顶杆自动识别系统的设计【钢管生产】

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al、Allada、Anand代表着最近的方法。特征识别方法有允许使用不同系统的CAD作为输入数据的优势。方法本身没有限制设计者设计零件的几何。但是，识别程序始于一开始而且没有一个设计者的想法可以用来协助识别。设计的作用性信息不代表着特征数据，那样就需要在识别程序启动后解释一下。另外，在某些情况下存在不识别的结果。一个零件几何的一部分可能会由于一些参数和特殊方法的限制而不被识别。一些不被识别的结果可以发生在不同的情况下。（1）设计的零件可能还没有完成或者由于设计者的错误而造成的零件的不正确。比如，一个设计者在设计一个槽指定了2个面，但是2个面不互相平行。那么如果特征识别方法搜索一个关于2个面平行的模式，那么槽就不会被识别。（2）也有可能存在不是预定义的特征，设计者可能给一个零件设计一个新的形状，那么新的几何将不会被特征识别方法所识别。（a）这种方法四个阶段的所有流程 (b)整合模块化和模块化特征识别的模块化建模方法的所有流程图1 （3）该特征识别算法可能没有完成，比如，特征识别方法的推理和搜索方法不包括所有可能的情况。在某些情况下，由于特征的相互作用引起的边界变动而出现了不识别的结果。特殊的几何结构可能没有被定义而识别不了。如果有一个不识别的结果出现，那么一个恢复过程是必须的。另一方面，在传统的基于特征设计的方法中，在创造一个新零件的过程中，特征就被包含在里面了。事先定义的特征是来自于一个图书馆并且操纵设计着一个零件。基于特征的零件的描述可以直接用在CAPP中。关于基于特征设计方法的回顾和讨论可以在Chang、Shah、Roger和Shah中找到。在一个典型的基于特征的设计中，可以用到设计中的形状被限制在个别的基本加工特征中。设计者可能必须得考虑不使用功能因素的加工观点的几何。然而，所有的形状是用基本的加工特征创造出来的，尽管那些形状可能经常使用组或者完成了的模型。最近，Laakko、Mantyla和De Martino et al已经在讨论基于特征的设计和特征识别的综合化。在上述方法中主要讨论的主题是在基于特征设计的程序之后去识别和更新特征。目的是分开互动特征和在基于特征设计的模型中保持一组有效设置的特征。Han 和 Requicha提出的方法是在固体模型和设计特征中识别特征运用信息是否有用。主要思想是利用设计特征或人的干预来提示特征识别程序。本文提出了一种新的方法。第一个想法是加强提供给设计者的技术支持。这种方法是基于设计者对功能设计观点中的功能模块比较熟悉的基础上发展起来的。那样对于一个设计者来说在设计中使用功能模块比使用个人加工特征要方便的多。从功能观点来看，一个功能模块在一个零件中起着一个独特的作用。从加工观点来看，一个功能模块可以看做是一个包含一组基本的加工特征的复合特征。在这种情况下，复合特征经常出现在设计中，这个特征可以被定义为一个协助设计程序的模块。第二种想法是简化特征识别程序上的负荷。数据显示对于一个固定的产品类型，例如电机轴，只限制了功能模块的存在。每个功能模块只限制了加工特征的存在。因此，特征识别方法可以简化为申请仅有的必须的特征识别和只在每个单一的模块上搜索。在典型的特征搜索方法中，经常尝试去开发一个方法，这个可以方法尽可能复杂和完全的去识别尽可能多的特殊例子。在这种新方法中的想法是去取消执行十分复杂的特征识别和搜索整个零件的必要性。基于每个模块的特征，只有必须的特征识别程序才会在每个模块上执行。因此，该设计采用增强模块的设计理念，只识别每个模块上的加工特征简化了特征识别。在这种方法中，四个阶段中执行了两个阶段。在第一个阶段中分析了存在的零件。模块创造阶段和模块特征识阶段仍在运行着。在应用阶段，新零件可以被创造出来。模块阶段的设计和CAPP的准备阶段也在运行着。四个阶段的流程图显示在图a中，方法的整体流程显示在图b中。在下面的介绍中，四个阶段都被讨论了。在电机轴的设计和流程规划环境上实施这个方法同样也被讨论了。最后，结论将在第7节中得出。图2 使用范例A说明一个电机轴被分成五个功能环节2 模块创建阶段首先，零件的类型被分析了并且分解成几个孤立的功能环节。每个环节执行着不同的功能和在整个零件中扮演着一个独特的角色。在每个功能环节，几何形状可能会变化。不同的几何形状可以执行着相同的功能但是可能会随着它们自身的详细几何形状而变化。这些不同的几何形状被叫做功能环节的功能模块。在这个阶段，各种功能模块都为了每个功能环节而创造出来。从另一个观点来看，一个功能模块可以看做是一个包含着一系列的基本加工特征的复合特征。每个功能环节为了确定它的几何和加工特征而分析。图3 设置五个环节的每个模块装置的部分举个例子，一个电机的轴可以被划分为5个功能环节。5个功能环节可以命名为LE环节、LB环节、C环节、FB环节和FE环节。电机轴的每个环节的详细功能是很长的而且不会在这里讨论。为了确保一个有用的表决，这次任务需要和设计者和制造商详细的讨论。在表决之后，每个环节在轴中执行着一个独特的角色但是可以结合在特殊考虑下的详细几何而设计不同角色。一个不同的几何图形为功能环节构成了一个可能性的功能模块。用一个电机轴作为插图，五个功能环节如图2所示。设置五个环节的每个模块装置的部分如图3所示。总结这个阶段的程序如下所示。（1）根据功能设计的概念把一个零件划分为几个功能环节。一个零件划分成n个环节并且标记为S1,S2,S3Sn。比如说，一个电机轴可以被划分为5个环节标记为LE,LB,C,FB和FE。（2）为每个功能环节设计功能模块。在每个环节，环节可能结合基于不同详细考虑的不同的几何形状来设计。每个不同的设计就是每个环节的模块。因此，对于每个Si环节，各种Mij模块被创造出来。环节S1：模块M11，M12环节S2：模块M21，M22环节S3：模块M31，M32环节Sn：模块Mn1，Mn2作为图3的插图，在一个电机轴中，不同的模块为每个环节创造出来。对于LE环节，模块LE1,LE2,LE3LEn被创造出来了。对于LB环节，模块LB1,LB2,LB3LEn被创造出来了。对于C环节，模块C1,C2,C3Cn被创造出来了。数据显示这种方法比较适合固定的产品类型。在实际情况中，每个环节的不同的模块数可以被一组受限制的数字所控制。根据当地一家电机制造公司的数据显示。尽管电机的尺寸在5到150马力之间变化，轴中一个环节中的不同模块数目在20之内。主要的原因是一个环节的主要功能被确定了，然后主要的形状通常也就固定了。那样，模块形状的变异可能只是在细节上了。自从负载侧通常是以顾客为中心的，最大的数目经常出现在LE环节上了。经过对所有章节的所有模块创建之后，所有的模块都投入了下一阶段的特征识别。3 模块化特征识别阶段在这个阶段，一个特征识别的方法应用在前一阶段创建的每个模块的边界表示数据中。从加工的观点来看，每个模块是一个复合特征而且是对应着一组加工特征。每个环节有它自身鲜明的特点。只有限制了存在于每个环节中的模块的基本加工特征的类型。因此，特征识别方法可以简化为只采用必须的特征识别和在一个明确的环节中搜索。有一种方法使用边缘邻接图去识别，区分2D加工特征呈现在下面。（1）一个模块的2D边界表示数据是从CAD系统中检索出来的。2D的几何数据用坐标(x，z)表示用来输入到识别方法中。由于零件是旋转的而且零件的边缘是对称的，只有上半部分能输入到程序中。（2）模块的边缘是从右到左变化的。模块的边缘被划分为线性边缘和圆弧边缘。邻接边缘的邻接关系就被确定了。边缘可以被划分为凸邻接或凹邻接。如果从外部测量的零件的边缘之间的角度是小于180度，那么两边缘是凹邻接，否则是凸邻接。（3）模块的边缘可以用节点来表示，连接两边缘的直线可以用图中的圆弧表示。（4）特征模式可以用边缘邻接图称作特征图来表示。每个特征模式有一个独特的特征图。这个应用的特征模式包括外径（H）、面（E）、锥度（T）、倒角（M）、圆角的加强（R）、棱角角度的加强（P）、槽（U）、V型槽（V）。特征模式和特征图如图4所示。图4 特征模式和特征图附件2：外文原文（复印件）徐州工程学院学生毕业设计（论文）中期情况检查表学院名称： 机电工程学院 检查日期： 年 月 日学生姓名张利民专业班级04机本（2）指导教师崔增柱设计（论文）题目顶杆自动识别系统的设计工作进度情况是否符合任务书要求进度能否按期完成任务工作态度情况(态度、纪律、出勤、主动接受指导等)质量评价(针对已完成的部分)存在问题和解决办法检查人签字学院负责人签字 徐州工程学院毕业设计（论文）任务书 机电工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业设计（论文）题目 顶杆自动识别系统的设计 The design of the Automatic Detecting System for Mandril 学 生 姓 名 张利民 班 级 04机本（2） 起 止 日 期 08.2.25至08.6.2 指 导 教 师 崔增柱 教研室主任 李志 发任务书日期 2008 年 2 月 25 日1.毕业设计的背景：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，随着我国加入WTO，国内市场和国际市场接轨，由于国内钢管行业的检测精度低，效率不高，但是进口的设备费用费用又过于昂贵，所以非常需要开发一套实用可靠的顶杆检测系统来解决这个问题。2.毕业设计(论文)的内容和要求： 研究顶杆识别系统设备的基本原理，了解各种识别检测模式，根据具体的工作要求选择相应的识别模式，并以指定信息发出指令。通过毕业设计，了解顶杆识别系统的工作原理，了解机架设计的要点，用PLC指令控制机架的升降。3.主要参考文献： 机械设计邱宣怀 机械工业出版社液压与气压传动章宏甲 化学工业出版社PLC编程及应用廖常初 机械工业出版社自动检测与传感器技术赵巧娥 中国电力出版社画法几何及机械制图范思冲 机械工业出版社4.毕业设计(论文)进度计划(以周为单位)：起 止 日 期工 作 内 容备 注第1，2周第3，4周第5，6周第7，8周第9，10周第11，12周第13，14周第15，16周结合课题背景，查阅相关文献，翻译相应外文资料了解顶杆自动识别系统的工作原理和各种识别方式根据具体工作要求，对系统的机械部分进行设计机架，横移，升降部分的设计PLC程序的设计，配电，气动回路图的绘制基于前10周的研究，绘制总装图在总装配图的基础上拆画重要零件图整理图纸和资料，撰写说明书准备答辩教研室审查意见： 室主任 年 月 日学院审查意见： 教学院长 年 月 日毕业设计附本顶杆自动识别系统的设计THE DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECTING SYSTEM FOR MANDRIL 学生姓名张利民学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师崔增柱2008年6月2日 徐州工程学院 毕业设计（论文）开题报 告 课 题 名 称： 顶杆自动识别系统的设计 THE DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECTING SYSTEM FOR MANDRIL 学 生 姓 名： 张利民 学号 20040601209 指 导 教 师： 崔增柱 职称： 工程师 所 在 学 院： 机电工程学院 专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化 徐州工程学院 2008 年 3 月 4 日 说 明 1根据徐州工程学院毕业设计(论文)管理规定 ，学生必须 撰写毕业设计（论文）开题报告 ，由指导教师签署意见、教研室 审查，学院教学院长批准后实施。 2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审 查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成， 开题报告不合格者不得参加答辩。 3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其 中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中 文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描 述，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而 成的开题报告按不合格论。 5. 课题类型填：工程设计类；理论研究类；应用（实验）研究 类；软件设计类；其它。 6、课题来源填：教师科研；社会生产实践；教学；其它 课题 名称 顶杆自动识别系统的设计 课题来源 教师科研 课题类型 工程设计类 选题的背 景及意义 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，随着我国加入 WTO，国内市场和国际市场接轨，由于国内钢管 行业的检测精度低，效率不高，但是进口的设备费用又过于昂贵，所以 非常需要开发一套实用可靠的顶杆检测系统来解决这个问题。 研究内容 与解决的 主要问题 研究顶杆识别系统设备的基本原理，了解各种识别检测模式，根据 具体的工作要求选择相应的识别模式，并以指定信息发出指令。 通过毕业设计，了解顶杆识别系统的工作原理，了解机架设计的要 点，用 PLC 指令控制机架的升降。 研究方法 技术路线 根据本课题的背景，查阅相关文献，并翻译相关外文翻译，系统 了解国内无缝钢管的各生产流水线，以及各自的机架是如何设计，然后 再结合本系统中的工作要求对机械框架进行设计，把整个框架定下来之 后再针对设计要用到的重要零部件进行选型，并对选择过程做出说明再 参考国内一些大型钢厂的设计资料，图纸，绘制装配图，部件图，零件 图。 研究的总 体安排和 进度计划 12 周结合课题背景，查阅相关文献，翻译相应外文资料 34 周了解顶杆自动识别系统的工作原理和各种识别方式 56 周根据具体工作要求，对系统的机械部分进行设计 78 周机架，横移，升降部分的设计 910 周 PLC 程序的设计，配电，气动回路图的绘制 1112 周基于前 10 周的研究，绘制总装图 1314 周在总装配图的基础上拆画重要零件图 1516 周整理图纸和资料，撰写说明书，准备答辩 主要参考 文献 机械设计 邱宣怀 主编 机械设计手册 机械工业出版社 机械制图机械工业出版社 PLC 编程及应用 廖常初 机械工业出版社 液压与气压传动章宏甲 化学工业出版社 自动检测与传感器技术赵巧娥 中国电力出版社 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见 学院意见 教研室主任签名： 年 月 日 教学院长签名： 年 月 日 徐州工程学院毕业设计（论文）指导教师评阅表学院： 专业： 学生： 学号： 题目： 评价项目评价要素成绩评定优良中及格不及格工作态度工作态度认真，按时出勤能按规定进度完成设计任务选题质量选题方向和范围选题难易度选题理论意义和实际应用价值能力水平查阅和应用文献资料能力综合运用知识能力研究方法与手段实验技能和实践能力创新意识设计论文质量内容与写作结构与水平规范化程度成果与成效指导教师意见建议成绩是否同意参加答辩评语：指导教师签字：年 月 日徐州工程学院毕业设计（论文）答辩及综合成绩评定表学 院专业班级学生姓名学 号指导教师设计论文题 目答辩时间年 月 日 时 分至 时 分答辩地点答辩小组成 员姓名职称答辩记录提问人提问主要内容学生回答摘要答辩记录人签字：答辩小组意见答辩评语：答辩成绩 答辩小组组长签字：综合成绩评定指导教师评定成绩评阅教师评定成绩答辩成绩综合评定成绩答辩委员会主任签字： 年 月 日徐州工程学院毕业设计（论文）评阅表学院： 专业： 学生： 学号： 题目： 评价项目评价要素成绩评定优良中及格不及格选题质量选题方向和范围选题难易度选题理论意义和实际应用价值能力水平查阅和应用文献资料能力综合运用知识能力研究方法与手段实验技能和实践能力创新意识设计论文质量内容与写作结构与水平规范化程度成果与成效评阅教师意见建议成绩是否同意参加答辩评语：评阅教师签字：年 月 日图书分类号：密 级：毕业设计(论文)顶杆自动识别系统的设计THE DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECTING SYSTEM FOR MANDRIL学生姓名张利民学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师崔增柱2008年06月2日 徐州工程学院毕业设计（论文）徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要在钢管生产过程中，需要实时了解每根顶杆的长度、外径、使用次数等信息。本论文介绍了通过在顶杆尾部开槽的方式，实现顶杆的识别与信息跟踪，基于 PLC的控制系统，给出了系统的检测原理，系统构成及软件程序。本课题主要研究工作：第一章综合叙述了钢管的工艺生产流程及API国际标准；说明了国内顶杆自动识别系统的开发现状及存在的问题并阐述了顶杆自动识别系统的工作原理及流程；陈述了课题的来源和论文的主要工作和意义。第二章提出了系统总体的设计要求；根据钢管的具体参数和工作要求对检测系统的整个机架部分进行设计。第三章主要是对组成机架所需要的主要机械零部件（气缸和滚珠丝杠副）进行选型，并对选择过程做出相应说明，以及这些零部件相关的力学和强度校核计算。第四章简述了PLC编程的方式和S7 400的组成；提出了PLC程序的测试策略；介绍了传感器的选型，信号转换和安装。第五章总结了顶杆自动识别系统和软件系统开发过程所做的工作，并对系统的改进方向进行了展望。关键词 ：顶杆；检测；机架；气缸；传感器；PLC AbstractIn 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 PLCII徐州工程学院毕业设计（论文）目 录1 绪论111引言212背景及原理介绍313检测系统的组成514系统开发的必要性915论文的主要工作和意义102 顶杆自动识别系统的总体设计1121顶杆自动识别系统的设计要求1122顶杆自动识别系统的总体设计113 机械部分的设计1631气缸部分163.1.1气缸和阀的选型163.1.2气缸的力学计算及校核163.1.3气缸的图形及说明183.1.4系统的气动回路1932导轨部分203.2.1滚珠丝杠副的选型203.2.2滚珠丝杠副的力学计算203.2.3滚珠丝杠的图形及说明2233本章小结234 电气部分的设计2441系统的配电图及说明2442传感器的选择，安装及数据处理2443 PLC的组成及编程2744 S7-400编程方式2945本章小结31结论32致谢34参考文献351 绪论11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11所示。图11热轧钢管生产流程按照工艺流程，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API SPEC 5CT（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。表11为国际标准API SPEC 5CT标准摘录：表11国际标准API SPEC 5CT标准摘录GB/T 8162 尺寸偏差从上个世纪 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。12背景及原理介绍扩管是指经穿孔机穿孔后的荒管加热以后在轧机的两个锥形辊的作用下，沿顶杆高速旋转前进，把管径扩大的过程。扩管过程中顶杆的定位精度要求很高，每根顶杆在轧制之前必须调整到恰当的位置，才能在轧制过程中避免前卡、中卡、后卡等现象的发生。为此每根顶杆需要事先编号，把顶杆长度、外径等参数保存到上位机的数据库中。每次轧制前检测装置通过检测获取编号，并上传给上位机，上位机依据编号从数据库中读取参数进行处理，然后把最终处理完成的数据发送给 PLC，PLC根据此数据调整顶杆的位置。目前识别、输入编码的方式有 3种：人工识别和输入的方式、一维条形码识别方式、二维编码识别方式。但是这 3种检测方式并不适合现场的实际需求 ，原因如下： （1）现场工作环境恶劣，所以要求系统在无人干涉下能自动完成检测。（2） 顶杆工作在高温状态下，轧制过程中顶杆的表面温度可能达高达 800，即使经过冷却装置冷却后其表面残留的余温也在 100以上。一维条形编码检测需要用到的涂料在如此高温下很容易脱落，所以用传统的一维条形编码方式并不合适。（3） 顶杆是圆柱形的物件，不容易在上面打上二维码。况且二维码编码区域很小，即使打上了二维码，检测时定位也很困难，所以用检测二维码的方式也不合适。（4） 顶杆在运行过程中经常滚动，频繁跟其他设备碰撞，一般的编码方式其编码表面很容易磨损,造成检测的失败。因此，研发适合现场工作条件的顶杆检测装置十分必要。我们从实际出发，参照相关的检测方式，设计了一套符合现场要求的顶杆检测系统。顶杆检测装置必须满足以下功能要求:能在高温下工作，能检测不同管径的顶杆，能克服因为顶杆磨损而造成的误差。为此，采用了在顶杆尾部开槽的方式。具体原理如下：每个十进制的数都可以转换为相应的二进制数来表示。例如 33可以表示为 100001 B,而二进制数又可以通过实际的开关量来表示，100001 B就可以用6个传感器的状态来表示，这样任何一个十进制的数都可以通过传感器的状态来表示。在顶杆检测的过程中，传感器感应不到顶杆开槽的部分，则这个传感器的状态就是 0；传感器能感应到开槽的部分，则传感器的状态就为 1。这样通过传感器检测顶杆尾部开的槽的状态就可以获取顶杆编号，达到检测的目的。系统的检测原理图 ,如图 1所示。每根顶杆的尾部刻槽 ,槽的宽度是传感器阵列 （6 6传感器阵列）中每单元传感器的宽度。传感器选用欧姆龙公司方型NL系列接近传感器，传感器阵列分为 6组，安装在树脂制造的安装架内，分别用来检测 A、B、C、D、E、F 6道槽的状态。每组有 6个传感器并联，以提高工作的可靠性，这 6个传感器中只要有一个感应到，则这组传感器状态为1。以图12为例，传感器的状态为：A =0, B =1, C =0, D =1, E =0，F=1。以上的数字转换成十进制就等于 21（010101B）。那么此顶杆就是第二十一号顶杆。 图12检测正视图13检测系统的组成顶杆检测系统的结构简图，如图14所示，系统包括检测头、检测头对齐挡板、支撑板、升降气缸、机身、对齐气缸、顶杆对齐板、顶杆编码部分、顶杆到位检测传感器、顶杆等 10个部分。整个系统的工作流程可以分为 5个步骤：（1） 传感器检测顶杆是否到位。（2） 对齐气缸推出。顶杆到位后，气缸先把顶杆推到检测的位置。气缸装有前位传感器，PLC输出电磁阀控制信号后延时 2s后若还没检测到前位传感器信号，说明气压系统存在故障，PLC输出相应的报警信号并在上位机上显示报警信息，系统会根据实时情况做出相应处理。（3） 气缸下降，对齐气缸后退。气缸向前推到位后（前位传感器触发），升降气缸下降，同时气缸后退。因为顶杆的直径变换范围很大 （32mm256mm），所以相应的气缸升降距离也不一样，所以无法安装气缸下位传感器，只有程序上通过延时来设定。气缸后退的控制跟前进过程的控制一样，采用后位传感器来检测是否到位。下图可以直观的看出系统是怎样工作的，该图的视角为正对横梁前端，由图可知气缸和滚珠丝杠副并没有安装于同一平面内，所以设计安装时该考虑到两平面之间的平行度问题，由于检测头下方的传感器是66方形阵列，所以钢管的放置方向对检测没有任何影响。气缸还安装了附件（前法兰），这样气缸缓冲装置可以得到定位，检测头上方的平板通过Y型销杆连接器和气缸连接在一起，此外系统还在连接板上安装了一对可调节撑脚（实际上就是一对可调螺栓螺母）这样可以保护检测头不受损。当电源接通后，PLC发出指令通过控制电磁阀来控制两个气缸的运行，当水平和竖直方向上的位置都满足检测要求后，系统开始正常工作。 图14为系统的工作图，对齐气缸安装位置和V架同一高度，它通过连接在活塞杆上的推板推动钢管以达到对齐的作用，机架立柱旁边是控制柜，系统中所用到的电，气，液总导管均从这里引出。由于视角的原因，调节竖直方向上距离的手柄在图14中看不到，图13为整个系统机架的俯视图，该图可以清楚的看出手柄的安装位置。图13 机架俯视图（4）检测头检测。检测头到位即是检测头对齐挡板和顶杆对齐挡板紧靠在一起，其目的是为了让检测传感器和顶杆上的槽相互对齐，这样传感器处于最佳工作位置。然后PLC读取传感器阵列的状态，并根据传感器的状态转换化为十进制数值传给上位机。上位机根据此数值从数据库中读取数据、处理完数据后，上位机发给 PLC一个检测成功的信号，PLC就开始运行下步动作。如果上位机用 PLC上传的编码不能从数据库中读取数据，上位机会在监控界面中报错，同时通知 PLC重新检测一次。本系统的原理就是根据PLC接受到现场的信息然后对顶杆的位置做出实时调整，由于钢管间直径相差较大，因此顶杆的规格也会相差较大，而本系统精度要求较高，所以PLC现场对顶杆做出的调整很重要。图14系统工作外形图（5） 气缸上升。检测成功后，气缸上升，直到上位传感器信号触发停止，如果2s内气缸没有上升到指定位置，系统就会报警，PLC会根据现场具体情况做出调整。直到顶杆检测完成。图15是系统的PLC流程图。该图考虑到每个工作流程可能发生的状况，并对可能发生的意外状况进行处理，能直观的反映系统工作的全部流程。在本论文在第四章将说明现场的模拟信息是如何从传感器传出并被PLC识别的，系统中的所有用电部分经过统计后，给出输入，输出端子图。图15 PLC流程图顶杆检测头是一个特殊设计的部件，其作用为：检测头是一个 6 6的传感器阵列，固定在一块安装板上，安装板通过安装底板和整个检测头连为一体。平时生产的时候 ,有一副传感器组作为备用，当正在使用的传感器发生故障时，只需要把安装板拆下，换上备用传感器组就行，保证生产节奏不受影响。图 16是顶杆检测的正视图。如图所示，不同直径的顶杆，传感器在 X轴的位置上存在着偏差。设台架的角度为，台架与水平面的夹角为，小圆C1的半径为 r，大圆 C2 的半径为 R， C1 与 C2在 X方向上的偏差为X。则存在以下关系，见式（1.1）： 式（1.1）由图16可知，检测头在 X方向上的变化范围为X，只有系统的传感器 X方向检测距离才能保证检测成功。现场顶杆的直径变化范围为 32 mm 246 mm， 为60, 为 10。把数据代入上式可得=84.5mm。图16 检测正视图所以，只要84.5mm 就能满足检测要求。传感器选用欧姆龙 NL系列方型传感器， 其截面为40mm 43mm,为探针接触式检测。因为 43mm，所以，如果在 X方向只安装一个传感器，显然不能满足现场检测的需要。按理论要求只要在 X方向装 3个传感器就能满足需求，但考虑机械设计和现场安装的方便，所以，在 X轴上安装了 6个传感器。14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。 （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15论文的主要工作和意义本系统涉及到多学科，多专业，是集光、机、电和计算机一体化的产品。本论文在老师的指导下主要完成以下工作： 1、通过对顶杆检测系统开发现状的分析，对系统进行了总体方案设计。 具体为机械组成框架部分的设计。2、根据总体方案进行重要零部件选型，并做出说明和必要的力学计算。 3、通过对系统工作原理和PLC的研究，进行了PLC流程设计，给出其接线图。 4、将人机工程学运用到系统中，设计了上位机监控系统。 本系统的研制成功填补了国内检测行业空白，其检测精度和标识效果达到同类产品的先进水平。2 顶杆自动识别系统的总体设计21顶杆自动识别系统的设计要求系统的设计要求如下： （1）工作范围 钢管外径：48（32）246mm；钢管重量：20Kg1000Kg；钢管长度：6m15m； （2）工作环境要求 系统能在恶劣的环境下工作，使用寿命长；（3）气缸速度要求 气缸在下降的时候2s到达指定位置，上升时1s回到起始位置，对齐气缸2s推到工作位置；（4）自动化要求 具有自动报警功能，急停，自锁功能，半自动、手动功能；动态显示钢管参数；。（5）效率和速度要求 系统要求过管速度为278根/h，每12s过一根管。22顶杆自动识别系统的总体设计在对顶杆自动识别系统进行总体分析再结合具体的工作要求后给出系统设计总示意图如下，图21只是设计开始的构思，只为示意。图21外形示意图（1） V型台架 V型台架用来放置钢管，由于钢管长度为6m15m，所以仅靠一个台架显然不行，本系统中在地面上放置了5个台架，这样可以根据钢管的长短来调整钢管的放置，5个台架按一定距离安放，高度要统一，确保钢管受力均匀，在台架上带有尼龙垫。尼龙垫起到两方面作用：一是用来保护钢管的表面在被推动的过程中不被台架划伤；另一方面是用来增大钢管与台架之间的摩擦系数，增大两者之间的摩擦力，增强钢管在被推动时运动的平稳性。这里还涉及到“V”槽夹角大小问题，如果夹角太小那钢管的重心就会上移，这样钢管就容易滚动，不利于传感器的识别，但是夹角过大承载面就会趋于水平，这样钢管也容易滚动，也不利于传感器的识别，所以夹角一般选择120140为了便于计算（这里选择120）。台架的具体设计思想为一“V”型板和两个夹板通过两个螺栓螺母组连接在一起，再通过两个加强肋和底板焊接在一起，整个台架采用螺栓和螺母与一承载机构联接，承载机构的具体高度由具体工作要求决定，在承载台上安装的V架也可以设计成多排，本系统的具体设计思想如图22所示。图22 台架设计（2）机架，横梁和立柱 本系统中横梁的材料为35号钢，机架，立柱和底板的材料都为为Q235钢（有一定强度，良好的铸造性和韧性，焊接性好），横梁和立柱都选用冷拔无缝方形钢管，这样便于在横梁内部安装滚珠丝杠传动副，立柱先和一横板焊接之后再与横梁间通过3个螺栓，垫片螺母组连接，然后再和一加强肋板焊接紧固，立柱和底板通过6个螺栓螺母组连接，另外还加有四个加强肋板，恰当的设置肋板有利于提高机架的刚度、强度，减小机架的重量。设置肋板使壁厚减小，对于焊接机架，设置肋板使焊件比较薄，有利于保证焊接质量。在横梁内部有一套滚珠丝杠副通过一块衬板安装在一“凹”形滑台上，由于丝杠的尾部没有开螺纹，所以可以连接一个手动摇柄装置，因为滚珠丝杠副可以将螺旋运动转化成直线运动，这样整个横移机构就可以通过手动控制横梁尾部的摇柄而在横梁上水平移动，因为滚珠丝杠副不能自锁，所以在横梁上安装了压紧装置，通过压紧压板来限制滑板的移动。（3）横移机构 横移机构的具体构造为一升降气缸和一对滚珠丝杠联接装置，在气缸的活塞杆上安装了气缸附件（Y型带销连接杆），该附件和一连接板用螺栓连接在一起，平板的下方就联接了检测头部分。因为在本系统中钢管规格为 48mm246mm即钢管间直径相差198mm，系统将气缸部分和滚珠丝杠副连为一体，这样铅直方向上可以解决因气缸行程不足而有一段距离无法达到的问题，在滚珠丝杠副后侧还安装了一个控制竖直方向的手柄装置，他通过一对啮合的锥齿轮传动改变旋转方向，再通过滚珠丝杠副的螺旋运动来实现竖直方向的升降，在基准面即水平面上配置有一承载水泥台，设其高为200 mm，整个横梁和机架和底板用地脚螺栓连接在水泥台上，气缸的行程为500 mm，整个V形台架高为1500mm, 丝杠螺纹长度为300 mm，那么整个横梁的高度就得大于H H=500+1500+300 mm。取整为2300 mm，图24为横移机构剖视图：图23横移机构剖视图（3） 气缸及气路 因为在本系统中无论竖直方向上的升降还是水平方向上的对齐，都需要由一个机构来提供动力，参考国内大型钢厂的钢管生产线可知，很多设计在这一环节采用气缸装置，故气缸的设计为本论文机械部分的重点，气缸的型号主要根据所需的移动距离和推力来确定。因为FESTO公司生产的气缸结构比其他厂家节省空间，附带可调缓冲装置，附件范围广（附8个连接螺栓，8个圆片和螺母，一个法兰，内六角螺钉等）而且缸盖上有沟槽使传感器不突出表面，光滑，密封表面保护传感器电缆，防止灰尘进入。所以本系统选用FESTO 气动元件系列的DNC-40-500-PPV型气缸作为气路的执行元件，因为本系统对精度要求很高，所以该气缸上的缓冲装置可以在气缸快速升降的时候消除惯性力和运动残余能量，分析气缸的运动要求后选用FESTO系列 MN1H ISO5599-1型的三位五通换向阀作为气路的主要控制元件，当阀作用在左工作位时，推杆回缩即气缸上升，当作用在右位时，推杆伸出，当阀作用在中位时，五口全封闭，液压泵不卸荷，气缸闭锁，这样，若系统出现异常，使阀作用在中位，推杆能立即停止运动。 对齐气缸的型号为FESTO 系列 DNC-40-800-PPV，与FESTO系列 JMFH ISO5599-1型二位五通阀相连，当阀处于左位时，活塞推出，右位时活塞缩回。两个气缸并联，由PLC一齐控制。由于气缸是安装在一个移动支架上面，该支架又通过槽钢和两个滚动导轨副接在一起，当手轮转动时，丝杠螺母就会升降，由于螺母通过螺母座和支架连接在一起，这样整个升降机构就可以上下升降（气缸和滚珠丝杠副不在同一水平面，所以安装时要特别注意两平面之间的平行度问题）。（4）手柄 因为手动控制是系统的一个重要工作方式，每当系统报警或是运行不畅的时候都需要由手动来调节，所以不论是在水平方向还是在竖直方向上都需要安装一个手柄装置，在手柄装置里面主要由一对啮合的锥齿轮（齿轮和传动轴之间用键连接）来实现旋转方向上的变化，再通过滚珠丝杠副将旋转运动转化为直线运动，因为本系统为精密检测系统，所以当系统在工作中必须要能自锁，由于滚珠丝杠副不能自锁，这里在手轮上加上一个压紧装置，当此压紧机构转动时安装在传动轴上的斜楔机构因为螺纹配合就会向右挤，而右边的间隙又是固定的，当整个斜楔被挤到极限位置时，手轮就无法转动，这样就可以实现竖直方向上的自锁，当这个调节装置手柄摇动时，整个检测装置就会上下升降，下图中小锥齿轮的分度圆直径，大锥齿轮的分度圆直径（两锥齿轮的选型设计过程略），因为两锥齿轮的传动比等于它们分度圆直径的反比，所以两齿轮的传动比为/ =63.2/42.8=3/2,所以当手轮转过一圈时丝杠就会转2/3圈，因为本系统中丝杠的螺距为6mm，所以此时丝杠螺母上升的距离为=4mm，钢管间直径相差198 mm，手轮大概需要转50转，查手册得人手摇的速度为100，所以钢管管径的差值通过手摇30s就可以解决，手动装置具体的构造如图25，该图为手动装置的剖视图。图25手动装置剖视图（5） 检测头部分 顶杆检测头是一个特殊设计的部件，其作用为：检测头是一个 66的传感器阵列，固定在一块安装模架上，该安装模架为根据传感器安装的具体数据用树脂浇注而成，安装模架和连接板用4个M820的螺栓连接，由于气缸的活塞杆长度有限，为了将升降气缸和整个检测头连为一体，采用在活塞杆上安装附件，该附件为Y型带销连接杆，通过此装置将检测机构连接到气缸上。当系统正常工作的时候，有一副传感器组作为备用，如果正在使用的传感器发生故障时，只需要把安装板拆下，换上备用传感器组就行，保证生产节奏不受影响。图2-6 Y型带销连杆3 机械部分的设计31气缸部分3.1.1气缸和阀的选型考虑到在这个系统中无论气缸上升还是下降都是工作的一部分，所以采用双作用标准气缸，初步估计传感器头部分（传感器阵列以及一些固定夹紧装置）总质量为 m (m100Kg) 而气缸行程为500 mm ，因为系统要求气缸2s下降到起始位置，1s上升到工作位置，所以气缸下降与上升的速度分别为V1=250 mms ，V2=500 mms，气缸要在2s时间内压缩空气趋动质量为m的装置运行 500mm距离，即 F=PS G 计算得 D35 mm 故采用缸径为 40 mm 肯定能满足工作要求。参考FESTO气缸系列，选取标准气缸型号为DNC-40-500-PPV-A，气缸在工作时要实现上升，下降，停止控制功能，所以系统还需要一个气动控制元件，这里选取FESTO MN1H ISO5599-1型号的三位五通电磁阀，当阀处于中位时气缸不工作，这一位置就为气缸的原点，当左边的线圈得电时，阀处于左工作位时气缸上升，右工作位下降。在顶杆右侧还安装有一个对齐气缸，如果传感器阵列和顶杆编码部分有水平距离，对齐气缸就会将顶杆推到应有的位置。对齐气缸与159 687MN1H5/2DFRC型二位五通阀相连，当阀处于左位时，活塞推出，右位时活塞缩回。3.1.2气缸的力学计算及校核选好气缸型号后还要确定气缸安装所需要的零件，附件如法兰，螺栓，耳轴，脚架等，这里主要为气缸端盖上面的螺栓，本设计采用M8的GB5780-86 ， 为35 80螺栓，气缸工作压力为1MPa，下面对它进行强度校核：弹簧垫片被联接件螺母弹簧垫片垫片图31连接示意图计算螺栓受力气缸盖最大压力 N 螺栓工作载荷 N 剩余预紧力 N螺栓最大拉力 N相对刚度系数 采用铜皮石棉垫片 预紧力 N螺栓拉力变化幅 N计算螺栓应力幅假设螺栓直径 自定螺栓直径和几何尺寸 查手册螺栓危险截面面积 螺栓应力幅 确定许用应力幅螺栓材料和性能等级 35号钢 5.8级 螺栓疲劳极限 极限应力幅 许用应力幅 校核螺栓变载荷强度 所以所选择的螺栓完全能满足工作要求。耗气量的计算，气缸单位时间内消耗的压缩空气量为：当活塞杆伸出时 式（3.1） 式中D气缸缸径 S气缸行程 t1活塞伸出时, 完成行程所需时间，由式（3.1）得当活塞杆缩入时 式（3.2）式中 d-活塞杆直径 t2-活塞杆缩入时, 完成行程所需时间，由式（3.2）得因为对齐气缸和升降气缸的内径相同，只是行程不一样，所以同规格的螺栓也能满足工作要求，强度校核略。3.1.3气缸的图形及说明本气缸为FESTO普通型双作用标准气缸,其部分性能参数为缸径40mm, 行程 图32气缸设计资料10mm2000mm, 缸体具体重量为0.8kg，行程每增加 10 mm部件重量增加 0.046 kg ，轴衬盖和端盖的材料为压铸铝，缸筒材料为阳极氧化铝，活塞杆材料为高质合金钢，经过回火处理，连接螺纹尺寸G1/4， 由于本系统中对齐气缸和升降气缸的主要参数是一样的，只是行程不一样，所以可都选用FESTO系列气缸。图32为FESTO自动化公司的设计图纸。3.1.4系统的气动回路结合系统的工作要求知道升降部分的气缸和对齐部分的气缸各自独立工作，所以他们肯定是并联关系，而气缸都是外接气源型，所以系统可采用同一气源供气，气源由气管引出经过球阀9543（与气管连接螺纹为G3/8）之后与气源处理单元即三联件（型号为FESTO公司 气源处理装置QE-10-0347-TZ系列，与气管连接螺纹为G3/8）相连，然后皮管通过三通管接头一分为二，各自与相应的气管连接，两条支路各接一只过滤器，三位五通电磁阀与气管的连接螺纹为G3/8，二位五通阀与气管的连接螺纹为G1/4，两个气缸和气管的连接螺纹都为G1/4，这两个电磁阀各接两只消声器，三通管前面的气管选用8mm，经过三通管后换用10mm气管，通过上面的分析给出系统的气动回路如图33：图33系统气动回路图32导轨部分3.2.1滚珠丝杠副的选型在系统对工作方式的要求中，手动调节是一种重要的工作方式，不管是在横梁上还是在竖直方向上，为了让传感器头处于最佳工作位置都要对横移机构或升降机构进行手动调节，我们可以通过安装手轮来实现手动，这里主要涉及到运动方向上的转换，能将旋转运动转换为直线运动的装置有螺旋传动装置，在所有的螺旋传动装置中由于滚珠丝杠装置摩擦阻力小，传动效率高可达85%95%，运行平稳无颤动且低速不爬行，定位精度高，工作寿命长不容易发生故障，所以本系统采用滚珠丝杠装置来达到工作要求，其具体型号为FFZD50065。由于丝杠的长度一般都不会太长（太长刚度就会减弱），根据具体工作要求可以选择选用几根丝杠连接在一起，本系统中竖直方向上的丝杠螺纹长度为300mm就可以达到要求,所以一根丝杠完全可以满足工作要求，丝杆上面安装一个铜螺母，该螺母通过螺母座和系统的横移支架相连，当手轮摇动时运动传递到丝杆上，丝杠转动螺母上升，螺母座带动横移支架升降。3.2.2滚珠丝杠副的力学计算根据工作要求可知以下数据：等效载荷=2200N，丝杠有效行程=300，等效转速=100r/min，要求使用寿命=15000左右，可靠度95%，精度为3等级。求计算载荷：由手册查得 式（3.3）由式（3.3）得，因为，所以选用滚珠丝杠副型号为FFZD50065，主要尺寸为：循环圈数为螺旋导程角稳定性计算，因为螺杆较长，应验算螺杆的稳定性，临界载荷为 式中 E螺杆材料的弹性模量，E= 螺杆危险截面的轴惯性矩 长度系数，查表得，按一端固定一端铰支， 丝杠螺纹全长，由得故，通过验算。刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距（应为导程）内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起的弹性形变方向一致，此时变形量为最大，计算公式为 式中（式中摩擦系数按0.0025计，当量摩擦角=）剪切弹性模量则每米螺杆长度上的弹性变形=本系统中滚珠丝杠副精度应选择3等级，由手册查得的一半为3.2.3滚珠丝杠的图形及说明图34滚珠丝杠外形图图34为螺母的工作示意图图34为螺母的工作示意图。图35为丝杠工作明细图。该滚珠丝杠副为FFZD型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧型。其丝杠总长为445 mm，有效螺纹长度为300mm，螺距为6mm,两螺母总长为128 mm，钢珠直径为4 mm，当手动调节装置转过一圈时，转动传递到丝杠螺母实际上升距离为4 mm。图35为丝杠工作明细图该滚珠丝杠副在安装的时候要注意的事项，两端支承方式尽可能采用“两端固定”或“一端固定，一端铰支”式两端轴承和螺母要精确到轴心线重合，同轴度67级。本系统中的滚珠丝杠副安装方式都是一端固定，一端自由，由于滚珠丝杠副不能自琐，所以系统要配置相应的具有自锁功能的元件，水平放置的丝杆是通过压紧托板和滑板以限制相互运动，竖直方向上的丝杠的自锁是通过手动调节装置里面的斜楔机构来实现的，当手轮上的手柄转动时通过螺纹配合将斜楔往右挤，达到行程极限后就起到自锁的作用，本系统是高精度要求，在使用中要特别注意丝杠的防护和密封，经常润滑。33本章小结在第二章中只是对系统大体组成方面做了设计，在本章节中，根据具体工作要求，重点对机械部分进行设计，主要为升降机构和横移机构重要组成部分的零件选型以及一些相应的力学计算，并说明了各个装置是如何实现传动的。4 电气部分的设计41系统的配电图及说明在前面的章节里对系统机械构造部分进行了设计之后，本章着重分析检测系统的控制环节，在做完宏观的了解后首先给出系统的配电原理图，在总线（三相四线）后安装一个断路器线包QF1，当系统出现异常情况时（如报警或急停）可以直接从干路上切断电源的连接，然后接一变压器，因为工业用电是380V而系统中很多需要用电的元件都是24V或是36V的（如传感器部分，降温部分，按钮指示灯部分），为了缓解PLC的工作量，在电路中加入两个开关电源，一个负责输入部分，另一个负责输出部分，这样一些其他用电点就可以和开关电源相连，比如冷却装置和一些开关示意灯，通过对系统中所有要用电部分的研究后给出配电原理图：图41配电原理图42传感器的选择，安装及数据处理在本系统中顶杆检测也是一个重要的环节，检测头上安装有36个传感器，都是欧姆龙公司方型TL系列传感器，它通过探针接触式检测，其限位型触摸开关经常振动高频，当被检测物体与探针接触后，振动电路的常数将发生变化，开关电路发生动作输出信号，只要轻微触碰就能检测，通过发光二极管来显示动作，这36个传感器通过螺钉安装在一个树脂浇注的模架内，传感器是将感受到的外界信息，按照一定的规律转化成所需的有用信息的装置，通常是将非电量转换成电量，在本系统中传感器将感受到的模拟信号转化成电信号。而PLC的输入输出接口是可编程控制器和现场各类信号连接的部分，但是从传感器中出来的信号太微弱，需要经过放大器放大后才能达到PLC的识别要求。通常采用三极管来达到放大的目的，下面依次为信号放大放大示意图，传感器实物图，传感器安装图：图42传感器实物图在本系统中所使用的传感器均选用欧姆龙公司的NL系列方型传感器，图43为实际安装图，图44为安装俯视图，整个模架通过四个螺钉和连接板连接在一起，模架下面多出的长度用于和顶杆对齐，由于本型号的传感器重量很小所以不需要力学校核。另外本型号传感器需要使用传感器专用电源，通过开关电源供电。图43安装正视图图44安装俯视图图45输出级电路图由于36个传感器是并联使用，所以安装时天线之间的距离要大于4mm,将连接软线蓝（黑）接地。43PLC的组成及编程可编程序控制器简称 PC机，为了和个人计算机区别，又称 PLC (Programmable Logical Controller)作为是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程的存贮器，用于内部存贮程序，能够执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产进程。自从20 世纪 70 年代问世以来，PLC 便引起了一场工业控制技术的革命。近年来，PLC 技术已在工业控制领域占有很大的比重，它与(CAD CAM、工业机器人)同被称为工业自动化领域的三大支柱。它不仅可自成体系构成控制系统，而且还可作为集散控制系统 DCS 或监视控制和数据采集系统 SCADA的组成部分。PLC可编程控制器的硬件部分主要由 5 个模块组成： 电源模块 （PS ）、中央处理模块 （CU） 、输入输出模块（ I/O）、编程器和通信模块 （CPs ）；有些PLC可编程控制器还有智能输入/输出模块 （Ips，WFs） 和扩充模块（ EUs ）作附件提供。如图45所示： 图45PLC模块图PLC可编 程控制器采用的编程语言多样，一般都支持控制系统流程图、梯形图、语句表编程。1 控制系统流程图 （C&F），用于过程控制编程；2 梯形图（ LAD ），用于离散控制编程；3 语句表 （SLT），类似汇编语言的低级编程语言。PLC可编程控制器软件部分主要包括系统临近程序和用户程序两部分组成：（1）系统监控程序由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块系统调用 3 部分组成 ,提供系统工作的环境和控制的平台。（2） 用户程序是用户根据实际要控制的系统编制的过程控制程序。一般通过 PLC 自带的编程器编制。PLC应用的领域：（1）开关逻辑控制PLC最基本的功能是逻辑控制、定时、计数等，取代传统的继电器。（2）闭环过程控制取代传统的 PID控制。（3）位置顺序控制用于控制步进电机或伺服电机，实现对各种机械的运动控制。（4）监控系统用 PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理，监控生产过程。（5）分布控制系统PLC与 PLC，PLC与DCSIPC之间，通过网络构成多级分布式控制系统。各大钢厂中广泛应用了 PLC 控制技术，提高了生产的自动化程度，减轻了工人操作强度，取得了较高的经济效益。采用的 PLC型号多样，常常作为 DCS 或其他计算机控制系统上位机部分，进行数据实时采样和基础级工艺参数的直接控制。（2）PLC控制系统由于内部提供了无穷多的各类软触点、辅助继电器，不存在传统继电器触点的磨损、粘连等总题，因此能够适应钢厂恶劣环境的要求，并具有能耗低、抗干扰强、高可靠性的特点；其平均无故障时间达几万几十万小时以上。（3）PLC所使用的编程语言是面向现场、面向问题、面向用户的控制语言，能直接而简明地表达被控制对象的输入输出之间的关系及动作方式；PLC对时间控制精度高，其特有的扫描控制方式执行控制任务，提供了快速、确定而且可重复的响应。因此能够满足钢厂复杂工艺参数的控制。（4） PLC 体积小，安装和现场接线简便，易于扩展，与其他装置联接方便，用 PLC 进行设备改造的设计、施工、调试周期短，甚至完全不影响正常生产。因此，在钢铁工业中大力推广 PLC 控制技术，对于改造原有老化设备，或应用于新型自动化生产线，都有重要的现实意义。44S7-400编程方式S7-400PLC 使用 STEP7 编程。STEP7 用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需要的数据。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。 通常，用户程序由组织块(OB)、功能块（FB）、功能（FC）、数据块（DB）构成。其中，OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的执行。每个 S7CPU 包含一套可编程的 OB 块，不同的 OB 块执行不同的功能。OB1 是主程序循环块，控制各个功能的循环执行，调用为了实现控制功能而编写的功能FC、功能块FB。 功能块 FB 实际上是用户子程序，是由一个数据结构与该功能的参数表完全相同的数据块DB构成，该DB是背景数据块，存放在背景数据块中，数据在FB结束后继续保持。功能 FC包含经常使用的例行程序，是无存储区的逻辑块，FC的临时变量存储在局部数据堆栈中。 数据块DB是用户定义的用于存储数据的存储区，也可以被打开或关闭。DB可以是属于某个FB的背景数据也可以是属于通用的全局数据块，用于FB或FC。控制系统设计，控制系统是采用集散控制模式 ,借助于现场总线高速可靠通信能力 ,将分布在现场的多个 PLC和计算机组合成一个完整的控制系统。这里采用的是欧洲标准的 PROFIBUS现场总线技术 ,传输速度9. 6Kbit/s12Mbit/s。速度为 12Mbit/s时,传输距离可以达到 100m。控制系统核心采用西门子 S7 400系列的 PLC。主站 PLC协调各个从站协同工作 ,从站负责响应操作终端的输入和传感器的输入以及到各执行元件的输出。上位机和 PLC之间PROFI BUS PD协议或者 MPI协议进行通信 ,上位机通过串口连接报表打印机。系统控制框图 ,如图 46所示。图46系统控制框图系统的软件设计分为 PLC程序设计和上位机设计两个部分。它包括主流程 OB1，初始化程序 OB100，手动程序 FC1，自动程序 FC2,报警处理程序 FC3及状态显示程序 FC4这 5个部分。OB1是系统的主流程，它负责协调所有子程序之间的运行顺序。OB100是初始化程序，只是在系统掉电重启后运行一次，其他时间内不调用。其作用是使各个设备都恢复到初始状态，如气缸保持在上位，油缸保持在后位，PLC的各个寄存器都复位等。FC1是手动程序，是操作人员点动控制各个设备。FC2是自动运行程序。系统主要的工作方式，它不需要人工干预，能自动完成顶杆检测工作。FC3是报警程序。主要处理各类报警，根据不同的报警信息进行相关的处理。FC4是状态显示程序，控制各类指示灯。上位机监控软件在 windows2000的运行环境下，采用西门子 Wincc软件编程，系统功能完善，界面友好，稳定可靠。监控软件的主要包含如下功能：（1） 状态显示功能。显示检测系统当前的状态信息。如升降气缸的位置，气缸的位置，各检测传感器状态，方便工作人员及时了解现场的信息，防止误动作的发生。（2） 顶杆编号追踪功能。顶杆检测装置每检测一根顶杆 ,上位机就会把顶杆编号保存下来，并采用移位的方式跟现场的顶杆编号保持同步。当所有的顶杆都被检测完以后每检测一次，上位机就会用存储的编号与检测系统检测的编号进行比较，如果两个数据一样，表示检测正确，如果两个数据不一样，上位机报错，说明检测传感器出现故障，系统会自动重新检测一次。图47PLC接线图（3） 实时数据显示。上位机会根据检测的顶杆编号从数据库中读取相关的顶杆信息，如顶杆长度外径、使用次数。使用次数超过上限，上位机会弹出提示信息，提醒操作人员及时更换顶头。图47是 PLC输入输出端接口图。45本章小结在上一章对系统的机械框架和组成框架的各重要部件进行了具体说明，在这一章主要对系统的控制部分做出初步说明，由于本系统属于 PLC控制的，集机、电、液于一体的顶杆检测系统，要求在现场恶劣的环境下能快速、准确的检测出顶杆的编码，并由PLC做出相应处理，所以电气控制部分的设计至关重要。 结论本文在对顶杆自动识别系统的功能和要达到的性能指标进行研究的基础上，完成了系统的机械机架部分，控制系统和软件系统的设计。顶杆自动识别系统系统填补了国内钢管生产线的空白，其检测精度和标识效果达到了同类产品的先进水平，解决了以前依靠国外进口的困境，在很大程度降低了成本。本论文主要做了以下工作： （1） 对国内外产品的开发现状进行了研究，论证了顶杆自动识别系统开发的必要性，并进行了方案研究和论证。 （2） 对顶杆自动识别系统进行