鋼錠自動定心打孔裝置設計

楊代華，顧星，李勇波，林寧，吳明謙

(1.中國地質大學機電學院，湖北武漢430074;2.中國船舶重工股份有限公司，湖北武漢430084)

無縫鋼管在機械制造、軍事、建筑等行業中占有重要地位，鋼管壁厚的均勻程度是成品無縫鋼管質量好壞的主要依據。其加工工藝是在圓柱型鋼錠的端面上找準圓心，并對準圓心打孔，再通過沖頭擴孔等工序實現無縫鋼管的制造。因此，鋼錠中心孔加工的準確度很大程度上決定了無縫鋼管壁厚的均勻程度。目前，無縫鋼管鋼坯的中心孔是靠手動對中、電弧打孔的辦法來實現，這種傳統的加工工藝打孔的效率低、孔的位置精度低，不易保證鋼錠中心孔的同軸度要求。基于此，提出了采用自動檢測和自動定心的方法實現鋼錠中心孔的加工，并通過PLC與WINCC組態軟件實現工藝過程的遠程控制和實時監控，以提高無縫鋼管的生產效率，提高打孔質量，同時也降低工人的勞動強度。

1 系統原理及機械結構

鋼錠定心打孔設備的整體結構如圖1所示。主要包含了:一組激光位移傳感器豎直方向掃描鋼錠外圓輪廓的運動軸(定義為X1、X2軸);控制打孔電極在鋼錠徑向平面內運動的運動控制軸(定義為Y、Z軸);激光傳感器在鋼錠軸向伸縮機構;打孔電極偏心擴孔結構等。

圖1 整體結構圖

在鋼錠到位后，通過氣缸9 將激光位移傳感器伸出到鋼錠端面附件，再通過伺服電機1 和4控制傳感器自下往上掃描鋼錠外圓輪廓，并將掃描所得的數據傳入PLC 進行處理得到鋼錠截面圓心的坐標。再通過伺服電機8 和10控制打孔電極在鋼錠徑向平面上移動至所得的圓心坐標處，此時控制氣缸9 將傳感器退回原位，再移動打孔電極進行電弧打孔，并在打孔的同時通過偏心機構實現擴孔。待打孔完成，所有機構返回原點等待再次操作。

1.1 鋼錠圓截面掃描結構

鋼錠外圓輪廓的掃描結構包括傳感器的掃描結構如圖2所示，在檢測圓柱形鋼錠外圓輪廓時，先通過氣缸6 將激光傳感器沿著圓柱形導桿3 向前推出至鋼錠端面處，再通過交流伺服電機2 帶動激光位移傳感器使自上而下掃描鋼錠外圓輪廓。

圖2 傳感器移動裝置

如圖3所示，左右兩個激光距離掃描器分別掃描左右兩個半圓輪廓，并將掃描得到的輪廓邊界點的數據傳入PLC 中進行數據處理，以消除輪廓上的缺陷點提高檢測精度，最終獲得鋼錠截面輪廓的曲線方程及圓心點的坐標值。檢測完成輪廓曲線后，通過氣缸推桿5 將傳感器夾持機構收回防護罩內，保護傳感器在打孔過程中不受損傷。

圖3 傳感器檢測示意圖

1.2 電極的運動控制

在獲得鋼錠端面的圓心坐標后，通過PLC控制伺服電機運動保證打孔電極的中心移動至已計算的圓心坐標點，傳動結構簡圖如圖4。

伺服電機1與絲杠通過聯軸器連接，帶動整個工作臺沿著直線導軌2移動，從而使打孔電極在Y方向移動，伺服電機2通過蝸輪蝸桿4 帶動工作臺豎直方向移動，從而使打孔電極在豎直方向即Z軸移動。

1.3 電極偏心擴孔機構

考慮所加工的鋼錠的直徑范圍從φ237～φ460 mm，而碳棒電極的直徑為φ80 mm為了適應不同直徑鋼錠的打孔要求，在電機回轉部分采用了偏心四連桿機構，見圖5、6，以擴大打孔的直徑范圍。

圖5 電極偏心機構側面圖

圖6 電極偏心機構正面圖

通過調整調節螺桿7 使得擺線陣輪減速箱輸出軸5與回轉軸6 之間產生一個偏心量δ，使兩個回轉軸及碳棒支承座之間形成一個四連桿機構，碳棒隨著回轉軸一起做半徑為δ的回轉運動，從而實現了擴大打孔直徑范圍的要求。

2 控制系統構成

控制系統的總體設計框圖如圖7所示。下位機控制器采用西門子公司的S7-300型PLC，實現對現場數字信號和模擬信號的采集，同時控制現場設備的運行，保證現場設備運行的穩定性和控制精度;上位機由安裝有WinCC組態軟件和CP5611 通訊卡的工控機構成，并采用Profibus-DP總線實現與PLC 之間的通信連接及數據交換。經過人機界面，操作人員可以直觀地了解設備的運行狀態、掌握工藝參數和歷史數據、所有報警點的參數等信息，同時通過WinCC可以對PLC 實現遠程操控、運行參數的實時檢測和在線干預。

圖7 系統總體設計框圖

2.1 下位機設計

定心系統下位機采用西門子S7-300型PLC 作為控制器，實現了工序過程中的各個動作的時序控制。圖8和圖9為自動定心的流程圖及PLC程序的活動模型框圖(IDEFO模型)。

圖8 自動定心動作設計流程圖

為滿足高速檢測的需要，PLC 除了基本的運算控制模塊外還配置了FM353 高速定位模塊，控制傳感器掃描伺服電機在高速運動過程中信號不失真及定位的準確性。

圖9 IDEF 框圖

2.2 上位機設計

上位機實現打孔工藝的遠程監控，操作人員可以通過上位機監控系統對定心機進行遠程操作，遠離惡劣的現場工作。該系統上位機采用西門子公司的WinCC組態軟件進行人機界面的設計，能動態地顯示系統的工作過程。WINCC 將接收到的激光傳感器返回的位置信號進行數據處理，轉換成實際的物理坐標值存儲在WINCC的內部變量中。圖10為WINCC監控的主界面。

圖10 WINCC 監控主界面

具體實現的功能如下:

(1)狀態欄。界面的最上方為狀態欄，主要用于時間、日期、星期顯示，并顯示定心機機床當前模式(JOG 點動模式、HOME 回原點模式、AUTO 自動運行模式);顯示WINCC控制模式/手持盒控制模式;發生報警時，出現報警后紅燈亮，詳細報警信息可在報警記錄菜單中查詢。

(2)菜單欄。界面的左側為菜單欄。分別可進入自動運行、參數設置、初始化、報警記錄、退出系統5個界面。

(3)控制欄。界面的中間為控制欄，有模式選擇、倍率設定、急停和軸選擇等功能。若單擊回參考點模式，回原點按鍵會變亮，按相應按鍵把各軸回零，需注意系統第一次開機必須返回參考點一次，否則無法進入自動運行模式;若在點動模式下，單擊X+、X－、Y+、Y－、Z+、Z－等按鍵可調整各軸位置。

(4)信息欄。控制欄上方為信息欄，它包含了定心機各項工藝參數、定心機機床當前坐標、以及定心機床外部輸入信號指示燈。X軸為激光傳感器掃描上下運行軸，Y為拖動碳棒左右移動機械軸，Z為控制碳棒上下移動機械軸。

在主界面設置好相關參數之后，其他功能有效，點擊“自動運行”，進入自動運行界面如圖11所示。

圖11 自動運行界面

3 結束語

通過對鋼錠定心打孔裝置的機械結構的分析，探討了控制系統的實現原理，介紹了定心打孔的實現過程，通過實際應用表明，該設備極大地提高了定心打孔的精度和打孔效率，提高勞動生產率和提高打孔質量，降低了工人的勞動強度，具有較好的市場前景。

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