【溫馨提示】 dwg后綴的文件為CAD圖，可編輯，無水印，高清圖，壓縮包內(nèi)文檔可直接點開預(yù)覽，需要原稿請自助充值下載，請見壓縮包內(nèi)的文件及預(yù)覽，所見才能所得，請細(xì)心查看有疑問可以咨詢QQ：414951605或1304139763
畢業(yè)設(shè)計(論文)
頂桿自動識別系統(tǒng)的設(shè)計
THE DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECTING SYSTEM FOR MANDRIL
摘要
在鋼管生產(chǎn)過程中，需要實時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，實現(xiàn)頂桿的識別與信息跟蹤，基于 PLC的控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的檢測原理，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)頂桿自動識別系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀及存在的問題并闡述了頂桿自動識別系統(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)計要求；根據(jù)鋼管的具體參數(shù)和工作要求對檢測系統(tǒng)的整個機(jī)架部分進(jìn)行設(shè)計。
第三章主要是對組成機(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)度校核計算。
第四章簡述了PLC編程的方式和S7 400的組成；提出了PLC程序的測試策略；介紹了傳感器的選型，信號轉(zhuǎn)換和安裝。
第五章總結(jié)了頂桿自動識別系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)開發(fā)過程所做的工作，并對系統(tǒng)的改進(jìn)方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞 ：頂桿；檢測；機(jī)架；氣缸；傳感器；PLC
Abstract
In 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 PLC
III
目 錄
1 緒論 1
1．1引言 2
1．2背景及原理介紹 3
1．3檢測系統(tǒng)的組成 5
1．4系統(tǒng)開發(fā)的必要性 9
1．5論文的主要工作和意義 10
2 頂桿自動識別系統(tǒng)的總體設(shè)計 11
2．1頂桿自動識別系統(tǒng)的設(shè)計要求 11
2．2頂桿自動識別系統(tǒng)的總體設(shè)計 11
3 機(jī)械部分的設(shè)計 16
3．1氣缸部分 16
3.1.1氣缸和閥的選型 16
3.1.2氣缸的力學(xué)計算及校核 16
3.1.3氣缸的圖形及說明 18
3.1.4系統(tǒng)的氣動回路 19
3．2導(dǎo)軌部分 20
3.2.1滾珠絲杠副的選型 20
3.2.2滾珠絲杠副的力學(xué)計算 20
3.2.3滾珠絲杠的圖形及說明 22
3．3本章小結(jié) 23
4 電氣部分的設(shè)計 24
4．1系統(tǒng)的配電圖及說明 24
4．2傳感器的選擇，安裝及數(shù)據(jù)處理 24
4．3 PLC的組成及編程 27
4．4 S7-400編程方式 29
4．5本章小結(jié) 31
結(jié)論 32
致謝 34
參考文獻(xiàn) 35
附錄 36
附錄1 36
附錄2 43
1 緒論
1．1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1－1所示。
圖1－1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，隨后進(jìn)行其他各項精整工序。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、產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品標(biāo)號和供方印記或注冊商標(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)市場和國際市場的接軌，鋼管市場同樣面臨一系列的問題。國內(nèi)鋼管進(jìn)入國際市場，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)行測量和標(biāo)記。人工測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，字跡相對工整。這種做法沿用了很長一段時間，部分廠家目前仍在使用。很明顯，這些方法存在測量精度低、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、字跡不清楚等缺點。表1—1為國際標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)摘錄：
表1—1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)品為了參與國際競爭，耗巨資引進(jìn)國外的整條流水線。這些進(jìn)口的設(shè)備測量精度高、生產(chǎn)效率高、勞動強(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)的市場需求。因此，開發(fā)研制同類產(chǎn)品已經(jīng)迫在眉睫。
1．2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)奈恢茫拍茉谲堉七^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，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。每次軋制前檢測裝置通過檢測獲取編號，并上傳給上位機(jī)，上位機(jī)依據(jù)編號從數(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。目前識別、輸入編碼的方式有 3種：人工識別和輸入的方式、一維條形碼識別方式、二維編碼識別方式。但是這 3種檢測方式并不適合現(xiàn)場的實際需求 ，原因如下：
（1）現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，所以要求系統(tǒng)在無人干涉下能自動完成檢測。
（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，檢測時定位也很困難，所以用檢測二維碼的方式也不合適。
（4） 頂桿在運行過程中經(jīng)常滾動，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,造成檢測的失敗。因此，研發(fā)適合現(xiàn)場工作條件的頂桿檢測裝置十分必要。我們從實際出發(fā)，參照相關(guān)的檢測方式，設(shè)計了一套符合現(xiàn)場要求的頂桿檢測系統(tǒng)。頂桿檢測裝置必須滿足以下功能要求:能在高溫下工作，能檢測不同管徑的頂桿，能克服因為頂桿磨損而造成的誤差。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)又可以通過實際的開關(guān)量來表示，100001 B就可以用6個傳感器的狀態(tài)來表示，這樣任何一個十進(jìn)制的數(shù)都可以通過傳感器的狀態(tài)來表示。在頂桿檢測的過程中，傳感器感應(yīng)不到頂桿開槽的部分，則這個傳感器的狀態(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頂桿尾部開的槽的狀態(tài)就可以獲取頂桿編號，達(dá)到檢測的目的。系統(tǒng)的檢測原理圖 ,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 A、B、C、D、E、F 6道槽的狀態(tài)。每組有 6個傳感器并聯(lián)，以提高工作的可靠性，這 6個傳感器中只要有一個感應(yīng)到，則這組傳感器狀態(tài)為1。以圖1—2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頂桿。
圖1—2檢測正視圖
1．3檢測系統(tǒng)的組成
頂桿檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1—4所示，系統(tǒng)包括檢測頭、檢測頭對齊擋板、支撐板、升降氣缸、機(jī)身、對齊氣缸、頂桿對齊板、頂桿編碼部分、頂桿到位檢測傳感器、頂桿等 10個部分。整個系統(tǒng)的工作流程可以分為 5個步驟：
（1） 傳感器檢測頂桿是否到位。
（2） 對齊氣缸推出。頂桿到位后，氣缸先把頂桿推到檢測的位置。氣缸裝有前位傳感器，PLC輸出電磁閥控制信號后延時 2s后若還沒檢測到前位傳感器信號，說明氣壓系統(tǒng)存在故障，PLC輸出相應(yīng)的報警信號并在上位機(jī)上顯示報警信息，系統(tǒng)會根據(jù)實時情況做出相應(yīng)處理。
（3） 氣缸下降，對齊氣缸后退。氣缸向前推到位后（前位傳感器觸發(fā)），升降氣缸下降，同時氣缸后退。因為頂桿的直徑變換范圍很大 （32mm～256mm），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，該圖的視角為正對橫梁前端，由圖可知氣缸和滾珠絲杠副并沒有安裝于同一平面內(nèi)，所以設(shè)計安裝時該考慮到兩平面之間的平行度問題，由于檢測頭下方的傳感器是6×6方形陣列，所以鋼管的放置方向?qū)z測沒有任何影響。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可調(diào)節(jié)撐腳（實際上就是一對可調(diào)螺栓螺母）這樣可以保護(hù)檢測頭不受損。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氣缸的運行，當(dāng)水平和豎直方向上的位置都滿足檢測要求后，系統(tǒng)開始正常工作。
圖1—4為系統(tǒng)的工作圖，對齊氣缸安裝位置和V架同一高度，它通過連接在活塞桿上的推板推動鋼管以達(dá)到對齊的作用，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1—4中看不到，圖1—3為整個系統(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1—3 機(jī)架俯視圖
（4）檢測頭檢測。檢測頭到位即是檢測頭對齊擋板和頂桿對齊擋板緊靠在一起，其目的是為了讓檢測傳感器和頂桿上的槽相互對齊，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一個檢測成功的信號，PLC就開始運行下步動作。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)會在監(jiān)控界面中報錯，同時通知 PLC重新檢測一次。本系統(tǒng)的原理就是根據(jù)PLC接受到現(xiàn)場的信息然后對頂桿的位置做出實時調(diào)整，由于鋼管間直徑相差較大，因此頂桿的規(guī)格也會相差較大，而本系統(tǒng)精度要求較高，所以PLC現(xiàn)場對頂桿做出的調(diào)整很重要。
圖1—4系統(tǒng)工作外形圖
（5） 氣缸上升。檢測成功后，氣缸上升，直到上位傳感器信號觸發(fā)停止，如果2s內(nèi)氣缸沒有上升到指定位置，系統(tǒng)就會報警，PLC會根據(jù)現(xiàn)場具體情況做出調(diào)整。直到頂桿檢測完成。圖1—5是系統(tǒng)的PLC流程圖。該圖考慮到每個工作流程可能發(fā)生的狀況，并對可能發(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)場的模擬信息是如何從傳感器傳出并被PLC識別的，系統(tǒng)中的所有用電部分經(jīng)過統(tǒng)計后，給出輸入，輸出端子圖。
圖1—5 PLC流程圖
頂桿檢測頭是一個特殊設(shè)計的部件，其作用為：檢測頭是一個 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檢測頭連為一體。平時生產(chǎn)的時候 ,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，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 1—6是頂桿檢測的正視圖。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)臺架的角度為，臺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ΔX。則存在以下關(guān)系，見式（1.1）：
式（1.1）
由圖1—6可知，檢測頭在 X方向上的變化范圍為ΔX，只有系統(tǒng)的傳感器 X方向檢測距離才能保證檢測成功?，F(xiàn)場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1—6 檢測正視圖
所以，只要≥84.5mm 就能滿足檢測要求。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。因為> 43mm，所以，如果在 X方向只安裝一個傳感器，顯然不能滿足現(xiàn)場檢測的需要。按理論要求只要在 X方向裝 3個傳感器就能滿足需求，但考慮機(jī)械設(shè)計和現(xiàn)場安裝的方便，所以，在 X軸上安裝了 6個傳感器。
1．4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
1．5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、通過對頂桿檢測系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀的分析，對系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計。 具體為機(jī)械組成框架部分的設(shè)計。
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)計算。
3、通過對系統(tǒng)工作原理和PLC的研究，進(jìn)行了PLC流程設(shè)計，給出其接線圖。
4、將人機(jī)工程學(xué)運用到系統(tǒng)中，設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的研制成功填補了國內(nèi)檢測行業(yè)空白，其檢測精度和標(biāo)識效果達(dá)到同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。
2 頂桿自動識別系統(tǒng)的總體設(shè)計
2．1頂桿自動識別系統(tǒng)的設(shè)計要求
系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：
（1）工作范圍 鋼管外徑：φ48（32）～φ246mm；鋼管重量：20Kg～1000Kg；鋼管長度：6m～15m；
（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 氣缸在下降的時候2s到達(dá)指定位置，上升時1s回到起始位置，對齊氣缸2s推到工作位置；
（4）自動化要求 具有自動報警功能，急停，自鎖功能，半自動、手動功能；動態(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。
2．2頂桿自動識別系統(tǒng)的總體設(shè)計
在對頂桿自動識別系統(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)計總示意圖如下，圖2—1只是設(shè)計開始的構(gòu)思，只為示意。
圖2—1外形示意圖
（1） V型臺架 V型臺架用來放置鋼管，由于鋼管長度為6m～15m，所以僅靠一個臺架顯然不行，本系統(tǒng)中在地面上放置了5個臺架，這樣可以根據(jù)鋼管的長短來調(diào)整鋼管的放置，5個臺架按一定距離安放，高度要統(tǒng)一，確保鋼管受力均勻，在臺架上帶有尼龍墊。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的過程中不被臺架劃傷；另一方面是用來增大鋼管與臺架之間的摩擦系數(shù)，增大兩者之間的摩擦力，增強(qiáng)鋼管在被推動時運動的平穩(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上移，這樣鋼管就容易滾動，不利于傳感器的識別，但是夾角過大承載面就會趨于水平，這樣鋼管也容易滾動，也不利于傳感器的識別，所以夾角一般選擇120°~140°為了便于計算（這里選擇120°）。臺架的具體設(shè)計思想為一“V”型板和兩個夾板通過兩個螺栓螺母組連接在一起，再通過兩個加強(qiáng)肋和底板焊接在一起，整個臺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，在承載臺上安裝的V架也可以設(shè)計成多排，本系統(tǒng)的具體設(shè)計思想如圖2—2所示。
圖2—2 臺架設(shè)計
（2）機(jī)架，橫梁和立柱 本系統(tǒng)中橫梁的材料為35號鋼，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副，立柱先和一橫板焊接之后再與橫梁間通過3個螺栓，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個螺栓螺母組連接，另外還加有四個加強(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”形滑臺上，由于絲杠的尾部沒有開螺紋，所以可以連接一個手動搖柄裝置，因為滾珠絲杠副可以將螺旋運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這樣整個橫移機(jī)構(gòu)就可以通過手動控制橫梁尾部的搖柄而在橫梁上水平移動，因為滾珠絲杠副不能自鎖，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。
（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)接了檢測頭部分。因為在本系統(tǒng)中鋼管規(guī)格為 Φ48mm~Φ246mm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)還安裝了一個控制豎直方向的手柄裝置，他通過一對嚙合的錐齒輪傳動改變旋轉(zhuǎn)方向，再通過滾珠絲杠副的螺旋運動來實現(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，設(shè)其高為200 mm，整個橫梁和機(jī)架和底板用地腳螺栓連接在水泥臺上，氣缸的行程為500 mm，整個V形臺架高為1500mm, 絲杠螺紋長度為300 mm，那么整個橫梁的高度就得大于H H=500+1500+300 mm。取整為2300 mm，圖2—4為橫移機(jī)構(gòu)剖視圖：
圖2—3橫移機(jī)構(gòu)剖視圖
（3） 氣缸及氣路 因為在本系統(tǒng)中無論豎直方向上的升降還是水平方向上的對齊，都需要由一個機(jī)構(gòu)來提供動力，參考國內(nèi)大型鋼廠的鋼管生產(chǎn)線可知，很多設(shè)計在這一環(huán)節(jié)采用氣缸裝置，故氣缸的設(shè)計為本論文機(jī)械部分的重點，氣缸的型號主要根據(jù)所需的移動距離和推力來確定。因為FESTO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個連接螺栓，8個圓片和螺母，一個法蘭，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 氣動元件系列的DNC-40-500-PPV型氣缸作為氣路的執(zhí)行元件，因為本系統(tǒng)對精度要求很高，所以該氣缸上的緩沖裝置可以在氣缸快速升降的時候消除慣性力和運動殘余能量，分析氣缸的運動要求后選用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，推桿回縮即氣缸上升，當(dāng)作用在右位時，推桿伸出，當(dāng)閥作用在中位時，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，推桿能立即停止運動。
對齊氣缸的型號為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，活塞推出，右位時活塞縮回。兩個氣缸并聯(lián)，由PLC一齊控制。
由于氣缸是安裝在一個移動支架上面，該支架又通過槽鋼和兩個滾動導(dǎo)軌副接在一起，當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動時，絲杠螺母就會升降，由于螺母通過螺母座和支架連接在一起，這樣整個升降機(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，所以安裝時要特別注意兩平面之間的平行度問題）。
（4）手柄 因為手動控制是系統(tǒng)的一個重要工作方式，每當(dāng)系統(tǒng)報警或是運行不暢的時候都需要由手動來調(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手柄裝置，在手柄裝置里面主要由一對嚙合的錐齒輪（齒輪和傳動軸之間用鍵連接）來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向上的變化，再通過滾珠絲杠副將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，因為本系統(tǒng)為精密檢測系統(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壓緊裝置，當(dāng)此壓緊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動時安裝在傳動軸上的斜楔機(jī)構(gòu)因為螺紋配合就會向右擠，而右邊的間隙又是固定的，當(dāng)整個斜楔被擠到極限位置時，手輪就無法轉(zhuǎn)動，這樣就可以實現(xiàn)豎直方向上的自鎖，當(dāng)這個調(diào)節(jié)裝置手柄搖動時，整個檢測裝置就會上下升降，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)計過程略），因為兩錐齒輪的傳動比等于它們分度圓直徑的反比，所以兩齒輪的傳動比為/ =63.2/42.8=3/2,所以當(dāng)手輪轉(zhuǎn)過一圈時絲杠就會轉(zhuǎn)2/3圈，因為本系統(tǒng)中絲杠的螺距為6mm，所以此時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，手動裝置具體的構(gòu)造如圖2—5，該圖為手動裝置的剖視圖。
圖2—5手動裝置剖視圖
（5） 檢測頭部分 頂桿檢測頭是一個特殊設(shè)計的部件，其作用為：檢測頭是一個 6×6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M8×20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檢測頭連為一體，采用在活塞桿上安裝附件，該附件為Y型帶銷連接桿，通過此裝置將檢測機(jī)構(gòu)連接到氣缸上。當(dāng)系統(tǒng)正常工作的時候，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，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
3．1氣缸部分
3.1.1氣缸和閥的選型
考慮到在這個系統(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 (m<100Kg) 而氣缸行程為500 mm ，因為系統(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 mm／s ，V2=500 mm／s，氣缸要在2s時間內(nèi)壓縮空氣趨動質(zhì)量為m的裝置運行 500mm距離，即 F=P×S≥ G 計算得 D≥35 mm 故采用缸徑為 Φ40 mm 肯定能滿足工作要求。參考FESTO氣缸系列，選取標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號為DNC-40-500-PPV-A，氣缸在工作時要實現(xiàn)上升，下降，停止控制功能，所以系統(tǒng)還需要一個氣動控制元件，這里選取FESTO MN1H ISO5599-1型號的三位五通電磁閥，當(dāng)閥處于中位時氣缸不工作，這一位置就為氣缸的原點，當(dāng)左邊的線圈得電時，閥處于左工作位時氣缸上升，右工作位下降。在頂桿右側(cè)還安裝有一個對齊氣缸，如果傳感器陣列和頂桿編碼部分有水平距離，對齊氣缸就會將頂桿推到應(yīng)有的位置。對齊氣缸與159 687MN1H—5/2—D—FR—C型二位五通閥相連，當(dāng)閥處于左位時，活塞推出，右位時活塞縮回。
3.1.2氣缸的力學(xué)計算及校核
選好氣缸型號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)計采用M8的GB5780-86 ， 為35 ~80螺栓，氣缸工作壓力為1MPa，下面對它進(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3—1連接示意圖
計算螺栓受力
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
螺栓危險截面面積
螺栓應(yīng)力幅
確定許用應(yīng)力幅
螺栓材料和性能等級 35號鋼 5.8級
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。
耗氣量的計算，氣缸單位時間內(nèi)消耗的壓縮空氣量為：
當(dāng)活塞桿伸出時
式（3.1）
式中D——氣缸缸徑 S——氣缸行程 t1——活塞伸出時, 完成行程所需時間，由式（3.1）得
當(dāng)活塞桿縮入時
式（3.2）
式中 d----活塞桿直徑 t2----活塞桿縮入時, 完成行程所需時間，由式（3.2）得因為對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3—2氣缸設(shè)計資料
10mm~2000mm, 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3—2為FESTO自動化公司的設(shè)計圖紙。
3.1.4系統(tǒng)的氣動回路
結(jié)合系統(tǒng)的工作要求知道升降部分的氣缸和對齊部分的氣缸各自獨立工作，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G1/4，兩個氣缸和氣管的連接螺紋都為G1/4，這兩個電磁閥各接兩只消聲器，三通管前面的氣管選用Φ8mm，經(jīng)過三通管后換用Φ10mm氣管，通過上面的分析給出系統(tǒng)的氣動回路如圖3—3：
圖3—3系統(tǒng)氣動回路圖
3．2導(dǎo)軌部分
3.2.1滾珠絲杠副的選型
在系統(tǒng)對工作方式的要求中，手動調(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橫移機(jī)構(gòu)或升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，我們可以通過安裝手輪來實現(xiàn)手動，這里主要涉及到運動方向上的轉(zhuǎn)換，能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的裝置有螺旋傳動裝置，在所有的螺旋傳動裝置中由于滾珠絲杠裝置摩擦阻力小，傳動效率高可達(dá)85%~95%，運行平穩(wěn)無顫動且低速不爬行，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，其具體型號為FFZD5006—5。由于絲杠的長度一般都不會太長（太長剛度就會減弱），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)手輪搖動時運動傳遞到絲桿上，絲杠轉(zhuǎn)動螺母上升，螺母座帶動橫移支架升降。
3.2.2滾珠絲杠副的力學(xué)計算
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。
求計算載荷：
由手冊查得
式（3.3）
由式（3.3）得，因為，所以選用滾珠絲杠副型號為FFZD5006—5，主要尺寸為：
循環(huán)圈數(shù)為
螺旋導(dǎo)程角
穩(wěn)定性計算，因為螺桿較長，應(yīng)驗算螺桿的穩(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，通過驗算。
剛度驗算
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，此時變形量為最大，計算公式為
式中
（式中摩擦系數(shù)按0.0025計，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，由手冊查得的一半為
3.2.3滾珠絲杠的圖形及說明
圖3—4滾珠絲杠外形圖
圖3—4為螺母的工作示意圖
圖3—4為螺母的工作示意圖。
圖3—5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)手動調(diào)節(jié)裝置轉(zhuǎn)過一圈時，轉(zhuǎn)動傳遞到絲杠螺母實際上升距離為4 mm。
圖3—5為絲杠工作明細(xì)圖
該滾珠絲杠副在安裝的時候要注意的事項，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6~7級。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動，豎直方向上的絲杠的自鎖是通過手動調(diào)節(jié)裝置里面的斜楔機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)的，當(dāng)手輪上的手柄轉(zhuǎn)動時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。
3．3本章小結(jié)
在第二章中只是對系統(tǒng)大體組成方面做了設(shè)計，在本章節(jié)中，根據(jù)具體工作要求，重點對機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計，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)計算，并說明了各個裝置是如何實現(xiàn)傳動的。
4 電氣部分的設(shè)計
4．1系統(tǒng)的配電圖及說明
在前面的章節(jié)里對系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)造部分進(jìn)行了設(shè)計之后，本章著重分析檢測系統(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）后安裝一個斷路器線包QF1，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時（如報警或急停）可以直接從干路上切斷電源的連接，然后接一變壓器，因為工業(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，在電路中加入兩個開關(guān)電源，一個負(fù)責(zé)輸入部分，另一個負(fù)責(zé)輸出部分，這樣一些其他用電點就可以和開關(guān)電源相連，比如冷卻裝置和一些開關(guān)示意燈，通過對系統(tǒng)中所有要用電部分的研究后給出配電原理圖：
圖4—1配電原理圖
4．2傳感器的選擇，安裝及數(shù)據(jù)處理
在本系統(tǒng)中頂桿檢測也是一個重要的環(huán)節(jié)，檢測頭上安裝有36個傳感器，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，其限位型觸摸開關(guān)經(jīng)常振動高頻，當(dāng)被檢測物體與探針接觸后，振動電路的常數(shù)將發(fā)生變化，開關(guān)電路發(fā)生動作輸出信號，只要輕微觸碰就能檢測，通過發(fā)光二極管來顯示動作，這36個傳感器通過螺釘安裝在一個樹脂澆注的模架內(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轉(zhuǎn)化成電信號。而PLC的輸入輸出接口是可編程控制器和現(xiàn)場各類信號連接的部分，但是從傳感器中出來的信號太微弱，需要經(jīng)過放大器放大后才能達(dá)到PLC的識別要求。通常采用三極管來達(dá)到放大的目的，下面依次為信號放大放大示意圖，傳感器實物圖，傳感器安裝圖：
圖4—2傳感器實物圖
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4—3為實際安裝圖，圖4—4為安裝俯視圖，整個模架通過四個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齊，由于本型號的傳感器重量很小所以不需要力學(xué)校核。另外本型號傳感器需要使用傳感器專用電源，通過開關(guān)電源供電。
圖4—3安裝正視圖
圖4—4安裝俯視圖
圖4—5輸出級電路圖
由于36個傳感器是并聯(lián)使用，所以安裝時天線之間的距離要大于4mm,將連接軟線藍(lán)（黑）接地。
4．3PLC的組成及編程
可編程序控制器簡稱 PC機(jī)，為了和個人計算機(jī)區(qū)別，又稱 PLC (Programmable Logical Controller)作為是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，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)行邏輯運算、順序控制、定時、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4—5所示：
圖4—5PLC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。
（2） 用戶程序是用戶根據(jù)實際要控制的系統(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、計數(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)，實現(xiàn)對各種機(jī)械的運動控制。
（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DCSΠIPC之間，通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成多級分布式控制系統(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型號多樣，常常作為 DCS 或其他計算機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)實時采樣和基礎(chǔ)級工藝參數(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、輔助繼電器，不存在傳統(tǒng)繼電器觸點的磨損、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；其平均無故障時間達(dá)幾萬～幾十萬小時以上。
（3）PLC所使用的編程語言是面向現(xiàn)場、面向問題、面向用戶的控制語言，能直接而簡明地表達(dá)被控制對象的輸入輸出之間的關(guān)系及動作方式；PLC對時間控制精度高，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)場接線簡便，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、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)，對于改造原有老化設(shè)備，或應(yīng)用于新型自動化生產(chǎn)線，都有重要的現(xiàn)實意義。
4．4S7-400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 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，控制各個功能的循環(huán)執(zhí)行，調(diào)用為了實現(xiàn)控制功能而編寫的功能FC、功能塊FB。 功能塊 FB 實際上是用戶子程序，是由一個數(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，是無存儲區(qū)的邏輯塊，F(xiàn)C的臨時變量存儲在局部數(shù)據(jù)堆棧中。 數(shù)據(jù)塊DB是用戶定義的用于存儲數(shù)據(jù)的存儲區(qū)，也可以被打開或關(guān)閉。DB可以是屬于某個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。
控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)是采用集散控制模式 ,借助于現(xiàn)場總線高速可靠通信能力 ,將分布在現(xiàn)場的多個 PLC和計算機(jī)組合成一個完整的控制系統(tǒng)。這里采用的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù) ,傳輸速度9. 6Kbit/s～12Mbit/s。速度為 12Mbit/s時,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)通過串口連接報表打印機(jī)。系統(tǒng)控制框圖 ,如圖 4—6所示。
圖4—6系統(tǒng)控制框圖
系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為 PLC程序設(shè)計和上位機(jī)設(shè)計兩個部分。它包括主流程 OB1，初始化程序 OB100，手動程序 FC1，自動程序 FC2,報警處理程序 FC3及狀態(tài)顯示程序 FC4這 5個部分。
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行順序。
OB100是初始化程序，只是在系統(tǒng)掉電重啟后運行一次，其他時間內(nèi)不調(diào)用。其作用是使各個設(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的各個寄存器都復(fù)位等。FC1是手動程序，是操作人員點動控制各個設(shè)備。
FC2是自動運行程序。系統(tǒng)主要的工作方式，它不需要人工干預(yù)，能自動完成頂桿檢測工作。
FC3是報警程序。主要處理各類報警，根據(jù)不同的報警信息進(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，各檢測傳感器狀態(tài)，方便工作人員及時了解現(xiàn)場的信息，防止誤動作的發(fā)生。
（2） 頂桿編號追蹤功能。頂桿檢測裝置每檢測一根頂桿 ,上位機(jī)就會把頂桿編號保存下來，并采用移位的方式跟現(xiàn)場的頂桿編號保持同步。當(dāng)所有的頂桿都被檢測完以后每檢測一次，上位機(jī)就會用存儲的編號與檢測系統(tǒng)檢測的編號進(jìn)行比較，如果兩個數(shù)據(jù)一樣，表示檢測正確，如果兩個數(shù)據(jù)不一樣，上位機(jī)報錯，說明檢測傳感器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會自動重新檢測一次。
圖4—7PLC接線圖
（3） 實時數(shù)據(jù)顯示。上位機(jī)會根據(jù)檢測的頂桿編號從數(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)會彈出提示信息，提醒操作人員及時更換頂頭。圖4—7是 PLC輸入輸出端接口圖。
4．5本章小結(jié)
在上一章對系統(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系統(tǒng)，要求在現(xiàn)場惡劣的環(huán)境下能快速、準(zhǔn)確的檢測出頂桿的編碼，并由PLC做出相應(yīng)處理，所以電氣控制部分的設(shè)計至關(guān)重要。
結(jié)論
本文在對頂桿自動識別系統(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。頂桿自動識別系統(tǒng)系統(tǒng)填補了國內(nèi)鋼管生產(chǎn)線的空白，其檢測精度和標(biāo)識效果達(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，論證了頂桿自動識別系統(tǒng)開發(fā)的必要性，并進(jìn)行了方案研究和論證。
（2） 對頂桿自動識別系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計，具體包括：硬件組成、工作原理和具體設(shè)計方案，確定了控制系統(tǒng)和軟件的功能等。
（3） 控制系統(tǒng)設(shè)計。對頂桿自動識別系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，主要包括系統(tǒng)電氣組成、PLC硬件設(shè)計，基于伺服控制的噴標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計和建模仿真。
（4） PLC 程序的設(shè)計及調(diào)試。根據(jù)頂桿自動識別系統(tǒng)的功能要求，針對 PLC系統(tǒng)的硬件特點，對PLC程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計。根據(jù)各個工位功能的不同和所需的交流信號，對各個工位PLC程序的流程、控制信號和數(shù)據(jù)信號、以及PLC與上位機(jī)通訊時序進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。完成了現(xiàn)場調(diào)試，解決了現(xiàn)場中出現(xiàn)的問題。
（5） 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)試。采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行了上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計，具體包括各個功能塊的設(shè)計、控制界面的設(shè)計和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。在現(xiàn)場進(jìn)行了調(diào)試，按照要求完成各種不同報表的實現(xiàn)。
我們設(shè)計研制的頂桿自動識別系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)大型鋼管公司運行了一段時間，性能達(dá)到了國外同類產(chǎn)品，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，監(jiān)控功能完善?？紤]到產(chǎn)品的延續(xù)性，下一步的工作主要有：
（1）頂桿自動識別系統(tǒng)的應(yīng)用面還比較窄，僅能應(yīng)用在鋼管生產(chǎn)行業(yè)，下一步應(yīng)以頂桿自動識別系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研制適用于鋼坯、鋼板等生產(chǎn)的同類設(shè)備，以實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化。
（2）頂桿自動識別系統(tǒng)中，有許多關(guān)鍵部件是國外進(jìn)口的，如光電傳感器、編碼器、氣缸、PLC、換向閥、節(jié)流閥、減壓閥等。而且成本高，所以系統(tǒng)部件的國產(chǎn)化工作有待進(jìn)行。
（3） 若系統(tǒng)的可靠性要求提高，則可以選用雙機(jī)熱備冗余的雙機(jī)系統(tǒng)，兩個CPU單元同時履行計