合缝机专用设备的设计.docx

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合缝机专用设备的设计

毕业设计（论文）开题报告

题目：

合缝机专用设备的设计

学生姓名：

学号：

专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师：

２０１４年４月８日

1文献综述

1.1概述

目前，大直径直缝埋弧焊管的成型方法主要有两种：

一种是UO成型法，该方法是在大型压力机上用模具将钢板沿全长首先一次压成“U”形，再压一次制成“O”形，但由于管坯有弹性，模具松开后管坯仍然有开口；另一种是JCO成型法，这种方法是在压力机上从钢板的一变开始多次压制成“J”形，然后从钢板的另一边再经过几次压制把钢板压制成“C”形，在“J”和“Ｃ”成型过程中要求管坯的管径要达到成品钢管管径的尺寸要求，但由于模具的影响，最后一次也是钢板最中间的一次是不能压到量的（否则管坯夹紧，模具很难取出），因此管坯仍然有开口。

无论哪一种成型方法，成型后的钢管管坯都有开缝，因此，合缝机就成为直缝埋弧焊管生产线中的必备设备之一。

成型方法不同，钢管管坯内的应力也不一样，合缝机的结构设计也应有所变化。

1.1.1国外合缝机的合缝方法

我国2000年前后建设的大直径直缝埋弧焊管生产线配置的合缝机是参照国外图纸，国内制造的设备。

用UO方法成型时，管坯的弹性变形沿管壁处处相等，这种合缝机结构是合适的。

当用JCO方法成型时，管坯除最后一次压制不到位之外其他部分的曲率半径已经达到了成品管的半径，有些辊梁对合缝的作用不大，另外，环形架的加工、运输相当困难。

1.1.2目前国内常用合缝机的合缝方法

国内直缝埋弧焊管生产大都采用JCO成型法，合缝机的结构形式大多是采用一个龙门机架，顶梁上有一组液压驱动的升降辊梁正对钢管开口处，左右立柱上各安装一个升降滑座，滑座上水平安装一组液压驱动的伸缩辊梁，底座上有“V”形辊起进管和支撑作用。

钢管合缝时水平辊梁从钢管的水平方向挤压合缝，上辊梁防止错边，并在推管力的推动下进行连续焊接。

这种方法比多辊合缝简化了许多，但龙门架也相当庞大，尤其是生产高钢级、大直径、大壁厚钢管的合缝机更是如此。

本次设计的装置是用于大型工件的调位装置，调位装置属于物料搬运的一种，它是通过液压、电机等动力源，通过机器手或夹具等之类设施对所加工工件进行所需要的移动，以实现方便加工。

随着工业的发展以及科学的不断进步，人们逐渐意识到手工调位不仅浪费人力而且消耗工时。

为了进一步提高调位装置的工作效率我们还需要将调位装置的手工控制改为自动控制，PLC控制恰恰能满足这一要求。

1.2关于PLC的技术背景

PLC自问世以来，经过40多年的发展已经成为工业发达国家重要的产业之一，世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。

产量的产值大幅度上升而价格不断下降。

1.2.1PLC控制的特点

由于PLC控制只需要使用少数的元器件和接线，所以故障率很低，而且控制系统具有很好的柔性，尤其是在工艺程序需要变更或是改变工作循环系统的时候，只要改变其程序，而不需要重新安装，其灵活方便的优点显的更为突出，具有投资少，工作效益和经济效益高的特点[2]。

1.2.2PLC的发展方向

1.小型化

工业上许多生产过程具有工艺简单以及相对独立的特点，采用单机控制可以降低费用，保证设备安全。

因此PLC小型化受到用户的欢迎。

2.大型化

大型PLC可以满足钢铁工业，电力工业和化学工业等大型生产过程中自动控制的需要。

从单CPU向多CPU发展，存储容量也成倍增长。

3.机电一体化

机电一体化技术是机械、电子、纤细技术的融合，它的产品通常由微电子装置、传感器、机械本体、执行机构等部分组成。

机械本体和微电子装置是机电一体化的基本构成要素。

4.通信网络标准化

随着科学技术的发展，必然会使PLC从单机自动化向全厂生产自动化过度，这就要求各个PLC之间以及其他控制设备和PLC与计算机之间能迅速、及时、准确地互通信息。

以便实现步调一致地进行控制和管理[3]。

1.3关于液压技术的发展与概况

液压传动相对于机械传动来说是一门新兴技术。

从1795年世界上第一台水压机诞生起，已有几百年的历史，液压传动技术被广泛采用和有较大幅度的发展是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的，最早实践成功的液压传动装置是舰船上的炮塔转位器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用车床到20世纪30年代末才用上了液压传动。

20世纪60年代后，原子能技术，空间技术，计算机技术等的发展再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动，控制，检测在内的一门完整的自动化技术，在国民经济的各个方面都得到了应用。

在国外,液压工业的发展速度高于机械工业。

全世界液压产品产值约200亿美元。

在美、日、德等主要国家的比较中以日本人均产值为最高,其主要原因是日本工厂设备自动化程度高和生产管理完善,此外,日本各企业外协量大,将一些零件扩散给协作厂加工,实现零件专业化。

据统计,各国液压工业产值约占机械工业产值的2～3%,而我国仅占0.18%左右,充分说明我国液压技术使用率低,需努力扩大其应用领域。

我国的液压工业开始于20世纪50年代，目前正处于迅速发展，提高的阶段。

自从1964年从国外引进一些液压元件生产技术，同时进行自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。

90年代起更加速了对国外先进液压产品和技术的有计划引进，消化，吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量，经济效益，研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。

液压技术的发展正向着高效率，高精度，高性能方向迈进。

1.3.1合缝机液压控制系统

接通系统电源后，泵站电动机起动，电磁铁6DT通电，液压系统处于卸载状态。

装料后，按下循环起动按钮后，6DT断电，5DT通电，压紧缸伸出压紧钢管并压下行程开关ST1后，完成压紧工序。

同时开始下一工序，1DT和3DT一起通电，左侧和右侧液压缸同时伸出带动左、右活塞同时顶住钢管并到行程开关ST2、ST3后，1DT和3DT断电而2DT和4DT通电，左侧和右侧液压缸回缩带动左、右活塞同时开始退回初位，退回到位并压下开关ST4、ST5后，2DT、4DT和5DT断电，压紧缸回缩快速退回，压下开关ST0后，电磁铁6DT通电系统卸载，完成一个自动循环。

液压系统原理图

1.4调位装置的发展与现状

调位装置在机械加工行业曲折重要的作用，属于送料设备的一种。

随着社会经济的不断发展，送料设备逐渐成为各个经济发达国家十分重视和需素发展的一门学科和行业。

我国生产线中送料设备的使用状况表现在如下几个方面：

1送料设备总体数量迅速增长。

2送料设备的自动化水平和信息化程度得到了一定的提高。

3基本形成了送料设备生产、销售和消费系统。

4送料设备在生产企业的各个生产、物流环节得到了全面的应用。

1.5几个调位装置的例子

1.5.1大型合缝机的加工工件移动

合缝机由同一副导轨支撑的机车总成以及四个独立的滑车构成，如图1所示。

在进行合焊工序时，整个工件全长可分为三段，分别称为右段作业、中段作业、左断作业。

每段内工位的纵向移置由机车的行走决定。

作业段的转换通过调整滑车的高度和变换滑车对工件的支承位置实现[4]。

图1.合焊工序的三段作业示意图

1.5.2直缝钢管预焊设备中的钢管送进与周向调节机

如图2所示该机构主要包括钢管焊接前纵向送进、导向、轴向调节以及焊接送进机构等。

焊接前纵向送进机构是通过一组滚轮机构完成输送，滚轮机构负责接收钢管运输车送到预焊工位的待焊钢管，将其输送到约束合缝入口处。

轴向调节机构的作用是将进入待焊工位的钢管开口调节到12点钟位置，以便导向机构能顺利地插入接缝开口进而完成导向[5]。

图2钢管送进与周向调节装置

1.5.3直缝埋弧焊管生产线钢板横移装置

如图3所示，钢板横移装置主要由底座一盒底座二作为横移装置的支撑，两个回转支承座分别安装在底座上，摆杆分别通过销轴、下支梁以及回转支承座相连接，构成平行四杆机构。

钢板的输送链装置包括钢板输送链、大小链轮、上下支梁、立柱、电机减速器、钢板输送链上下导向等组成（见图4）。

平行四杆机构主要用于保证钢板输送链水平起升和降落，确保整个过程平稳可靠。

钢板输送链装置采用装也特种链轮厂家生产的P250型钢板输送链、大链轮以及小链轮，传动设备采用SEW电机减速机，通过链轮带动钢板输送链平移以实现钢板的平稳横移[6]。

图3钢板横移装置简图

图4钢板输送链导向结构

1.5.4无冲击钢管平移装置的设计和分析

图5无冲击钢管平移装置

图6机构简图

如图5所示，该无冲击钢管横移装置在一根长轴上安装了若干取料点（转臂），转动转臂实现钢管的横移。

该装置结构简单，工作平稳无冲击。

只要改变托盘的几何形状，就可以移动不同断面的型钢。

因此，该装置不仅能够横移钢管，还可以横移工字钢、角钢、槽钢等型钢。

该装置用在包钢无缝钢管厂，经济效益显著，改善了工作环境，荣获包头钢铁公司的科技进步奖。

该装置为了完成取料、运料放料两个动作，其托盘取料口在公转与自转过程中始终朝上，这一功能的实现是由转臂和托盘同步回转来完成的，而同步回转运动是由链传动实现的。

图6是该装置的机构简图。

构件L

表示转臂，它以w的角速度绕O点做回转运动；构件L

表示托盘，它也以w的角速度绕O

点做回转运动；D表示物料的质点，令O

D=e,OO

=R,由图可得D点的运动方程为

，由此公式可以看出，D点的运动轨迹是以（O,e）为圆心，R为半径的圆。

因此，该装置的物料取放点必须设计在这个轨迹上。

为了使回转运动平稳，在构件L

的另一侧设计相应的配重[7]。

参考文献

1刘力健，王永明．变截面巨型管合缝机.石家庄职业技术学院学报，2006

2李刚，许焰，郝诗明.动力滑台双泵供油液压系统新回路及其PLC控制.华中科技大学,2007

3杨庆柏.PLC发展方向.《辽宁电机工程科普》，1999

4王永明,侯军社,杨帆.大型管合缝机的布局设计和作业方式.机械工程师,2007.8

5阎相和，张善保，邓长益，周秀峰.直缝钢管预焊设备与工艺.焊接,2003

6陈其卫，王友生，武占芳，龚健，何志伟.钢板横移装置的设计与应用.焊管,2010

7范俊来，石磊.无冲击钢管横移装置的设计分析.重型机械,1999

8张利平.液压传动与控制.西北工业大学出版社,2005.8

9姜继海.液压传动（第3版）.哈尔滨工业大学出版社,2006.09

10董刚,李建攻,潘凤章.机械设计.机械工业出版社，2000

11Tiwari,Pandey,Sharma.Developmentofatypetractiontestingfacility.JournalofTerramechanics46（2009）293-298

12RenSheng-le.DevelopmentofPLC-basedTensionControlSystem.ChineseJournalofAeronautics20（2007）266-271.

13DavisJR.Aluminumandaluminumalloys.ASMspecialtyhandbook;1996.

2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径

2.1本课题所要研究或解决的问题

2.1.1设计要求

所设计单片机控制大型钢杆调位装置用于大型钢管制造中的整形工序，是自动化的大型钢杆合缝设备的配套装置，用于实现加工过程工件的位置转换，具有加工效率高，操作方便的特点。

本课题以圆柱管状工件为工作对象。

所设计装置对工件形成合理的支承关系，使工件能够轴向移动、周向转动、着模下降与脱模升起。

其中轴向移位、周向转位执行机构的运动均采用电机驱动，卓模下降与脱模升起采用液压驱动，具有一定的动作精度和工作速度，并保证安全平稳。

装置采用PLC控制,有单动、自动工作循环功能，轴向移位、周向转位的位移量和速度可以设定，本装置与主机形成完整的操控系统。

设计要求：

（1）移动范围达到20米.最大直径1.2米。

.

（2）左右上液压系统能够实现独立运动和同时运动,

（3）工作台上下调整范围30毫米

（4）液压缸最大输出推力8吨

2.1.2需要解决的技术问题

根据实际情况，因为大型调直机都是大型工件，质量、直径和尺寸都很大，人工操作困难，浪费工时而且还无法保证加工质量。

采用PLC控制液动调位装置不仅可以节约工时和劳动力还可以保障加工精度和效率。

但是采用液动系统就会产生难以解决的同步问题。

因为需要加工的工件比较大，要实现对他们的调位运动，必须确保支撑点在运动过程中的同步性，同时加工工件时，还要要求工件能够实现轴向移动、轴向移动、着模下降以及脱模上升。

具有一定的动作精度和工作速度，同时还要保证安全平稳。

2.2本课题拟采用的手段和途径

2.2.1总体布局方案的确定

本次设计装置主要完成两个运动：

轴向移动和轴向转动。

我们可以采用实用两种小车的方法，其示意图如图7所示，从右到左一次为控制轴向转动和轴向移动的交叉排列的两种小车，中间是钢杆合缝机。

图8是移动装置简图，序号1为工件，序号2为周向转动的辊子，为滚子按装驱动装置，可以驱动工件转动实现钢管的周向转动。

序号3为轴向移动的辊子电机驱动辊子转动实现工件的移动。

序号4为装置的升降装置通过此装置可以调节不同直径的工件动能在工作台的合适位置加工。

序号5为调节整个调节装置的升降装置。

序号6为调位装置支架，用于支撑工件、辊子、升降装置。

序号7为调位装置车轮，车轮沿轨道运动，实现工件的轴向移动，使装置加工不同长度的工件。

图7.移动装置示意图

图8.调位装置简图

2.2.2主要组成部分

支架

机械主体

底座

机械部分

升降机构液压装置

周向运动

电动装置

轴向运动

电气部分：

由PLC系统控制

周向运动

PLC系统液压系统工件上升下降

轴向运动

2.3主要部件的初选

2.3.1驱动系统的选择

（1）液压系统的选择

液压系统是以液体液体为工作介质，病一压力能进行动力的传递、转换和控制的液体的传动。

按照工作特性和控制方式的不同可以分为液压传动系统和液压控制系统[8]。

液压系统选择应考虑以下几方面：

（1）主机用途、总体布局和结构、主要技术参数与性能要求、工艺流程或工作循环、作业环境与条件等。

（2）液压系统需要完成的动作及各动作的工作循环和循环时间；负载大小；各动作的同步要求及同步精度；液压系统的工作性能要求。

（3）液压系统的工作环境的要求。

（4）液压系统的经济性[9]。

（2）电动系统的选择

电动机的选择

本次设计预采用结构简单，价格低廉，工作可靠，维护方便的电机。

减速器的选择

本设计初步选择行星齿轮减速器。

与普通齿轮传动相比,具有体积小,重量轻,结构简单,传动比范围大,传动精度高,承载能力强等特点[10]。

2.3.2控制系统的选择

本系统由PLC控制电动机的运行，其主程序框图如图9所示。

系统启动后，PLC先对内部各寄存器初始化，并开放中断，然后程序一直处于等待按下按钮事件发生的循环之中[11]。

当按钮按下时程序随即转入到中断服务程序中完成各部分操作[12]。

图9.主程序框图

指导教师意见：

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1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

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所在专业审查意见：

负责人：

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