873_周超_钢管铣头机控制系统设计_前期报告_339()

河北工业大学城市学院本科毕业设计<论文）前期报告
毕业设计<论文）题目：钢管铣头机控制系统设计
专业<方向）：机械设计制造及其自动化
学生信息：学号：085473姓名：周超班级：机设C086
指导教师信息：教师号：94076姓名：戴士杰职称：教授
报告提交日期：2018年3月16日
一.本课题研究的目的和意义
本课题研究的钢管铣头机系统的铣削机构设计，管径Φ169mm，长度6m，并满足一个循环周期时间≤15s的要求，控制系统要求具有合适的手动调节，自动循环等功能。

满足美国石油协会的标准，设备的各项经济指标都达到国际先进水铣，一旦研制成功，必将改变我国一览进口的局面，增加在国际市场的竞争力，为我国管材精整技术的进步做出贡献。

厚壁钢管铣头机设备属于一种专用机床设备，主要用于对钢管进行管端倒坡口、平端面、去毛刺加工，目前国外仅有美国PME等少数几个国家能够生产。

由于我国在这方面起步晚，当时国内一些企业设计开发的许多钢管铣头机都只能用于直缝焊管和螺旋焊管生产，其结构简单，技术水平低，自动化水平低，产品质量不稳定，维护次数多。

近年来，随着我国基础建设如西气东输、南水北调等工程的实施，市场对高品质钢管的需求量越来越大，而且从我国能源开发远景看，我国的几大油田、天然气田开发速度明显在加快，我国同中亚、东欧等地区和国家的能源开发合作步伐在加快，能源输入和输出，都需要各种优质的钢管做支撑。

因此结合我国经济发展的需求，尽快开发研制出适用于我国生产的新型厚壁钢管铣头机，以满足国内外市场对钢管高质量产品的需求，非常重要。

我国生产的钢管铣头机在国际市场上具有较高的竞争力，能够实现出口创汇，从而取得产值和经济效益的双丰收。

大口径厚壁钢管铣头机的研制成功，将加快大口径焊管、高强度焊管的国产化进程，促进石油管线管、石油套管产化，替代进口产品，同时也必将带动机械制造业的发展[１]。

本世纪初，国内生产优质钢管的企业虽然不少，但只有少数几个生产无缝钢管的大企业如天津钢管公司、上海宝钢无缝钢管公司等生产钢管企业，为适应石油、天然气、高压电路线输出等领域的发展需要，曾花巨资从国外购买新型厚壁钢铣头机，用于连轧机组精整线上，对冷态钢管的两端面进行倒坡口、去毛刺，经特殊处理后的钢管经济效益大幅度提高，成本大幅度降低，产品还大量的出口国外。

由于引进的设备满足不了企业发展的需求，所以我国急需自发研制的高性能高智能化铣头机，而铣头机上料系统为其重要组成部分。

所以研发必要性更能显而易见。

二.本课题国内外研究现状和发展趋势
1、国内外全自动钢管端面铣头机的研究现状
目前国内高频焊管生产线上的铣头机不外乎下列三种:一是原始落后的手动铣头机。

二是引进和仿制日本七十年代的链式传动铣头机，该机可靠性差，故障率高成本高；三是近几年某些厂家从德国、日本、意大利等国引进的铣头机，该机采用了可靠的步进式传动机构，动力源采用液压系统，但此机型适应国产焊管机组能力差，铣头机往往因为钢管定尺不准而难以工作。

进入本世纪初期，国内生产优质钢管的企业虽然不少，但只有少数几个大型的生产无缝钢管的企业如天津钢管公司，上海宝钢无缝钢管公司等，为了满足一些领域如石油、天然气、高压电路线输出对高质量钢管的需求，钢管铣头机不断的改革和创新，由于国内在这方面的技术水铣不能满足市场发展的需要，曾花大量的资金从国外购买全自动厚壁铣头机，在焊管生产线上使钢管铣头后质量大大提高，经济效益大幅度的提高，同时成本也大幅度的降低，产品还大量的出口国外。

尽管如此，随着市场的不断扩大，引进的设备也不再满足企业发展的需求，研制具有自己产权的钢管铣头机的成套设备已经成为大型钢管企业的必要任务，为此，天津钢管公司与中国重型机械研究院达成协议，从自己的生产需要出发，后者结合前者的设备特点，最终开发研制出了钢管铣头机的成套设备，这是具有中国自主知识产权的钢管成套设备[２-４]，意义非常重大。

在国外技术封锁，国内没有先例的背景情况下，中国重型机械研究院组织攻关人员进行多年攻关，终于开发研制出了钢管铣头机技术设备，这是中国自己研制出的第一台铣头机设备，它具有自己的特色：①采用初定位和精定位的二次定位方式，这在铣头机设备的钢管端面定位方面尚属首次，这样定位更加准确；②设备的步进输送装置采用液压马达传动比例阀控制的结构形式，这样能够节省时间，而且保证钢管运行铣稳，这也是在国际上首次采用的结构形式，它能够根据钢管规格来调整运行速度；③采用了带预紧直线滚珠导轨方式，这就加强了设备的刚性及稳定性，在洗头机本体导轨结构方面也是国内首次采用；④洗头机机头前升降装置采用机械锁液压缸结构，使用稳定可靠，技术国内领先；⑤在钢管生产过程中，尤其是壁厚钢管和弯曲钢管生产时，夹紧采用两点式的夹紧方式，这样可以保证不损坏其表面质量，是其他装置不能达到的长处；⑥通过人机对话，能够形象的将工作情况显示出来，非常具有人性化；⑦利用全面的网络技术将所有控制单元都实行网络连接，这样的好处是控制灵活，同时采用电气控制系统来集中控制并实行远程布置，这种尖端的技术能够对设备实行自我诊断和保护功能，满足设备工艺多样性的要求；⑧采用伺服液压缸及伺服控制方式来进行刀具进给；⑨采用液压缓冲挡板的方式在管端定位，不产生噪音。

由中国重型机械研究院成功开发的钢管铣头机设备，使我国在钢管铣头机方面的技术得到了巨大的飞跃，使我国铣头机技术方面弥补了空白。

2004年9月，该设备正式在天津大无缝钢管公司投入生产，
经过实践检验发现该设备的各项经济指标均达到了同类进口设备的水铣，目前钢管的年生产总量为174628支，总重量达到44292吨，实现了国产化生产，这些钢管大部分出口到了国外，步进改变了我国在钢管生产设备方面一览进口的局面，而且使产品达到了国际水铣，为我国钢管的精整环节提供了大量的素材。

随着该设备的良好运营，其他生产钢管的企业如衡阳华菱钢管公司、成都无缝钢管公司、东方钢管公司都采用了该种设备，这样，我国优质高品质钢管的生产将伴随该种设备的推广应用，其能力必将得到迅猛的扩张。

2、PLC的发展现状及应用。

近年来随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面国际标准的制定，一项打破传统PLC局限性的新兴技术发展起来了，这就是软PLC技术。

PLC产生于上世纪60年代，崛起于70年代，成熟于80年代，于90年代取得技术上的新突破，21世纪PLC技术发展的几个特点为：适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力；PLC向开放性发展；PLC的体积小型化，运算速度高速化；软PLC出现；PLC编程语言趋于标准化。

其应用领域目前不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。

PLC<Programmable Logic Controller）控制，其专为在工业环境应用而设计的，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令并通过数字或模拟输入，输出控制各种类型的机械或生产过程，具有抗干扰性能强的特点[５]。

可编程逻辑控制器<PLC）是20世纪70年代发展起来的一种新型工业自动控制设备。

它集自动化技术，计算机技术和通信技术为一体，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。

目前，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种自动化控制设备提供非常可靠的控制应用。

主要原因在它能为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前工业企业对自动化的需要。

由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有自己明显的特点：可靠性高，适应性广，具有通信功能，编程方便，结构模块化。

在现代集散控制系统中，PLC已成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。

本课题设计一个由PLC控制的钢管铣头机的铣削，主要实现在一个循环周期时间≤15s的要求下，具有合适的手动调节，自动循环等功能，通过此控制系统的设计，掌握PLC在工业控制中的具体应用。

通过控制系统可以使提高生产效率，减轻工人的工作负担。

提高生产的安全性。

三.本课题研究的主要内容
在各种型号的金属管材生产过程中，由飞锯切割成符合要求长度尺寸的产品后，需要对金属管材的两个端面进行铣削加工去除毛刺。

而铣头设备的自动化要求是目前的趋势，本次设计主要内容是利用PLC
实现金属管材铣头加工的自动化，即实现自动上料、进料、移位、下料、夹紧、铣削刀具的自动化快进、工进，铣削、快退等功能。

设备的上料、进料、移位、下料功能由电机驱动，夹紧、铣削刀具的自动化快进、工进，铣削、快退等功能有液压驱动完成。

铣头机是利用刀具对钢管端面进行加工的专用机床，要求具有相当高的加工精度及合理的结构。

如何使铣头机的加工能力铣衡，随钢管轧制速度变化而变化，又不受钢管定尺精度的影响，其中较好的途径就是采用铣头机主机交错放置的双头双工位步进式铣头机[６]。

双头双工位步进式铣头机是经过广泛调研，参考国内外先进的铣头机，吸收了各家之长自行设计的，能满足较大直径范围及定尺精度较差管材的端面切削。

1.方案一：设备的工艺布置
图1工艺布置示意图
1初定位挡板2推齐滚轮3步进机4上料台架5推齐气缸
62号铣头机7下料台架8步进减速机9步进电机101号铣头机
动作过程简介如下:锯切后的钢管从输送辊道运动到阻挡器，缓冲后在输送辊道下的接近开关发讯，用气缸<拨料>将钢管提升至上料台架，然后进行分料。

通过分料和活动挡板两个气缸分别动作将两根钢管自动放入推齐滚道上，由推齐气缸将钢管一端推齐，再经步进机送料至铣头机主机上。

铣头机主机上定位装置滑动板移动到位，接近开关发讯，另一组推齐气缸动作推齐，进行二次定位；同时夹紧油缸动作将钢管夹紧，夹紧到位发讯，滑动板移动复位，到位后发讯，铣头快进，快进到位后转工进，工进到位发讯快退，快退到位发讯，夹紧松开(在工进快退时间内同时要求完成二次分料，即钢管已送至推齐滚道并已推齐>发讯，步进机开始上料并同时下料。

在下第一根钢管时，下料台架活动挡板处于拉下位置，当过管后活动挡板举起挡住第二根准备下料钢管，过两秒钟后，活动挡板拉下，第二根钢管下落至输送辊道上，然后重复上述过程，一个循环时间在15～30s之间。

该机可与气动飞锯相配，用于定尺误差大的钢管铣头。

方案二：设备的组成
全套设备主要由铣头机A和B运输台架传动辊道油泵站液压管路气动管路等组成，见图2.
图2设备布置图
1铣头机B2冷却装置3油泵站4夹紧装置5送进油缸
6固定支架7支承辊8运动支架9传动辊道10运输台架及传动装置11铣头机A
四.可能遇到的问题和拟采用的解决问题办法
铣头机的设计其中一个重要环节就是铣头机主机液压进给系统的设计，它是保证钢管加工质量加工精度和刀具的使用寿命的基础，如若设计不好，甚至还可能导致废品和事故的发生。

主机的液压进给系统要求能实现快进—工进—快退的工作循环，工作时不能出现爬行与前冲等不良现象。

针对以上要求，我们要进行正确的回路设计和液压元件的选择，有效解决前冲和爬行等问题，才能获得良好的低速稳定性，保证钢管铣头机的加工质量和生产率[７]。

4.1回路分析
对于要求能实现快进、工进、快退三种运动，液压系统的设计一般是采用调速阀串联或并联的调速回路。

下面就此回路进行一下分析比较:
1>串联调速阀进油路调速回路该回路的速度受负载变化的影响，在负载变化的瞬间，瞬时速度将发生变化，故低速时容易产生爬行现象，当液压缸负载突然减小时，运动部件会出现前冲现象。

为了提高它的低速稳定性，设计时需要在回路上增设背压调节机构，保证必要的背压。

2>串联调速阀回油调速回路由于液压缸的回油腔有背压，从而提高了运动速度的铣稳性并可承受负值负载。

当液压缸阻力负载突然减小时，由于调速阀的阻尼作用，可以减小活塞的前冲现象。

3>并联调速阀调速回路并联调速回路的效率高于串联调速回路，但这种
调速回路的抗负载变化的性能较差。

4．2液压元件的选择
1）液压缸
铣头机进给液压缸，一般都用耐油橡胶或聚胺脂质的密封圈，这类密封件的静、动摩擦系数相差较大，故低速稳定性差，容易产生爬行现象。

组合密封圈格来圈和斯特封的结构和材质保证了密封件摩擦系数小,而且静、动摩擦系数非常接近，所以低速稳定性好，不容易产生爬行现象。

2>调速阀为了防止出现爬行现象，应该保证通过调速阀的最小使用流量大于调速阀规定的最小稳定流量。

4.3具体方案
经过综合分析比较,所设计的铣头机液压进给系统原理图如图4所示，动作顺序见表1。

系统采用高低压双泵2和3供油，差动快进的串联调速阀8回油调速回路。

高压泵2的工作压力由溢流阀4设定，停止时低压泵3通过卸荷阀6卸载。

液压缸12的运动方向通过二位四通电磁换向阀7控制，二位三通电磁换向阀11用于实现液压缸的差动连接。

为了提高油液清洁度，防止调速阀在小开度下工作时因阀口阻塞造成液压缸12爬行在调速阀之前设置一支过滤精度为10m的高压管路精过滤器10，液压缸用格来圈和斯特封取代普通密封圈进行密封。

由表1动作顺序容易分析液压系统油液流动的路线。

图4铣头机液压进给系统原理图
4.4技术特点
<1）用高压小流量，低压大流量双泵供油，快进、快退时双泵同时供油，工进时大泵卸载，小泵供油，充分利用能源，避免无功损耗。

<2）通过选择合适的液压泵流量，避免快进快退时采用单向节流阀，不但可节省液压元件和管路，
降低成本，而且降低能耗，提高效率。

4.5选用电动机的原则
为了适应各种不同用途，工厂生产了不同种类、形式及容量的电动机。

在选用电动机时，要充分考虑它们的特性，在仔细研究了被拖动机械的特性后，选择适合负载特性的电动机。

选择电动机的原则是：
<1）根据负载的启动特性及运行特性，选出最适合于这些特性的电动机，满足生产机械工作过程中的各
种要求。

<2）选择具有与使用场所的环境相适应的防护方式及冷却方式的电动机，在结构上应能适合电动机所处
的环境条件。

<3）计算和确定合适的电动机容量。

通常设计制造的电动机，在75%-100%额定负载时，效率最高。

因此应使设备需求的容量与被选电动机的容量差值最小，使电动机的功率被充分利用。

<4）选择可靠性高、便于维护的电动机。

<5）考虑到互换性，尽量选择标准电动机。

<6）为使整个系统高效率运行，要综合考虑电机的极数及电压等级。

动作过程简介如下:
本设计过程一共需要10个电动机，依次是五个带动凸轮的电动机，两个带动铣头的电动机，两个带动液压缸的电动机，还有一个带动液压泵的电机,过程如下:
锯切后的钢管从输送辊道经楔形坡道在重力作用下运动到阻挡器,等待铣头上料，在铣头平台下侧平行布置五对凸轮机构，用第一对凸轮机构将一根钢管提升至上料台架的第一对U型滚轮上，在此U型滚轮的左端布置一个推齐液压缸，此时，电机带动液压缸去推钢管。

而右端布置1号铣头主机的对刀块，由推齐液压缸将钢管推齐到右端对刀块，再经一对凸轮机构将其送至下一对U型滚轮<即铣头机的加工位）由夹紧装置将钢管夹紧，同时第一对凸轮机构又将下一根钢管上料，依次步进输送。

夹紧后，铣头快进，快进到位后转工进, 工进到位发讯快退, 快退到位发讯, 夹紧松开，钢管右端加工完毕。

凸轮机构又将钢管输送到下一对U型滚轮，在此对U型滚轮的右端布置推齐液压缸，左端布置2号铣头机的对刀块，由液压缸将钢管推齐到左端对刀块，再由凸轮机构将其输送到下一对U型滚轮<即2号铣头机的加工位），由夹紧装置将钢管夹紧，铣头快进，快进到位后转工进, 工进到位发讯快退, 快退到位发讯, 夹紧松开，钢管左端加工完毕。

再由凸轮机构将其输送到下料位。

然后重复上述过程，一个循环周期时间≤15S。

五.计划进度表
参考文献
[1] 余小巧.全自动钢管端面铣头机自动送料机构的优化设计，天津理工大学.2018：35-42.
[2] 谢吉辉.新型凸轮式铣头机，焊管.1994：112-120.
[3] 柴晓艳.飞锯机主传动轴系列结构的优化设计，重型机械.2008：56-60.
[4] 江永静，成海涛.我国无缝钢管生产现状、差距及发展建议，中国冶金.2004：235-245.
[5]张斌. 基于PLC控制的液压打包机在铝加工行业的应用：[硕士学位论文]，北方工业大学.2008：38-
49.
[6] 宋正和.Φ165mm双头双工位平头机的研制，焊管.2003，<03）：50-56.
[7] 宋正和，徐聪玉.铣头机主机液压进给系统的设计，液压与气动.2018，<05）：90-100.
[8] 冯晓若.一种新型大口径平头倒棱机，山西机械.2002.(S1>:66-75.
[9] 房文伟.硕士学位论文，钢管自动倒棱系统的研究与开发，浙江大学.2008:156-165.
[10] 孙丽丽，刘邯涛,马强.Ф426mm无缝钢管铣头倒棱机组的研制，钢管.2008:40-45.
[11] 魏良，吕林芳.钢管平头机液压系统的设计，液压与气动.2005，(09>:98-105.
[12]张培庆.钢管平头倒棱机的设计与制造，钢管.1998,(01>:35-39.
[13]Y.B.Zhu,J.Z.Zhou,S.Huang,L.L.Hu,W.Wang,J.R.Fan. Numerical simulation and experimental
investigation on laser milling of Al2O3 ceramic. Proceedings of the 6th International Conference on Physical and Numerical Simulation of Materials Processing:108-112.
[14]Yang Zhenchao,Zhang Dinghua.Sensitivity Analysis of Parameters Affecting Milling
Forcein Plunge Milling of Titanium Alloy TC11. Northwestern Polytechnical University of contemporary design and Integrated Manufacturing Technology Key Laboratory of the
Ministry of education：147-149.
[15]邓大伟. 基于PLC控制的气动机械手研制:[硕士学位论文].哈尔滨工业大学 ,2018：40-50．。