直縫埋弧焊管預彎形貌實時測量系統設計與應用

郝大順， 劉 東， 吳 娟

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣062658）

0 前 言

板邊預彎是JCOE 直縫埋弧焊管生產線的重要工藝之一， 巨龍鋼管有限公司JCOE 生產線預彎采用模壓式預彎技術， 由兩套漸開線式模具分步對銑好坡口的鋼板兩邊同時進行壓力彎曲變形， 使鋼板兩邊的彎曲半徑達到或接近生產鋼管規格的半徑， 從而保證鋼管的成型質量。 目前對預彎形貌的人工測量屬于靜態測量， 對一張鋼板抽點檢測， 需要停機操作， 存在精度低、 耗時長等缺點。 在實際生產中， 由于機械故障或人員因素， 預彎過程還會出現漏步的問題， 即鋼板步進預彎過程中鋼板部分未能預彎， 此現象若未在JCO 成型前及時發現，整根焊管有可能報廢， 從而造成巨大的經濟損失。 為此， 設計了一種預彎形貌實時測量系統， 該系統能在預彎過程中對鋼板預彎形貌進行實時測量， 且能在預彎數據不滿足工藝或發生漏步時及時報警。 同時， 該測量系統能夠自動保存測量數據， 便于后續對預彎形貌的追溯、 分析和處理。

1 鋼板預彎形貌測量系統設計原理

1.1 測量參數及人工測量方法

鋼板預彎板邊形貌如圖1 所示， 測量參數主要為弦高H 和直邊長度D， 其值要求在預彎工藝要求的范圍內。

圖1 鋼板預彎形貌示意圖

預彎板邊弦高的傳統人工測量方法為： 采用300 mm 鋼直尺放置于鋼板邊緣線， 150 mm刻度對準板邊緣， 0 基準靠在彎邊弧段內側，再使用150 mm 鋼直尺測量， 此時300 mm 鋼直尺75 mm 刻度處與鋼板彎曲弧段之間的最短距離， 即為鋼板板邊弦高值。 直邊測量方法為： 使用專用內圓弧模板， 如圖2 所示， 使其中部緊靠鋼板， 使用0.1 mm 規格塞尺塞入模板與鋼板之間， 待無法再塞入時測量塞尺內側到鋼板邊緣長度， 即為直邊長度。

圖2 內圓弧模板示意圖

1.2 實時測量系統設計原理

使用三維激光傳感器對預彎后鋼板的預彎邊邊緣輪廓進行測量， 測量方法如圖3 所示， 激光傳感器置于鋼板預彎邊正上方， 垂直向下發出激光， 從而得到預彎邊輪廓曲線數據。

圖3 系統測量方法示意圖

對傳感器測量得到的鋼板預彎邊輪廓線原始數據進行均值、 中值的計算和高斯濾波處理， 最終得到輪廓數據線v， 如圖4 所示。

圖4 鋼板預彎邊輪廓線示意圖

鋼板邊緣點PE的坐標為（xPE， yPE）， 在輪廓線內找點A（xA， yA）， A 點至邊緣點PE的直線長度為150 mm， 即

已知點PE和A 點坐標， 則弦線中點坐標為

搜索輪廓線上距離該弦線中點距離最短的點P （xP， yP）， 該點至弦線中點的長度即弦高， 表示為

設想存在一個半徑為R 的 “模板圓”， 為鋼管內半徑， 該圓圓心C 沿弦高所在直線L逐步向鋼板方向逼近， 直到該圓圓周上的點與鋼板直邊接觸為止， 如圖4 所示。 接觸點為PT， 然后從接觸點PT開始， 向鋼板的邊緣點PE的方向搜索， 可找到輪廓線上距離 “模板圓” 圓 周 距 離≥0.1 mm 的 第 一 個 點PD（xD，yD）， PD與鋼板的邊緣點PE的距離即直邊長度， 表示為

生產過程中隨著鋼板的運動， 實現對預彎形貌的實時測量， 將測量數據顯示在輸出界面上， 對不合格數據突出顯示提醒， 當測量弦高值小于輸入的漏步標準值時， 即判定鋼板預彎發生漏步， 系統報警提示操作人員檢查， 實現了測量評定的自動化、 一體化。

2 鋼板預彎形貌測量系統組成

2.1 機械結構

鋼板預彎形貌測量系統機械結構如圖5 所示， 主要包括固定支架、 固定底座和滑動軌道， 整個機構安裝在預彎機出口的鋼板輸送輥道間隙處， 靠近預彎機， 兩側各一組。 將三維激光傳感器固定在固定支架上， 使其位于鋼板預彎邊正上方， 保證光源垂直鋼板向下發射，機構能通過伺服電機帶動固定支架和激光傳感器在滑動軌道上移動， 滿足不同規格直縫埋弧焊管的生產要求。

圖5 鋼板預彎形貌測量系統機械結構示意圖

2.2 硬件系統

測量系統主要硬件有三維激光傳感器、 計算機、 PLC 控制器、 光電編碼器、 伺服電機及其驅動器， 其中激光傳感器和計算機組成測量計算系統， PLC 控制器、 伺服電機、 伺服驅動器和光電編碼器組成運動控制系統。

Φ508 mm～Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管生產過程中預彎邊寬度較大， 生產工況惡劣， 鋼板存在翹邊、 變形等情況， 一般的三維激光傳感器無法滿足測量要求。 綜合考慮測量范圍、 測量距離和分辨率等因素， 傳感器選擇德國AT公司的CS-2040CS30-330 型激光傳感器， 視野243～416 mm， 工作距離為400 mm， 測量距離為300 mm， 水平分辨率161 μm， 垂直分辨率為5.0 μm， 線性度0.01 mm， 重復精度2.6 μm， 工作電壓10～24 V。

PLC 控制器選用西門子S7-300 型， 安裝CP343 以太網通訊模塊， 實現和計算機測量系統的通訊。 伺服選用MSME012GCA 型松下伺服電機及其驅動器， 額定功率100 W， 工作電壓200 V， 響應頻率2.0 kHz， 驅動器采用串口RS485 和PLC 控制器通訊， 實現激光傳感器測量位置的精確定位。 光電編碼器選用REC80B型增量編碼器， 安裝在輸送輥道中間隨鋼板運動轉動， 每轉脈沖數1 024， 計量鋼板運動距離， 鋼板每運動200 mm 測量計算系統記錄一次預彎邊形貌數據。

2.3 軟件系統

測量系統軟件模塊劃分如圖6 所示， TCP Client 有兩個端口， 分別對應于PLC 控制器和激光傳感器， 使用TCP/IP 通訊協議進行數據傳輸。鋼板位置模塊利用PLC 控制器及光電編碼器監測鋼板運動位置， 鋼板每運動200 mm 測量模塊觸發激光傳感器對預彎邊測量， 數據處理模塊對激光傳感器得到的輪廓數據進行處理， 計算得到弦高值和直邊值， 結果判定輸出模塊將計算值和輸入的標準值對比， 判定是否滿足工藝要求及是否發生漏步， 當前結果顯示在輸出界面上并將數據保存到數據庫。

圖6 鋼板預彎形貌測量系統軟件模塊示意圖

測量系統以Visual Studio.NET 作為開發工具， 軟件主要具有數據分析、 結果顯示、 保存、 查詢及參數設置等功能， 圖7 所示為測量系統界面。

圖7 鋼板預彎形貌測量系統顯示界面

3 應用效果

鋼板預彎形貌測量系統安裝完成后， 在車間進行應用試驗。 對所生產的Φ508 mm×10 mm、Φ711 mm×14.2 mm、 Φ1 219 mm×27.5 mm 以及Φ1 422 mm×28.2 mm 四種規格的直縫埋弧焊管預彎形貌進行測量， 生產過程中每隔2 h 人工測量一次， 并與系統測量數據校驗， 表1～表4為四種規格焊管其中一次的校驗數據。

由表1～表4 測量結果可以看出， 對于同一張預彎鋼板的板邊弦高H 和直邊D， 系統測量數據和人工測量數據基本一致， 這種一致性在長時間試運行過程中得到驗證， 表明系統能滿足預彎工藝測量要求， 具有較高的測量精度。 在試運行過程中， 測量系統多次對不符合工藝要求和預彎漏步情況發出報警， 結果得到驗證。

表1 Φ508 mm×10 mm 直縫埋弧焊管測量校驗數據

表2 Φ711 mm×14.2 mm 直縫埋弧焊管測量校驗數據

表3 Φ1 219 mm×27.5 mm 直縫埋弧焊管測量校驗數據

表4 Φ1 422 mm×28.2 mm 直縫埋弧焊管測量校驗數據

4 結束語

基于激光技術設計的鋼板預彎形貌實時測量系統， 能夠實時測量鋼板預彎的主要參數， 測量精度高， 并能及時發現不符合工藝要求和預彎漏步情況。 該測量系統的應用， 降低勞動強度， 提高生產效率， 同時測量系統能夠自動保存測量數據，對提高直縫埋弧焊管的成型質量具有重要意義。