顶棒自动识别系统之检测支架设计

1、摘要在钢管测长时 ,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，给出了系统的检测原理。本课题主要研究工作：1.综合叙述了钢管的工艺生产流程,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。2.提出了系统总体的设计要求,根据系统的整体组成结构进行了机架设计，传感器的应用及检测原理，包括系统组成和工作过程以及设计时应注意的问题。3.主要是对系统所需要的主要机械零部件进行选型，并对选择过程做出相应说明，以及一些相关的力学和强度校核计算还有给出零部件的受力变形图等设计过程。4.简述了plc的组成模块及plc的编程。5.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 测长；顶杆；检测；机架；横梁；传感器；plcAbstractIn the pipe length measurement, it needs real-time understanding of each mandril the length, diameter, the fre

2、quency of use, and other information.In this paper we introduced through the mandril tail slotted the way to achieve mandril the identification and tracking information, the system is detecting principle. The main research topics:1. Comprehensive described the pipe of the production process, that the domestic mandril Automatic Identification System and the Development of the existing problems and described the mandril automatic identification system works and processes.2. Raised the overall syst

3、em design requirements, according to the overall structure of the rack design, sensors detect the application and principles of the note, including the composition and work of system design process and they should pay attention to the problem.3. The system is required by the major mechanical components for selection, and selection process to make the corresponding notes, and some of the relevant check the mechanical strength and there are parts of the calculation of the force, such as deformatio

4、n of the design process .4. Outlined the composition of plc modules and plc programming.5. Summed up the mandril automatic identification systems and software systems development process of the work done and the direction of improving the system of the future.Keywords Measuring mandril detection rack beams sensor plc目 录1 绪论1引言1论文的主要工作和意义7系统开发的必要性72 顶杆自动识别系统的总体设计9顶杆自动识别系统的设计要求9顶杆自动识别系统的组成部份93 机架部分的设计12机架主体部分12截面形状和肋板布置14截面形状的合理选择143.2.2肋板的布置14立柱和横梁的选型15立柱和横梁的形状设计15立柱和横梁的力学计算17轴的设计及计算校核20按许用切应力计算2

5、0按许用弯曲应力计算21机架之联接螺栓的力学计算及校核224 PLC部分的设计254.1 PLC概述254.2 PLC的组成部分及应用领域304.2.1 PLC的组成模块304.2.2 PLC应用的领域314.3 S7-300编程方式314.4 PLC程序设计32系统的配电图及说明33结论35致谢36参考文献37附录38附录138附录2461 绪论钢管的长度是通过直接测量顶杆尾部是否开槽并最终通过plc里保存的数据得到的。测长过程中顶杆的定位精度要求很高 ,每根顶杆在动作之前必须调整到恰当的位置 ,才能在运动过程中避免前卡、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。每次测长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

6、涉下能自动完成检测。(2)顶杆工作在高温状态下 ,测长过程中顶杆的表面温度可能达高达 300,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。顶杆自动识别系统的原理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

7、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 1-1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。传感器阵列分为 6组 ,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1-1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1-1 检测示意图检测系统的组成图 1-2 顶杆检测系统的结构简图顶杆检测系统的结构简图 ,如图1-2所示 ,系统包括检测头、检测头对齐挡板、检测头顶针、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 11个部分。1.

8、 检测头 2. 检测头对齐挡板 3. 检测头顶针 4支撑板 5. 凸轮 6. 气缸 7. 机身 8. 对齐油缸 9. 顶杆对齐板 10. 顶杆编码部分 11. 顶杆到位检测传感器 12. 顶杆整个系统的工作流程可以分为 7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。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 （48mm256mm）,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。4. 凸轮旋转。气缸下降到位后 , PLC控制电机驱动器 ,使其顺时针转动。有个磁感应式的传感器用来检测凸轮的旋转位置。当传感器从有信号状态变为无信号状态后 ,凸轮已经转过了所需要的角度 ,凸轮停止旋转

9、。凸轮旋转过程中 ,检测头在弹簧拉力的作用下向凸轮机构靠近 ,最终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。5. 检测头检测。凸轮停止转动后 , 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。6. 凸轮复位。检测完成后 ,凸轮顺时针旋转 , 直到传感器信号从无变有 ,凸轮电机停止旋转 ,凸轮旋转到位。7. 气缸上升。凸轮复位后 ,气缸上升 ,直到上位传感器信号触发停止。顶杆检测完成。图 1-3是系统的工作流程图。 图 1-3 系统的工作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 1-4是顶杆检测的正视图。如图 1-4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。则存在关系见式(1.1): 式(1.1)由图 1-4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

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