《電動(dòng)式鋼管自動(dòng)測長機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電動(dòng)式鋼管自動(dòng)測長機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（60頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、I摘 要鋼管是一種用途廣泛的工業(yè)金屬材料，也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要支柱。本文根據(jù)國內(nèi)外鋼管生產(chǎn)線上精整區(qū)測長系統(tǒng)的研究開發(fā)現(xiàn)狀，以測長的硬件設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)研究的主要工作：本文敘述了鋼管的工藝生產(chǎn)流程及API 國際標(biāo)準(zhǔn)；說明了國內(nèi)測長系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀及存在的問題并闡述了開發(fā)測長系統(tǒng)的必要性；陳述了課題的來源和論文的主要工作和意義。提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求；根據(jù)系統(tǒng)的整體組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了測長系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)組成和工作過程以及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題；最后給出了控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案及主要硬件的參數(shù)，簡述了PLC 編程的方式S7400 的特點(diǎn)性，提出了PLC 程序的測試策略

2、。提出了上位機(jī)軟件的測試策略和監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。提出了PLC 的IDEF0 表示；著重介紹了PLC 程序的模塊化設(shè)計(jì)以及各個(gè)工位的程序流程、程序功能塊的劃分以及與上位機(jī)通訊的基本原理和時(shí)序圖，介紹了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊的設(shè)計(jì)； 陳述了上位機(jī)通訊方案的設(shè)計(jì)，而且在機(jī)械關(guān)鍵部分進(jìn)行了計(jì)算和校核。最后總結(jié)了測長控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)開發(fā)過程所做的工作，并對系統(tǒng)的改進(jìn)方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：鋼管；測長；PLC；電機(jī)；編碼器；光電傳感器ABSTRACTSteel tube is widely used as a sort of metallic material in industry and ha

3、s 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 Ti

4、anjin 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

5、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 compon

6、ents, 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

7、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 subsys

8、tem, 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 pr

9、oject 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

10、 Motor Motor encoder Photoelectric sensorI目目 錄錄1 緒 論.11.1 課題研究的背景.11.2 鋼管自動(dòng)測長系統(tǒng)的的分類.21.3 目前國內(nèi)鋼管自動(dòng)測長的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 .41.3.1 國內(nèi)鋼管自動(dòng)測長發(fā)展?fàn)顩r.41.3.2 鋼管自動(dòng)測長的發(fā)展方向.42 方案原理的設(shè)計(jì).52. 1 測長系統(tǒng)的設(shè)計(jì).52.1 鋼管自動(dòng)測長原理 .52.3 各部件方案選擇及說明.72.3.1 傳動(dòng)方案說明.72.3.2 光電傳感器的選擇及說明.92.3.3 光電脈沖編碼器的選擇及說明.102.3.4 應(yīng)用中問題分析及改進(jìn)措施.112.4 控制系統(tǒng)的方案.122.4.1

11、 PLC 在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢.122.4.2 PLC 在工業(yè)中應(yīng)用優(yōu)勢的系統(tǒng)說明.132.4.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn).152.4.4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測試策略.163 部件設(shè)計(jì)及計(jì)算.173.1 推鋼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).173.1.1 動(dòng)力傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì).173.1.2 動(dòng)力齒輪與齒條傳動(dòng)計(jì)算.203.1.3 編碼器傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì).213.1.4 鍵的選擇與計(jì)算.223.1.5 螺栓的選擇與校核計(jì)算.223.2 誤差的分析 .233.2.1 誤差理論分析.233.2.2 減小誤差的措施.253.3 測長系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn).264 控制系統(tǒng).274.1 PLC 程序設(shè)計(jì).274.1.1 PLC 軟件及編程

12、 .274.1.2 S7-400 編程方式.274.1.3 PLC 程序設(shè)計(jì).284.1.4 PLC 程序的測試.354.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).364.2.1 上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì).364.2.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì).395 總結(jié)與展望.405.1 總結(jié) .405.2 展望 .40致謝.41參考文獻(xiàn).42附錄.43附錄 1 .43附錄 2.4911 緒 論1.1 課題研究的背景鋼管廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、建筑和石化等行業(yè)，又是國防工業(yè)的重要材料，用于制造槍管、炮筒以及其他武器。 鋼管的生產(chǎn)工藝種類繁多，生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)備也很龐大。 按照工藝流程，管坯進(jìn)入車間后按照工藝要求鋸成

13、定尺長度，然后依次經(jīng)過環(huán)形爐加熱、三輥穿孔機(jī)穿孔、連軋機(jī)軋鋼、定徑機(jī)定徑。加工成的鋼管需要減徑的再加熱后送至減徑機(jī)上減徑。從定徑或減徑機(jī)軋出的成品管，送至鏈?zhǔn)嚼浯采侠鋮s，冷卻后鋸成定尺長度的鋼管（有的需要熱處理)輸送到斜輥式矯直機(jī)上矯直，矯直后依次經(jīng)過超聲波探傷，水壓機(jī)試驗(yàn)，隨后進(jìn)行其他各項(xiàng)精整工序。精整后的成品管經(jīng)過感應(yīng)加熱爐后進(jìn)行涂油打捆入庫。 鋼管測長是對成品鋼管進(jìn)行長度根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)把鋼管定義為好管或壞管。隨著我國加入 WTO，國內(nèi)市場和國際市場的接軌，鋼管市場同樣面臨一系列的問題。國內(nèi)鋼管進(jìn)入國際市場，必須遵守國際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。比如無縫鋼管要遵守國際標(biāo)準(zhǔn) API SPEC 5CT（見表

14、 1-1 所示） 。 過去，大部分的鋼管廠家采用人工的方式進(jìn)行測量。人工測定鋼管的長度，這種做法沿用了很長一段時(shí)間，部分廠家目前仍在使用。很明顯，這些方法存在測量精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。表 11 API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)摘錄 GB/T 8162 尺寸偏差項(xiàng)目允許偏差D101.60mm0.79mm管體D114.30mm0.5%外徑接箍1%壁厚-12.50%6.50%單根3.50%重量車載量-1.75%長度項(xiàng)目范圍 1范圍 2范圍 3油管6.10-7.32m8.53-9.75m套管4.88-7.62m7.62-10.36m10.36-14.63m從上個(gè)世紀(jì) 90 年代開始，國內(nèi)

15、一些大型的鋼鐵公司的產(chǎn)品為了參與國際競爭，耗巨資引進(jìn)國外的整條流水線。這些進(jìn)口的設(shè)備測量精度高、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、字跡統(tǒng)一規(guī)范。但是進(jìn)口設(shè)備成本高、要求工人素質(zhì)高、維護(hù)成本也高。落后的傳統(tǒng)方法與高成本的進(jìn)口設(shè)備都難適應(yīng)國內(nèi)的市場需求。因此，開發(fā)研制同類產(chǎn)品已經(jīng)迫在眉睫。1.2 鋼管自動(dòng)測長系統(tǒng)的的分類長度是鋼管的主要規(guī)格指標(biāo)之一，是成品鋼管貿(mào)易結(jié)算的主要依據(jù)，每根鋼管的實(shí)際長度是噴標(biāo)信息的重要組成部分。 鋼管測長方法歸納起來有兩種方案：1電荷耦合器件（CCD）鋼管測長方案6 目前鞍鋼無縫鋼管廠熱軋二車間生產(chǎn)線的測長系統(tǒng)即采用此方案。該測長方案包括精測和粗測兩部分。圖 12 和圖 13 為

16、系統(tǒng)的示意圖。粗測部分由若干光源（激光器）和光電傳感器組成。每一點(diǎn)光源和光電檢測器組成一條測試線，各條測試線之間相互平行，且距離相對固定，每相鄰的測試線之間的最大距離小于 CCD 器件精測的測量范圍。當(dāng)鋼管的前端經(jīng)過測試線時(shí)，光電檢測系統(tǒng)發(fā)出信號，將相應(yīng)的 I0 信號送到單片機(jī)中。精測 CCD 為攝像機(jī)，具有 2048 曝光像敏單元。為提高測量精度和可靠性，采用透光法進(jìn)行 CCD 成像測量，即光源和 CCD 器件分別置于生產(chǎn)流水線的兩側(cè)。精測光源的光線一部分可以通過透鏡投射到 CCD 器件上，另一部分則被鋼管擋住，光線無法到達(dá) CCD 器件上，如圖 1-3 所示。在精測過程中，鋼管在不同位置時(shí)

17、，CCD 器件上的亮區(qū)長度也不相同。當(dāng)鋼管在生產(chǎn)流水線上向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果其前端與粗測部分中某一條測試線重合。而型鋼又在精測范圍內(nèi)，此時(shí)，即可進(jìn)行型鋼的測長。單片機(jī)在這瞬間同時(shí)進(jìn)行粗測和精測。單片機(jī)檢測型鋼與哪一根測試線相遇，求出粗測的長度。整個(gè)型鋼由圖 1-2 可以看出，整個(gè)鋼管的長度為： L= + 式（1.1）0L1L2L式中，L 為鋼管總長， 為精測長度， 為某一固定軌道上精測的起點(diǎn)到 第一0L1L個(gè)測試線之間的距離， 為第一條測試線到鋼管在運(yùn)動(dòng)過程中到達(dá)的那一條的測試線之2L間的距離。系統(tǒng)巧妙的將精測和粗測結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對物體的長度測量。精度可以達(dá)到 1cm。此方案具有系統(tǒng)硬件簡單、速度

18、快、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著對測量環(huán)境要求高，設(shè)備安裝調(diào)試不方便，維護(hù)困難等缺點(diǎn)，對于周圍溫差大、光線不強(qiáng)、灰塵大的場合測量精度會(huì)受到很大影響。2數(shù)控鋼管推動(dòng)測長系統(tǒng) 數(shù)控鋼管推動(dòng)測長系統(tǒng)”主要用于成品鋼管的精確測長，在推動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，并為噴印作好定位對齊準(zhǔn)備。本系統(tǒng)由機(jī)械推動(dòng)、數(shù)字控制及精密測量三部分組成，主要性能指標(biāo)為：鋼管測長范圍：3.9012.70m；測長精度：2 mm；測長周期：20-45 秒 (連續(xù)可調(diào))；測長原理圖如圖 1-4 所示圖 1-4 測長原理圖鋼管送到測長工位，PLC 檢測到 1、2光電開關(guān)變?yōu)楦唠娖胶?，產(chǎn)生“鋼管到位”信號，并通過單片機(jī)系統(tǒng)通知上位機(jī)。上

19、位機(jī)根據(jù)其它系統(tǒng)的情況和邏輯控制要求產(chǎn)生“允許推動(dòng)測量”信號傳輸給 PLC。PLC 得到“允許推動(dòng)測量”信號后，確認(rèn)有鋼管且系統(tǒng)一切正常，便控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，推動(dòng)鋼管向前移動(dòng)。當(dāng)鋼管端面 m(與推頭接觸的鋼管端面)與 1光電開關(guān)對齊的瞬間，1光電開關(guān)狀態(tài)發(fā)生跳變，此時(shí) PLC 立即發(fā)出復(fù)位信號給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)將光柵數(shù)顯表置于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)鋼管端面 m 與 2光電開關(guān)對齊的瞬間，PLC 立即向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出“測量開始”信號，單片機(jī)系統(tǒng)瞬間取消光柵數(shù)顯表的復(fù)位狀態(tài)，光柵數(shù)顯表開始正常計(jì)量，PLC 同時(shí)根據(jù)此瞬間 圖 1-2 CCD 測長原理圖圖 1-3 CCD 精測圖314光電開關(guān)的狀

20、態(tài)得出“光電開關(guān)狀態(tài)編碼”，并以 4 位 BCD 碼的形式鎖存輸出給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)此編碼查表得到 An 值。當(dāng)鋼管另一端面 n 和下一個(gè)光電開關(guān)對齊的瞬間，PLC 向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出“測量結(jié)束”信號，單片機(jī)系統(tǒng)立即鎖定并采樣光柵數(shù)顯表的測量值 a 。推動(dòng)繼續(xù)，當(dāng)終點(diǎn)接近開關(guān)動(dòng)作時(shí)，電機(jī)停止（每次推動(dòng)的距離相同，即起點(diǎn)接近開關(guān)到終點(diǎn)接近開關(guān)） 。約 1 秒鐘后，PLC 控制電機(jī)反轉(zhuǎn)將推頭退回，當(dāng)起點(diǎn)接近開關(guān)動(dòng)作時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)停止，推頭立即停下來。同時(shí)，PLC 向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出“推動(dòng)測量結(jié)束”信號，單片機(jī)系統(tǒng)得到此信號后再告訴上位機(jī)。至此，完成一個(gè)測量周期。則鋼管的長度為： L =An-a+

21、 式（1.2）式中 為系統(tǒng)誤差，計(jì)量檢定后從單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤上鍵入。 該測長系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在成都無縫鋼管總廠的周軋分廠合金工段。具有精度高、測長周期短、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。但是在振動(dòng)大的場合，會(huì)影響小車運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，使得測量的誤差偏大。同時(shí)若現(xiàn)場大型動(dòng)力設(shè)備多，電磁干擾嚴(yán)重，也會(huì)增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 由以上分析可知，國內(nèi)研制的測長系統(tǒng)在一定意義上已經(jīng)比較成熟，只要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，即可設(shè)計(jì)出高精度、高效率的測長系統(tǒng)。1.3 目前國內(nèi)鋼管自動(dòng)測長的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢1.3.1 國國內(nèi)鋼管自動(dòng)測長發(fā)展?fàn)顩r本文在對鋼管自動(dòng)測長系統(tǒng)的功能和要達(dá)到的性能指標(biāo)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上。測長系統(tǒng)填補(bǔ)了國內(nèi)鋼管生產(chǎn)線的

22、空白，其檢測精度和標(biāo)識效果達(dá)到了世界同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，順利通過了省級鑒定。解決了以前依靠國外進(jìn)口的困境，在很大程度上降低了成本。本論文主要做了以下工作： （1） 對國內(nèi)外產(chǎn)品的開發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，論證了測長系統(tǒng)開發(fā)的必要性，并進(jìn)行了方案研究和論證。 （2） 對測長系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，具體包括：各個(gè)工位的硬件組成、工作原理和具體設(shè)計(jì)方案，確定了控制系統(tǒng)和軟件的功能等。 （3） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對測長系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)電氣組成、PLC 硬件設(shè)計(jì)。（4） PLC 程序的設(shè)計(jì)及調(diào)試。根據(jù)測長系統(tǒng)的功能要求，針對 PLC 系統(tǒng)的硬件特點(diǎn)，對 PLC 程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)

23、各個(gè)工位功能的不同和所需的交流信號，對各個(gè)工位 PLC 程序的流程、控制信號和數(shù)據(jù)信號、以及 PLC 與上位機(jī)通訊時(shí)序進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。完成了現(xiàn)場調(diào)試，解決了現(xiàn)場中出現(xiàn)的問題。（5） 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試。采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行了上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，具體包括各個(gè)功能塊的設(shè)計(jì)、控制界面的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。在現(xiàn)場進(jìn)行了調(diào)試，按照要求完成各種不同報(bào)表的實(shí)現(xiàn)。1.3.2 鋼管自動(dòng)測長的發(fā)展方向測長系統(tǒng)發(fā)展還不完善，需要進(jìn)一步的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下一步的工作主要有： （1） 測長系統(tǒng)的應(yīng)用面還比較窄，僅能應(yīng)用在鋼管生產(chǎn)行業(yè)，下一步應(yīng)以測長系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研制適用于鋼坯、鋼板等生產(chǎn)的同類設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的

24、系列化。 （2）測長系統(tǒng)中，有許多關(guān)鍵部件是國外進(jìn)口的，如光電傳感器、編碼器等。而且成本高，所以系統(tǒng)部件的國產(chǎn)化工作有待進(jìn)行。2 方案原理的設(shè)計(jì)2. 1 測長系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 測長的系統(tǒng)構(gòu)成如圖 2-1 所示，由圖可以看出系統(tǒng)組成如下：圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （1）V滾輪用來放置鋼管，滾輪采用樹脂。樹脂起到兩方面作用：一是用來保護(hù)鋼管的表面在被推動(dòng)的過程中不被臺(tái)架劃傷；另一方面是用來減小鋼管與臺(tái)架之間的摩擦數(shù)，減小兩者之間的摩擦力，增強(qiáng)鋼管在被推動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。 （2）電動(dòng)機(jī)的選擇主要由所需的推鋼機(jī)構(gòu)的所需功率決定。系統(tǒng)選用普通三相異步電動(dòng)機(jī)。而加上電機(jī)抱閘，這樣推桿能立即停止運(yùn)動(dòng)。 （3）光電傳感器

25、 在垂直于鋼管軸向的方向上等距布置24 對光電傳感器。系統(tǒng)采用對射式的光電傳感器，由發(fā)射管和接收管組成，負(fù)責(zé)檢測鋼管的位置，若鋼管從一對傳感器的發(fā)射管與接收管的中間穿過，傳感器就會(huì)發(fā)出一個(gè)電平信號給PLC。 （4）齒輪、齒條，光電脈沖編碼器 齒條的連接在電動(dòng)機(jī)的齒輪上，與齒條嚙合的齒輪通過聯(lián)軸器與脈沖編碼器相連。當(dāng)電動(dòng)機(jī)推動(dòng)鋼管時(shí)帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，同時(shí)齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)脈沖編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，最電動(dòng)機(jī)推桿的沿鋼管軸向運(yùn)動(dòng)的距離反映為脈沖編碼器轉(zhuǎn)過的角度。2.1 鋼管自動(dòng)測長原理測長系統(tǒng)通過脈沖編碼器與光電傳感器配合計(jì)數(shù)的形式測長。測長原理如下：當(dāng)光電傳感器檢測到工位上有鋼管時(shí)，這時(shí)操作上位

26、機(jī)經(jīng) PLC 啟動(dòng)測長工位的電動(dòng)機(jī) ，這時(shí)電機(jī)得到信號啟動(dòng)通過齒輪與齒條之間的轉(zhuǎn)換從而使推桿向前運(yùn)動(dòng)，在這過程中光電脈沖編碼器通過齒輪與齒條傳動(dòng)計(jì)數(shù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒條從而帶動(dòng)編碼器也跟著旋轉(zhuǎn)并計(jì)數(shù) 。24 對光電管中被鋼管擋住的狀態(tài)為 1，沒有被擋住的狀態(tài)為 0。在推動(dòng)過程中編碼器開始計(jì)數(shù)，如有光電管的狀態(tài)從 0 變?yōu)?1，PLC 計(jì)數(shù)模塊就清零，編碼器就重新開始計(jì)數(shù)，然后重新計(jì)數(shù)。 當(dāng)滾輪碰到左限位開關(guān)的瞬間 ，測長工作完成 ，此時(shí)PLC 記錄當(dāng)前編碼器的數(shù)值和每組光電管的狀態(tài)并保持 。設(shè) PLC 所保持的編碼器計(jì)數(shù)值相對應(yīng)的鋼管長度為 L，每組測長盒第一個(gè)光電管距零位基準(zhǔn)的距離都為定值

27、，當(dāng)光電盒安裝完成后 ，這 6 個(gè)值就確定了。值得注意的是 ，在測長過程中 ，鋼管尾部至少要經(jīng)過一對光電管 ，即編碼器計(jì)數(shù)值需要清過零以后 ，所測的長度才是正確的。如果在測長過程中編碼器計(jì)數(shù)值沒有清過零 ，那么所測長度值是無效的 ，應(yīng)重新測量以此類推，當(dāng)電動(dòng)機(jī)滾輪觸發(fā)行程末端開關(guān)時(shí)，編碼器就停止計(jì)數(shù)，然后電動(dòng)機(jī)返回，測長過程結(jié)束如圖 2-1。PLC 將鋼管的最終狀態(tài)和編碼器的數(shù)值傳送給上位機(jī)，最終由上位機(jī)計(jì)算出鋼管的長度。最終一個(gè)管子的長度為： L 式（2.1）1L3L其中，是推桿推到底時(shí)鋼管頭部與尾部最后經(jīng)過的那對光電傳感器的距離， 是1L3L編碼器的數(shù)值脈沖當(dāng)量，如式 2-2 所示： N

28、式 (2.2) 3LPL式中，N 為高速計(jì)數(shù)模塊的絕對計(jì)數(shù)值，即正向計(jì)數(shù)值減去負(fù)向計(jì)數(shù)值后的結(jié)果；則是脈沖編碼器的脈沖當(dāng)量。 PL測長系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)為了達(dá)到規(guī)定的測長精度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，需要注意以下幾個(gè)問題： 1）光電傳感器的響應(yīng)速度的快慢很大程度上影響測量的精度，若選用繼電器方式的輸出接口其響應(yīng)時(shí)間為十幾個(gè)毫秒，而晶體管方式的接口其響應(yīng)時(shí)間只要幾個(gè)毫秒甚至更小，但是注意晶體管方式的輸出接口要和與之相連的 PLC 的輸入匹配。2）齒輪齒條的設(shè)計(jì)、加工、安裝的誤差都會(huì)引起脈沖編碼器脈沖信號與電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到推桿實(shí)際移動(dòng)距離之間不一致，從而增大系統(tǒng)誤差。脈沖編碼器的分辨率也會(huì)影響系統(tǒng)的精度，分辨率越高，

29、精度越高。因此要保證齒輪齒條的設(shè)計(jì)、加工、安裝精度，選擇高分辨率的編碼器。本系統(tǒng)齒輪齒條的制造精度為 6 級精度，編碼器選擇 2000 線的。 3）到位傳感器負(fù)責(zé)檢測鋼管到位，然后把鋼管到位信號傳給 PLC，PLC 在接到鋼管到位信號后才開始測長。PLC 負(fù)責(zé)采集到位信號、接受脈沖編碼器信號，控制電動(dòng)機(jī)和推桿的運(yùn)動(dòng)，并把檢測結(jié)果送到上位機(jī)。為了保證測長的精度要求 PLC 的輸入點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間小，指令運(yùn)行快。 4）合理設(shè)計(jì)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的推動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳感器的數(shù)目。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和齒輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)比所帶動(dòng)的推桿的距離必須比傳感器的安裝距離大，這樣才能保證在鋼管移動(dòng)過程中至少有一對傳感器能觸發(fā)。傳感器之間

30、的安裝距離不能太大，否則會(huì)增加齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)制造難度，使得推動(dòng)行程太長，降低工作效率。如果太小，就會(huì)增加了傳感器的數(shù)目，增加生產(chǎn)成本。因此要協(xié)調(diào)好推桿的行程與光電傳感器數(shù)目之間的關(guān)系。本系統(tǒng)測長推桿的行程為 460mm，光電傳感器之間的距離為 450mm。2.3 各部件方案選擇及說明2.3.1 傳動(dòng)方案說明2.3.1.1 電動(dòng)機(jī)選擇及說明電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來選擇，盡量使電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： (1)如果電動(dòng)機(jī)功率選得過小就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn) 象，造成電動(dòng)機(jī)長期過載使其絕緣因發(fā)熱而損壞甚至電動(dòng)機(jī)被燒毀。 (2)如果電動(dòng)機(jī)功率選得過大就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉

31、小車”現(xiàn)象其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對用戶和電網(wǎng)不利。而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。 要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率，必須經(jīng)過以下計(jì)算或比較： (1)對于恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，如果知道負(fù)載的功率 (即生產(chǎn)機(jī)械軸上的功率)(kw)可按下式計(jì)算所需電動(dòng)機(jī) 的功率 P(kw)： P=/ 式中 為生產(chǎn)機(jī)械的效1P1P12n n1n率；為電動(dòng)機(jī)的效率。即傳動(dòng)效 率。 按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同。2n因此所選 電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。 例：某生產(chǎn)機(jī)械的功率為 395kw機(jī)械效率為 70、如果選用效率為 08 的電動(dòng)機(jī)，試求該電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)為多少 kw? 解

32、:P=P1/ n1n2=3.95/0.7 0.8=7.1kw 由于沒有 7.1kw 這規(guī)格所以選用 75kw 的電動(dòng)機(jī)。 (2)短時(shí)工作定額的電動(dòng)機(jī)與功率相同的連續(xù)工作定額的電動(dòng)機(jī)相比最大轉(zhuǎn)矩大，重量小，價(jià)格低。因此，在條件許可時(shí)，應(yīng)盡量選用短時(shí)工作定額的電動(dòng)機(jī)。 (3)對于斷續(xù)工作定額的電動(dòng)機(jī)，其功率的選擇、要根據(jù) 負(fù)載持續(xù)率的大小，選用專門用于斷續(xù)運(yùn)行方式的電動(dòng)機(jī)。負(fù)載持續(xù)串的計(jì)算公式為 ：SFtg/(+)100 式 (2.3)SFgt0t式中 為工作時(shí)間，為停止時(shí)間 min；十為工作周期時(shí)間 min。 gt0tgt0t 此外也可用類比法來選擇電動(dòng)機(jī)的功率。所謂類比法。 就是與類似生產(chǎn)機(jī)械

33、所用電動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行對比。具體做法是：了解本單位或附近其他單位的類似生產(chǎn)機(jī)械使用多大功率的電動(dòng)機(jī)，然后選用相近功率的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車。試車的目的是驗(yàn)證所選電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械是否匹配。驗(yàn)證的方法是：使 電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測量電動(dòng)機(jī)的工作電流，將測得的電流與該電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)出的額定電流進(jìn)行對比。如果電功機(jī)的實(shí)際工作電流與銘脾上標(biāo)出的額定 電流上下相差不大則表明所選電動(dòng)機(jī)的功率合適。如果電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流低 70左右則表明電動(dòng)機(jī)的功率選得過大(即“大馬拉小車”應(yīng)調(diào)換功率較小的電動(dòng)機(jī)。如果測得的電動(dòng)機(jī)工作電流比銘牌上標(biāo)出的 額定電流大 40以上則表明電動(dòng)機(jī)的功率選

34、得過小(即小 馬拉大車)，應(yīng)調(diào)換功率較大的電動(dòng)機(jī). 表 2-1表 2-1 功率因數(shù)負(fù)載情況空載1/4 負(fù)載1/2 負(fù)載3/4 負(fù)載滿載功率因數(shù)0.20.50.770.850. 89效率0.710.780.85 0.880.895在測長系統(tǒng)中推鋼機(jī)構(gòu)中各種的數(shù)據(jù)和要求：鋼管直徑：48-246mm鋼管長 L: L=6-15m鋼管重 M: M=20kg-1000kg鋼管移動(dòng)速度 V：V=0.2m/s過管的速度278 根/小時(shí)V 型架的摩擦系數(shù)0.1則推動(dòng)鋼管的力為 F： F=MG=1000100.1=1000N則可得輸出功率 P：P1=FV=10000.2=200W滾動(dòng)軸承效率：0.98齒輪與齒條傳

35、動(dòng)效率：0.8齒輪與齒輪之間的效率: 0.95擺線針輪減少機(jī)電效率： 0.9綜上可得：電動(dòng)機(jī)的功率要滿足P2=502W 則電動(dòng)機(jī)可以通過查表得選為 Y802-4.Y802-4 技術(shù)參數(shù)額定功率/KW轉(zhuǎn)速 R/MIN最大靜轉(zhuǎn)矩NM轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量22/GDNM重量/KG0.7513902.20.002118 電動(dòng)機(jī)在安裝時(shí)應(yīng)考慮到震對機(jī)構(gòu)帶來的影響，所以我們把電動(dòng)機(jī)與推鋼機(jī)構(gòu)隔離。我們采用矩鋼對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行支撐，這樣能夠保證電動(dòng)機(jī)不影響編碼器的工作。2.3.1.2 減速器的選擇及說明在推鋼機(jī)構(gòu)中要滿足推桿的速度，則在電動(dòng)機(jī)與推桿之間存在很大的傳動(dòng)比，這靠簡單的減少是不能達(dá)到的，所以我們考慮到有很大的減

36、少比的行星齒輪減速機(jī)和擺線針輪減少機(jī)，它們有很大的傳動(dòng)比，完全能夠滿足我們的要求。我們初選減速機(jī)為：XWY3-43-0.75(擺線針輪減速機(jī))減速機(jī)的輸出扭矩為：電動(dòng)機(jī)： =9550=5.2 式 (2.4)1TdPnNM電動(dòng)機(jī)傳遞到減速機(jī)輸出： =201 式 (2.5)2T1T1i NM而通過計(jì)算得推鋼機(jī)構(gòu)在推動(dòng)鋼管時(shí)所克服的最大工作轉(zhuǎn)矩： =199.416N mm，3T所以我們算出電動(dòng)機(jī)最終輸出的扭矩大于現(xiàn)場工作時(shí)推動(dòng)鋼管的真實(shí)最大扭矩，所以即選定電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)都符合要求。2.3.1.3 電機(jī)的抱閘制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)從切除電源到完全停止旋轉(zhuǎn)，由于慣性的原因，總需要一段時(shí)間。但實(shí)際工作中，機(jī)械

37、在運(yùn)行過程中都要求安全和準(zhǔn)確定位、以及為了提高測量精度，都需要電動(dòng)機(jī)能迅速停車，所以要求對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)控制。在本系統(tǒng)中我們采用彈簧抱閘示意圖如 2-2。M3 3KM1FR1M1QSFU1234圖 2-2 彈簧抱閘示意圖1-電磁鐵；2-制動(dòng)瓦；3-彈簧；4制動(dòng)輪當(dāng)電磁鐵 1 得電時(shí)，制動(dòng)瓦 2 被吸起與制動(dòng)輪 4 脫離，與制動(dòng)輪相連的電動(dòng)機(jī)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，在彈簧 3 的作用下，制動(dòng)瓦壓緊制動(dòng)輪使電動(dòng)機(jī)無法轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)可以防止電機(jī)由于慣性而繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致鋼管測長完成后繼續(xù)向前攢動(dòng)。2.3.2 光電傳感器的選擇及說明電傳感器可以按以下 4 種方式分類 1、 檢測形態(tài) 2、 構(gòu)成 3、 輸

38、出 4、 光源檢測形態(tài)的分類 A 透過型 投光部和受光部一體化 投受光部多數(shù)排列型 交叉光束掃描方式 B 鏡面反射型 C 反射型 擴(kuò)散反射型 狹視界反射型 限定反射型 距離設(shè)定式限定反射型 色標(biāo)檢測型構(gòu)成的分類 A電源內(nèi)藏型 B放大器內(nèi)藏型 C放大器分離型 D光纖型輸出分類 ANPN 輸出 BPNP 輸出 C直流兩線式輸出 D模擬電壓、模擬電流輸出 E繼電器輸出光源分類 A紅外線 B紅色光 C綠色光 D3 色光（紅綠藍(lán)） 。光電傳感器的檢測模式分為如下幾類：對射式、反射板式、偏振反射板式、直反式、寬光束式、聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式。我們在鋼管自動(dòng)測長系統(tǒng)中的光電傳感器在垂直于鋼管軸向的方向

39、上等距布置 24 對光電傳感器。系統(tǒng)采用對射式的光電傳感器，由發(fā)射管和接收管組成，負(fù)責(zé)檢測鋼管的位置，若鋼管從一對傳感器的發(fā)射管與接收管的中間穿過，傳感器就會(huì)發(fā)出一個(gè)電平信號給 PLC。光 電傳 感 器選 用 KT-700N(SICK OP TEX)，主要技 術(shù)參數(shù) 為 ：最大檢 測距離 為 7m；最小 可檢 測的 物體 為 7mm；供 電 電源 為 DC10V30V；最 快 反 應(yīng) 時(shí) 間 為 0.7ms。光電傳感器成對使用 ，分別安裝 在 V型輥 道的兩邊 。在垂直于鋼管軸向的方向上等距布置 24 對光電傳感器，在安裝時(shí)我們才用兩端支撐，支撐才用外購件。測裝置本身是由電子元器件構(gòu)成，它對安

40、裝環(huán)境有一定的技術(shù)要求，特別是在較惡劣環(huán)境下使用，要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以使光電檢測裝置工作在其產(chǎn)品要求的技術(shù)條件下，才能發(fā)揮裝置的技術(shù)性能。否則光電檢測裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。使用的傳感器盒要能夠符合現(xiàn)場工作的要求還有考慮到特殊情感下的事件，例如：進(jìn)行修理時(shí)要承受一定的載荷，這就要求它要有良好的強(qiáng)度和韌性。所以在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)我們采用鋁合金進(jìn)行成模拉伸。2.3.3 光電脈沖編碼器的選擇及說明電脈沖編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器， 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板

41、上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖 2-2 所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90 的兩路脈沖信號。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。光光源源透透鏡鏡碼碼盤盤透透鏡鏡光光敏敏元元件件放放大大整整形形脈脈沖沖輸輸出出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸圖 2-2 編碼器組成 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A、

42、B 和 Z 相；A、B 兩組脈沖相位差 90，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而 Z 相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對位置信息。絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在

43、轉(zhuǎn)軸的任意位置都可 讀出一個(gè)固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個(gè)具有 N 位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 N 條碼道。目前國內(nèi)已有 16 位的絕對編碼器產(chǎn)品。絕對式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是： 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值； 沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有 10 位、14

44、 位等多種。 混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。 在鋼管自動(dòng)測長中我們選用光電脈沖編碼器為 TRDN(KoYo)， 主要技術(shù)參數(shù) ：供電電源為 DCA4.75V30V；輸出轉(zhuǎn)速為 2000rn。它安裝在齒輪軸上 ，當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)帶動(dòng)齒輪從而帶動(dòng)脈沖編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)。由脈沖編碼器和光電管配合進(jìn)行鋼管測長 。2.3.4 應(yīng)用中問題分析及改進(jìn)措施2.3.4.1 應(yīng)用中問題分析 光電檢測裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，在使用中暴露出許多缺陷，其有內(nèi)在因素也有外在因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）發(fā)射裝置或接受裝置

45、因機(jī)械震動(dòng)等原因而引起的移位或偏移，導(dǎo)致接收裝置不能可靠的接收到光信號，而不能產(chǎn)生電信號。 2）因光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，受生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測裝置不能可靠的工作。3)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種電磁干擾源，對光電檢測裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動(dòng)或引發(fā)生產(chǎn)事故。2.3.4.2 改進(jìn)措施1)改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動(dòng)機(jī)外殼上，而是在電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對光電編碼器的機(jī)械沖擊。采用此方式后經(jīng)測振儀檢測，其振動(dòng)

46、速度降至 1.2mm/s。 2)合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。 3)利用 PLC 軟件監(jiān)控或干涉。在連鑄生產(chǎn)的送引錠過程要求光電測裝置產(chǎn)生有時(shí)序性的電信號，同時(shí)，該信號與整個(gè)過程不同階段相對應(yīng)。光電檢測裝置本身是由電子元器件構(gòu)成，它對安裝環(huán)境有一定的技術(shù)要求，特別是在較惡劣環(huán)境下使用，

47、要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以使光電檢測裝置工作在其產(chǎn)品要求的技術(shù)條件下，才能發(fā)揮裝置的技術(shù)性能。否則光電檢測裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。結(jié)合光電檢測裝置在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用實(shí)踐，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中；不宜采用光電檢測裝置的信號作為重要的控制信號，以避免光電裝置突然損壞或工作不穩(wěn)定（環(huán)境高溫、濕度大、機(jī)械振動(dòng)、外力碰創(chuàng)等）引起其它設(shè)備事故。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用 PLC 程序?qū)嵾m進(jìn)行過程控制的監(jiān)控或干涉，以克服了因系統(tǒng)中采用光電裝置而存在的各種缺陷，是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑。 2.4 控制系統(tǒng)的方案2.4.1 PLC 在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢PLC 經(jīng)過近三十年的發(fā)展，現(xiàn)已形成了完整的

48、工業(yè)控制器產(chǎn)品系列，其功能已經(jīng)發(fā)展到目前的具有接近計(jì)算機(jī)的強(qiáng)有力的軟硬件功能，在工業(yè)控制應(yīng)用主要有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）由于采用了大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可靠性高、邏輯功能強(qiáng)，且體積比較小。在需要大量中間繼電器、時(shí)間繼電器和計(jì)數(shù)器的場合，PLC 無需增加硬設(shè)備，用微處理器及存貯器的功能，就很容易地完成這些邏輯組合和計(jì)算，大大減少了復(fù)雜的接線，降低了控制成本。 （2）PLC 采用了軟件編制程序來完成任務(wù)，隨著要求的變更對程序地修改顯得十分方便，軟件程序下載非常方便。采用面向?qū)ο蟮奶菪螆D編程，從用戶的角度看，已經(jīng)不具備編程的復(fù)雜性，編程變得較容易。 （3）可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行， 其設(shè)計(jì)原則是高

49、可靠性，抗干擾能力高，堅(jiān)固耐用。其平均無故障時(shí)間約為 5 萬小時(shí)，可以經(jīng)受 1000v/1us 矩形脈沖干擾。 （4） 輸入輸出端口可以和工業(yè)現(xiàn)場的強(qiáng)電信號相接，如交流 220V，直流 24V，并可直接驅(qū)動(dòng)功率部件（一般負(fù)載電流為 2A）。 （5）采用模塊化結(jié)構(gòu)（除小型 PLC），可以使 PLC 擴(kuò)展容易，并可實(shí)現(xiàn)分布式控制。如西門子 S7-400 系列 PLC 采用模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)分布式的配置。 （6）目前的 PLC 已經(jīng)發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)及信息系統(tǒng)，如西門子的SIMATIC PCS7 系統(tǒng)，這是 PLC 與 DCS 相結(jié)合的新系統(tǒng)。 （7）具有完善的監(jiān)控和診斷功能，內(nèi)部工

50、作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O 點(diǎn)的狀態(tài)及異常狀態(tài)均有醒目的顯示，維修人員可以及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和排除故障，大大縮短了維修時(shí)間。 （8）通信功能大大增強(qiáng)，高級的 PLC 都支持現(xiàn)場總線和 ETHERNET，因此開放性好；西門子 PLC 可以利用 DP 或 FMS 協(xié)議，或通過光纖電纜，連接到 Profibus；或借助 ISO/TCP 或 TCP/IP 數(shù)據(jù)通信協(xié)議，接到工業(yè)以太網(wǎng)。 （9）增加冗余容錯(cuò)功能，提高可靠性?，F(xiàn)代 PLC 已經(jīng)能夠完成，并能做冗余或熱備，模塊也可以帶電插拔；主流 PLC 可以輕易的提供以太網(wǎng)、雙控制器、電源、IO 模塊的冗余方案。 目前 PLC 在設(shè)計(jì)中采用了最新的微處理器裝置

51、和電子線路，在許多惡劣環(huán)境（例如電噪聲、高溫和存在機(jī)械振動(dòng)）的工業(yè)應(yīng)用中能可靠、安全的工作。2.4.2 PLC 在工業(yè)中應(yīng)用優(yōu)勢的系統(tǒng)說明PLC 硬件設(shè)計(jì)必須根據(jù) 測長系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要求、設(shè)備狀態(tài)、要完成的控制功能、所需的 I/O 點(diǎn)書等因素而定。參考上述 PLC 的特點(diǎn)和系統(tǒng)要完成的功能，測長 系統(tǒng)采用 SIMATIC S7-400 PLC。 該 PLC 是一種中、高檔性能范圍的可編程控制器，能夠滿足現(xiàn)場復(fù)雜的任務(wù)要求。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)功能齊全的 CPU 以及種類齊全的模塊，能為其自動(dòng)化任務(wù)找到最佳的解決方案； (2) 實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)和擴(kuò)展通訊能力很方便，組成系統(tǒng)靈活自如；用戶友

52、好性強(qiáng)，操作簡單，免風(fēng)扇設(shè)計(jì)； (3) 可以利用 DP 或 FMS 協(xié)議，簡單的通過光纖電纜，連接到 Profibus 總線，或借助 ISO/TCP 或 TCP/IP 數(shù)據(jù)通信協(xié)議，接到工業(yè)以太網(wǎng)。 (4) 增加了冗余容錯(cuò)功能。S7-400 系列 PLC 既可作為標(biāo)準(zhǔn) PLC 又可作為容錯(cuò)型或安全型使用的 PLC。其容錯(cuò)性是通過兩個(gè)并行的中央控制器實(shí)現(xiàn)的，它們的 CPU 通過光纖連接，并通過冗余的 Profibus-DP 線路對冗余 I/O 進(jìn)行控制。在錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)無碰撞的傳輸控制，即未受影響的熱備設(shè)備將在中斷處繼續(xù)執(zhí)行而不丟失任何信息。 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求有高的抗干擾能力，其抗干

53、擾設(shè)計(jì)主要采取三個(gè)方面的抑制措施：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑。系統(tǒng)的具體的設(shè)計(jì)如下： 1、CPU 模塊是整個(gè) PLC 系統(tǒng)的核心，執(zhí)行速度要快，抗干擾能力要高，并且能為工廠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化提供接口，方便建立現(xiàn)場總線，因此選用了 CPU412-2 模塊。它的執(zhí)行一條二進(jìn)制指令僅需要 0.2sm ，提供 256KB 的 RAM，帶有 DP 接口，能夠方便的建立 PROFIBUS 總線。2、采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾。PLC 電源模塊采用西門子 PS 5A 型號，隔離性能高。為保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷，采用在線式不間斷供電電源 UPS 供電，UPS 具有較強(qiáng)的干擾隔離性能，提高供

54、電的安全可靠性。 3、測長 系統(tǒng)的生產(chǎn)效率要求高，平均 12 秒過一根管，其中包括步進(jìn)梁移動(dòng)時(shí)間和各工位正常工作時(shí)間，要求 PLC 輸入輸出模塊的響應(yīng)時(shí)間要短。根據(jù)現(xiàn)場傳感器的個(gè)數(shù)、電機(jī)控制點(diǎn)數(shù)以及為系統(tǒng)預(yù)留 20的輸入輸出點(diǎn)，選用 1 塊數(shù)字式輸入模塊：SM421 DI 32DC24V，1 塊數(shù)字式輸出模塊：SM422 DO 32DC24V。主要技術(shù)參數(shù)：輸入電源 24V；信號“0”：-35V，信號“1”：1330V；從“0”到“1”的時(shí)間為 1.24.8ms，從“1”到“0”的時(shí)間為 1.24.5ms。 4、由前面測長系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析可知，高速計(jì)數(shù)模塊用來對脈沖編碼器輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于編

55、碼器的輸出頻率很高，所以對應(yīng)的技術(shù)模塊也有要足夠的計(jì)數(shù)頻率。光電編碼器、脈沖編碼器、計(jì)數(shù)模塊的選型如下： 1)光電傳感器：KT-700N（SICK OPTEX）。主要技術(shù)參數(shù)：最大檢測距離：7m；最小可檢測的物體：7mm；供電電源：DC10V30V；最大反應(yīng)時(shí)間：0.7ms。 2)脈沖編碼器：TRD-N（KoYo）。主要技術(shù)參數(shù)：供電電源：DCA4.7530V；輸出頻率：2000rpm；上升/下降時(shí)間：3us 以下（電纜長度小于 50cm 時(shí)）。3) 計(jì)數(shù)模塊：FM350-1。主要技術(shù)參數(shù)：可接受單相、兩相、AB 相脈沖，雙向計(jì)數(shù)，32 位；允許最高計(jì)數(shù)頻率：500KHZ。4)PLC 輸入模塊

56、:SM321 Dl 16X DC 24V。主要技術(shù)參數(shù):輸入電源 DC 24V;信號“0”:3-5V，信號“1”:13-30V;從“0”到“1”的時(shí)間:1.2-4.8ms，從“l(fā)”到“0”的時(shí)間:1.2-4.sms。5)電機(jī)功率:0.75KW;推桿速度:142mm/s6)每對光電傳感器之間的距離:=450mm。0L5)、測長系統(tǒng)中的采用三相異步電機(jī)作為動(dòng)力源。三相異步電機(jī)的調(diào)速采用擺線針輪減速機(jī)進(jìn)行減速，三相異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠有足夠的扭矩以提供推鋼機(jī)構(gòu)的要求，而速度的要求我們必須采用具有很高減速比的減速機(jī)，只有這樣才滿足要求。 6、不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜按傳輸信號種類分

57、層敖設(shè)，動(dòng)力電源和信號的傳送分別采用不同的電纜分層敖設(shè)，減少了電磁干擾。 7、控制系統(tǒng)接地線采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。信號屏蔽雙絞線的屏蔽層牢固連接并進(jìn)行了絕緣處理，避免多點(diǎn)接地。PLC 輸入輸出模塊的地與 4V，5V 開關(guān)電源的地相接，保證系統(tǒng)具有一個(gè)相同的地，避免電位差的存在，抑制共模干擾。2.4.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷牒湍K化設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)： （1） 精度高：該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入來源于現(xiàn)場控制層 PLC 對各個(gè)執(zhí)行元件和傳感元件的狀態(tài)進(jìn)行采集和處理后的輸出。它所接受的數(shù)據(jù)精度決定于采樣信號和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的精度以及處理數(shù)據(jù)的

58、精度。 （2） 時(shí)間特性：上位機(jī)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，因?yàn)楣δ艿囊?，在時(shí)間上有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)接受響應(yīng)時(shí)間400ms；畫面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)刷新 1s；上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出指令到現(xiàn)場各工位的響應(yīng)時(shí)間150ms；動(dòng)態(tài)保存一萬條或最近 30 天的事件記錄；靜態(tài)保持一年的事件記錄。 （3） 靈活性好：由于使用了通用的 DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 Dynamic Data Exchange）、OLE（對象鏈接和嵌入 Object Linking and Emebedding）、API（應(yīng)用程序接口 Application Program Interface）等技術(shù)，和其它商業(yè)軟件的接口有統(tǒng)一的外部接口方式，便于系統(tǒng)的二次

59、開發(fā)。 （4） 可靠性高：在人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)上充分考慮了容錯(cuò)設(shè)計(jì)（如輸入提示功能的設(shè)計(jì)，參數(shù)輸入容錯(cuò)的設(shè)計(jì)，對供編輯功能的模塊程序采用多級密碼控制的方法，輸出界面安全性設(shè)計(jì)等等）。通過以上措施杜絕了由于誤改造成的經(jīng)濟(jì)損失，盡量降低對操作人員水平的要求，多處采用提示的方法便于用戶使用。在程序結(jié)構(gòu)上對于轉(zhuǎn)移條件的審查，算法容錯(cuò)的設(shè)計(jì)等方面都有充分的考慮。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)跟 PLC 通過 MPI 協(xié)議通訊，可靠性高。 （5） 安全保密：由于本系統(tǒng)是用戶單位內(nèi)部使用，在數(shù)據(jù)交換上使用專線傳送，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中未考慮軟硬件的加密方式，在軟件上亦僅在遠(yuǎn)方操作時(shí)，進(jìn)行操作員密碼的檢測和操作員個(gè)人登記。另外，也

60、可以利用 WINDOWS 2000 平臺(tái)進(jìn)行安全設(shè)定。 （6） 可維護(hù)性好：軟件編碼標(biāo)準(zhǔn)和命名約定采用一致性約定，例如全局變量在所有程序中應(yīng)該具有相同的名字并在公共的變量表中進(jìn)行定義，局部模塊變量在模塊或系統(tǒng)說明書中有意義，但只在一段子程序中出現(xiàn)，這些變量的名字可以與其他的局部變量重命。系統(tǒng)在文檔管理、構(gòu)造流程圖、輸入輸出過程、出錯(cuò)處理、模塊接口以及模塊和變量的命名采用統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)和注釋及風(fēng)格，便于對程序的全面理解。2.4.4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測試策略 系統(tǒng)測試的主要目的是檢測程序是否滿足設(shè)計(jì)的要求，及時(shí)的查出程序的錯(cuò)誤，以便及時(shí)改正，使系統(tǒng)更好的滿足用戶的要求。M 測長系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的

61、測試也采用漸進(jìn)性測試策略，主要目的是在失效發(fā)生后減少錯(cuò)誤定位的難度，有利于發(fā)現(xiàn)和改正錯(cuò)誤。漸進(jìn)性測試必須從單元（模塊）測試開始，只有在單元測試完成以后才能進(jìn)入綜合測試，綜合測試的主要目的，不是發(fā)現(xiàn)單元和模塊內(nèi)部的錯(cuò)誤，而是檢查單元和模塊之間的接口，以及檢查程序的總體結(jié)構(gòu)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件測試采取了以下措施： 1、設(shè)計(jì)人員在編寫完每個(gè)模塊后，馬上進(jìn)行單元測試，例如先進(jìn)行正常輸入條件的測試，通過以后，進(jìn)行非正常輸入條件的測試。對于一些邊界條件的測試，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測試案例進(jìn)行測試。2、測試案例盡可能選擇能暴露程序錯(cuò)誤的案例，不僅包括正常的輸入條件還要包括非正常的輸入條件。 3、程序不能完全由設(shè)計(jì)

62、人員自行測試。測試過程本質(zhì)就是破壞性過程，設(shè)計(jì)人員選用白盒測試對自己程序進(jìn)行測試，當(dāng)程序測試完以后，就交給測試人員來進(jìn)行黑盒測試。最后由用戶進(jìn)行測試，直至滿足用戶的需求。3 部件設(shè)計(jì)及計(jì)算3.1 推鋼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1.1 動(dòng)力傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 因批量較小，故齒輪用 40Cr,調(diào)質(zhì)處理，硬度 241HB-286HB,平均取 260HB。(本章計(jì)算圖與表參考文獻(xiàn) 20)轉(zhuǎn)矩 =9.55=199416 =199416CT611 0.910PNNmmCTNmm齒寬系數(shù) 由表 12.13 取=1.0 =1.0ddd接觸疲極限 由圖 12.17C20 =580 MPaHLimHLim初步計(jì)算許用接觸應(yīng)力 =

63、0.9 =522 MPa （式 12.1520）HHHLimHAd 值 由表 12.16 取 Ad=85初步計(jì)算齒輪直徑 DAd （式 12.1420）321 (1)dHTUU =76.5 (U=) 取 D=84mm初步齒寬 b b=D 取db=84mm校核計(jì)算圓周速度 V: V= V=0.14m/s 13904360 100060 1000DDN精度等級 由表 12.620 選 6 級精度齒數(shù) Z 和模數(shù) M 初取齒數(shù) Z=28M=3DZ由表 12.3 取 M=3 則 Z=D/M=21 Z=28使用系數(shù) 由表 12.920 =1.75AKAK動(dòng)載荷系數(shù) 由圖 12.920 =1.1VKVK齒

64、間載荷分配系數(shù) 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齒間載荷分配系數(shù) 由表 12.1120HK =A+B =1.38HK23( )10bCbdHK載荷系數(shù) K K=3.5 （式 12.520）AKVKHKHK彈性系數(shù) 由表 12.1220 =189.9MPaEZEZ節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 由圖 12.1620 =2.5HZHZ接觸最小安全系數(shù) 由表 12.44

65、20 minHS=1.15minHS總工作時(shí)間 =4800hhtht應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表 12.1520，估計(jì),則指數(shù) M=8.78LN791010LN = （式 12.1320）LN1111maxmax60()60()nnmmiihiVi hihiihTTtNntntTTt = 1.3 =1.3710LN710原估計(jì)循環(huán)次數(shù)正確。接觸壽命系數(shù) 由圖 12.1820 NZ=1.2NZ許用接觸應(yīng)力 = =632MPa （式 12.1120）HHminHLimNHZSH驗(yàn)算 = （式 12.820）HEZHZZ22KTbD =623MPaH計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。否則，

66、尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進(jìn)行驗(yàn)算確定傳動(dòng)主要尺寸實(shí)際分度圓直徑 d 因模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，齒數(shù)已總新確定，但并為圓整，故分度圓直徑不會(huì)改變， 即=28 3=84mm d=84mmdmz齒寬 b=D b=84mmd因齒輪與齒條嚙合，所以中心距無限大齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算重合度系數(shù) =0.25+=0.68 =0.68 （式 12.1820）YY0.751.78Y 齒間載荷分配系數(shù) 由表 12.1020，=1/ FKFKY=1.49FK齒向載荷分布系數(shù) b/h=84/(2.25 4)=19.3FK 由圖 12.1420 =1.4FK載荷系數(shù) K K= K=3.96AKVKFKFK齒型系數(shù) 由圖 12.2120 =2.19FYFY =1.8SY彎曲疲勞極限 由圖 12.23c20 =450MPalimFlimF彎曲最小安全系數(shù) 由表 12.1420 =1.6minFSminFS應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由圖 12.1520，估計(jì)指數(shù)LN46103 10CN M=6.23 =CN6.23111max60()nhiVnihtTNntTt = 61.8 10原估計(jì)力循環(huán)次數(shù)正確 =CN61.8 10彎曲壽命系數(shù) 由圖 12.