一種鋼管管端內外徑測量設備的介紹

韓 偉 鄭力燊 曹金娣

（天津賽瑞機器設備有限公司 天津300301）

1 前言

眾所周知，鋼管行業是國民經濟的支柱產業之一；鋼管的應用也廣泛地分布于人民生活建設的方方面面。因此，鋼管作為經濟效益豐富、用途廣泛的金屬型材，其在生產過程中的各項指標都有嚴格的要求和檢驗。其中鋼管管端的內外徑和不圓度水平作為重要指標，對鋼管間焊縫的質量好壞、管路中輸送物質的流動等問題都有直接影響作用，所以對這兩項指標的檢測工作是鋼管生產工藝流程中重要的一環。

圖1 鋼管管端內外徑測量設備平面圖

傳統的檢測方法是利用卡尺和千分尺等工具手工進行測量，這種依靠人力測量若干測量點的方法，存在著工作速度慢、效率低、勞動強度大、管端不圓度不能充分體現等諸多不足。這與當今各企業追求的“保質、快速、高效”的目標顯然不符，而且機械自動化生產代替手工勞動也是必然趨勢。所以，生產線中增加能夠快速、準確反映鋼管管端內外徑和不圓度水平，適應流水線快速生產節奏的鋼管管端內外徑測量設備是十分必要的。

介紹的鋼管管端內外徑測量設備是賽瑞公司與南開大學共同合作，用于天津鋼管集團公司深加工生產基地273光管線（見圖1）。

2 工藝參數及主要技術指標

為滿足實際生產線生產需求，所要設計實現的鋼管管端內外徑測量設備應符合下列工藝參數和主要技術指標。

2.1 鋼管規格范圍

外徑：Φ114.3mm～Φ273.1mm；

壁厚：4～50mm；

長度：5～14.6m；

最大鋼管重量：4.2t；

鋼管最大米重：275kg。

2.2 主要技術指標

主要技術指標包括硬件設備技術指標和軟件技術指標兩部分。

2.2.1 硬件設備技術指標

1）分辨率：1μm；

2）測量精度：0.05mm；

高職教育是一種跨界教育，教師核心素養和能力的培養需要“政校行企”四方的聯合培養，學校和企業需要參與教師的培養，在監督方面存在一定嫌疑。對此，行業應該發揮出考核官的作用，有效地監督高職院校教師核心素養和能力建設的情況。目前，隨著教學改革以及人才培養需求的不斷提升，高職院校的校企合作工作有了一定的進展，不斷完善合作過程中的各種細節。然而，對高職教師核心素養和能力建設監督方面，行業并沒有起到明顯的監督作用。行業發展規劃中并沒有涉及職業教育教師能力的培養，缺乏對教師核心素養、能力和行業人才教育之間關系的梳理。行業應該把高職院校教師核心素養和能力作為企業認證的重要指標之一，加大校企雙方合作的力度。

3）測量速度：每圈500點，單次測量過程時間＜30s；

4）鋼管內徑：＞110mm；

5）鋼管外徑范圍：＜280mm；

6）測量截面距管端距離：≤300mm。

2.2.2 軟件技術指標

1）自動測量每根鋼管管端內外徑數據，可設定管徑、每周測量點數、測量截面距管端距離；

2）可自動計算最大內徑、最小內徑和不圓度；

4）輸入爐號、批號、管號功能；

5）兩端數據統一到同一個管號；

6）有線及無線網絡傳輸功能。

3 設備組成與工作原理及過程

3.1 設備組成

鋼管管端內外徑測量設備主要由測量主機、輔機和控制機柜三個部分構成。其中測量主機由兩個激光測距探頭、兩個小型精密平移臺、一個精密轉臺、一個大型平移臺和一個大型升降臺構成。它是完成鋼管管端測量的主體設備。輔機包括步進裝置、對齊輥道、V 形支架、對齊緩沖擋板及安全擋板等。輔機主要完成鋼管的翻入、對齊、運送、翻出等輔助測量主機測量的工作。控制機構由變壓器、電源控制單元、運動控制單元、有線及無線網絡傳輸模塊和工控機構成。軟件安裝在工控機中。網絡通訊模塊主要由有線及無線路由器組成，負責兩臺測量裝置之間的通訊，將兩端的測量數據統一到同一根鋼管。同時負責與其他網絡模塊交互傳輸數據。

3.2 測量原理

圖2 激光測距探頭測距原理圖

鋼管管端內外徑測量裝置的探頭測量原理是激光三角法，其原理如圖2所示。激光二極管發出的平行光束垂直投射到被測物體表面，形成一個光斑，光斑在物體表面發生漫反射，其中一部分散射光經過聚焦透鏡成像于CCD上。如果被測物體產生位移，將導致物體表面上的光點沿著激光束的方向產生移動，那么CCD 上的成像點也會產生相應的移動。通過成像位移和實際位移之間的三角關系可以計算出實際位移。傳感器采用線陣CCD，在信號處理電路的作用下，可以很方便的將位移數據轉變為數字信號，進而轉換成探測距離。再結合精密的旋轉和平移裝置，就可以將管端一個截面處的內外徑和不圓度測出。

3.3 測量主機工作方式及測量誤差修正

圖3 測量主機工作示意圖

兩個激光測距探頭安裝在精密轉臺前的旋轉平面上，圍繞鋼管軸向轉動，通過測量探頭距鋼管內外壁到鋼管的距離，再加上測距探頭到旋轉中心線的距離，就可以得出鋼管的內外徑。其中，測量主機（圖3）中的兩個小型精密平移臺、一個大型平移臺和一個大型升降臺用來調節精密轉臺的位置，即調節兩個激光測距探頭的位置，這樣就可以探測距離鋼管管端指定距離的內外徑和不圓度。而且在測量進行前，可在操作臺上對每周測量點數、測量截面距管端距離等參數進行設定，計算機通過實測結果和預先設定參數綜合計算出被測鋼管的管端內外徑和不圓度。

測量過程中可能產生的誤差主要有轉臺的徑向晃動和轉臺旋轉的中心線與鋼管的軸線不一致兩方面。對于轉臺的徑向晃動，可選用徑向晃動小的精密轉臺將精度保證在要求范圍內。轉臺旋轉的中心線與鋼管的軸線不一致也包含兩方面，一方面是兩軸線間的夾角；另一方面是軸心位置偏移。因鋼管長度較長，所以兩軸線夾角非常小，經過計算，產生的誤差不超過10μm，這與要求的精度0.05mm 相比基本可以忽略。因軸心位置偏移產生的誤差則可以通過建立坐標系函數和最小二乘法等數據算法來修正。

3.4 設備工藝流程

圖1所示為鋼管管端內外徑測量設備平面圖。其設備工藝流程如下。

生產線上的待測鋼管被運送至指定位置后，由步進裝置將其翻轉至1號對齊輥道上；之后輥道運送鋼管至1號對齊緩沖擋板處，完成鋼管一端對齊工作；對齊后的鋼管再經步進裝置將其翻轉至1號V 型支架上并進行測量；測量完成后，步進裝置將鋼管翻轉至2號對齊輥道上；之后同樣過程完成鋼管另一端的測量工作；最后翻轉回到生產線上進入下一個環節。

設備輔機中的步進裝置由一臺主電機（設有制動器和減速箱）帶動5組齒輪箱同時運行，每組齒輪箱鉸接一個5齒6工位的托架。實際生產時，每個工位都有鋼管，步進裝置的每一次動作都由電氣原件嚴格控制，既保證每一步工作都已完成，又最大限度地提高生產效率。

每一根鋼管完成管端測量后，其兩端數據都與對應的爐號、批號、管號等參數對應保存在一起，以供查詢和輸出報告。

4 設計成果

本設備系統已經在天津天管元通管材制品有限公司通過離線測試。測量精度可達0.05mm；分辨率為1μm；每個管端截面測量500個點時，測量時間小于25s；主輔機設備滿足鋼管各規格的生產要求；電氣控制系統具有預定的各項功能；充分滿足車間鋼管生產線的需求。

5 設備設計要點

5.1 非接觸式的測量方式和減小誤差的方法

介紹的鋼管管端內外徑測量設備，采用非接觸式的激光三角法來測量鋼管的內外徑和不圓度。克服了傳統手工測量的諸多弊端，達到了準確快速測量的目的。同時采用數據處理算法（建立坐標系函數和最小二乘法等）有效地將測量過程中產生的誤差降低至要求指標范圍內，滿足了生產指標的精度要求。

5.2 精密的主機設備和配套的輔機設備

介紹的精密主機設備提高了測量精度，滿足了不同規格的測量工況，還為今后擴大規格改造提供了基礎。配套的輔機設備同時具備步進、運送等功能，通過合理配置充分利用空間，也滿足了預先制定的要求。二者組成一套完整的設備應用于車間生產線中，既滿足生產工藝要求，又保質、快速、高效。

6 結束語

通過設計一種非接觸式測量的鋼管管端內外徑測量設備，取代了傳統的手工接觸式測量方式，滿足了鋼管生產工藝流程中的要求，順應了精度高、節奏快、自動化的企業生產趨勢，有利于增加企業的經濟效益；同時也為需要增置此類設備或是進行此類設計提供了參考和依據。

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