金屬管棒直線度精準測量智能化設計

湯威，鄭海濤，邵錫

（湖州市質量技術監督檢測研究院，浙江 湖州 313000）

1 研究設計的目的和意義

智能制造，高質量發展是我們這個時代的主題，制造業的高質量發展尤為重要，隨著德國工業4.0概念的提出，日本精益生產的不斷精細化，我國制造業面臨前所未有的挑戰和機遇，金屬棒材、管材是制造業的基礎材料，提高基礎材料的制造品質、質量水平，檢驗檢測很關鍵，直線度作為精密設備及醫療器械，儀器用金屬棒材，管材的關鍵技術指標，長期以來我們都是粗略式檢測、目視化驗收，所以對直線度有精準要求的管材和棒材，我們國內目前仍以進口為主。目前主要的檢測方式有人工手動檢測和紅外線檢測，人工手動檢測成本較低，但是無法滿足精密檢測精度要求且自動化水平低下，而紅外線檢測投入成本又巨大，無法市場化；目前對于金屬管材，棒材精度的檢測還存在如下缺點：無法同時進行檢測管材、棒材的長度尺寸和直線度。

本次研究目的和意義在于解決現有金屬管材，棒材直線度檢測技術的不足，針對傳統的檢測方法，難以精確測量精密管材、棒材尺寸以及直線度的問題，研究設計一種檢測精度高、操作方便、生產效率高、自動化水平高的金屬管棒直線度在線檢測設備，解決行業長期以來的技術瓶頸，研究采用金屬管材作為設計開發的樣品進行儀器裝置的開發。

2 金屬管在線檢測裝置

2.1 設計思路

研制一套在線自動測量裝置，解決傳統測量方式存在測量速度慢、自動化程度低、測量精度低等問題。針對金屬管生產過程中鋼管的長度尺寸較難測量與控制，設計一個由光柵尺、大理石基座、固定測量軸和移動測量軸組成的測量裝置，為了解決金屬管管面直線度測量難題，在測量裝置上設計一個與光柵尺平行的可移動軸，在可移動軸上裝配位移傳感器，其間配置PLC控制系統以及驅動電機使裝置測量過程全部實現自動化，并能通過PLC實現數據處理，將結果顯示在人機界面之中，數據也可以通過人機界面人為進行刪選。

經過設計，本裝置測量系統硬件部分由PLC、驅動電機、大理石平臺、光柵尺、位移傳感器、可觸人機界面和多個電氣元件組成。

圖1 金屬管測量裝置設計

2.2 控制系統PLC

Programmable Logic Control就是目標研究對象的外文總稱，也就是可以進行自主控制的控制設備，包含的程序類別較多，例如邏輯、順序把控、計數、計算，等等，都是涵蓋在其中的。很多指令形式在存儲器中進行存放，結合存儲的實際情況，借助一系列的操作，例如模擬操作、數字處理，等等，實現對目標生產設備以及生產流程的掌控。PLC促進工業控制應用活動的高效展開，直接將傳統的繼電器設備取而代之。而控制構件的核心硬件組成作為系統整體的運行組成，與機械部分的接口連接起來，與前面所講的組成一道成為了整體設備自動控制工作的重要根本，促進整體構架、硬件的選擇、搭配等工作的高效展開。當然，將實際要求充分滿足的背景下，悉心研究，將框架內部不同組分的硬件原理以及能夠實現的供能詳細明確，選型工作需要細心再細心，發揮控制組分的優勢，實現可靠性、經濟性的結合。在本裝置研究中，選用XC3-48T-E該型號的PLC，可以有效地控制電機的運動、位移傳感器的運行，對位移傳感器和光柵尺的數據進行采集，將采集的數據進行處理和記錄，然后反饋到人機界面中，實現數據的輸出。

2.3 PLC系統運動驅動

通過對現有的幾種運動控制方案進行比較和分析，結合現在運動控制水平的發展現狀以及對系統功能指標的考慮，方案選擇基于ARM和FPGA雙核處理器進行嵌入式PLC運動控制系統的設計。

整個系統主要包括主控模塊、通信模塊、驅動模塊、輸入輸出模塊、反饋模塊等。主控模塊由ARM和FPGA及其最小系統和部分接口電路組成，是控制系統的核心部分。ARM為主CPU，能夠對整個系統進行通信的控制和反饋信息的處理；FPGA為從CPU，主要負責PWM脈沖信號的進給控制，通過接收運動控制命令及對運動參數進行解析，根據解析結果進行PWM脈沖輸出，保證運動控制信號的精確性。通信模塊的主要作用是把主控制裝置的數據執行電平轉換，使其能夠更好地傳輸，方便主控單元與外圍設備進行信息的傳輸交換。本次設計主要利用USB和CAN總線兩種通信模式。驅動模塊的主要作用是把FPGA的信號執行電平轉換，使其能夠轉換成能夠驅動電機工作的信號。反饋模塊主要負責將采集的電機實際運行信息反饋給主控單元，主控單元獲得運行信息進行邏輯判斷，如發生異常則適時作出控制調整，如運行正常則按照原來控制命令繼續輸出，如此循環往復形成一個完全閉環控制。輸入輸出模塊的作用是將經過邏輯判斷產生的結果輸出給外部設備或將采集到的外部信號量傳遞給主控單元。

2.4 光柵尺與位移傳感器的應用

光柵尺位移測量系統包括頻差穩定的激光光源（He-Ne dual-frequency laser）、結構緊湊的光柵尺（Encoder）、可靠的光電探測電路（Receiver）和高速實時的激光軸卡（Laser axis board）。

激光光源輸出頻差穩定的線偏振方向相互垂直的雙頻激光，一束作為參考差頻信號直接由光電探測電路接收，另一束經光纖傳輸至光柵尺。光柵尺作為測量系統中的核心部件，基于光柵多普勒效應和光學干涉原理實現位移測量，輸出包含光柵（Grating）和讀頭（Head）間的相對位移信息的光學干涉信號，并經光纖傳輸至光電探測電路。激光軸卡接收轉換后的模擬電信號，并進行差分運算、數字采樣和電子細分，經位移測量模型計算出光柵和讀頭間的相對位移。

其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應速度快的特點。直線光柵尺是依據相對運動的原理來產生光信號，這些信號經過光電器件的轉換處理后，用來檢測機械裝置的位移。

位移傳感器具有測量精度高、體積小等優點，其在很多場合有廣泛應用，無論是測量長度、高度、厚度、間距或直線位移，還是在精度檢測站、設備標定等方面，都能夠實現快速、精確和可靠的測量。

2.5 測量原理

（1）金屬管長度測量。將測量裝置復位，此時移動端測量軸所在光柵尺上的實時讀數為A0，將被檢金屬管安裝在測量裝置的V型塊上，左端管面與固定端測量軸相接觸，通過人機界面運行裝置進行測量，裝置通過PLC控制驅動電機移動，使移動端測量軸向固定端靠攏，接觸金屬管右端時，

有讀數。此時，移動端測量軸位移值為r，得此金屬管樣品長度為：

圖2 金屬管測量裝置原理

（2）金屬管管面平行度測量。將被檢金屬管安裝在測量裝置的V型塊上，使位移傳感器接觸金屬管管面，在人機界面中設置平行度采點間隔，啟動后，每個點相對于水平位置的誤差會被記錄，其中最大值為Ymax，最小值為Ymin，得此金屬管管面平行度為：

3 電機選型

按工作要求和條件，選用三相籠型異步電動機，封閉式結構，電壓380V，Y型。

3.1 選擇電動機的容量

估算由電動機至運輸帶的傳動的總效率為

根據實驗指導書查得

η1為聯軸器的傳動效率初選η1=0.98

η2為軸承傳動的傳動效率η2=0.99

η3為蝸桿的傳動效率η3=0.80

η4為卷筒的傳動效率η4=0.96

ηa=0.982×0.993×0.80×0.96=0.72

3.2 確定電動機

由已知可以計算出卷筒的轉速為此表中可以發現這種傳輸的傳動比為8-40。故可推算出電動機的轉速的可選范圍為：查《機械設計手冊》，滿足此范圍的同步速度為：1500r/min，3000r/min。如表1。

表1 電動機的主要性能

綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸，再結合質量比，傳動要求，很輕松就可以看出第三類是理想選擇，所以具體的型號是Y132M-4。該電動機的主要尺寸和安裝尺寸如表2（裝配尺寸圖參考《機械設計手冊》）。

表2 電動機的外型及尺寸

4 絲桿的選型

4.1 絲桿副的載荷及轉速計算

導軌靜摩擦力：

式中，M為工件及工作臺質量，經計算約M為500kg；f為導軌滑塊密封阻力，按4個滑塊，每個滑塊密封阻力5N。

由于這些設備的基本應用方向就是在檢測方面，所以在進行絲杠工作的時候，并沒有切削力的影響，而檢測的速度也是相對均勻的，其中的阻力來自摩擦阻力。則有：

滾珠絲杠副的當量載荷：

滾珠絲杠副的當量轉速：

4.2 絲桿副預期額定動載荷

4.2.1 按絲桿副的預期工作時間計算

式中，nm為當量轉速，nm=60·v/Ph=60×25/10=150rpm；Lh為預期工作時間，測試機床選擇20000小時；fw為負荷系數，平穩無沖擊選擇fw=1；fa為精度系數，2級精度選擇fa=1；fc為可靠性系數，一般選擇fc=1。

4.2.2 按絲桿副的預期運行距離計算

式中，LS為預期運行距離，一般選擇LS=25×103m。

4.2.3 按絲桿副的預加最大軸向負載計算

式中，fe為預加負荷系數，輕預載時，選擇fe=8.2；Fmax為絲杠副最大載荷。

4.3 估算絲桿的最大允許軸向變形量dm

4.4 估計算絲桿副的螺紋底X

根據X向運動行程為2200mm，可計算出兩個固定支承的最大距離：

按絲桿安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：

式中，F0為導軌靜摩擦力，F0=108.2N；L為滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=1580mm

4.5 導程精度的選擇

根據X向運動的定位精度要求達到0.005mm/1000mm，則任意300mm。長度的導程精度為0.0015mm。

5 金屬管測量裝置的整體總裝圖（圖3）

6 基于PLC的自動測量金屬管棒裝置存在的問題及解決方案

6.1 自動測量金屬管棒裝置在實際運用環節還是存在不理想之處

（1）精確程度待與進一步提升。一旦控制的精確程度不理想，那么長時間處于運行的狀態，會使得控制組成的線路結構以及涉及的機械組分發生直接老化，這就使得控制工作的準確程度受到嚴重干擾，控制的準確程度無法得到充分保障。信息的可靠性接收的目標難以實現，信息接收的不可能，那么久會出現判斷不正確的情況。更關鍵的是接線位置以及觸點之間的狀態不理想，操作現場的設備開關得不到高效控制，直接關閉，這就使得PLC系統的運行不正常，造成的問題更為嚴重。

（2）運行過程不完善。在裝置的環節中，執行活動的展開，負責負載控制的設備出現嚴重問題，再或者是由于其他干擾的不利威脅，導致PLC所傳達出來的號令在傳輸到端口位置的環節出現明顯的中斷情況，更糟糕的是直接丟失，使得控制系統根本不能將原有的動作口令詳細操作。此外，裝置內部有部分設備有不同類別的故障的出現，再加上接觸不良時常發生，極大地干擾了系統整體的運行可靠性。

（3）維修管理不到位。裝置在詳細應用環節中，由于運行環節時間較長，所以無論是維修的次數還是管理的次數都不多，這就使得整個系統長時間處于超壓的和運行狀態，沒有專業素養過硬的維修人員的維修保養支持，使得自動測量金屬管棒裝置設備無法實現定期維修，給其運行埋下了安全隱患。

6.2 自動測量金屬管棒裝置針對問題的解決方案

（1）輸入的信號的穩定性亟待提升。實現PLC系統的完善和優化，不僅要強調信號輸入環節的可靠與穩定，還應該具體問題具體分析，實現對主界面控制功能模塊的實時更新，使得靈敏程度更高，保障控制的整體效率，促進系統信息的全面完善分析，保障對應的判斷是足夠可靠的，實現尺寸測量工作的高效展開。

（2）故障提醒和報警工作的有效實現。受到PLC系統的影響。將故障提醒功能融入其中，系統中的設備盡量實現可視化管理，做好定位設備的裝配，發揮局域網絡的優勢，實現故障的提示以及報警系統的系統性整合，這就極大地方便了工作人員的工作，發揮高清攝像頭設備的優勢，實現監督以及水處理系統的結合，進而使PLC控制系統的運行情況合理的改善，在相對較短的時間內作出的判斷也是正確的。使得水處理系統的安全性。此外借助故障的監察，此外還需要應用故障檢測將一些不正常的情況第一時間發現，給予相關工作人員準確提醒，讓廣大工作人員有足夠的重視，對于問題實現高效解決，一旦故障合理解決，那么所發出的警報自然就不存在了。

（3）維修管理工作必須高度關注。維修和管理工作對測量裝置也有直接的影響，企業方可以考慮到香港制度和管理制度，必須選派專業人員對相關系統和設備進行管理以及維修，當然工作人員必須樹立責任意識，嚴格按照規范化的流程完成相關維修以及管理工作，延長測量裝置的使用時間。

圖3 金屬管測量裝置總裝圖

7 結語

金屬管在線檢測裝置目前已經研制完成，管道裝備業也是我市現代物流裝備產業最大產業之一，該裝置的后期運用和推廣可取代人工檢測過程中檢測的誤差率，同時節約成本，有效解決中小企業產品檢測能力不足、檢測手段與標準不統一等問題，推進“智慧檢測”建設，為增強現代物流裝備產業的產品核心競爭力提供計量技術保障。