电动式钢管自动测长机构设计

I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精整区测长系统的研究开发现状，以测长的硬件设计及控制系统和软件系统作为设计研究的主要工作：本文叙述了钢管的工艺生产流程及API 国际标准；说明了国内测长系统的开发现状及存在的问题并阐述了开发测长系统的必要性；陈述了课题的来源和论文的主要工作和意义。提出了系统设计的设计要求；根据系统的整体组成结构，进行了测长系统的设计，包括系统组成和工作过程以及设计时应注意的问题；最后给出了控制系统和软件系统的总体设计方案及主要硬件的参数，简述了PLC 编程的方式S7400 的特点性，提出了PLC 程序的测试策略。提出了上位机软件的测试策略和监控系统的特点。提出了PLC 的IDEF0 表示；着重介绍了PLC 程序的模块化设计以及各个工位的程序流程、程序功能块的划分以及与上位机通讯的基本原理和时序图，介绍了上位机监控系统的功能模块的设计； 陈述了上位机通讯方案的设计，而且在机械关键部分进行了计算和校核。最后总结了测长控制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。关键词关键词：钢管；测长；PLC；电机；编码器；光电传感器ABSTRACTSteel tube is widely used as a sort of metallic material in industry and has also contributed much to the national economic development. In this paper, on the basis of the current situation of research on steel tubes measure, weight, pinstamp, band, stencil system both here and abroad, with the aim of researching and developing the measure system for 2nd product line in Tianjin Pipe Corporation,technological process of steel tube and the international standard API are introduced. Then the current situation of research and problems on MWBPS system in China are described. And also, the necessities of the improvement of measure system are explained. Finally, the source of this project and the main contents as well as the significance of this paper are mentioned.the design requirements of this system are presented. Then,according to the systems integral structure, the author depicted the design of relevant measure subsystem. step system and etc,including the components, working process of the system and the precautions whendesigning. Finally, The whole design of the control system and software are alsopresented And the major hardware parameters. PLC program method and thecharacters of S7400 series are introduced in brief. The test strategy of the PLC program is also put forward. Finally, the testingstrategy of the up-lever computer software and the characters of the monitoring control system are put forward. The expressions of PLC by IDEF0 are also put forward. Attention are mainly focused on the modular design of PLC program, flow figure of each subsystem, the assignment of the program function block, the communication principle between PLC and up-lever computer and the timing sequence diagram. Furthermore, the design of the function module block of themonitoring control system of up-lever computer is introduced. Subsequently,the communication project of up-lever computer is designed. Mainly on the mechanical part of the calculation and verificationThe work and accomplishment in the reconstruction of measure control system and software are summarized, and moreover, ways to improve this system are pointed out.Key words steel tube measure PLC Motor Motor encoder Photoelectric sensorI目目 录录1 绪 论.11.1 课题研究的背景.11.2 钢管自动测长系统的的分类.21.3 目前国内钢管自动测长的发展状况及趋势 .41.3.1 国内钢管自动测长发展状况.41.3.2 钢管自动测长的发展方向.42 方案原理的设计.52. 1 测长系统的设计.52.1 钢管自动测长原理 .52.3 各部件方案选择及说明.72.3.1 传动方案说明.72.3.2 光电传感器的选择及说明.92.3.3 光电脉冲编码器的选择及说明.102.3.4 应用中问题分析及改进措施.112.4 控制系统的方案.122.4.1 PLC 在工业应用中的优势.122.4.2 PLC 在工业中应用优势的系统说明.132.4.3 上位机监控系统的特点.152.4.4 上位机监控系统的测试策略.163 部件设计及计算.173.1 推钢机构的设计.173.1.1 动力传动齿轮的设计.173.1.2 动力齿轮与齿条传动计算.203.1.3 编码器传动齿轮的设计.213.1.4 键的选择与计算.223.1.5 螺栓的选择与校核计算.223.2 误差的分析 .233.2.1 误差理论分析.233.2.2 减小误差的措施.253.3 测长系统设计关键点.264 控制系统.274.1 PLC 程序设计.274.1.1 PLC 软件及编程 .274.1.2 S7-400 编程方式.274.1.3 PLC 程序设计.284.1.4 PLC 程序的测试.354.2 上位机监控系统的设计.364.2.1 上位机系统监控功能模块设计.364.2.2 上位机监控系统的通讯设计.395 总结与展望.405.1 总结 .405.2 展望 .40致谢.41参考文献.42附录.43附录 1 .43附录 2.4911 绪 论1.1 课题研究的背景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。 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。 钢管测长是对成品钢管进行长度根据一定的标准把钢管定义为好管或坏管。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 1-1 所示） 。 过去，大部分的钢管厂家采用人工的方式进行测量。人工测定钢管的长度，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、生产效率低等缺点。表 11 API SPEC 5CT 标准摘录 GB/T 8162 尺寸偏差项目允许偏差D101.60mm0.79mm管体D114.30mm0.5%外径接箍1%壁厚-12.50%6.50%单根3.50%重量车载量-1.75%长度项目范围 1范围 2范围 3油管6.10-7.32m8.53-9.75m套管4.88-7.62m7.62-10.36m10.36-14.63m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。1.2 钢管自动测长系统的的分类长度是钢管的主要规格指标之一，是成品钢管贸易结算的主要依据，每根钢管的实际长度是喷标信息的重要组成部分。 钢管测长方法归纳起来有两种方案：1电荷耦合器件（CCD）钢管测长方案6 目前鞍钢无缝钢管厂热轧二车间生产线的测长系统即采用此方案。该测长方案包括精测和粗测两部分。图 12 和图 13 为系统的示意图。粗测部分由若干光源（激光器）和光电传感器组成。每一点光源和光电检测器组成一条测试线，各条测试线之间相互平行，且距离相对固定，每相邻的测试线之间的最大距离小于 CCD 器件精测的测量范围。当钢管的前端经过测试线时，光电检测系统发出信号，将相应的 I0 信号送到单片机中。精测 CCD 为摄像机，具有 2048 曝光像敏单元。为提高测量精度和可靠性，采用透光法进行 CCD 成像测量，即光源和 CCD 器件分别置于生产流水线的两侧。精测光源的光线一部分可以通过透镜投射到 CCD 器件上，另一部分则被钢管挡住，光线无法到达 CCD 器件上，如图 1-3 所示。在精测过程中，钢管在不同位置时，CCD 器件上的亮区长度也不相同。当钢管在生产流水线上向前运动时，如果其前端与粗测部分中某一条测试线重合。而型钢又在精测范围内，此时，即可进行型钢的测长。单片机在这瞬间同时进行粗测和精测。单片机检测型钢与哪一根测试线相遇，求出粗测的长度。整个型钢由图 1-2 可以看出，整个钢管的长度为： L= + 式（1.1）0L1L2L式中，L 为钢管总长， 为精测长度， 为某一固定轨道上精测的起点到 第一0L1L个测试线之间的距离， 为第一条测试线到钢管在运动过程中到达的那一条的测试线之2L间的距离。系统巧妙的将精测和粗测结合起来，实现对物体的长度测量。精度可以达到 1cm。此方案具有系统硬件简单、速度快、可扩展性好等优点，但是也存在着对测量环境要求高，设备安装调试不方便，维护困难等缺点，对于周围温差大、光线不强、灰尘大的场合测量精度会受到很大影响。2数控钢管推动测长系统 数控钢管推动测长系统”主要用于成品钢管的精确测长，在推动过程中实现动态测量，并为喷印作好定位对齐准备。本系统由机械推动、数字控制及精密测量三部分组成，主要性能指标为：钢管测长范围：3.9012.70m；测长精度：2 mm；测长周期：20-45 秒 (连续可调)；测长原理图如图 1-4 所示图 1-4 测长原理图钢管送到测长工位，PLC 检测到 1、2光电开关变为高电平后，产生“钢管到位”信号，并通过单片机系统通知上位机。上位机根据其它系统的情况和逻辑控制要求产生“允许推动测量”信号传输给 PLC。PLC 得到“允许推动测量”信号后，确认有钢管且系统一切正常，便控制变频器驱动电机正转，推动钢管向前移动。当钢管端面 m(与推头接触的钢管端面)与 1光电开关对齐的瞬间，1光电开关状态发生跳变，此时 PLC 立即发出复位信号给单片机系统，单片机系统将光栅数显表置于复位状态，当钢管端面 m 与 2光电开关对齐的瞬间，PLC 立即向单片机系统发出“测量开始”信号，单片机系统瞬间取消光栅数显表的复位状态，光栅数显表开始正常计量，PLC 同时根据此瞬间 图 1-2 CCD 测长原理图图 1-3 CCD 精测图314光电开关的状态得出“光电开关状态编码”，并以 4 位 BCD 码的形式锁存输出给单片机系统，单片机系统根据此编码查表得到 An 值。当钢管另一端面 n 和下一个光电开关对齐的瞬间，PLC 向单片机系统发出“测量结束”信号，单片机系统立即锁定并采样光栅数显表的测量值 a 。推动继续，当终点接近开关动作时，电机停止（每次推动的距离相同，即起点接近开关到终点接近开关） 。约 1 秒钟后，PLC 控制电机反转将推头退回，当起点接近开关动作时电机反转停止，推头立即停下来。同时，PLC 向单片机系统发出“推动测量结束”信号，单片机系统得到此信号后再告诉上位机。至此，完成一个测量周期。则钢管的长度为： L =An-a+ 式（1.2）式中 为系统误差，计量检定后从单片机系统键盘上键入。 该测长系统已经应用在成都无缝钢管总厂的周轧分厂合金工段。具有精度高、测长周期短、系统可靠性好等优点。但是在振动大的场合，会影响小车运动的平稳性，使得测量的误差偏大。同时若现场大型动力设备多，电磁干扰严重，也会增加系统的不稳定性。 由以上分析可知，国内研制的测长系统在一定意义上已经比较成熟，只要在现有的基础上加以改进，即可设计出高精度、高效率的测长系统。1.3 目前国内钢管自动测长的发展状况及趋势1.3.1 国国内钢管自动测长发展状况本文在对钢管自动测长系统的功能和要达到的性能指标进行研究的基础上。测长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世界同类产品的先进水平，顺利通过了省级鉴定。解决了以前依靠国外进口的困境，在很大程度上降低了成本。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，论证了测长系统开发的必要性，并进行了方案研究和论证。 （2） 对测长系统进行了总体方案设计，具体包括：各个工位的硬件组成、工作原理和具体设计方案，确定了控制系统和软件的功能等。 （3） 控制系统设计。对测长系统的控制系统进行了详细设计，主要包括系统电气组成、PLC 硬件设计。（4） PLC 程序的设计及调试。根据测长系统的功能要求，针对 PLC 系统的硬件特点，对 PLC 程序进行了模块化设计。根据各个工位功能的不同和所需的交流信号，对各个工位 PLC 程序的流程、控制信号和数据信号、以及 PLC 与上位机通讯时序进行了详细设计。完成了现场调试，解决了现场中出现的问题。（5） 上位机监控系统的设计及调试。采用面向对象的思想进行了上位机监控程序的设计，具体包括各个功能块的设计、控制界面的设计和数据库的设计。在现场进行了调试，按照要求完成各种不同报表的实现。1.3.2 钢管自动测长的发展方向测长系统发展还不完善，需要进一步的进行优化设计。下一步的工作主要有： （1） 测长系统的应用面还比较窄，仅能应用在钢管生产行业，下一步应以测长系统为基础，研制适用于钢坯、钢板等生产的同类设备，以实现产品的系列化。 （2）测长系统中，有许多关键部件是国外进口的，如光电传感器、编码器等。而且成本高，所以系统部件的国产化工作有待进行。2 方案原理的设计2. 1 测长系统的设计 测长的系统构成如图 2-1 所示，由图可以看出系统组成如下：图2-1 系统结构 （1）V滚轮用来放置钢管，滚轮采用树脂。树脂起到两方面作用：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；另一方面是用来减小钢管与台架之间的摩擦数，减小两者之间的摩擦力，增强钢管在被推动时运动的平稳性。 （2）电动机的选择主要由所需的推钢机构的所需功率决定。系统选用普通三相异步电动机。而加上电机抱闸，这样推杆能立即停止运动。 （3）光电传感器 在垂直于钢管轴向的方向上等距布置24 对光电传感器。系统采用对射式的光电传感器，由发射管和接收管组成，负责检测钢管的位置，若钢管从一对传感器的发射管与接收管的中间穿过，传感器就会发出一个电平信号给PLC。 （4）齿轮、齿条，光电脉冲编码器 齿条的连接在电动机的齿轮上，与齿条啮合的齿轮通过联轴器与脉冲编码器相连。当电动机推动钢管时带动齿条运动，同时齿条带动齿轮转动，而齿轮的转动带动脉冲编码器转动，最电动机推杆的沿钢管轴向运动的距离反映为脉冲编码器转过的角度。2.1 钢管自动测长原理测长系统通过脉冲编码器与光电传感器配合计数的形式测长。测长原理如下：当光电传感器检测到工位上有钢管时，这时操作上位机经 PLC 启动测长工位的电动机 ，这时电机得到信号启动通过齿轮与齿条之间的转换从而使推杆向前运动，在这过程中光电脉冲编码器通过齿轮与齿条传动计数。当电动机转动带动齿条从而带动编码器也跟着旋转并计数 。24 对光电管中被钢管挡住的状态为 1，没有被挡住的状态为 0。在推动过程中编码器开始计数，如有光电管的状态从 0 变为 1，PLC 计数模块就清零，编码器就重新开始计数，然后重新计数。 当滚轮碰到左限位开关的瞬间 ，测长工作完成 ，此时PLC 记录当前编码器的数值和每组光电管的状态并保持 。设 PLC 所保持的编码器计数值相对应的钢管长度为 L，每组测长盒第一个光电管距零位基准的距离都为定值，当光电盒安装完成后 ，这 6 个值就确定了。值得注意的是 ，在测长过程中 ，钢管尾部至少要经过一对光电管 ，即编码器计数值需要清过零以后 ，所测的长度才是正确的。如果在测长过程中编码器计数值没有清过零 ，那么所测长度值是无效的 ，应重新测量以此类推，当电动机滚轮触发行程末端开关时，编码器就停止计数，然后电动机返回，测长过程结束如图 2-1。PLC 将钢管的最终状态和编码器的数值传送给上位机，最终由上位机计算出钢管的长度。最终一个管子的长度为： L 式（2.1）1L3L其中，是推杆推到底时钢管头部与尾部最后经过的那对光电传感器的距离， 是1L3L编码器的数值脉冲当量，如式 2-2 所示： N 式 (2.2) 3LPL式中，N 为高速计数模块的绝对计数值，即正向计数值减去负向计数值后的结果；则是脉冲编码器的脉冲当量。 PL测长系统在设计时为了达到规定的测长精度进行合理的设计，需要注意以下几个问题： 1）光电传感器的响应速度的快慢很大程度上影响测量的精度，若选用继电器方式的输出接口其响应时间为十几个毫秒，而晶体管方式的接口其响应时间只要几个毫秒甚至更小，但是注意晶体管方式的输出接口要和与之相连的 PLC 的输入匹配。2）齿轮齿条的设计、加工、安装的误差都会引起脉冲编码器脉冲信号与电动机传动到推杆实际移动距离之间不一致，从而增大系统误差。脉冲编码器的分辨率也会影响系统的精度，分辨率越高，精度越高。因此要保证齿轮齿条的设计、加工、安装精度，选择高分辨率的编码器。本系统齿轮齿条的制造精度为 6 级精度，编码器选择 2000 线的。 3）到位传感器负责检测钢管到位，然后把钢管到位信号传给 PLC，PLC 在接到钢管到位信号后才开始测长。PLC 负责采集到位信号、接受脉冲编码器信号，控制电动机和推杆的运动，并把检测结果送到上位机。为了保证测长的精度要求 PLC 的输入点的响应时间小，指令运行快。 4）合理设计以电动机为动力源的推动机构和传感器的数目。电动机的转数和齿轮之间的转动比所带动的推杆的距离必须比传感器的安装距离大，这样才能保证在钢管移动过程中至少有一对传感器能触发。传感器之间的安装距离不能太大，否则会增加齿轮传动的设计制造难度，使得推动行程太长，降低工作效率。如果太小，就会增加了传感器的数目，增加生产成本。因此要协调好推杆的行程与光电传感器数目之间的关系。本系统测长推杆的行程为 460mm，光电传感器之间的距离为 450mm。2.3 各部件方案选择及说明2.3.1 传动方案说明2.3.1.1 电动机选择及说明电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点： (1)如果电动机功率选得过小就会出现“小马拉大车”现 象，造成电动机长期过载使其绝缘因发热而损坏甚至电动机被烧毁。 (2)如果电动机功率选得过大就会出现“大马拉小车”现象其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利。而且还会造成电能浪费。 要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较： (1)对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率 (即生产机械轴上的功率)(kw)可按下式计算所需电动机 的功率 P(kw)： P=/ 式中 为生产机械的效1P1P12n n1n率；为电动机的效率。即传动效 率。 按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。2n因此所选 电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。 例：某生产机械的功率为 395kw机械效率为 70、如果选用效率为 08 的电动机，试求该电动机的功率应为多少 kw? 解:P=P1/ n1n2=3.95/0.7 0.8=7.1kw 由于没有 7.1kw 这规格所以选用 75kw 的电动机。 (2)短时工作定额的电动机与功率相同的连续工作定额的电动机相比最大转矩大，重量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电动机。 (3)对于断续工作定额的电动机，其功率的选择、要根据 负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电动机。负载持续串的计算公式为 ：SFtg/(+)100 式 (2.3)SFgt0t式中 为工作时间，为停止时间 min；十为工作周期时间 min。 gt0tgt0t 此外也可用类比法来选择电动机的功率。所谓类比法。 就是与类似生产机械所用电动机的功率进行对比。具体做法是：了解本单位或附近其他单位的类似生产机械使用多大功率的电动机，然后选用相近功率的电动机进行试车。试车的目的是验证所选电动机与生产机械是否匹配。验证的方法是：使 电动机带动生产机械运转，用钳形电流表测量电动机的工作电流，将测得的电流与该电动机铭牌上标出的额定电流进行对比。如果电功机的实际工作电流与铭脾上标出的额定 电流上下相差不大则表明所选电动机的功率合适。如果电动机的实际工作电流比铭牌上标出的额定电流低 70左右则表明电动机的功率选得过大(即“大马拉小车”应调换功率较小的电动机。如果测得的电动机工作电流比铭牌上标出的 额定电流大 40以上则表明电动机的功率选得过小(即小 马拉大车)，应调换功率较大的电动机. 表 2-1表 2-1 功率因数负载情况空载1/4 负载1/2 负载3/4 负载满载功率因数0.20.50.770.850. 89效率0.710.780.85 0.880.895在测长系统中推钢机构中各种的数据和要求：钢管直径：48-246mm钢管长 L: L=6-15m钢管重 M: M=20kg-1000kg钢管移动速度 V：V=0.2m/s过管的速度278 根/小时V 型架的摩擦系数0.1则推动钢管的力为 F： F=MG=1000100.1=1000N则可得输出功率 P：P1=FV=10000.2=200W滚动轴承效率：0.98齿轮与齿条传动效率：0.8齿轮与齿轮之间的效率: 0.95摆线针轮减少机电效率： 0.9综上可得：电动机的功率要满足P2=502W 则电动机可以通过查表得选为 Y802-4.Y802-4 技术参数额定功率/KW转速 R/MIN最大静转矩NM转子转动惯量22/GDNM重量/KG0.7513902.20.002118 电动机在安装时应考虑到震对机构带来的影响，所以我们把电动机与推钢机构隔离。我们采用矩钢对电动机进行支撑，这样能够保证电动机不影响编码器的工作。2.3.1.2 减速器的选择及说明在推钢机构中要满足推杆的速度，则在电动机与推杆之间存在很大的传动比，这靠简单的减少是不能达到的，所以我们考虑到有很大的减少比的行星齿轮减速机和摆线针轮减少机，它们有很大的传动比，完全能够满足我们的要求。我们初选减速机为：XWY3-43-0.75(摆线针轮减速机)减速机的输出扭矩为：电动机： =9550=5.2 式 (2.4)1TdPnNM电动机传递到减速机输出： =201 式 (2.5)2T1T1i NM而通过计算得推钢机构在推动钢管时所克服的最大工作转矩： =199.416N mm，3T所以我们算出电动机最终输出的扭矩大于现场工作时推动钢管的真实最大扭矩，所以即选定电动机和减速机都符合要求。2.3.1.3 电机的抱闸制动三相异步电动机从切除电源到完全停止旋转，由于惯性的原因，总需要一段时间。但实际工作中，机械在运行过程中都要求安全和准确定位、以及为了提高测量精度，都需要电动机能迅速停车，所以要求对电动机进行制动控制。在本系统中我们采用弹簧抱闸示意图如 2-2。M3 3KM1FR1M1QSFU1234图 2-2 弹簧抱闸示意图1-电磁铁；2-制动瓦；3-弹簧；4制动轮当电磁铁 1 得电时，制动瓦 2 被吸起与制动轮 4 脱离，与制动轮相连的电动机可自由转动。当电磁铁失电时，在弹簧 3 的作用下，制动瓦压紧制动轮使电动机无法转动。这时可以防止电机由于惯性而继续转动，导致钢管测长完成后继续向前攒动。2.3.2 光电传感器的选择及说明电传感器可以按以下 4 种方式分类 1、 检测形态 2、 构成 3、 输出 4、 光源检测形态的分类 A 透过型 投光部和受光部一体化 投受光部多数排列型 交叉光束扫描方式 B 镜面反射型 C 反射型 扩散反射型 狭视界反射型 限定反射型 距离设定式限定反射型 色标检测型构成的分类 A电源内藏型 B放大器内藏型 C放大器分离型 D光纤型输出分类 ANPN 输出 BPNP 输出 C直流两线式输出 D模拟电压、模拟电流输出 E继电器输出光源分类 A红外线 B红色光 C绿色光 D3 色光（红绿蓝） 。光电传感器的检测模式分为如下几类：对射式、反射板式、偏振反射板式、直反式、宽光束式、聚焦式、定区域式和可调区域式。我们在钢管自动测长系统中的光电传感器在垂直于钢管轴向的方向上等距布置 24 对光电传感器。系统采用对射式的光电传感器，由发射管和接收管组成，负责检测钢管的位置，若钢管从一对传感器的发射管与接收管的中间穿过，传感器就会发出一个电平信号给 PLC。光 电传 感 器选 用 KT-700N(SICK OP TEX)，主要技 术参数 为 ：最大检 测距离 为 7m；最小 可检 测的 物体 为 7mm；供 电 电源 为 DC10V30V；最 快 反 应 时 间 为 0.7ms。光电传感器成对使用 ，分别安装 在 V型辊 道的两边 。在垂直于钢管轴向的方向上等距布置 24 对光电传感器，在安装时我们才用两端支撑，支撑才用外购件。测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。使用的传感器盒要能够符合现场工作的要求还有考虑到特殊情感下的事件，例如：进行修理时要承受一定的载荷，这就要求它要有良好的强度和韧性。所以在设计传感器时我们采用铝合金进行成模拉伸。2.3.3 光电脉冲编码器的选择及说明电脉冲编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 2-2 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90 的两路脉冲信号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。光光源源透透镜镜码码盘盘透透镜镜光光敏敏元元件件放放大大整整形形脉脉冲冲输输出出转转轴轴图 2-2 编码器组成 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和 Z 相；A、B 两组脉冲相位差 90，从而可方便地判断出旋转方向，而 Z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目前国内已有 16 位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 可以直接读出角度坐标的绝对值； 没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有 10 位、14 位等多种。 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 在钢管自动测长中我们选用光电脉冲编码器为 TRDN(KoYo)， 主要技术参数 ：供电电源为 DCA4.75V30V；输出转速为 2000rn。它安装在齿轮轴上 ，当电动机启动时带动齿轮从而带动脉冲编码器进行计数。由脉冲编码器和光电管配合进行钢管测长 。2.3.4 应用中问题分析及改进措施2.3.4.1 应用中问题分析 光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多缺陷，其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面： 1）发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。 2）因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。3)生产现场的各种电磁干扰源，对光电检测装置产生的干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。2.3.4.2 改进措施1)改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至 1.2mm/s。 2)合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。 3)利用 PLC 软件监控或干涉。在连铸生产的送引锭过程要求光电测装置产生有时序性的电信号，同时，该信号与整个过程不同阶段相对应。光电检测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。结合光电检测装置在生产过程控制中的应用实践，在控制系统设计中；不宜采用光电检测装置的信号作为重要的控制信号，以避免光电装置突然损坏或工作不稳定（环境高温、湿度大、机械振动、外力碰创等）引起其它设备事故。在控制系统中应用 PLC 程序实适进行过程控制的监控或干涉，以克服了因系统中采用光电装置而存在的各种缺陷，是提高系统可靠性的有效途径。 2.4 控制系统的方案2.4.1 PLC 在工业应用中的优势PLC 经过近三十年的发展，现已形成了完整的工业控制器产品系列，其功能已经发展到目前的具有接近计算机的强有力的软硬件功能，在工业控制应用主要有以下优点： （1）由于采用了大规模集成电路和计算机技术，可靠性高、逻辑功能强，且体积比较小。在需要大量中间继电器、时间继电器和计数器的场合，PLC 无需增加硬设备，用微处理器及存贮器的功能，就很容易地完成这些逻辑组合和计算，大大减少了复杂的接线，降低了控制成本。 （2）PLC 采用了软件编制程序来完成任务，随着要求的变更对程序地修改显得十分方便，软件程序下载非常方便。采用面向对象的梯形图编程，从用户的角度看，已经不具备编程的复杂性，编程变得较容易。 （3）可在恶劣的工业环境下运行， 其设计原则是高可靠性，抗干扰能力高，坚固耐用。其平均无故障时间约为 5 万小时，可以经受 1000v/1us 矩形脉冲干扰。 （4） 输入输出端口可以和工业现场的强电信号相接，如交流 220V，直流 24V，并可直接驱动功率部件（一般负载电流为 2A）。 （5）采用模块化结构（除小型 PLC），可以使 PLC 扩展容易，并可实现分布式控制。如西门子 S7-400 系列 PLC 采用模块化、无排风扇结构，可实现分布式的配置。 （6）目前的 PLC 已经发展成为网络化的控制系统及信息系统，如西门子的SIMATIC PCS7 系统，这是 PLC 与 DCS 相结合的新系统。 （7）具有完善的监控和诊断功能，内部工作状态、通信状态、I/O 点的状态及异常状态均有醒目的显示，维修人员可以及时准确地发现和排除故障，大大缩短了维修时间。 （8）通信功能大大增强，高级的 PLC 都支持现场总线和 ETHERNET，因此开放性好；西门子 PLC 可以利用 DP 或 FMS 协议，或通过光纤电缆，连接到 Profibus；或借助 ISO/TCP 或 TCP/IP 数据通信协议，接到工业以太网。 （9）增加冗余容错功能，提高可靠性。现代 PLC 已经能够完成，并能做冗余或热备，模块也可以带电插拔；主流 PLC 可以轻易的提供以太网、双控制器、电源、IO 模块的冗余方案。 目前 PLC 在设计中采用了最新的微处理器装置和电子线路，在许多恶劣环境（例如电噪声、高温和存在机械振动）的工业应用中能可靠、安全的工作。2.4.2 PLC 在工业中应用优势的系统说明PLC 硬件设计必须根据 测长系统的生产工艺要求、设备状态、要完成的控制功能、所需的 I/O 点书等因素而定。参考上述 PLC 的特点和系统要完成的功能，测长 系统采用 SIMATIC S7-400 PLC。 该 PLC 是一种中、高档性能范围的可编程控制器，能够满足现场复杂的任务要求。它具有以下几个特点： (1)功能齐全的 CPU 以及种类齐全的模块，能为其自动化任务找到最佳的解决方案； (2) 实现分布式系统和扩展通讯能力很方便，组成系统灵活自如；用户友好性强，操作简单，免风扇设计； (3) 可以利用 DP 或 FMS 协议，简单的通过光纤电缆，连接到 Profibus 总线，或借助 ISO/TCP 或 TCP/IP 数据通信协议，接到工业以太网。 (4) 增加了冗余容错功能。S7-400 系列 PLC 既可作为标准 PLC 又可作为容错型或安全型使用的 PLC。其容错性是通过两个并行的中央控制器实现的，它们的 CPU 通过光纤连接，并通过冗余的 Profibus-DP 线路对冗余 I/O 进行控制。在错误发生时，将会出现一个无碰撞的传输控制，即未受影响的热备设备将在中断处继续执行而不丢失任何信息。 硬件系统的设计要求有高的抗干扰能力，其抗干扰设计主要采取三个方面的抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径。系统的具体的设计如下： 1、CPU 模块是整个 PLC 系统的核心，执行速度要快，抗干扰能力要高，并且能为工厂进一步实现网络化提供接口，方便建立现场总线，因此选用了 CPU412-2 模块。它的执行一条二进制指令仅需要 0.2sm ，提供 256KB 的 RAM，带有 DP 接口，能够方便的建立 PROFIBUS 总线。2、采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰。PLC 电源模块采用西门子 PS 5A 型号，隔离性能高。为保证电网馈点不中断，采用在线式不间断供电电源 UPS 供电，UPS 具有较强的干扰隔离性能，提高供电的安全可靠性。 3、测长 系统的生产效率要求高，平均 12 秒过一根管，其中包括步进梁移动时间和各工位正常工作时间，要求 PLC 输入输出模块的响应时间要短。根据现场传感器的个数、电机控制点数以及为系统预留 20的输入输出点，选用 1 块数字式输入模块：SM421 DI 32DC24V，1 块数字式输出模块：SM422 DO 32DC24V。主要技术参数：输入电源 24V；信号“0”：-35V，信号“1”：1330V；从“0”到“1”的时间为 1.24.8ms，从“1”到“0”的时间为 1.24.5ms。 4、由前面测长系统的设计分析可知，高速计数模块用来对脉冲编码器输出脉冲进行计数，由于编码器的输出频率很高，所以对应的技术模块也有要足够的计数频率。光电编码器、脉冲编码器、计数模块的选型如下： 1)光电传感器：KT-700N（SICK OPTEX）。主要技术参数：最大检测距离：7m；最小可检测的物体：7mm；供电电源：DC10V30V；最大反应时间：0.7ms。 2)脉冲编码器：TRD-N（KoYo）。主要技术参数：供电电源：DCA4.7530V；输出频率：2000rpm；上升/下降时间：3us 以下（电缆长度小于 50cm 时）。3) 计数模块：FM350-1。主要技术参数：可接受单相、两相、AB 相脉冲，双向计数，32 位；允许最高计数频率：500KHZ。4)PLC 输入模块:SM321 Dl 16X DC 24V。主要技术参数:输入电源 DC 24V;信号“0”:3-5V，信号“1”:13-30V;从“0”到“1”的时间:1.2-4.8ms，从“l”到“0”的时间:1.2-4.sms。5)电机功率:0.75KW;推杆速度:142mm/s6)每对光电传感器之间的距离:=450mm。0L5)、测长系统中的采用三相异步电机作为动力源。三相异步电机的调速采用摆线针轮减速机进行减速，三相异步电动机在转动时能够有足够的扭矩以提供推钢机构的要求，而速度的要求我们必须采用具有很高减速比的减速机，只有这样才满足要求。 6、不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆按传输信号种类分层敖设，动力电源和信号的传送分别采用不同的电缆分层敖设，减少了电磁干扰。 7、控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。信号屏蔽双绞线的屏蔽层牢固连接并进行了绝缘处理，避免多点接地。PLC 输入输出模块的地与 4V，5V 开关电源的地相接，保证系统具有一个相同的地，避免电位差的存在，抑制共模干扰。2.4.3 上位机监控系统的特点上位机监控系统的特点 上位机监控系统采用面向对象的编程思想和模块化设计，具有以下特点： （1） 精度高：该系统的数据输入来源于现场控制层 PLC 对各个执行元件和传感元件的状态进行采集和处理后的输出。它所接受的数据精度决定于采样信号和模数转换模块的精度以及处理数据的精度。 （2） 时间特性：上位机系统是实时监控系统，因为功能的要求，在时间上有以下特点：数据接受响应时间400ms；画面动态数据刷新 1s；上位机监控系统发出指令到现场各工位的响应时间150ms；动态保存一万条或最近 30 天的事件记录；静态保持一年的事件记录。 （3） 灵活性好：由于使用了通用的 DDE（动态数据交换 Dynamic Data Exchange）、OLE（对象链接和嵌入 Object Linking and Emebedding）、API（应用程序接口 Application Program Interface）等技术，和其它商业软件的接口有统一的外部接口方式，便于系统的二次开发。 （4） 可靠性高：在人机交互界面设计上充分考虑了容错设计（如输入提示功能的设计，参数输入容错的设计，对供编辑功能的模块程序采用多级密码控制的方法，输出界面安全性设计等等）。通过以上措施杜绝了由于误改造成的经济损失，尽量降低对操作人员水平的要求，多处采用提示的方法便于用户使用。在程序结构上对于转移条件的审查，算法容错的设计等方面都有充分的考虑。上位机监控系统跟 PLC 通过 MPI 协议通讯，可靠性高。 （5） 安全保密：由于本系统是用户单位内部使用，在数据交换上使用专线传送，因此在系统设计中未考虑软硬件的加密方式，在软件上亦仅在远方操作时，进行操作员密码的检测和操作员个人登记。另外，也可以利用 WINDOWS 2000 平台进行安全设定。 （6） 可维护性好：软件编码标准和命名约定采用一致性约定，例如全局变量在所有程序中应该具有相同的名字并在公共的变量表中进行定义，局部模块变量在模块或系统说明书中有意义，但只在一段子程序中出现，这些变量的名字可以与其他的局部变量重命。系统在文档管理、构造流程图、输入输出过程、出错处理、模块接口以及模块和变量的命名采用统一的编码标准和注释及风格，便于对程序的全面理解。2.4.4 上位机监控系统的测试策略 系统测试的主要目的是检测程序是否满足设计的要求，及时的查出程序的错误，以便及时改正，使系统更好的满足用户的要求。M 测长系统上位机监控系统的测试也采用渐进性测试策略，主要目的是在失效发生后减少错误定位的难度，有利于发现和改正错误。渐进性测试必须从单元（模块）测试开始，只有在单元测试完成以后才能进入综合测试，综合测试的主要目的，不是发现单元和模块内部的错误，而是检查单元和模块之间的接口，以及检查程序的总体结构。上位机监控系统的软件测试采取了以下措施： 1、设计人员在编写完每个模块后，马上进行单元测试，例如先进行正常输入条件的测试，通过以后，进行非正常输入条件的测试。对于一些边界条件的测试，设计了相应的测试案例进行测试。2、测试案例尽可能选择能暴露程序错误的案例，不仅包括正常的输入条件还要包括非正常的输入条件。 3、程序不能完全由设计人员自行测试。测试过程本质就是破坏性过程，设计人员选用白盒测试对自己程序进行测试，当程序测试完以后，就交给测试人员来进行黑盒测试。最后由用户进行测试，直至满足用户的需求。3 部件设计及计算3.1 推钢机构的设计3.1.1 动力传动齿轮的设计 因批量较小，故齿轮用 40Cr,调质处理，硬度 241HB-286HB,平均取 260HB。(本章计算图与表参考文献 20)转矩 =9.55=199416 =199416CT611 0.910PNNmmCTNmm齿宽系数 由表 12.13 取=1.0 =1.0ddd接触疲极限 由图 12.17C20 =580 MPaHLimHLim初步计算许用接触应力 =0.9 =522 MPa （式 12.1520）HHHLimHAd 值 由表 12.16 取 Ad=85初步计算齿轮直径 DAd （式 12.1420）321 (1)dHTUU =76.5 (U=) 取 D=84mm初步齿宽 b b=D 取db=84mm校核计算圆周速度 V: V= V=0.14m/s 13904360 100060 1000DDN精度等级 由表 12.620 选 6 级精度齿数 Z 和模数 M 初取齿数 Z=28M=3DZ由表 12.3 取 M=3 则 Z=D/M=21 Z=28使用系数 由表 12.920 =1.75AKAK动载荷系数 由图 12.920 =1.1VKVK齿间载荷分配系数 由表 12.1020先求HK =2T/D= 4748NtF =98.9N/mmbFKtA100/N mm （式 12.620）121.883.2(1/1/)cos1.73azz=1.73a =0.87 （式 12.1020）40.873dZZ由此得=1.32 =1.32HK21ZHK齿间载荷分配系数 由表 12.1120HK =A+B =1.38HK23( )10bCbdHK载荷系数 K K=3.5 （式 12.520）AKVKHKHK弹性系数 由表 12.1220 =189.9MPaEZEZ节点区域系数 由图 12.1620 =2.5HZHZ接触最小安全系数 由表 12.4420 minHS=1.15minHS总工作时间 =4800hhtht应力循环次数 由表 12.1520，估计,则指数 M=8.78LN791010LN = （式 12.1320）LN1111maxmax60()60()nnmmiihiVi hihiihTTtNntntTTt = 1.3 =1.3710LN710原估计循环次数正确。接触寿命系数 由图 12.1820 NZ=1.2NZ许用接触应力 = =632MPa （式 12.1120）HHminHLimNHZSH验算 = （式 12.820）HEZHZZ22KTbD =623MPaH计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。否则，尺寸调整后还应再进行验算确定传动主要尺寸实际分度圆直径 d 因模数取标准值时，齿数已总新确定，但并为圆整，故分度圆直径不会改变， 即=28 3=84mm d=84mmdmz齿宽 b=D b=84mmd因齿轮与齿条啮合，所以中心距无限大齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数 =0.25+=0.68 =0.68 （式 12.1820）YY0.751.78Y 齿间载荷分配系数 由表 12.1020，=1/ FKFKY=1.49FK齿向载荷分布系数 b/h=84/(2.25 4)=19.3FK 由图 12.1420 =1.4FK载荷系数 K K= K=3.96AKVKFKFK齿型系数 由图 12.2120 =2.19FYFY =1.8SY弯曲疲劳极限 由图 12.23c20 =450MPalimFlimF弯曲最小安全系数 由表 12.1420 =1.6minFSminFS应力循环次数 由图 12.1520，估计指数LN46103 10CN M=6.23 =CN6.23111max60()nhiVnihtTNntTt = 61.8 10原估计力循环次数正确 =CN61.8 10弯曲寿命系数 由图 12.