直縫埋弧焊管預(yù)彎形貌實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郝大順， 劉 東， 吳 娟

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣062658）

0 前 言

板邊預(yù)彎是JCOE 直縫埋弧焊管生產(chǎn)線(xiàn)的重要工藝之一， 巨龍鋼管有限公司JCOE 生產(chǎn)線(xiàn)預(yù)彎采用模壓式預(yù)彎技術(shù)， 由兩套漸開(kāi)線(xiàn)式模具分步對(duì)銑好坡口的鋼板兩邊同時(shí)進(jìn)行壓力彎曲變形， 使鋼板兩邊的彎曲半徑達(dá)到或接近生產(chǎn)鋼管規(guī)格的半徑， 從而保證鋼管的成型質(zhì)量。 目前對(duì)預(yù)彎形貌的人工測(cè)量屬于靜態(tài)測(cè)量， 對(duì)一張鋼板抽點(diǎn)檢測(cè)， 需要停機(jī)操作， 存在精度低、 耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。 在實(shí)際生產(chǎn)中， 由于機(jī)械故障或人員因素， 預(yù)彎過(guò)程還會(huì)出現(xiàn)漏步的問(wèn)題， 即鋼板步進(jìn)預(yù)彎過(guò)程中鋼板部分未能預(yù)彎， 此現(xiàn)象若未在JCO 成型前及時(shí)發(fā)現(xiàn)，整根焊管有可能報(bào)廢， 從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 為此， 設(shè)計(jì)了一種預(yù)彎形貌實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能在預(yù)彎過(guò)程中對(duì)鋼板預(yù)彎形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量， 且能在預(yù)彎數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足工藝或發(fā)生漏步時(shí)及時(shí)報(bào)警。 同時(shí)， 該測(cè)量系統(tǒng)能夠自動(dòng)保存測(cè)量數(shù)據(jù)， 便于后續(xù)對(duì)預(yù)彎形貌的追溯、 分析和處理。

1 鋼板預(yù)彎形貌測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 測(cè)量參數(shù)及人工測(cè)量方法

鋼板預(yù)彎板邊形貌如圖1 所示， 測(cè)量參數(shù)主要為弦高H 和直邊長(zhǎng)度D， 其值要求在預(yù)彎工藝要求的范圍內(nèi)。

圖1 鋼板預(yù)彎形貌示意圖

預(yù)彎板邊弦高的傳統(tǒng)人工測(cè)量方法為： 采用300 mm 鋼直尺放置于鋼板邊緣線(xiàn)， 150 mm刻度對(duì)準(zhǔn)板邊緣， 0 基準(zhǔn)靠在彎邊弧段內(nèi)側(cè)，再使用150 mm 鋼直尺測(cè)量， 此時(shí)300 mm 鋼直尺75 mm 刻度處與鋼板彎曲弧段之間的最短距離， 即為鋼板板邊弦高值。 直邊測(cè)量方法為： 使用專(zhuān)用內(nèi)圓弧模板， 如圖2 所示， 使其中部緊靠鋼板， 使用0.1 mm 規(guī)格塞尺塞入模板與鋼板之間， 待無(wú)法再塞入時(shí)測(cè)量塞尺內(nèi)側(cè)到鋼板邊緣長(zhǎng)度， 即為直邊長(zhǎng)度。

圖2 內(nèi)圓弧模板示意圖

1.2 實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

使用三維激光傳感器對(duì)預(yù)彎后鋼板的預(yù)彎邊邊緣輪廓進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量方法如圖3 所示， 激光傳感器置于鋼板預(yù)彎邊正上方， 垂直向下發(fā)出激光， 從而得到預(yù)彎邊輪廓曲線(xiàn)數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)測(cè)量方法示意圖

對(duì)傳感器測(cè)量得到的鋼板預(yù)彎邊輪廓線(xiàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值、 中值的計(jì)算和高斯濾波處理， 最終得到輪廓數(shù)據(jù)線(xiàn)v， 如圖4 所示。

圖4 鋼板預(yù)彎邊輪廓線(xiàn)示意圖

鋼板邊緣點(diǎn)PE的坐標(biāo)為（xPE， yPE）， 在輪廓線(xiàn)內(nèi)找點(diǎn)A（xA， yA）， A 點(diǎn)至邊緣點(diǎn)PE的直線(xiàn)長(zhǎng)度為150 mm， 即

已知點(diǎn)PE和A 點(diǎn)坐標(biāo)， 則弦線(xiàn)中點(diǎn)坐標(biāo)為

搜索輪廓線(xiàn)上距離該弦線(xiàn)中點(diǎn)距離最短的點(diǎn)P （xP， yP）， 該點(diǎn)至弦線(xiàn)中點(diǎn)的長(zhǎng)度即弦高， 表示為

設(shè)想存在一個(gè)半徑為R 的 “模板圓”， 為鋼管內(nèi)半徑， 該圓圓心C 沿弦高所在直線(xiàn)L逐步向鋼板方向逼近， 直到該圓圓周上的點(diǎn)與鋼板直邊接觸為止， 如圖4 所示。 接觸點(diǎn)為PT， 然后從接觸點(diǎn)PT開(kāi)始， 向鋼板的邊緣點(diǎn)PE的方向搜索， 可找到輪廓線(xiàn)上距離 “模板圓” 圓 周 距 離≥0.1 mm 的 第 一 個(gè) 點(diǎn)PD（xD，yD）， PD與鋼板的邊緣點(diǎn)PE的距離即直邊長(zhǎng)度， 表示為

生產(chǎn)過(guò)程中隨著鋼板的運(yùn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)彎形貌的實(shí)時(shí)測(cè)量， 將測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在輸出界面上， 對(duì)不合格數(shù)據(jù)突出顯示提醒， 當(dāng)測(cè)量弦高值小于輸入的漏步標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)， 即判定鋼板預(yù)彎發(fā)生漏步， 系統(tǒng)報(bào)警提示操作人員檢查， 實(shí)現(xiàn)了測(cè)量評(píng)定的自動(dòng)化、 一體化。

2 鋼板預(yù)彎形貌測(cè)量系統(tǒng)組成

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

鋼板預(yù)彎形貌測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5 所示， 主要包括固定支架、 固定底座和滑動(dòng)軌道， 整個(gè)機(jī)構(gòu)安裝在預(yù)彎?rùn)C(jī)出口的鋼板輸送輥道間隙處， 靠近預(yù)彎?rùn)C(jī)， 兩側(cè)各一組。 將三維激光傳感器固定在固定支架上， 使其位于鋼板預(yù)彎邊正上方， 保證光源垂直鋼板向下發(fā)射，機(jī)構(gòu)能通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)固定支架和激光傳感器在滑動(dòng)軌道上移動(dòng)， 滿(mǎn)足不同規(guī)格直縫埋弧焊管的生產(chǎn)要求。

圖5 鋼板預(yù)彎形貌測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 硬件系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)主要硬件有三維激光傳感器、 計(jì)算機(jī)、 PLC 控制器、 光電編碼器、 伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器， 其中激光傳感器和計(jì)算機(jī)組成測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)， PLC 控制器、 伺服電機(jī)、 伺服驅(qū)動(dòng)器和光電編碼器組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

Φ508 mm～Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)彎邊寬度較大， 生產(chǎn)工況惡劣， 鋼板存在翹邊、 變形等情況， 一般的三維激光傳感器無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量要求。 綜合考慮測(cè)量范圍、 測(cè)量距離和分辨率等因素， 傳感器選擇德國(guó)AT公司的CS-2040CS30-330 型激光傳感器， 視野243～416 mm， 工作距離為400 mm， 測(cè)量距離為300 mm， 水平分辨率161 μm， 垂直分辨率為5.0 μm， 線(xiàn)性度0.01 mm， 重復(fù)精度2.6 μm， 工作電壓10～24 V。

PLC 控制器選用西門(mén)子S7-300 型， 安裝CP343 以太網(wǎng)通訊模塊， 實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的通訊。 伺服選用MSME012GCA 型松下伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器， 額定功率100 W， 工作電壓200 V， 響應(yīng)頻率2.0 kHz， 驅(qū)動(dòng)器采用串口RS485 和PLC 控制器通訊， 實(shí)現(xiàn)激光傳感器測(cè)量位置的精確定位。 光電編碼器選用REC80B型增量編碼器， 安裝在輸送輥道中間隨鋼板運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)， 每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)1 024， 計(jì)量鋼板運(yùn)動(dòng)距離， 鋼板每運(yùn)動(dòng)200 mm 測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)記錄一次預(yù)彎邊形貌數(shù)據(jù)。

2.3 軟件系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)軟件模塊劃分如圖6 所示， TCP Client 有兩個(gè)端口， 分別對(duì)應(yīng)于PLC 控制器和激光傳感器， 使用TCP/IP 通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。鋼板位置模塊利用PLC 控制器及光電編碼器監(jiān)測(cè)鋼板運(yùn)動(dòng)位置， 鋼板每運(yùn)動(dòng)200 mm 測(cè)量模塊觸發(fā)激光傳感器對(duì)預(yù)彎邊測(cè)量， 數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)激光傳感器得到的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 計(jì)算得到弦高值和直邊值， 結(jié)果判定輸出模塊將計(jì)算值和輸入的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比， 判定是否滿(mǎn)足工藝要求及是否發(fā)生漏步， 當(dāng)前結(jié)果顯示在輸出界面上并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖6 鋼板預(yù)彎形貌測(cè)量系統(tǒng)軟件模塊示意圖

測(cè)量系統(tǒng)以Visual Studio.NET 作為開(kāi)發(fā)工具， 軟件主要具有數(shù)據(jù)分析、 結(jié)果顯示、 保存、 查詢(xún)及參數(shù)設(shè)置等功能， 圖7 所示為測(cè)量系統(tǒng)界面。

圖7 鋼板預(yù)彎形貌測(cè)量系統(tǒng)顯示界面

3 應(yīng)用效果

鋼板預(yù)彎形貌測(cè)量系統(tǒng)安裝完成后， 在車(chē)間進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。 對(duì)所生產(chǎn)的Φ508 mm×10 mm、Φ711 mm×14.2 mm、 Φ1 219 mm×27.5 mm 以及Φ1 422 mm×28.2 mm 四種規(guī)格的直縫埋弧焊管預(yù)彎形貌進(jìn)行測(cè)量， 生產(chǎn)過(guò)程中每隔2 h 人工測(cè)量一次， 并與系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)校驗(yàn)， 表1～表4為四種規(guī)格焊管其中一次的校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表1～表4 測(cè)量結(jié)果可以看出， 對(duì)于同一張預(yù)彎鋼板的板邊弦高H 和直邊D， 系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)和人工測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致， 這種一致性在長(zhǎng)時(shí)間試運(yùn)行過(guò)程中得到驗(yàn)證， 表明系統(tǒng)能滿(mǎn)足預(yù)彎工藝測(cè)量要求， 具有較高的測(cè)量精度。 在試運(yùn)行過(guò)程中， 測(cè)量系統(tǒng)多次對(duì)不符合工藝要求和預(yù)彎漏步情況發(fā)出報(bào)警， 結(jié)果得到驗(yàn)證。

表1 Φ508 mm×10 mm 直縫埋弧焊管測(cè)量校驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 Φ711 mm×14.2 mm 直縫埋弧焊管測(cè)量校驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 Φ1 219 mm×27.5 mm 直縫埋弧焊管測(cè)量校驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 Φ1 422 mm×28.2 mm 直縫埋弧焊管測(cè)量校驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

基于激光技術(shù)設(shè)計(jì)的鋼板預(yù)彎形貌實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)， 能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量鋼板預(yù)彎的主要參數(shù)， 測(cè)量精度高， 并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)不符合工藝要求和預(yù)彎漏步情況。 該測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用， 降低勞動(dòng)強(qiáng)度， 提高生產(chǎn)效率， 同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)能夠自動(dòng)保存測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)提高直縫埋弧焊管的成型質(zhì)量具有重要意義。