钢管自动喷标系统之喷标小车的设计【21张CAD图纸+PDF图】

钢管自动喷标系统之喷标小车的设计【21张CAD图纸+PDF图】,21张CAD图纸+PDF图,钢管,自动,系统,小车,设计,21,CAD,图纸,PDF 摘要 钢管是一种多功能的钢材，其用途覆盖了石油、冶金、煤炭、汽车、船舶、电站以及军工等行业，为国家经济建设和国防安全做出了巨大的贡献。本文以国内外钢管生产线上精整区喷标系统的研究与开发现状为背景，对悬臂式钢管喷标系统进行了研究设计。本课题的主要研究工作： 第一章综合叙述了钢管的工艺生产流程及API国际标准；说明了国内喷标系统的开发现状及存在的问题并阐述了开发钢管喷标系统的必要性；陈述了课题的来源以及论文的主要工作和意义。 第二章针对喷标系统设计的总体说明，提出了系统的设计总目标；给出了系统设计的关键参数并给出了系统的平面布置图；根据系统的整体组成结构，对各部分机构及工作过程进行简单说明；最后给出喷标小车机械部分的设计方案以及简要概述喷标控制系统的总体设计。 第三章根据设备运行的要求设计了喷标小车的机械、电气结构，并且对关键部分的设计进行分析。 第四章介绍了喷标控制系统的设计组成，简述了PLC的编程方式，西门子S7400PLC的特点；PLC技术在工业应用中的优势分析以及PLC的硬件设计要求，喷标小车的伺服运动控制原理，最后给出了喷标流程图和相应的PLC程序。 第五章总结喷标系统设计过程所做的工作，并对系统的改进方向进行了展望。 关键词 钢管；喷标；PLC；伺服电机；位置控制 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 58 目 录 1 绪论 1 1.1 钢管喷标系统的开发现状 1 1.1.1 引言 1 1.1.2 喷标系统的开发现状 3 1.2 钢管喷标系统开发的必要性 4 1.3 课题来源 4 1.4 论文的主要工作和意义 4 2 喷标系统总体设计 5 2.1 喷标系统设计要求 5 2.2 喷标系统总体设计 5 2.2.1 喷标小车的机械结构设计 5 2.3 喷标系统的控制系统设计 7 2.3.1 喷标系统的自动工作过程 7 2.4 本章小结 8 3 小车机械、电气结构设计 9 3.1 横移机构的设计 9 3.1.1 齿轮齿条副设计 9 3.1.2 滚动直线导轨副设计 10 3.1.3 伺服电机的选型 14 3.2 喷头升降机构的设计 15 3.2.1 选择喷标方式 16 3.2.2 气缸的选型 18 3.2.3 气缸活塞与喷头的配合 18 3.2.4 气缸的固定 19 3.3 喷头位置调节机构设计 20 3.3.1 滚动直线导轨副 21 3.3.2 锥齿轮副设计 21 3.3.3 丝杆副设计 29 3.4 防撞机构设计 29 3.4.1 动作方式 30 3.5 气路控制系统设计 30 3.5.1 气动回路 30 3.6 本章小结 32 4 喷标控制系统设计 33 4.1 控制系统的组成 33 4.2 PLC软件及编程 33 4.3 PLC在喷标系统中的应用 34 4.3.1 PLC的特点 34 4.3.2 PLC在工业应用中的优势 34 4.3.3 S7-400编程方式 35 4.4 PLC系统的硬件设计 36 4.4.1PLC I/O点数统计 36 4.5 喷标小车的伺服运动控制 37 4.5.1伺服控制系统简介 37 4.5.2 伺服运动控制系统工作原理 38 4.6 PLC程序设计 39 4.6.1 喷标流程 39 4.7 配电电气控制 40 4.8 本章小结 40 5 结论 41 致谢 42 参考文献 43 附录 44 附录1 44 外文原文 44 译文部分 49 附录2 54 附录3 65 1 绪论 1.1 钢管喷标系统的开发现状 1.1.1 引言 钢管是一种用钢制作的具有中空截面而长度远大于外径(或边长)的金属材料。截面通常为圆形，但也可呈扁、方和异型等。钢管的结构特征是： 1)具有封闭的环形横断面； 2)两端开口； 3)管长与外径之比L/D较大； 钢管是一种多功能的经济断面钢材。它在国民经济各部门中的应用愈来愈广泛。 钢管作为输送管广泛地用于输送油、气、水等各种液体，如石油及天然气的钻探开采与输送、锅炉的水与蒸汽管道、一般的水煤气管道等。 钢管作为结构管大量地用于机械制造业和建筑工业，如用于制作房架、塔吊、钢管桩、各种车辆的构架等。在断面面积相同的条件下，钢管比圆钢、方钢等的抗弯能力大，钢性好，其单位体积的重量轻。因此，钢管是一种抗弯能力较强的结构材料。 钢管还作为中空的零件毛坯用于制造滚动轴承、液压支柱、液压缸筒体、空心轴、花键套、螺母以及手表壳等，这既节约金属又节省加工工时。 钢管又是国防工业中的重要材料，如用于制造枪管、炮筒及其他武器。随着航空、火箭、导弹、原子能与宇宙空间技术等的发展，精密、薄壁、高强度等钢管的需求量正迅速增长。 钢管的种类繁多，生产过程复杂，生产设备也很庞大，大型企业一般采用自动化生产线来完成钢管生产的各个工艺流程，一般热轧钢管的生产工艺如下图1-1所示。 图1-1热轧管生产流程 按照工艺流程，管坯进入车间后在剪断机上按工艺要求切成定尺长度。需要冷定心的合金管坯送至定心车床加工定心孔。管坯切断(冷定心)后送入管坯加热炉内进行加热。需要热定心的管坯出炉后由辊道送至热定心机上热定心。经热定心后的管坯由斜蓖条送到穿孔机上穿孔。穿孔后的毛管还要经过自动轧管机、均整机、定径机等加工成钢管。需要减径的管子，经过再加热炉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，由辊道送至链式冷床上冷却，冷却后的钢管(有的要热处理)送到斜辊式矫直机上矫直，然后进行其他各项精整工序。精整后的成品管经检验后涂油打捆入库。 钢管喷标系统是对成品管进行喷涂标记的一种设备，根据一定的标准如钢管生产的炉号、班号、材料、长度、重量、生产厂家等按一定的标准标注在钢管表面。由此可知，钢管喷标系统应该安排在钢管生产工艺流程的精整部分。 根据GB2102-88规定，外径不小于36mm的钢管应该在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴标记。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、产品标号和供应厂家的印记或者商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。 随着我国入世，国内和国际市场的接轨，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 如下表1.1-1所示。 过去，大部分的钢管生产厂家采用人工方式进行标记。人为的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。这种做法一直沿用了很长一段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在劳动强度大、生产效率低、字迹不清楚、无法统一管理，难于与国际市场接轨。 表1.1-1 APISPEC 5CT标准摘录 GB/T 8162 尺寸偏差 项目 允许偏差 外径 管体 D≤101.60mm±0.79mm D≥114.30mm±0.5% 接箍 ±1% 壁厚 -12.5% 重量 单根 6.50% -3.50% 车载量 -1.75% 长度 项目 范围1 范围2 范围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 从上世纪九十年代开始，国内一些大型的钢铁公司的产品为了参与国际竞争，花费巨资引进国外的生产设备。这些进口设备生产效率高、劳动强度低、喷印字迹规范，易于管理。但是进口设备成本高、要求工人素质高、维护成本大。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，设计研发同类设备已经迫在眉睫。 1.1.2 喷标系统的开发现状 钢管的喷标是国际国内标准明确要求的内容。 国外早已开发出钢管的喷标设备，而且设备的功能强大，能喷印各种各样的字符，设备采用了各种先进技术。 过去国内对喷标系统的研究较少，一般依靠进口国外先进设备。直到上世纪九十年代才开始有少数科研机构对喷标系统进行研究。如国内最先采用的七段码方式进行喷印。其原理是用水基白色涂料在压缩气体的作用下在热钢坯上喷上所需的号码。这种设计相对简单，号码的变换转化为七个压缩空气喷嘴的控制，控制系统得到简化，具有较高的可靠性，号码调整灵活，不需要更换模子，喷印速度快等优点。但是，在高热环境下涂料会很快凝结在喷嘴上造成喷嘴阻塞，涂料的雾化效果不好，不适合在曲面的钢管上喷印。为克服上述不足，又相聚研发出了点阵式喷标，它以点阵式形成字体的方式比较适合钢管表面的喷印；白色涂料经过压缩空气的推动从高速电磁阀中喷出，速度较快，可以在钢管表面形成一个个有规则的圆点，通过伺服控制系统控制喷头的有序移动，便可在钢管表面喷印出一系列的符号。 1.2 钢管喷标系统开发的必要性 国内除大型企业外其他企业生产设备落后，产品存在诸多标准不一致问题。设备功能单一，不能配合自动生产线生产，效率低，技术开发水平落后，精度低，可靠性差，设备故障率高，产品缺乏扩展性，阻碍自动化发展，跟不上现代化管理。所有这些说明，开发研制高性能的喷标系统等此类钢管生产的辅助设备和完善的监控系统是非常必要的。 参考国外同类设备以及比较国内现有设备，可以提出开发钢管喷标系统应具备的特点：控制和智能的全分散化、高内聚、松耦合、高稳定性、高可靠性、适应能力强、故障报警和自诊断功能、可扩展性、系统精度高，工作周期短。 1.3 课题来源 为实现质量管理和跟踪，行业规定钢铁产品进入国际市场必须标号，符合API标准，由于国内大多数企业产品标号效率低，管理不便，严重制约质量管理实施，无法满足生产自动化，有设备的厂家设备价格高昂且维护困难。面对激烈的市场竞争，为适应生产的需求，在消化国外先进设备的基础上，借鉴国内开发经验，根据国内企业现状，着手改进设计新的喷标系统。 1.4 论文的主要工作和意义 该系统的设计涉及到多学科，多专业，是集机械、电子和计算机一体化的设备，本论文主要完成以下工作： 1）通过对系统开发现状的分析，对喷标系统进行了总体方案设计。 2）根据总体方案设计了喷标小车的具体机械结构，气路系统，安全防护，控制系统。 3）通过对系统工作原理的研究，进行了PLC程序的设计，该系统的设计综合运用了机械、电子、计算机三大知识体系，由于采用了喷头伺服电机拖动的形式，喷印定位精度得到了提升。 2 喷标系统总体设计 2.1 喷标系统设计要求 喷标系统的设计要求如下： 1） 工作范围 钢管外径：Φ48（32）～Φ246mm；钢管质量：20Kg～1000Kg；钢管长度：6m～15m；喷标介质：白色涂料；打印喷标内容：计算机能编辑的任意字符； 2） 精度要求 喷标标高：10～50mm可选；喷标字迹清晰； 3） 生产效率 过管速度：最少278根/小时；喷标速度：0～120m/min； 4） 自动化要求 选择好喷标内容后，无需人工干预自动完成生产；自动喷印管号；具有自动报警功能，急停功能，半自动、手动功能； 2.2 喷标系统总体设计 喷标系统工作方式有自动、半自动、手动三种方式。自动方式是主要工作方式，不需要人工干预，能够自动完成喷标工作；半自动控制流程中单工位的流程与自动流程一致，它是便于测试和手动操作的一个灵活的流程。手动控制主要用于系统的调试和处理异常情况。例如：检验一下各工位是否运行正常，系统的运行情况是否正常，电气线路接触是否良好等；喷标工位布置如下图2-1所示。 图2-1喷标工位布置图 2.2.1 喷标小车的机械结构设计 喷标小车是喷标系统中主要的机械运动部分，它由以下五个部分组成，如下图2-2所示。 图2-2 小车在喷标系统中的结构示意 1）横移机构。横移机构由齿轮齿条传动副、滚动直线导轨副、伺服电机及其控制驱动部分、原点传感器、安全极限位传感器等组成。横移机构的主要功能是带动喷头在横梁上移动。喷标设备有一绝对原点，由原点传感器决定，所有的其他位置都以原点为基准。系统工作时，由伺服系统精确定位小车到达所需位置，在喷标过程中，喷头一边沿钢管轴向移动，一边完成喷标工作。在横梁的两头有安全保护：当小车由于某些原因，到达安全极限位置时，系统马上停止所有的动作，并发出安全报警。 2）喷头升降机构。升降机构由气缸、电磁阀、传感器、气路系统、滚动直线导轨、手轮、手柄等组成。喷头不进行喷标时，处于上位；而在进行喷标时，喷头位置下降到达工作位置。喷头的上升下降由系统控制电磁阀的动作从而控制气缸活塞动作来完成。手轮和手柄则是用来调节喷头下降时的最低位置的。由于钢管管径大小不同，而喷头工作时离钢管表面的距离有一定的范围，大概在20mm～30mm，超出这个范围，喷出来的字迹不能达到最佳的喷印要求。因此当钢管管径不同时，要靠手轮和手柄人工调整喷头的最低位置。 3）防撞机构。防撞机构分为侧面防撞和底面防撞。底面防撞由四个接近开关组成，喷头的任意一角碰到障碍物，气缸立即带动喷头上升，并且喷标小车停止运行，发出报警信号。侧面防撞是一个接近开关，当钢管碰到接近开关时，喷头马上上升，并且小车停止运动，发出报警信号。由于喷头是整个设备的核心部件，而且比较昂贵，所以要为它设计专门的防护机构。 4）喷头及控制器。喷头及控制器部分是喷标系统最关键的部件。喷头在喷标控制器的控制下，涂料系统、气路系统、清洗系统的共同作用下，完成喷标任务。 5）气路系统。气路系统主要为两个部件提供气源及控制：一是喷头升降控制，给喷头的驱动部件-气缸提供动力；再者是喷头及控制器系统，为其提供一个动力，使涂料从喷嘴（电磁阀）中喷射出去。 2.3 喷标系统的控制系统设计 2.3.1 喷标系统的自动工作过程 自动方式是系统用得最多的一种工作方式，在钢管生产线上，要靠自动方式来完成钢管的喷标任务。根据设计要求，按钢管长度最长为15米算，单根喷标时间为7.5s，而过管单根时间为12.94s，可得知在进行喷标任务时，小车有足够时间来进行初始化和预处理任务。典型的自动工作过程如下图2-3所示: 图2-3 喷标系统自动工作过程示意图 由上图可以看出，要设计的控制系统中需要用相应的控制部件来控制喷标过程的每一个环节。如钢管到位需要传感器来检测；小车的运动需要前面的工步完成后才能动作，也就是说小车的运动和停止需要一个相应的信号；喷标起始和结束位置的判断又需要一些开关设备，考虑到上述种种因素，喷标系统电气控制采用积木式结构，集散控制原理。由工控机集中管理信息，监控现场设备的工作状况；PLC作为底层控制负责采集现场传感器信号，控制变频器、伺服电机等有序的执行生产命令。电气原理组成如下图2-4所示。 图2-4 喷标系统电气组成示意图 2.4 本章小结 本章提出了喷标系统的总体设计方案，介绍了喷标系统机械结构 、喷头防撞 、气路系统的设计要求并给出了相关示意图，简要介绍了喷标控制系统的设计组成、工作原理及设计时应注意的问题。 3 小车机械、电气结构设计 喷标系统中，喷头的移动主要通过小车的来回移动完成。而喷头的上升下降是由安装在小车上的气缸来驱动的。在喷印字符时，喷头距离钢管有一个最佳的喷印距离，在这个距离之内喷印出来的字符效果相对较好。而不同批次的钢管管径是不一样的，为了使喷头在气缸活塞下降至极限位置时与钢管保持最佳喷印距离，这就增加了设计一个喷头位置调节机构的必要。此外，气缸的运动需要一个动力源，必须给其设计一个合理的气路系统。 3.1 横移机构的设计 横移机构的主要组成部分有精密齿轮齿条副、滚动直线导轨副、伺服电机等。 横移机构通过连接在伺服电机主轴上的齿轮与安装在横梁上的齿条啮合，伺服电机转动进而带动小车整体的移动。同时，滚动直线导轨副限制了横移机构整体框架的上下、左右及各方向的旋转自由度，使得横移机构只能沿着横梁轴向运动。横移机构如下图3-1所示： 图3-1 横移机构示意图 3.1.1 齿轮齿条副设计 前面已经提及小车的动力系统是伺服电机，而伺服电机主要提供的是转动，结合小车的运动方式为直线移动，因此需应用一种将转动转换为直线运动的机构，参考相关的机械设计资料，可知将转动转换为直线运动的机构主要有齿轮齿条机构、螺旋机构、带传动机构、链传动机构等。考虑到小车有一定载重、来回运动频繁、传动效率高、要求工作时间长、定位精度高、工作环境适应性强等因素，选择精密齿轮齿条传动副。齿轮齿条副的设计应注重以下几方面的问题： 1)齿条的直线度 由于系统对喷印字符的要求很高，必须保证小车运动的直线度，这就要求相应的齿条有很高的直线度要求。 2)齿条与横梁的配合 按所设计的齿条在进行与横梁的装配时必须保证装配的直线度保持较小的误差。 3)齿轮齿条的精度 考虑到喷标小车的定位精度要求，所设计的齿轮齿条必须有较高的精度等级。 除上述应注意的问题外，在设计齿轮齿条副时必须进行必要的强度和载荷校核计算。详细设计过程由设计合作者黄方兴论述。 3.1.2 滚动直线导轨副设计 滚动直线导轨副用于限制喷标小车除沿横梁移动外的所有自由度。由于导轨对于横移机构运动是否平稳有着很大的影响，因此对导轨副有很高的精度要求。此外，导轨的尺寸应与所设计的悬臂梁配套。 3.1.2.1 导轨类型的确定： 由于喷标小车沿导轨移动要保证高的直线度，保证喷头与某一批次钢管的相互位置保持不变，小车移动时应轻便省力，速度均匀，低速时无爬行现象，同时又要求导轨能保持一定的使用精度，在使用过程中磨损量要小，且磨损后能自动补偿或便于调整，要有足够的刚度且受温度变化的影响较小，结构工艺性好等特点。综合上述，结合系统的使用环境和结构紧凑问题，参考相关设计资料，选用滚动直线导轨副。此类导轨的特点是摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现"爬行"现象，故运动均匀平稳。 3.1.2.2 导轨结构形式： 图3-2所示为双V形截面的滚动导轨，由于滚动体和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大的场合。 图3-2 滚动导轨结构示意图 3.1.2.3 导轨选用计算： 首先要满足最大喷印范围为3.4米的要求。其次，根据所设计的悬臂梁的长度，导轨的长度应与其配套。由于悬臂梁的长度确定为6.8米，则导轨的长度亦确定为6.8米。 a）载荷计算 根据上述设计要求与规格，选用型号为GGB35 AA2P滚动直线导轨副。安装形式如下图3-3所示 图3-3 导轨副立式横向安装图 查阅这种型号导轨的规格：受力方式为四方向等载荷，额定动、静载荷分别为Ca=35.1kN，Coa=47.2kN，硬度系数fh=1，温度系数ft=1，接触系数fc=0.81，精度系数fa=1.0，载荷系数fw=1.2 计算公式 式（3.1） 式（3.2） 式（3.3） 式中 、、、——各滑块所受载荷； 、、、——各滑块所受剪切力； ——悬挂件总质量； ——同一平面内安装导轨数； 其中 悬挂件总质量为79kg 代入数据得 F1=F2=F3=F4=0.126kN F1τ=F3τ=0.194kN F2τ=F4τ=0.194Kn b）额定寿命 滚动直线导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同。 计算公式 式（3.4） 式（3.5） 式中 L——额定寿命（km）； Ca——额定动载荷； P——当量动载荷； Fmax——受力最大的滑块所受的载荷； ε——指数，当滚动体为滚珠时，ε=3； K——额定寿命单位（km），滚动体为滚珠时，K=50； 代入数据得 L=126542km c）寿命时间 当行程长度一定时，以h为单位的额定寿命为 式（3.6） 式中 La——行程长度（m）； n2——每分钟往复次数； 代入数据得 Lh=31015h 按年工作日为300d，二班工作制，每班8h，开机率为80%，则预计寿命年限为 式（3.7） 代入数据得 Lh=8.07年 3.1.2.4 提高导轨刚度的措施及导轨的预紧 如下图3-4所示，当承导件往复移动时，承导件压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，承导件保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使承导件倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承承导件，若承导件刚度差，见下图3-5，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使承导件下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。 图3-4 滚动体受力 图3-5 承导件受力 为减小导轨变形，提高刚度，除靠导轨本身的制造工艺外，常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。 试验证明：随着过盈量的增加，导轨的刚度开始急剧增加，达到一定程度后，再增加过盈量，刚度不会显著提高。牵引力随着过盈量增加而增大，但在一定限度内变化不大，过盈量超过一定值后，则急剧增加。因此，合理的过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。 3.1.2.5 技术要求 导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度，根据设计和使用要求，制定出滚动导轨的若干安装技术条件： 1. 不允许将滑块与导轨分离或超行程又推回去。如因安装困难，需要拆下滑块，必须使用引导导轨； 2. 安装前必须检查导轨副是否有合格证、有否碰伤、锈蚀，用防锈油清洗干净，清楚装配表面毛刺及污物等，检查装配连接部位螺栓孔是否吻合，如果发生错位而强行拧入螺栓，将会降低运行精度； 3. 安装前必须分清基准导轨副与非基准导轨副，（基准导轨上产品编号标记最后一位有“J”，滑块上有磨光的基准面），其次是认清导轨副安装时所需的基准侧面； 4. 导轨轴和滑块座与侧基准面靠上定位台阶后，应从另一面预紧后再固定。 3.1.3 伺服电机的选型 1）确定电机转速 根据生产要求可以得知要达到80m/min的生产速度，则电机的转速应为： 式（3.8） 式中n——电机转速； m——齿轮模数，在此为3； z——齿轮齿数，在此为20； 2）确定电机转动惯量 由于伺服电机的运行性能依赖于负载和电机惯量的匹配，为了满足系统灵敏性稳定性的要求，负载的转动惯量JL应限制在电机惯量JM的15倍之内。 等效转动惯量算法如下： 式（3.9） 式（3.10） 式中 Ji——各种转动件的转动惯量，Kg·m2； ωi——各转动件角速度rad/min； Mk——移动件的质量，Kg； vk——各移动件速度，m/min； ω——伺服电机的角速度，rad/min JM——电机的转动惯量，Kg·m2； 伺服电机是依靠齿轮齿条啮合，从而带动横移机构在悬臂梁上做直线运动，因此上面式（3.10）中旋转部分的转动惯量为零，而直线运动部分的总重为79Kg，代入式（3.10）可得 式（3.11） 又由式（3.9）可得 式（3.12） 根据以上的计算可以看出，要满足喷印速度80m/min的要求，伺服电机的转速必须达到425r/min,而要满足伺服电机与负载的转动惯量比的要求，则伺服电机的转动惯量应该大于42×10-4kg·m2。因此，查阅相关伺服电机型号规格表，选择三菱HC-SFS121型伺服电机，其额定转速为1000r/min，转动惯量为42×10-4kg·m2，满足要求。 3.2 喷头升降机构的设计 喷头升降机构用于驱动喷头在进行喷标任务时喷头与所要喷印的钢管间的距离，使其保持最佳喷印距离。如下图3-6所示，升降机构由喷头、气缸、电磁阀、传感器、气路系统、直线滚珠导轨副、手轮、手柄等组成。喷头不进行喷标任务时，处于上位；而在进行喷标时，喷头位置下降到达工作位置。喷头的上升下降由系统控制电磁阀的动作进而控制气缸活塞动作来完成。手轮和手柄则是用来调节喷头下降时的最低位置的。 图3-6升降机构组成结构 3.2.1 选择喷标方式 目前喷标技术主要采用CIJ 连续式喷标和DOD 按需喷墨式喷标。CIJ 方式一般以磁流变液体为介质，墨水通过压力从单一喷嘴不断喷出，经晶体振荡后发生断裂形成墨点；墨点经充电、高压偏转后在运动的物体表面扫描成字。其使用的介质是墨水，主要应用于小字符喷印。如下图3-7所示, CIJ连续式喷标的特点： 图3-7 CIJ喷标 1）可喷印的字符高度为0.06mm-15mm 2）喷印5*5点阵时很快，喷印中文、图形、16点阵文字时速度变慢 3）机器运行时，墨水循环使用，使得墨水浓度不稳定，而且还需要添加稀释剂，稀释液不断挥发，造成浪费。 4）墨水回收系统容易将粉尘潮气等吸入机器内部，从而影响机器正常工作性能。 5）因墨点需要经晶体振荡、充电、高压偏转等精密控制，所以故障几率就比较大。 6）控制系统比较复杂，需要精密调整参数才能保证正常使用。 7）墨水循环过程中，大量有机溶剂挥发，气味难闻，造成环境污染。 8）由于使用的是外界气源供气，对压力及清洁度要求高，气源质量直接影响机器寿命。 9）齿轮泵式喷标电机高速运转时需要通风散热，由于不密封粉尘及潮气容易进入机器内部。 10）轮泵容易磨损，不能修复，只能更换，维修成本比较高。 DOD 按需喷墨式喷标是通过控制一列高频开关式电磁阀实现点阵式喷标，结构简单，可靠性高。如下图3-8所示： 图3-8 DOD喷标 这种喷头的喷嘴开口度较大，可以形成较大的喷点，因此除了可以使用墨水外，还能够使用一些特殊的涂料，例如，水基白色涂料，使用特殊涂料在物体表面喷出的字型很清晰，即使是在户外也可以保持很长时间。相比较而言，墨水在钢铁材料上存在着透析，很容易扩散，而这些特殊涂料的粘度大，与钢铁亲和力强，因此在钢铁行业一般都使用这些特殊的涂料。 按需喷墨式喷标在大字符或图形喷印上存在很大的优势： 1）喷印字符高度为2.5mm-64mm。 2）喷印速度不受字型点阵的影响，最快可以达到120m/min。 3）机器运行时，墨水不循环使用，不需要添加稀释剂，墨水浓度一定。 4）墨水不需要回收，供墨系统密封良好，避免了污染。 5）墨水直接喷出，自带压力泵，精密部件少，故障率低。 6）控制系统简单可靠，操作简单，便于维护。 7）自带低压供气系统，气源压力稳定，质量清洁，保证机器正常运行。 8）机内没有大功率部件，工作无需散热，设备系统密封性能良好，不受工作环境影响。 9）没有易损件，维修成本相对CIJ要低些。 考虑上述因素，本系统采用DOD 喷标技术，选择日本MAKTEC 公司的PJ-1B 型喷头。该喷头由16个精密高速电磁阀构成，在喷印字符时，字型相对应的电磁阀快速开启，墨水依靠内部恒定压力喷出，在运动的表面形成点阵式字符或者图形。 3.2.2 气缸的选型 对于喷标系统而言，喷头升降并不需要太大的作用力，也不会出现负载突然变化的情况，因此采用气动方式控制喷头的升降完全可以满足工作要求，但同时也要考虑到升降时间对钢管生产节奏的影响。 设现场提供的气源压力为0.4Mpa，气缸所要推动的部件总重约为110N（喷头和防撞机构的质量总和）。实际选用的是缸径为80mm，行程为200mm的FESTO公司DNGU80-180-PPV-A型气缸，所能承受的最大负荷为Q=πD2P/4。根据FESTO气缸活塞负荷与活塞速度的关系图查得：气缸的升降速度为225mm/s，可知气缸的全行程时间不超过2s。 3.2.3 气缸活塞与喷头的配合 喷头是喷标执行部件，气缸通过活塞驱动喷头做上下升降运动，这里就涉及到气缸活塞与喷头的配合以及喷头的导向问题。如下图3-9所示： 图3-9 气缸活塞与喷头的连接示意图 活塞部件主要通过销连接与喷头部件进行连接，喷头与喷头固定板用内六角螺钉固定，喷头定位销部分内嵌在冲头内部，并用沉头螺钉预紧，喷头销连接部分零件与过渡板为螺钉连接。活塞杆头部与活塞头销连接部分为螺纹连接，并装有用于微调的螺母。 喷头在进行喷标任务时，必须保证喷头作上下垂直运动，动作过程中不能出现喷头的左右晃动，以影响喷印质量，因此，必须在气缸驱动喷头到达喷印位置的过程中保持喷头运动方向的一致性，就必须对喷头安装导向装置。如下图3-10所示： 图3-10 喷头导向装置结构示意图 该装置主要由导柱导套副组成，导套用螺栓固定在气缸固定座上，导柱安装在喷头过渡板上面，喷头上下升降运动的同时，导柱在导套内滑动，限制喷头前后左右的自由度。 3.2.4 气缸的固定 如下图3-11所示，气缸的固定设计采用固定座子，气缸通过螺栓连接安装在固定座上，固定座与喷头位置调节机构的托架通过螺栓连接。 图3-11 气缸固定示意图 3.3 喷头位置调节机构设计 由于不同批次的钢管管径大小不同，而喷头工作时离钢管表面的距离有一定的范围，大概在20mm～30mm，超出这个范围，喷印字迹不能达到最佳喷印效果。因此当钢管管径不同时，要靠手轮和手柄人工调整喷头的最低位置。根据所设计的锥齿轮副和丝杆传动副，当转动手轮一圈时，大齿轮转动2/3圈，丝杆螺母上升或下降5.33mm，则升降托架带动喷头也跟着运动5.33mm。根据所能喷印的钢管管径差最大为200mm，最大调节距离需要转动手轮37.5圈，比较合适。该机构组成结构图如下图3-12所示： 图3-12 喷头位置调节机构示意图 该机构主要由托架、滚动直线导轨副、丝杆螺母副、锥齿轮传动副、调节手轮等组成。手轮的转动通过锥齿轮副转换为丝杆的转动，通过丝杆螺母来带动托架作上下升降运动。 3.3.1 滚动直线导轨副 考虑到喷头调节机构由人工通过手轮来调节，导轨副采用精度高、摩擦阻力小，运动轻便灵活的直线滚动导轨。根据系统的尺寸和相关设计要求选用型号为GGB 30BA2P2×720-2型滚动直线导轨副。 3.3.2 锥齿轮副设计 锥齿轮是圆锥齿轮的简称，它用来实现两相交轴之间的传动,两轴交角∑称为轴角，其值可根据传动需要确定，一般多采用90°。锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上，轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小，如下图3-13所示。由于这一特点，对应于圆柱齿轮中的各有关"圆柱"在锥齿轮中就变成了"圆锥"，如分度锥、节锥、基锥、齿顶锥等。锥齿轮的轮齿有直齿、斜齿和曲线齿等形式。直齿和斜齿锥齿轮设计、制造及安装均较简单，但噪声较大，用于低速传动（＜5m/s）；曲线齿锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点，用于高速重载的场合。在本文中锥齿轮副用在喷头位置调节机构中，速度较低且属于轻载，因此考虑用直齿锥齿轮传动。 图3-13 直齿锥齿轮副 3.3.2.1 直齿锥齿轮主要参数初算 详细计算数据见附表一，其中m为大端模数，应圆整到标准值。（见附表二） 注：n1——小轮转速；n2——大轮转速。 3.3.2.2 直齿锥齿轮几何计算 根据锥齿轮传动的特点，其基本几何尺寸按大端计算，但锥齿轮齿宽中点处及其当量齿轮的几何尺寸必须通过大端导出。 1） 齿宽系数FR FR=1/3，且b1=b2=b 式（3.13） 式中 b1——小锥齿轮齿宽； b2——大锥齿轮齿宽； b——平均齿宽； 2） 齿宽中点的分度圆直径（平均分度圆直径）dm和平均模数mm 式（3.14） 式（3.15） 式（3.16） 式中 dm1——小轮平均分度圆直径； dm2——大轮平均分度圆直径； d1——小轮分度圆直径； d2——大轮分度圆直径； ΦR——齿宽系数； R——锥距； mm——平均模数； m——大端模数； z1——小轮齿数； 3） 齿宽中点处当量齿轮的分度圆直径dmv、当量齿数zv及当量齿数比uv 式（3.17） 式（3.18） 式（3.19） 式（3.20） 式中 dmv1——小轮当量分度圆直径； dmv2——大轮当量分度圆直径； δ1——小轮分度锥角； δ2——大轮分度锥角； u——齿数比； zv1——小轮当量齿数； zv2——大轮当量齿数； z1——小轮齿数； uv——当量齿数比； 式中齿数比影响分度锥顶角的大小，一般取u≤3，最大不超过5。相关的数值计算见附表三所示。 3.3.2.3 直齿锥齿轮传动的运动设计 1） 背锥和当量齿轮 下图3-14为一锥齿轮的轴向半剖面，其中DOAA为分度锥的轴剖面，锥长OA称锥距， 用R表示；以锥顶O为圆心，以R为半径的圆应为球面的投影。若以球面渐开线作锥齿轮的齿廓，则圆弧bAc为轮齿球面大端与轴剖面的交线，该球面齿形是不能展开成平面的。为此，再过A作O1A⊥OA，交齿轮的轴线于点O1。设想以OO1为轴线，以O1A为母线作圆锥面O1AA，该圆锥称为锥齿轮的大端背锥。显然，该背锥与球面切于锥齿轮大端的分度圆。由于大端背锥母线O1A与锥齿轮的分度锥母线相互垂直，将球面齿形的圆弧bAc投影到背锥上得到线段b'Ac'，圆弧bAc与线段b'Ac'非常接近，且锥距R与锥齿轮大端模数m之比值愈大（一般R/m>30），两者就更接近。这说明：可用大端背锥上的齿形近似地作为锥齿轮的大端齿形。由于背锥可展开成平面并得到一扇形齿轮，扇形齿轮的模数m、压力角a和齿高系数ha*等参数分别与锥齿轮大端参数相同。再将扇形齿轮补足成完整的直齿圆柱齿轮，这个虚拟的圆柱齿轮称为该锥齿轮的大端当量齿轮。这样就可用大端当量齿轮的齿形近似地作为锥齿轮的大端齿形，即锥齿轮大端轮齿尺寸（ha、hf等）等于当量齿轮的轮齿尺寸。 图3-14 锥齿轮轴向半剖图 2） 当量齿数 当量齿轮的齿数zv称为锥齿轮的当量齿数。zv与锥齿轮的齿数z的关系可由上图求出，由图可得当量齿轮的分度圆半径rv 式（3.21） 式中 rv——当量齿轮分度圆半径； 而 式（3.22） 则有 式（3.23） 3） 当量齿轮和重合度计算 ① 背锥和当量齿轮 下图3-15为一对锥齿轮的轴向剖面图。该对锥齿轮的轴角等于两分度锥角之和，即 式（3.24） 式中 ——轴交角； 图3-15 锥齿轮的当量齿轮 由于直齿锥齿轮传动强度计算及重合度计算的需要引进一对当量齿轮（上图），它们是用该对锥齿轮齿宽中点处的背锥展开所得到的。当量齿轮的分度圆半径dv1/2和dv2/2分别为这对锥齿轮齿宽b中点处背锥的母线长；模数即为齿宽中点的模数，称为平均模数mm。 ② 直齿圆锥齿轮的啮合传动特点 一对锥齿轮的啮合传动相当于其当量齿轮的啮合传动。因此有如下特点： a、正确啮合条件 ： 式（3.25） 式中 ——小轮压力角； ——大轮压力角； ——啮合压力角； b、续传动条件 e>1，重合度e可按其齿宽中点的当量齿轮计算。 C、不根切的最少齿数 式（3.26） 式中 zmin——不根切最少齿数； zvmin——最小当量齿数； d、传动比i12 因 式（3.27） 故 式（3.28） 当∑=90°时，有 式（3.29） 图3-16 锥齿轮啮合 直齿锥齿轮的当量齿轮用于重合度计算和强度计算。参考点M的各个参数代号中引入下角标“m”；当量齿轮各参数代号中引入下角标“v”。相关的数值计算见附表四所示。 3.3.2.4 直齿锥齿轮传动的强度计算 直齿锥齿轮的强度计算比较复杂。为了简化计算，通常按其齿宽中点的当量齿轮进行强度计算。这样，就可以直接引用直齿圆柱齿轮的相应公式。因直齿锥齿轮的制造精度较低，在强度计算中一般不考虑与重合度的影响，即取齿间载荷分配系数Ka、重合度系数Ze、Ye的值为1。 1） 轮齿受力分析 忽略齿面摩擦力，并假设法向力Fn集中作用在齿宽中点上，在分度圆上可将其分解为圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa相互垂直的三个分力，如下图所3-17所示。各力的大小分别为 式（3.30） 式中 T1——小齿轮的名义转矩（N·mm）； 图3-17 轮齿受力分析 各力的方向 主动轮圆周力的方向与轮的转动方向相反，从动轮圆周力的方向与轮的转动方向相同；主、从动轮径向力分别指向各自的轮心；轴向力则分别指向各自的大端。 载荷系数 K=KAKvKβ 式（3.31） 式中 KA——使用系数，按使用系数KA表查取（见附表五） Kv——动载荷系数，降低一级精度等级，用齿宽中点的圆周速度由动载荷系数Kv图查取（见附图一） Kβ——齿向载荷分布系数，可按式（3.30）得 KHβ=KFβ=1.5KHbbe 式（3.32） 式中 KHbbe——由齿向载荷分配系数表KHbbe查取（见附表六）。 2） 齿面接触疲劳强度计算 以当量齿轮作齿面接触疲劳强度计算，则式（3.33） 式（3.33） 为 式（3.34） 式中 ——计算应力值； ——弹性系数； ——节点区域系数； ——接触强度计算重合度系数； ——载荷系数； ——齿面接触应力基本值； ——许用接触应力； 将当量齿轮的有关参数代入上式中，可得直齿圆锥齿轮传动的齿面接触疲劳强度校核公式为 式（3.35） 而齿面接触疲劳强度设计公式为 式（3.36） 式中各参数按前述确定。相关的计算数据见附表七所示。 从附表七可看出，齿面接触应力基本值σHO（725.7325MPa）≤接触疲劳极限值σHlim（1370MPa）且接触强度安全系数大于许用值，所设计的锥齿轮接触强度达到要求。 3） 齿根弯曲疲劳强度计算 直齿圆锥齿轮传动的齿根弯曲疲劳强度校核公式和设计公式见 式（3.37） 式（3.38） 式中 YFa——齿形系数，根据当量齿数 ，由外齿轮的齿形系数图YFa查取（见附图二）； YSa——应力修正系数，根据当量齿数 ，由应力修正系数YSa图查取（见附图三）； 齿根弯曲疲劳强度的相关计算数据见附表八所示。 由附表八可看出，大小齿轮的齿根应力基本值σFO（119.7289Mpa、201.2453Mpa）均小于弯曲疲劳极限值σFlim（206.89Mpa）且弯曲强度安全系数大于许用值，所设计的锥齿轮弯曲强度达到要求。 3.3.3 丝杆副设计 丝杆副是将旋转运动转换为直线运动或者把直线运动转换成旋转运动，同时进行能量和力的传递，或者调整零件间的相对位置。主要由螺杆和螺母组成。在喷标系统中通过螺母的上下移动带动升降托架的升降运动。 3.3.3.1 丝杆传动设计 根据喷标小车调整喷头的精度要求及系统载荷运转平稳性情况，喷标小车喷头位置调节机构中需要通过手轮来调节喷头的最低位置，速度比较低，运转比较平稳，载荷较小。同时由于系统在运行过程中要求喷头与钢管的距离保持一定，就要求丝杆副具有一定的自锁能力，配合手轮的锁紧机构来保证调节好距离的喷头位置保持不变。参考上述条件，选择梯形螺纹牙型的滑动螺旋丝杆副。相关设计计算见附表九所示。 3.4 防撞机构设计 由于喷头是整个设备中最为昂贵的部件，因此特别设计了立方体形式的喷头防撞机构。如下图3-18所示： 图3-18 防撞机构示意图 3.4.1 动作方式 防撞机构由一个保护罩和相关的微动开关组成。在保护罩底部的四个角分别安装一个感应式传感器（底部防撞微动开关）,保护罩外部靠感官上料侧还有一个摆臂式行程开关（侧部防撞行程开关）。当喷头在下位时，一旦有其他物体从底部接近某个角，或者有物体从侧面接近，碰到行程开关的摆臂，则气缸立即带动喷头上升，并发出报警信号，起到保护喷头的作用。 3.5 气路控制系统设计 气动控制系统与电气和液压系统一样，都是实现生产过程机械自动化最有效的手段之一。 气动系统有很多优点，例如，系统机构简单，使用维护简便，成本低廉；能适应恶劣的生产环境，安全性高；工作寿命长；容易获得工作介质（压缩空气）。同时，气动系统也存在大距离传递信号速度慢，在负载有波动时难以保证气动执行元件输出平稳等不足。然而对于自动化机械设备中的大多数对象来说，气动系统的参数是合适的。 3.5.1 气动回路 喷标系统的气动系统回路的动作顺序如下：升降气缸接到启动信号后下降，涂料泵将涂料压倒喷头，喷嘴电磁阀动作，喷印字符完成后，清洗剂泵将清洗剂压到喷头对喷嘴进行清洗，同时冷却空气对喷嘴电磁阀进行冷却，最后气缸复位，等待下次启动信号。 经过以上分析，喷标系统共有喷头升降、冷却空气回路、清洗空气回路、涂料回路、清洗剂回路等五个回路。气路系统的设计原理图如下图3-19所示。 1） 喷头升降回路 喷头升降回路的气动元件主要有缸径80mm行程200mm的升降气缸1、三位五通电磁阀2、消声器3和三联件4组成。用于完成喷头上升和下降的动作。 2） 冷却空气回路 冷却空气回路的气动元件有二联件8、球阀9、球阀10、过滤器11。该回路从打开喷标气路的时候就开始需要不断的输出冷却空气，对喷头的16个高速开关电磁阀进行冷却，避免高速开关电磁阀在工作过程中过热，导致电磁阀线圈烧坏。 3） 清洗空气回路 清洗回路的气动元件有二联件12、二位二通电磁阀13.该回路用于在每次喷标完成后将清洗剂用压缩空气打出喷嘴进行清洗，从而保证喷嘴的顺畅，达到清洗的目的。 4） 涂料回路 涂料回路主要的气动元件有压力表