伺服控制跟蹤在螺旋焊管生產(chǎn)線上的應(yīng)用?

王昌龍，陳靖芯，秦永法，竺志大

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引言

傳統(tǒng)的鋼管定長切割多數(shù)采用刀輪機(jī)械跟蹤，在刀輪與鋼管相切滾動的過程中，刀輪在鋼管圓周上留下一道刻痕。只要刻痕有一定深度，就能限制刀輪只沿鋼管圓周方向相切滾動，不會發(fā)生沿鋼管軸線方向的滑移。帶有等離子切割噴槍的小車通過汽缸被刀輪架起，小車被刀輪帶動在軌道上前進(jìn)，噴槍沿鋼管橫斷面切割一周，完成鋼管垂直切斷。

然而，螺旋焊管切割時(shí)，鋼管不僅作周向旋轉(zhuǎn)，還沿軸線伸長，即鋼管上任意一點(diǎn)均作螺線運(yùn)動。

實(shí)際工作中刀輪軸與刀輪之間可能存在機(jī)械間隙、刀輪軸受力后的變形、鋼管受壓力后的凹陷變形，刀輪不能保證在鋼管的一個(gè)橫斷面內(nèi)運(yùn)動，導(dǎo)致切割縫起點(diǎn)與終點(diǎn)不重合，有時(shí)誤差達(dá)到1cm～3cm。［1－3］

機(jī)械間隙總是存在的，而且是難以精確控制的，實(shí)踐表明機(jī)械刀輪跟蹤法很難保證切口斷面垂直于鋼管軸線，起點(diǎn)終點(diǎn)難以重合。本文采用伺服控制跟蹤系統(tǒng)，雖不可能絕對消除誤差，但至少可以調(diào)整跟蹤速度，直到小車與鋼管軸向同步，將誤差控制在切割縫寬度范圍內(nèi)。小車不再靠自重壓在刀輪上，因此不會引起鋼管的失圓變形，也不會使切割路線偏離橫斷面。

1 伺服控制跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原方案小車靠自重被動跟隨刀輪沿鋼管切向運(yùn)動，刀輪相對于鋼管任意橫截面理論上軸向保持靜止，如圖1所示。

新方案中小車采用雙絲杠螺母驅(qū)動機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)通過齒輪減速器帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，螺母帶動小車主動跟蹤鋼管的軸向運(yùn)動，相對于鋼管任意橫截面理論上軸向保持靜止。［4］

圖1 刀輪跟蹤切割示意圖（小車導(dǎo)軌略）

1．1 兩路測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼板從螺旋焊管生產(chǎn)線的鋼卷開平機(jī)出發(fā)，進(jìn)入三輥成型機(jī)之前，采用光電碼盤測出鋼板的前進(jìn)速度v板，如圖2所示。

圖2 總體組成和送板測速傳感器安裝部位

正常生產(chǎn)情況下，鋼板前進(jìn)速度約為2m／min～10m／min，選用直徑Φ10cm的摩擦輪，轉(zhuǎn)速僅為3r／min～15r／min。而采用65 536脈沖／轉(zhuǎn)的光電碼盤測速，則每個(gè)脈沖鋼板前進(jìn)的距離d（mm）為：

由于鋼板前進(jìn)單位距離產(chǎn)生的脈沖數(shù)過少，控制精度低，故采用齒輪增速器加快轉(zhuǎn)速后與碼盤相連。該變速器速比為100∶1，每個(gè)脈沖鋼板前進(jìn)的距離d為0．005mm，使控制精度大大提高。由于直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，因此另一路測速傳感器直接安裝在電機(jī)出軸端，測出小車的實(shí)際運(yùn)行速度。

1．2 帶有等離子噴槍的小車驅(qū)動設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)通過同步帶輪帶動雙絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動含有等離子噴槍的小車以速度v管前進(jìn)。圖3為切割小車、減速器和絲杠螺母行走機(jī)構(gòu)示意圖。

圖3 切割小車、減速器、絲杠螺母行走機(jī)構(gòu)示意圖

設(shè)鋼管直徑為D，鋼板寬度為W。鋼板每卷繞一周鋼管伸長W－L（L為重疊接縫寬度），其與鋼板送板距離之比K為：

其中：α為鋼板開平機(jī)與焊管軸線之間的夾角（螺旋角）。小車前進(jìn)速度v管應(yīng)等于鋼管伸長速度，與鋼板送板速度v板的關(guān)系應(yīng)為：

v管＝K·v板。

本設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)旋鈕微調(diào)鋼板前進(jìn)速度與小車前進(jìn)速度之間的比例系數(shù)K，可以在一定程度上修正機(jī)械誤差。［5］

以鋼板寬度W＝1 250mm，重疊邊L＝20mm，制作直徑D＝1 153mm的鋼管為例，則螺旋角α為：

1．3 送板速度與小車速度比例系數(shù)的調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)系數(shù)K的方法為：

ΔK＝（1－δ／1 230）／0．321 53。

很顯然，切割縫起始點(diǎn)誤差δ＜0說明小車前行過慢；δ＞0說明小車前行過快。實(shí)際操作時(shí)，不必仔細(xì)計(jì)算，可根據(jù)大致誤差程度適當(dāng)調(diào)節(jié)系數(shù)K?？刂凭热Q于光電碼盤的位數(shù)和調(diào)節(jié)旋鈕輸出模擬電壓的A／D采樣位數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在兩路光電碼盤模擬測試裝置上進(jìn)行了伺服跟蹤試驗(yàn)，小車10次跟蹤試驗(yàn)實(shí)際行程見表1。試驗(yàn)表明，該隨動系統(tǒng)切割行走誤差小于1cm，跟蹤精度滿足生產(chǎn)要求。

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)10次跟蹤結(jié)果 m

3 結(jié)論

兩路光電碼盤可以實(shí)現(xiàn)等離子切割小車的行走反饋控制，其控制精度滿足生產(chǎn)要求。

調(diào)節(jié)旋鈕微調(diào)送板速度與小車速度之間的比例系數(shù)，可使跟蹤精度達(dá)到要求。

［1］ 任小龍，邵敏茹．螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)線智能糾偏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．電子測量技術(shù)，2008，31（5）：59－62．

［2］ 羅秀峰．螺旋焊管成型參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007：16－21．

［3］ 趙桂杰．螺旋焊管外焊縫自動跟蹤智能控制系統(tǒng)研究［D］．鞍山：遼寧科技大學(xué)，2008：34－46．

［4］ Gunaraj V，Murugan N．Prediction and comparison of the area of the heat－affected zone for the bead－on－plate and bead－on－joint in submerged arc welding of pipes［J］．Journal of Materials Processing Technology，1999，95（10）：246－261．

［5］ 席文明，鄭梅生，顏景平．視覺引導(dǎo)下的機(jī)器人跟蹤復(fù)雜焊縫的研究［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，30（2）：79－83．