鋼管管端尺寸綜合測量裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃繼慶， 馮偉華， 孟凡佳， 劉 濤

（1. 渤海裝備研究院， 河北 青縣062658； 2. 渤海裝備巨龍鋼管公司， 河北 青縣062658）

焊管生產(chǎn)線成品鋼管管端尺寸通常采用手工測量方式， 測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和客觀性難以得到保證。 在中俄東線工程試驗(yàn)段施工過程中， 由于環(huán)焊縫焊接采用自動(dòng)焊工藝， 出現(xiàn)了Φ1 422 mm直縫埋弧焊管管端尺寸數(shù)據(jù)測量精度不能完全滿足環(huán)焊自動(dòng)焊機(jī)組需求的情況， 給施工帶來了極大不便。 業(yè)主要求在隨后的鋼管生產(chǎn)中必須采用自動(dòng)測量， 以避免手工測量帶來的測量偏差； 同時(shí)在國際詢單中， 大都要求鋼管管端尺寸自動(dòng)測量。 為了滿足用戶的需求， 需要研制鋼管綜合測量裝置， 實(shí)現(xiàn)成品鋼管管端數(shù)據(jù)自動(dòng)測量， 保證測量數(shù)據(jù)的客觀性和準(zhǔn)確性。

1 測量裝置設(shè)計(jì)方案

綜合測量裝置安裝在成品檢驗(yàn)區(qū)稱重測長工位， 采用專機(jī)測量的形式， 與現(xiàn)有稱重測長裝置整合為一體。 綜合測量裝置（一端） 如圖1 所示。

在稱重測長工位兩端的行走小車上配置一級滑臺、 轉(zhuǎn)臺和二級滑臺， 在二級滑臺上安裝檢測傳感器及支架， 工作流程如圖2 所示。 轉(zhuǎn)臺帶動(dòng)二級滑臺上的測量傳感器沿鋼管管壁旋轉(zhuǎn)一周， 獲得鋼管管端原始輪廓數(shù)據(jù)， 通過計(jì)算解析得出鋼管周長、 橢圓度、 壁厚和切斜等數(shù)據(jù)。

圖1 鋼管管端尺寸綜合測量裝置布置圖（一端）

圖2 測量裝置工作流程

2 測量方法改進(jìn)及管端尺寸測量原理

2.1 稱重、 測長方法改進(jìn)

2.1.1 稱重

目前鋼管稱重方式采用4 個(gè)稱重傳感器兩兩布置到兩側(cè)的稱重臺， 并把4 個(gè)傳感器輸出信號并聯(lián)到一個(gè)接線盒中， 調(diào)整角差、 信號調(diào)理后輸出到稱重管理器。 實(shí)際稱重時(shí)， 由于鋼管擺放不正， 兩側(cè)稱重傳感器受力不一致， 輸出信號不同， 并聯(lián)后有誤差， 因此稱重誤差較大。

為避免測量傳感器受力不均勻?qū)е碌姆Q重誤差， 稱重臺采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)， 每側(cè)稱重臺四角各布置1 個(gè)傳感器， 4 個(gè)傳感器輸出信號并聯(lián)到1 個(gè)接線盒后再連接到本側(cè)的稱重控制器； 另一側(cè)稱臺配置相同， 鋼管質(zhì)量為兩側(cè)的稱重質(zhì)量之和。稱重控制器就近布置在每側(cè)的稱臺附近， 減少因接線盒到管理器的導(dǎo)線過長， 造成信號易被干擾的問題。

2.1.2 測長

現(xiàn)有的測長方式為接觸式測量， 由高速計(jì)數(shù)器記錄編碼器脈沖數(shù)， 轉(zhuǎn)換為長度數(shù)據(jù)， 由于小車行走時(shí)打滑， 導(dǎo)致測量長度誤差。

綜合測量裝置采用非接觸激光測量鋼管長度， 通過管端測量時(shí)檢測到管端的位置數(shù)據(jù)， 綜合得到管長， 管長=檢測到管端時(shí)激光測量長度數(shù)據(jù)－檢測管端傳感器到激光傳感器的固定距離。

2.2 管端尺寸測量原理

管端尺寸包括周長 （內(nèi)、 外周長）、 不圓度（長、 短軸）、 壁厚（最大、 最小、 平均） 和切斜等。 為了獲得以上數(shù)據(jù)， 關(guān)鍵是應(yīng)用鋼管管端的實(shí)際輪廓數(shù)據(jù)（xi， yi） （i∈（1， 2， 3， …n）），擬合得到管端輪廓方程。

2.2.1 管端輪廓方程

鋼管管端近似為一圓形， 圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為

其中

由圓的標(biāo)準(zhǔn)方程式（1） 可以得出矩陣表示，即

其最小二乘解為

求出a、 b、 c 后， 再由式 （2） 得到圓心坐標(biāo)（A， B） 和半徑r。2.2.2 管端數(shù)據(jù)求解

（1） 管端周長

（2） 橢圓度

利用公式 （6） 求出長短軸lmax、 lmin及對應(yīng)的位置， 其中 （xi+180°， yi+180°）、 （xi， yi） 為i 角和i+180°角的管端輪廓數(shù)據(jù)， 橢圓度=lmax－lmin。

（3） 壁厚

為了測量壁厚， 利用測量支架上、 下兩個(gè)傳感器分別測量鋼管同一截面的內(nèi)外壁輪廓數(shù)據(jù)（xin， yin）、 （xout， yout）， 最小二乘圓擬合， 得到內(nèi)、 外半徑分別為Rin和Rout， 平均壁厚Tav=Rout－Rin。

利用公式（7） 求出管端不同位置處的壁厚T， 其最大和最小壁厚分別為Tmax和Tmin。

（4） 切斜

利用一組由發(fā)射端和接收端組成的測微儀測量管端切斜， 由傳感器支架帶動(dòng)測微儀沿管端轉(zhuǎn)動(dòng)一圈， 管邊緣變動(dòng)的范圍即為管端切斜。由于鋼管在臺架上擺放不正， 轉(zhuǎn)動(dòng)中心線和鋼管軸線不平行， 按以上方法測量切斜誤差很大，需要修正， 原理示意如圖3 所示。 傳感器1 和傳感器2 分別測量鋼管不同截面的輪廓數(shù)據(jù)，并利用公式 （4） 和公式 （2） 分別得到兩個(gè)截面的圓心坐標(biāo) （A1， B1）、 （A2， B2）， 求出鋼管軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的夾角α （垂直方向） 和β（水平方向）。

圖3 管端切斜測量原理示意圖

垂直方向切斜修正

式中： Δ1——管端0°和180°角測量的切斜；

D——鋼管內(nèi)直徑。

同理可得水平方向切斜修正

式中： Δ2——管端90°和270°角測量的切斜。

取兩者的最大值作為鋼管水平和垂直位置的一組切斜值。 對于其他角度， 可通過坐標(biāo)變換，按上述方法得到多組切斜值， 并取最大值作為最終的管端切斜值。

3 綜合測量裝置軟件界面

綜合測量裝置軟件界面顯示測量結(jié)果， 可人工設(shè)置各個(gè)參數(shù)的報(bào)警閾值， 對不合格鋼管進(jìn)行報(bào)警， 提示崗位人員進(jìn)行進(jìn)一步處理， 人工處理后的管端尺寸數(shù)據(jù)可手動(dòng)錄入， 綜合測量界面如圖4 所示。 采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫與MES 系統(tǒng)匹配。 可從MES 系統(tǒng)獲得鋼管信息 （管號、 班次等）， 將其與測量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)匹配， 存儲(chǔ)至MES 系統(tǒng)， 操作人員亦可在交互界面錄入管號進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定， MES 系統(tǒng)鋼管綜合信息如圖5所示。

圖4 鋼管管端尺寸綜合測量系統(tǒng)界面

圖5 MES 系統(tǒng)鋼管綜合信息

4 應(yīng)用效果

綜合測量裝置在焊管生產(chǎn)線應(yīng)用測試， 隨機(jī)抽取直徑1 219 mm、 1 422 mm 鋼管各2 根進(jìn)行測量， 每根鋼管重復(fù)測量2 次， 并與人工測量進(jìn)行對比， 對比結(jié)果見表1。

從表1 可以看出， 鋼管長度測量重復(fù)精度≤±1 mm， 橢圓度測量重復(fù)精度≤±0.1 mm，周長測量重復(fù)精度≤±0.1 mm， 切斜測量重復(fù)精度≤±0.1 mm； 長度測量與人工測量值誤差≤±2 mm， 橢圓度測量值與人工測量值誤差≤±0.2 mm， 切斜測量值與人工測量值誤差≤0.3 mm， 并且都是正偏差， 分析原因是人工測量只是測量了管端有限的幾個(gè)直徑， 不能準(zhǔn)確找到最大和最小直徑， 導(dǎo)致測量的橢圓度較小。

表1 設(shè)備測量與人工測量結(jié)果對比

5 結(jié)束語

研制的鋼管管端綜合測量裝置已在焊管生產(chǎn)線成功應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)了成品鋼管質(zhì)量、 長度、管端周長、 橢圓度、 壁厚、 切斜等數(shù)據(jù)的自動(dòng)測量， 并可根據(jù)設(shè)置值對管端周長自動(dòng)分類及判斷鋼管管端尺寸是否合格。 設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，測量精度、 工作效率、 運(yùn)行的穩(wěn)定性均達(dá)到了預(yù)期的效果。