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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)展的一個重要支柱。本文根據(jù)國內(nèi)外鋼管生產(chǎn)線上噴標(biāo)系統(tǒng)的研究開發(fā)現(xiàn)狀，進(jìn)行了該項(xiàng)目的控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，并取得了成功。本課題的主要研究工作：
第一章：綜述鋼管的工藝生產(chǎn)流程及API國標(biāo)；說明國內(nèi)噴標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)研究現(xiàn)狀及存在的問題并闡述了開發(fā)噴標(biāo)系統(tǒng)的必要性；陳述課題來源和論文的主要工作和意義。
第二章：提出系統(tǒng)的設(shè)計要求；根據(jù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行立柱橫梁的設(shè)計，包括立柱橫梁的組成以及設(shè)計時應(yīng)注意的問題，重點(diǎn)論述了齒輪齒條的設(shè)計，最后給出機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計；
第三章：論述噴標(biāo)系統(tǒng)中立柱橫梁的設(shè)計組成；介紹了伺服系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)；給出了控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。
第四章：簡述了PLC編程的方式和S7400的特點(diǎn)；著重介紹了PLC程序的噴標(biāo)流程設(shè)計以及配電原理圖；簡單介紹了PLC程序設(shè)計的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：鋼管；噴標(biāo)；立柱橫梁；齒輪齒條；伺服系統(tǒng)；PLC
ABSTRACT
Pipe is a widely used industrial metal materials, development of the national economy is an important pillar. According to domestic and foreign steel tube production line jet standard system of research and development of the status quo, the project control systems and software systems design, and has achieved success. The main topic of this research:
Chapter 1: Summary of the pipe of the production process and the API GB; indicate the domestic jet Marking System Research and Development of the existing problems and described the development of standard systems spray the necessity of topics presented papers and the main source of work and significance.
Chapter 2: The system design requirements under the system structure spraying the composition of the standard system design, including the composition and work of system design process and they should pay attention to the problem, and give some of the mechanical structure design, and a brief overview of control The system design programme.
Chapter 3: The standard system in the post spray beams of the design; focuses on the design of gear and rack; introduced the Servo System technology, the control system features.
Chapter 4: briefed the PLC programming methods and S7400 features; PLC program focuses on the process of spraying standard schematic design and distribution; brief account of the PLC program design features.
Key words: steel pipes sprayed superscript column beams gear and rack servo system PLC
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 2
1.2 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)的必要性 3
1.3 課題的來源 4
1.4 論文的主要工作和意義 5
2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計 6
2.1 噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計要求 6
2.2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計 6
2.2.1 系統(tǒng)組成 6
2.2.2 工作過程 8
2.2.3 立柱橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
2.3本章小結(jié) 15
3 立柱橫梁的設(shè)計 16
3.1立柱橫梁的組成 16
3.1.1 機(jī)架概述 16
3.1.2 懸臂梁的設(shè)計 17
3.1.3 橫移機(jī)構(gòu)的設(shè)計 18
3.1.4 噴標(biāo)機(jī)的強(qiáng)度校核 18
3.2噴標(biāo)伺服系統(tǒng) 23
3.2.1伺服電機(jī) 23
3.2.2伺服電機(jī)的控制 24
4 PLC 程序設(shè)計 28
4.1 PLC 軟件及編程 28
4.2 S7-400 編程方式 28
4.3.1 PLC 噴標(biāo)流程設(shè)計 29
4.3.2 I/O 32
4.4 PLC程序設(shè)計特點(diǎn) 32
4.5 脈沖編碼器 32
總結(jié) 34
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
附錄 37
附錄1 37
附錄2 56
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，以163機(jī)組為例，熱軋鋼管生產(chǎn)流程如圖1－1 所示。
圖1-1 機(jī)組熱軋鋼管生產(chǎn)工藝流程
按照工藝流程，管坯進(jìn)入車間后按照工藝要求鋸成定尺長度，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。
根據(jù)GB2102-88 規(guī)定，外徑不小于36mm 的鋼管應(yīng)在每根鋼管一端的端部有噴印、滾印、鋼印或粘貼印記。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)號和供方印記或注冊商標(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（見表一所示）。
過去，大部分的鋼管廠家采用人工的方式進(jìn)行測量和標(biāo)記。人工測定鋼管的長度和重量，并把相關(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，這些方法存在測量精度低、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、字跡不清楚等缺點(diǎn)。
從上個世紀(jì)90 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，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。
表1－1 API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)摘錄
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)備功能強(qiáng)大，能噴各種各樣的字符甚至中文，設(shè)備采用了各種先進(jìn)技術(shù)，尤其是噴頭部分的設(shè)計。例如美國著名噴標(biāo)機(jī)公司Videojet、Marsh 以及英國Willet，丹麥Magnemag 公司、Infosight 公司的spray marking system。其中丹麥Magnemag 公司的噴標(biāo)機(jī)能滿足冶金企業(yè)的惡劣要求，已經(jīng)應(yīng)用在鞍鋼，酒鋼等鋼鐵公司，但是其價格昂貴，約為250萬人民幣，涂料每升約800 元。
過去國內(nèi)對噴標(biāo)系統(tǒng)的研究比較少，一般依靠進(jìn)口國外先進(jìn)設(shè)備。直到二十世紀(jì)九十年代才開始有少數(shù)機(jī)構(gòu)對鋼鐵行業(yè)的噴標(biāo)進(jìn)行研究。其中杭州鋼鐵公司的熱軋鋼坯噴標(biāo)機(jī)采用七段碼方式進(jìn)行噴標(biāo)。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號碼。圖1－2 為該系統(tǒng)使用的噴頭示意圖。
在噴頭結(jié)構(gòu)示意圖中，通向7 段“筆劃”的涂料管彼此連通，同時供應(yīng)涂料；而7 個壓縮空氣的噴嘴是獨(dú)立控制的，只有當(dāng)該段有壓縮空氣噴出時，涂料才會隨之流出而形成噴霧并在鋼坯上噴出筆劃。對7 個空氣噴嘴進(jìn)行組合控制即可噴出所需的號碼。七段碼方式噴號，噴頭的設(shè)計相對簡單，號碼的變換轉(zhuǎn)化為對7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，不需要更換字模，噴標(biāo)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是，與點(diǎn)陣式不同，在七段碼中，缺少筆劃將使號碼失去意義，因此必須保證每一筆劃的可靠噴射。這既要保證噴頭有良好的霧化和噴射的可靠性，也要對控制電路作出保證，必須增加工作狀態(tài)檢測。
同時，該噴標(biāo)系統(tǒng)也存在如下問題：在高熱環(huán)境下，涂料立即凝結(jié)在噴頭上，很快堵塞噴頭；涂料的霧化效果不好；不適合在曲面的鋼管上進(jìn)行噴標(biāo)。但是我們可以從中得到一些啟示：采用點(diǎn)陣式的噴頭，以點(diǎn)陣式形成字體的方式比較適合鋼管表面的噴標(biāo)；利用白色涂料作為噴標(biāo)介質(zhì)；利用壓縮空氣作為涂料噴射的動力。
圖1－2 噴頭結(jié)構(gòu)示意圖
1.2 鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)的必要性
現(xiàn)在國內(nèi)有近百家鋼管生產(chǎn)廠家，除了幾家最大型的鋼管公司具備雄厚的資金實(shí)力，能從國外引進(jìn)專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備，其他企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備都很落后。有一些公司自己組織技術(shù)力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)也研制出了一些產(chǎn)品，能在一定的程度上解決問題，但產(chǎn)品大體上存在以下一些問題：
（1）設(shè)備大都只能完成單一的任務(wù)，不能在自動生產(chǎn)線上和其他設(shè)備一起工作，使得生產(chǎn)效率依然低下，不能從根本上解決問題。
（2）產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)水平還停留在二十世紀(jì)八十年代的水平。由于這些產(chǎn)品大多是工廠自己組織力量開發(fā)研制的，技術(shù)水平達(dá)不到國外的最新發(fā)展動態(tài)；開發(fā)設(shè)備的精度低、可靠性差。以噴標(biāo)工位的噴頭為例，由于國內(nèi)的精加工技術(shù)、特種材料制造技術(shù)的落后，自行設(shè)計的噴頭可靠性差，直接影響生產(chǎn)。
（3）產(chǎn)品的穩(wěn)定性不夠。由于這些產(chǎn)品的主要控制部件采用了單片機(jī)控制，在鋼管生產(chǎn)的惡劣環(huán)境中，各種干擾使得系統(tǒng)的故障率極高。
（4）產(chǎn)品缺乏擴(kuò)展性。易擴(kuò)展性已成為現(xiàn)代產(chǎn)品的特征，缺乏擴(kuò)展性的產(chǎn)品將阻礙自動化的發(fā)展。
（5）滿足不了企業(yè)日益增長的企業(yè)管理功能。ERP、PDM 實(shí)現(xiàn)程度已經(jīng)成為企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。企業(yè)的質(zhì)量管理已經(jīng)成為現(xiàn)代制造企業(yè)的管理核心。每根鋼管都有一系列的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在鋼管的整個生命周期里都很重要。過去自行開發(fā)的系統(tǒng)只考慮到在生產(chǎn)中的功能，而忽略了在管理中的功能。
所有這些說明，開發(fā)研制高性能的噴標(biāo)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)鋼管生產(chǎn)線上的噴標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)具備的特點(diǎn)：
（1）系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)控制和智能的全分散化，各個設(shè)備是具有自治功能的智能主體，相互之間高內(nèi)聚、松耦合。某些局部協(xié)調(diào)通過PLC自治完成，而上位的監(jiān)控計算機(jī)實(shí)現(xiàn)大范圍的協(xié)調(diào)等高級控制功能。
（2）系統(tǒng)應(yīng)該具有高穩(wěn)定性、高可靠性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上滿足穩(wěn)定性和可靠性的要求。
（3）完善的計算機(jī)監(jiān)控功能。生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，不適宜工人在現(xiàn)場長時間的操作，因此要求在上位計算機(jī)上能夠監(jiān)控所有現(xiàn)場的運(yùn)行情況同時具有故障報警和自診斷功能，這樣只要在控制室里就能“看到”現(xiàn)場的一切動作。
（4）友好的人機(jī)界面。系統(tǒng)軟件具備圖像界面，可以把不同畫面，同時分別以多單元以并行方式實(shí)時顯示。要求能對生產(chǎn)情況進(jìn)行詳細(xì)的管理，包括：鋼管各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查詢、鋼管是否符合要求的判別、噴標(biāo)內(nèi)容實(shí)時動態(tài)跟蹤、報表的打印、以及操作人員管理等一系列的管理工作。
（5）系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。系統(tǒng)應(yīng)具有ERP接口，企業(yè)的信息化管理已經(jīng)成為企業(yè)發(fā)展必由之路，因此現(xiàn)在開發(fā)的系統(tǒng)要為以后企業(yè)的信息化管理提供方便。
（6）系統(tǒng)精度高和工作周期短。噴標(biāo)速度快，噴標(biāo)速度最高可以達(dá)到120m/min。
1.3 課題的來源
國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)幾年來持續(xù)不斷的技術(shù)改造和創(chuàng)新，使技術(shù)裝備始終保持在先進(jìn)水平。但是由于企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)號效率低，管理不便，制約質(zhì)量管理實(shí)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(hù)困難。
面對日益激烈的市場競爭，為適應(yīng)生產(chǎn)的需求，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)急需新的噴標(biāo)系統(tǒng)。
1.4 論文的主要工作和意義
鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)涉及到多學(xué)科，多專業(yè)，是集光、機(jī)、電、和計算機(jī)一體化的產(chǎn)品。本論文主要完成以下工作：
1、通過對鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀的分析，對鋼管噴標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計。
2、根據(jù)總體方案設(shè)計了以可編程序控制器為核心的控制系統(tǒng)。
3、根據(jù)對伺服電機(jī)的研究，設(shè)計了交流伺服電機(jī)驅(qū)動的噴標(biāo)系統(tǒng)。
4、通過對系統(tǒng)工作原理和PLC 的研究，進(jìn)行了PLC 程序設(shè)計。
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
（1）工作范圍 鋼管外徑：φ48（32）～φ246mm；鋼管重量：20Kg～1000Kg；鋼管長度：6m～15m；噴標(biāo)介質(zhì)：白色涂料；
（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 噴標(biāo)速度：0～120m/min；
（4）自動化要求 選擇好噴標(biāo)打標(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；采用視窗圖形作為人機(jī)交互界面；具有自動報警功能，急停功能，半自動、手動功能；噴標(biāo)數(shù)據(jù)保存并可上網(wǎng)；提供報表統(tǒng)計、查詢，出庫單打印等功能。
2.2 噴標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計
2.2.1 系統(tǒng)組成
噴標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2－1 所示，系統(tǒng)外形如圖2－2所示。系統(tǒng)的主要有以下幾個部分組成：
圖2－1 噴標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖
1、 機(jī)身；2、精密滾動導(dǎo)軌副；3、精密齒輪齒條副；4、噴標(biāo)頭；5、氣缸；6、滑板；7、小車；8、電、氣、液總導(dǎo)管；9、伺服電機(jī)；10、電氣控制箱；11、鋼管。
圖2－2 噴標(biāo)系統(tǒng)外形圖
（1）機(jī)身部分。機(jī)身包括立柱和橫梁部分，是整個設(shè)備的支撐。
（2）橫移機(jī)構(gòu)。橫移機(jī)構(gòu)由齒輪齒條傳動副、滑道、滾輪、伺服電機(jī)及其控制驅(qū)動部分、原點(diǎn)傳感器、安全極限位傳感器等組成。橫移機(jī)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(diǎn)，由原點(diǎn)傳感器決定，所有的其他位置都以原點(diǎn)為基準(zhǔn)。系統(tǒng)工作時，由伺服系統(tǒng)精確定位小車到達(dá)所需位置，在噴標(biāo)過程中，噴頭一邊沿鋼管軸向運(yùn)行，一邊完成噴標(biāo)工作。在橫梁的兩頭有安全保護(hù)：當(dāng)小車由于某些原因，到達(dá)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。
（3）噴頭升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)由氣缸、電磁閥、傳感器、氣路系統(tǒng)、直線滾珠導(dǎo)軌、手輪、手柄等組成。噴頭在不進(jìn)行噴標(biāo)時，處于上位，而在進(jìn)行噴標(biāo)時，噴頭下降到達(dá)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動作來完成。手輪和手柄則是用來調(diào)節(jié)噴頭的下降時的位置的。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約20～30mm，超出這個范圍，噴出來的字跡不能達(dá)到最佳狀態(tài)。因此當(dāng)換一批不同管徑的鋼管時，要靠手輪和手柄人工調(diào)整噴頭的最低位置。
（4）防撞機(jī)構(gòu)。防撞機(jī)構(gòu)分為側(cè)部防撞和底部防撞。底部防撞由四個接近開關(guān)組成，噴頭的任一角碰到障礙物，氣缸就立即帶動噴頭上升，并且小車停止運(yùn)動，發(fā)出報警信號。側(cè)部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(yùn)動，發(fā)出報警信號。由于噴頭是整個噴標(biāo)設(shè)備的核心部件，而且極為昂貴，所以要專門為它設(shè)計防撞設(shè)施。
（5）噴頭及其控制器。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)。
（6）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；另一是噴頭及控制器系統(tǒng)。
（7）控制系統(tǒng)。噴標(biāo)控制系統(tǒng)主要由上位計算機(jī)、PLC、脈沖發(fā)生單元、伺服放大器等。
2.2.2 工作過程
噴標(biāo)系統(tǒng)的工作方式可以分為復(fù)位方式、手動方式與自動方式三種：
（1） 復(fù)位方式 復(fù)位方式一般用在每次自動開始時，復(fù)位的目的是為系統(tǒng)中所有位置提供一個基準(zhǔn)原點(diǎn)。復(fù)位的過程如下：在手動方式下，把小車移至原點(diǎn)傳感器的前端，然后按復(fù)位按鈕，小車將自動往原點(diǎn)傳感器方向移動，等碰到傳感器后，電機(jī)再轉(zhuǎn)動一圈，伺服電機(jī)停止，復(fù)位完成。系統(tǒng)把這個位置記為原點(diǎn)值，接下來的運(yùn)動中，任何距離都以這個位置為基礎(chǔ)。
（2） 手動方式 手動方式一般用在系統(tǒng)調(diào)試階段或自動方式出現(xiàn)故障時。手動方式能完成噴標(biāo)系統(tǒng)的一切任務(wù)，包括：噴頭前進(jìn)、噴頭后退、噴頭上升、噴頭下降、開始噴標(biāo)、清洗、報警等。手動方式是不可缺少的一種工作方式。
（3） 自動方式 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)。典型的自動工作過程如下圖所示：
圖2－3 噴標(biāo)系統(tǒng)自動工作過程圖
2.2.3 立柱橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.2.3.1齒輪齒條的設(shè)計
1 齒輪傳動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)
齒輪機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的傳動機(jī)構(gòu)，用于傳遞空間任意兩軸或多軸之間的運(yùn)動和動力。
齒輪傳動主要優(yōu)點(diǎn)：傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準(zhǔn)確。
齒輪機(jī)構(gòu)主要缺點(diǎn)：制造及安裝精度要求高，價格較貴，不宜用于兩軸間距離較大的場合。
2 齒條的主要特點(diǎn)
1） 由于齒條齒廓為直線，所以齒廓上各點(diǎn)具有相同的壓力角，且等于齒廓的傾斜角，此角稱為齒形角，標(biāo)準(zhǔn)值為20°。
2） 與齒頂線平行的任一條直線上具有相同的齒距和模數(shù)。
3） 與齒頂線平行且齒厚等于齒槽寬的直線稱為分度線（中線），它是計算齒條尺寸的基準(zhǔn)線。
3 傳動的基本要求
在齒輪傳動機(jī)構(gòu)的研究、設(shè)計和生產(chǎn)中，一般要滿足以下兩個基本要求：
1.傳動平穩(wěn)--在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動及噪音盡量小。
2.承載能力大--在尺寸小、重量輕的前提下，要求輪齒的強(qiáng)度高、耐磨性好及壽命長。
4 齒輪傳動的潤滑具有特殊性
1）輪齒形成油楔的條件差；
2）嚙合齒面間壓力大，而且相對滑動的大小和方向變化大，齒輪常處于邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)；
3）每次嚙合都要重新建立油膜，潤滑是斷續(xù)的；
4）載荷大，摩擦熱也大，易使油溫上升，加速油膜的破壞；
5）齒輪的材料、熱處理、加工和裝配精度及齒面粗糙度等影響因素；
因此，齒輪傳動的合理潤滑設(shè)計是十分重要的。用于開式齒輪傳動的為開式工業(yè)齒輪油及潤滑脂。
開式齒輪油種類選擇：
開式齒輪油種類選擇
開式齒輪油種類
適用范圍
抗氧防銹開式齒輪油
工作平穩(wěn)的半封閉和開式傳動
極壓開式齒輪油
重載開式傳動sH>500MP/mm
劑稀釋開式齒輪油
重載開式傳動sH>500MP/mm2
開式齒輪油粘度選擇：
開式齒輪油粘度選擇
給油方法
推薦粘度（100°C）（mm2/s）
環(huán)境溫度（°C）
-15～17
5～38
22～48
油 浴
150～220
16～22
22～26
涂刷
熱
193～257
193～257
386～536
冷
22～26
32～41
193～257
手 涂
150～220*
22～26
32～41
開式齒輪傳動潤滑方式：開式齒輪傳動，因速度低，一般采用人工定期加潤滑油或潤滑脂。
2.2.3.2 齒輪齒條傳動副的設(shè)計要求
（一）材料選擇：
應(yīng)具備條件 ：
1）齒面具有足夠的硬度，以獲得較高的抗點(diǎn)蝕，抗磨粒磨損，抗膠合和抗塑性流動的能力；
2)在變載荷和沖擊載荷下有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度；
3)具有良好的加工和熱處理工藝性；
4)價格較低；
（二） 幾何計算：
模數(shù) m=3
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
頂隙
（三） 載荷計算：圓周力
徑向力
法向力
根據(jù)名義轉(zhuǎn)矩求得的 圓周力稱為名義圓周力。實(shí)際圓周力要比名義圓周力大。為此，用各種系數(shù)對名義圓周力進(jìn)行修正以考慮各種因素的影響，故實(shí)際圓周力為：
（四） 強(qiáng)度計算：在預(yù)定的使用期限內(nèi)，齒面不產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕的強(qiáng)度條件為：
齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算：
1.初步計算
轉(zhuǎn) 矩
齒寬系數(shù) 查表取=1.0
接觸疲勞極限 查圖取710MPa 580MPa
初步計算的的許用接觸應(yīng)力
值 查表取85
初步計算的小齒輪直徑 取
初步齒寬b
2.校核計算
圓周速度
精度等級 查表 選8級精度
齒數(shù)z和模數(shù)m 模數(shù)m=3 取
使用系數(shù) 查表取
動載系數(shù) 查表取
齒間載荷分配系數(shù) 先求
由此得
齒向載荷分布系數(shù) 查表
=1.38
載荷系數(shù)K
=3.28
彈性系數(shù) 查表取
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 查表取
接觸最小安全系數(shù)=1.05
總工作時間
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查表 則指數(shù)
原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確
接觸壽命系數(shù) 查圖
許用接觸應(yīng)力
驗(yàn)算
計算結(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， 尺寸調(diào)整后還應(yīng)在進(jìn)行驗(yàn)算
3.確定傳動主要尺寸
實(shí)際分度圓直徑d 因模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值時，齒數(shù)已重新確定，但未圓整，故分度圓直徑不會改變，即
中心距a
齒寬b
齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算：
重合度系數(shù)
齒間載荷分配系數(shù)
齒向載荷分布系數(shù)
載荷系數(shù)K
齒形系數(shù) 查圖
應(yīng)力修正系數(shù) 查圖
彎曲疲勞極限 查圖
彎曲最小安全系數(shù) 查表
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查表估計的范圍，得指數(shù)m=49.91
原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確
彎曲壽命系數(shù) 查圖
尺寸系數(shù) 查圖
許用彎曲應(yīng)力
驗(yàn)算
傳動無嚴(yán)重過載，故不作靜強(qiáng)度校核
（五） 加工工藝：齒面加工可以分為兩類方法：一成形法，用與被切齒輪槽形狀相符的成形刀具切出齒面，如銑齒，拉齒和成形磨齒等；二是展成法，齒輪刀具與工件按齒輪副的嚙合關(guān)系做展成運(yùn)動，工件齒面由刀具的切削刃包絡(luò)而成，如滾齒，插齒，剃齒和磨齒等，加工精度和生產(chǎn)率都較高，應(yīng)用十分廣泛。
2.3本章小結(jié)
本章提出了噴標(biāo)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，提出系統(tǒng)的設(shè)計要求；根據(jù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計，包括系統(tǒng)組成和工作過程以及設(shè)計時應(yīng)注意的問題，最后給出機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計。
3 立柱橫梁的設(shè)計
3.1立柱橫梁的組成
在機(jī)器（或儀器）中支承或容納零部件的零件稱為機(jī)架，是機(jī)座、床身、殼體、箱體及基礎(chǔ)平臺的統(tǒng)稱。機(jī)架是各種機(jī)器中重要的零件之一。
3.1.1 機(jī)架概述
3.1.1.1機(jī)架的主要功能：
1）對機(jī)器中的零部件起容納、支承的作用
如變速器箱體支持其中的軸承、軸、傳動零件，使它們保持一定的相對位置。
2）安全保護(hù)和密封作用
保護(hù)內(nèi)部零件不受外界塵土、異物、腐蝕性氣體液體的侵害；防止內(nèi)部氣體、液體外泄。
3）對比較復(fù)雜的機(jī)械，保證密切相關(guān)的部件間相對位置，與利于加工、裝配、調(diào)整和維修。
3.1.1.2 機(jī)架設(shè)計的原則
機(jī)架多數(shù)處于復(fù)雜的受載狀態(tài)，外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而機(jī)架的設(shè)計應(yīng)針對具體情況進(jìn)行分析，以便滿足不同的要求。一般而言，機(jī)架的設(shè)計主要應(yīng)保證剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，同時，還應(yīng)滿足形狀簡單，便于制造、截面形狀合理和肋板布置恰當(dāng)?shù)囊蟆?
1）剛度 評定大多數(shù)機(jī)架工作能力的主要準(zhǔn)則是剛度，例如金屬切削機(jī)床及其它要求精確運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器機(jī)架，以滿足剛度條件為主。
2）強(qiáng)度 強(qiáng)度是評定重載機(jī)架工作性能的基本準(zhǔn)則。如鍛壓機(jī)床、沖剪機(jī)床等機(jī)器，以滿足強(qiáng)度條件為主。
3）穩(wěn)定性 機(jī)架受壓結(jié)構(gòu)及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問題。有些構(gòu)件制成薄壁腹式也存在局部失穩(wěn)。穩(wěn)定性是保證機(jī)架正常工作的基本條件，必須加以校核。
4）形狀簡單，便于制造 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)架的加工。
5）便于在機(jī)架上安裝附件 機(jī)架的結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便處理和更換零部件。
6）良好的耐磨性 有導(dǎo)軌的機(jī)架，要求導(dǎo)軌面受力合理、耐磨性良好，以保證機(jī)架有足夠的使用壽命。
另外，在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架還應(yīng)滿足重量輕、成本低、抗振性好、噪聲小、溫度場分布合理、熱變形對精度影響小和造型好的要求。
3.1.2 懸臂梁的設(shè)計
懸臂梁與立柱相接是整個設(shè)備的主體部分，并且橫移機(jī)構(gòu)在懸臂梁上往返運(yùn)動，其結(jié)構(gòu)形式與加工方法直接影響噴頭與鋼管表面的噴印距離，所以懸臂梁的設(shè)計在整個系統(tǒng)中顯得尤為重要。
3.1.2.1懸臂梁的影響因素
在懸臂梁的設(shè)計中必須要考慮到溫度差異引起的伸縮變形、加工中的應(yīng)力引起的變形、撓度和應(yīng)力變化。
l)溫度差異的影響:由于懸臂梁一端是自由端，而且與立柱的聯(lián)接的一端采用的是鉸制螺栓聯(lián)接，所以溫度的差異可以不計算在內(nèi)。
2)應(yīng)力的影響:由于導(dǎo)軌對于橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)動是否平穩(wěn)有著很大的影響，因此需要對導(dǎo)軌進(jìn)行精加工。為了消除由于內(nèi)應(yīng)力而引起的懸臂梁變形，必須進(jìn)行熱處理。
3)撓度的影響:懸臂梁比較長，而且自重比較大，當(dāng)橫移機(jī)構(gòu)在懸臂梁的自由端時，懸臂梁產(chǎn)生撓度變形最大，會直接影響到噴頭到鋼管表面的噴印距離。
4)機(jī)械極限位置:由于橫移機(jī)構(gòu)的速度很快，為了確保設(shè)備安全，以防出現(xiàn)誤動作時橫移機(jī)構(gòu)脫離懸臂梁的危險，特別在懸臂梁兩端除了設(shè)計有電氣保護(hù)之外還特別設(shè)有機(jī)械極限擋板。
3.1.2.2、懸臂梁結(jié)構(gòu)的確定
懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使用型鋼結(jié)構(gòu)也可以使用箱形結(jié)構(gòu)，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們在設(shè)計時采用了二者相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式。
型鋼結(jié)構(gòu):型鋼存在方鋼、槽鋼、工字鋼等形式。型鋼的優(yōu)點(diǎn)是一次性成材，具有良好的直線度，采購方便。缺點(diǎn)是若采用一種形式的型鋼作為噴標(biāo)機(jī)橫梁，在其結(jié)構(gòu)上很難實(shí)現(xiàn)與噴標(biāo)機(jī)其他部分的連接;噴標(biāo)機(jī)懸臂梁要求有良好的剛性，但型鋼只能通過增大型號實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果是增加懸臂梁自重，從而增加了懸臂梁的撓度，無法優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
箱形結(jié)構(gòu):箱形結(jié)構(gòu)主要由板材焊接而成。箱形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，減少設(shè)備重量。缺點(diǎn)是焊接過程的存在使得橫梁產(chǎn)生彎曲、扭曲等變形及較大的內(nèi)應(yīng)力。
為使得橫梁具有較好的直線度、變形量小及良好的連接性能，噴標(biāo)機(jī)橫梁截面結(jié)構(gòu)形式設(shè)計成組合結(jié)構(gòu)。橫梁以工字鋼為主體，方鋼為附梁，上下排列連接而成。
3.1.2.3懸臂梁與立柱的聯(lián)接
懸臂梁與立柱的連接有兩種方式:相對偏置聯(lián)接和無偏置聯(lián)接。采用了相對偏置聯(lián)接可以將橫移機(jī)構(gòu)的原始位置提前，減小了懸臂梁的長度，降低了懸臂梁的撓度變形。
3.1.3 橫移機(jī)構(gòu)的設(shè)計
橫移機(jī)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(jī)等。
橫移機(jī)構(gòu)通過連接在伺服電機(jī)主軸上的齒輪與橫梁上的齒條嚙合，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動整個橫移機(jī)構(gòu)的移動。同時，導(dǎo)軌副移動件沿橫梁導(dǎo)軌運(yùn)動，限制了橫移機(jī)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(jī)構(gòu)只能沿著鋼管軸向運(yùn)動。
3.1.4 噴標(biāo)機(jī)的強(qiáng)度校核
在機(jī)械設(shè)計時很多影響設(shè)計質(zhì)量的因素都要考慮到，例如，立柱的壓桿穩(wěn)定分析，懸臂梁的撓度校核、應(yīng)力校核等。噴標(biāo)機(jī)立柱的高度與截面面積的比值較大，因此立柱的壓桿穩(wěn)定性是能夠滿足的，在此就不進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核了。由于噴標(biāo)機(jī)噴頭距鋼管表面的距離要滿足最佳噴印距離的要求，因此對于懸臂梁撓度的校核是最主要的，橫移機(jī)構(gòu)在撓度最大的地方要滿足噴頭到鋼管距離為10mm~20mm的要求。
3.1.4.1 強(qiáng)度校核
根據(jù)噴標(biāo)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將懸臂梁的受力簡化成一端固定，一端懸臂的情況。懸臂梁自重看作是均勻載荷q，而橫移機(jī)構(gòu)看作是集中載荷P，P距懸臂梁固定端的距離為a，由于橫移機(jī)構(gòu)有機(jī)械極限位置，所以a的最大值為5.5m，而x是任意截面到懸臂梁固定端的距離，L是噴標(biāo)機(jī)的懸臂長度。懸臂梁截面圖如圖3-1所示，受力分析圖如圖3-1所示:
圖3-1 懸梁壁截面圖
圖3-2 懸梁壁受力分析圖
懸臂梁的固定端約束了端截面的移動和轉(zhuǎn)動，故有垂直反力凡和反作用力偶M。由平衡方程， 求得
當(dāng)時，剪力Q與彎矩M為
(1)
當(dāng)時，剪力Q與彎矩M為
(2)
由上面(1)、(2)式可以得知，在時，剪力與彎矩比較大，因此在此只校核當(dāng)時的應(yīng)力。由(1)式可以看出，當(dāng)a最大、x最小時，彎矩M最大。通過上面(1)、(2)可知x=O處剪力最大，為13.6KN，橫移機(jī)構(gòu)位置在時x處彎矩最大，為42。
經(jīng)過計算可以得到，懸臂梁的形心軸(如圖3-4)的位置參數(shù): =371.82mm，22=416.18mm，截面相對于形心軸的慣性矩為I=2050352127 ，如圖3一4所示。在彎矩最大的截面上，最大壓應(yīng)力發(fā)生于下邊緣各點(diǎn)，即
(3)
最大拉應(yīng)力發(fā)生于上邊緣各點(diǎn)，即
(4)
由式(3)、(4)可見，最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力均未超過許用應(yīng)力，強(qiáng)度條件是允許的。
3.1.4.2 撓性計算
在彎曲變形很小，且材料服從胡克定律的情況下，撓曲線的微分方程是線性的，在小變形的前提下，計算彎矩時用梁變形前的位置，彎矩與載荷的關(guān)系也是線性的。因此，在P和q聯(lián)合作用下的撓度f可以認(rèn)為是兩個載荷單獨(dú)作用下的撓度幾和幾的代數(shù)和。
1）均布載荷q單獨(dú)作用
載荷q在任意橫截面上的彎矩為
載荷q所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為 (5)
載荷q所產(chǎn)生的撓性為
(6)
載荷q在B點(diǎn)產(chǎn)生的撓度與轉(zhuǎn)角均為。，帶入(5)、(6)式可知
2）集中載荷P單獨(dú)作用
由圖3一5可以看出當(dāng)時，移動集中載荷P所產(chǎn)生的撓度計算如下:
載荷P在任意截面上的彎矩為
載荷P產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為 (7)
載荷P產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為
(8)
載荷P在B點(diǎn)產(chǎn)生的撓度與轉(zhuǎn)角均為0,帶入（7），（8）可知
（9）
由式(9)可以知道，當(dāng)截面位置二不變，時，最大，所以
3) 懸臂梁撓度是二者撓度疊加而成
所以
由上式可知，
其中：q——懸臂梁均布載荷，2145.22N/m;
P——橫移機(jī)構(gòu)重量，686N；
E——懸臂梁橫截面彈性模量，21OGPa;
I——懸臂梁慣性矩，2050352127 ;
L——懸臂部分的長度，6m;
四 穩(wěn)定性計算
1）軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性驗(yàn)算公式：
式中 A：構(gòu)件的毛截面面積，
N：計算軸向壓力，N
：根據(jù)結(jié)構(gòu)件的最大長細(xì)比或最大的換算長細(xì)比選取的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)
當(dāng)鋼材的屈服點(diǎn)高于350時，可近似用構(gòu)件的假想長細(xì)比，按16Mn鋼選取。的計算公式是：
五 結(jié)構(gòu)件長細(xì)比的計算
1）結(jié)構(gòu)件的長細(xì)比公式：
式中 --結(jié)構(gòu)件的計算長度，mm；
--結(jié)構(gòu)毛截面對某軸的回轉(zhuǎn)半徑，mm，
--結(jié)構(gòu)件的許用長細(xì)比；
3.2噴標(biāo)伺服系統(tǒng)
3.2.1伺服電機(jī)
根據(jù)動力、速度 、環(huán)境要求、 定位精度 、經(jīng)濟(jì)性等要求選擇交流伺服電機(jī)
3.2.1.1慣量匹配
由于伺服電機(jī)的運(yùn)行性能依賴于負(fù)載和電機(jī)慣量的匹配，為了滿足系統(tǒng)靈敏性和穩(wěn)定性的要求，負(fù)載慣量應(yīng)限制在電機(jī)慣量的15倍之內(nèi)。等效轉(zhuǎn)動慣量算法如下：
式中 ——各種轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量
——各轉(zhuǎn)動件角速度
——各移動件的速度
——伺服電機(jī)的角速度
——電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量
因此負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量比：
本系統(tǒng)中伺服電機(jī)通過齒輪（模數(shù)為3，齒數(shù)為20），齒條帶動噴標(biāo)小車作直線移動，移動質(zhì)量為70，代入式（1）計算出折換到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為
從而算出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為
3.2.1.2電機(jī)選擇
在本系統(tǒng)中噴印速度需達(dá)到80m/min時電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到430rpm。根據(jù)工作實(shí)際要求，我們選擇三菱中慣量的HC-SFS-121的伺服電機(jī)，其轉(zhuǎn)動慣量為。伺服放大器選用MR-JS-200A系列。速度頻率響應(yīng)達(dá)到550HZ以上。非常適合用于高速定位的場合；采用高分辨率編碼器131072p/rev(17bit)提高反饋精度及低速穩(wěn)定性。伺服電機(jī)在接線方面跟以往電機(jī)具有互換性，采用以對編碼器方式為標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.2伺服電機(jī)的控制
伺服電機(jī)的運(yùn)行性能不僅依賴于所帶的負(fù)載，而且跟控制方式，控制脈沖密切相關(guān)。MR-JS-200A伺服放大器提供了位置控制模式，速度模式，轉(zhuǎn)矩模式，位置/速度，位置/轉(zhuǎn)矩，速度/轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行模式。噴標(biāo)機(jī)的主要任務(wù)是定位噴標(biāo)位置，達(dá)到規(guī)定的精度要求。因此我們設(shè)定位置控制模式來控制伺服電機(jī)。
1）位置控制原理
位置控制模式就是控制電機(jī)在橫梁上實(shí)現(xiàn)橫向定位。MR-J2S-200A系列帶有絕對位置旋轉(zhuǎn)編碼器，可作為系統(tǒng)的位置反饋信號，以控制器發(fā)出的脈沖數(shù)作為基準(zhǔn)值，而旋轉(zhuǎn)編碼器反饋回來的是實(shí)際值，這兩者之間存在的差值即為位置誤差Pe。用位置誤差和位置環(huán)補(bǔ)償?shù)某朔e作為速度命令輸出。這種控制能夠保證定位誤差接近于0。位置控制一般由位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)三個環(huán)組成。
2）電流環(huán)控制
電流環(huán)通過輸入電流I控制電樞電流，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為
（3）
式中：為轉(zhuǎn)矩常量。
由（3）可知，通過對電樞電流的控制，就可以間接控制轉(zhuǎn)矩，從而控制電機(jī)速度。
3）速度環(huán)控制
速度環(huán)的控制框圖如圖3-3所示
圖3-3 速度環(huán)控制圖框
其中
Tm--速度環(huán)的等效時間常數(shù)。
為了消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，采用了PI調(diào)節(jié)控制規(guī)律。PI控制器的傳遞函數(shù)為：
（4）
實(shí)際中為了計算簡化和提高精度，控制算法采用了增量式PI算法。算法如下：
（5）
式中：速度積分補(bǔ)償，T為采樣周期，Kv和根據(jù)系統(tǒng)調(diào)速精度確定后調(diào)試得到。
Kv-速度環(huán)增益，它決定速度環(huán)的響應(yīng)速度。調(diào)大VG2可以提高響應(yīng)速度，然而設(shè)定值過大容易導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)振動，產(chǎn)生噪音。根據(jù)調(diào)速要求和不產(chǎn)生機(jī)械振動，噪聲，經(jīng)調(diào)試確定采樣周期T為1s。
Ti-積分時間常數(shù)，其設(shè)定值太大會降低響應(yīng)速度，在負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量比較大或機(jī)械系統(tǒng)中有振動因素的場合，如果這個值設(shè)定能過的過小，機(jī)械系統(tǒng)也會發(fā)生振動。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)積累，參數(shù)的計算如式（6）所示。
（6）
計算出Ti結(jié)果大于45.7ms-68.55ms。
（4）位置環(huán)控制
由于速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，且位置環(huán)截至頻率遠(yuǎn)小于速度環(huán)各時間常數(shù)的倒角，因此速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可近似等效為一階慣性環(huán)節(jié)。簡化后，數(shù)字式位置控制等效傳遞函數(shù)為
（7）
式中，Kp為位置環(huán)增益，他決定了位置環(huán)的響應(yīng)速度，增大它可以改善對位置指令的跟隨性能，但是過大容易產(chǎn)生超調(diào)。理論上設(shè)定值可以根據(jù)式（8）設(shè)定。
（8）
（5）位置控制模式中的加減速控制
當(dāng)伺服電機(jī)帶動負(fù)載從一點(diǎn)運(yùn)動到另一點(diǎn)時，為了保證運(yùn)動的平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位，在起動和停止時要進(jìn)行加減速控制。
本系統(tǒng)的位置控制模式中，為了保證每次噴印距離的準(zhǔn)確性，采用了伺服電機(jī)的位置斜坡功能，對位置指令加減速時間常數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，控制伺服電機(jī)的起調(diào)時間。通過此功能使同步編碼器發(fā)出指令后，即使是在伺服電機(jī)處于運(yùn)行時啟動，同步運(yùn)行也可以平穩(wěn)的開始。還由于采用閉環(huán)控制，編碼器隨時可以檢測脈沖的差值，返回到輸入端，參與系統(tǒng)的控制，使定位準(zhǔn)確，精度高。位置指令采用階躍輸入時的運(yùn)行圖如圖3-4所示。
圖3-4 位置指令改變時運(yùn)行圖
因?yàn)樗俣拳h(huán)采用PI控制可以使電機(jī)在位置指令發(fā)生很大變化，位置誤差變化大導(dǎo)致速度指令發(fā)生很大變化時，也能夠在起動，停止時平穩(wěn)的加減速，使系統(tǒng)運(yùn)動平穩(wěn)。伺服電機(jī)速度曲線圖如圖3-5所示。
圖3-5 速度曲線圖
為了保證每次噴印距離不變，不產(chǎn)生累積誤差，系統(tǒng)采用了原點(diǎn)定位的功能，在每次開機(jī)工作時需要進(jìn)行一次原點(diǎn)定位，保證了每批鋼管的噴標(biāo)位置一樣。根據(jù)所設(shè)的位置控制原理，電機(jī)在碰到原點(diǎn)定位的傳感器后，減速運(yùn)行，等待PLC檢測到編碼器返回的零點(diǎn)脈沖，在轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)第二次檢測到這個脈沖后，在原點(diǎn)停止，定位成功。然后開始噴印循環(huán)操作。
4 PLC 程序設(shè)計
4.1 PLC 軟件及編程
PLC 軟件包括系統(tǒng)程序和用戶程序，系統(tǒng)程序用戶不能修改，用戶程序則由用戶根據(jù)控制對象的要求進(jìn)行編制。
PLC 程序設(shè)計語言的標(biāo)準(zhǔn)由國際電工委員會（IEC）提出IEC1131-3，指定了PLC 程序設(shè)計的語法和語義。該標(biāo)準(zhǔn)定義了如下幾種PLC 程序設(shè)計語言。
1） 指令列表（Instruction list）
2） 結(jié)構(gòu)文本ST（Structured Text）
3） 功能塊語言FBD（Function Block Diagram）
4） 梯形圖LD（Ladder Diagram）
5） 順序功能圖SFC（Sequential Function Chart）
這幾種語言中，梯形圖應(yīng)用的最為廣泛，因?yàn)樗饶鼙磉_(dá)電氣工程師熟悉的繼電器控制線路又能表達(dá)各種特殊功能，包括算術(shù)運(yùn)算，數(shù)據(jù)傳送通訊，中斷，I/O，DRAM 刷新，子程序的調(diào)用，堆棧操作，表格操作等。除梯形圖外還有用于超小型可編程控制器使用的布爾代數(shù)，但它只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算和少數(shù)表達(dá)功能。順序功能圖是專為順序控制而設(shè)計的，便于模塊化編程并縮短了程序掃描時間，其應(yīng)用也越來越多。而隨著PLC 的發(fā)展，有些中、高檔編程器也采用BASIC，PASCAL，C 語言等。
4.2 S7-400 編程方式
S7-400PLC 使用STEP7 編程。STEP7 用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)。這樣，PLC 的程序組織明確，結(jié)構(gòu)清晰，易于修改。通常，用戶程序由組織塊(OB)、功能塊（FB）、功能（FC）、數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中，OB 是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的執(zhí)行。每個S7CPU 包含一套可編程的OB 塊，不同的OB 塊執(zhí)行不同的功能。OB1 是主程序循環(huán)塊，控制各個功能的循環(huán)執(zhí)行，調(diào)用為了實(shí)現(xiàn)控制功能而編寫的功能FC、功能塊FB。
功能塊FB 實(shí)際上是用戶子程序，是由一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與該功能的參數(shù)表完全相同的數(shù)據(jù)塊DB 構(gòu)成，該DB 是背景數(shù)據(jù)塊，存放在背景數(shù)據(jù)塊中，數(shù)據(jù)在FB結(jié)束后繼續(xù)保持。功能FC 包含經(jīng)常使用的例行程序，是無存儲區(qū)的邏輯塊，F(xiàn)C的臨時變量存儲在局部數(shù)據(jù)堆棧中。
數(shù)據(jù)塊DB 是用戶定義的用于存儲數(shù)據(jù)的存儲區(qū)，也可以被打開或關(guān)閉。DB可以是屬于某個FB 的背景數(shù)據(jù)也可以是屬于通用的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，用于FB 或FC。4.3 PLC 程序設(shè)計
由于整個控制軟件涉及多個控制器，多種通訊協(xié)議，多個工位并行工作，因此單獨(dú)靠PLC 或單獨(dú)靠上位機(jī)監(jiān)控程序無法協(xié)調(diào)所有設(shè)備安全順利的工作。整個控制程序要由幾個部分相互配合，統(tǒng)一協(xié)調(diào)。PLC 控制實(shí)現(xiàn)測長、打標(biāo)、涂色、噴標(biāo)和步進(jìn)梁的工作；上位機(jī)監(jiān)控程序則讀取測長光電管狀態(tài)和編碼器數(shù)值來計算鋼管長度，讀取鋼管重量，并將噴標(biāo)和打標(biāo)的字符發(fā)送到噴標(biāo)控制器和打標(biāo)控制器。若上位機(jī)監(jiān)控程序和PLC 協(xié)調(diào)不好，就可能會引起數(shù)據(jù)與實(shí)際鋼管錯位，噴標(biāo)信息或打標(biāo)信息不能正常發(fā)送，最后導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰，給用戶造成重大損失。為了解決這個問題，使MWBPS 系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地工作，系統(tǒng)軟件要求上位機(jī)監(jiān)控程序和PLC 之間確保同步執(zhí)行，通過某種通訊協(xié)議來協(xié)調(diào)。通訊協(xié)議主要有三次等待和三次通訊。介紹一下系統(tǒng)的工作流程：
1） 點(diǎn)擊自動按鈕，PLC 進(jìn)行系統(tǒng)自檢，PLC 與上位機(jī)監(jiān)控程序先進(jìn)行握手通訊，PLC 將握手信號置為1，并進(jìn)入等待三。上位機(jī)開始對稱重儀表、打標(biāo)控制器和噴標(biāo)控制器進(jìn)行通訊檢測。當(dāng)上位機(jī)確認(rèn)通訊成功以后，將握手信號清為0。
2） PLC 檢測到握手信號為0 后，退出等待三，開始測長、打標(biāo)、涂色、噴標(biāo)工作。測長、打標(biāo)、涂色和噴標(biāo)工位都正確完成后，將各工位完成信號置為1，并進(jìn)入等待二。
3） 上位機(jī)讀到各工位完成信號為1 后，開始計算鋼管長度，讀取稱重工位重量。上位機(jī)完成這些工作后，將各工位完成信號清0。PLC 讀到信號為0后，退出等待二，開始移動步進(jìn)梁，置位等待一。當(dāng)步進(jìn)梁離開原點(diǎn)后PLC 置位鋼管（數(shù)據(jù)）移位狀態(tài)。
4） 在鋼管（數(shù)據(jù)）移位狀態(tài)內(nèi)，上位機(jī)也將鋼管信息移一個位。當(dāng)步進(jìn)梁將鋼管從一個工位移到下一個工位后PLC 置位循環(huán)準(zhǔn)備信號。上位機(jī)讀到循環(huán)準(zhǔn)備信號為1 后，將需要噴標(biāo)和打標(biāo)的信息分別發(fā)送過去，發(fā)送成功后復(fù)位循環(huán)準(zhǔn)備。
5） PLC 讀到循環(huán)準(zhǔn)備信號為0 后退出等待一和鋼管移位狀態(tài)，開始下一輪循環(huán)，進(jìn)行測長、稱重、打標(biāo)、涂色和噴標(biāo)。
4.3.1 PLC 噴標(biāo)流程設(shè)計
噴標(biāo)工位要求噴標(biāo)速度快、平穩(wěn)以及精度高，因此采用伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)噴標(biāo)定位，因此采用伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)噴標(biāo)定位，達(dá)到了相應(yīng)的精度。并且應(yīng)用方便，調(diào)試簡單，只需在伺服放大器上調(diào)節(jié)參數(shù)就可以完成各種功能。伺服系統(tǒng)的速度及方向由外部脈沖發(fā)生器來決定。選用西門子S7 系列的定位模塊FM453 來控制伺服電機(jī)的定位。它主要有以下功能：
（1） 模式控制：提供手動、自動、參考點(diǎn)模式、增量等模型控制。應(yīng)用時需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，可以通過FM453 的監(jiān)控界面來設(shè)置。
（2） 定位：實(shí)現(xiàn)了軸的精確定位，能夠從簡單的點(diǎn)到點(diǎn)定位到復(fù)雜的模型加工。
（3） 數(shù)字輸入與輸出：包括4 個數(shù)字量輸入和4 個數(shù)字量輸出。噴標(biāo)系統(tǒng)中采用2 個輸入作為電機(jī)參考點(diǎn)模式下原點(diǎn)定位用的原點(diǎn)開關(guān)和原點(diǎn)返回開關(guān)。
（4） 軟件限位開關(guān)：可以在軟件中設(shè)置電機(jī)的最大行程來限制電機(jī)的運(yùn)動。
（5） 過程中斷。
（6） 錯誤診斷：通過調(diào)用FC 函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對FM453 內(nèi)部錯誤、外部錯誤和外部通道錯誤的診斷。
（7） 數(shù)據(jù)存儲：通過調(diào)用FC 函數(shù)，對FM453 進(jìn)行讀寫請求、執(zhí)行模式控制（控制和反饋信號）。
前章已經(jīng)提及可以通過電子齒輪比的設(shè)定來協(xié)調(diào)電機(jī)脈沖反饋當(dāng)量和脈沖和指令脈沖當(dāng)量。噴標(biāo)系統(tǒng)中指令脈沖是由FM453 來發(fā)出，F(xiàn)M453 模塊其內(nèi)部也需要設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量和電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖反饋量，它的設(shè)置應(yīng)該跟伺服放大器里面的設(shè)置如電子齒輪比和電機(jī)脈沖反饋量相一致，否則就會出現(xiàn)通過讀取FM453 內(nèi)部存儲器存儲的所謂的實(shí)際位置跟電機(jī)的實(shí)際位置相差很大，從而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。FM453 模塊還可以設(shè)置加減速來實(shí)現(xiàn)對位置指令的跟隨程度。噴標(biāo)系統(tǒng)在進(jìn)入自動工作狀態(tài)前，一定要先進(jìn)行原點(diǎn)定位，滿足FM453 進(jìn)入自動工作狀態(tài)的條件，否則FM453 不能正常工作，產(chǎn)生錯誤。噴標(biāo)系統(tǒng)的工作步驟如下：FM453 檢測滿足進(jìn)入自動工作狀態(tài)條件后，PLC 檢測到鋼管到位且需要噴印，氣缸下降到下限位，啟動電機(jī)運(yùn)動，在設(shè)置位置處發(fā)噴標(biāo)開始信號給噴標(biāo)控制器，開始噴標(biāo)，到達(dá)終點(diǎn)，噴頭上升至觸發(fā)上限位傳感器后進(jìn)行清洗，清洗完畢，置位噴標(biāo)完成，并退出程序。同樣的，若噴標(biāo)工位沒有鋼管，則PLC直接認(rèn)為噴標(biāo)完成；若該鋼管認(rèn)為是壞管，不需要噴印，也直接認(rèn)為噴標(biāo)完成。圖4－1 是PLC 自動噴標(biāo)的流程圖。
圖4－1 PLC自動噴標(biāo)的流程圖
4.3.2 I/O
噴標(biāo)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率要求高，平均12秒過一根管，其中包括小車初始化、原點(diǎn)判斷及噴印標(biāo)記完成時間，要求PLC輸入輸出模塊的響應(yīng)時間要短。根據(jù)現(xiàn)場傳感器的個數(shù)、電機(jī)，、變頻器、交流伺服電機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)、氣路系統(tǒng)電磁閥控制點(diǎn)數(shù)以及為系統(tǒng)預(yù)留20%的輸出點(diǎn)數(shù)的原則進(jìn)行計算，共需I/O點(diǎn)數(shù)50點(diǎn)。其中包括有無管判斷、小車原點(diǎn)判斷、噴頭控制器、噴頭下降時間判斷、噴頭受阻判斷、報警、初始狀態(tài)判斷、正向噴標(biāo)信號、反向噴標(biāo)信號、噴頭清洗信號、伺服電機(jī)控制、變頻器控制、電磁閥等
4.4 PLC程序設(shè)計特點(diǎn)
PLC 程序的模塊化設(shè)計提高了