預(yù)精焊螺旋焊管精焊機(jī)組焊縫跟蹤方式研究

李 強(qiáng)

（中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

預(yù)精焊螺旋焊管精焊機(jī)組焊縫跟蹤方式研究

李 強(qiáng)

（中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

兩步法預(yù)精焊生產(chǎn)是螺旋埋弧焊管生產(chǎn)的一個重要發(fā)展方向，而焊縫自動跟蹤是精焊機(jī)組自動控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。通過對跟蹤系統(tǒng)跟蹤原理的分析與焊縫跟蹤驅(qū)動方式的介紹，說明了精焊機(jī)組焊縫跟蹤的實現(xiàn)原理。最后，介紹了一種內(nèi)焊跟蹤外置的跟蹤方式，并對其優(yōu)缺點進(jìn)行了簡單的分析。

焊管；精焊機(jī)組；焊縫跟蹤；內(nèi)焊跟蹤外置

0 前 言

焊縫跟蹤系統(tǒng)是螺旋焊管精焊機(jī)組自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，直接關(guān)系到鋼管的焊接質(zhì)量。焊縫跟蹤包括焊縫水平位置跟蹤和焊槍高度跟蹤兩部分。其中水平跟蹤用于保證焊接在坡口的中心位置進(jìn)行，而高度跟蹤用于保證焊絲的干伸長保持不變，控制電弧穩(wěn)定燃燒。

目前，鋼管制造企業(yè)普遍使用的精焊焊縫跟蹤系統(tǒng)是英國META公司生產(chǎn)的激光跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過與精焊系統(tǒng)使用的西門子PLC進(jìn)行通訊，控制跟蹤滑板的運行，實現(xiàn)了內(nèi)、外焊焊槍的自動跟蹤控制。

1 焊縫跟蹤系統(tǒng)工作原理

焊縫跟蹤控制由META跟蹤系統(tǒng)和機(jī)頭滑板控制系統(tǒng)兩部分共同完成。META跟蹤系統(tǒng)由激光跟蹤傳感器、跟蹤信號處理電腦、PLC控制器及觸摸顯示屏等元件組成，其系統(tǒng)跟蹤界面如圖1所示。系統(tǒng)通過激光跟蹤傳感器采集焊縫的圖像信號，將采集到的模擬量傳送到控制電腦進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與分析處理，根據(jù)觸摸屏上預(yù)制的跟蹤方式與跟蹤參數(shù)，按照一定的算法進(jìn)行運算，最后將控制指令通過PLC控制器發(fā)送給精焊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制驅(qū)動滑板運行，驅(qū)動滑板帶著焊槍移動實現(xiàn)焊縫的自動跟蹤控制。

圖1 META跟蹤系統(tǒng)界面

1.1 焊縫跟蹤系統(tǒng)檢測原理

焊縫跟蹤系統(tǒng)通過激光跟蹤傳感器對焊縫的位置和高度進(jìn)行檢測，檢測原理如圖2所示。激光跟蹤傳感器探頭中含有一個攝像機(jī)以及有一個或兩個激光器。激光器作為光源，會發(fā)出一束激光到傳感器下方的工件表面上。激光束以一定角度照射到工件表面，后被工件表面反射。在攝像機(jī)的前面裝有一個濾光片，該濾光片允許激光透過，但會濾除包括焊接電弧在內(nèi)的其他類型的光，以此采集激光束。

圖2 激光傳感器檢測原理示意圖

從圖3 META跟蹤監(jiān)測原理可以看出，如果工件距離傳感器很近，激光跟蹤傳感器會調(diào)整激光束角度，使落在工件上的激光束位置將向前移動。反之，則調(diào)整激光束角度使其落在工件表面的位置將向后移動。攝像機(jī)直接觀察激光束，因此能夠測量傳感器同其下工件的距離。通過工件上條紋的形狀，也能夠看出工件表面的輪廓，以及焊縫的位置，以此使傳感器能夠測量焊縫到邊緣的距離。

圖3 META跟蹤檢測原理

1.2 焊縫跟蹤信號處理與控制

焊縫激光跟蹤傳感器與一臺工業(yè)PC機(jī)連接，將檢測到的模擬信號傳送給PC機(jī)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行處理。操作人員可以在觸摸屏界面（如圖4所示）對跟蹤參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如坡口類型、校正增益以及跟蹤速度等。跟蹤系統(tǒng)PC機(jī)把采集到的坡口信息，根據(jù)設(shè)定的跟蹤參數(shù)，按照一定的算法進(jìn)行計算，最后將跟蹤控制信號傳送至PLC，再轉(zhuǎn)化為±10 V的模擬量控制信號發(fā)送給精焊焊接控制系統(tǒng)，以控制跟蹤滑板。

圖4 跟蹤參數(shù)設(shè)定界面

2 精焊焊槍驅(qū)動系統(tǒng)組成

2.1 焊槍移動機(jī)構(gòu)組成

精焊內(nèi)、外焊的焊槍分別安裝在內(nèi)、外焊的二維驅(qū)動滑板上，隨著驅(qū)動滑板移動實現(xiàn)對焊縫的跟蹤。驅(qū)動滑板分為縱向移動滑板和高度移動滑板，分別控制焊槍的位置跟蹤與高度跟蹤?；寰扇馑欧姍C(jī)驅(qū)動。

2.2 焊接控制系統(tǒng)

精焊焊接控制系統(tǒng)由西門子S7-300系列PLC、研華工控機(jī)和三菱伺服控制器等控制元件構(gòu)成。從跟蹤系統(tǒng)發(fā)出的控制信號，經(jīng)過焊接系統(tǒng)PLC的處理與計算，通過三菱伺服控制伺服電機(jī)運行，帶動機(jī)頭移動。

由于激光跟蹤傳感器安裝在焊槍附近，會隨著焊槍一起運行，因此跟蹤系統(tǒng)檢測到的偏差可以近似等于焊槍的實際偏差。

在焊接過程中，焊縫跟蹤可以使用自動跟蹤與手動跟蹤兩種模式，并可以自由切換。在自動跟蹤模式下，焊槍滑板的運行完全由跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行控制，自動對焊接位置和焊槍高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在鋼管坡口情況不理想，自動跟蹤無法很好地識別焊縫的情況下，可以通過旋鈕將控制模式切換到手動。

在手動模式下，操作人員通過十字手柄對機(jī)頭的縱向和高度滑板進(jìn)行操作，實現(xiàn)焊縫的手動跟蹤。這時，機(jī)頭將按照預(yù)先在精焊機(jī)組觸摸屏上設(shè)定的速度運行。

由于跟蹤傳感器與焊槍安裝在同一個移動滑板上，手動干預(yù)滑板運行后，激光跟蹤的參考點也會跟著改變。此時若要恢復(fù)自動跟蹤，需在META跟蹤系統(tǒng)的觸摸屏上重新設(shè)定新的跟蹤參考點，再將跟蹤方式切換到自動。這樣跟蹤系統(tǒng)就會按照重新選定的參考位置進(jìn)行自動跟蹤。

3 內(nèi)焊跟蹤外置

一般情況下，激光跟蹤傳感器與焊槍安裝在同一個滑板上，與焊槍一起運行。由于螺旋管精焊焊接過程為內(nèi)外焊同時進(jìn)行，內(nèi)焊跟蹤鋼管內(nèi)坡口，外焊則跟蹤外坡口。但在生產(chǎn)小直徑薄壁厚鋼管時，由于原料壁厚較薄，在銑邊成型時內(nèi)、外坡口形貌很難同時保證，導(dǎo)致坡口變化較大，對精焊焊縫跟蹤和焊接質(zhì)量造成了很大影響。在這種情況下，由于伺服電機(jī)具有很好的控制精度和同步性能，于是出現(xiàn)了內(nèi)焊跟蹤外置的解決方案。

內(nèi)焊跟蹤外置就是指內(nèi)焊縫激光跟蹤傳感器安裝在與內(nèi)焊槍位置對應(yīng)的鋼管外側(cè)，在外部增加一個一維移動滑板帶動跟蹤傳感器運行，通過檢測外坡口位置控制內(nèi)焊槍同步移動，達(dá)到內(nèi)焊縫跟蹤的目的，其外觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 內(nèi)焊跟蹤外置外觀結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 內(nèi)焊跟蹤外置實現(xiàn)原理

在這種跟蹤方式下，安裝在外跟蹤滑板上的激光跟蹤傳感器通過對外焊縫進(jìn)行檢測，將跟蹤信號傳送給焊接控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)過計算，發(fā)出命令控制外跟蹤滑板運行。外跟蹤滑板帶動激光跟蹤傳感器移動，保證了系統(tǒng)對焊縫位置的定位與跟蹤。在外跟蹤滑板上安裝有編碼器，可以實現(xiàn)跟蹤偏差位置信號的采集。

使用內(nèi)焊外跟蹤的方式，要求內(nèi)焊槍所在的內(nèi)部縱向滑板也必須安裝有編碼器。這樣在外跟蹤滑板實現(xiàn)對內(nèi)焊點外側(cè)焊縫進(jìn)行跟蹤時，內(nèi)焊槍所在的縱向滑板也根據(jù)外滑板的偏差信號進(jìn)行同步運行，保證焊槍對焊縫的跟蹤。

3.2 內(nèi)焊跟蹤外置焊槍高度跟蹤實現(xiàn)

由于激光跟蹤傳感器安裝在鋼管外側(cè)，與內(nèi)焊機(jī)頭不在同一水平位置，在水平方向上可以指導(dǎo)內(nèi)焊滑板進(jìn)行跟蹤，但檢測的距鋼管表面距離已無法代表焊槍的實際高度，因此焊槍的高度跟蹤需要增加另外的傳感器來實現(xiàn)。

解決方案是在焊槍所在的高度跟蹤滑板上安裝一個激光測距傳感器，用于檢測內(nèi)焊槍距鋼管內(nèi)表面的高度。傳感器可以把檢測到的距離信號轉(zhuǎn)化為4～20 mA的模擬量信號，傳送給精焊控制系統(tǒng)PLC的模擬量輸入模塊SM331。模擬量模塊可以把4～20 mA的模擬信號轉(zhuǎn)換為0～27 648范圍內(nèi)的數(shù)字信號，通過數(shù)字濾波與計算，可以得到焊槍的實際高度。通過與觸摸屏上設(shè)定的預(yù)置參數(shù)進(jìn)行比較，利用西門子PID功能塊進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)，實現(xiàn)焊槍的高度自動跟蹤。

3.3 內(nèi)焊跟蹤外置的優(yōu)缺點

通過跟蹤外置的方式實現(xiàn)內(nèi)焊槍對焊縫的跟蹤，使激光跟蹤傳感器的跟蹤目標(biāo)與外焊相同，全部為跟蹤外坡口。這樣在預(yù)焊銑邊和成型時，只需要保證外坡口的形貌，即可使精焊內(nèi)外焊縫跟蹤達(dá)到一個理想的效果，提高了焊縫跟蹤的精度與跟蹤質(zhì)量。

但在鋼管成型不太理想的情況下，如果內(nèi)外坡口存在公母坡口的現(xiàn)象，內(nèi)外焊點就可能不在同一點上。這時即使外焊縫跟蹤效果非常好，也會導(dǎo)致內(nèi)焊焊偏的情況出現(xiàn)。因此預(yù)焊鋼管的成型質(zhì)量仍然是精焊實現(xiàn)自動跟蹤與提高焊接質(zhì)量的一個重要因素。

4 結(jié) 語

綜上所述，焊縫自動跟蹤是保證精焊焊接質(zhì)量的一個重要因素，而良好的預(yù)焊坡口質(zhì)量是精焊跟蹤和焊接質(zhì)量的一個有力保證。通過使用焊縫跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)實際情況選擇合理的跟蹤方式，對精焊焊接質(zhì)量的提高和實現(xiàn)全自動運行具有非常重要的意義。

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Study on Weld Tracking Mode of Finish Welding Unit in SAWH Pipe Two-step Welding Process

LI Qiang
（Zhongyou BSS(Qinghuangdao)Petro-pipe Co.,Ltd.,Qinghuangdao 066206,Hebei,China)

Two-step welding process is an important development direction for SAWH pipe production,and weld automatic tracking is an important part of finish welding automatic control system.In this article,it analyzed the working principle of weld automatic tracking system,introduced the drive mode of weld tracking system,and explained the implement principle of finish welding unit weld tracking.Finally,it introduced a kind of inside weld tracking system,which was installed outside steel pipe,and briefly introduced the advantages and disadvantages of the above tracking system.

welded pipe;finish welding unit;weld tracking;inside weld tracking system installed outside steel pipe;

TP273

B

1001－3938（2015）05-0026-04

李強(qiáng)（1984—），男，河北秦皇島人，工程師，2008年畢業(yè)于燕山大學(xué)自動化專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事螺旋焊管預(yù)精焊生產(chǎn)線電氣設(shè)備管理與自動化研究工作。

2014-08-13

張 歌