鋼管自動噴標(biāo)系統(tǒng)之噴標(biāo)小車的設(shè)計【21張CAD圖紙+PDF圖】,21張CAD圖紙+PDF圖,鋼管,自動,系統(tǒng),小車,設(shè)計,21,CAD,圖紙,PDF 摘要 鋼管是一種多功能的鋼材，其用途覆蓋了石油、冶金、煤炭、汽車、船舶、電站以及軍工等行業(yè)，為國家經(jīng)濟建設(shè)和國防安全做出了巨大的貢獻。本文以國內(nèi)外鋼管生產(chǎn)線上精整區(qū)噴標(biāo)系統(tǒng)的研究與開發(fā)現(xiàn)狀為背景，對懸臂式鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)進行了研究設(shè)計。本課題的主要研究工作： 第一章綜合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)噴標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀及存在的問題并闡述了開發(fā)鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)的必要性；陳述了課題的來源以及論文的主要工作和意義。 第二章針對噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計的總體說明，提出了系統(tǒng)的設(shè)計總目標(biāo)；給出了系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)并給出了系統(tǒng)的平面布置圖；根據(jù)系統(tǒng)的整體組成結(jié)構(gòu)，對各部分機構(gòu)及工作過程進行簡單說明；最后給出噴標(biāo)小車機械部分的設(shè)計方案以及簡要概述噴標(biāo)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計。 第三章根據(jù)設(shè)備運行的要求設(shè)計了噴標(biāo)小車的機械、電氣結(jié)構(gòu)，并且對關(guān)鍵部分的設(shè)計進行分析。 第四章介紹了噴標(biāo)控制系統(tǒng)的設(shè)計組成，簡述了PLC的編程方式，西門子S7400PLC的特點；PLC技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢分析以及PLC的硬件設(shè)計要求，噴標(biāo)小車的伺服運動控制原理，最后給出了噴標(biāo)流程圖和相應(yīng)的PLC程序。 第五章總結(jié)噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計過程所做的工作，并對系統(tǒng)的改進方向進行了展望。 關(guān)鍵詞 鋼管；噴標(biāo)；PLC；伺服電機；位置控制 ABSTRACT Steel tube is widely used as a sort of metallic material in oil,metallurgy,automobile, watercraft, electric plant, war industry and so on. It is important to the national economic development. This dissertation is based on the design and development of the system of steel tencil in home and abroad.with the aim of designing a Cantilever-Stencil Machine for Steel Pipe. the main contents are shown as follows: In chapter 1,technological process of steel tube and the international standard API are introduced.Then the current situation of research and problems on tencilling system in China are described.And also,the necessities of the improvement of it are explained.Finally,the source of this project and the main contents as well as the significance of this paper are mentioned. In chapter 2,according to the design target of stencil system,some key design parameters as well as the manufacture flow are put forward.The framework of an integrated tencil system comprising structures is presented,followed by a description of the mechanical struction and interaction. In chapter 3, the mechanism structure is designed according to the requirement of the equipment function. And the pivotal piece is analyzed. In chapter 4,PLC program metheod and the characters of S7400 series are introduced in brief.Attention are mainly focused on the modular design of PLC program,the servo-controlling system of the moving structure.flowed by the PLC program is mentioned. In chapter 5,the work of dissertation is summarized and prospect of improving direction of system is presented. Key words steel tube stencil PLC servo motor position control 58 目 錄 1 緒論 1 1.1 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀 1 1.1.1 引言 1 1.1.2 噴標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀 3 1.2 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)的必要性 4 1.3 課題來源 4 1.4 論文的主要工作和意義 4 2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計 5 2.1 噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計要求 5 2.2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計 5 2.2.1 噴標(biāo)小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 2.3 噴標(biāo)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計 7 2.3.1 噴標(biāo)系統(tǒng)的自動工作過程 7 2.4 本章小結(jié) 8 3 小車機械、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3.1 橫移機構(gòu)的設(shè)計 9 3.1.1 齒輪齒條副設(shè)計 9 3.1.2 滾動直線導(dǎo)軌副設(shè)計 10 3.1.3 伺服電機的選型 14 3.2 噴頭升降機構(gòu)的設(shè)計 15 3.2.1 選擇噴標(biāo)方式 16 3.2.2 氣缸的選型 18 3.2.3 氣缸活塞與噴頭的配合 18 3.2.4 氣缸的固定 19 3.3 噴頭位置調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計 20 3.3.1 滾動直線導(dǎo)軌副 21 3.3.2 錐齒輪副設(shè)計 21 3.3.3 絲桿副設(shè)計 29 3.4 防撞機構(gòu)設(shè)計 29 3.4.1 動作方式 30 3.5 氣路控制系統(tǒng)設(shè)計 30 3.5.1 氣動回路 30 3.6 本章小結(jié) 32 4 噴標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計 33 4.1 控制系統(tǒng)的組成 33 4.2 PLC軟件及編程 33 4.3 PLC在噴標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用 34 4.3.1 PLC的特點 34 4.3.2 PLC在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢 34 4.3.3 S7-400編程方式 35 4.4 PLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計 36 4.4.1PLC I/O點數(shù)統(tǒng)計 36 4.5 噴標(biāo)小車的伺服運動控制 37 4.5.1伺服控制系統(tǒng)簡介 37 4.5.2 伺服運動控制系統(tǒng)工作原理 38 4.6 PLC程序設(shè)計 39 4.6.1 噴標(biāo)流程 39 4.7 配電電氣控制 40 4.8 本章小結(jié) 40 5 結(jié)論 41 致謝 42 參考文獻 43 附錄 44 附錄1 44 外文原文 44 譯文部分 49 附錄2 54 附錄3 65 1 緒論 1.1 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀 1.1.1 引言 鋼管是一種用鋼制作的具有中空截面而長度遠大于外徑(或邊長)的金屬材料。截面通常為圓形，但也可呈扁、方和異型等。鋼管的結(jié)構(gòu)特征是： 1)具有封閉的環(huán)形橫斷面； 2)兩端開口； 3)管長與外徑之比L/D較大； 鋼管是一種多功能的經(jīng)濟斷面鋼材。它在國民經(jīng)濟各部門中的應(yīng)用愈來愈廣泛。 鋼管作為輸送管廣泛地用于輸送油、氣、水等各種液體，如石油及天然氣的鉆探開采與輸送、鍋爐的水與蒸汽管道、一般的水煤氣管道等。 鋼管作為結(jié)構(gòu)管大量地用于機械制造業(yè)和建筑工業(yè)，如用于制作房架、塔吊、鋼管樁、各種車輛的構(gòu)架等。在斷面面積相同的條件下，鋼管比圓鋼、方鋼等的抗彎能力大，鋼性好，其單位體積的重量輕。因此，鋼管是一種抗彎能力較強的結(jié)構(gòu)材料。 鋼管還作為中空的零件毛坯用于制造滾動軸承、液壓支柱、液壓缸筒體、空心軸、花鍵套、螺母以及手表殼等，這既節(jié)約金屬又節(jié)省加工工時。 鋼管又是國防工業(yè)中的重要材料，如用于制造槍管、炮筒及其他武器。隨著航空、火箭、導(dǎo)彈、原子能與宇宙空間技術(shù)等的發(fā)展，精密、薄壁、高強度等鋼管的需求量正迅速增長。 鋼管的種類繁多，生產(chǎn)過程復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)備也很龐大，大型企業(yè)一般采用自動化生產(chǎn)線來完成鋼管生產(chǎn)的各個工藝流程，一般熱軋鋼管的生產(chǎn)工藝如下圖1-1所示。 圖1-1熱軋管生產(chǎn)流程 按照工藝流程，管坯進入車間后在剪斷機上按工藝要求切成定尺長度。需要冷定心的合金管坯送至定心車床加工定心孔。管坯切斷(冷定心)后送入管坯加熱爐內(nèi)進行加熱。需要熱定心的管坯出爐后由輥道送至熱定心機上熱定心。經(jīng)熱定心后的管坯由斜蓖條送到穿孔機上穿孔。穿孔后的毛管還要經(jīng)過自動軋管機、均整機、定徑機等加工成鋼管。需要減徑的管子，經(jīng)過再加熱爐再加熱后送至減徑機上減徑。從定徑或減徑機軋出的成品管，由輥道送至鏈?zhǔn)嚼浯采侠鋮s，冷卻后的鋼管(有的要熱處理)送到斜輥式矯直機上矯直，然后進行其他各項精整工序。精整后的成品管經(jīng)檢驗后涂油打捆入庫。 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)是對成品管進行噴涂標(biāo)記的一種設(shè)備，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)如鋼管生產(chǎn)的爐號、班號、材料、長度、重量、生產(chǎn)廠家等按一定的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注在鋼管表面。由此可知，鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)該安排在鋼管生產(chǎn)工藝流程的精整部分。 根據(jù)GB2102-88規(guī)定，外徑不小于36mm的鋼管應(yīng)該在每根鋼管一端的端部有噴印、滾印、鋼印或粘貼標(biāo)記。印記應(yīng)清晰明顯，不易脫落。印記內(nèi)容應(yīng)包括鋼的牌號、產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品標(biāo)號和供應(yīng)廠家的印記或者商標(biāo)。具體不同類型的管子有不同的印記內(nèi)容。 隨著我國入世，國內(nèi)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 如下表1.1-1所示。 過去，大部分的鋼管生產(chǎn)廠家采用人工方式進行標(biāo)記。人為的把相關(guān)的內(nèi)容根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，用涂料寫在鋼管上。有的鋼管廠由工人隨意手寫，字跡不統(tǒng)一，有的用刷模的方式，字跡相對工整。這種做法一直沿用了很長一段時間，部分廠家目前仍在使用。很明顯，這些方法存在勞動強度大、生產(chǎn)效率低、字跡不清楚、無法統(tǒng)一管理，難于與國際市場接軌。 表1.1-1 APISPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)摘錄 GB/T 8162 尺寸偏差 項目 允許偏差 外徑 管體 D≤101.60mm±0.79mm D≥114.30mm±0.5% 接箍 ±1% 壁厚 -12.5% 重量 單根 6.50% -3.50% 車載量 -1.75% 長度 項目 范圍1 范圍2 范圍3 油管 6.10-7.32m 8.53-9.75m - 套管 4.88-7.62m 7.62-10.36m 10.36-14.63m 從上世紀(jì)九十年代開始，國內(nèi)一些大型的鋼鐵公司的產(chǎn)品為了參與國際競爭，花費巨資引進國外的生產(chǎn)設(shè)備。這些進口設(shè)備生產(chǎn)效率高、勞動強度低、噴印字跡規(guī)范，易于管理。但是進口設(shè)備成本高、要求工人素質(zhì)高、維護成本大。落后的傳統(tǒng)方法與高成本的進口設(shè)備都難適應(yīng)國內(nèi)的市場需求。因此，設(shè)計研發(fā)同類設(shè)備已經(jīng)迫在眉睫。 1.1.2 噴標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀 鋼管的噴標(biāo)是國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)明確要求的內(nèi)容。 國外早已開發(fā)出鋼管的噴標(biāo)設(shè)備，而且設(shè)備的功能強大，能噴印各種各樣的字符，設(shè)備采用了各種先進技術(shù)。 過去國內(nèi)對噴標(biāo)系統(tǒng)的研究較少，一般依靠進口國外先進設(shè)備。直到上世紀(jì)九十年代才開始有少數(shù)科研機構(gòu)對噴標(biāo)系統(tǒng)進行研究。如國內(nèi)最先采用的七段碼方式進行噴印。其原理是用水基白色涂料在壓縮氣體的作用下在熱鋼坯上噴上所需的號碼。這種設(shè)計相對簡單，號碼的變換轉(zhuǎn)化為七個壓縮空氣噴嘴的控制，控制系統(tǒng)得到簡化，具有較高的可靠性，號碼調(diào)整靈活，不需要更換模子，噴印速度快等優(yōu)點。但是，在高熱環(huán)境下涂料會很快凝結(jié)在噴嘴上造成噴嘴阻塞，涂料的霧化效果不好，不適合在曲面的鋼管上噴印。為克服上述不足，又相聚研發(fā)出了點陣式噴標(biāo)，它以點陣式形成字體的方式比較適合鋼管表面的噴??；白色涂料經(jīng)過壓縮空氣的推動從高速電磁閥中噴出，速度較快，可以在鋼管表面形成一個個有規(guī)則的圓點，通過伺服控制系統(tǒng)控制噴頭的有序移動，便可在鋼管表面噴印出一系列的符號。 1.2 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)的必要性 國內(nèi)除大型企業(yè)外其他企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備落后，產(chǎn)品存在諸多標(biāo)準(zhǔn)不一致問題。設(shè)備功能單一，不能配合自動生產(chǎn)線生產(chǎn)，效率低，技術(shù)開發(fā)水平落后，精度低，可靠性差，設(shè)備故障率高，產(chǎn)品缺乏擴展性，阻礙自動化發(fā)展，跟不上現(xiàn)代化管理。所有這些說明，開發(fā)研制高性能的噴標(biāo)系統(tǒng)等此類鋼管生產(chǎn)的輔助設(shè)備和完善的監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。 參考國外同類設(shè)備以及比較國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備，可以提出開發(fā)鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)具備的特點：控制和智能的全分散化、高內(nèi)聚、松耦合、高穩(wěn)定性、高可靠性、適應(yīng)能力強、故障報警和自診斷功能、可擴展性、系統(tǒng)精度高，工作周期短。 1.3 課題來源 為實現(xiàn)質(zhì)量管理和跟蹤，行業(yè)規(guī)定鋼鐵產(chǎn)品進入國際市場必須標(biāo)號，符合API標(biāo)準(zhǔn)，由于國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)號效率低，管理不便，嚴(yán)重制約質(zhì)量管理實施，無法滿足生產(chǎn)自動化，有設(shè)備的廠家設(shè)備價格高昂且維護困難。面對激烈的市場競爭，為適應(yīng)生產(chǎn)的需求，在消化國外先進設(shè)備的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)開發(fā)經(jīng)驗，根據(jù)國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，著手改進設(shè)計新的噴標(biāo)系統(tǒng)。 1.4 論文的主要工作和意義 該系統(tǒng)的設(shè)計涉及到多學(xué)科，多專業(yè)，是集機械、電子和計算機一體化的設(shè)備，本論文主要完成以下工作： 1）通過對系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀的分析，對噴標(biāo)系統(tǒng)進行了總體方案設(shè)計。 2）根據(jù)總體方案設(shè)計了噴標(biāo)小車的具體機械結(jié)構(gòu)，氣路系統(tǒng)，安全防護，控制系統(tǒng)。 3）通過對系統(tǒng)工作原理的研究，進行了PLC程序的設(shè)計，該系統(tǒng)的設(shè)計綜合運用了機械、電子、計算機三大知識體系，由于采用了噴頭伺服電機拖動的形式，噴印定位精度得到了提升。 2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計 2.1 噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計要求 噴標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計要求如下： 1） 工作范圍 鋼管外徑：Φ48（32）～Φ246mm；鋼管質(zhì)量：20Kg～1000Kg；鋼管長度：6m～15m；噴標(biāo)介質(zhì)：白色涂料；打印噴標(biāo)內(nèi)容：計算機能編輯的任意字符； 2） 精度要求 噴標(biāo)標(biāo)高：10～50mm可選；噴標(biāo)字跡清晰； 3） 生產(chǎn)效率 過管速度：最少278根/小時；噴標(biāo)速度：0～120m/min； 4） 自動化要求 選擇好噴標(biāo)內(nèi)容后，無需人工干預(yù)自動完成生產(chǎn)；自動噴印管號；具有自動報警功能，急停功能，半自動、手動功能； 2.2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計 噴標(biāo)系統(tǒng)工作方式有自動、半自動、手動三種方式。自動方式是主要工作方式，不需要人工干預(yù)，能夠自動完成噴標(biāo)工作；半自動控制流程中單工位的流程與自動流程一致，它是便于測試和手動操作的一個靈活的流程。手動控制主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和處理異常情況。例如：檢驗一下各工位是否運行正常，系統(tǒng)的運行情況是否正常，電氣線路接觸是否良好等；噴標(biāo)工位布置如下圖2-1所示。 圖2-1噴標(biāo)工位布置圖 2.2.1 噴標(biāo)小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 噴標(biāo)小車是噴標(biāo)系統(tǒng)中主要的機械運動部分，它由以下五個部分組成，如下圖2-2所示。 圖2-2 小車在噴標(biāo)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)示意 1）橫移機構(gòu)。橫移機構(gòu)由齒輪齒條傳動副、滾動直線導(dǎo)軌副、伺服電機及其控制驅(qū)動部分、原點傳感器、安全極限位傳感器等組成。橫移機構(gòu)的主要功能是帶動噴頭在橫梁上移動。噴標(biāo)設(shè)備有一絕對原點，由原點傳感器決定，所有的其他位置都以原點為基準(zhǔn)。系統(tǒng)工作時，由伺服系統(tǒng)精確定位小車到達所需位置，在噴標(biāo)過程中，噴頭一邊沿鋼管軸向移動，一邊完成噴標(biāo)工作。在橫梁的兩頭有安全保護：當(dāng)小車由于某些原因，到達安全極限位置時，系統(tǒng)馬上停止所有的動作，并發(fā)出安全報警。 2）噴頭升降機構(gòu)。升降機構(gòu)由氣缸、電磁閥、傳感器、氣路系統(tǒng)、滾動直線導(dǎo)軌、手輪、手柄等組成。噴頭不進行噴標(biāo)時，處于上位；而在進行噴標(biāo)時，噴頭位置下降到達工作位置。噴頭的上升下降由系統(tǒng)控制電磁閥的動作從而控制氣缸活塞動作來完成。手輪和手柄則是用來調(diào)節(jié)噴頭下降時的最低位置的。由于鋼管管徑大小不同，而噴頭工作時離鋼管表面的距離有一定的范圍，大概在20mm～30mm，超出這個范圍，噴出來的字跡不能達到最佳的噴印要求。因此當(dāng)鋼管管徑不同時，要靠手輪和手柄人工調(diào)整噴頭的最低位置。 3）防撞機構(gòu)。防撞機構(gòu)分為側(cè)面防撞和底面防撞。底面防撞由四個接近開關(guān)組成，噴頭的任意一角碰到障礙物，氣缸立即帶動噴頭上升，并且噴標(biāo)小車停止運行，發(fā)出報警信號。側(cè)面防撞是一個接近開關(guān)，當(dāng)鋼管碰到接近開關(guān)時，噴頭馬上上升，并且小車停止運動，發(fā)出報警信號。由于噴頭是整個設(shè)備的核心部件，而且比較昂貴，所以要為它設(shè)計專門的防護機構(gòu)。 4）噴頭及控制器。噴頭及控制器部分是噴標(biāo)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件。噴頭在噴標(biāo)控制器的控制下，涂料系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)的共同作用下，完成噴標(biāo)任務(wù)。 5）氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)主要為兩個部件提供氣源及控制：一是噴頭升降控制，給噴頭的驅(qū)動部件-氣缸提供動力；再者是噴頭及控制器系統(tǒng)，為其提供一個動力，使涂料從噴嘴（電磁閥）中噴射出去。 2.3 噴標(biāo)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計 2.3.1 噴標(biāo)系統(tǒng)的自動工作過程 自動方式是系統(tǒng)用得最多的一種工作方式，在鋼管生產(chǎn)線上，要靠自動方式來完成鋼管的噴標(biāo)任務(wù)。根據(jù)設(shè)計要求，按鋼管長度最長為15米算，單根噴標(biāo)時間為7.5s，而過管單根時間為12.94s，可得知在進行噴標(biāo)任務(wù)時，小車有足夠時間來進行初始化和預(yù)處理任務(wù)。典型的自動工作過程如下圖2-3所示: 圖2-3 噴標(biāo)系統(tǒng)自動工作過程示意圖 由上圖可以看出，要設(shè)計的控制系統(tǒng)中需要用相應(yīng)的控制部件來控制噴標(biāo)過程的每一個環(huán)節(jié)。如鋼管到位需要傳感器來檢測；小車的運動需要前面的工步完成后才能動作，也就是說小車的運動和停止需要一個相應(yīng)的信號；噴標(biāo)起始和結(jié)束位置的判斷又需要一些開關(guān)設(shè)備，考慮到上述種種因素，噴標(biāo)系統(tǒng)電氣控制采用積木式結(jié)構(gòu)，集散控制原理。由工控機集中管理信息，監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的工作狀況；PLC作為底層控制負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場傳感器信號，控制變頻器、伺服電機等有序的執(zhí)行生產(chǎn)命令。電氣原理組成如下圖2-4所示。 圖2-4 噴標(biāo)系統(tǒng)電氣組成示意圖 2.4 本章小結(jié) 本章提出了噴標(biāo)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，介紹了噴標(biāo)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu) 、噴頭防撞 、氣路系統(tǒng)的設(shè)計要求并給出了相關(guān)示意圖，簡要介紹了噴標(biāo)控制系統(tǒng)的設(shè)計組成、工作原理及設(shè)計時應(yīng)注意的問題。 3 小車機械、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計 噴標(biāo)系統(tǒng)中，噴頭的移動主要通過小車的來回移動完成。而噴頭的上升下降是由安裝在小車上的氣缸來驅(qū)動的。在噴印字符時，噴頭距離鋼管有一個最佳的噴印距離，在這個距離之內(nèi)噴印出來的字符效果相對較好。而不同批次的鋼管管徑是不一樣的，為了使噴頭在氣缸活塞下降至極限位置時與鋼管保持最佳噴印距離，這就增加了設(shè)計一個噴頭位置調(diào)節(jié)機構(gòu)的必要。此外，氣缸的運動需要一個動力源，必須給其設(shè)計一個合理的氣路系統(tǒng)。 3.1 橫移機構(gòu)的設(shè)計 橫移機構(gòu)的主要組成部分有精密齒輪齒條副、滾動直線導(dǎo)軌副、伺服電機等。 橫移機構(gòu)通過連接在伺服電機主軸上的齒輪與安裝在橫梁上的齒條嚙合，伺服電機轉(zhuǎn)動進而帶動小車整體的移動。同時，滾動直線導(dǎo)軌副限制了橫移機構(gòu)整體框架的上下、左右及各方向的旋轉(zhuǎn)自由度，使得橫移機構(gòu)只能沿著橫梁軸向運動。橫移機構(gòu)如下圖3-1所示： 圖3-1 橫移機構(gòu)示意圖 3.1.1 齒輪齒條副設(shè)計 前面已經(jīng)提及小車的動力系統(tǒng)是伺服電機，而伺服電機主要提供的是轉(zhuǎn)動，結(jié)合小車的運動方式為直線移動，因此需應(yīng)用一種將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動的機構(gòu)，參考相關(guān)的機械設(shè)計資料，可知將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動的機構(gòu)主要有齒輪齒條機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)等?？紤]到小車有一定載重、來回運動頻繁、傳動效率高、要求工作時間長、定位精度高、工作環(huán)境適應(yīng)性強等因素，選擇精密齒輪齒條傳動副。齒輪齒條副的設(shè)計應(yīng)注重以下幾方面的問題： 1)齒條的直線度 由于系統(tǒng)對噴印字符的要求很高，必須保證小車運動的直線度，這就要求相應(yīng)的齒條有很高的直線度要求。 2)齒條與橫梁的配合 按所設(shè)計的齒條在進行與橫梁的裝配時必須保證裝配的直線度保持較小的誤差。 3)齒輪齒條的精度 考慮到噴標(biāo)小車的定位精度要求，所設(shè)計的齒輪齒條必須有較高的精度等級。 除上述應(yīng)注意的問題外，在設(shè)計齒輪齒條副時必須進行必要的強度和載荷校核計算。詳細(xì)設(shè)計過程由設(shè)計合作者黃方興論述。 3.1.2 滾動直線導(dǎo)軌副設(shè)計 滾動直線導(dǎo)軌副用于限制噴標(biāo)小車除沿橫梁移動外的所有自由度。由于導(dǎo)軌對于橫移機構(gòu)運動是否平穩(wěn)有著很大的影響，因此對導(dǎo)軌副有很高的精度要求。此外，導(dǎo)軌的尺寸應(yīng)與所設(shè)計的懸臂梁配套。 3.1.2.1 導(dǎo)軌類型的確定： 由于噴標(biāo)小車沿導(dǎo)軌移動要保證高的直線度，保證噴頭與某一批次鋼管的相互位置保持不變，小車移動時應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時無爬行現(xiàn)象，同時又要求導(dǎo)軌能保持一定的使用精度，在使用過程中磨損量要小，且磨損后能自動補償或便于調(diào)整，要有足夠的剛度且受溫度變化的影響較小，結(jié)構(gòu)工藝性好等特點。綜合上述，結(jié)合系統(tǒng)的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)緊湊問題，參考相關(guān)設(shè)計資料，選用滾動直線導(dǎo)軌副。此類導(dǎo)軌的特點是摩擦阻力小，運動輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象，故運動均勻平穩(wěn)。 3.1.2.2 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式： 圖3-2所示為雙V形截面的滾動導(dǎo)軌，由于滾動體和導(dǎo)軌面是點接觸，故運動輕便，但剛度低，承載能力小。常用于運動件重量、載荷不大的場合。 圖3-2 滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖 3.1.2.3 導(dǎo)軌選用計算： 首先要滿足最大噴印范圍為3.4米的要求。其次，根據(jù)所設(shè)計的懸臂梁的長度，導(dǎo)軌的長度應(yīng)與其配套。由于懸臂梁的長度確定為6.8米，則導(dǎo)軌的長度亦確定為6.8米。 a）載荷計算 根據(jù)上述設(shè)計要求與規(guī)格，選用型號為GGB35 AA2P滾動直線導(dǎo)軌副。安裝形式如下圖3-3所示 圖3-3 導(dǎo)軌副立式橫向安裝圖 查閱這種型號導(dǎo)軌的規(guī)格：受力方式為四方向等載荷，額定動、靜載荷分別為Ca=35.1kN，Coa=47.2kN，硬度系數(shù)fh=1，溫度系數(shù)ft=1，接觸系數(shù)fc=0.81，精度系數(shù)fa=1.0，載荷系數(shù)fw=1.2 計算公式 式（3.1） 式（3.2） 式（3.3） 式中 、、、——各滑塊所受載荷； 、、、——各滑塊所受剪切力； ——懸掛件總質(zhì)量； ——同一平面內(nèi)安裝導(dǎo)軌數(shù)； 其中 懸掛件總質(zhì)量為79kg 代入數(shù)據(jù)得 F1=F2=F3=F4=0.126kN F1τ=F3τ=0.194kN F2τ=F4τ=0.194Kn b）額定壽命 滾動直線導(dǎo)軌副額定壽命的計算與滾動軸承基本相同。 計算公式 式（3.4） 式（3.5） 式中 L——額定壽命（km）； Ca——額定動載荷； P——當(dāng)量動載荷； Fmax——受力最大的滑塊所受的載荷； ε——指數(shù)，當(dāng)滾動體為滾珠時，ε=3； K——額定壽命單位（km），滾動體為滾珠時，K=50； 代入數(shù)據(jù)得 L=126542km c）壽命時間 當(dāng)行程長度一定時，以h為單位的額定壽命為 式（3.6） 式中 La——行程長度（m）； n2——每分鐘往復(fù)次數(shù)； 代入數(shù)據(jù)得 Lh=31015h 按年工作日為300d，二班工作制，每班8h，開機率為80%，則預(yù)計壽命年限為 式（3.7） 代入數(shù)據(jù)得 Lh=8.07年 3.1.2.4 提高導(dǎo)軌剛度的措施及導(dǎo)軌的預(yù)緊 如下圖3-4所示，當(dāng)承導(dǎo)件往復(fù)移動時，承導(dǎo)件壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置Ⅰ時，兩端滾動體受力相等，承導(dǎo)件保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動到位置Ⅱ或Ⅲ時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使承導(dǎo)件傾斜α角，由此造成誤差。此外，滾動體支承承導(dǎo)件，若承導(dǎo)件剛度差，見下圖3-5，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會使承導(dǎo)件下凹（有時還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。 圖3-4 滾動體受力 圖3-5 承導(dǎo)件受力 為減小導(dǎo)軌變形，提高剛度，除靠導(dǎo)軌本身的制造工藝外，常用預(yù)加載荷的辦法來提高導(dǎo)軌的剛度。 試驗證明：隨著過盈量的增加，導(dǎo)軌的剛度開始急劇增加，達到一定程度后，再增加過盈量，剛度不會顯著提高。牽引力隨著過盈量增加而增大，但在一定限度內(nèi)變化不大，過盈量超過一定值后，則急劇增加。因此，合理的過盈量應(yīng)使導(dǎo)軌剛度較好而牽引力不大。 3.1.2.5 技術(shù)要求 導(dǎo)軌的質(zhì)量取決于它的制造精度和安裝精度，根據(jù)設(shè)計和使用要求，制定出滾動導(dǎo)軌的若干安裝技術(shù)條件： 1. 不允許將滑塊與導(dǎo)軌分離或超行程又推回去。如因安裝困難，需要拆下滑塊，必須使用引導(dǎo)導(dǎo)軌； 2. 安裝前必須檢查導(dǎo)軌副是否有合格證、有否碰傷、銹蝕，用防銹油清洗干凈，清楚裝配表面毛刺及污物等，檢查裝配連接部位螺栓孔是否吻合，如果發(fā)生錯位而強行擰入螺栓，將會降低運行精度； 3. 安裝前必須分清基準(zhǔn)導(dǎo)軌副與非基準(zhǔn)導(dǎo)軌副，（基準(zhǔn)導(dǎo)軌上產(chǎn)品編號標(biāo)記最后一位有“J”，滑塊上有磨光的基準(zhǔn)面），其次是認(rèn)清導(dǎo)軌副安裝時所需的基準(zhǔn)側(cè)面； 4. 導(dǎo)軌軸和滑塊座與側(cè)基準(zhǔn)面靠上定位臺階后，應(yīng)從另一面預(yù)緊后再固定。 3.1.3 伺服電機的選型 1）確定電機轉(zhuǎn)速 根據(jù)生產(chǎn)要求可以得知要達到80m/min的生產(chǎn)速度，則電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)為： 式（3.8） 式中n——電機轉(zhuǎn)速； m——齒輪模數(shù)，在此為3； z——齒輪齒數(shù)，在此為20； 2）確定電機轉(zhuǎn)動慣量 由于伺服電機的運行性能依賴于負(fù)載和電機慣量的匹配，為了滿足系統(tǒng)靈敏性穩(wěn)定性的要求，負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量JL應(yīng)限制在電機慣量JM的15倍之內(nèi)。 等效轉(zhuǎn)動慣量算法如下： 式（3.9） 式（3.10） 式中 Ji——各種轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，Kg·m2； ωi——各轉(zhuǎn)動件角速度rad/min； Mk——移動件的質(zhì)量，Kg； vk——各移動件速度，m/min； ω——伺服電機的角速度，rad/min JM——電機的轉(zhuǎn)動慣量，Kg·m2； 伺服電機是依靠齒輪齒條嚙合，從而帶動橫移機構(gòu)在懸臂梁上做直線運動，因此上面式（3.10）中旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量為零，而直線運動部分的總重為79Kg，代入式（3.10）可得 式（3.11） 又由式（3.9）可得 式（3.12） 根據(jù)以上的計算可以看出，要滿足噴印速度80m/min的要求，伺服電機的轉(zhuǎn)速必須達到425r/min,而要滿足伺服電機與負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量比的要求，則伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)該大于42×10-4kg·m2。因此，查閱相關(guān)伺服電機型號規(guī)格表，選擇三菱HC-SFS121型伺服電機，其額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，轉(zhuǎn)動慣量為42×10-4kg·m2，滿足要求。 3.2 噴頭升降機構(gòu)的設(shè)計 噴頭升降機構(gòu)用于驅(qū)動噴頭在進行噴標(biāo)任務(wù)時噴頭與所要噴印的鋼管間的距離，使其保持最佳噴印距離。如下圖3-6所示，升降機構(gòu)由噴頭、氣缸、電磁閥、傳感器、氣路系統(tǒng)、直線滾珠導(dǎo)軌副、手輪、手柄等組成。噴頭不進行噴標(biāo)任務(wù)時，處于上位；而在進行噴標(biāo)時，噴頭位置下降到達工作位置。噴頭的上升下降由系統(tǒng)控制電磁閥的動作進而控制氣缸活塞動作來完成。手輪和手柄則是用來調(diào)節(jié)噴頭下降時的最低位置的。 圖3-6升降機構(gòu)組成結(jié)構(gòu) 3.2.1 選擇噴標(biāo)方式 目前噴標(biāo)技術(shù)主要采用CIJ 連續(xù)式噴標(biāo)和DOD 按需噴墨式噴標(biāo)。CIJ 方式一般以磁流變液體為介質(zhì)，墨水通過壓力從單一噴嘴不斷噴出，經(jīng)晶體振蕩后發(fā)生斷裂形成墨點；墨點經(jīng)充電、高壓偏轉(zhuǎn)后在運動的物體表面掃描成字。其使用的介質(zhì)是墨水，主要應(yīng)用于小字符噴印。如下圖3-7所示, CIJ連續(xù)式噴標(biāo)的特點： 圖3-7 CIJ噴標(biāo) 1）可噴印的字符高度為0.06mm-15mm 2）噴印5*5點陣時很快，噴印中文、圖形、16點陣文字時速度變慢 3）機器運行時，墨水循環(huán)使用，使得墨水濃度不穩(wěn)定，而且還需要添加稀釋劑，稀釋液不斷揮發(fā)，造成浪費。 4）墨水回收系統(tǒng)容易將粉塵潮氣等吸入機器內(nèi)部，從而影響機器正常工作性能。 5）因墨點需要經(jīng)晶體振蕩、充電、高壓偏轉(zhuǎn)等精密控制，所以故障幾率就比較大。 6）控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要精密調(diào)整參數(shù)才能保證正常使用。 7）墨水循環(huán)過程中，大量有機溶劑揮發(fā)，氣味難聞，造成環(huán)境污染。 8）由于使用的是外界氣源供氣，對壓力及清潔度要求高，氣源質(zhì)量直接影響機器壽命。 9）齒輪泵式噴標(biāo)電機高速運轉(zhuǎn)時需要通風(fēng)散熱，由于不密封粉塵及潮氣容易進入機器內(nèi)部。 10）輪泵容易磨損，不能修復(fù)，只能更換，維修成本比較高。 DOD 按需噴墨式噴標(biāo)是通過控制一列高頻開關(guān)式電磁閥實現(xiàn)點陣式噴標(biāo)，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。如下圖3-8所示： 圖3-8 DOD噴標(biāo) 這種噴頭的噴嘴開口度較大，可以形成較大的噴點，因此除了可以使用墨水外，還能夠使用一些特殊的涂料，例如，水基白色涂料，使用特殊涂料在物體表面噴出的字型很清晰，即使是在戶外也可以保持很長時間。相比較而言，墨水在鋼鐵材料上存在著透析，很容易擴散，而這些特殊涂料的粘度大，與鋼鐵親和力強，因此在鋼鐵行業(yè)一般都使用這些特殊的涂料。 按需噴墨式噴標(biāo)在大字符或圖形噴印上存在很大的優(yōu)勢： 1）噴印字符高度為2.5mm-64mm。 2）噴印速度不受字型點陣的影響，最快可以達到120m/min。 3）機器運行時，墨水不循環(huán)使用，不需要添加稀釋劑，墨水濃度一定。 4）墨水不需要回收，供墨系統(tǒng)密封良好，避免了污染。 5）墨水直接噴出，自帶壓力泵，精密部件少，故障率低。 6）控制系統(tǒng)簡單可靠，操作簡單，便于維護。 7）自帶低壓供氣系統(tǒng)，氣源壓力穩(wěn)定，質(zhì)量清潔，保證機器正常運行。 8）機內(nèi)沒有大功率部件，工作無需散熱，設(shè)備系統(tǒng)密封性能良好，不受工作環(huán)境影響。 9）沒有易損件，維修成本相對CIJ要低些。 考慮上述因素，本系統(tǒng)采用DOD 噴標(biāo)技術(shù)，選擇日本MAKTEC 公司的PJ-1B 型噴頭。該噴頭由16個精密高速電磁閥構(gòu)成，在噴印字符時，字型相對應(yīng)的電磁閥快速開啟，墨水依靠內(nèi)部恒定壓力噴出，在運動的表面形成點陣式字符或者圖形。 3.2.2 氣缸的選型 對于噴標(biāo)系統(tǒng)而言，噴頭升降并不需要太大的作用力，也不會出現(xiàn)負(fù)載突然變化的情況，因此采用氣動方式控制噴頭的升降完全可以滿足工作要求，但同時也要考慮到升降時間對鋼管生產(chǎn)節(jié)奏的影響。 設(shè)現(xiàn)場提供的氣源壓力為0.4Mpa，氣缸所要推動的部件總重約為110N（噴頭和防撞機構(gòu)的質(zhì)量總和）。實際選用的是缸徑為80mm，行程為200mm的FESTO公司DNGU80-180-PPV-A型氣缸，所能承受的最大負(fù)荷為Q=πD2P/4。根據(jù)FESTO氣缸活塞負(fù)荷與活塞速度的關(guān)系圖查得：氣缸的升降速度為225mm/s，可知氣缸的全行程時間不超過2s。 3.2.3 氣缸活塞與噴頭的配合 噴頭是噴標(biāo)執(zhí)行部件，氣缸通過活塞驅(qū)動噴頭做上下升降運動，這里就涉及到氣缸活塞與噴頭的配合以及噴頭的導(dǎo)向問題。如下圖3-9所示： 圖3-9 氣缸活塞與噴頭的連接示意圖 活塞部件主要通過銷連接與噴頭部件進行連接，噴頭與噴頭固定板用內(nèi)六角螺釘固定，噴頭定位銷部分內(nèi)嵌在沖頭內(nèi)部，并用沉頭螺釘預(yù)緊，噴頭銷連接部分零件與過渡板為螺釘連接?；钊麠U頭部與活塞頭銷連接部分為螺紋連接，并裝有用于微調(diào)的螺母。 噴頭在進行噴標(biāo)任務(wù)時，必須保證噴頭作上下垂直運動，動作過程中不能出現(xiàn)噴頭的左右晃動，以影響噴印質(zhì)量，因此，必須在氣缸驅(qū)動噴頭到達噴印位置的過程中保持噴頭運動方向的一致性，就必須對噴頭安裝導(dǎo)向裝置。如下圖3-10所示： 圖3-10 噴頭導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖 該裝置主要由導(dǎo)柱導(dǎo)套副組成，導(dǎo)套用螺栓固定在氣缸固定座上，導(dǎo)柱安裝在噴頭過渡板上面，噴頭上下升降運動的同時，導(dǎo)柱在導(dǎo)套內(nèi)滑動，限制噴頭前后左右的自由度。 3.2.4 氣缸的固定 如下圖3-11所示，氣缸的固定設(shè)計采用固定座子，氣缸通過螺栓連接安裝在固定座上，固定座與噴頭位置調(diào)節(jié)機構(gòu)的托架通過螺栓連接。 圖3-11 氣缸固定示意圖 3.3 噴頭位置調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計 由于不同批次的鋼管管徑大小不同，而噴頭工作時離鋼管表面的距離有一定的范圍，大概在20mm～30mm，超出這個范圍，噴印字跡不能達到最佳噴印效果。因此當(dāng)鋼管管徑不同時，要靠手輪和手柄人工調(diào)整噴頭的最低位置。根據(jù)所設(shè)計的錐齒輪副和絲桿傳動副，當(dāng)轉(zhuǎn)動手輪一圈時，大齒輪轉(zhuǎn)動2/3圈，絲桿螺母上升或下降5.33mm，則升降托架帶動噴頭也跟著運動5.33mm。根據(jù)所能噴印的鋼管管徑差最大為200mm，最大調(diào)節(jié)距離需要轉(zhuǎn)動手輪37.5圈，比較合適。該機構(gòu)組成結(jié)構(gòu)圖如下圖3-12所示： 圖3-12 噴頭位置調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖 該機構(gòu)主要由托架、滾動直線導(dǎo)軌副、絲桿螺母副、錐齒輪傳動副、調(diào)節(jié)手輪等組成。手輪的轉(zhuǎn)動通過錐齒輪副轉(zhuǎn)換為絲桿的轉(zhuǎn)動，通過絲桿螺母來帶動托架作上下升降運動。 3.3.1 滾動直線導(dǎo)軌副 考慮到噴頭調(diào)節(jié)機構(gòu)由人工通過手輪來調(diào)節(jié)，導(dǎo)軌副采用精度高、摩擦阻力小，運動輕便靈活的直線滾動導(dǎo)軌。根據(jù)系統(tǒng)的尺寸和相關(guān)設(shè)計要求選用型號為GGB 30BA2P2×720-2型滾動直線導(dǎo)軌副。 3.3.2 錐齒輪副設(shè)計 錐齒輪是圓錐齒輪的簡稱，它用來實現(xiàn)兩相交軸之間的傳動,兩軸交角∑稱為軸角，其值可根據(jù)傳動需要確定，一般多采用90°。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小，如下圖3-13所示。由于這一特點，對應(yīng)于圓柱齒輪中的各有關(guān)"圓柱"在錐齒輪中就變成了"圓錐"，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設(shè)計、制造及安裝均較簡單，但噪聲較大，用于低速傳動（＜5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點，用于高速重載的場合。在本文中錐齒輪副用在噴頭位置調(diào)節(jié)機構(gòu)中，速度較低且屬于輕載，因此考慮用直齒錐齒輪傳動。 圖3-13 直齒錐齒輪副 3.3.2.1 直齒錐齒輪主要參數(shù)初算 詳細(xì)計算數(shù)據(jù)見附表一，其中m為大端模數(shù)，應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。（見附表二） 注：n1——小輪轉(zhuǎn)速；n2——大輪轉(zhuǎn)速。 3.3.2.2 直齒錐齒輪幾何計算 根據(jù)錐齒輪傳動的特點，其基本幾何尺寸按大端計算，但錐齒輪齒寬中點處及其當(dāng)量齒輪的幾何尺寸必須通過大端導(dǎo)出。 1） 齒寬系數(shù)FR FR=1/3，且b1=b2=b 式（3.13） 式中 b1——小錐齒輪齒寬； b2——大錐齒輪齒寬； b——平均齒寬； 2） 齒寬中點的分度圓直徑（平均分度圓直徑）dm和平均模數(shù)mm 式（3.14） 式（3.15） 式（3.16） 式中 dm1——小輪平均分度圓直徑； dm2——大輪平均分度圓直徑； d1——小輪分度圓直徑； d2——大輪分度圓直徑； ΦR——齒寬系數(shù)； R——錐距； mm——平均模數(shù)； m——大端模數(shù)； z1——小輪齒數(shù)； 3） 齒寬中點處當(dāng)量齒輪的分度圓直徑dmv、當(dāng)量齒數(shù)zv及當(dāng)量齒數(shù)比uv 式（3.17） 式（3.18） 式（3.19） 式（3.20） 式中 dmv1——小輪當(dāng)量分度圓直徑； dmv2——大輪當(dāng)量分度圓直徑； δ1——小輪分度錐角； δ2——大輪分度錐角； u——齒數(shù)比； zv1——小輪當(dāng)量齒數(shù)； zv2——大輪當(dāng)量齒數(shù)； z1——小輪齒數(shù)； uv——當(dāng)量齒數(shù)比； 式中齒數(shù)比影響分度錐頂角的大小，一般取u≤3，最大不超過5。相關(guān)的數(shù)值計算見附表三所示。 3.3.2.3 直齒錐齒輪傳動的運動設(shè)計 1） 背錐和當(dāng)量齒輪 下圖3-14為一錐齒輪的軸向半剖面，其中DOAA為分度錐的軸剖面，錐長OA稱錐距， 用R表示；以錐頂O為圓心，以R為半徑的圓應(yīng)為球面的投影。若以球面漸開線作錐齒輪的齒廓，則圓弧bAc為輪齒球面大端與軸剖面的交線，該球面齒形是不能展開成平面的。為此，再過A作O1A⊥OA，交齒輪的軸線于點O1。設(shè)想以O(shè)O1為軸線，以O(shè)1A為母線作圓錐面O1AA，該圓錐稱為錐齒輪的大端背錐。顯然，該背錐與球面切于錐齒輪大端的分度圓。由于大端背錐母線O1A與錐齒輪的分度錐母線相互垂直，將球面齒形的圓弧bAc投影到背錐上得到線段b'Ac'，圓弧bAc與線段b'Ac'非常接近，且錐距R與錐齒輪大端模數(shù)m之比值愈大（一般R/m>30），兩者就更接近。這說明：可用大端背錐上的齒形近似地作為錐齒輪的大端齒形。由于背錐可展開成平面并得到一扇形齒輪，扇形齒輪的模數(shù)m、壓力角a和齒高系數(shù)ha*等參數(shù)分別與錐齒輪大端參數(shù)相同。再將扇形齒輪補足成完整的直齒圓柱齒輪，這個虛擬的圓柱齒輪稱為該錐齒輪的大端當(dāng)量齒輪。這樣就可用大端當(dāng)量齒輪的齒形近似地作為錐齒輪的大端齒形，即錐齒輪大端輪齒尺寸（ha、hf等）等于當(dāng)量齒輪的輪齒尺寸。 圖3-14 錐齒輪軸向半剖圖 2） 當(dāng)量齒數(shù) 當(dāng)量齒輪的齒數(shù)zv稱為錐齒輪的當(dāng)量齒數(shù)。zv與錐齒輪的齒數(shù)z的關(guān)系可由上圖求出，由圖可得當(dāng)量齒輪的分度圓半徑rv 式（3.21） 式中 rv——當(dāng)量齒輪分度圓半徑； 而 式（3.22） 則有 式（3.23） 3） 當(dāng)量齒輪和重合度計算 ① 背錐和當(dāng)量齒輪 下圖3-15為一對錐齒輪的軸向剖面圖。該對錐齒輪的軸角等于兩分度錐角之和，即 式（3.24） 式中 ——軸交角； 圖3-15 錐齒輪的當(dāng)量齒輪 由于直齒錐齒輪傳動強度計算及重合度計算的需要引進一對當(dāng)量齒輪（上圖），它們是用該對錐齒輪齒寬中點處的背錐展開所得到的。當(dāng)量齒輪的分度圓半徑dv1/2和dv2/2分別為這對錐齒輪齒寬b中點處背錐的母線長；模數(shù)即為齒寬中點的模數(shù)，稱為平均模數(shù)mm。 ② 直齒圓錐齒輪的嚙合傳動特點 一對錐齒輪的嚙合傳動相當(dāng)于其當(dāng)量齒輪的嚙合傳動。因此有如下特點： a、正確嚙合條件 ： 式（3.25） 式中 ——小輪壓力角； ——大輪壓力角； ——嚙合壓力角； b、續(xù)傳動條件 e>1，重合度e可按其齒寬中點的當(dāng)量齒輪計算。 C、不根切的最少齒數(shù) 式（3.26） 式中 zmin——不根切最少齒數(shù)； zvmin——最小當(dāng)量齒數(shù)； d、傳動比i12 因 式（3.27） 故 式（3.28） 當(dāng)∑=90°時，有 式（3.29） 圖3-16 錐齒輪嚙合 直齒錐齒輪的當(dāng)量齒輪用于重合度計算和強度計算。參考點M的各個參數(shù)代號中引入下角標(biāo)“m”；當(dāng)量齒輪各參數(shù)代號中引入下角標(biāo)“v”。相關(guān)的數(shù)值計算見附表四所示。 3.3.2.4 直齒錐齒輪傳動的強度計算 直齒錐齒輪的強度計算比較復(fù)雜。為了簡化計算，通常按其齒寬中點的當(dāng)量齒輪進行強度計算。這樣，就可以直接引用直齒圓柱齒輪的相應(yīng)公式。因直齒錐齒輪的制造精度較低，在強度計算中一般不考慮與重合度的影響，即取齒間載荷分配系數(shù)Ka、重合度系數(shù)Ze、Ye的值為1。 1） 輪齒受力分析 忽略齒面摩擦力，并假設(shè)法向力Fn集中作用在齒寬中點上，在分度圓上可將其分解為圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa相互垂直的三個分力，如下圖所3-17所示。各力的大小分別為 式（3.30） 式中 T1——小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩（N·mm）； 圖3-17 輪齒受力分析 各力的方向 主動輪圓周力的方向與輪的轉(zhuǎn)動方向相反，從動輪圓周力的方向與輪的轉(zhuǎn)動方向相同；主、從動輪徑向力分別指向各自的輪心；軸向力則分別指向各自的大端。 載荷系數(shù) K=KAKvKβ 式（3.31） 式中 KA——使用系數(shù)，按使用系數(shù)KA表查?。ㄒ姼奖砦澹? Kv——動載荷系數(shù)，降低一級精度等級，用齒寬中點的圓周速度由動載荷系數(shù)Kv圖查?。ㄒ姼綀D一） Kβ——齒向載荷分布系數(shù)，可按式（3.30）得 KHβ=KFβ=1.5KHbbe 式（3.32） 式中 KHbbe——由齒向載荷分配系數(shù)表KHbbe查?。ㄒ姼奖砹? 2） 齒面接觸疲勞強度計算 以當(dāng)量齒輪作齒面接觸疲勞強度計算，則式（3.33） 式（3.33） 為 式（3.34） 式中 ——計算應(yīng)力值； ——彈性系數(shù)； ——節(jié)點區(qū)域系數(shù)； ——接觸強度計算重合度系數(shù)； ——載荷系數(shù)； ——齒面接觸應(yīng)力基本值； ——許用接觸應(yīng)力； 將當(dāng)量齒輪的有關(guān)參數(shù)代入上式中，可得直齒圓錐齒輪傳動的齒面接觸疲勞強度校核公式為 式（3.35） 而齒面接觸疲勞強度設(shè)計公式為 式（3.36） 式中各參數(shù)按前述確定。相關(guān)的計算數(shù)據(jù)見附表七所示。 從附表七可看出，齒面接觸應(yīng)力基本值σHO（725.7325MPa）≤接觸疲勞極限值σHlim（1370MPa）且接觸強度安全系數(shù)大于許用值，所設(shè)計的錐齒輪接觸強度達到要求。 3） 齒根彎曲疲勞強度計算 直齒圓錐齒輪傳動的齒根彎曲疲勞強度校核公式和設(shè)計公式見 式（3.37） 式（3.38） 式中 YFa——齒形系數(shù)，根據(jù)當(dāng)量齒數(shù) ，由外齒輪的齒形系數(shù)圖YFa查取（見附圖二）； YSa——應(yīng)力修正系數(shù)，根據(jù)當(dāng)量齒數(shù) ，由應(yīng)力修正系數(shù)YSa圖查?。ㄒ姼綀D三）； 齒根彎曲疲勞強度的相關(guān)計算數(shù)據(jù)見附表八所示。 由附表八可看出，大小齒輪的齒根應(yīng)力基本值σFO（119.7289Mpa、201.2453Mpa）均小于彎曲疲勞極限值σFlim（206.89Mpa）且彎曲強度安全系數(shù)大于許用值，所設(shè)計的錐齒輪彎曲強度達到要求。 3.3.3 絲桿副設(shè)計 絲桿副是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動或者把直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動，同時進行能量和力的傳遞，或者調(diào)整零件間的相對位置。主要由螺桿和螺母組成。在噴標(biāo)系統(tǒng)中通過螺母的上下移動帶動升降托架的升降運動。 3.3.3.1 絲桿傳動設(shè)計 根據(jù)噴標(biāo)小車調(diào)整噴頭的精度要求及系統(tǒng)載荷運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性情況，噴標(biāo)小車噴頭位置調(diào)節(jié)機構(gòu)中需要通過手輪來調(diào)節(jié)噴頭的最低位置，速度比較低，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，載荷較小。同時由于系統(tǒng)在運行過程中要求噴頭與鋼管的距離保持一定，就要求絲桿副具有一定的自鎖能力，配合手輪的鎖緊機構(gòu)來保證調(diào)節(jié)好距離的噴頭位置保持不變。參考上述條件，選擇梯形螺紋牙型的滑動螺旋絲桿副。相關(guān)設(shè)計計算見附表九所示。 3.4 防撞機構(gòu)設(shè)計 由于噴頭是整個設(shè)備中最為昂貴的部件，因此特別設(shè)計了立方體形式的噴頭防撞機構(gòu)。如下圖3-18所示： 圖3-18 防撞機構(gòu)示意圖 3.4.1 動作方式 防撞機構(gòu)由一個保護罩和相關(guān)的微動開關(guān)組成。在保護罩底部的四個角分別安裝一個感應(yīng)式傳感器（底部防撞微動開關(guān)）,保護罩外部靠感官上料側(cè)還有一個擺臂式行程開關(guān)（側(cè)部防撞行程開關(guān)）。當(dāng)噴頭在下位時，一旦有其他物體從底部接近某個角，或者有物體從側(cè)面接近，碰到行程開關(guān)的擺臂，則氣缸立即帶動噴頭上升，并發(fā)出報警信號，起到保護噴頭的作用。 3.5 氣路控制系統(tǒng)設(shè)計 氣動控制系統(tǒng)與電氣和液壓系統(tǒng)一樣，都是實現(xiàn)生產(chǎn)過程機械自動化最有效的手段之一。 氣動系統(tǒng)有很多優(yōu)點，例如，系統(tǒng)機構(gòu)簡單，使用維護簡便，成本低廉；能適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，安全性高；工作壽命長；容易獲得工作介質(zhì)（壓縮空氣）。同時，氣動系統(tǒng)也存在大距離傳遞信號速度慢，在負(fù)載有波動時難以保證氣動執(zhí)行元件輸出平穩(wěn)等不足。然而對于自動化機械設(shè)備中的大多數(shù)對象來說，氣動系統(tǒng)的參數(shù)是合適的。 3.5.1 氣動回路 噴標(biāo)系統(tǒng)的氣動系統(tǒng)回路的動作順序如下：升降氣缸接到啟動信號后下降，涂料泵將涂料壓倒噴頭，噴嘴電磁閥動作，噴印字符完成后，清洗劑泵將清洗劑壓到噴頭對噴嘴進行清洗，同時冷卻空氣對噴嘴電磁閥進行冷卻，最后氣缸復(fù)位，等待下次啟動信號。 經(jīng)過以上分析，噴標(biāo)系統(tǒng)共有噴頭升降、冷卻空氣回路、清洗空氣回路、涂料回路、清洗劑回路等五個回路。氣路系統(tǒng)的設(shè)計原理圖如下圖3-19所示。 1） 噴頭升降回路 噴頭升降回路的氣動元件主要有缸徑80mm行程200mm的升降氣缸1、三位五通電磁閥2、消聲器3和三聯(lián)件4組成。用于完成噴頭上升和下降的動作。 2） 冷卻空氣回路 冷卻空氣回路的氣動元件有二聯(lián)件8、球閥9、球閥10、過濾器11。該回路從打開噴標(biāo)氣路的時候就開始需要不斷的輸出冷卻空氣，對噴頭的16個高速開關(guān)電磁閥進行冷卻，避免高速開關(guān)電磁閥在工作過程中過熱，導(dǎo)致電磁閥線圈燒壞。 3） 清洗空氣回路 清洗回路的氣動元件有二聯(lián)件12、二位二通電磁閥13.該回路用于在每次噴標(biāo)完成后將清洗劑用壓縮空氣打出噴嘴進行清洗，從而保證噴嘴的順暢，達到清洗的目的。 4） 涂料回路 涂料回路主要的氣動元件有壓力表