金屬管棒直線度精準測量智能化設計

湯威，鄭海濤，邵錫

（湖州市質量技術監(jiān)督檢測研究院，浙江 湖州 313000）

1 研究設計的目的和意義

智能制造，高質量發(fā)展是我們這個時代的主題，制造業(yè)的高質量發(fā)展尤為重要，隨著德國工業(yè)4.0概念的提出，日本精益生產(chǎn)的不斷精細化，我國制造業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)和機遇，金屬棒材、管材是制造業(yè)的基礎材料，提高基礎材料的制造品質、質量水平，檢驗檢測很關鍵，直線度作為精密設備及醫(yī)療器械，儀器用金屬棒材，管材的關鍵技術指標，長期以來我們都是粗略式檢測、目視化驗收，所以對直線度有精準要求的管材和棒材，我們國內目前仍以進口為主。目前主要的檢測方式有人工手動檢測和紅外線檢測，人工手動檢測成本較低，但是無法滿足精密檢測精度要求且自動化水平低下，而紅外線檢測投入成本又巨大，無法市場化；目前對于金屬管材，棒材精度的檢測還存在如下缺點：無法同時進行檢測管材、棒材的長度尺寸和直線度。

本次研究目的和意義在于解決現(xiàn)有金屬管材，棒材直線度檢測技術的不足，針對傳統(tǒng)的檢測方法，難以精確測量精密管材、棒材尺寸以及直線度的問題，研究設計一種檢測精度高、操作方便、生產(chǎn)效率高、自動化水平高的金屬管棒直線度在線檢測設備，解決行業(yè)長期以來的技術瓶頸，研究采用金屬管材作為設計開發(fā)的樣品進行儀器裝置的開發(fā)。

2 金屬管在線檢測裝置

2.1 設計思路

研制一套在線自動測量裝置，解決傳統(tǒng)測量方式存在測量速度慢、自動化程度低、測量精度低等問題。針對金屬管生產(chǎn)過程中鋼管的長度尺寸較難測量與控制，設計一個由光柵尺、大理石基座、固定測量軸和移動測量軸組成的測量裝置，為了解決金屬管管面直線度測量難題，在測量裝置上設計一個與光柵尺平行的可移動軸，在可移動軸上裝配位移傳感器，其間配置PLC控制系統(tǒng)以及驅動電機使裝置測量過程全部實現(xiàn)自動化，并能通過PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，將結果顯示在人機界面之中，數(shù)據(jù)也可以通過人機界面人為進行刪選。

經(jīng)過設計，本裝置測量系統(tǒng)硬件部分由PLC、驅動電機、大理石平臺、光柵尺、位移傳感器、可觸人機界面和多個電氣元件組成。

圖1 金屬管測量裝置設計

2.2 控制系統(tǒng)PLC

Programmable Logic Control就是目標研究對象的外文總稱，也就是可以進行自主控制的控制設備，包含的程序類別較多，例如邏輯、順序把控、計數(shù)、計算，等等，都是涵蓋在其中的。很多指令形式在存儲器中進行存放，結合存儲的實際情況，借助一系列的操作，例如模擬操作、數(shù)字處理，等等，實現(xiàn)對目標生產(chǎn)設備以及生產(chǎn)流程的掌控。PLC促進工業(yè)控制應用活動的高效展開，直接將傳統(tǒng)的繼電器設備取而代之。而控制構件的核心硬件組成作為系統(tǒng)整體的運行組成，與機械部分的接口連接起來，與前面所講的組成一道成為了整體設備自動控制工作的重要根本，促進整體構架、硬件的選擇、搭配等工作的高效展開。當然，將實際要求充分滿足的背景下，悉心研究，將框架內部不同組分的硬件原理以及能夠實現(xiàn)的供能詳細明確，選型工作需要細心再細心，發(fā)揮控制組分的優(yōu)勢，實現(xiàn)可靠性、經(jīng)濟性的結合。在本裝置研究中，選用XC3-48T-E該型號的PLC，可以有效地控制電機的運動、位移傳感器的運行，對位移傳感器和光柵尺的數(shù)據(jù)進行采集，將采集的數(shù)據(jù)進行處理和記錄，然后反饋到人機界面中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。

2.3 PLC系統(tǒng)運動驅動

通過對現(xiàn)有的幾種運動控制方案進行比較和分析，結合現(xiàn)在運動控制水平的發(fā)展現(xiàn)狀以及對系統(tǒng)功能指標的考慮，方案選擇基于ARM和FPGA雙核處理器進行嵌入式PLC運動控制系統(tǒng)的設計。

整個系統(tǒng)主要包括主控模塊、通信模塊、驅動模塊、輸入輸出模塊、反饋模塊等。主控模塊由ARM和FPGA及其最小系統(tǒng)和部分接口電路組成，是控制系統(tǒng)的核心部分。ARM為主CPU，能夠對整個系統(tǒng)進行通信的控制和反饋信息的處理；FPGA為從CPU，主要負責PWM脈沖信號的進給控制，通過接收運動控制命令及對運動參數(shù)進行解析，根據(jù)解析結果進行PWM脈沖輸出，保證運動控制信號的精確性。通信模塊的主要作用是把主控制裝置的數(shù)據(jù)執(zhí)行電平轉換，使其能夠更好地傳輸，方便主控單元與外圍設備進行信息的傳輸交換。本次設計主要利用USB和CAN總線兩種通信模式。驅動模塊的主要作用是把FPGA的信號執(zhí)行電平轉換，使其能夠轉換成能夠驅動電機工作的信號。反饋模塊主要負責將采集的電機實際運行信息反饋給主控單元，主控單元獲得運行信息進行邏輯判斷，如發(fā)生異常則適時作出控制調整，如運行正常則按照原來控制命令繼續(xù)輸出，如此循環(huán)往復形成一個完全閉環(huán)控制。輸入輸出模塊的作用是將經(jīng)過邏輯判斷產(chǎn)生的結果輸出給外部設備或將采集到的外部信號量傳遞給主控單元。

2.4 光柵尺與位移傳感器的應用

光柵尺位移測量系統(tǒng)包括頻差穩(wěn)定的激光光源（He-Ne dual-frequency laser）、結構緊湊的光柵尺（Encoder）、可靠的光電探測電路（Receiver）和高速實時的激光軸卡（Laser axis board）。

激光光源輸出頻差穩(wěn)定的線偏振方向相互垂直的雙頻激光，一束作為參考差頻信號直接由光電探測電路接收，另一束經(jīng)光纖傳輸至光柵尺。光柵尺作為測量系統(tǒng)中的核心部件，基于光柵多普勒效應和光學干涉原理實現(xiàn)位移測量，輸出包含光柵（Grating）和讀頭（Head）間的相對位移信息的光學干涉信號，并經(jīng)光纖傳輸至光電探測電路。激光軸卡接收轉換后的模擬電信號，并進行差分運算、數(shù)字采樣和電子細分，經(jīng)位移測量模型計算出光柵和讀頭間的相對位移。

其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應速度快的特點。直線光柵尺是依據(jù)相對運動的原理來產(chǎn)生光信號，這些信號經(jīng)過光電器件的轉換處理后，用來檢測機械裝置的位移。

位移傳感器具有測量精度高、體積小等優(yōu)點，其在很多場合有廣泛應用，無論是測量長度、高度、厚度、間距或直線位移，還是在精度檢測站、設備標定等方面，都能夠實現(xiàn)快速、精確和可靠的測量。

2.5 測量原理

（1）金屬管長度測量。將測量裝置復位，此時移動端測量軸所在光柵尺上的實時讀數(shù)為A0，將被檢金屬管安裝在測量裝置的V型塊上，左端管面與固定端測量軸相接觸，通過人機界面運行裝置進行測量，裝置通過PLC控制驅動電機移動，使移動端測量軸向固定端靠攏，接觸金屬管右端時，

有讀數(shù)。此時，移動端測量軸位移值為r，得此金屬管樣品長度為：

圖2 金屬管測量裝置原理

（2）金屬管管面平行度測量。將被檢金屬管安裝在測量裝置的V型塊上，使位移傳感器接觸金屬管管面，在人機界面中設置平行度采點間隔，啟動后，每個點相對于水平位置的誤差會被記錄，其中最大值為Ymax，最小值為Ymin，得此金屬管管面平行度為：

3 電機選型

按工作要求和條件，選用三相籠型異步電動機，封閉式結構，電壓380V，Y型。

3.1 選擇電動機的容量

估算由電動機至運輸帶的傳動的總效率為

根據(jù)實驗指導書查得

η1為聯(lián)軸器的傳動效率初選η1=0.98

η2為軸承傳動的傳動效率η2=0.99

η3為蝸桿的傳動效率η3=0.80

η4為卷筒的傳動效率η4=0.96

ηa=0.982×0.993×0.80×0.96=0.72

3.2 確定電動機

由已知可以計算出卷筒的轉速為此表中可以發(fā)現(xiàn)這種傳輸?shù)膫鲃颖葹?-40。故可推算出電動機的轉速的可選范圍為：查《機械設計手冊》，滿足此范圍的同步速度為：1500r/min，3000r/min。如表1。

表1 電動機的主要性能

綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸，再結合質量比，傳動要求，很輕松就可以看出第三類是理想選擇，所以具體的型號是Y132M-4。該電動機的主要尺寸和安裝尺寸如表2（裝配尺寸圖參考《機械設計手冊》）。

表2 電動機的外型及尺寸

4 絲桿的選型

4.1 絲桿副的載荷及轉速計算

導軌靜摩擦力：

式中，M為工件及工作臺質量，經(jīng)計算約M為500kg；f為導軌滑塊密封阻力，按4個滑塊，每個滑塊密封阻力5N。

由于這些設備的基本應用方向就是在檢測方面，所以在進行絲杠工作的時候，并沒有切削力的影響，而檢測的速度也是相對均勻的，其中的阻力來自摩擦阻力。則有：

滾珠絲杠副的當量載荷：

滾珠絲杠副的當量轉速：

4.2 絲桿副預期額定動載荷

4.2.1 按絲桿副的預期工作時間計算

式中，nm為當量轉速，nm=60·v/Ph=60×25/10=150rpm；Lh為預期工作時間，測試機床選擇20000小時；fw為負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇fw=1；fa為精度系數(shù)，2級精度選擇fa=1；fc為可靠性系數(shù)，一般選擇fc=1。

4.2.2 按絲桿副的預期運行距離計算

式中，LS為預期運行距離，一般選擇LS=25×103m。

4.2.3 按絲桿副的預加最大軸向負載計算

式中，fe為預加負荷系數(shù)，輕預載時，選擇fe=8.2；Fmax為絲杠副最大載荷。

4.3 估算絲桿的最大允許軸向變形量dm

4.4 估計算絲桿副的螺紋底X

根據(jù)X向運動行程為2200mm，可計算出兩個固定支承的最大距離：

按絲桿安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：

式中，F(xiàn)0為導軌靜摩擦力，F(xiàn)0=108.2N；L為滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=1580mm

4.5 導程精度的選擇

根據(jù)X向運動的定位精度要求達到0.005mm/1000mm，則任意300mm。長度的導程精度為0.0015mm。

5 金屬管測量裝置的整體總裝圖（圖3）

6 基于PLC的自動測量金屬管棒裝置存在的問題及解決方案

6.1 自動測量金屬管棒裝置在實際運用環(huán)節(jié)還是存在不理想之處

（1）精確程度待與進一步提升。一旦控制的精確程度不理想，那么長時間處于運行的狀態(tài)，會使得控制組成的線路結構以及涉及的機械組分發(fā)生直接老化，這就使得控制工作的準確程度受到嚴重干擾，控制的準確程度無法得到充分保障。信息的可靠性接收的目標難以實現(xiàn)，信息接收的不可能，那么久會出現(xiàn)判斷不正確的情況。更關鍵的是接線位置以及觸點之間的狀態(tài)不理想，操作現(xiàn)場的設備開關得不到高效控制，直接關閉，這就使得PLC系統(tǒng)的運行不正常，造成的問題更為嚴重。

（2）運行過程不完善。在裝置的環(huán)節(jié)中，執(zhí)行活動的展開，負責負載控制的設備出現(xiàn)嚴重問題，再或者是由于其他干擾的不利威脅，導致PLC所傳達出來的號令在傳輸?shù)蕉丝谖恢玫沫h(huán)節(jié)出現(xiàn)明顯的中斷情況，更糟糕的是直接丟失，使得控制系統(tǒng)根本不能將原有的動作口令詳細操作。此外，裝置內部有部分設備有不同類別的故障的出現(xiàn)，再加上接觸不良時常發(fā)生，極大地干擾了系統(tǒng)整體的運行可靠性。

（3）維修管理不到位。裝置在詳細應用環(huán)節(jié)中，由于運行環(huán)節(jié)時間較長，所以無論是維修的次數(shù)還是管理的次數(shù)都不多，這就使得整個系統(tǒng)長時間處于超壓的和運行狀態(tài)，沒有專業(yè)素養(yǎng)過硬的維修人員的維修保養(yǎng)支持，使得自動測量金屬管棒裝置設備無法實現(xiàn)定期維修，給其運行埋下了安全隱患。

6.2 自動測量金屬管棒裝置針對問題的解決方案

（1）輸入的信號的穩(wěn)定性亟待提升。實現(xiàn)PLC系統(tǒng)的完善和優(yōu)化，不僅要強調信號輸入環(huán)節(jié)的可靠與穩(wěn)定，還應該具體問題具體分析，實現(xiàn)對主界面控制功能模塊的實時更新，使得靈敏程度更高，保障控制的整體效率，促進系統(tǒng)信息的全面完善分析，保障對應的判斷是足夠可靠的，實現(xiàn)尺寸測量工作的高效展開。

（2）故障提醒和報警工作的有效實現(xiàn)。受到PLC系統(tǒng)的影響。將故障提醒功能融入其中，系統(tǒng)中的設備盡量實現(xiàn)可視化管理，做好定位設備的裝配，發(fā)揮局域網(wǎng)絡的優(yōu)勢，實現(xiàn)故障的提示以及報警系統(tǒng)的系統(tǒng)性整合，這就極大地方便了工作人員的工作，發(fā)揮高清攝像頭設備的優(yōu)勢，實現(xiàn)監(jiān)督以及水處理系統(tǒng)的結合，進而使PLC控制系統(tǒng)的運行情況合理的改善，在相對較短的時間內作出的判斷也是正確的。使得水處理系統(tǒng)的安全性。此外借助故障的監(jiān)察，此外還需要應用故障檢測將一些不正常的情況第一時間發(fā)現(xiàn)，給予相關工作人員準確提醒，讓廣大工作人員有足夠的重視，對于問題實現(xiàn)高效解決，一旦故障合理解決，那么所發(fā)出的警報自然就不存在了。

（3）維修管理工作必須高度關注。維修和管理工作對測量裝置也有直接的影響，企業(yè)方可以考慮到香港制度和管理制度，必須選派專業(yè)人員對相關系統(tǒng)和設備進行管理以及維修，當然工作人員必須樹立責任意識，嚴格按照規(guī)范化的流程完成相關維修以及管理工作，延長測量裝置的使用時間。

圖3 金屬管測量裝置總裝圖

7 結語

金屬管在線檢測裝置目前已經(jīng)研制完成，管道裝備業(yè)也是我市現(xiàn)代物流裝備產(chǎn)業(yè)最大產(chǎn)業(yè)之一，該裝置的后期運用和推廣可取代人工檢測過程中檢測的誤差率，同時節(jié)約成本，有效解決中小企業(yè)產(chǎn)品檢測能力不足、檢測手段與標準不統(tǒng)一等問題，推進“智慧檢測”建設，為增強現(xiàn)代物流裝備產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品核心競爭力提供計量技術保障。