直縫埋弧焊管銑邊坡口實時測量系統(tǒng)及其應(yīng)用

王習(xí)彬，郝大順，劉 東

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

銑邊是直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)的主要工序之一，其目的是通過對原料鋼板兩邊進行銑削加工，使加工后的板寬達到鋼管外圓周長，并為后續(xù)鋼管焊接過程提供焊接坡口，以保證鋼管成型過程的幾何形狀和尺寸精度以及后續(xù)焊接加工質(zhì)量。 因此，實時檢測銑邊坡口數(shù)據(jù)，對保證其滿足生產(chǎn)工藝要求具有重要的意義。

1 銑邊坡口測量系統(tǒng)設(shè)計

1.1 坡口形貌及參數(shù)

鋼板坡口形貌及參數(shù)如圖1 所示。 實際生產(chǎn)中，受到工況等因素的限制，通常需要操作人員使用卷尺、游標卡尺等測量工具對銑邊坡口進行抽點測量，需停機操作，測量數(shù)據(jù)的準確性受人為因素影響，且測量過程存在安全風(fēng)險。 本研究基于激光測量技術(shù)，開發(fā)了可實時測量銑邊過程中鋼板坡口數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)。

圖1 鋼板坡口形貌及參數(shù)

1.2 銑邊坡口測量系統(tǒng)設(shè)計思路

銑邊坡口測量系統(tǒng)主要由超高速輪廓測量激光傳感器、編碼器、PLC 控制器、伺服電機及其驅(qū)動器、線性模組、傳感器固定支架、網(wǎng)絡(luò)交換機和計算機等構(gòu)成，通過超高速輪廓測量激光傳感器對坡口進行測量，輸出端通過網(wǎng)絡(luò)接口接入計算機對數(shù)據(jù)進行采集、分析和輸出。 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置適用于Φ508 mm～Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中銑邊坡口參數(shù)的測量，具體使用范圍見表1。 系統(tǒng)測量、控制流程整體設(shè)計如圖3 所示。 首先，根據(jù)設(shè)置的鋼板寬度參數(shù)，PLC 控制伺服電機旋轉(zhuǎn)，帶動高速輪廓測量激光傳感器安裝支架在線性模組上運動至測量位置，做好測量的準備工作。 其次，銑邊過程中鋼板在輥道上移動，編碼器對鋼板位置進行計長標定，激光傳感器采集鋼板輪廓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至計算機。 最后系統(tǒng)軟件通過核心算法對激光傳感器采集的鋼板坡口輪廓數(shù)據(jù)進行處理分析，最終得出坡口參數(shù)，在軟件人機界面上實時顯示。

表1 測量裝置適用范圍

圖3 系統(tǒng)測量、控制流程圖

1.3 銑邊坡口測量系統(tǒng)硬件及軟件的選擇

銑邊坡口測量裝置中選用西門子S1200 型PLC，內(nèi)置 PROFINET 接口，12 路輸入點和 14 路輸出點。 選擇德國SmartRay 公司的ECCO75-100型3D 激光傳感器，視野范圍72～124 mm，測量范圍100 mm，工作距離 150 mm，垂直分辨率5～12 μm，水平分辨率 42～70 μm，線性度0.08 μm/mm，重復(fù)精度 0.8 μm，可識別細微缺陷，實現(xiàn)可靠的檢驗和測量。 生產(chǎn)過程中原料鋼板會出現(xiàn)翹邊及波浪彎等情況，為了保證測量范圍和角度，兩個激光傳感器為1 組，呈一定角度固定安裝。 在生產(chǎn)過程中，為了降低電磁干擾，激光傳感器和計算機之間的連接使用6 類網(wǎng)絡(luò)電纜。 為了降低強烈光線對激光傳感器的干擾，現(xiàn)場需要做相應(yīng)的防光線干擾處理。

電機使用松下MHMJ042P1S 型伺服電機，實現(xiàn)位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，同時能夠?qū)崿F(xiàn)激光傳感器測量位置的精確定位。 其一般額定轉(zhuǎn)速能達到2 000～3 000 r/min，測量過程中出現(xiàn)激光傳感器和鋼板碰撞時能夠驅(qū)動傳感器在安全時間內(nèi)返回原點位置。

系統(tǒng)軟件基于Visual Studio.NET 開發(fā)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和輸出。 當待測鋼板進入激光傳感器測量區(qū)域時，激光傳感器讀取鋼板坡口輪廓數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件通過核心算法對輪廓數(shù)據(jù)進行處理計算，最終得出銑削后鋼板板邊坡口參數(shù)： 上坡口角度、鈍邊角度、下坡口角度、鈍邊高度及下坡口高度。 通過編碼器對鋼板計長標定，實現(xiàn)測量位置及對應(yīng)鋼板坡口參數(shù)的實時顯示。 該平臺具有界面友好、操作簡單、圖形顯示直觀、便于檢測等特點。軟件還有質(zhì)量報警功能，通過對鋼板檢測數(shù)據(jù)進行測量值范圍標定，對超過測量標準的數(shù)據(jù)進行報警提示。 軟件的測量系統(tǒng)界面如圖4 所示。

圖4 測量系統(tǒng)界面

2 試驗及測量結(jié)果分析

2.1 試驗方法

對 Φ508 mm×14.2 mm、Φ1 016 mm×21 mm、Φ1 422 mm×25.7 mm 共3 種規(guī)格直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中銑邊坡口進行測量試驗，每種規(guī)格的鋼板各選取5 處不同位置，分別使用激光測量和人工測量方法進行測量。 現(xiàn)場測量裝置如圖5 所示。

圖5 激光測量裝置實物圖

2.2 測量結(jié)果與分析

使用激光測量和人工測量方法對Φ508 mm×14.2 mm、Φ1 016 mm×21 mm、Φ1 422 mm×25.7 mm三種規(guī)格直縫埋弧焊管的測量結(jié)果見表2～表4。 從表2～表4 可以看出，銑削后上坡口角度、鈍邊角度、下坡口角度、鈍邊高度及下坡口高度，激光測量數(shù)據(jù)和人工測量結(jié)果基本一致，符合工藝要求。 激光測量準確度滿足使用要求，且具有更高的精度，高度測量精度0.1 mm，角度測量精度0.25°。

表2 Φ508 mm×14.2 mm 直縫埋弧焊管坡口測量結(jié)果

表3 Φ1 016 mm×21 mm 直縫埋弧焊管坡口測量結(jié)果

表4 Φ1 422 mm×25.7 mm 直縫埋弧焊管坡口測量結(jié)果

3 結(jié) 論

（1） 使用線激光傳感器對銑邊坡口參數(shù)進行測量的方法可行，且具有較高的測量精度。

（2） 銑邊過程中，激光測量可以完成實時數(shù)據(jù)的讀取，不需停機操作，避免了安全風(fēng)險。 同時通過伺服電機的精確控制，可以滿足不同規(guī)格直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中銑邊坡口參數(shù)的測量。