鋼管自動(dòng)噴標(biāo)系統(tǒng)之噴標(biāo)小車的設(shè)計(jì)【21張CAD圖紙+PDF圖】

鋼管自動(dòng)噴標(biāo)系統(tǒng)之噴標(biāo)小車的設(shè)計(jì)【21張CAD圖紙+PDF圖】,21張CAD圖紙+PDF圖,鋼管,自動(dòng),系統(tǒng),小車,設(shè)計(jì),21,CAD,圖紙,PDF 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(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全做出了巨大的貢獻(xiàn)。本文以國(guó)內(nèi)外鋼管生產(chǎn)線上精整區(qū)噴標(biāo)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀為背景，對(duì)懸臂式鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。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(chǎn)流程及API國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；說(shuō)明了國(guó)內(nèi)噴標(biāo)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題并闡述了開(kāi)發(fā)鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)的必要性；陳述了課題的來(lái)源以及論文的主要工作和意義。 第二章針對(duì)噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體說(shuō)明，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總目標(biāo)；給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)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(jié)構(gòu)，對(duì)各部分機(jī)構(gòu)及工作過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明；最后給出噴標(biāo)小車機(jī)械部分的設(shè)計(jì)方案以及簡(jiǎn)要概述噴標(biāo)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。 第三章根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的要求設(shè)計(jì)了噴標(biāo)小車的機(jī)械、電氣結(jié)構(gòu)，并且對(duì)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。 第四章介紹了噴標(biāo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成，簡(jiǎn)述了PLC的編程方式，西門子S7400PLC的特點(diǎn)；PLC技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)分析以及PLC的硬件設(shè)計(jì)要求，噴標(biāo)小車的伺服運(yùn)動(dòng)控制原理，最后給出了噴標(biāo)流程圖和相應(yīng)的PLC程序。 第五章總結(jié)噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)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 鋼管；噴標(biāo)；PLC；伺服電機(jī)；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 錄 1 緒論 1 1.1 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 1 1.1.1 引言 1 1.1.2 噴標(biāo)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 3 1.2 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的必要性 4 1.3 課題來(lái)源 4 1.4 論文的主要工作和意義 4 2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 5 2.1 噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 5 2.2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 5 2.2.1 噴標(biāo)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.3 噴標(biāo)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 2.3.1 噴標(biāo)系統(tǒng)的自動(dòng)工作過(guò)程 7 2.4 本章小結(jié) 8 3 小車機(jī)械、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3.1 橫移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9 3.1.1 齒輪齒條副設(shè)計(jì) 9 3.1.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副設(shè)計(jì) 10 3.1.3 伺服電機(jī)的選型 14 3.2 噴頭升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15 3.2.1 選擇噴標(biāo)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 3.3.1 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 21 3.3.2 錐齒輪副設(shè)計(jì) 21 3.3.3 絲桿副設(shè)計(jì) 29 3.4 防撞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 3.4.1 動(dòng)作方式 30 3.5 氣路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30 3.5.1 氣動(dòng)回路 30 3.6 本章小結(jié) 32 4 噴標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用 34 4.3.1 PLC的特點(diǎn) 34 4.3.2 PLC在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì) 34 4.3.3 S7-400編程方式 35 4.4 PLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 36 4.4.1PLC I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì) 36 4.5 噴標(biāo)小車的伺服運(yùn)動(dòng)控制 37 4.5.1伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 37 4.5.2 伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理 38 4.6 PLC程序設(shè)計(jì) 39 4.6.1 噴標(biāo)流程 39 4.7 配電電氣控制 40 4.8 本章小結(jié) 40 5 結(jié)論 41 致謝 42 參考文獻(xiàn) 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(biāo)系統(tǒng)的開(kāi)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(zhǎng)度遠(yuǎn)大于外徑(或邊長(zhǎng))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(jié)構(gòu)特征是： 1)具有封閉的環(huán)形橫斷面； 2)兩端開(kāi)口； 3)管長(zhǎng)與外徑之比L/D較大； 鋼管是一種多功能的經(jīng)濟(jì)斷面鋼材。它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中的應(yīng)用愈來(lái)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(kāi)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(jié)構(gòu)管大量地用于機(jī)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(gòu)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(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料。 鋼管還作為中空的零件毛坯用于制造滾動(dòng)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(shí)。 鋼管又是國(guó)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(dǎo)彈、原子能與宇宙空間技術(shù)等的發(fā)展，精密、薄壁、高強(qiáng)度等鋼管的需求量正迅速增長(zhǎng)。 鋼管的種類繁多，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)備也很龐大，大型企業(yè)一般采用自動(dòng)化生產(chǎn)線來(lái)完成鋼管生產(chǎn)的各個(gè)工藝流程，一般熱軋鋼管的生產(chǎn)工藝如下圖1-1所示。 圖1-1熱軋管生產(chǎn)流程 按照工藝流程，管坯進(jìn)入車間后在剪斷機(jī)上按工藝要求切成定尺長(zhǎng)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(nèi)進(jìn)行加熱。需要熱定心的管坯出爐后由輥道送至熱定心機(jī)上熱定心。經(jīng)熱定心后的管坯由斜蓖條送到穿孔機(jī)上穿孔。穿孔后的毛管還要經(jīng)過(guò)自動(dòng)軋管機(jī)、均整機(jī)、定徑機(jī)等加工成鋼管。需要減徑的管子，經(jīng)過(guò)再加熱爐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，由輥道送至鏈?zhǔn)嚼浯采侠鋮s，冷卻后的鋼管(有的要熱處理)送到斜輥式矯直機(jī)上矯直，然后進(jìn)行其他各項(xiàng)精整工序。精整后的成品管經(jīng)檢驗(yàn)后涂油打捆入庫(kù)。 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)是對(duì)成品管進(jìn)行噴涂標(biāo)記的一種設(shè)備，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)如鋼管生產(chǎn)的爐號(hào)、班號(hào)、材料、長(zhǎng)度、重量、生產(chǎn)廠家等按一定的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注在鋼管表面。由此可知，鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)該安排在鋼管生產(chǎn)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(yīng)該在每根鋼管一端的端部有噴印、滾印、鋼印或粘貼標(biāo)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)和供應(yīng)廠家的印記或者商標(biāo)。具體不同類型的管子有不同的印記內(nèi)容。 隨著我國(guó)入世，國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)的接軌，鋼管市場(chǎng)同樣面臨一系列的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)鋼管進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，必須遵守國(guó)際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。比如無(wú)縫鋼管要遵守國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5CT 如下表1.1-1所示。 過(guò)去，大部分的鋼管生產(chǎn)廠家采用人工方式進(jìn)行標(biāo)記。人為的把相關(guān)的內(nèi)容根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用涂料寫(xiě)在鋼管上。有的鋼管廠由工人隨意手寫(xiě)，字跡不統(tǒng)一，有的用刷模的方式，字跡相對(duì)工整。這種做法一直沿用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，部分廠家目前仍在使用。很明顯，這些方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、字跡不清楚、無(wú)法統(tǒng)一管理，難于與國(guó)際市場(chǎng)接軌。 表1.1-1 APISPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)摘錄 GB/T 8162 尺寸偏差 項(xiàng)目 允許偏差 外徑 管體 D≤101.60mm±0.79mm D≥114.30mm±0.5% 接箍 ±1% 壁厚 -12.5% 重量 單根 6.50% -3.50% 車載量 -1.75% 長(zhǎng)度 項(xiàng)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(jì)九十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)一些大型的鋼鐵公司的產(chǎn)品為了參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，花費(fèi)巨資引進(jìn)國(guó)外的生產(chǎn)設(shè)備。這些進(jìn)口設(shè)備生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、噴印字跡規(guī)范，易于管理。但是進(jìn)口設(shè)備成本高、要求工人素質(zhì)高、維護(hù)成本大。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(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)同類設(shè)備已經(jīng)迫在眉睫。 1.1.2 噴標(biāo)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 鋼管的噴標(biāo)是國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)明確要求的內(nèi)容。 國(guó)外早已開(kāi)發(fā)出鋼管的噴標(biāo)設(shè)備，而且設(shè)備的功能強(qiáng)大，能噴印各種各樣的字符，設(shè)備采用了各種先進(jìn)技術(shù)。 過(guò)去國(guó)內(nèi)對(duì)噴標(biāo)系統(tǒng)的研究較少，一般依靠進(jìn)口國(guó)外先進(jìn)設(shè)備。直到上世紀(jì)九十年代才開(kāi)始有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)對(duì)噴標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行研究。如國(guó)內(nèi)最先采用的七段碼方式進(jìn)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(hào)碼。這種設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，號(hào)碼的變換轉(zhuǎn)化為七個(gè)壓縮空氣噴嘴的控制，控制系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，具有較高的可靠性，號(hào)碼調(diào)整靈活，不需要更換模子，噴印速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是，在高熱環(huán)境下涂料會(huì)很快凝結(jié)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(diǎn)陣式噴標(biāo)，它以點(diǎn)陣式形成字體的方式比較適合鋼管表面的噴??；白色涂料經(jīng)過(guò)壓縮空氣的推動(dòng)從高速電磁閥中噴出，速度較快，可以在鋼管表面形成一個(gè)個(gè)有規(guī)則的圓點(diǎn)，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)控制噴頭的有序移動(dòng)，便可在鋼管表面噴印出一系列的符號(hào)。 1.2 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的必要性 國(guó)內(nèi)除大型企業(yè)外其他企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備落后，產(chǎn)品存在諸多標(biāo)準(zhǔn)不一致問(wèn)題。設(shè)備功能單一，不能配合自動(dòng)生產(chǎn)線生產(chǎn)，效率低，技術(shù)開(kāi)發(fā)水平落后，精度低，可靠性差，設(shè)備故障率高，產(chǎn)品缺乏擴(kuò)展性，阻礙自動(dòng)化發(fā)展，跟不上現(xiàn)代化管理。所有這些說(shuō)明，開(kāi)發(fā)研制高性能的噴標(biāo)系統(tǒng)等此類鋼管生產(chǎn)的輔助設(shè)備和完善的監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。 參考國(guó)外同類設(shè)備以及比較國(guó)內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備，可以提出開(kāi)發(fā)鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)具備的特點(diǎn)：控制和智能的全分散化、高內(nèi)聚、松耦合、高穩(wěn)定性、高可靠性、適應(yīng)能力強(qiáng)、故障報(bào)警和自診斷功能、可擴(kuò)展性、系統(tǒng)精度高，工作周期短。 1.3 課題來(lái)源 為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理和跟蹤，行業(yè)規(guī)定鋼鐵產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)必須標(biāo)號(hào)，符合API標(biāo)準(zhǔn)，由于國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)號(hào)效率低，管理不便，嚴(yán)重制約質(zhì)量管理實(shí)施，無(wú)法滿足生產(chǎn)自動(dòng)化，有設(shè)備的廠家設(shè)備價(jià)格高昂且維護(hù)困難。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，為適應(yīng)生產(chǎn)的需求，在消化國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，著手改進(jìn)設(shè)計(jì)新的噴標(biāo)系統(tǒng)。 1.4 論文的主要工作和意義 該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到多學(xué)科，多專業(yè)，是集機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)一體化的設(shè)備，本論文主要完成以下工作： 1）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀的分析，對(duì)噴標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。 2）根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)了噴標(biāo)小車的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)，氣路系統(tǒng)，安全防護(hù)，控制系統(tǒng)。 3）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)工作原理的研究，進(jìn)行了PLC程序的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)三大知識(shí)體系，由于采用了噴頭伺服電機(jī)拖動(dòng)的形式，噴印定位精度得到了提升。 2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 噴標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下： 1） 工作范圍 鋼管外徑：Φ48（32）～Φ246mm；鋼管質(zhì)量：20Kg～1000Kg；鋼管長(zhǎng)度：6m～15m；噴標(biāo)介質(zhì)：白色涂料；打印噴標(biāo)內(nèi)容：計(jì)算機(jī)能編輯的任意字符； 2） 精度要求 噴標(biāo)標(biāo)高：10～50mm可選；噴標(biāo)字跡清晰； 3） 生產(chǎn)效率 過(guò)管速度：最少278根/小時(shí)；噴標(biāo)速度：0～120m/min； 4） 自動(dòng)化要求 選擇好噴標(biāo)內(nèi)容后，無(wú)需人工干預(yù)自動(dòng)完成生產(chǎn)；自動(dòng)噴印管號(hào)；具有自動(dòng)報(bào)警功能，急停功能，半自動(dòng)、手動(dòng)功能； 2.2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 噴標(biāo)系統(tǒng)工作方式有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種方式。自動(dòng)方式是主要工作方式，不需要人工干預(yù)，能夠自動(dòng)完成噴標(biāo)工作；半自動(dòng)控制流程中單工位的流程與自動(dòng)流程一致，它是便于測(cè)試和手動(dòng)操作的一個(gè)靈活的流程。手動(dòng)控制主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和處理異常情況。例如：檢驗(yàn)一下各工位是否運(yùn)行正常，系統(tǒng)的運(yùn)行情況是否正常，電氣線路接觸是否良好等；噴標(biāo)工位布置如下圖2-1所示。 圖2-1噴標(biāo)工位布置圖 2.2.1 噴標(biāo)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 噴標(biāo)小車是噴標(biāo)系統(tǒng)中主要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，它由以下五個(gè)部分組成，如下圖2-2所示。 圖2-2 小車在噴標(biāo)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)示意 1）橫移機(jī)構(gòu)。橫移機(jī)構(gòu)由齒輪齒條傳動(dòng)副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、伺服電機(jī)及其控制驅(qū)動(dòng)部分、原點(diǎn)傳感器、安全極限位傳感器等組成。橫移機(jī)構(gòu)的主要功能是帶動(dòng)噴頭在橫梁上移動(dòng)。噴標(biāo)設(shè)備有一絕對(duì)原點(diǎn)，由原點(diǎn)傳感器決定，所有的其他位置都以原點(diǎn)為基準(zhǔn)。系統(tǒng)工作時(shí)，由伺服系統(tǒng)精確定位小車到達(dá)所需位置，在噴標(biāo)過(guò)程中，噴頭一邊沿鋼管軸向移動(dòng)，一邊完成噴標(biāo)工作。在橫梁的兩頭有安全保護(hù)：當(dāng)小車由于某些原因，到達(dá)安全極限位置時(shí)，系統(tǒng)馬上停止所有的動(dòng)作，并發(fā)出安全報(bào)警。 2）噴頭升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)由氣缸、電磁閥、傳感器、氣路系統(tǒng)、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、手輪、手柄等組成。噴頭不進(jìn)行噴標(biāo)時(shí)，處于上位；而在進(jìn)行噴標(biāo)時(shí)，噴頭位置下降到達(dá)工作位置。噴頭的上升下降由系統(tǒng)控制電磁閥的動(dòng)作從而控制氣缸活塞動(dòng)作來(lái)完成。手輪和手柄則是用來(lái)調(diào)節(jié)噴頭下降時(shí)的最低位置的。由于鋼管管徑大小不同，而噴頭工作時(shí)離鋼管表面的距離有一定的范圍，大概在20mm～30mm，超出這個(gè)范圍，噴出來(lái)的字跡不能達(dá)到最佳的噴印要求。因此當(dāng)鋼管管徑不同時(shí)，要靠手輪和手柄人工調(diào)整噴頭的最低位置。 3）防撞機(jī)構(gòu)。防撞機(jī)構(gòu)分為側(cè)面防撞和底面防撞。底面防撞由四個(gè)接近開(kāi)關(guān)組成，噴頭的任意一角碰到障礙物，氣缸立即帶動(dòng)噴頭上升，并且噴標(biāo)小車停止運(yùn)行，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。側(cè)面防撞是一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)鋼管碰到接近開(kāi)關(guān)時(shí)，噴頭馬上上升，并且小車停止運(yùn)動(dòng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于噴頭是整個(gè)設(shè)備的核心部件，而且比較昂貴，所以要為它設(shè)計(jì)專門的防護(hù)機(jī)構(gòu)。 4）噴頭及控制器。噴頭及控制器部分是噴標(biāo)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件。噴頭在噴標(biāo)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(biāo)任務(wù)。 5）氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)主要為兩個(gè)部件提供氣源及控制：一是噴頭升降控制，給噴頭的驅(qū)動(dòng)部件-氣缸提供動(dòng)力；再者是噴頭及控制器系統(tǒng)，為其提供一個(gè)動(dòng)力，使涂料從噴嘴（電磁閥）中噴射出去。 2.3 噴標(biāo)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.3.1 噴標(biāo)系統(tǒng)的自動(dòng)工作過(guò)程 自動(dòng)方式是系統(tǒng)用得最多的一種工作方式，在鋼管生產(chǎn)線上，要靠自動(dòng)方式來(lái)完成鋼管的噴標(biāo)任務(wù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按鋼管長(zhǎng)度最長(zhǎng)為15米算，單根噴標(biāo)時(shí)間為7.5s，而過(guò)管單根時(shí)間為12.94s，可得知在進(jìn)行噴標(biāo)任務(wù)時(shí)，小車有足夠時(shí)間來(lái)進(jìn)行初始化和預(yù)處理任務(wù)。典型的自動(dòng)工作過(guò)程如下圖2-3所示: 圖2-3 噴標(biāo)系統(tǒng)自動(dòng)工作過(guò)程示意圖 由上圖可以看出，要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中需要用相應(yīng)的控制部件來(lái)控制噴標(biāo)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)。如鋼管到位需要傳感器來(lái)檢測(cè)；小車的運(yùn)動(dòng)需要前面的工步完成后才能動(dòng)作，也就是說(shuō)小車的運(yùn)動(dòng)和停止需要一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)；噴標(biāo)起始和結(jié)束位置的判斷又需要一些開(kāi)關(guān)設(shè)備，考慮到上述種種因素，噴標(biāo)系統(tǒng)電氣控制采用積木式結(jié)構(gòu)，集散控制原理。由工控機(jī)集中管理信息，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀況；PLC作為底層控制負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)，控制變頻器、伺服電機(jī)等有序的執(zhí)行生產(chǎn)命令。電氣原理組成如下圖2-4所示。 圖2-4 噴標(biāo)系統(tǒng)電氣組成示意圖 2.4 本章小結(jié) 本章提出了噴標(biāo)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，介紹了噴標(biāo)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu) 、噴頭防撞 、氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求并給出了相關(guān)示意圖，簡(jiǎn)要介紹了噴標(biāo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成、工作原理及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。 3 小車機(jī)械、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 噴標(biāo)系統(tǒng)中，噴頭的移動(dòng)主要通過(guò)小車的來(lái)回移動(dòng)完成。而噴頭的上升下降是由安裝在小車上的氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)的。在噴印字符時(shí)，噴頭距離鋼管有一個(gè)最佳的噴印距離，在這個(gè)距離之內(nèi)噴印出來(lái)的字符效果相對(duì)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(shí)與鋼管保持最佳噴印距離，這就增加了設(shè)計(jì)一個(gè)噴頭位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的必要。此外，氣缸的運(yùn)動(dòng)需要一個(gè)動(dòng)力源，必須給其設(shè)計(jì)一個(gè)合理的氣路系統(tǒng)。 3.1 橫移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 橫移機(jī)構(gòu)的主要組成部分有精密齒輪齒條副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、伺服電機(jī)等。 橫移機(jī)構(gòu)通過(guò)連接在伺服電機(jī)主軸上的齒輪與安裝在橫梁上的齒條嚙合，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)小車整體的移動(dòng)。同時(shí)，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副限制了橫移機(jī)構(gòu)整體框架的上下、左右及各方向的旋轉(zhuǎn)自由度，使得橫移機(jī)構(gòu)只能沿著橫梁軸向運(yùn)動(dòng)。橫移機(jī)構(gòu)如下圖3-1所示： 圖3-1 橫移機(jī)構(gòu)示意圖 3.1.1 齒輪齒條副設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)提及小車的動(dòng)力系統(tǒng)是伺服電機(jī)，而伺服電機(jī)主要提供的是轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合小車的運(yùn)動(dòng)方式為直線移動(dòng)，因此需應(yīng)用一種將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，參考相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)資料，可知將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)主要有齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等?？紤]到小車有一定載重、來(lái)回運(yùn)動(dòng)頻繁、傳動(dòng)效率高、要求工作時(shí)間長(zhǎng)、定位精度高、工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等因素，選擇精密齒輪齒條傳動(dòng)副。齒輪齒條副的設(shè)計(jì)應(yīng)注重以下幾方面的問(wèn)題： 1)齒條的直線度 由于系統(tǒng)對(duì)噴印字符的要求很高，必須保證小車運(yùn)動(dòng)的直線度，這就要求相應(yīng)的齒條有很高的直線度要求。 2)齒條與橫梁的配合 按所設(shè)計(jì)的齒條在進(jìn)行與橫梁的裝配時(shí)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(biāo)小車的定位精度要求，所設(shè)計(jì)的齒輪齒條必須有較高的精度等級(jí)。 除上述應(yīng)注意的問(wèn)題外，在設(shè)計(jì)齒輪齒條副時(shí)必須進(jìn)行必要的強(qiáng)度和載荷校核計(jì)算。詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程由設(shè)計(jì)合作者黃方興論述。 3.1.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副設(shè)計(jì) 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副用于限制噴標(biāo)小車除沿橫梁移動(dòng)外的所有自由度。由于導(dǎo)軌對(duì)于橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否平穩(wěn)有著很大的影響，因此對(duì)導(dǎo)軌副有很高的精度要求。此外，導(dǎo)軌的尺寸應(yīng)與所設(shè)計(jì)的懸臂梁配套。 3.1.2.1 導(dǎo)軌類型的確定： 由于噴標(biāo)小車沿導(dǎo)軌移動(dòng)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(dòng)時(shí)應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象，同時(shí)又要求導(dǎo)軌能保持一定的使用精度，在使用過(guò)程中磨損量要小，且磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整，要有足夠的剛度且受溫度變化的影響較小，結(jié)構(gòu)工藝性好等特點(diǎn)。綜合上述，結(jié)合系統(tǒng)的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)緊湊問(wèn)題，參考相關(guān)設(shè)計(jì)資料，選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。此類導(dǎo)軌的特點(diǎn)是摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便靈活；磨損小，能長(zhǎng)期保持精度；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時(shí)不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象，故運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)。 3.1.2.2 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式： 圖3-2所示為雙V形截面的滾動(dòng)導(dǎo)軌，由于滾動(dòng)體和導(dǎo)軌面是點(diǎn)接觸，故運(yùn)動(dòng)輕便，但剛度低，承載能力小。常用于運(yùn)動(dòng)件重量、載荷不大的場(chǎng)合。 圖3-2 滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖 3.1.2.3 導(dǎo)軌選用計(jì)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(shè)計(jì)的懸臂梁的長(zhǎng)度，導(dǎo)軌的長(zhǎng)度應(yīng)與其配套。由于懸臂梁的長(zhǎng)度確定為6.8米，則導(dǎo)軌的長(zhǎng)度亦確定為6.8米。 a）載荷計(jì)算 根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求與規(guī)格，選用型號(hào)為GGB35 AA2P滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。安裝形式如下圖3-3所示 圖3-3 導(dǎo)軌副立式橫向安裝圖 查閱這種型號(hào)導(dǎo)軌的規(guī)格：受力方式為四方向等載荷，額定動(dòng)、靜載荷分別為Ca=35.1kN，Coa=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(jì)算公式 式（3.1） 式（3.2） 式（3.3） 式中 、、、——各滑塊所受載荷； 、、、——各滑塊所受剪切力； ——懸掛件總質(zhì)量； ——同一平面內(nèi)安裝導(dǎo)軌數(shù)； 其中 懸掛件總質(zhì)量為79kg 代入數(shù)據(jù)得 F1=F2=F3=F4=0.126kN F1τ=F3τ=0.194kN F2τ=F4τ=0.194Kn b）額定壽命 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副額定壽命的計(jì)算與滾動(dòng)軸承基本相同。 計(jì)算公式 式（3.4） 式（3.5） 式中 L——額定壽命（km）； Ca——額定動(dòng)載荷； P——當(dāng)量動(dòng)載荷； Fmax——受力最大的滑塊所受的載荷； ε——指數(shù)，當(dāng)滾動(dòng)體為滾珠時(shí)，ε=3； K——額定壽命單位（km），滾動(dòng)體為滾珠時(shí)，K=50； 代入數(shù)據(jù)得 L=126542km c）壽命時(shí)間 當(dāng)行程長(zhǎng)度一定時(shí)，以h為單位的額定壽命為 式（3.6） 式中 La——行程長(zhǎng)度（m）； n2——每分鐘往復(fù)次數(shù)； 代入數(shù)據(jù)得 Lh=31015h 按年工作日為300d，二班工作制，每班8h，開(kāi)機(jī)率為80%，則預(yù)計(jì)壽命年限為 式（3.7） 代入數(shù)據(jù)得 Lh=8.07年 3.1.2.4 提高導(dǎo)軌剛度的措施及導(dǎo)軌的預(yù)緊 如下圖3-4所示，當(dāng)承導(dǎo)件往復(fù)移動(dòng)時(shí)，承導(dǎo)件壓在兩端滾動(dòng)體上的壓力會(huì)發(fā)生變化，受力大的滾動(dòng)體變形大，受力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置Ⅰ時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力相等，承導(dǎo)件保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動(dòng)到位置Ⅱ或Ⅲ時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等，變形不一致，使承導(dǎo)件傾斜α角，由此造成誤差。此外，滾動(dòng)體支承承導(dǎo)件，若承導(dǎo)件剛度差，見(jiàn)下圖3-5，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會(huì)使承導(dǎo)件下凹（有時(shí)還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。 圖3-4 滾動(dòng)體受力 圖3-5 承導(dǎo)件受力 為減小導(dǎo)軌變形，提高剛度，除靠導(dǎo)軌本身的制造工藝外，常用預(yù)加載荷的辦法來(lái)提高導(dǎo)軌的剛度。 試驗(yàn)證明：隨著過(guò)盈量的增加，導(dǎo)軌的剛度開(kāi)始急劇增加，達(dá)到一定程度后，再增加過(guò)盈量，剛度不會(huì)顯著提高。牽引力隨著過(guò)盈量增加而增大，但在一定限度內(nèi)變化不大，過(guò)盈量超過(guò)一定值后，則急劇增加。因此，合理的過(guò)盈量應(yīng)使導(dǎo)軌剛度較好而牽引力不大。 3.1.2.5 技術(shù)要求 導(dǎo)軌的質(zhì)量取決于它的制造精度和安裝精度，根據(jù)設(shè)計(jì)和使用要求，制定出滾動(dòng)導(dǎo)軌的若干安裝技術(shù)條件： 1. 不允許將滑塊與導(dǎo)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(dǎo)導(dǎo)軌； 2. 安裝前必須檢查導(dǎo)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(cuò)位而強(qiáng)行擰入螺栓，將會(huì)降低運(yùn)行精度； 3. 安裝前必須分清基準(zhǔn)導(dǎo)軌副與非基準(zhǔn)導(dǎo)軌副，（基準(zhǔn)導(dǎo)軌上產(chǎn)品編號(hào)標(biāo)記最后一位有“J”，滑塊上有磨光的基準(zhǔn)面），其次是認(rèn)清導(dǎo)軌副安裝時(shí)所需的基準(zhǔn)側(cè)面； 4. 導(dǎo)軌軸和滑塊座與側(cè)基準(zhǔn)面靠上定位臺(tái)階后，應(yīng)從另一面預(yù)緊后再固定。 3.1.3 伺服電機(jī)的選型 1）確定電機(jī)轉(zhuǎn)速 根據(jù)生產(chǎn)要求可以得知要達(dá)到80m/min的生產(chǎn)速度，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)為： 式（3.8） 式中n——電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由于伺服電機(jī)的運(yùn)行性能依賴于負(fù)載和電機(jī)慣量的匹配，為了滿足系統(tǒng)靈敏性穩(wěn)定性的要求，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL應(yīng)限制在電機(jī)慣量JM的15倍之內(nèi)。 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算法如下： 式（3.9） 式（3.10） 式中 Ji——各種轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kg·m2； ωi——各轉(zhuǎn)動(dòng)件角速度rad/min； Mk——移動(dòng)件的質(zhì)量，Kg； vk——各移動(dòng)件速度，m/min； ω——伺服電機(jī)的角速度，rad/min JM——電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kg·m2； 伺服電機(jī)是依靠齒輪齒條嚙合，從而帶動(dòng)橫移機(jī)構(gòu)在懸臂梁上做直線運(yùn)動(dòng)，因此上面式（3.10）中旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為零，而直線運(yùn)動(dòng)部分的總重為79Kg，代入式（3.10）可得 式（3.11） 又由式（3.9）可得 式（3.12） 根據(jù)以上的計(jì)算可以看出，要滿足噴印速度80m/min的要求，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到425r/min,而要滿足伺服電機(jī)與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比的要求，則伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)該大于42×10-4kg·m2。因此，查閱相關(guān)伺服電機(jī)型號(hào)規(guī)格表，選擇三菱HC-SFS121型伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為42×10-4kg·m2，滿足要求。 3.2 噴頭升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 噴頭升降機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)噴頭在進(jìn)行噴標(biāo)任務(wù)時(shí)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(jī)構(gòu)由噴頭、氣缸、電磁閥、傳感器、氣路系統(tǒng)、直線滾珠導(dǎo)軌副、手輪、手柄等組成。噴頭不進(jìn)行噴標(biāo)任務(wù)時(shí)，處于上位；而在進(jìn)行噴標(biāo)時(shí)，噴頭位置下降到達(dá)工作位置。噴頭的上升下降由系統(tǒng)控制電磁閥的動(dòng)作進(jìn)而控制氣缸活塞動(dòng)作來(lái)完成。手輪和手柄則是用來(lái)調(diào)節(jié)噴頭下降時(shí)的最低位置的。 圖3-6升降機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu) 3.2.1 選擇噴標(biāo)方式 目前噴標(biāo)技術(shù)主要采用CIJ 連續(xù)式噴標(biāo)和DOD 按需噴墨式噴標(biāo)。CIJ 方式一般以磁流變液體為介質(zhì)，墨水通過(guò)壓力從單一噴嘴不斷噴出，經(jīng)晶體振蕩后發(fā)生斷裂形成墨點(diǎn)；墨點(diǎn)經(jīng)充電、高壓偏轉(zhuǎn)后在運(yùn)動(dòng)的物體表面掃描成字。其使用的介質(zhì)是墨水，主要應(yīng)用于小字符噴印。如下圖3-7所示, CIJ連續(xù)式噴標(biāo)的特點(diǎn)： 圖3-7 CIJ噴標(biāo) 1）可噴印的字符高度為0.06mm-15mm 2）噴印5*5點(diǎn)陣時(shí)很快，噴印中文、圖形、16點(diǎn)陣文字時(shí)速度變慢 3）機(jī)器運(yùn)行時(shí)，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(fèi)。 4）墨水回收系統(tǒng)容易將粉塵潮氣等吸入機(jī)器內(nèi)部，從而影響機(jī)器正常工作性能。 5）因墨點(diǎn)需要經(jīng)晶體振蕩、充電、高壓偏轉(zhuǎn)等精密控制，所以故障幾率就比較大。 6）控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要精密調(diào)整參數(shù)才能保證正常使用。 7）墨水循環(huán)過(guò)程中，大量有機(jī)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(duì)壓力及清潔度要求高，氣源質(zhì)量直接影響機(jī)器壽命。 9）齒輪泵式噴標(biāo)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要通風(fēng)散熱，由于不密封粉塵及潮氣容易進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部。 10）輪泵容易磨損，不能修復(fù)，只能更換，維修成本比較高。 DOD 按需噴墨式噴標(biāo)是通過(guò)控制一列高頻開(kāi)關(guān)式電磁閥實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣式噴標(biāo)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。如下圖3-8所示： 圖3-8 DOD噴標(biāo) 這種噴頭的噴嘴開(kāi)口度較大，可以形成較大的噴點(diǎn)，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(zhǎng)時(shí)間。相比較而言，墨水在鋼鐵材料上存在著透析，很容易擴(kuò)散，而這些特殊涂料的粘度大，與鋼鐵親和力強(qiáng)，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(biāo)在大字符或圖形噴印上存在很大的優(yōu)勢(shì)： 1）噴印字符高度為2.5mm-64mm。 2）噴印速度不受字型點(diǎn)陣的影響，最快可以達(dá)到120m/min。 3）機(jī)器運(yùn)行時(shí)，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(jiǎn)單可靠，操作簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。 7）自帶低壓供氣系統(tǒng)，氣源壓力穩(wěn)定，質(zhì)量清潔，保證機(jī)器正常運(yùn)行。 8）機(jī)內(nèi)沒(méi)有大功率部件，工作無(wú)需散熱，設(shè)備系統(tǒng)密封性能良好，不受工作環(huán)境影響。 9）沒(méi)有易損件，維修成本相對(duì)CIJ要低些。 考慮上述因素，本系統(tǒng)采用DOD 噴標(biāo)技術(shù)，選擇日本MAKTEC 公司的PJ-1B 型噴頭。該噴頭由16個(gè)精密高速電磁閥構(gòu)成，在噴印字符時(shí)，字型相對(duì)應(yīng)的電磁閥快速開(kāi)啟，墨水依靠?jī)?nèi)部恒定壓力噴出，在運(yùn)動(dòng)的表面形成點(diǎn)陣式字符或者圖形。 3.2.2 氣缸的選型 對(duì)于噴標(biāo)系統(tǒng)而言，噴頭升降并不需要太大的作用力，也不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載突然變化的情況，因此采用氣動(dòng)方式控制噴頭的升降完全可以滿足工作要求，但同時(shí)也要考慮到升降時(shí)間對(duì)鋼管生產(chǎn)節(jié)奏的影響。 設(shè)現(xiàn)場(chǎng)提供的氣源壓力為0.4Mpa，氣缸所要推動(dòng)的部件總重約為110N（噴頭和防撞機(jī)構(gòu)的質(zhì)量總和）。實(shí)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(fù)荷為Q=πD2P/4。根據(jù)FESTO氣缸活塞負(fù)荷與活塞速度的關(guān)系圖查得：氣缸的升降速度為225mm/s，可知?dú)飧椎娜谐虝r(shí)間不超過(guò)2s。 3.2.3 氣缸活塞與噴頭的配合 噴頭是噴標(biāo)執(zhí)行部件，氣缸通過(guò)活塞驅(qū)動(dòng)噴頭做上下升降運(yùn)動(dòng)，這里就涉及到氣缸活塞與噴頭的配合以及噴頭的導(dǎo)向問(wèn)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(guò)銷連接與噴頭部件進(jìn)行連接，噴頭與噴頭固定板用內(nèi)六角螺釘固定，噴頭定位銷部分內(nèi)嵌在沖頭內(nèi)部，并用沉頭螺釘預(yù)緊，噴頭銷連接部分零件與過(guò)渡板為螺釘連接?；钊麠U頭部與活塞頭銷連接部分為螺紋連接，并裝有用于微調(diào)的螺母。 噴頭在進(jìn)行噴標(biāo)任務(wù)時(shí)，必須保證噴頭作上下垂直運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作過(guò)程中不能出現(xiàn)噴頭的左右晃動(dòng)，以影響噴印質(zhì)量，因此，必須在氣缸驅(qū)動(dòng)噴頭到達(dá)噴印位置的過(guò)程中保持噴頭運(yùn)動(dòng)方向的一致性，就必須對(duì)噴頭安裝導(dǎo)向裝置。如下圖3-10所示： 圖3-10 噴頭導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖 該裝置主要由導(dǎo)柱導(dǎo)套副組成，導(dǎo)套用螺栓固定在氣缸固定座上，導(dǎo)柱安裝在噴頭過(guò)渡板上面，噴頭上下升降運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，導(dǎo)柱在導(dǎo)套內(nèi)滑動(dòng)，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(shè)計(jì)采用固定座子，氣缸通過(guò)螺栓連接安裝在固定座上，固定座與噴頭位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的托架通過(guò)螺栓連接。 圖3-11 氣缸固定示意圖 3.3 噴頭位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于不同批次的鋼管管徑大小不同，而噴頭工作時(shí)離鋼管表面的距離有一定的范圍，大概在20mm～30mm，超出這個(gè)范圍，噴印字跡不能達(dá)到最佳噴印效果。因此當(dāng)鋼管管徑不同時(shí)，要靠手輪和手柄人工調(diào)整噴頭的最低位置。根據(jù)所設(shè)計(jì)的錐齒輪副和絲桿傳動(dòng)副，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪一圈時(shí)，大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)2/3圈，絲桿螺母上升或下降5.33mm，則升降托架帶動(dòng)噴頭也跟著運(yùn)動(dòng)5.33mm。根據(jù)所能噴印的鋼管管徑差最大為200mm，最大調(diào)節(jié)距離需要轉(zhuǎn)動(dòng)手輪37.5圈，比較合適。該機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)圖如下圖3-12所示： 圖3-12 噴頭位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖 該機(jī)構(gòu)主要由托架、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、絲桿螺母副、錐齒輪傳動(dòng)副、調(diào)節(jié)手輪等組成。手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)錐齒輪副轉(zhuǎn)換為絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲桿螺母來(lái)帶動(dòng)托架作上下升降運(yùn)動(dòng)。 3.3.1 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 考慮到噴頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由人工通過(guò)手輪來(lái)調(diào)節(jié)，導(dǎo)軌副采用精度高、摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便靈活的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。根據(jù)系統(tǒng)的尺寸和相關(guān)設(shè)計(jì)要求選用型號(hào)為GGB 30BA2P2×720-2型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。 3.3.2 錐齒輪副設(shè)計(jì) 錐齒輪是圓錐齒輪的簡(jiǎn)稱，它用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng),兩軸交角∑稱為軸角，其值可根據(jù)傳動(dòng)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(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圓柱齒輪中的各有關(guān)"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(shè)計(jì)、制造及安裝均較簡(jiǎn)單，但噪聲較大，用于低速傳動(dòng)（＜5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點(diǎn)，用于高速重載的場(chǎng)合。在本文中錐齒輪副用在噴頭位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中，速度較低且屬于輕載，因此考慮用直齒錐齒輪傳動(dòng)。 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 詳細(xì)計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)附表一，其中m為大端模數(shù)，應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。（見(jiàn)附表二） 注：n1——小輪轉(zhuǎn)速；n2——大輪轉(zhuǎn)速。 3.3.2.2 直齒錐齒輪幾何計(jì)算 根據(jù)錐齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，其基本幾何尺寸按大端計(jì)算，但錐齒輪齒寬中點(diǎn)處及其當(dāng)量齒輪的幾何尺寸必須通過(guò)大端導(dǎo)出。 1） 齒寬系數(shù)FR FR=1/3，且b1=b2=b 式（3.13） 式中 b1——小錐齒輪齒寬； b2——大錐齒輪齒寬； b——平均齒寬； 2） 齒寬中點(diǎn)的分度圓直徑（平均分度圓直徑）dm和平均模數(shù)mm 式（3.14） 式（3.15） 式（3.16） 式中 dm1——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； ΦR——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(diǎn)處當(dāng)量齒輪的分度圓直徑dmv、當(dāng)量齒數(shù)zv及當(dāng)量齒數(shù)比uv 式（3.17） 式（3.18） 式（3.19） 式（3.20） 式中 dmv1——小輪當(dāng)量分度圓直徑； dmv2——大輪當(dāng)量分度圓直徑； δ1——小輪分度錐角； δ2——大輪分度錐角； u——齒數(shù)比； zv1——小輪當(dāng)量齒數(shù)； zv2——大輪當(dāng)量齒數(shù)； z1——小輪齒數(shù)； uv——當(dāng)量齒數(shù)比； 式中齒數(shù)比影響分度錐頂角的大小，一般取u≤3，最大不超過(guò)5。相關(guān)的數(shù)值計(jì)算見(jiàn)附表三所示。 3.3.2.3 直齒錐齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 1） 背錐和當(dāng)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(zhǎng)OA稱錐距， 用R表示；以錐頂O為圓心，以R為半徑的圓應(yīng)為球面的投影。若以球面漸開(kāi)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(kāi)成平面的。為此，再過(guò)A作O1A⊥OA，交齒輪的軸線于點(diǎn)O1。設(shè)想以O(shè)O1為軸線，以O(shè)1A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b'Ac'，圓弧bAc與線段b'Ac'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/m>30），兩者就更接近。這說(shuō)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(kāi)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(bǔ)足成完整的直齒圓柱齒輪，這個(gè)虛擬的圓柱齒輪稱為該錐齒輪的大端當(dāng)量齒輪。這樣就可用大端當(dāng)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（ha、hf等）等于當(dāng)量齒輪的輪齒尺寸。 圖3-14 錐齒輪軸向半剖圖 2） 當(dāng)量齒數(shù) 當(dāng)量齒輪的齒數(shù)zv稱為錐齒輪的當(dāng)量齒數(shù)。zv與錐齒輪的齒數(shù)z的關(guān)系可由上圖求出，由圖可得當(dāng)量齒輪的分度圓半徑rv 式（3.21） 式中 rv——當(dāng)量齒輪分度圓半徑； 而 式（3.22） 則有 式（3.23） 3） 當(dāng)量齒輪和重合度計(jì)算 ① 背錐和當(dāng)量齒輪 下圖3-15為一對(duì)錐齒輪的軸向剖面圖。該對(duì)錐齒輪的軸角等于兩分度錐角之和，即 式（3.24） 式中 ——軸交角； 圖3-15 錐齒輪的當(dāng)量齒輪 由于直齒錐齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算及重合度計(jì)算的需要引進(jìn)一對(duì)當(dāng)量齒輪（上圖），它們是用該對(duì)錐齒輪齒寬中點(diǎn)處的背錐展開(kāi)所得到的。當(dāng)量齒輪的分度圓半徑dv1/2和dv2/2分別為這對(duì)錐齒輪齒寬b中點(diǎn)處背錐的母線長(zhǎng)；模數(shù)即為齒寬中點(diǎn)的模數(shù)，稱為平均模數(shù)mm。 ② 直齒圓錐齒輪的嚙合傳動(dòng)特點(diǎn) 一對(duì)錐齒輪的嚙合傳動(dòng)相當(dāng)于其當(dāng)量齒輪的嚙合傳動(dòng)。因此有如下特點(diǎn)： a、正確嚙合條件 ： 式（3.25） 式中 ——小輪壓力角； ——大輪壓力角； ——嚙合壓力角； b、續(xù)傳動(dòng)條件 e>1，重合度e可按其齒寬中點(diǎn)的當(dāng)量齒輪計(jì)算。 C、不根切的最少齒數(shù) 式（3.26） 式中 zmin——不根切最少齒數(shù)； zvmin——最小當(dāng)量齒數(shù)； d、傳動(dòng)比i12 因 式（3.27） 故 式（3.28） 當(dāng)∑=90°時(shí)，有 式（3.29） 圖3-16 錐齒輪嚙合 直齒錐齒輪的當(dāng)量齒輪用于重合度計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算。參考點(diǎn)M的各個(gè)參數(shù)代號(hào)中引入下角標(biāo)“m”；當(dāng)量齒輪各參數(shù)代號(hào)中引入下角標(biāo)“v”。相關(guān)的數(shù)值計(jì)算見(jiàn)附表四所示。 3.3.2.4 直齒錐齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 直齒錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算比較復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常按其齒寬中點(diǎn)的當(dāng)量齒輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。這樣，就可以直接引用直齒圓柱齒輪的相應(yīng)公式。因直齒錐齒輪的制造精度較低，在強(qiáng)度計(jì)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(shè)法向力Fn集中作用在齒寬中點(diǎn)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(gè)分力，如下圖所3-17所示。各力的大小分別為 式（3.30） 式中 T1——小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩（N·mm）； 圖3-17 輪齒受力分析 各力的方向 主動(dòng)輪圓周力的方向與輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，從動(dòng)輪圓周力的方向與輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同；主、從動(dòng)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=KAKvKβ 式（3.31） 式中 KA——使用系數(shù)，按使用系數(shù)KA表查取（見(jiàn)附表五） Kv——?jiǎng)虞d荷系數(shù)，降低一級(jí)精度等級(jí)，用齒寬中點(diǎn)的圓周速度由動(dòng)載荷系數(shù)Kv圖查?。ㄒ?jiàn)附圖一） Kβ——齒向載荷分布系數(shù)，可按式（3.30）得 KHβ=KFβ=1.5KHbbe 式（3.32） 式中 KHbbe——由齒向載荷分配系數(shù)表KHbbe查?。ㄒ?jiàn)附表六）。 2） 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 以當(dāng)量齒輪作齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，則式（3.33） 式（3.33） 為 式（3.34） 式中 ——計(jì)算應(yīng)力值； ——彈性系數(shù)； ——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)； ——接觸強(qiáng)度計(jì)算重合度系數(shù)； ——載荷系數(shù)； ——齒面接觸應(yīng)力基本值； ——許用接觸應(yīng)力； 將當(dāng)量齒輪的有關(guān)參數(shù)代入上式中，可得直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式為 式（3.35） 而齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為 式（3.36） 式中各參數(shù)按前述確定。相關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)附表七所示。 從附表七可看出，齒面接觸應(yīng)力基本值σHO（725.7325MPa）≤接觸疲勞極限值σHlim（1370MPa）且接觸強(qiáng)度安全系數(shù)大于許用值，所設(shè)計(jì)的錐齒輪接觸強(qiáng)度達(dá)到要求。 3） 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式和設(shè)計(jì)公式見(jiàn) 式（3.37） 式（3.38） 式中 YFa——齒形系數(shù)，根據(jù)當(dāng)量齒數(shù) ，由外齒輪的齒形系數(shù)圖YFa查?。ㄒ?jiàn)附圖二）； YSa——應(yīng)力修正系數(shù)，根據(jù)當(dāng)量齒數(shù) ，由應(yīng)力修正系數(shù)YSa圖查?。ㄒ?jiàn)附圖三）； 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)附表八所示。 由附表八可看出，大小齒輪的齒根應(yīng)力基本值σFO（119.7289Mpa、201.2453Mpa）均小于彎曲疲勞極限值σFlim（206.89Mpa）且彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)大于許用值，所設(shè)計(jì)的錐齒輪彎曲強(qiáng)度達(dá)到要求。 3.3.3 絲桿副設(shè)計(jì) 絲桿副是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或者把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行能量和力的傳遞，或者調(diào)整零件間的相對(duì)位置。主要由螺桿和螺母組成。在噴標(biāo)系統(tǒng)中通過(guò)螺母的上下移動(dòng)帶動(dòng)升降托架的升降運(yùn)動(dòng)。 3.3.3.1 絲桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 根據(jù)噴標(biāo)小車調(diào)整噴頭的精度要求及系統(tǒng)載荷運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性情況，噴標(biāo)小車噴頭位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中需要通過(guò)手輪來(lái)調(diào)節(jié)噴頭的最低位置，速度比較低，運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，載荷較小。同時(shí)由于系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)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(jī)構(gòu)來(lái)保證調(diào)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(dòng)螺旋絲桿副。相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算見(jiàn)附表九所示。 3.4 防撞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于噴頭是整個(gè)設(shè)備中最為昂貴的部件，因此特別設(shè)計(jì)了立方體形式的噴頭防撞機(jī)構(gòu)。如下圖3-18所示： 圖3-18 防撞機(jī)構(gòu)示意圖 3.4.1 動(dòng)作方式 防撞機(jī)構(gòu)由一個(gè)保護(hù)罩和相關(guān)的微動(dòng)開(kāi)關(guān)組成。在保護(hù)罩底部的四個(gè)角分別安裝一個(gè)感應(yīng)式傳感器（底部防撞微動(dòng)開(kāi)關(guān)）,保護(hù)罩外部靠感官上料側(cè)還有一個(gè)擺臂式行程開(kāi)關(guān)（側(cè)部防撞行程開(kāi)關(guān)）。當(dāng)噴頭在下位時(shí)，一旦有其他物體從底部接近某個(gè)角，或者有物體從側(cè)面接近，碰到行程開(kāi)關(guān)的擺臂，則氣缸立即帶動(dòng)噴頭上升，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起到保護(hù)噴頭的作用。 3.5 氣路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣動(dòng)控制系統(tǒng)與電氣和液壓系統(tǒng)一樣，都是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械自動(dòng)化最有效的手段之一。 氣動(dòng)系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)簡(jiǎn)便，成本低廉；能適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，安全性高；工作壽命長(zhǎng)；容易獲得工作介質(zhì)（壓縮空氣）。同時(shí)，氣動(dòng)系統(tǒng)也存在大距離傳遞信號(hào)速度慢，在負(fù)載有波動(dòng)時(shí)難以保證氣動(dòng)執(zhí)行元件輸出平穩(wěn)等不足。然而對(duì)于自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備中的大多數(shù)對(duì)象來(lái)說(shuō)，氣動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)是合適的。 3.5.1 氣動(dòng)回路 噴標(biāo)系統(tǒng)的氣動(dòng)系統(tǒng)回路的動(dòng)作順序如下：升降氣缸接到啟動(dòng)信號(hào)后下降，涂料泵將涂料壓倒噴頭，噴嘴電磁閥動(dòng)作，噴印字符完成后，清洗劑泵將清洗劑壓到噴頭對(duì)噴嘴進(jìn)行清洗，同時(shí)冷卻空氣對(duì)噴嘴電磁閥進(jìn)行冷卻，最后氣缸復(fù)位，等待下次啟動(dòng)信號(hào)。 經(jīng)過(guò)以上分析，噴標(biāo)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(gè)回路。氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)作。 2） 冷卻空氣回路 冷卻空氣回路的氣動(dòng)元件有二聯(lián)件8、球閥9、球閥10、過(guò)濾器11。該回路從打開(kāi)噴標(biāo)氣路的時(shí)候就開(kāi)始需要不斷的輸出冷卻空氣，對(duì)噴頭的16個(gè)高速開(kāi)關(guān)電磁閥進(jìn)行冷卻，避免高速開(kāi)關(guān)電磁閥在工作過(guò)程中過(guò)熱，導(dǎo)致電磁閥線圈燒壞。 3） 清洗空氣回路 清洗回路的氣動(dòng)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(biāo)完成后將清洗劑用壓縮空氣打出噴嘴進(jìn)行清洗，從而保證噴嘴的順暢，達(dá)到清洗的目的。 4） 涂料回路 涂料回路主要的氣動(dòng)元件有壓力表