大直徑鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)的研制

李殿杰，趙 輝，李勝峰，王金飛，胡日榮

(1.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)新冶高科技集團(tuán)有限公司，北京100081；2.天津天管太鋼焊管有限公司，天津300301)

大直徑鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)的研制

李殿杰1，趙 輝2，李勝峰1，王金飛1，胡日榮1

(1.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)新冶高科技集團(tuán)有限公司，北京100081；2.天津天管太鋼焊管有限公司，天津300301)

為了使焊管生產(chǎn)線更高效地實(shí)現(xiàn)鋼管生產(chǎn)信息追蹤，需要對(duì)成型切斷后的鋼管進(jìn)行標(biāo)識(shí)身份，為此，研制了大直徑鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)。介紹了鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)的工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括一種簡(jiǎn)單可行的噴頭調(diào)整機(jī)構(gòu)以及同時(shí)開發(fā)的配套控制系統(tǒng)。經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，該設(shè)備目前已成功應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。研究及應(yīng)用結(jié)果表明，該鋼管噴號(hào)機(jī)滿足鋼管在線噴印要求，噴印字符清晰，實(shí)現(xiàn)了與MES系統(tǒng)的通訊，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的回溯跟蹤、提升生產(chǎn)線自動(dòng)化水平奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

焊管；大直徑；噴號(hào)機(jī)；制造執(zhí)行系統(tǒng)；調(diào)整機(jī)構(gòu)

隨著鋼管制造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，高端鋼管對(duì)生產(chǎn)信息高效追蹤的要求也日漸提高[1]。要實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中對(duì)鋼管進(jìn)行信息追蹤，以記錄鋼管在各生產(chǎn)工藝中的加工狀態(tài)，就需要給每根鋼管噴印管號(hào)，為其打造生產(chǎn)信息“身份號(hào)”，為制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）提供管號(hào)信息[2-4]。通過對(duì)每根鋼管管號(hào)的跟蹤，把生產(chǎn)過程中的質(zhì)量信息、工藝參數(shù)和生產(chǎn)信息等實(shí)時(shí)流向?qū)?yīng)管號(hào)，便于管理人員準(zhǔn)確地掌握每根鋼管對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)過程信息[5-7]。

目前鋼管生產(chǎn)企業(yè)一般是在成品出庫的時(shí)候才噴印管號(hào)和商標(biāo)等，而在生產(chǎn)過程中沒有噴印管號(hào)和進(jìn)行跟蹤。在JCOE和螺旋鋼管廠，鋼管直徑一般在406 mm以上，多采用機(jī)械手噴印裝置進(jìn)行多行噴印，設(shè)備成本高，維修困難。因此，為了實(shí)時(shí)追蹤鋼管生產(chǎn)過程信息，降低人工操作的工作強(qiáng)度，同時(shí)減小設(shè)備的使用成本，本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，針對(duì)直徑508～1 626 mm的焊管生產(chǎn)機(jī)組開發(fā)了鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，包括鋼管、噴頭機(jī)構(gòu)、測(cè)速機(jī)構(gòu)、管頭感測(cè)機(jī)構(gòu)和管尾感測(cè)機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)。鋼管在輥道上運(yùn)行過程中，噴頭機(jī)構(gòu)利用3套相同的噴頭對(duì)鋼管進(jìn)行噴印。測(cè)速機(jī)構(gòu)用靠模輪緊貼鋼管下表面，與鋼管同步轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量鋼管的前進(jìn)速度，并向控制系統(tǒng)傳送速度信號(hào)。管頭感測(cè)機(jī)構(gòu)和管尾感測(cè)機(jī)構(gòu)分別感測(cè)管頭和管尾是否到達(dá)預(yù)定位置，并向控制系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)上述信號(hào)來控制噴頭機(jī)構(gòu)何時(shí)開始噴印以及噴印的速度。

圖1 鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 三噴頭機(jī)構(gòu)

噴頭機(jī)構(gòu)主要是為了適應(yīng)不同直徑的鋼管，并為噴頭提供安裝支座。因鋼管直徑較大，為了便于有效檢測(cè)出管號(hào)，在鋼管表面沿圓周方向噴印3處管號(hào)，分別位于12點(diǎn)、4點(diǎn)和8點(diǎn)位置，如圖2所示。同時(shí)，為了避免鋼管管號(hào)在后續(xù)輸送過程中被磨損，可在鋼管頭尾均噴印管號(hào)。

圖2 三噴頭機(jī)構(gòu)示意圖

為了便于分析描述3個(gè)噴頭的調(diào)整情況，把12點(diǎn)位置噴頭稱為1#噴頭，4點(diǎn)位置稱為2#噴頭，8點(diǎn)位置稱為3#噴頭。

1#噴頭最容易實(shí)現(xiàn)調(diào)整，只需要垂直上下即可?？蚣芸梢允褂谬堥T架的形式，也可以使用懸臂架結(jié)構(gòu)，因?yàn)閲婎^的質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)質(zhì)量也相應(yīng)的減小，因此，這里采用懸臂架結(jié)構(gòu)框架[8-10]。因?yàn)殇摴苤睆酱螅?#噴頭上下移動(dòng)不便于手工調(diào)整，因此采用電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，使用線型導(dǎo)軌、滾珠絲杠與伺服電機(jī)配合。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 1#噴頭調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運(yùn)動(dòng)，而滑塊又同時(shí)被約束在線性導(dǎo)軌上，進(jìn)而保證了移動(dòng)的精度。通過控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)就可以精確控制滑塊（噴頭支架）移動(dòng)的上下位置。

2#噴頭和3#噴頭相似，現(xiàn)以2#噴頭為例。鋼管直徑變化時(shí)，不同的噴印點(diǎn)形成的路徑稱之為噴印線，當(dāng)輸送輥道為平輥時(shí)，很容易證明鋼管直徑變化時(shí)，噴印位置點(diǎn)也會(huì)沿直線變化，且與豎直中心線成60°夾角（如圖4所示）。

圖5為V形輥道2#噴頭噴印位置示意圖。鋼管輸送輥道基本為V形輥道，隨著鋼管直徑的增大，鋼管的下底面會(huì)變高，噴印點(diǎn)是否還會(huì)沿直線變化，值得研究。

輥道V角中點(diǎn)為A，3個(gè)鋼管的中心為O1,O2和O3,半徑為R1，R2和R3，鋼管與V形輥道的接觸點(diǎn)為切點(diǎn)，分別為B1，B2和B3，噴印點(diǎn)

圖4 平輥2#噴頭噴印位置示意圖

圖5 V形輥道2#噴頭噴印位置示意圖

P1，P2和P3在4點(diǎn)鐘位置。只需證明3條線的斜率相等就可以證明3點(diǎn)共線（證明過程略）。

通過證明，V形輥道的噴印點(diǎn)也在一條直線上，只是與豎直線的夾角不是60°。通過測(cè)量，在輥道夾角為140°時(shí)，噴印線與豎直中心線的夾角是56.8°，因此，可以設(shè)計(jì)噴頭移動(dòng)軌跡與噴印線平行。

通過上面論述，2#噴頭調(diào)整機(jī)構(gòu)的行走線與豎直成56.8°。移動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)采用的噴頭與1#噴頭相似，只是位置較低，把電機(jī)換成手輪。同時(shí)，當(dāng)鋼管規(guī)格更換后，為防止調(diào)整噴頭撞擊到鋼管上，設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)軸，使鋼管先撞擊支架，然后支架繞轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)，避免噴頭損壞。

2.2 測(cè)速機(jī)構(gòu)

圖6 測(cè)速機(jī)構(gòu)示意圖

如圖6所示，測(cè)速機(jī)構(gòu)固定安裝于地面上，支架一端相對(duì)于基座可轉(zhuǎn)動(dòng)，且另一端相對(duì)于基座能夠上下調(diào)節(jié)高度；轉(zhuǎn)輪由支架支撐，并且可相對(duì)于支架旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸線與鋼管前進(jìn)方向垂直；速度傳感器隨轉(zhuǎn)輪一起旋轉(zhuǎn)，并向控制系統(tǒng)傳送鋼管速度信號(hào)。當(dāng)鋼管運(yùn)動(dòng)至測(cè)速機(jī)構(gòu)上方時(shí)，轉(zhuǎn)輪與鋼管緊密接觸，從而使得轉(zhuǎn)輪能夠在鋼管的帶動(dòng)下相對(duì)于鋼管無打滑轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)速度傳感器便能夠精確地測(cè)量鋼管的速度。

在進(jìn)行測(cè)速時(shí)，轉(zhuǎn)輪與鋼管接觸，為了避免轉(zhuǎn)輪對(duì)鋼管造成磨損并增大摩擦系數(shù)，在轉(zhuǎn)輪的外周可包繞一層聚氨酯。

3 控制系統(tǒng)

自動(dòng)噴號(hào)機(jī)的控制系統(tǒng)如圖7所示，主要由操作臺(tái)、集成噴印控制器和PLC控制器等組成。

（1）操作臺(tái)：主要是安裝操作按鈕和指示燈，實(shí)現(xiàn) “噴印、停止、急停、上升、下降”等操作和“來管、故障”等顯示。

（2）集成噴印控制器：由3個(gè)獨(dú)立的集成電路組成，控制噴頭的噴印，同時(shí)通過RS232信號(hào)與工控機(jī)通信。

圖7 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）PLC控制器柜：安裝PLC控制電路，進(jìn)行邏輯控制，接收 “鋼管頭尾信號(hào)、輥道啟停信號(hào)、測(cè)速輪信號(hào)”和控制升降電氣啟停。同時(shí)，通過Profibus-DP接口與工控機(jī)進(jìn)行通訊。

（4）工控機(jī)：選用臺(tái)灣研華產(chǎn)品，是整個(gè)控制的核心?？稍谘兄频牟僮鹘缑嫔线M(jìn)行參數(shù)和工作模式的設(shè)置。鋼管管號(hào)信息的獲取有兩個(gè)模式，一個(gè)是 “本地”模式，在工控機(jī)上人工輸入管號(hào)，并把管號(hào)傳送給噴印控制器；另一個(gè)是“遠(yuǎn)程”模式，通過TCP/IP協(xié)議與MES系統(tǒng)通訊，從MES取得管號(hào)信息，自動(dòng)傳送給噴印控制器。

4 操作實(shí)例

選用φ711 mm的鋼管為例，對(duì)鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)的具體操作和流程進(jìn)行詳細(xì)描述。

（1）做好準(zhǔn)備工作，檢查機(jī)械部件和控制信號(hào)是否符合設(shè)計(jì)要求。

（2）根據(jù)將要噴印的φ711 mm鋼管，調(diào)整好噴頭機(jī)構(gòu)的位置。使得噴頭前表面距鋼管表面20～40 mm。其中1#噴頭調(diào)整在操作臺(tái)上完成，2#和3#噴頭使用人工調(diào)整。

（3）在工控機(jī)上選擇 “本地”或 “遠(yuǎn)程”工作模式，在操作臺(tái)上選擇 “自動(dòng)運(yùn)行”。

（4）當(dāng)鋼管到來時(shí)，管頭感測(cè)機(jī)構(gòu)感測(cè)到鋼管達(dá)到其正上方時(shí)，向PLC傳送相應(yīng)的信號(hào)。

（5）待鋼管運(yùn)動(dòng)至測(cè)速機(jī)構(gòu)處，測(cè)速機(jī)構(gòu)通過速度傳感器測(cè)量出鋼管的前進(jìn)速度，并向控制系統(tǒng)發(fā)送速度信號(hào)。

（6）控制系統(tǒng)可根據(jù)各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的距離和鋼管速度計(jì)算出管頭到達(dá)噴頭機(jī)構(gòu)的時(shí)間，使噴頭機(jī)構(gòu)在鋼管的預(yù)定位置以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行噴印，從而完成管頭噴印作業(yè)。

（7）當(dāng)管尾感測(cè)機(jī)構(gòu)感測(cè)到鋼管的管尾到達(dá)其正前方時(shí)，便向控制系統(tǒng)傳送相應(yīng)的信號(hào)，控制系統(tǒng)便可在管尾位置進(jìn)行噴印，從而完成管尾噴印作業(yè)。

（8）等待下一根鋼管的到來，依次循環(huán)。

噴號(hào)機(jī)的噴頭使用16針的點(diǎn)陣式噴頭，可以噴印的字符高度為25～52 mm。噴頭與測(cè)速輪配套使用，可以應(yīng)用于鋼管最大前進(jìn)速度為90 m/min的生產(chǎn)線。通過設(shè)定可以實(shí)現(xiàn)管號(hào)的正反方向噴印，頭部和尾部還可以交錯(cuò)噴印，具體如圖8所示。

圖8 噴印實(shí)物照片

5 結(jié) 語

研制的鋼管自動(dòng)噴號(hào)機(jī)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，目前已成功應(yīng)用在山東淄博某螺旋焊管廠。該機(jī)能夠適應(yīng)不同直徑和生產(chǎn)速度的鋼管，并能夠噴印出清晰的管號(hào)。同時(shí)，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較高，且制造成本低，與MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無縫連接，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的回溯跟蹤、提升生產(chǎn)線自動(dòng)化水平奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 王曉香.焊接鋼管技術(shù)的新發(fā)展[J].焊管,2011,34（03）:5-11.

［2］韓寶云，胡娜.鋼管管號(hào)識(shí)別技術(shù)對(duì)比分析[J].鋼管,2013（02）： 70-74.

［3］白銳，杜京義.圖像識(shí)別技術(shù)在鋼管焊縫質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)， 2009， 30（06）： 700-703.

［4］黃華貴，王巍.基于數(shù)字圖像處理的鋼管自動(dòng)識(shí)別計(jì)數(shù)系統(tǒng)開發(fā)[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào),2006,30（01）:12-16.

［5］姜曉勇.鋼管測(cè)長(zhǎng)、稱重、噴標(biāo)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)機(jī)械與能源學(xué)院，2003.

［6］李志農(nóng)，李寧寧，唐高松.鋼管測(cè)長(zhǎng)稱重噴標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（05）：42-44.

［7］孫護(hù)軍.運(yùn)動(dòng)鋼管上字符識(shí)別系統(tǒng)及參數(shù)測(cè)量算法研究及實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，2007.

［8］王海東.懸臂式伺服噴標(biāo)控制系統(tǒng)研制[J].機(jī)電工程， 2007， 24（04）： 92-94.

［9］宋紅曉.懸臂式噴標(biāo)機(jī)的研制與開發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

［10］何強(qiáng).大口徑厚壁無縫管綜合測(cè)量及噴標(biāo)系統(tǒng)的研制[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

Research on Automatic Marking Machine for Large Diameter Steel Pipe

LI Dianjie1,ZHAO Hui2,LI Shengfeng1,WANG Jinfei1,HU Rirong1
(1.New Metallurgy Hi-tech Group Co.,Ltd.of China Iron&Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China;2.Tianjin TPCO&TISCO Welding Pipe Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

In the continuous welded pipe production line,in order to trace steel pipe production data more efficiently,the logo identity for the cutting pipe after forming is needed,sot the automatic marking machine for large diameter steel pipe was researched.In this article,it introduced its working principle and system design,including a simple nozzle adjustment mechanism and matched control system.The machine was applied in production site after a great deal of installing and debugging.The research and application results showed the automatic marking machine can meet requirements of online printing and the print numbers are clear.It completed the communication with the MES system.Therefore it laid a solid foundation for tracing the production information and promoting production line automation level.

welded pipe;large diameter;marking machine;manufacturing execution system;adjustment mechanism

TH122;TP271

B

1001－3938（2015）06-0029-04

李殿杰，男，主要從事鋼管工程設(shè)計(jì)和工藝研究工作。

2015-01-02

黃蔚莉