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1、数控焊接钢管飞锯机及其控制系统设计 20072008学年第2学期 毕业设计（论文） 班级 学号 指导教师 武汉交通职业学院教务处制 武汉交通职业学院 1 目 录 前言 摘要 1 关键词 1 1飞锯机总体设计 22.1主运动结构方案2.2 3. 飞锯数控系统整体方案3.1数控系统的组成3.2位置伺服系统组成3.3系统的组成及工作原理4. 结束语5. 参考文献 2 摘要:飞锯机是一种对连续运动的钢材进行定尺切断的自动化设备，广泛地使用在高频直缝焊管或型钢的生产线上，可在焊管或型钢高速运动下实现自动跟踪锯切。飞锯机是焊管生产线上最后一道工序的生产设备。工程中常见的各种钢管，通常是将一卷卷百米长的成型
2、钢带经卷管机卷成圆钢管后进行焊接，再经矫直处理，就经飞锯机进行定尺锯断，最后钢管被翻入包装机，用铁丝捆扎成一捆捆的钢管产品。 在我国的焊管加工业中，焊管的长度定尺一直采用机械式的飞锯定尺，大多采用机械装置调节锯切尺寸的长短，调节不灵活，也不方便，一般不能切断短尺寸的钢管。这种调节方式没有考虑到钢管的运动速度的变化，因此精度被限制在较低的范围：其定尺误差较大，长度误差的离散性也较大，定尺精度一直在 的范围内波动。本次设计抛开以往的设计思想，浓缩了一种新的方案。通过对锯片做定轴摆动方案和锯片作直线进给运动方案进行比较分析，选定后者。该方案结构简单，各运动易于实现。本设计使用三台电机驱动：一台带动锯
3、片作高速旋转；一台带动滚珠丝杆作进给运动；还有一台带动锯片作往复跟踪运动。使用两个气缸置于滚珠丝杆两侧，用作夹具夹紧与松开的控制。 控制系统方案选定为交流电机伺服系统，对交流电机采用变频调速，用位置控制电路将飞锯切削速度和小车跟踪速度的给定值转换为脉冲数，作为通过变频调速来调节交流异步电机转速的依据。焊管长度的定尺精度问题，一直为焊管厂家所关心和急于解决。传统的机械定尺方案已经不能满足现在钢管的精度要求，随着计算机技术的发展，利用微机控制定尺飞锯已经势在必行。本文阐述了单片机在定尺中的应用，具体介绍了该定尺控制系统和机械结构的组成，工作原理及硬件的设计。 关键词：单片机 飞锯 定尺剪切 3 前
4、言 在我国的焊管加工业中，焊管的长度定尺一直采用机械式的飞锯定尺，大多采用机械装置调节锯切尺寸的长短，调节不灵活，也不方便，一般不能切断短尺寸的钢管。这种调节方式没有考虑到钢管的运动速度的变化，因此精度被限制在较低的范围：其定尺误差较大，长度误差的离散性也较大，定尺精度一直在一定的的范围内波动。本次设计抛开以往的设计思想，浓缩了一种新的方案。 通过对锯片做定轴摆动方案和锯片作直线进给运动方案进行比较分析，选定后者。该方案结构简单，各运动易于实现。本设计使用三台电机驱动：一台带动锯片作高速旋转；一台带动滚珠丝杆作进给运动；还有一台带动锯片作往复跟踪运动。使用两个气缸置于滚珠丝杆两侧，用作夹具夹紧
5、与松开的控制。 控制系统方案选定为交流电机伺服系统，对交流电机采用变频调速，用位置控制电路将飞锯切削速度和小车跟踪速度的给定值转换为脉冲数，作为通过变频调速来调节交流异步电机转速的依据。 钢管源源不断地从前道工序送来，飞锯必须在工件连续运动过程中完成对工件的切割，飞锯的这种特殊要求决定了它必须在切割完一根钢管后立即回到初始位置。当工件运动的位置量为小车追赶钢管所需的最小距离时，小车加速运动，随后采用位置PID算法调整小车与钢管之间的距离，直到与钢管同步，同时经过锯片的钢管长度恰为设定的定尺长度时，飞锯小车上的刀具切断钢管，之后，小车快速返回初始位置，飞锯就是这样周而复始地完成连续工件的定长切割
6、任务的。 整个飞锯组成如图1所示，分为四部分：机床主体、CNC装置、驱动装置、辅助装置。 （1）机床主体是完成工件定长切割的机械部分，它包括小车、传动机构、导轨、机架等。为了适应飞锯连续定长切割，该部分要求具有较高的动态刚度、耐磨性、小的热变形性等。 (2)CNC装置是飞锯机的核心，用于完成信息的输入、存储、数据交换、位置控制等多功能。 （3）驱动装置是飞锯机执行机构的驱动部件，它要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数字控制装置发送来的数字指令信号。 4 图1 飞锯机整体结构图 (4)辅助装置是保证飞锯机功能充分发挥所需要的配套部件。 2. 机械结构总体方案设计 2.1 主运动结构方案
7、 主运动有两个方案可供选择： 方案1:圆盘式锯片，由交流异步电动机通过带 传动带动锯盘做高速旋转，作直线进给切割，切割钢管的时间短，效率高。 方案2:是条式锯具，作直线往复运动，锯条在重力压下前进运动时，对工件 进行切割；而锯条抬起返回时，对工件不切削。由于锯条在切割钢管过程中 需要频繁地抬起、放下操作，同时又要频繁地加速启动、减速制动控制，使 其工作效率低于50%。由于钢管的位移速度高，要求切割钢管的时间短，只 有选择圆盘式锯具才能满足要求。对比后，决定采用方案1。 2.2 进给运动结构方案 飞锯的横向进给运动有两个方案供选择: 方案1是：锯盘固定在锯台上，锯台由滚珠丝杠螺母副与步进电机或交
8、流伺服电机传动， 其特点是结构简单，刚性好，稳定性高，速度响应快，容易严格控制锯片的横向进给运动。 方案2是锯盘经曲轴、滑块机构与气缸连接，气缸推动锯片作来回摆式的进给运动，该方案 优点是进给部件少，质量轻（因驱动锯片高速旋转的电机不作进给运动），但其结构复杂， 刚性较差，要加锁住装置，以防锯盘在重力作用下下落，损坏锯片，由于气缸的冲击较大， 传动不平稳，时间和行程不易控制，影响焊管的切口质量，故不采用该方案，而选择方案1。 纵向进给运动由于小车在一个切削循环过程中需作来回往复高速直线运动，工作行程很大， 需采用齿轮齿条结构。 运动的速度高达3m/s，一般的导轨摩擦阻力太大，难以胜任，故选 用
9、直线滚动导轨。 3. 飞锯数控系统整体方案 3.1 数控系统的组成 机床数字控制系统可分为硬连接数控系统和软连接数控系统两种。硬连接系统是采用专 用NC装置组成的数控系统，由于其增加或改进功能难，目前已被淘汰。采用通用计算机或 单片机加上必要的接口电路组成的数控系统称为软连接数控系统，其优点是容易实现新的功 5 能。当要求增加或改进其功能时，不需要更改硬件，而只要对系统软件进行修改即可实现。 飞锯数控系统如图2所示，它由计算机数控装置（CNC装置）、驱动系统、位置检测装置等组成。其中CNC装置包括软、硬件两部分，硬件部分由发送指令命令的数控装置（NC装置）、位置控制单元及反馈单元组成，它的作用
10、是接受指令命令，根据小车、工件的位置采用相应的控制算法，输出参考速度Vref给速度控制单元，并显示执行结果。驱动系统包括驱动部分（例如交、直流电机及速度检测元件）和速度控制单元，它的职能是提供小车运动 图2 飞锯数控系统 过程中所需要的转矩和功率，可以任意调节运动速度。 飞锯的控制部分可分为数字控制和顺序控制两大部分。数字控制部分控制小车的位移，而顺序控制部分控制辅助机械动作。顺序控制部分接受由CNC装置及控制面板送来的控制及状态信号，经过信号处理，使执行环节作相应的开关动作。本设计采用“独立型”PLC的飞锯数控系统。 3.2 位置伺服系统组成 飞锯的横向进给运动采用步进电机、丝杠螺母副组成的
11、开环系统即可满足要求，飞锯的纵向进给运动则由于钢管长度的精度要求较高，为保证定尺精度，决定采用闭环位置控制系统，工件速度、位移量检测装置采用光电编码盘，小车速度、位移量检测装置也采用光电编码盘。 3.3 系统的组成及工作原理 定尺切断是将高频焊接成型的钢管在运动过程中进行定尺、切断。飞锯的整个工作过程是： 启动锯车跟踪调同步夹紧钳口锯切退锯松钳口返回待命启动锯车 定尺系统的工作原理框图如图3所示。 在飞锯的整个工作过程中，调同步和夹紧钳口是两个重要环节。调同步的目的是使飞锯的跟踪速度与焊管的轧制速度相同，以利于夹紧钢管，为锯切做好准备，在钳口夹紧钢管的同时，就确定了锯切的位置，而这个锯切位置就
12、决定了钢管的定尺长度。所以，单片机在控制系统中主要是控制飞锯小车与钢管轧制速度的同步及钳口夹紧钢管的准确位置，使飞锯在跟踪过程中速度同步与钳口夹紧同时到位，以确保定尺的精度。 在跟踪的过程中单片机又开始检测钢管的运行速度，同时调整飞锯小车的速度使之与钢管的运动速度同步。在调同步的同时， 对钢管的剩余长度 6 L1进行检测，利用单片机对长L1 和同步速度协调控制。当长度达到L1时,整个定尺长度L=L0+L1就确定了，而此时飞锯小车的速度与钢管的运行速度也达到同步。这时单片机按控制顺序发出各种控制信号，控制飞锯进行夹紧、锯切等一系列动作。锯切完毕后，飞锯小车返回原位等待下一个L0定尺到的信号，准备
13、下一次工作循环。 图3系统工作原理 结束语 毕业设计是高等院校人才培养计划的重要组成部分，是训练和培养专业人才的教学过程中最后的也是极为重要的实践教学环节，是人才培养质量的全面的综合的检验。通过毕业设计，可以培养学生科学的思维方式和正确的设计思想，综合运用和深化所学的理论知识和技能，增强分析和解决工程实际问题的能力，全面完成工程师的基本训练或者从事科研工作的初步训练，是学生毕业前全面素质教育的重要实践训练。 在本次设计中，本人得到了多位老师、同学的帮助，特别是指导老师颜竟成教授的精心指导，使我顺利完成本设计。在此本人瑾表深深地感谢！特别是颜教授的敬业精神使我深深感动,让我发现自己身上的懒性,也
14、懂得了以后自己该怎么做。 由于本人水平有限，特别是电子方面的知识相当缺乏，时间较仓促，错误疏漏或不完善之处可能较多存在。敬请给予批评指正。 限，在设计的过程中肯定有不足之处，特别是控制系统软件部分的设计，由于专业知识缺乏，时间又有限，故未能完成。但在老师的耐心指导下我最终基本完成了设计任务，本次设计共完成总体图一张（A0计算机图）、主运动装配图一张（A0计算机图）、进给系统装配图两张（A0计算机图）、夹具装配图一张（A0计算机图）、控制系统电路图一张（A0计算机图）、主轴零件图两张（A1手工图和A1三维图各一张），编写毕业设计说明书一套。 8 参考文献 1. 中国机械工程学会 中国机械设计大典编委会。中国机械设计大典（4）。江西：江西科 学技术出版社，2002 2. 清华大学曹金榜、易锡麟、张玉峰、陈养田、张春编。机床主轴变速箱设计指导。北京： 机械工业出版社，1987 3. 华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学编。机械设计图册。上海：上海科学技术 出版社，1979 4. 吴振彪主编。机电综合设计指导。北京：中国人民大学出版社，2000 5. 顾熙棠、迟建山、胡宝珍主编。金属切削机床
