直縫埋弧焊管預(yù)焊后“噘嘴”實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

吳 娟， 徐 海， 褚 潔

（1. 渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣 062658； 2. 渤海裝備鋼管銷售公司， 河北 青縣 062658）

0 前 言

“噘嘴” 是直縫埋弧焊鋼管成型工藝中的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)， 鋼板在壓制成型過(guò)程中， 由于原材料或工藝原因， 鋼板邊緣成型曲率通常不太規(guī)則，焊接后形成焊縫附近向內(nèi)或向外的幾何尺寸偏離，這將導(dǎo)致應(yīng)力集中， 影響管道壽命。 因此通過(guò)預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)的測(cè)量， 將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到鋼管預(yù)彎工序、 成型工序和擴(kuò)徑工序， 對(duì)管型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整， 以確保最終產(chǎn)品的“噘嘴” 合格。

目前我國(guó)大直徑直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線對(duì)預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)采集均采用人工靜態(tài)測(cè)量， 即由操作人員在停機(jī)狀態(tài)下使用百分表對(duì)預(yù)焊縫兩側(cè)5～10 mm 處進(jìn)行抽點(diǎn)檢測(cè)。 這種測(cè)量方法存在耗時(shí)長(zhǎng)、 精度低、 不能連續(xù)檢測(cè)及實(shí)時(shí)反饋等缺點(diǎn)。 本研究設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)能在預(yù)焊過(guò)程中對(duì)預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量， 精度高且能夠自動(dòng)保存， 便于后續(xù)的追溯、 統(tǒng)計(jì)、 分析、改進(jìn)和處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)測(cè)量

預(yù)焊后“噘嘴” 形貌包括正常、 外噘、 內(nèi)噘三種類型， 各類型示意圖如圖1 所示。 焊縫處曲率規(guī)整， 左坡點(diǎn)和右坡點(diǎn)都在鋼管正常輪廓上即為正常； 焊縫處曲率不規(guī)整， 左右坡點(diǎn)不同程度向上突起即為外噘； 焊縫處曲率不規(guī)整， 左右坡點(diǎn)不同程度向下突起即為內(nèi)噘。

圖1 “噘嘴”形貌類型示意圖

預(yù)焊后“噘嘴” 的測(cè)量方法如圖2 所示， 采用50 mm 百分表安裝在寬150 mm 的支架上， 調(diào)零； 將百分表支架放置在鋼管焊縫兩側(cè)， 移動(dòng)百分表， 使探頭移動(dòng)至距焊縫邊緣5～10 mm 處， 測(cè)量并記錄“噘嘴” 處數(shù)值； 該數(shù)值與鋼管150 mm弦長(zhǎng)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)弦高之差即為“噘嘴” 值。 “噘嘴” 值為正即為外噘， “噘嘴” 值為負(fù)即為內(nèi)噘。

圖2 “噘嘴”數(shù)據(jù)人工測(cè)量方法示意圖

1.2 設(shè)計(jì)原理

通過(guò)二維激光傳感器采集焊縫及其兩側(cè)輪廓數(shù)據(jù)， 將其與標(biāo)準(zhǔn)距離值進(jìn)行對(duì)比， 得到的數(shù)值即為“噘嘴” 值， 具體檢測(cè)流程如圖3 所示。

圖3 “噘嘴”檢測(cè)流程圖

步驟1： 使用二維激光傳感器采集焊縫及其兩側(cè)輪廓， 激光傳感器置于鋼管預(yù)焊縫正上方， 垂直向下發(fā)出激光， 從而得到預(yù)焊縫兩側(cè)輪廓曲線數(shù)據(jù)， 傳感器采集鋼管輪廓數(shù)據(jù)方法如圖4 所示。

圖4 傳感器采集鋼管輪廓數(shù)據(jù)示意圖

圖5 “噘嘴”檢測(cè)參數(shù)示意圖

步驟3： 根據(jù)鋼管左坡口縱坐標(biāo)By和左偏移點(diǎn)縱坐標(biāo)Ay（與左坡口的偏移距離為m）， 計(jì)算左坡口“噘嘴” 值b3=H-By+Ay； 根據(jù)鋼管右坡口縱坐標(biāo)Cy和右偏移點(diǎn)縱坐標(biāo)Dy（與右坡口的偏移距離為m）， 計(jì)算右坡口“噘嘴” 值b4=H-Cy+Dy。 該方案能解決采用百分表對(duì)焊縫“噘嘴” 數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)測(cè)量基面偏斜導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確度較低的問(wèn)題。

步驟4： 在預(yù)設(shè)距離區(qū)間內(nèi)， 更新偏移距離（優(yōu)選50～100 mm）， 執(zhí)行步驟2 和步驟3， 得到更新后的偏移距離對(duì)應(yīng)的左坡口“噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值。 以預(yù)設(shè)次數(shù)執(zhí)行距離更新。

步驟5： 根據(jù)步驟4 得到的多個(gè)左坡口 “噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值， 計(jì)算鋼管焊縫最終“噘嘴” 值。 最終“噘嘴” 值可將多個(gè)左坡口“噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值求和后取平均值。 通過(guò)平均“噘嘴” 值計(jì)算能夠比通過(guò)單獨(dú)一側(cè)坡口的“噘嘴” 值計(jì)算更加準(zhǔn)確。

步驟6： 根據(jù)計(jì)算的平均“噘嘴” 值確定鋼管焊縫是內(nèi)噘還是外噘。 當(dāng)最終“噘嘴” 值為正時(shí)，鋼管焊縫為外噘， 數(shù)值為負(fù)時(shí)鋼管焊縫為內(nèi)噘。

生產(chǎn)過(guò)程中隨著鋼管運(yùn)動(dòng)， 該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)焊縫“噘嘴” 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量， 將測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在預(yù)彎工序、 成型工序的輸出界面上， 對(duì)不合格數(shù)據(jù)突出顯示提醒， 實(shí)現(xiàn)測(cè)量評(píng)定的自動(dòng)化、 一體化。

2 系統(tǒng)組成

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括固定支架、 固定底座和升降絲杠。 固定支架安裝在預(yù)焊機(jī)出口，固定底座水平安裝在固定支架上； 升降絲杠垂直安裝在固定底座上， 二維激光傳感器固定在絲杠下端， 使其位于預(yù)焊縫正上方， 保證光源垂直向下發(fā)射， 絲杠能通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)激光傳感器上下移動(dòng)， 滿足不同規(guī)格直縫埋弧焊管的生產(chǎn)要求。 測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器選擇

測(cè)量系統(tǒng)使用的主要硬件是二維激光傳感器。Φ508 mm～Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中，鋼管直徑范圍較大， 生產(chǎn)工況惡劣， 綜合考慮測(cè)量范圍、 測(cè)量距離和分辨率等因素， 傳感器選擇美國(guó)LMI 公司生產(chǎn)的Gocator 2350 一體式3D 百萬(wàn)像素智能傳感器。 該傳感器具有預(yù)先校準(zhǔn)過(guò)掃描微米級(jí)的細(xì)節(jié)、 高速低延遲、 通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器設(shè)置和控制、 內(nèi)置測(cè)量工具、 支持用戶編程、 必要的開(kāi)源SDK、 百萬(wàn)像素分辨率等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 軟件系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)軟件模塊劃分如圖7 所示， 通過(guò)輪廓掃描模塊、 距離計(jì)算模塊和左右“噘嘴” 檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)“噘嘴” 檢測(cè)的過(guò)程； 通過(guò)距離更新模塊、 最終“噘嘴” 值計(jì)算模塊得出最終焊縫的平均“噘嘴” 值。 該軟件主要具有數(shù)據(jù)分析、 結(jié)果顯示、 保存、 查詢及參數(shù)設(shè)置等功能。

圖7 測(cè)量系統(tǒng)軟件模塊示意圖

3 應(yīng)用效果

該實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)安裝完成后， 對(duì)Φ508 mm×8 mm、 Φ914 mm×17.5 mm、 Φ1 219 mm×22 mm、Φ1 422 mm×30.8 mm 四種規(guī)格的直縫埋弧焊管預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量， 與生產(chǎn)過(guò)程中每小時(shí)人工測(cè)量1 根鋼管的數(shù)據(jù)比對(duì)， 表1 為不同測(cè)量方式下每種規(guī)格2 根鋼管的測(cè)量數(shù)據(jù)。

由表1 可以看出， 同1 根預(yù)焊后鋼管“噘嘴”值系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)和人工測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致， 經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行， 能滿足預(yù)焊后“噘嘴” 工藝測(cè)量要求， 具有較高測(cè)量精度。 在運(yùn)行過(guò)程中， 測(cè)量系統(tǒng)還多次對(duì)不符合工藝情況發(fā)出報(bào)警， 提醒相關(guān)崗位及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)， 確保成品鋼管“噘嘴” 值符合要求。

表1 鋼管預(yù)焊后“噘嘴”值系統(tǒng)測(cè)量和人工測(cè)量對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

采用激光測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)， 能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量預(yù)焊后的“噘嘴”值， 并及時(shí)反饋至相關(guān)生產(chǎn)工序?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)整，可以有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、 提高生產(chǎn)效率、 提高測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、 降低經(jīng)濟(jì)損失， 對(duì)直縫埋弧焊管生產(chǎn)有重要意義。