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1、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
2、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-t
3、ime 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 res
4、earch 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 pr
5、inciple 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.
6、 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 examinat
7、ion 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
8、 system performance history does, and has carried on the forecast to the system improvement direction. Keywords ： mandril detection rack beams sensor PLCIII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.
9、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35附录36附录136附录2431 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
10、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
11、，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
12、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
13、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
14、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
15、，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=
