毕业论文：一步法保温管纠偏机的设计

毕业论文：一步法保温管纠偏机的设计内容摘要：

行泡沫调节。 为此，国内外在用黑夹克对钢 质管道进行防腐保温时，只能采用“二步法”工艺。 为解决钢管包覆黑泡沫夹克层使用 “一步法”工艺的问题，需研究出新的发泡位置确定技术，保证黑夹克管在新“一步法”工艺中连续作业和黑夹克保温管的保温性能。 如何用“一步法”工艺技术生产黑夹克泡沫保温管并尽可能实现其自动化，这是目前需要解决的问题。 本题目从机械机构和电路控制部分分别加以设计，以黄夹克一步法纠偏机为平台，采用电子技术、液压技术和机械结构相结合的设计理念改善此问题。 一步法保温管纠偏机的设计 10 要实现黑夹克管的自动纠偏系统方案需要解决的问题有以下几个： 1确定黑夹克里泡沫半固化状态 的位置； 2 测出此位置泡沫夹克层与钢管的偏芯距离； 3 确定传感器安装形式和机械执行机构形式；保证在此位置的管道圆周上的偏芯都能纠正； 4 手动、自动控制电路采取的形式； 在保证了以上几个问题后，尽量使纠偏系统具有高质量，高效率，低成本、集成化的特点。 一步法保温管纠偏机的设计 11 第 三 章 新纠偏机的发泡位置确定技术 过去在工程中大量应用的防腐保温管采用的是黄色聚乙烯夹克作为外防腐层，即黄夹克。 由于黄夹克的纯度较黑夹克高，使用黑夹克后按 CJ/T 1142020 行业标准，黑夹克可使用不超过 15%（质量百分比）的洁净回用料（回用料 必须是制造商自己的产品产生的）。 使黑夹克在使用回用料方面有很好的优势。 但黑夹克的透光性不好，即使是在光源的照射下仍无法观测到黑夹克管内的发泡状态。 需寻找新的方法进行检测。 发泡位置 传感器 的原理 发泡位置传感器在纠偏控制系统的最前端，不同的传感器构成不同的纠偏控制系统，常用的纠偏用传感器有红外线传感器、超声波传感器、 CCD 传感器和光斑传感器等，用于不同的纠偏场合。 红外线可准确检测出物体的温度变化，在纠偏控制系统中必然伴随着夹克管内部发泡的温度场的改变，该系统 就根据红外线测温原理，将高精度红外温度传感器置于夹克管外，采用收发红外光的模式来实现发泡位置的显示，其工作原理如图 31所示。 图 31 红外线传感器原理 上面部分为红外光发射部分，同时发射热源，当红外光热源照射在热电感应检测元件上时就会引起该元件上电学特性，这些电学特性的变化经转换电路后将变成电流或电压的变化，从而可以被采样。 本系统中，如果保温材料发泡很好的情况下，发泡后的状态为保温性能最好的状态，一步法保温管纠偏机的设计 12 在热源照射后就能很好的隔热，通过发泡系统后照射在热电感应检测元件的能量将大大减少，甚 至没有。 从而热电感测元件的温升减少，甚至可以没有温升。 引起相应的电流电压的变化减小或没有，通过对比这些变化，就可以得到发泡的程度。 发泡的越好，空洞越少，则感应到的电流电压变化越小。 另外在传感器的设计中，抗干扰也非常重要。 此系统的工作环境比较恶劣，在室外施工时，白昼温差很大，季节的温差也存在，不同的地区温度湿度也会不同；产生时温度的变化较大使钢管、发泡物、夹克管的温度都会受到影响；因为红外传感器很容易受温度影响，所以在本系统的设计中必须采用环境温度补偿法以减小环境对传感器的影响。 理 超声检测的基本内容是如果材料或工件内部存在不同状态的材料，那么在超声波检测过程中通过材料回波信号或透过材料的信号就会呈现出来。 超声检测利用这些信息来判断材料状态，分析材料或工件在超声波作用下的物理性质，测量其性能的细微变化，说明产生的原因并评价其实用性。 空气穿透式超声检测系统框图如图 38所示。 该系统组成与传统水藕合相似，区别是用空气作为声藕合介质。 保温夹克管两侧分别放两组发射和接收探头，一组正对着保温夹克管中上层的保温区，一组正对着下层保温区。 两部位的发泡大小和形状都将对传播信号产生 不同程度的反射和衰减，对比接受的信号，如果差异很大表示上下发泡不均，如果差异在允许范围内，则就可确定发泡位置；同时接收端根据信号的衰减程度也可以判断出发泡的状况。 图 32 空气祸合穿透式超声检测系统框图 本系统中，还须注意发泡不匀将会很大影响超声波的信号，其中的空气和泡沫的分界面使其信号剧烈衰减。 在使用前要必须进行试用。 X 射线检测的原理 一步法保温管纠偏机的设计 13 该装置的原理是用 x射线透射工作，使发泡的轮廓在荧光屏上成像，再由摄象机构成像到工业电视上，实现对钢管、黑夹克及聚氨酯 发泡位置的监视和跟踪。 X射线无损检测方案根据客户对检测精度、速度、自动化程度需求，主要分两类： 一类是检测精度要求高，检测速度要求低、人工识别，检测内容涉及检查焊缝、重要零部件 (飞机、导弹、汽车 )缺陷、实验室分析、集成电路板焊点检测等领域；可采用以下方式： （ 1）稀土闪烁屏 +高精度高灵敏 CCD （ 2）影像增强器 +高精度高灵敏 CCD （ 3）非晶硅或非晶硒平板探测器。 一类是在生产线上在线检测工件，检测速度 (效率 )要求高，能通过计算机自动标定缺陷位置或自动剔除不合格产品。 在工厂生产自动化程度越 来越高的情况下，配合自动生产线检测工件，应用领域非常广；可采用以下方式： （ 1）影像增强器 +高精度高灵敏 CCD （ 2）线性二极管阵列扫描 （ 3） CMOS阵列扫描。 对此纠偏系统，提出以下三个方案： 方案一：非晶硅或非晶硒平板探测器。 在医用领域运用较多，在工业检测领域主要应用在集成电路焊点检测和飞机零部件检测等，检测速度很低，检测精度高，价格昂贵，使用环境要求严格。 不适合流水线在线检测。 方案一目前在工业中使用的比较少，主要约束原因是其价格昂贵，检测速度慢。 方案二：稀土闪烁屏 (或图像增强器 )+高精 度高灵敏 CCD。 方案二技术较成熟，目前市场上现有的图像增强器所采用的 CCD系统都是 768576 ，8bit的，在图像分辨率以及对比度的指标上达不到本系统的要求。 但是使用了性能较高的新型 CCD后，整体系统性能可以大大提高，具体参考下表 31，符合多数工业在线检测的要求。 既能用于流水线检测又能进行精细检测。 因为该方案成本较低，是常规检测领域应用最广泛的一种方案。 方案三：线阵列探测器扫描。 方案三采用线性二极管阵列或 CMOS线阵列探测器，技术先进，分立元件之间的互相干扰极小，图像分辨率很高，动态范围可以和胶 片媲美，使得整体的性能非常高。 它的成像速度较快，适合于移动速度≤ 1m/s的流水线，在工件平移的同时生成透视图像。 但是， CMOS线阵列探测器的成本较方案二要高出很多。 价格较贵，一般用于流水线检测。 因其检测效率和检测精度都较高，是目前自动化检测领域运用最多的一种方案。 一步法保温管纠偏机的设计 14 表 31 三种方案比较 项目 方案一 方案二 方案三 探测器类型 非晶硅平板探测器 非晶硒平板探测器 图像增强器 + CCD 稀土闪烁屏 +CCD 二极管阵列扫描探测器，CMOS阵列扫描探测器 X光机焦点 无要求 微焦点 (≤ ) 小焦点 (≤ 1mm) 无要求 X光机造价 低 贵 低 成像面积 300mm*400mm ф 65mm~145mm 80mm~1800mm 宽长度不限 图像分辨率 7像素 /mm， 3~6Lp/mm 6象素 /mm， ~3Lp/mm 12象素 /mm， 6Lp/mm 动态范围 12~16bit 8~10bit 12bit 图像获取速度 ~ /秒 25~50帧 /秒 800线 /秒 检测速度 7/min≤ ,一般适用静止状态检测 17/min，需要物体被检测时静止 60/min 检测效率 低 中 高 运动方式 静止 间歇性 连续性 适用流水线 否 能 能 信噪比 100dB 33dB 100dB 灵敏度 高 一般 高 探测器造价 昂贵 适中 较贵 自动化检测 否 能 (但检测效率会降低 ) 能 特点 精度高，速度低，价格贵 各项均衡，性能一般 精度高，速度快，价格较贵 发泡位置 传感器选择 经以上分析，三种传感器都可完成本系统的传感检测要求。 但红外传感器对温度过于敏感，不适用于本系统的作业环境。 X射线检测传感器对环境要求最低，检测性能也最好，但是由于其材料具有放射性，可能 对环境和人产生潜在的危害，故其不适宜用于本系统。 超声波传感器综合考虑后，为本系统选择的第一使用方案。 X射线检测传感器中的稀土闪烁屏 (或图像增强器 )+高精度高灵敏 CCD为第二方案，以备不同的生产要求。 一步法保温管纠偏机的设计 15 第四章 纠偏执行机构 的设计 纠偏机的执行机械由四部分组成 :垂直纠偏，水平纠偏，快速开启纠偏环装置，跟踪行走小车部分。 纠偏执行 系统 纠偏系统的分类 在实际应用过程中，按执行机构分有液压执行纠偏和机械执行纠偏两种，按聚乙烯套管外径的大小也可分为大小不同的种类。 一步法纠偏系统中，执行机构通 过接受控制器发出的控制信号，然后推动工作台，从而消除各种偏差。 执行机构的种类很多，一种是以各类电机为动力源的执行机构，其中的电机根据需要可以选择步进电机、直流电机或者永磁同步电机；等另外一种就是有液压伺服、液压缸等力矩大的执行机构，一般用于较重的场合。 纠偏机执行机构的 类型比较 原“一步法”技术中，纠偏机采用多部电动机 (上下、左右、开合、前后 )带动调节机构。 在纠偏时由于周围的环境无法达到很好的防潮防水等问题，对电机的使用造成了不好的破坏，影响生产。 液压纠偏机采用一台普通交流电机带动液压站工作，以 液压站为动力，通过上下、左右、前后、开合四台液压油缸对偏心的泡沫夹克层进行自动纠偏，由于纠偏机中使用的电机数目明显减少，就可大大减少电机因受潮等无法稳定工作的情况。 原机械传动纠偏机由于交流电机的功率问题和传动消耗等问题，无法满足纠偏机对大范围管径的作业要求，管径变化过大时，需换用不同型号的机型。 从而影响了纠偏机的通用性，也无法实现纠偏机在整个系统当中的模块化设计。 本系统使用液压执行机构，工作平稳，力矩较大，使用范围广。 液压纠偏机的运动系统简图 41所示。 图 41 液压纠偏机的运动系统简图 一步法保温管纠偏机的设计 16 液 压执行 系统 的设计 先粗略的计算或模拟结构，根据运动参数初步设定有关结构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计，如此反复得出最终的结构。 假定 G总=6000N。 （一）作垂直和水平运动的液压缸的驱动力 F F=F 摩 + F 密 + F 回 + F 惯 土 G （ G：零部件及工件所受总重力） F 摩 =2F1Ff（ f=） 参照液压缸的工作压力标准，作用在活塞上的压力 5000NF10000N,选用液压缸的工作压力 7 MPa。 F密 ：由于采用不同的活塞杆密封圈，其摩擦力不同；其在采用“ O”型密封圈，活塞杆直径为液压缸直径的 ，活塞与活塞杆均采用“ O”型密封圈。 则液压缸密封处的总的摩擦力为： F 封 1 +F 封 2= （ F：驱动力） F 封 3=P dl P ： 工作压力（单位： Pa） P5MPa μ=～ d:伸缩油管的直径（单位： m） 为保证“ O”型密封圈装入密封沟槽并与配合件接触后起到严格 的密封作用。 在加工密封沟槽时必须考虑密封圈的预备压缩量。 2σ=KdN K=～ L≈ d0 2K2K d0 —— :密封圈材料的直径 L—— 杆与密封圈接触后的弦长 F 回 一般背压阻力较小， F 回 = F 惯 F 惯 =G 总 ∆V/（ g ∆t） G 总 —— 参与运动的零部件所受的总重力（包括工件的不确定的重量） 一步法保温管纠偏机的设计 17 G—— 178。 ∆V—— 由静止加速到常速的变化量 ∆t — 启动过程时间 ,一 般为 ～ （二） 液压分析 技 术 要求：“一步法”工艺保温管全自动纠偏机，其水平和垂直 驱动 都采用液 压 缸。 拟 采用油缸固定的 单杆 液 压 缸 驱动 上下和水平纠偏，完成纠偏环的上下左右运动。 液 压 与电气 配合 实现 的自 动 纠偏，以保证纠偏环的上下左右的位置。 除此还有以下的要求： (1) 运动要平稳，纠偏环闭合时不应有冲击； (2)纠偏环保证位置后，在工作过程中液压机构应保持闭合压力，防止发泡物的发泡力带动纠偏环运动； (3)生产过程中，为保证安全生产，系统应设有锁紧回路。 (4)水平和开合用的液压缸为同一组液压 缸。 工况分析 工况如下表 41所示： 表 41 纠偏机工况分析 工况 行程 速度 时间 运动部件 加速度 m/s178。 空载下降 空载上升 100 ㎜ 100 ㎜ 100mm/s 86mm/s 1s 6000N 6000N m/s178。 m/s178。 带载下降 带载上升 100 ㎜ 100。