基于物聯(lián)網(wǎng)的冷軋無縫鋼管檢測控制系統(tǒng)設(shè)計

宗克欣，張 陳，胡文豪，陳澤民，徐 成，朱仁杰，楊文睿，孫逸晨

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引 言

在機(jī)械加工制造業(yè)、零部件制造業(yè)中，冷軋無縫鋼管精密度需要控制在20絲左右。高精度冷軋無縫鋼管的推廣應(yīng)用有利于提升材料利用率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。為了能夠滿足工業(yè)應(yīng)用要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，制管廠必須嚴(yán)格控制冷軋無縫鋼管外表面幾何尺寸精度。所需控制鋼管外表面的幾何尺寸主要有直徑、圓度、直線度和長度。目前，對于冷軋無縫鋼管的檢測，如直徑、壁厚等的尺寸，大部分工廠還在采用卡尺、千分表等接觸式測量方法。當(dāng)然，也有少數(shù)工廠采用壓力與電壓之間的轉(zhuǎn)換測量、霍爾元件測量等物理測量方法。這些測量方式存在大量弊端，如檢測精度低、速度慢，還容易造成測頭磨損、損傷鋼管表面精度等。為了適應(yīng)現(xiàn)代化加工制造需求，設(shè)計一種檢測精度高、效率高的自動化檢測及分揀系統(tǒng)尤為重要。本設(shè)計通過激光傳感器進(jìn)行定位檢測，通過PLC編寫控制程序，利用VB可視化編程軟件與激光傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)實時傳輸及處理。從鋼管傳輸、定位、檢測到分揀結(jié)束的自動化流程，有助于加快檢測節(jié)奏，提高檢測精度。通過激光傳感器對待測鋼管進(jìn)行定位、調(diào)整，能同時進(jìn)行多種規(guī)格冷軋無縫鋼管在線檢測，使設(shè)備具有普遍適應(yīng)性。該檢測系統(tǒng)利用PLC控制程序與VB邏輯算法實現(xiàn)了產(chǎn)品的實時檢測篩選，節(jié)約了時間。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 檢測要求

由光電傳感器判斷有無待測鋼管，反饋給PLC控制傳送帶啟停；VB通過通信線與激光傳感器連接，實現(xiàn)冷軋無縫鋼管定位及后續(xù)外部尺寸檢測；由PLC控制伺服驅(qū)動器分別帶動激光傳感器實現(xiàn)垂直面各向運(yùn)動和三爪氣缸X軸運(yùn)動；由PLC控制電磁閥驅(qū)動3個氣缸動作，實現(xiàn)待測鋼管豎直位置調(diào)整和待測鋼管固定旋轉(zhuǎn)；VB依據(jù)檢測數(shù)據(jù)，將結(jié)果反饋給PLC，由PLC控制分揀電機(jī)運(yùn)作，從而實現(xiàn)合格箱和廢品箱的切換[1-3]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

冷軋無縫鋼管檢測機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，1為分隔條，均勻安裝在傳送帶表面，待測鋼管位于相鄰2個分隔條之間，以防止待測鋼管在傳送帶上滾動，用于提高輸送機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。傳送帶通過轉(zhuǎn)動軸設(shè)置在支架上，三相異步電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸帶動傳送帶轉(zhuǎn)動，從而將鋼管輸送到檢測機(jī)構(gòu)。7為光電傳感器，用于檢測當(dāng)前位置有無待測鋼管。鋼管由輸送機(jī)構(gòu)送出，經(jīng)輸送斜臺過渡，借助自重滾落到支撐滾軸的安裝腔內(nèi)。檢測機(jī)構(gòu)的底板兩端分別設(shè)有絲杠，伺服電機(jī)作為驅(qū)動，均設(shè)有導(dǎo)向柱，使螺母運(yùn)行更平穩(wěn)，在底板另一端亦有類似裝置。螺母與三爪氣缸固定連接，用于輔助待測鋼管旋轉(zhuǎn)。三相異步電動機(jī)固定在對應(yīng)螺母上，與三爪氣缸固定連接，帶動其旋轉(zhuǎn)，從而與三爪氣缸一起帶動待測鋼管旋轉(zhuǎn)。底板中間固定有升降氣缸，升降氣缸推動升降臺在導(dǎo)柱導(dǎo)向作用下平穩(wěn)的上下移動。通過回轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)動設(shè)置在升降臺上的支撐滾軸，若干支撐桿沿支撐滾軸轉(zhuǎn)軸圓周方向布置，且沿著轉(zhuǎn)軸長度方向成排分布，相鄰兩排支撐桿形成90°安裝腔，輸送機(jī)構(gòu)將待測鋼管傳輸至安裝腔內(nèi)。底板上設(shè)有支撐架，支撐架上設(shè)有絲杠、起導(dǎo)向作用的導(dǎo)向柱和驅(qū)動伺服電機(jī)。通過螺母滑動設(shè)置在支撐架上的檢測裝置，包括激光傳感器，與其固定相連的螺母，控制物體移動的伺服電機(jī)，以及絲杠和導(dǎo)向柱。分揀機(jī)構(gòu)包括起過渡作用的輸出斜臺，通過隔板將箱體分隔為合格箱和廢品箱，利用三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)動設(shè)置在箱體上的分揀轉(zhuǎn)動臺的寬度，使其與廢品箱的寬度保持一致，然后將所述檢測機(jī)構(gòu)檢測完成的鋼管進(jìn)行分類，并放入對應(yīng)的合格箱或廢品箱內(nèi)[4-5]。

圖1 冷軋無縫鋼管檢測機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制設(shè)計

首先，應(yīng)用VB軟件編寫滿足需求的總體可視化控制界面；然后，編寫VB通信程序，分別實現(xiàn)與PLC和激光傳感器的通信；接著，依據(jù)傳感器數(shù)據(jù)編寫VB程序?qū)崿F(xiàn)PLC相應(yīng)軟件的通斷，并編寫PLC控制程序；最后，完善界面，顯示數(shù)據(jù)與結(jié)果，再通過物聯(lián)網(wǎng)模塊實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)端[6]。

2.1 電氣控制組成

檢測與分揀系統(tǒng)包括五大子系統(tǒng)，其中激光檢測子系統(tǒng)仍采用激光隨動定位機(jī)構(gòu)方案：普通電機(jī)帶動傳送帶運(yùn)動，光電傳感器作為開關(guān)信號控制電機(jī)啟停；支撐滾軸作為夾持固定平臺，螺母滑塊帶動激光傳感器定位；升降氣缸調(diào)整豎直方向位置，利用絲杠將三爪氣缸送入鋼管端口內(nèi)，三爪氣缸張緊固定鋼管；三相異步電動機(jī)帶動三爪氣缸旋轉(zhuǎn)從而帶動鋼管旋轉(zhuǎn)，由激光傳感器進(jìn)行檢測；回轉(zhuǎn)氣缸帶動支撐滾軸旋轉(zhuǎn)90°后送出鋼管，三相異步電動機(jī)驅(qū)動分揀轉(zhuǎn)動臺進(jìn)行廢品箱與合格箱的通道切換。

2.2 PLC控制程序流程設(shè)計

該檢測系統(tǒng)可分為手動模式和自動模式。其中，手動模式分為控制激光傳感器左移、激光傳感器右移、激光傳感器上移、激光傳感器下移、三爪氣缸外移和三爪氣缸內(nèi)移。自動模式下的具體過程：系統(tǒng)復(fù)位回到原點后，輸送模塊開始工作，待光電傳感器檢測到待測鋼管后，通過傳送帶將鋼管送到支撐滾軸上。之后，定位模塊工作，激光傳感器在滾珠絲杠帶動下緩慢下移，當(dāng)激光傳感器檢測到待測鋼管后，初步確定鋼管直徑；確定直徑后，激光傳感器在滾珠絲杠帶動下左移，檢測到待測鋼管左端口后，激光傳感器在滾珠絲杠帶動下右移，檢測到待測鋼管右端口后停止移動，從而完成對鋼管的定位。接著調(diào)整固定模塊，完成定位后，激光傳感器和支撐滾軸分別做調(diào)整，使激光傳感器在有效測量范圍內(nèi)，鋼管圓心與三爪氣缸圓心基本保持水平；調(diào)整完成后，三爪氣缸在滾珠絲杠帶動下水平調(diào)整對齊鋼管端口，張緊固定；固定好后，支撐滾軸平臺在氣缸帶動下下移。最后，檢測模塊、分揀模塊、伺服電機(jī)帶動三爪氣缸旋轉(zhuǎn)，三爪氣缸再帶動鋼管旋轉(zhuǎn)；激光傳感器從右向左緩慢移動檢測，當(dāng)激光傳感器檢測完畢后，通過程序算法擬合，只要鋼管有一項不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則廢品通道打開，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，支撐滾軸上移，三爪氣缸松開撤出，支撐滾軸轉(zhuǎn)動90°后將鋼管送出至廢品區(qū)；若鋼管所有指標(biāo)都處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，支撐滾軸上移，三爪氣缸松開撤出，支撐滾軸轉(zhuǎn)動90°后將鋼管送出至合格品區(qū)。當(dāng)一根鋼管所有檢測工序都完成后，系統(tǒng)復(fù)位，傳送帶上的光電傳感器檢測并判斷是否有待測鋼管，若有，則繼續(xù)檢測下根鋼管；若無，則關(guān)閉設(shè)備[7-8]。

3 軟件界面設(shè)計

圖2所示為軟件操作界面。在自動模式下，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各規(guī)格冷軋無縫鋼管的混合檢測，自動識別并判斷當(dāng)前鋼管的型號并調(diào)取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格進(jìn)行對比，同時還可將每天測量所得結(jié)果進(jìn)行匯總統(tǒng)計[9-10]。

圖2 軟件操作界面

4 結(jié) 語

利用激光傳感器實現(xiàn)冷軋無縫鋼管外圍尺寸的不接觸測量，避免了現(xiàn)有測量法對工件和測量工具的損壞，提高了測量精度。通過現(xiàn)場調(diào)試和整體運(yùn)行測試，該設(shè)計實現(xiàn)了冷軋無縫鋼管激光檢測與分揀的自動化。與傳統(tǒng)檢測手段相比，控制系統(tǒng)界面功能強(qiáng)，檢測過程自動化程度高，檢測結(jié)果精確度好，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和程序設(shè)計的可行性。