机械毕业设计688钢管自动喷标系统设备之立柱横梁设计.docx

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机械毕业设计688钢管自动喷标系统设备之立柱横梁设计

摘要

钢管是一种用途广泛的工业金属材料，也是国民经济发展的一个重要支柱。

本文根据国内外钢管生产线上喷标系统的研究开发现状，进行了该项目的控制系统和软件系统的设计，并取得了成功。

本课题的主要研究工作：

第一章：

综述钢管的工艺生产流程及API国标；说明国内喷标系统的开发研究现状及存在的问题并阐述了开发喷标系统的必要性；陈述课题来源和论文的主要工作和意义。

第二章：

提出系统的设计要求；根据系统的组成结构进行立柱横梁的设计，包括立柱横梁的组成以及设计时应注意的问题，重点论述了齿轮齿条的设计，最后给出机械结构部分的设计；

第三章：

论述喷标系统中立柱横梁的设计组成；介绍了伺服系统的相关技术；给出了控制系统的特点。

第四章：

简述了PLC编程的方式和S7400的特点；着重介绍了PLC程序的喷标流程设计以及配电原理图；简单介绍了PLC程序设计的特点。

关键词：

钢管；喷标；立柱横梁；齿轮齿条；伺服系统；PLC

ABSTRACT

Pipeisawidelyusedindustrialmetalmaterials,developmentofthenationaleconomyisanimportantpillar.Accordingtodomesticandforeignsteeltubeproductionlinejetstandardsystemofresearchanddevelopmentofthestatusquo,theprojectcontrolsystemsandsoftwaresystemsdesign,andhasachievedsuccess.Themaintopicofthisresearch:

Chapter1:

SummaryofthepipeoftheproductionprocessandtheAPIGB;indicatethedomesticjetMarkingSystemResearchandDevelopmentoftheexistingproblemsanddescribedthedevelopmentofstandardsystemsspraythenecessityoftopicspresentedpapersandthemainsourceofworkandsignificance.

Chapter2:

Thesystemdesignrequirementsunderthesystemstructuresprayingthecompositionofthestandardsystemdesign,includingthecompositionandworkofsystemdesignprocessandtheyshouldpayattentiontotheproblem,andgivesomeofthemechanicalstructuredesign,andabriefoverviewofcontrolThesystemdesignprogramme.

Chapter3:

Thestandardsysteminthepostspraybeamsofthedesign;focusesonthedesignofgearandrack;introducedtheServoSystemtechnology,thecontrolsystemfeatures.

Chapter4:

briefedthePLCprogrammingmethodsandS7400features;PLCprogramfocusesontheprocessofsprayingstandardschematicdesignanddistribution;briefaccountofthePLCprogramdesignfeatures.

Keywords:

steelpipessprayedsuperscriptcolumnbeamsgearandrackservosystemPLC

1绪论

1.1钢管喷标系统的开发现状

1.1.1引言

钢管广泛地应用于机械、建筑和石化等行业，又是国防工业的重要材料，用于制造枪管、炮筒以及其他武器。

钢管的生产工艺种类繁多，生产过程非常复杂，生产设备也很庞大，以163机组为例，热轧钢管生产流程如图1－1所示。

图1-1机组热轧钢管生产工艺流程

按照工艺流程，管坯进入车间后按照工艺要求锯成定尺长度，然后依次经过环形炉加热、三辊穿孔机穿孔、连轧机轧钢、定径机定径。

加工成的钢管需要减径的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，送至链式冷床上冷却，冷却后锯成定尺长度的钢管（有的需要热处理）输送到斜辊式矫直机上矫直，矫直后依次经过超声波探伤，水压机试验，随后进行其他各项精整工序。

精整后的成品管经过感应加热炉后进行涂油打捆入库。

根据GB2102-88规定，外径不小于36mm的钢管应在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴印记。

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、产品标号和供方印记或注册商标。

具体不同类型的管子有不同的印记内容。

随着我国加入WTO，国内市场和国际市场的接轨，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APISPEC5CT（见表一所示）。

过去，大部分的钢管厂家采用人工的方式进行测量和标记。

人工测定钢管的长度和重量，并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，这些方法存在测量精度低、劳动强度大、生产效率低、字迹不清楚等缺点。

从上个世纪90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，耗巨资引进国外的整条流水线。

这些进口的设备测量精度高、生产效率高、劳动强度低、字迹统一规范。

但是进口设备成本高、要求工人素质高、维护成本也高。

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，开发研制同类产品已经迫在眉睫。

表1－1APISPEC5CT标准摘录

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，而且设备功能强大，能喷各种各样的字符甚至中文，设备采用了各种先进技术，尤其是喷头部分的设计。

例如美国著名喷标机公司Videojet、Marsh以及英国Willet，丹麦Magnemag公司、Infosight公司的spraymarkingsystem。

其中丹麦Magnemag公司的喷标机能满足冶金企业的恶劣要求，已经应用在鞍钢，酒钢等钢铁公司，但是其价格昂贵，约为250万人民币，涂料每升约800元。

过去国内对喷标系统的研究比较少，一般依靠进口国外先进设备。

直到二十世纪九十年代才开始有少数机构对钢铁行业的喷标进行研究。

其中杭州钢铁公司的热轧钢坯喷标机采用七段码方式进行喷标。

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号码。

图1－2为该系统使用的喷头示意图。

在喷头结构示意图中，通向7段“笔划”的涂料管彼此连通，同时供应涂料；而7个压缩空气的喷嘴是独立控制的，只有当该段有压缩空气喷出时，涂料才会随之流出而形成喷雾并在钢坯上喷出笔划。

对7个空气喷嘴进行组合控制即可喷出所需的号码。

七段码方式喷号，喷头的设计相对简单，号码的变换转化为对7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，不需要更换字模，喷标速度快等优点。

但是，与点阵式不同，在七段码中，缺少笔划将使号码失去意义，因此必须保证每一笔划的可靠喷射。

这既要保证喷头有良好的雾化和喷射的可靠性，也要对控制电路作出保证，必须增加工作状态检测。

同时，该喷标系统也存在如下问题：

在高热环境下，涂料立即凝结在喷头上，很快堵塞喷头；涂料的雾化效果不好；不适合在曲面的钢管上进行喷标。

但是我们可以从中得到一些启示：

采用点阵式的喷头，以点阵式形成字体的方式比较适合钢管表面的喷标；利用白色涂料作为喷标介质；利用压缩空气作为涂料喷射的动力。

图1－2喷头结构示意图

1.2钢管喷标系统开发的必要性

现在国内有近百家钢管生产厂家，除了几家最大型的钢管公司具备雄厚的资金实力，能从国外引进专业的生产设备，其他企业的生产设备都很落后。

有一些公司自己组织技术力量进行技术攻关也研制出了一些产品，能在一定的程度上解决问题，但产品大体上存在以下一些问题：

（1）设备大都只能完成单一的任务，不能在自动生产线上和其他设备一起工作，使得生产效率依然低下，不能从根本上解决问题。

（2）产品的技术开发水平还停留在二十世纪八十年代的水平。

由于这些产品大多是工厂自己组织力量开发研制的，技术水平达不到国外的最新发展动态；开发设备的精度低、可靠性差。

以喷标工位的喷头为例，由于国内的精加工技术、特种材料制造技术的落后，自行设计的喷头可靠性差，直接影响生产。

（3）产品的稳定性不够。

由于这些产品的主要控制部件采用了单片机控制，在钢管生产的恶劣环境中，各种干扰使得系统的故障率极高。

（4）产品缺乏扩展性。

易扩展性已成为现代产品的特征，缺乏扩展性的产品将阻碍自动化的发展。

（5）满足不了企业日益增长的企业管理功能。

ERP、PDM实现程度已经成为企业现代化的重要标志。

企业的质量管理已经成为现代制造企业的管理核心。

每根钢管都有一系列的数据，这些数据在钢管的整个生命周期里都很重要。

过去自行开发的系统只考虑到在生产中的功能，而忽略了在管理中的功能。

所有这些说明，开发研制高性能的喷标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，可以提出开发钢管生产线上的喷标系统应具备的特点：

（1）系统强调控制和智能的全分散化，各个设备是具有自治功能的智能主体，相互之间高内聚、松耦合。

某些局部协调通过PLC自治完成，而上位的监控计算机实现大范围的协调等高级控制功能。

（2）系统应该具有高稳定性、高可靠性。

在结构设计上满足稳定性和可靠性的要求。

（3）完善的计算机监控功能。

生产现场的恶劣环境，不适宜工人在现场长时间的操作，因此要求在上位计算机上能够监控所有现场的运行情况同时具有故障报警和自诊断功能，这样只要在控制室里就能“看到”现场的一切动作。

（4）友好的人机界面。

系统软件具备图像界面，可以把不同画面，同时分别以多单元以并行方式实时显示。

要求能对生产情况进行详细的管理，包括：

钢管各种数据的统计、查询、钢管是否符合要求的判别、喷标内容实时动态跟踪、报表的打印、以及操作人员管理等一系列的管理工作。

（5）系统具有可扩展性。

系统应具有ERP接口，企业的信息化管理已经成为企业发展必由之路，因此现在开发的系统要为以后企业的信息化管理提供方便。

（6）系统精度高和工作周期短。

喷标速度快，喷标速度最高可以达到120m/min。

1.3课题的来源

国内大多数企业几年来持续不断的技术改造和创新，使技术装备始终保持在先进水平。

但是由于企业产品标号效率低，管理不便，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。

面对日益激烈的市场竞