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油气输送钢管无损检测技术标准比较与现状分析
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机械毕业设计688钢管自动喷标系统设备之立柱横梁设计.doc
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摘要钢管是一种用途广泛的工业金属材料，也是国民经济发展的一个重要支柱。本文根据国内外钢管生产线上喷标系统的研究开发现状，进行了该项目的控制系统和软件系统的设计，并取得了成功。本课题的主要研究工作第一章综述钢管的工艺生产流程及API国标说明国内喷标系统的开发研究现状及存在的问题并阐述了开发喷标系统的必要性陈述课题来源和论文的主要工作和意义。第二章提出系统的设计要求根据系统的组成结构进行立柱横梁的设计，包括立柱横梁的组成以及设计时应注意的问题，重点论述了齿轮齿条的设计，最后给出机械结构部分的设计第三章论述喷标系统中立柱横梁的设计组成介绍了伺服系统的相关技术给出了控制系统的特点。第四章简述了PLC编程的方式和S7400的特点着重介绍了PLC程序的喷标流程设计以及配电原理图简单介绍了PLC程序设计的特点。关键词钢管喷标立柱横梁齿轮齿条伺服系统PLCABSTRACTPipeisawidelyusedindustrialmetalmaterials,developmentofthenationaleconomyisanimportantpillar.Accordingtodomesticandforeignsteeltubeproductionlinejetstandardsystemofresearchanddevelopmentofthestatusquo,theprojectcontrolsystemsandsoftwaresystemsdesign,andhasachievedsuccess.ThemaintopicofthisresearchChapter1SummaryofthepipeoftheproductionprocessandtheAPIGB;indicatethedomesticjetMarkingSystemResearchandDevelopmentoftheexistingproblemsanddescribedthedevelopmentofstandardsystemsspraythenecessityoftopicspresentedpapersandthemainsourceofworkandsignificance.Chapter2Thesystemdesignrequirementsunderthesystemstructuresprayingthecompositionofthestandardsystemdesign,includingthecompositionandworkofsystemdesignprocessandtheyshouldpayattentiontotheproblem,andgivesomeofthemechanicalstructuredesign,andabriefoverviewofcontrolThesystemdesignprogramme.Chapter3ThestandardsysteminthepostsfocusesonthintroducedtheServoSystemtechnology,thecontrolsystemfeatures.Chapter4briefedthePLCprogrammingmethodsandS7400PLCprogramfocusesontheprocessofsprayingstandardschematicdbriefaccountofthePLCprogramdesignfeatures.KeywordssteelpipessprayedsuperscriptcolumnbeamsgearandrackservosystemPLC目录1绪论............................................................................................................................11.1钢管喷标系统的开发现状................................................................................11.1.1引言.............................................................................................................11.1.2喷标系统的开发现状.................................................................................21.2钢管喷标系统开发的必要性............................................................................31.3课题的来源........................................................................................................41.4论文的主要工作和意义....................................................................................52喷标系统总体设计....................................................................................................62.1喷标系统设计要求............................................................................................62.2喷标系统总体设计............................................................................................62.2.1系统组成.....................................................................................................62.2.2工作过程.....................................................................................................82.2.3立柱横梁结构设计.....................................................................................82.3本章小结...........................................................................................................153立柱横梁的设计...................................................................................................163.1立柱横梁的组成...............................................................................................163.1.1机架概述.................................................................................................163.1.2悬臂梁的设计.........................................................................................173.1.3横移机构的设计.....................................................................................183.1.4喷标机的强度校核.................................................................................183.2喷标伺服系统...................................................................................................233.2.1伺服电机....................................................................................................233.2.2伺服电机的控制........................................................................................244PLC程序设计.........................................................................................................284.1PLC软件及编程..............................................................................................284.2S7400编程方式............................................................................................284.3.1PLC喷标流程设计...................................................................................294.3.2I/O...........................................................................................................324.4PLC程序设计特点...........................................................................................324.5脉冲编码器....................................................................................................32总结.............................................................................................................................34致谢.............................................................................................................................35参考文献.....................................................................................................................36附录................................................................................................错误未定义书签。附录1.........................................................................................错误未定义书签。附录2.........................................................................................错误未定义书签。11绪论1.1钢管喷标系统的开发现状1.1.1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，生产设备也很庞大，以163机组为例，热轧钢管生产流程如图1－1所示。图11机组热轧钢管生产工艺流程按照工艺流程，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GB210288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，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APISPEC5CT（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2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、生产效率低、字迹不清楚等缺点。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。表1－1APISPEC5CT标准摘录1.1.2喷标系统的开发现状钢管的喷标是国际国内标准明确要求的内容。国外早已开发出钢管的喷标设备，而且设备功能强大，能喷各种各样的字符甚至中文，设备采用了各种先进技术，尤其是喷头部分的设计。例如美国著名喷标机公司Videojet、Marsh以及英国Willet，丹麦Magnemag公司、Infosight公司的spraymarkingsystem。其中丹麦Magnemag公司的喷标机能满足冶金企业的恶劣要求，已经应用在鞍钢，酒钢等钢铁公司，但是其价格昂贵，约为250万人民币，涂料每升约800元。过去国内对喷标系统的研究比较少，一般依靠进口国外先进设备。直到二十世纪九十年代才开始有少数机构对钢铁行业的喷标进行研究。其中杭州钢铁公司的热轧钢坯喷标机采用七段码方式进行喷标。其原理是用水基白色涂料在压缩气体的作用下在热钢坯上喷上所需号码。图1－2为该系统使用的喷头示意图。在喷头结构示意图中，通向7段笔划的涂料管彼此连通，同时供应涂料而7个压缩空气的喷嘴是独立控制的，只有当该段有压缩空气喷出时，涂料才会随之流出而形成喷雾并在钢坯上喷出笔划。对7个空气喷嘴进行组合控制即可喷3出所需的号码。七段码方式喷号，喷头的设计相对简单，号码的变换转化为对7个压缩空气喷嘴的控制，控制系统得到简化，具有较高的可靠性，号码调整灵活，不需要更换字模，喷标速度快等优点。但是，与点阵式不同，在七段码中，缺少笔划将使号码失去意义，因此必须保证每一笔划的可靠喷射。这既要保证喷头有良好的雾化和喷射的可靠性，也要对控制电路作出保证，必须增加工作状态检测。同时，该喷标系统也存在如下问题在高热环境下，涂料立即凝结在喷头上，很快堵塞喷头涂料的雾化效果不好不适合在曲面的钢管上进行喷标。但是我们可以从中得到一些启示采用点阵式的喷头，以点阵式形成字体的方式比较适合钢管表面的喷标利用白色涂料作为喷标介质利用压缩空气作为涂料喷射的动力。图1－2喷头结构示意图1.2钢管喷标系统开发的必要性现在国内有近百家钢管生产厂家，除了几家最大型的钢管公司具备雄厚的资金实力，能从国外引进专业的生产设备，其他企业的生产设备都很落后。有一些公司自己组织技术力量进行技术攻关也研制出了一些产品，能在一定的程度上解决问题，但产品大体上存在以下一些问题（1）设备大都只能完成单一的任务，不能在自动生产线上和其他设备一起工作，使得生产效率依然低下，不能从根本上解决问题。（2）产品的技术开发水平还停留在二十世纪八十年代的水平。由于这些产品大多是工厂自己组织力量开发研制的，技术水平达不到国外的最新发展动态开发设备的精度低、可靠性差。以喷标工位的喷头为例，由于国内的精加工技术、特种材料制造技术的落后，自行设计的喷头可靠性差，直接影响生产。（3）产品的稳定性不够。由于这些产品的主要控制部件采用了单片机控制，4在钢管生产的恶劣环境中，各种干扰使得系统的故障率极高。（4）产品缺乏扩展性。易扩展性已成为现代产品的特征，缺乏扩展性的产品将阻碍自动化的发展。（5）满足不了企业日益增长的企业管理功能。ERP、PDM实现程度已经成为企业现代化的重要标志。企业的质量管理已经成为现代制造企业的管理核心。每根钢管都有一系列的数据，这些数据在钢管的整个生命周期里都很重要。过去自行开发的系统只考虑到在生产中的功能，而忽略了在管理中的功能。所有这些说明，开发研制高性能的喷标此类钢管生产的辅助设备和完善的监控系统是非常必要的。参考国外同类设备以及比较国内现有设备，可以提出开发钢管生产线上的喷标系统应具备的特点（1）系统强调控制和智能的全分散化，各个设备是具有自治功能的智能主体，相互之间高内聚、松耦合。某些局部协调通过PLC自治完成，而上位的监控计算机实现大范围的协调等高级控制功能。（2）系统应该具有高稳定性、高可靠性。在结构设计上满足稳定性和可靠性的要求。（3）完善的计算机监控功能。生产现场的恶劣环境，不适宜工人在现场长时间的操作，因此要求在上位计算机上能够监控所有现场的运行情况同时具有故障报警和自诊断功能，这样只要在控制室里就能看到现场的一切动作。（4）友好的人机界面。系统软件具备图像界面，可以把不同画面，同时分别以多单元以并行方式实时显示。要求能对生产情况进行详细的管理，包括钢管各种数据的统计、查询、钢管是否符合要求的判别、喷标内容实时动态跟踪、报表的打印、以及操作人员管理等一系列的管理工作。（5）系统具有可扩展性。系统应具有ERP接口，企业的信息化管理已经成为企业发展必由之路，因此现在开发的系统要为以后企业的信息化管理提供方便。（6）系统精度高和工作周期短。喷标速度快，喷标速度最高可以达到120m/min。1.3课题的来源国内大多数企业几年来持续不断的技术改造和创新，使技术装备始终保持在先进水平。但是由于企业产品标号效率低，管理不便，制约质量管理实施，无法满足生产自动化，有设备的厂家设备价格高昂且维护困难。面对日益激烈的市场竞争，为适应生产的需求，国内大多数企业急需新的喷标系统。51.4论文的主要工作和意义钢管喷标系统的开发涉及到多学科，多专业，是集光、机、电、和计算机一体化的产品。本论文主要完成以下工作1、通过对钢管喷标系统开发现状的分析，对钢管喷标系统进行了总体方案设计。2、根据总体方案设计了以可编程序控制器为核心的控制系统。3、根据对伺服电机的研究，设计了交流伺服电机驱动的喷标系统。4、通过对系统工作原理和PLC的研究，进行了PLC程序设计。62喷标系统总体设计2.1喷标系统设计要求（1）工作范围钢管外径φ48（32）～φ246mm钢管重量20Kg～1000Kg钢管长度6m～15m喷标介质白色涂料（2）精度要求喷标标高10～50mm可选喷标字迹清晰（3）生产效率喷标速度0～120m/min（4）自动化要求选择好喷标打标内容后，无需人工干预自动完成生产自动喷印管号采用视窗图形作为人机交互界面具有自动报警功能，急停功能，半自动、手动功能喷标数据保存并可上网提供报表统计、查询，出库单打印等功能。2.2喷标系统总体设计2.2.1系统组成喷标系统的结构组成如图2－1所示，系统外形如图2－2所示。系统的主要有以下几个部分组成图2－1喷标系统的结构组成图71、机身2、精密滚动导轨副3、精密齿轮齿条副4、喷标头5、气缸6、滑板7、小车8、电、气、液总导管9、伺服电机10、电气控制箱11、钢管。图2－2喷标系统外形图（1）机身部分。机身包括立柱和横梁部分，是整个设备的支撑。（2）横移机构。横移机构由齿轮齿条传动副、滑道、滚轮、伺服电机及其控制驱动部分、原点传感器、安全极限位传感器等组成。横移机构的主要功能是带动喷头在横梁上移动。喷标设备有一绝对原点，由原点传感器决定，所有的其他位置都以原点为基准。系统工作时，由伺服系统精确定位小车到达所需位置，在喷标过程中，喷头一边沿钢管轴向运行，一边完成喷标工作。在横梁的两头有安全保护当小车由于某些原因，到达安全极限位置时，系统马上停止所有的动作，并发出安全报警。（3）喷头升降机构。升降机构由气缸、电磁阀、传感器、气路系统、直线滚珠导轨、手轮、手柄等组成。喷头在不进行喷标时，处于上位，而在进行喷标时，喷头下降到达工作位置。喷头的上升下降由系统控制电磁阀的动作从而控制气缸动作来完成。手轮和手柄则是用来调节喷头的下降时的位置的。由于钢管管径大小不同，而喷头工作时离钢管表面的距离有一定的范围约20～30mm，超出这个范围，喷出来的字迹不能达到最佳状态。因此当换一批不同管径的钢管时，要靠手轮和手柄人工调整喷头的最低位置。（4）防撞机构。防撞机构分为侧部防撞和底部防撞。底部防撞由四个接近开关组成，喷头的任一角碰到障碍物，气缸就立即带动喷头上升，并且小车停止运动，发出报警信号。侧部防撞是一个接近开关，当钢管碰到接近开关时，喷头马上上升，并且小车停止运动，发出报警信号。由于喷头是整个喷标设备的核心部件，而且极为昂贵，所以要专门为它设计防撞设施。8（5）喷头及其控制器。喷头及控制器部分是喷标系统最关键的部件。喷头在喷标控制器的控制下，涂料系统、气路系统、清洗系统的共同作用下，完成喷标任务。（6）气路系统。气路系统主要为两个部件提供气源及控制一是喷头升降控制另一是喷头及控制器系统。（7）控制系统。喷标控制系统主要由上位计算机、PLC、脉冲发生单元、伺服放大器等。2.2.2工作过程喷标系统的工作方式可以分为复位方式、手动方式与自动方式三种（1）复位方式复位方式一般用在每次自动开始时，复位的目的是为系统中所有位置提供一个基准原点。复位的过程如下在手动方式下，把小车移至原点传感器的前端，然后按复位按钮，小车将自动往原点传感器方向移动，等碰到传感器后，电机再转动一圈，伺服电机停止，复位完成。系统把这个位置记为原点值，接下来的运动中，任何距离都以这个位置为基础。（2）手动方式手动方式一般用在系统调试阶段或自动方式出现故障时。手动方式能完成喷标系统的一切任务，包括喷头前进、喷头后退、喷头上升、喷头下降、开始喷标、清洗、报警等。手动方式是不可缺少的一种工作方式。（3）自动方式自动方式是系统用得最多的一种工作方式，在钢管生产线上，要靠自动方式来完成钢管的喷标任务。典型的自动工作过程如下图所示图2－3喷标系统自动工作过程图2.2.3立柱横梁结构设计2.2.3.1齿轮齿条的设计1齿轮传动机构的特点齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。9齿轮传动主要优点传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确。齿轮机构主要缺点制造及安装精度要求高，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合。2齿条的主要特点1）由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为20°。2）与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。3）与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。3传动的基本要求在齿轮传动机构的研究、设计和生产中，一般要满足以下两个基本要求1.传动平稳在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动及噪音尽量小。2.承载能力大在尺寸小、重量轻的前提下，要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长。4齿轮传动的润滑具有特殊性1）轮齿形成油楔的条件差2）啮合齿面间压力大，而且相对滑动的大小和方向变化大，齿轮常处于边界润滑和混合润滑状态3）每次啮合都要重新建立油膜，润滑是断续的4）载荷大，摩擦热也大，易使油温上升，加速油膜的破坏5）齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等影响因素因此，齿轮传动的合理润滑设计是十分重要的。用于开式齿轮传动的为开式工业齿轮油及润滑脂。开式齿轮油种类选择开式齿轮油种类选择开式齿轮油种类适用范围抗氧防锈开式齿轮油工作平稳的半封闭和开式传动极压开式齿轮油重载开式传动sH500MP/mm10剂稀释开式齿轮油重载开式传动sH500MP/mm2开式齿轮油粘度选择开式齿轮油粘度选择给油方法推荐粘度（100°C）（mm2/s）环境温度（°C）15～175～3822～48油浴150～2～26涂刷热193～冷22～～257手涂150～2～41开式齿轮传动润滑方式开式齿轮传动，因速度低，一般采用人工定期加润滑油或润滑脂。2.2.3.2齿轮齿条传动副的设计要求（一）材料选择应具备条件1）齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀，抗磨粒磨损，抗胶合和抗塑性流动的能力2在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度3具有良好的加工和热处理工艺性4价格较低（二）几何计算模数m3分度圆直径32060dmz????齿顶高3aahhm??齿根高1.253.75fahhcmm????齿全高2.256.75afhhhm????11齿顶圆直径aaddhmz????????齿根圆直径22.ffddhmz????????基圆直径cos60cos2056.38bdd????齿距39.42pm?????齿厚4.712ps??齿槽宽4.712pep???顶隙0.2530.75ccm????（三）载荷计算圆周力112tTFd?径向力tanrtFFa?法向力costnFF??根据名义转矩求得的圆周力称为名义圆周力。实际圆周力要比名义圆周力大。为此，用各种系数对名义圆周力进行修正以考虑各种因素的影响，故实际圆周力tcF为tctFKF?avKKKKK???（四）强度计算在预定的使用期限内，齿面不产生疲劳点蚀的强度条件为??HHFbEE???????????????????齿面接触疲劳强度计算1.初步计算转矩619.5510iPTn??0001000Nmm?????齿宽系数查表取d?1.0接触疲劳极限查图取lim1H??710MPalim2H??580MPa初步计算的的许用接触应力??1lim10.9HH????0.9710639MPa????2lim20.9HH????0.9580522MPa??12dA值查表取dA?85初步计算的小齿轮直径1d??13121ddHTudAu????g83.115223??????取185dmm?初步齿宽b1dbd??18585mm???2.校核计算圆周速度dnv???/601000ms??????精度等级查表选8级精度齿数z和模数m模数mdzm???取129z?2132987ziz????使用系数查表取1.5AK?动载系数查表取1.5VK?齿间载荷分配系数HK?先求112tTFd?5N???AtKFb1./85Nmm???100/Nmmpcoszz??????????????????111.883.21.7534102???????????43Z?????41.750.873???由此得21HKZ???211.320.87??齿向载荷分布系数HK?查表23110HbKABCbd????????????10.611085???????1.38载荷系数KAVHHKKKKK???1.51.21.321.38????3.28弹性系数EZ查表取189.8EZMPa?节点区域系数HZ查表取2.5HZ?接触最小安全系数minHS1.05总工作时间00hth?????应力循环次数LN查表791010LN??则指数8.78m?111max60mniLvihiiTNNntT???????????8.781max60nihihihTtt?????????????8.788.788..50.20.35.7910????????????原估计应力循环次数正确21/LLNNi?775.0????接触寿命系数NZ查图11.18NZ?21.25NZ?许用接触应力??H???lim111minHNHHZS???.05MPa?????lim222minHNHHZS???.05MPa???验算12121HEHKTuZZZbdu????g223.9.82.50.MPa????????????2H??计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。否则，尺寸调整后还应在进行验算3.确定传动主要尺寸实际分度圆直径d因模数取标准值时，齿数已重新确定，但未圆整，故分度14圆直径不会改变，即11dmz?32987???mm22dmz?387267???mm中心距a122mzza????mm????齿宽b1dbd??18787???齿跟弯曲疲劳强度验算重合度系数Y?0.750.25Y?????0.750.250.681.75???齿间载荷分配系数FK?1/FKY???1/0.68?齿向载荷分布系数FK?/bh87/2.252.515.57???1.38FK??载荷系数KAVFFKKKKK???1.51.21.471.383.65?????齿形系数FaY查图12.46FaY?22.19FaY?应力修正系数SaY查图11.65SaY?21.8SaY?弯曲疲劳极限limF?查图lim1600FMPa??lim2450FMPa??弯曲最小安全系数minFS查表min1.25FS?应力循环次数LN查表估计LN???的范围，得指数m49.max60nihiLVhihTtNNnt???????????49.0.20.50.50.20.3??????????75.6710??原估计应力循环次数正确21/LLNNi?49.915..9210??弯曲寿命系数NY查图10.95NY?20.97NY?尺寸系数XY查图1.0XY?许用弯曲应力??F???lim111limFNXFFYYS???.25MPa????15??lim222limFNXFFYYS???.25MPa????验算111112FFaSaKTYYYbdm???23.1.650.?????????1213FMPa???221111FaSaFFFaSaYYYY?????22.191..65FMPa???????传动无严重过载，故不作静强度校核（五）加工工艺齿面加工可以分为两类方法一成形法，用与被切齿轮槽形状相符的成形刀具切出齿面，如铣齿，拉齿和成形磨齿等二是展成法，齿轮刀具与工件按齿轮副的啮合关系做展成运动，工件齿面由刀具的切削刃包络而成，如滚齿，插齿，剃齿和磨齿等，加工精度和生产率都较高，应用十分广泛。2.3本章小结本章提出了喷标系统的总体设计方案，提出系统的设计要求根据系统的组成结构进行喷标系统的设计，包括系统组成和工作过程以及设计时应注意的问题，最后给出机械结构部分的设计。163立柱横梁的设计3.1立柱横梁的组成在机器（或仪器）中支承或容纳零部件的零件称为机架，是机座、床身、壳体、箱体及基础平台的统称。机架是各种机器中重要的零件之一。3.1.1机架概述3.1.1.1机架的主要功能1）对机器中的零部件起容纳、支承的作用如变速器箱体支持其中的轴承、轴、传动零件，使它们保持一定的相对位置。2）安全保护和密封作用保护内部零件不受外界尘土、异物、腐蚀性气体液体的侵害防止内部气体、液体外泄。3）对比较复杂的机械，保证密切相关的部件间相对位置，与利于加工、装配、调整和维修。3.1.1.2机架设计的原则机架多数处于复杂的受载状态，外形结构复杂，因而机架的设计应针对具体情况进行分析，以便满足不同的要求。一般而言，机架的设计主要应保证刚度、强度及稳定性，同时，还应满足形状简单，便于制造、截面形状合理和肋板布置恰当的要求。1）刚度评定大多数机架工作能力的主要准则是刚度，例如金属切削机床及其它要求精确运转的机器机架，以满足刚度条件为主。2）强度强度是评定重载机架工作性能的基本准则。如锻压机床、冲剪机床等机器，以满足强度条件为主。3）稳定性机架受压结构及受压弯结构都存在失稳问题。有些构件制成薄壁腹式也存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。4）形状简单，便于制造机架结构设计应合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机架的加工。5）便于在机架上安装附件机架的结构力求便于安装与调整，方便处理和更换零部件。6）良好的耐磨性有导轨的机架，要求导轨面受力合理、耐磨性良好，以保证机架有足够的使用寿命。另外，在满足强度和刚度的前提下，机架还应满足重量轻、成本低、抗振性17好、噪声小、温度场分布合理、热变形对精度影响小和造型好的要求。3.1.2悬臂梁的设计悬臂梁与立柱相接是整个设备的主体部分，并且横移机构在悬臂梁上往返运动，其结构形式与加工方法直接影响喷头与钢管表面的喷印距离，所以悬臂梁的设计在整个系统中显得尤为重要。3.1.2.1悬臂梁的影响因素在悬臂梁的设计中必须要考虑到温度差异引起的伸缩变形、加工中的应力引起的变形、挠度和应力变化。l温度差异的影响由于悬臂梁一端是自由端，而且与立柱的联接的一端采用的是铰制螺栓联接，所以温度的差异可以不计算在内。2应力的影响由于导轨对于横移机构运动是否平稳有着很大的影响，因此需要对导轨进行精加工。为了消除由于内应力而引起的悬臂梁变形，必须进行热处理。3挠度的影响悬臂梁比较长，而且自重比较大，当横移机构在悬臂梁的自由端时，悬臂梁产生挠度变形最大，会直接影响到喷头到钢管表面的喷印距离。4机械极限位置由于横移机构的速度很快，为了确保设备安全，以防出现误动作时横移机构脱离悬臂梁的危险，特别在悬臂梁两端除了设计有电气保护之外还特别设有机械极限挡板。3.1.2.2、悬臂梁结构的确定悬臂梁的结构设计可以使用型钢结构也可以使用箱形结构，二者各有优缺点，我们在设计时采用了二者相结合的结构方式。型钢结构型钢存在方钢、槽钢、工字钢等形式。型钢的优点是一次性成材，具有良好的直线度，采购方便。缺点是若采用一种形式的型钢作为喷标机横梁，在其结构上很难实现与喷标机其他部分的连接;喷标机悬臂梁要求有良好的刚性，但型钢只能通过增大型号实现，其结果是增加悬臂梁自重，从而增加了悬臂梁的挠度，无法优化结构。箱形结构箱形结构主要由板材焊接而成。箱形结构的优点是可进行结构优化设计，减少设备重量。缺点是焊接过程的存在使得横梁产生弯曲、扭曲等变形及较大的内应力。为使得横梁具有较好的直线度、变形量小及良好的连接性能，喷标机横梁截面结构形式设计成组合结构。横梁以工字钢为主体，方钢为附梁，上下排列连接而成。183.1.2.3悬臂梁与立柱的联接悬臂梁与立柱的连接有两种方式相对偏置联接和无偏置联接。采用了相对偏置联接可以将横移机构的原始位置提前，减小了悬臂梁的长度，降低了悬臂梁的挠度变形。3.1.3横移机构的设计横移机构的主要组成部分有精密齿轮齿条副、滚动直线导轨副、伺服电机等。横移机构通过连接在伺服电机主轴上的齿轮与横梁上的齿条啮合，伺服电机转动带动整个横移机构的移动。同时，导轨副移动件沿横梁导轨运动，限制了横移机构整体框架的上下、左右及各方向的旋转自由度，使得横移机构只能沿着钢管轴向运动。3.1.4喷标机的强度校核在机械设计时很多影响设计质量的因素都要考虑到，例如，立柱的压杆稳定分析，悬臂梁的挠度校核、应力校核等。喷标机立柱的高度与截面面积的比值较大，因此立柱的压杆稳定性是能够满足的，在此就不进行压杆稳定性校核了。由于喷标机喷头距钢管表面的距离要满足最佳喷印距离的要求，因此对于悬臂梁挠度的校核是最主要的，横移机构在挠度最大的地方要满足喷头到钢管距离为10mm20mm的要求。3.1.4.1强度校核根据喷标机的机械结构，将悬臂梁的受力简化成一端固定，一端悬臂的情况。悬臂梁自重看作是均匀载荷q，而横移机构看作是集中载荷P，P距悬臂梁固定端的距离为a，由于横移机构有机械极限位置，所以a的最大值为5.5m，而x是任意截面到悬臂梁固定端的距离，L是喷标机的悬臂长度。悬臂梁截面图如图31所示，受力分析图如图31所示19图31悬梁壁截面图20图32悬梁壁受力分析图悬臂梁的固定端约束了端截面的移动和转动，故有垂直反力凡bR和反作用力偶M。由平衡方程0x??，0m??求得bRqlP??22aqlMP??当??05500xammamm???时，剪力Q与弯矩M为QqlxP???212qxMPax?????1当??05500axmmamm???时，剪力Q与弯矩M为Qqlx??212qxM???2由上面1、2式可以得知，在xa?时，剪力与弯矩比较大，因此在此只校核当xa?时的应力。由1式可以看出，当a最大、x最小时，弯矩M最大。通过上面1、2可知xO处剪力最大，为13.6KN，横移机构位置在5.5am?时x处弯矩最大，为42KNmg。经过计算可以得到，悬臂梁的形心轴如图34的位置参数1Z371.82mm，22416.18mm，截面相对于形心轴的惯性矩为Imm，如图3一4所示。在弯矩最大的截面上，最大压应力发生于下边缘各点，即371..622.051010caaMZPMPI?????????????3最大拉应力发生于上边缘各点，即.08.1010caaMZPMPI?????????????4由式3、4可见，最大拉应力与最大压应力均未超过许用应力，强度条件是允许的。3.1.4.2挠性计算在弯曲变形很小，且材料服从胡克定律的情况下，挠曲线的微分方程22dvMdxEI?是线
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机械毕业设计688钢管自动喷标系统设备之立柱横梁设计,机械毕业设计论文
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