)人簽字 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 機(jī)電工程 學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) The design of the Automatic Detecting System for Mandril 學(xué) 生 姓 名 張利民 班 級(jí) 04機(jī)本（2） 起 止 日 期 08.2.25至08.6.2 指 導(dǎo) 教 師 崔增柱 教研室主任 李志 發(fā)任務(wù)書日期 2008 年 2 月 25 日1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的背景：鋼管是一種用途廣泛的工業(yè)金屬材料，也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要支柱，隨著我國加入WTO，國內(nèi)市場(chǎng)和國際市場(chǎng)接軌，由于國內(nèi)鋼管行業(yè)的檢測(cè)精度低，效率不高，但是進(jìn)口的設(shè)備費(fèi)用費(fèi)用又過于昂貴，所以非常需要開發(fā)一套實(shí)用可靠的頂桿檢測(cè)系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。2.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的內(nèi)容和要求： 研究頂桿識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備的基本原理，了解各種識(shí)別檢測(cè)模式，根據(jù)具體的工作要求選擇相應(yīng)的識(shí)別模式，并以指定信息發(fā)出指令。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，了解頂桿識(shí)別系統(tǒng)的工作原理，了解機(jī)架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，用PLC指令控制機(jī)架的升降。3.主要參考文獻(xiàn)： 機(jī)械設(shè)計(jì)邱宣懷 機(jī)械工業(yè)出版社液壓與氣壓傳動(dòng)章宏甲 化學(xué)工業(yè)出版社PLC編程及應(yīng)用廖常初 機(jī)械工業(yè)出版社自動(dòng)檢測(cè)與傳感器技術(shù)趙巧娥 中國電力出版社畫法幾何及機(jī)械制圖范思沖 機(jī)械工業(yè)出版社4.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃(以周為單位)：起 止 日 期工 作 內(nèi) 容備 注第1，2周第3，4周第5，6周第7，8周第9，10周第11，12周第13，14周第15，16周結(jié)合課題背景，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，翻譯相應(yīng)外文資料了解頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的工作原理和各種識(shí)別方式根據(jù)具體工作要求，對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)機(jī)架，橫移，升降部分的設(shè)計(jì)PLC程序的設(shè)計(jì)，配電，氣動(dòng)回路圖的繪制基于前10周的研究，繪制總裝圖在總裝配圖的基礎(chǔ)上拆畫重要零件圖整理圖紙和資料，撰寫說明書準(zhǔn)備答辯教研室審查意見： 室主任 年 月 日學(xué)院審查意見： 教學(xué)院長 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)附本頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)THE DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECTING SYSTEM FOR MANDRIL 學(xué)生姓名張利民學(xué)院名稱機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師崔增柱2008年6月2日 徐州工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào) 告 課 題 名 稱： 頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) THE DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECTING SYSTEM FOR MANDRIL 學(xué) 生 姓 名： 張利民 學(xué)號(hào) 20040601209 指 導(dǎo) 教 師： 崔增柱 職稱： 工程師 所 在 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 徐州工程學(xué)院 2008 年 3 月 4 日 說 明 1根據(jù)徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)管理規(guī)定 ，學(xué)生必須 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 ，由指導(dǎo)教師簽署意見、教研室 審查，學(xué)院教學(xué)院長批準(zhǔn)后實(shí)施。 2開題報(bào)告是畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審 查的依據(jù)材料之一。學(xué)生應(yīng)當(dāng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成， 開題報(bào)告不合格者不得參加答辯。 3畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，逐條認(rèn)真填寫。其 中的文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來語要同時(shí)用原文和中 文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4本報(bào)告中，由學(xué)生本人撰寫的對(duì)課題和研究工作的分析及描 述，沒有經(jīng)過整理歸納，缺乏個(gè)人見解僅僅從網(wǎng)上下載材料拼湊而 成的開題報(bào)告按不合格論。 5. 課題類型填：工程設(shè)計(jì)類；理論研究類；應(yīng)用（實(shí)驗(yàn)）研究 類；軟件設(shè)計(jì)類；其它。 6、課題來源填：教師科研；社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐；教學(xué)；其它 課題 名稱 頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 課題來源 教師科研 課題類型 工程設(shè)計(jì)類 選題的背 景及意義 鋼管是一種用途廣泛的工業(yè)金屬材料，也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重 要支柱，隨著我國加入 WTO，國內(nèi)市場(chǎng)和國際市場(chǎng)接軌，由于國內(nèi)鋼管 行業(yè)的檢測(cè)精度低，效率不高，但是進(jìn)口的設(shè)備費(fèi)用又過于昂貴，所以 非常需要開發(fā)一套實(shí)用可靠的頂桿檢測(cè)系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。 研究內(nèi)容 與解決的 主要問題 研究頂桿識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備的基本原理，了解各種識(shí)別檢測(cè)模式，根據(jù) 具體的工作要求選擇相應(yīng)的識(shí)別模式，并以指定信息發(fā)出指令。 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，了解頂桿識(shí)別系統(tǒng)的工作原理，了解機(jī)架設(shè)計(jì)的要 點(diǎn)，用 PLC 指令控制機(jī)架的升降。 研究方法 技術(shù)路線 根據(jù)本課題的背景，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并翻譯相關(guān)外文翻譯，系統(tǒng) 了解國內(nèi)無縫鋼管的各生產(chǎn)流水線，以及各自的機(jī)架是如何設(shè)計(jì)，然后 再結(jié)合本系統(tǒng)中的工作要求對(duì)機(jī)械框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，把整個(gè)框架定下來之 后再針對(duì)設(shè)計(jì)要用到的重要零部件進(jìn)行選型，并對(duì)選擇過程做出說明再 參考國內(nèi)一些大型鋼廠的設(shè)計(jì)資料，圖紙，繪制裝配圖，部件圖，零件 圖。 研究的總 體安排和 進(jìn)度計(jì)劃 12 周結(jié)合課題背景，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，翻譯相應(yīng)外文資料 34 周了解頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的工作原理和各種識(shí)別方式 56 周根據(jù)具體工作要求，對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì) 78 周機(jī)架，橫移，升降部分的設(shè)計(jì) 910 周 PLC 程序的設(shè)計(jì)，配電，氣動(dòng)回路圖的繪制 1112 周基于前 10 周的研究，繪制總裝圖 1314 周在總裝配圖的基礎(chǔ)上拆畫重要零件圖 1516 周整理圖紙和資料，撰寫說明書，準(zhǔn)備答辯 主要參考 文獻(xiàn) 機(jī)械設(shè)計(jì) 邱宣懷 主編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 機(jī)械制圖機(jī)械工業(yè)出版社 PLC 編程及應(yīng)用 廖常初 機(jī)械工業(yè)出版社 液壓與氣壓傳動(dòng)章宏甲 化學(xué)工業(yè)出版社 自動(dòng)檢測(cè)與傳感器技術(shù)趙巧娥 中國電力出版社 指導(dǎo)教師 意 見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教研室意見 學(xué)院意見 教研室主任簽名： 年 月 日 教學(xué)院長簽名： 年 月 日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)閱表學(xué)院： 專業(yè)： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 題目： 評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)要素成績?cè)u(píng)定優(yōu)良中及格不及格工作態(tài)度工作態(tài)度認(rèn)真，按時(shí)出勤能按規(guī)定進(jìn)度完成設(shè)計(jì)任務(wù)選題質(zhì)量選題方向和范圍選題難易度選題理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值能力水平查閱和應(yīng)用文獻(xiàn)資料能力綜合運(yùn)用知識(shí)能力研究方法與手段實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐能力創(chuàng)新意識(shí)設(shè)計(jì)論文質(zhì)量內(nèi)容與寫作結(jié)構(gòu)與水平規(guī)范化程度成果與成效指導(dǎo)教師意見建議成績是否同意參加答辯評(píng)語：指導(dǎo)教師簽字：年 月 日徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯及綜合成績?cè)u(píng)定表學(xué) 院專業(yè)班級(jí)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)論文題 目答辯時(shí)間年 月 日 時(shí) 分至 時(shí) 分答辯地點(diǎn)答辯小組成 員姓名職稱答辯記錄提問人提問主要內(nèi)容學(xué)生回答摘要答辯記錄人簽字：答辯小組意見答辯評(píng)語：答辯成績 答辯小組組長簽字：綜合成績?cè)u(píng)定指導(dǎo)教師評(píng)定成績?cè)u(píng)閱教師評(píng)定成績答辯成績綜合評(píng)定成績答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱表學(xué)院： 專業(yè)： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 題目： 評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)要素成績?cè)u(píng)定優(yōu)良中及格不及格選題質(zhì)量選題方向和范圍選題難易度選題理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值能力水平查閱和應(yīng)用文獻(xiàn)資料能力綜合運(yùn)用知識(shí)能力研究方法與手段實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐能力創(chuàng)新意識(shí)設(shè)計(jì)論文質(zhì)量內(nèi)容與寫作結(jié)構(gòu)與水平規(guī)范化程度成果與成效評(píng)閱教師意見建議成績是否同意參加答辯評(píng)語：評(píng)閱教師簽字：年 月 日?qǐng)D書分類號(hào)：密 級(jí)：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)THE DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECTING SYSTEM FOR MANDRIL學(xué)生姓名張利民學(xué)院名稱機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師崔增柱2008年06月2日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期： 年 月 日徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要在鋼管生產(chǎn)過程中，需要實(shí)時(shí)了解每根頂桿的長度、外徑、使用次數(shù)等信息。本論文介紹了通過在頂桿尾部開槽的方式，實(shí)現(xiàn)頂桿的識(shí)別與信息跟蹤，基于 PLC的控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的檢測(cè)原理，系統(tǒng)構(gòu)成及軟件程序。本課題主要研究工作：第一章綜合敘述了鋼管的工藝生產(chǎn)流程及API國際標(biāo)準(zhǔn)；說明了國內(nèi)頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀及存在的問題并闡述了頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的工作原理及流程；陳述了課題的來源和論文的主要工作和意義。第二章提出了系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)要求；根據(jù)鋼管的具體參數(shù)和工作要求對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的整個(gè)機(jī)架部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。第三章主要是對(duì)組成機(jī)架所需要的主要機(jī)械零部件（氣缸和滾珠絲杠副）進(jìn)行選型，并對(duì)選擇過程做出相應(yīng)說明，以及這些零部件相關(guān)的力學(xué)和強(qiáng)度校核計(jì)算。第四章簡(jiǎn)述了PLC編程的方式和S7 400的組成；提出了PLC程序的測(cè)試策略；介紹了傳感器的選型，信號(hào)轉(zhuǎn)換和安裝。第五章總結(jié)了頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)開發(fā)過程所做的工作，并對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞 ：頂桿；檢測(cè)；機(jī)架；氣缸；傳感器；PLC AbstractIn 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.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 PLCII徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目 錄1 緒論111引言212背景及原理介紹313檢測(cè)系統(tǒng)的組成514系統(tǒng)開發(fā)的必要性915論文的主要工作和意義102 頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)1121頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求1122頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)113 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)1631氣缸部分163.1.1氣缸和閥的選型163.1.2氣缸的力學(xué)計(jì)算及校核163.1.3氣缸的圖形及說明183.1.4系統(tǒng)的氣動(dòng)回路1932導(dǎo)軌部分203.2.1滾珠絲杠副的選型203.2.2滾珠絲杠副的力學(xué)計(jì)算203.2.3滾珠絲杠的圖形及說明2233本章小結(jié)234 電氣部分的設(shè)計(jì)2441系統(tǒng)的配電圖及說明2442傳感器的選擇，安裝及數(shù)據(jù)處理2443 PLC的組成及編程2744 S7-400編程方式2945本章小結(jié)31結(jié)論32致謝34參考文獻(xiàn)351 緒論11引言鋼管廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、建筑和石化等行業(yè)，又是國防工業(yè)的重要材料，用于制造槍管、炮筒以及其他武器。 鋼管的生產(chǎn)工藝種類繁多，生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)備也很龐大，以 163機(jī)組為例，熱軋鋼管生產(chǎn)流程如圖11所示。圖11熱軋鋼管生產(chǎn)流程按照工藝流程，管坯進(jìn)入車間后按照工藝要求鋸成定尺長度，然后依次經(jīng)過環(huán)形爐加熱、三輥穿孔機(jī)穿孔、連軋機(jī)軋鋼、定徑機(jī)定徑。加工成的鋼管需要減徑的再加熱后送至減徑機(jī)上減徑。從定徑或減徑機(jī)軋出的成品管，送至鏈?zhǔn)嚼浯采侠鋮s，冷卻后鋸成定尺長度的鋼管（有的需要熱處理)輸送到斜輥式矯直機(jī)上矯直，矯直后依次經(jīng)過超聲波探傷，水壓機(jī)試驗(yàn)，隨后進(jìn)行其他各項(xiàng)精整工序。精整后的成品管經(jīng)過感應(yīng)加熱爐后進(jìn)行涂油打捆入庫。 根據(jù) GB2102-88 規(guī)定，外徑不小于 36mm 的鋼管應(yīng)在每根鋼管一端的端部有噴印、滾印、鋼印或粘貼印記。印記應(yīng)清晰明顯，不易脫落。印記內(nèi)容應(yīng)包括鋼的牌號(hào)、產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品標(biāo)號(hào)和供方印記或注冊(cè)商標(biāo)。具體不同類型的管子有不同的印記內(nèi)容。 隨著我國加入 WTO，國內(nèi)市場(chǎng)和國際市場(chǎng)的接軌，鋼管市場(chǎng)同樣面臨一系列的問題。國內(nèi)鋼管進(jìn)入國際市場(chǎng)，必須遵守國際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。比如無縫鋼管要遵守國際標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5CT（見表一所示）。 過去，大部分的鋼管廠家采用人工的方式進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)記。人工測(cè)定鋼管的長度和重量，并把相關(guān)的內(nèi)容根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，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，有的用刷模的方式，字跡相對(duì)工整。這種做法沿用了很長一段時(shí)間，部分廠家目前仍在使用。很明顯，這些方法存在測(cè)量精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、字跡不清楚等缺點(diǎn)。表11為國際標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)摘錄：表11國際標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)摘錄GB/T 8162 尺寸偏差從上個(gè)世紀(jì) 90 年代開始，國內(nèi)一些大型的鋼鐵公司的產(chǎn)品為了參與國際競(jìng)爭(zhēng)，耗巨資引進(jìn)國外的整條流水線。這些進(jìn)口的設(shè)備測(cè)量精度高、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、字跡統(tǒng)一規(guī)范。但是進(jìn)口設(shè)備成本高、要求工人素質(zhì)高、維護(hù)成本也高。落后的傳統(tǒng)方法與高成本的進(jìn)口設(shè)備都難適應(yīng)國內(nèi)的市場(chǎng)需求。因此，開發(fā)研制同類產(chǎn)品已經(jīng)迫在眉睫。12背景及原理介紹擴(kuò)管是指經(jīng)穿孔機(jī)穿孔后的荒管加熱以后在軋機(jī)的兩個(gè)錐形輥的作用下，沿頂桿高速旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，把管徑擴(kuò)大的過程。擴(kuò)管過程中頂桿的定位精度要求很高，每根頂桿在軋制之前必須調(diào)整到恰當(dāng)?shù)奈恢?，才能在軋制過程中避免前卡、中卡、后卡等現(xiàn)象的發(fā)生。為此每根頂桿需要事先編號(hào)，把頂桿長度、外徑等參數(shù)保存到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。每次軋制前檢測(cè)裝置通過檢測(cè)獲取編號(hào)，并上傳給上位機(jī)，上位機(jī)依據(jù)編號(hào)從數(shù)據(jù)庫中讀取參數(shù)進(jìn)行處理，然后把最終處理完成的數(shù)據(jù)發(fā)送給 PLC，PLC根據(jù)此數(shù)據(jù)調(diào)整頂桿的位置。目前識(shí)別、輸入編碼的方式有 3種：人工識(shí)別和輸入的方式、一維條形碼識(shí)別方式、二維編碼識(shí)別方式。但是這 3種檢測(cè)方式并不適合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求 ，原因如下： （1）現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，所以要求系統(tǒng)在無人干涉下能自動(dòng)完成檢測(cè)。（2） 頂桿工作在高溫狀態(tài)下，軋制過程中頂桿的表面溫度可能達(dá)高達(dá) 800，即使經(jīng)過冷卻裝置冷卻后其表面殘留的余溫也在 100以上。一維條形編碼檢測(cè)需要用到的涂料在如此高溫下很容易脫落，所以用傳統(tǒng)的一維條形編碼方式并不合適。（3） 頂桿是圓柱形的物件，不容易在上面打上二維碼。況且二維碼編碼區(qū)域很小，即使打上了二維碼，檢測(cè)時(shí)定位也很困難，所以用檢測(cè)二維碼的方式也不合適。（4） 頂桿在運(yùn)行過程中經(jīng)常滾動(dòng)，頻繁跟其他設(shè)備碰撞，一般的編碼方式其編碼表面很容易磨損,造成檢測(cè)的失敗。因此，研發(fā)適合現(xiàn)場(chǎng)工作條件的頂桿檢測(cè)裝置十分必要。我們從實(shí)際出發(fā)，參照相關(guān)的檢測(cè)方式，設(shè)計(jì)了一套符合現(xiàn)場(chǎng)要求的頂桿檢測(cè)系統(tǒng)。頂桿檢測(cè)裝置必須滿足以下功能要求:能在高溫下工作，能檢測(cè)不同管徑的頂桿，能克服因?yàn)轫敆U磨損而造成的誤差。為此，采用了在頂桿尾部開槽的方式。具體原理如下：每個(gè)十進(jìn)制的數(shù)都可以轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)來表示。例如 33可以表示為 100001 B,而二進(jìn)制數(shù)又可以通過實(shí)際的開關(guān)量來表示，100001 B就可以用6個(gè)傳感器的狀態(tài)來表示，這樣任何一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)都可以通過傳感器的狀態(tài)來表示。在頂桿檢測(cè)的過程中，傳感器感應(yīng)不到頂桿開槽的部分，則這個(gè)傳感器的狀態(tài)就是 0；傳感器能感應(yīng)到開槽的部分，則傳感器的狀態(tài)就為 1。這樣通過傳感器檢測(cè)頂桿尾部開的槽的狀態(tài)就可以獲取頂桿編號(hào)，達(dá)到檢測(cè)的目的。系統(tǒng)的檢測(cè)原理圖 ,如圖 1所示。每根頂桿的尾部刻槽 ,槽的寬度是傳感器陣列 （6 6傳感器陣列）中每單元傳感器的寬度。傳感器選用歐姆龍公司方型NL系列接近傳感器，傳感器陣列分為 6組，安裝在樹脂制造的安裝架內(nèi)，分別用來檢測(cè) A、B、C、D、E、F 6道槽的狀態(tài)。每組有 6個(gè)傳感器并聯(lián)，以提高工作的可靠性，這 6個(gè)傳感器中只要有一個(gè)感應(yīng)到，則這組傳感器狀態(tài)為1。以圖12為例，傳感器的狀態(tài)為：A =0, B =1, C =0, D =1, E =0，F(xiàn)=1。以上的數(shù)字轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制就等于 21（010101B）。那么此頂桿就是第二十一號(hào)頂桿。 圖12檢測(cè)正視圖13檢測(cè)系統(tǒng)的組成頂桿檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖14所示，系統(tǒng)包括檢測(cè)頭、檢測(cè)頭對(duì)齊擋板、支撐板、升降氣缸、機(jī)身、對(duì)齊氣缸、頂桿對(duì)齊板、頂桿編碼部分、頂桿到位檢測(cè)傳感器、頂桿等 10個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程可以分為 5個(gè)步驟：（1） 傳感器檢測(cè)頂桿是否到位。（2） 對(duì)齊氣缸推出。頂桿到位后，氣缸先把頂桿推到檢測(cè)的位置。氣缸裝有前位傳感器，PLC輸出電磁閥控制信號(hào)后延時(shí) 2s后若還沒檢測(cè)到前位傳感器信號(hào)，說明氣壓系統(tǒng)存在故障，PLC輸出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)并在上位機(jī)上顯示報(bào)警信息，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)情況做出相應(yīng)處理。（3） 氣缸下降，對(duì)齊氣缸后退。氣缸向前推到位后（前位傳感器觸發(fā)），升降氣缸下降，同時(shí)氣缸后退。因?yàn)轫敆U的直徑變換范圍很大 （32mm256mm），所以相應(yīng)的氣缸升降距離也不一樣，所以無法安裝氣缸下位傳感器，只有程序上通過延時(shí)來設(shè)定。氣缸后退的控制跟前進(jìn)過程的控制一樣，采用后位傳感器來檢測(cè)是否到位。下圖可以直觀的看出系統(tǒng)是怎樣工作的，該圖的視角為正對(duì)橫梁前端，由圖可知?dú)飧缀蜐L珠絲杠副并沒有安裝于同一平面內(nèi)，所以設(shè)計(jì)安裝時(shí)該考慮到兩平面之間的平行度問題，由于檢測(cè)頭下方的傳感器是66方形陣列，所以鋼管的放置方向?qū)z測(cè)沒有任何影響。氣缸還安裝了附件（前法蘭），這樣氣缸緩沖裝置可以得到定位，檢測(cè)頭上方的平板通過Y型銷桿連接器和氣缸連接在一起，此外系統(tǒng)還在連接板上安裝了一對(duì)可調(diào)節(jié)撐腳（實(shí)際上就是一對(duì)可調(diào)螺栓螺母）這樣可以保護(hù)檢測(cè)頭不受損。當(dāng)電源接通后，PLC發(fā)出指令通過控制電磁閥來控制兩個(gè)氣缸的運(yùn)行，當(dāng)水平和豎直方向上的位置都滿足檢測(cè)要求后，系統(tǒng)開始正常工作。 圖14為系統(tǒng)的工作圖，對(duì)齊氣缸安裝位置和V架同一高度，它通過連接在活塞桿上的推板推動(dòng)鋼管以達(dá)到對(duì)齊的作用，機(jī)架立柱旁邊是控制柜，系統(tǒng)中所用到的電，氣，液總導(dǎo)管均從這里引出。由于視角的原因，調(diào)節(jié)豎直方向上距離的手柄在圖14中看不到，圖13為整個(gè)系統(tǒng)機(jī)架的俯視圖，該圖可以清楚的看出手柄的安裝位置。圖13 機(jī)架俯視圖（4）檢測(cè)頭檢測(cè)。檢測(cè)頭到位即是檢測(cè)頭對(duì)齊擋板和頂桿對(duì)齊擋板緊靠在一起，其目的是為了讓檢測(cè)傳感器和頂桿上的槽相互對(duì)齊，這樣傳感器處于最佳工作位置。然后PLC讀取傳感器陣列的狀態(tài)，并根據(jù)傳感器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換化為十進(jìn)制數(shù)值傳給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)此數(shù)值從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)、處理完數(shù)據(jù)后，上位機(jī)發(fā)給 PLC一個(gè)檢測(cè)成功的信號(hào)，PLC就開始運(yùn)行下步動(dòng)作。如果上位機(jī)用 PLC上傳的編碼不能從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，上位機(jī)會(huì)在監(jiān)控界面中報(bào)錯(cuò)，同時(shí)通知 PLC重新檢測(cè)一次。本系統(tǒng)的原理就是根據(jù)PLC接受到現(xiàn)場(chǎng)的信息然后對(duì)頂桿的位置做出實(shí)時(shí)調(diào)整，由于鋼管間直徑相差較大，因此頂桿的規(guī)格也會(huì)相差較大，而本系統(tǒng)精度要求較高，所以PLC現(xiàn)場(chǎng)對(duì)頂桿做出的調(diào)整很重要。圖14系統(tǒng)工作外形圖（5） 氣缸上升。檢測(cè)成功后，氣缸上升，直到上位傳感器信號(hào)觸發(fā)停止，如果2s內(nèi)氣缸沒有上升到指定位置，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，PLC會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況做出調(diào)整。直到頂桿檢測(cè)完成。圖15是系統(tǒng)的PLC流程圖。該圖考慮到每個(gè)工作流程可能發(fā)生的狀況，并對(duì)可能發(fā)生的意外狀況進(jìn)行處理，能直觀的反映系統(tǒng)工作的全部流程。在本論文在第四章將說明現(xiàn)場(chǎng)的模擬信息是如何從傳感器傳出并被PLC識(shí)別的，系統(tǒng)中的所有用電部分經(jīng)過統(tǒng)計(jì)后，給出輸入，輸出端子圖。圖15 PLC流程圖頂桿檢測(cè)頭是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的部件，其作用為：檢測(cè)頭是一個(gè) 6 6的傳感器陣列，固定在一塊安裝板上，安裝板通過安裝底板和整個(gè)檢測(cè)頭連為一體。平時(shí)生產(chǎn)的時(shí)候 ,有一副傳感器組作為備用，當(dāng)正在使用的傳感器發(fā)生故障時(shí)，只需要把安裝板拆下，換上備用傳感器組就行，保證生產(chǎn)節(jié)奏不受影響。圖 16是頂桿檢測(cè)的正視圖。如圖所示，不同直徑的頂桿，傳感器在 X軸的位置上存在著偏差。設(shè)臺(tái)架的角度為，臺(tái)架與水平面的夾角為，小圓C1的半徑為 r，大圓 C2 的半徑為 R， C1 與 C2在 X方向上的偏差為X。則存在以下關(guān)系，見式（1.1）： 式（1.1）由圖16可知，檢測(cè)頭在 X方向上的變化范圍為X，只有系統(tǒng)的傳感器 X方向檢測(cè)距離才能保證檢測(cè)成功?，F(xiàn)場(chǎng)頂桿的直徑變化范圍為 32 mm 246 mm， 為60, 為 10。把數(shù)據(jù)代入上式可得=84.5mm。圖16 檢測(cè)正視圖所以，只要84.5mm 就能滿足檢測(cè)要求。傳感器選用歐姆龍 NL系列方型傳感器， 其截面為40mm 43mm,為探針接觸式檢測(cè)。因?yàn)?43mm，所以，如果在 X方向只安裝一個(gè)傳感器，顯然不能滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要。按理論要求只要在 X方向裝 3個(gè)傳感器就能滿足需求，但考慮機(jī)械設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝的方便，所以，在 X軸上安裝了 6個(gè)傳感器。14系統(tǒng)開發(fā)的必要性現(xiàn)在國內(nèi)有近百家鋼管生產(chǎn)廠家，除了幾家最大型的鋼管公司具備雄厚的資金實(shí)力，能從國外引進(jìn)專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備，其他企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備都很落后。有一些公司自己組織技術(shù)力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)也研制出了一些產(chǎn)品，能在一定的程度上解決問題，但產(chǎn)品大體上存在以下一些問題： （1） 設(shè)備大都只能完成單一的任務(wù)，不能在自動(dòng)生產(chǎn)線上和其他設(shè)備一起工作，使得生產(chǎn)效率依然低下，不能從根本上解決問題。 （2） 產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)水平還停留在二十世紀(jì)八十年代的水平。由于這些產(chǎn)品大多是工廠自己組織力量開發(fā)研制的，技術(shù)水平達(dá)不到國外的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)；開發(fā)設(shè)備的精度低、可靠性差。 （3） 產(chǎn)品的穩(wěn)定性不夠。由于這些產(chǎn)品的主要控制部件采用了單片機(jī)控制，在鋼管生產(chǎn)的惡劣環(huán)境中，各種干擾使得系統(tǒng)的故障率極高。 （4） 產(chǎn)品缺乏擴(kuò)展性。易擴(kuò)展性已成為現(xiàn)代產(chǎn)品的特征，缺乏擴(kuò)展性的產(chǎn)品將阻礙自動(dòng)化的發(fā)展。 （5） 滿足不了企業(yè)日益增長的企業(yè)管理功能。ERP、PDM實(shí)現(xiàn)程度已經(jīng)成為企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。企業(yè)的質(zhì)量管理已經(jīng)成為現(xiàn)代制造企業(yè)的管理核心。每根鋼管都有一系列的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在鋼管的整個(gè)生命周期里都很重要。過去自行開發(fā)的系統(tǒng)只考慮到在生產(chǎn)中的功能，而忽略了在管理中的功能15論文的主要工作和意義本系統(tǒng)涉及到多學(xué)科，多專業(yè)，是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)一體化的產(chǎn)品。本論文在老師的指導(dǎo)下主要完成以下工作： 1、通過對(duì)頂桿檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀的分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。 具體為機(jī)械組成框架部分的設(shè)計(jì)。2、根據(jù)總體方案進(jìn)行重要零部件選型，并做出說明和必要的力學(xué)計(jì)算。 3、通過對(duì)系統(tǒng)工作原理和PLC的研究，進(jìn)行了PLC流程設(shè)計(jì)，給出其接線圖。 4、將人機(jī)工程學(xué)運(yùn)用到系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的研制成功填補(bǔ)了國內(nèi)檢測(cè)行業(yè)空白，其檢測(cè)精度和標(biāo)識(shí)效果達(dá)到同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。2 頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)21頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下： （1）工作范圍 鋼管外徑：48（32）246mm；鋼管重量：20Kg1000Kg；鋼管長度：6m15m； （2）工作環(huán)境要求 系統(tǒng)能在惡劣的環(huán)境下工作，使用壽命長；（3）氣缸速度要求 氣缸在下降的時(shí)候2s到達(dá)指定位置，上升時(shí)1s回到起始位置，對(duì)齊氣缸2s推到工作位置；（4）自動(dòng)化要求 具有自動(dòng)報(bào)警功能，急停，自鎖功能，半自動(dòng)、手動(dòng)功能；動(dòng)態(tài)顯示鋼管參數(shù)；。（5）效率和速度要求 系統(tǒng)要求過管速度為278根/h，每12s過一根管。22頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)在對(duì)頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行總體分析再結(jié)合具體的工作要求后給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)總示意圖如下，圖21只是設(shè)計(jì)開始的構(gòu)思，只為示意。圖21外形示意圖（1） V型臺(tái)架 V型臺(tái)架用來放置鋼管，由于鋼管長度為6m15m，所以僅靠一個(gè)臺(tái)架顯然不行，本系統(tǒng)中在地面上放置了5個(gè)臺(tái)架，這樣可以根據(jù)鋼管的長短來調(diào)整鋼管的放置，5個(gè)臺(tái)架按一定距離安放，高度要統(tǒng)一，確保鋼管受力均勻，在臺(tái)架上帶有尼龍墊。尼龍墊起到兩方面作用：一是用來保護(hù)鋼管的表面在被推動(dòng)的過程中不被臺(tái)架劃傷；另一方面是用來增大鋼管與臺(tái)架之間的摩擦系數(shù)，增大兩者之間的摩擦力，增強(qiáng)鋼管在被推動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。這里還涉及到“V”槽夾角大小問題，如果夾角太小那鋼管的重心就會(huì)上移，這樣鋼管就容易滾動(dòng)，不利于傳感器的識(shí)別，但是夾角過大承載面就會(huì)趨于水平，這樣鋼管也容易滾動(dòng)，也不利于傳感器的識(shí)別，所以夾角一般選擇120140為了便于計(jì)算（這里選擇120）。臺(tái)架的具體設(shè)計(jì)思想為一“V”型板和兩個(gè)夾板通過兩個(gè)螺栓螺母組連接在一起，再通過兩個(gè)加強(qiáng)肋和底板焊接在一起，整個(gè)臺(tái)架采用螺栓和螺母與一承載機(jī)構(gòu)聯(lián)接，承載機(jī)構(gòu)的具體高度由具體工作要求決定，在承載臺(tái)上安裝的V架也可以設(shè)計(jì)成多排，本系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思想如圖22所示。圖22 臺(tái)架設(shè)計(jì)（2）機(jī)架，橫梁和立柱 本系統(tǒng)中橫梁的材料為35號(hào)鋼，機(jī)架，立柱和底板的材料都為為Q235鋼（有一定強(qiáng)度，良好的鑄造性和韌性，焊接性好），橫梁和立柱都選用冷拔無縫方形鋼管，這樣便于在橫梁內(nèi)部安裝滾珠絲杠傳動(dòng)副，立柱先和一橫板焊接之后再與橫梁間通過3個(gè)螺栓，墊片螺母組連接，然后再和一加強(qiáng)肋板焊接緊固，立柱和底板通過6個(gè)螺栓螺母組連接，另外還加有四個(gè)加強(qiáng)肋板，恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置肋板有利于提高機(jī)架的剛度、強(qiáng)度，減小機(jī)架的重量。設(shè)置肋板使壁厚減小，對(duì)于焊接機(jī)架，設(shè)置肋板使焊件比較薄，有利于保證焊接質(zhì)量。在橫梁內(nèi)部有一套滾珠絲杠副通過一塊襯板安裝在一“凹”形滑臺(tái)上，由于絲杠的尾部沒有開螺紋，所以可以連接一個(gè)手動(dòng)搖柄裝置，因?yàn)闈L珠絲杠副可以將螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這樣整個(gè)橫移機(jī)構(gòu)就可以通過手動(dòng)控制橫梁尾部的搖柄而在橫梁上水平移動(dòng)，因?yàn)闈L珠絲杠副不能自鎖，所以在橫梁上安裝了壓緊裝置，通過壓緊壓板來限制滑板的移動(dòng)。（3）橫移機(jī)構(gòu) 橫移機(jī)構(gòu)的具體構(gòu)造為一升降氣缸和一對(duì)滾珠絲杠聯(lián)接裝置，在氣缸的活塞桿上安裝了氣缸附件（Y型帶銷連接桿），該附件和一連接板用螺栓連接在一起，平板的下方就聯(lián)接了檢測(cè)頭部分。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中鋼管規(guī)格為 48mm246mm即鋼管間直徑相差198mm，系統(tǒng)將氣缸部分和滾珠絲杠副連為一體，這樣鉛直方向上可以解決因氣缸行程不足而有一段距離無法達(dá)到的問題，在滾珠絲杠副后側(cè)還安裝了一個(gè)控制豎直方向的手柄裝置，他通過一對(duì)嚙合的錐齒輪傳動(dòng)改變旋轉(zhuǎn)方向，再通過滾珠絲杠副的螺旋運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)豎直方向的升降，在基準(zhǔn)面即水平面上配置有一承載水泥臺(tái)，設(shè)其高為200 mm，整個(gè)橫梁和機(jī)架和底板用地腳螺栓連接在水泥臺(tái)上，氣缸的行程為500 mm，整個(gè)V形臺(tái)架高為1500mm, 絲杠螺紋長度為300 mm，那么整個(gè)橫梁的高度就得大于H H=500+1500+300 mm。取整為2300 mm，圖24為橫移機(jī)構(gòu)剖視圖：圖23橫移機(jī)構(gòu)剖視圖（3） 氣缸及氣路 因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中無論豎直方向上的升降還是水平方向上的對(duì)齊，都需要由一個(gè)機(jī)構(gòu)來提供動(dòng)力，參考國內(nèi)大型鋼廠的鋼管生產(chǎn)線可知，很多設(shè)計(jì)在這一環(huán)節(jié)采用氣缸裝置，故氣缸的設(shè)計(jì)為本論文機(jī)械部分的重點(diǎn)，氣缸的型號(hào)主要根據(jù)所需的移動(dòng)距離和推力來確定。因?yàn)镕ESTO公司生產(chǎn)的氣缸結(jié)構(gòu)比其他廠家節(jié)省空間，附帶可調(diào)緩沖裝置，附件范圍廣（附8個(gè)連接螺栓，8個(gè)圓片和螺母，一個(gè)法蘭，內(nèi)六角螺釘?shù)龋┒腋咨w上有溝槽使傳感器不突出表面，光滑，密封表面保護(hù)傳感器電纜，防止灰塵進(jìn)入。所以本系統(tǒng)選用FESTO 氣動(dòng)元件系列的DNC-40-500-PPV型氣缸作為氣路的執(zhí)行元件，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)對(duì)精度要求很高，所以該氣缸上的緩沖裝置可以在氣缸快速升降的時(shí)候消除慣性力和運(yùn)動(dòng)殘余能量，分析氣缸的運(yùn)動(dòng)要求后選用FESTO系列 MN1H ISO5599-1型的三位五通換向閥作為氣路的主要控制元件，當(dāng)閥作用在左工作位時(shí)，推桿回縮即氣缸上升，當(dāng)作用在右位時(shí)，推桿伸出，當(dāng)閥作用在中位時(shí)，五口全封閉，液壓泵不卸荷，氣缸閉鎖，這樣，若系統(tǒng)出現(xiàn)異常，使閥作用在中位，推桿能立即停止運(yùn)動(dòng)。 對(duì)齊氣缸的型號(hào)為FESTO 系列 DNC-40-800-PPV，與FESTO系列 JMFH ISO5599-1型二位五通閥相連，當(dāng)閥處于左位時(shí)，活塞推出，右位時(shí)活塞縮回。兩個(gè)氣缸并聯(lián)，由PLC一齊控制。由于氣缸是安裝在一個(gè)移動(dòng)支架上面，該支架又通過槽鋼和兩個(gè)滾動(dòng)導(dǎo)軌副接在一起，當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠螺母就會(huì)升降，由于螺母通過螺母座和支架連接在一起，這樣整個(gè)升降機(jī)構(gòu)就可以上下升降（氣缸和滾珠絲杠副不在同一水平面，所以安裝時(shí)要特別注意兩平面之間的平行度問題）。（4）手柄 因?yàn)槭謩?dòng)控制是系統(tǒng)的一個(gè)重要工作方式，每當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警或是運(yùn)行不暢的時(shí)候都需要由手動(dòng)來調(diào)節(jié)，所以不論是在水平方向還是在豎直方向上都需要安裝一個(gè)手柄裝置，在手柄裝置里面主要由一對(duì)嚙合的錐齒輪（齒輪和傳動(dòng)軸之間用鍵連接）來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向上的變化，再通過滾珠絲杠副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)為精密檢測(cè)系統(tǒng)，所以當(dāng)系統(tǒng)在工作中必須要能自鎖，由于滾珠絲杠副不能自鎖，這里在手輪上加上一個(gè)壓緊裝置，當(dāng)此壓緊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)安裝在傳動(dòng)軸上的斜楔機(jī)構(gòu)因?yàn)槁菁y配合就會(huì)向右擠，而右邊的間隙又是固定的，當(dāng)整個(gè)斜楔被擠到極限位置時(shí)，手輪就無法轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)豎直方向上的自鎖，當(dāng)這個(gè)調(diào)節(jié)裝置手柄搖動(dòng)時(shí)，整個(gè)檢測(cè)裝置就會(huì)上下升降，下圖中小錐齒輪的分度圓直徑，大錐齒輪的分度圓直徑（兩錐齒輪的選型設(shè)計(jì)過程略），因?yàn)閮慑F齒輪的傳動(dòng)比等于它們分度圓直徑的反比，所以兩齒輪的傳動(dòng)比為/ =63.2/42.8=3/2,所以當(dāng)手輪轉(zhuǎn)過一圈時(shí)絲杠就會(huì)轉(zhuǎn)2/3圈，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中絲杠的螺距為6mm，所以此時(shí)絲杠螺母上升的距離為=4mm，鋼管間直徑相差198 mm，手輪大概需要轉(zhuǎn)50轉(zhuǎn)，查手冊(cè)得人手搖的速度為100，所以鋼管管徑的差值通過手搖30s就可以解決，手動(dòng)裝置具體的構(gòu)造如圖25，該圖為手動(dòng)裝置的剖視圖。圖25手動(dòng)裝置剖視圖（5） 檢測(cè)頭部分 頂桿檢測(cè)頭是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的部件，其作用為：檢測(cè)頭是一個(gè) 66的傳感器陣列，固定在一塊安裝模架上，該安裝模架為根據(jù)傳感器安裝的具體數(shù)據(jù)用樹脂澆注而成，安裝模架和連接板用4個(gè)M820的螺栓連接，由于氣缸的活塞桿長度有限，為了將升降氣缸和整個(gè)檢測(cè)頭連為一體，采用在活塞桿上安裝附件，該附件為Y型帶銷連接桿，通過此裝置將檢測(cè)機(jī)構(gòu)連接到氣缸上。當(dāng)系統(tǒng)正常工作的時(shí)候，有一副傳感器組作為備用，如果正在使用的傳感器發(fā)生故障時(shí)，只需要把安裝板拆下，換上備用傳感器組就行，保證生產(chǎn)節(jié)奏不受影響。圖2-6 Y型帶銷連桿3 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)31氣缸部分3.1.1氣缸和閥的選型考慮到在這個(gè)系統(tǒng)中無論氣缸上升還是下降都是工作的一部分，所以采用雙作用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，初步估計(jì)傳感器頭部分（傳感器陣列以及一些固定夾緊裝置）總質(zhì)量為 m (m100Kg) 而氣缸行程為500 mm ，因?yàn)橄到y(tǒng)要求氣缸2s下降到起始位置，1s上升到工作位置，所以氣缸下降與上升的速度分別為V1=250 mms ，V2=500 mms，氣缸要在2s時(shí)間內(nèi)壓縮空氣趨動(dòng)質(zhì)量為m的裝置運(yùn)行 500mm距離，即 F=PS G 計(jì)算得 D35 mm 故采用缸徑為 40 mm 肯定能滿足工作要求。參考FESTO氣缸系列，選取標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號(hào)為DNC-40-500-PPV-A，氣缸在工作時(shí)要實(shí)現(xiàn)上升，下降，停止控制功能，所以系統(tǒng)還需要一個(gè)氣動(dòng)控制元件，這里選取FESTO MN1H ISO5599-1型號(hào)的三位五通電磁閥，當(dāng)閥處于中位時(shí)氣缸不工作，這一位置就為氣缸的原點(diǎn)，當(dāng)左邊的線圈得電時(shí)，閥處于左工作位時(shí)氣缸上升，右工作位下降。在頂桿右側(cè)還安裝有一個(gè)對(duì)齊氣缸，如果傳感器陣列和頂桿編碼部分有水平距離，對(duì)齊氣缸就會(huì)將頂桿推到應(yīng)有的位置。對(duì)齊氣缸與159 687MN1H5/2DFRC型二位五通閥相連，當(dāng)閥處于左位時(shí)，活塞推出，右位時(shí)活塞縮回。3.1.2氣缸的力學(xué)計(jì)算及校核選好氣缸型號(hào)后還要確定氣缸安裝所需要的零件，附件如法蘭，螺栓，耳軸，腳架等，這里主要為氣缸端蓋上面的螺栓，本設(shè)計(jì)采用M8的GB5780-86 ， 為35 80螺栓，氣缸工作壓力為1MPa，下面對(duì)它進(jìn)行強(qiáng)度校核：彈簧墊片被聯(lián)接件螺母彈簧墊片墊片圖31連接示意圖計(jì)算螺栓受力氣缸蓋最大壓力 N 螺栓工作載荷 N 剩余預(yù)緊力 N螺栓最大拉力 N相對(duì)剛度系數(shù) 采用銅皮石棉墊片 預(yù)緊力 N螺栓拉力變化幅 N計(jì)算螺栓應(yīng)力幅假設(shè)螺栓直徑 自定螺栓直徑和幾何尺寸 查手冊(cè)螺栓危險(xiǎn)截面面積 螺栓應(yīng)力幅 確定許用應(yīng)力幅螺栓材料和性能等級(jí) 35號(hào)鋼 5.8級(jí) 螺栓疲勞極限 極限應(yīng)力幅 許用應(yīng)力幅 校核螺栓變載荷強(qiáng)度 所以所選擇的螺栓完全能滿足工作要求。耗氣量的計(jì)算，氣缸單位時(shí)間內(nèi)消耗的壓縮空氣量為：當(dāng)活塞桿伸出時(shí) 式（3.1） 式中D氣缸缸徑 S氣缸行程 t1活塞伸出時(shí), 完成行程所需時(shí)間，由式（3.1）得當(dāng)活塞桿縮入時(shí) 式（3.2）式中 d-活塞桿直徑 t2-活塞桿縮入時(shí), 完成行程所需時(shí)間，由式（3.2）得因?yàn)閷?duì)齊氣缸和升降氣缸的內(nèi)徑相同，只是行程不一樣，所以同規(guī)格的螺栓也能滿足工作要求，強(qiáng)度校核略。3.1.3氣缸的圖形及說明本氣缸為FESTO普通型雙作用標(biāo)準(zhǔn)氣缸,其部分性能參數(shù)為缸徑40mm, 行程 圖32氣缸設(shè)計(jì)資料10mm2000mm, 缸體具體重量為0.8kg，行程每增加 10 mm部件重量增加 0.046 kg ，軸襯蓋和端蓋的材料為壓鑄鋁，缸筒材料為陽極氧化鋁，活塞桿材料為高質(zhì)合金鋼，經(jīng)過回火處理，連接螺紋尺寸G1/4， 由于本系統(tǒng)中對(duì)齊氣缸和升降氣缸的主要參數(shù)是一樣的，只是行程不一樣，所以可都選用FESTO系列氣缸。圖32為FESTO自動(dòng)化公司的設(shè)計(jì)圖紙。3.1.4系統(tǒng)的氣動(dòng)回路結(jié)合系統(tǒng)的工作要求知道升降部分的氣缸和對(duì)齊部分的氣缸各自獨(dú)立工作，所以他們肯定是并聯(lián)關(guān)系，而氣缸都是外接氣源型，所以系統(tǒng)可采用同一氣源供氣，氣源由氣管引出經(jīng)過球閥9543（與氣管連接螺紋為G3/8）之后與氣源處理單元即三聯(lián)件（型號(hào)為FESTO公司 氣源處理裝置QE-10-0347-TZ系列，與氣管連接螺紋為G3/8）相連，然后皮管通過三通管接頭一分為二，各自與相應(yīng)的氣管連接，兩條支路各接一只過濾器，三位五通電磁閥與氣管的連接螺紋為G3/8，二位五通閥與氣管的連接螺紋為G1/4，兩個(gè)氣缸和氣管的連接螺紋都為G1/4，這兩個(gè)電磁閥各接兩只消聲器，三通管前面的氣管選用8mm，經(jīng)過三通管后換用10mm氣管，通過上面的分析給出系統(tǒng)的氣動(dòng)回路如圖33：圖33系統(tǒng)氣動(dòng)回路圖32導(dǎo)軌部分3.2.1滾珠絲杠副的選型在系統(tǒng)對(duì)工作方式的要求中，手動(dòng)調(diào)節(jié)是一種重要的工作方式，不管是在橫梁上還是在豎直方向上，為了讓傳感器頭處于最佳工作位置都要對(duì)橫移機(jī)構(gòu)或升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，我們可以通過安裝手輪來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)，這里主要涉及到運(yùn)動(dòng)方向上的轉(zhuǎn)換，能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的裝置有螺旋傳動(dòng)裝置，在所有的螺旋傳動(dòng)裝置中由于滾珠絲杠裝置摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高可達(dá)85%95%，運(yùn)行平穩(wěn)無顫動(dòng)且低速不爬行，定位精度高，工作壽命長不容易發(fā)生故障，所以本系統(tǒng)采用滾珠絲杠裝置來達(dá)到工作要求，其具體型號(hào)為FFZD50065。由于絲杠的長度一般都不會(huì)太長（太長剛度就會(huì)減弱），根據(jù)具體工作要求可以選擇選用幾根絲杠連接在一起，本系統(tǒng)中豎直方向上的絲杠螺紋長度為300mm就可以達(dá)到要求,所以一根絲杠完全可以滿足工作要求，絲桿上面安裝一個(gè)銅螺母，該螺母通過螺母座和系統(tǒng)的橫移支架相連，當(dāng)手輪搖動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)傳遞到絲桿上，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)螺母上升，螺母座帶動(dòng)橫移支架升降。3.2.2滾珠絲杠副的力學(xué)計(jì)算根據(jù)工作要求可知以下數(shù)據(jù)：等效載荷=2200N，絲杠有效行程=300，等效轉(zhuǎn)速=100r/min，要求使用壽命=15000左右，可靠度95%，精度為3等級(jí)。求計(jì)算載荷：由手冊(cè)查得 式（3.3）由式（3.3）得，因?yàn)?，所以選用滾珠絲杠副型號(hào)為FFZD50065，主要尺寸為：循環(huán)圈數(shù)為螺旋導(dǎo)程角穩(wěn)定性計(jì)算，因?yàn)槁輻U較長，應(yīng)驗(yàn)算螺桿的穩(wěn)定性，臨界載荷為 式中 E螺桿材料的彈性模量，E= 螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩 長度系數(shù)，查表得，按一端固定一端鉸支， 絲杠螺紋全長，由得故，通過驗(yàn)算。剛度驗(yàn)算按最不利情況考慮，即在螺距（應(yīng)為導(dǎo)程）內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起的彈性形變方向一致，此時(shí)變形量為最大，計(jì)算公式為 式中（式中摩擦系數(shù)按0.0025計(jì)，當(dāng)量摩擦角=）剪切彈性模量則每米螺桿長度上的彈性變形=本系統(tǒng)中滾珠絲杠副精度應(yīng)選擇3等級(jí)，由手冊(cè)查得的一半為3.2.3滾珠絲杠的圖形及說明圖34滾珠絲杠外形圖圖34為螺母的工作示意圖圖34為螺母的工作示意圖。圖35為絲杠工作明細(xì)圖。該滾珠絲杠副為FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器雙螺母墊片預(yù)緊型。其絲杠總長為445 mm，有效螺紋長度為300mm，螺距為6mm,兩螺母總長為128 mm，鋼珠直徑為4 mm，當(dāng)手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置轉(zhuǎn)過一圈時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到絲杠螺母實(shí)際上升距離為4 mm。圖35為絲杠工作明細(xì)圖該滾珠絲杠副在安裝的時(shí)候要注意的事項(xiàng)，兩端支承方式盡可能采用“兩端固定”或“一端固定，一端鉸支”式兩端軸承和螺母要精確到軸心線重合，同軸度67級(jí)。本系統(tǒng)中的滾珠絲杠副安裝方式都是一端固定，一端自由，由于滾珠絲杠副不能自瑣，所以系統(tǒng)要配置相應(yīng)的具有自鎖功能的元件，水平放置的絲桿是通過壓緊托板和滑板以限制相互運(yùn)動(dòng)，豎直方向上的絲杠的自鎖是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置里面的斜楔機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)手輪上的手柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過螺紋配合將斜楔往右擠，達(dá)到行程極限后就起到自鎖的作用，本系統(tǒng)是高精度要求，在使用中要特別注意絲杠的防護(hù)和密封，經(jīng)常潤滑。33本章小結(jié)在第二章中只是對(duì)系統(tǒng)大體組成方面做了設(shè)計(jì)，在本章節(jié)中，根據(jù)具體工作要求，重點(diǎn)對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要為升降機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)重要組成部分的零件選型以及一些相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算，并說明了各個(gè)裝置是如何實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。4 電氣部分的設(shè)計(jì)41系統(tǒng)的配電圖及說明在前面的章節(jié)里對(duì)系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)造部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)之后，本章著重分析檢測(cè)系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)，在做完宏觀的了解后首先給出系統(tǒng)的配電原理圖，在總線（三相四線）后安裝一個(gè)斷路器線包QF1，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)（如報(bào)警或急停）可以直接從干路上切斷電源的連接，然后接一變壓器，因?yàn)楣I(yè)用電是380V而系統(tǒng)中很多需要用電的元件都是24V或是36V的（如傳感器部分，降溫部分，按鈕指示燈部分），為了緩解PLC的工作量，在電路中加入兩個(gè)開關(guān)電源，一個(gè)負(fù)責(zé)輸入部分，另一個(gè)負(fù)責(zé)輸出部分，這樣一些其他用電點(diǎn)就可以和開關(guān)電源相連，比如冷卻裝置和一些開關(guān)示意燈，通過對(duì)系統(tǒng)中所有要用電部分的研究后給出配電原理圖：圖41配電原理圖42傳感器的選擇，安裝及數(shù)據(jù)處理在本系統(tǒng)中頂桿檢測(cè)也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，檢測(cè)頭上安裝有36個(gè)傳感器，都是歐姆龍公司方型TL系列傳感器，它通過探針接觸式檢測(cè)，其限位型觸摸開關(guān)經(jīng)常振動(dòng)高頻，當(dāng)被檢測(cè)物體與探針接觸后，振動(dòng)電路的常數(shù)將發(fā)生變化，開關(guān)電路發(fā)生動(dòng)作輸出信號(hào)，只要輕微觸碰就能檢測(cè)，通過發(fā)光二極管來顯示動(dòng)作，這36個(gè)傳感器通過螺釘安裝在一個(gè)樹脂澆注的模架內(nèi)，傳感器是將感受到的外界信息，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成所需的有用信息的裝置，通常是將非電量轉(zhuǎn)換成電量，在本系統(tǒng)中傳感器將感受到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。而PLC的輸入輸出接口是可編程控制器和現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)連接的部分，但是從傳感器中出來的信號(hào)太微弱，需要經(jīng)過放大器放大后才能達(dá)到PLC的識(shí)別要求。通常采用三極管來達(dá)到放大的目的，下面依次為信號(hào)放大放大示意圖，傳感器實(shí)物圖，傳感器安裝圖：圖42傳感器實(shí)物圖在本系統(tǒng)中所使用的傳感器均選用歐姆龍公司的NL系列方型傳感器，圖43為實(shí)際安裝圖，圖44為安裝俯視圖，整個(gè)模架通過四個(gè)螺釘和連接板連接在一起，模架下面多出的長度用于和頂桿對(duì)齊，由于本型號(hào)的傳感器重量很小所以不需要力學(xué)校核。另外本型號(hào)傳感器需要使用傳感器專用電源，通過開關(guān)電源供電。圖43安裝正視圖圖44安裝俯視圖圖45輸出級(jí)電路圖由于36個(gè)傳感器是并聯(lián)使用，所以安裝時(shí)天線之間的距離要大于4mm,將連接軟線藍(lán)（黑）接地。43PLC的組成及編程可編程序控制器簡(jiǎn)稱 PC機(jī)，為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)區(qū)別，又稱 PLC (Programmable Logical Controller)作為是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用一類可編程的存貯器，用于內(nèi)部存貯程序，能夠執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)進(jìn)程。自從20 世紀(jì) 70 年代問世以來，PLC 便引起了一場(chǎng)工業(yè)控制技術(shù)的革命。近年來，PLC 技術(shù)已在工業(yè)控制領(lǐng)域占有很大的比重，它與(CAD CAM、工業(yè)機(jī)器人)同被稱為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的三大支柱。它不僅可自成體系構(gòu)成控制系統(tǒng)，而且還可作為集散控制系統(tǒng) DCS 或監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) SCADA的組成部分。PLC可編程控制器的硬件部分主要由 5 個(gè)模塊組成： 電源模塊 （PS ）、中央處理模塊 （CU） 、輸入輸出模塊（ I/O）、編程器和通信模塊 （CPs ）；有些PLC可編程控制器還有智能輸入/輸出模塊 （Ips，WFs） 和擴(kuò)充模塊（ EUs ）作附件提供。如圖45所示： 圖45PLC模塊圖PLC可編 程控制器采用的編程語言多樣，一般都支持控制系統(tǒng)流程圖、梯形圖、語句表編程。1 控制系統(tǒng)流程圖 （C&F），用于過程控制編程；2 梯形圖（ LAD ），用于離散控制編程；3 語句表 （SLT），類似匯編語言的低級(jí)編程語言。PLC可編程控制器軟件部分主要包括系統(tǒng)臨近程序和用戶程序兩部分組成：（1）系統(tǒng)監(jiān)控程序由管理程序、用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊系統(tǒng)調(diào)用 3 部分組成 ,提供系統(tǒng)工作的環(huán)境和控制的平臺(tái)。（2） 用戶程序是用戶根據(jù)實(shí)際要控制的系統(tǒng)編制的過程控制程序。一般通過 PLC 自帶的編程器編制。PLC應(yīng)用的領(lǐng)域：（1）開關(guān)邏輯控制PLC最基本的功能是邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等，取代傳統(tǒng)的繼電器。（2）閉環(huán)過程控制取代傳統(tǒng)的 PID控制。（3）位置順序控制用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制。（4）監(jiān)控系統(tǒng)用 PLC可以構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，監(jiān)控生產(chǎn)過程。（5）分布控制系統(tǒng)PLC與 PLC，PLC與DCSIPC之間，通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成多級(jí)分布式控制系統(tǒng)。各大鋼廠中廣泛應(yīng)用了 PLC 控制技術(shù)，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，減輕了工人操作強(qiáng)度，取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。采用的 PLC型號(hào)多樣，常常作為 DCS 或其他計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采樣和基礎(chǔ)級(jí)工藝參數(shù)的直接控制。（2）PLC控制系統(tǒng)由于內(nèi)部提供了無窮多的各類軟觸點(diǎn)、輔助繼電器，不存在傳統(tǒng)繼電器觸點(diǎn)的磨損、粘連等總題，因此能夠適應(yīng)鋼廠惡劣環(huán)境的要求，并具有能耗低、抗干擾強(qiáng)、高可靠性的特點(diǎn)；其平均無故障時(shí)間達(dá)幾萬幾十萬小時(shí)以上。（3）PLC所使用的編程語言是面向現(xiàn)場(chǎng)、面向問題、面向用戶的控制語言，能直接而簡(jiǎn)明地表達(dá)被控制對(duì)象的輸入輸出之間的關(guān)系及動(dòng)作方式；PLC對(duì)時(shí)間控制精度高，其特有的掃描控制方式執(zhí)行控制任務(wù)，提供了快速、確定而且可重復(fù)的響應(yīng)。因此能夠滿足鋼廠復(fù)雜工藝參數(shù)的控制。（4） PLC 體積小，安裝和現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)便，易于擴(kuò)展，與其他裝置聯(lián)接方便，用 PLC 進(jìn)行設(shè)備改造的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短，甚至完全不影響正常生產(chǎn)。因此，在鋼鐵工業(yè)中大力推廣 PLC 控制技術(shù)，對(duì)于改造原有老化設(shè)備，或應(yīng)用于新型自動(dòng)化生產(chǎn)線，都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。44S7-400編程方式S7-400PLC 使用 STEP7 編程。STEP7 用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)。這樣，PLC的程序組織明確，結(jié)構(gòu)清晰，易于修改。 通常，用戶程序由組織塊(OB)、功能塊（FB）、功能（FC）、數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的執(zhí)行。每個(gè) S7CPU 包含一套可編程的 OB 塊，不同的 OB 塊執(zhí)行不同的功能。OB1 是主程序循環(huán)塊，控制各個(gè)功能的循環(huán)執(zhí)行，調(diào)用為了實(shí)現(xiàn)控制功能而編寫的功能FC、功能塊FB。 功能塊 FB 實(shí)際上是用戶子程序，是由一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與該功能的參數(shù)表完全相同的數(shù)據(jù)塊DB構(gòu)成，該DB是背景數(shù)據(jù)塊，存放在背景數(shù)據(jù)塊中，數(shù)據(jù)在FB結(jié)束后繼續(xù)保持。功能 FC包含經(jīng)常使用的例行程序，是無存儲(chǔ)區(qū)的邏輯塊，F(xiàn)C的臨時(shí)變量存儲(chǔ)在局部數(shù)據(jù)堆棧中。 數(shù)據(jù)塊DB是用戶定義的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)，也可以被打開或關(guān)閉。DB可以是屬于某個(gè)FB的背景數(shù)據(jù)也可以是屬于通用的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，用于FB或FC?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)是采用集散控制模式 ,借助于現(xiàn)場(chǎng)總線高速可靠通信能力 ,將分布在現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè) PLC和計(jì)算機(jī)組合成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。這里采用的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) ,傳輸速度9. 6Kbit/s12Mbit/s。速度為 12Mbit/s時(shí),傳輸距離可以達(dá)到 100m?？刂葡到y(tǒng)核心采用西門子 S7 400系列的 PLC。主站 PLC協(xié)調(diào)各個(gè)從站協(xié)同工作 ,從站負(fù)責(zé)響應(yīng)操作終端的輸入和傳感器的輸入以及到各執(zhí)行元件的輸出。上位機(jī)和 PLC之間PROFI BUS PD協(xié)議或者 MPI協(xié)議進(jìn)行通信 ,上位機(jī)通過串口連接報(bào)表打印機(jī)。系統(tǒng)控制框圖 ,如圖 46所示。圖46系統(tǒng)控制框圖系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為 PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。它包括主流程 OB1，初始化程序 OB100，手動(dòng)程序 FC1，自動(dòng)程序 FC2,報(bào)警處理程序 FC3及狀態(tài)顯示程序 FC4這 5個(gè)部分。OB1是系統(tǒng)的主流程，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)所有子程序之間的運(yùn)行順序。OB100是初始化程序，只是在系統(tǒng)掉電重啟后運(yùn)行一次，其他時(shí)間內(nèi)不調(diào)用。其作用是使各個(gè)設(shè)備都恢復(fù)到初始狀態(tài)，如氣缸保持在上位，油缸保持在后位，PLC的各個(gè)寄存器都復(fù)位等。FC1是手動(dòng)程序，是操作人員點(diǎn)動(dòng)控制各個(gè)設(shè)備。FC2是自動(dòng)運(yùn)行程序。系統(tǒng)主要的工作方式，它不需要人工干預(yù)，能自動(dòng)完成頂桿檢測(cè)工作。FC3是報(bào)警程序。主要處理各類報(bào)警，根據(jù)不同的報(bào)警信息進(jìn)行相關(guān)的處理。FC4是狀態(tài)顯示程序，控制各類指示燈。上位機(jī)監(jiān)控軟件在 windows2000的運(yùn)行環(huán)境下，采用西門子 Wincc軟件編程，系統(tǒng)功能完善，界面友好，穩(wěn)定可靠。監(jiān)控軟件的主要包含如下功能：（1） 狀態(tài)顯示功能。顯示檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息。如升降氣缸的位置，氣缸的位置，各檢測(cè)傳感器狀態(tài)，方便工作人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的信息，防止誤動(dòng)作的發(fā)生。（2） 頂桿編號(hào)追蹤功能。頂桿檢測(cè)裝置每檢測(cè)一根頂桿 ,上位機(jī)就會(huì)把頂桿編號(hào)保存下來，并采用移位的方式跟現(xiàn)場(chǎng)的頂桿編號(hào)保持同步。當(dāng)所有的頂桿都被檢測(cè)完以后每檢測(cè)一次，上位機(jī)就會(huì)用存儲(chǔ)的編號(hào)與檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的編號(hào)進(jìn)行比較，如果兩個(gè)數(shù)據(jù)一樣，表示檢測(cè)正確，如果兩個(gè)數(shù)據(jù)不一樣，上位機(jī)報(bào)錯(cuò)，說明檢測(cè)傳感器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重新檢測(cè)一次。圖47PLC接線圖（3） 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。上位機(jī)會(huì)根據(jù)檢測(cè)的頂桿編號(hào)從數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)的頂桿信息，如頂桿長度外徑、使用次數(shù)。使用次數(shù)超過上限，上位機(jī)會(huì)彈出提示信息，提醒操作人員及時(shí)更換頂頭。圖47是 PLC輸入輸出端接口圖。45本章小結(jié)在上一章對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械框架和組成框架的各重要部件進(jìn)行了具體說明，在這一章主要對(duì)系統(tǒng)的控制部分做出初步說明，由于本系統(tǒng)屬于 PLC控制的，集機(jī)、電、液于一體的頂桿檢測(cè)系統(tǒng)，要求在現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境下能快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)出頂桿的編碼，并由PLC做出相應(yīng)處理，所以電氣控制部分的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 結(jié)論本文在對(duì)頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的功能和要達(dá)到的性能指標(biāo)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)架部分，控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)系統(tǒng)填補(bǔ)了國內(nèi)鋼管生產(chǎn)線的空白，其檢測(cè)精度和標(biāo)識(shí)效果達(dá)到了同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，解決了以前依靠國外進(jìn)口的困境，在很大程度降低了成本。本論文主要做了以下工作： （1） 對(duì)國內(nèi)外產(chǎn)品的開發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，論證了頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)開發(fā)的必要性，并進(jìn)行了方案研究和論證。 （2） 對(duì)頂桿自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行