楊代華，顧星，李勇波，林寧，吳明謙

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，湖北武漢430074;2.中國(guó)船舶重工股份有限公司，湖北武漢430084)

無(wú)縫鋼管在機(jī)械制造、軍事、建筑等行業(yè)中占有重要地位，鋼管壁厚的均勻程度是成品無(wú)縫鋼管質(zhì)量好壞的主要依據(jù)。其加工工藝是在圓柱型鋼錠的端面上找準(zhǔn)圓心，并對(duì)準(zhǔn)圓心打孔，再通過(guò)沖頭擴(kuò)孔等工序?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫鋼管的制造。因此，鋼錠中心孔加工的準(zhǔn)確度很大程度上決定了無(wú)縫鋼管壁厚的均勻程度。目前，無(wú)縫鋼管鋼坯的中心孔是靠手動(dòng)對(duì)中、電弧打孔的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)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?；诖?，提出了采用自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)定心的方法實(shí)現(xiàn)鋼錠中心孔的加工，并通過(guò)PLC與WINCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)效率，提高打孔質(zhì)量，同時(shí)也降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)

鋼錠定心打孔設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)軸(定義為X1、X2軸);控制打孔電極在鋼錠徑向平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制軸(定義為Y、Z軸);激光傳感器在鋼錠軸向伸縮機(jī)構(gòu);打孔電極偏心擴(kuò)孔結(jié)構(gòu)等。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

在鋼錠到位后，通過(guò)氣缸9 將激光位移傳感器伸出到鋼錠端面附件，再通過(guò)伺服電機(jī)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(shù)據(jù)傳入PLC 進(jìn)行處理得到鋼錠截面圓心的坐標(biāo)。再通過(guò)伺服電機(jī)8 和10控制打孔電極在鋼錠徑向平面上移動(dòng)至所得的圓心坐標(biāo)處，此時(shí)控制氣缸9 將傳感器退回原位，再移動(dòng)打孔電極進(jìn)行電弧打孔，并在打孔的同時(shí)通過(guò)偏心機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔。待打孔完成，所有機(jī)構(gòu)返回原點(diǎn)等待再次操作。

1.1 鋼錠圓截面掃描結(jié)構(gòu)

鋼錠外圓輪廓的掃描結(jié)構(gòu)包括傳感器的掃描結(jié)構(gòu)如圖2所示，在檢測(cè)圓柱形鋼錠外圓輪廓時(shí)，先通過(guò)氣缸6 將激光傳感器沿著圓柱形導(dǎo)桿3 向前推出至鋼錠端面處，再通過(guò)交流伺服電機(jī)2 帶動(dòng)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(dòng)裝置

如圖3所示，左右兩個(gè)激光距離掃描器分別掃描左右兩個(gè)半圓輪廓，并將掃描得到的輪廓邊界點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳入PLC 中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以消除輪廓上的缺陷點(diǎn)提高檢測(cè)精度，最終獲得鋼錠截面輪廓的曲線方程及圓心點(diǎn)的坐標(biāo)值。檢測(cè)完成輪廓曲線后，通過(guò)氣缸推桿5 將傳感器夾持機(jī)構(gòu)收回防護(hù)罩內(nèi)，保護(hù)傳感器在打孔過(guò)程中不受損傷。

圖3 傳感器檢測(cè)示意圖

1.2 電極的運(yùn)動(dòng)控制

在獲得鋼錠端面的圓心坐標(biāo)后，通過(guò)PLC控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)保證打孔電極的中心移動(dòng)至已計(jì)算的圓心坐標(biāo)點(diǎn)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4。

伺服電機(jī)1與絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接，帶動(dòng)整個(gè)工作臺(tái)沿著直線導(dǎo)軌2移動(dòng)，從而使打孔電極在Y方向移動(dòng)，伺服電機(jī)2通過(guò)蝸輪蝸桿4 帶動(dòng)工作臺(tái)豎直方向移動(dòng)，從而使打孔電極在豎直方向即Z軸移動(dòng)。

1.3 電極偏心擴(kuò)孔機(jī)構(gòu)

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(yīng)不同直徑鋼錠的打孔要求，在電機(jī)回轉(zhuǎn)部分采用了偏心四連桿機(jī)構(gòu)，見圖5、6，以擴(kuò)大打孔的直徑范圍。

圖5 電極偏心機(jī)構(gòu)側(cè)面圖

圖6 電極偏心機(jī)構(gòu)正面圖

通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)螺桿7 使得擺線陣輪減速箱輸出軸5與回轉(zhuǎn)軸6 之間產(chǎn)生一個(gè)偏心量δ，使兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸及碳棒支承座之間形成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，碳棒隨著回轉(zhuǎn)軸一起做半徑為δ的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大打孔直徑范圍的要求。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。下位機(jī)控制器采用西門子公司的S7-300型PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的采集，同時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和控制精度;上位機(jī)由安裝有WinCC組態(tài)軟件和CP5611 通訊卡的工控機(jī)構(gòu)成，并采用Profibus-DP總線實(shí)現(xiàn)與PLC 之間的通信連接及數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過(guò)人機(jī)界面，操作人員可以直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、掌握工藝參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)、所有報(bào)警點(diǎn)的參數(shù)等信息，同時(shí)通過(guò)WinCC可以對(duì)PLC 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和在線干預(yù)。

圖7 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

定心系統(tǒng)下位機(jī)采用西門子S7-300型PLC 作為控制器，實(shí)現(xiàn)了工序過(guò)程中的各個(gè)動(dòng)作的時(shí)序控制。圖8和圖9為自動(dòng)定心的流程圖及PLC程序的活動(dòng)模型框圖(IDEFO模型)。

圖8 自動(dòng)定心動(dòng)作設(shè)計(jì)流程圖

為滿足高速檢測(cè)的需要，PLC 除了基本的運(yùn)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(jī)在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中信號(hào)不失真及定位的準(zhǔn)確性。

圖9 IDEF 框圖

2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)打孔工藝的遠(yuǎn)程監(jiān)控，操作人員可以通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)定心機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，遠(yuǎn)離惡劣的現(xiàn)場(chǎng)工作。該系統(tǒng)上位機(jī)采用西門子公司的WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，能動(dòng)態(tài)地顯示系統(tǒng)的工作過(guò)程。WINCC 將接收到的激光傳感器返回的位置信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成實(shí)際的物理坐標(biāo)值存儲(chǔ)在WINCC的內(nèi)部變量中。圖10為WINCC監(jiān)控的主界面。

圖10 WINCC 監(jiān)控主界面

具體實(shí)現(xiàn)的功能如下:

(1)狀態(tài)欄。界面的最上方為狀態(tài)欄，主要用于時(shí)間、日期、星期顯示，并顯示定心機(jī)機(jī)床當(dāng)前模式(JOG 點(diǎn)動(dòng)模式、HOME 回原點(diǎn)模式、AUTO 自動(dòng)運(yùn)行模式);顯示W(wǎng)INCC控制模式/手持盒控制模式;發(fā)生報(bào)警時(shí)，出現(xiàn)報(bào)警后紅燈亮，詳細(xì)報(bào)警信息可在報(bào)警記錄菜單中查詢。

(2)菜單欄。界面的左側(cè)為菜單欄。分別可進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、初始化、報(bào)警記錄、退出系統(tǒng)5個(gè)界面。

(3)控制欄。界面的中間為控制欄，有模式選擇、倍率設(shè)定、急停和軸選擇等功能。若單擊回參考點(diǎn)模式，回原點(diǎn)按鍵會(huì)變亮，按相應(yīng)按鍵把各軸回零，需注意系統(tǒng)第一次開機(jī)必須返回參考點(diǎn)一次，否則無(wú)法進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式;若在點(diǎn)動(dòng)模式下，單擊X+、X－、Y+、Y－、Z+、Z－等按鍵可調(diào)整各軸位置。

(4)信息欄?？刂茩谏戏綖樾畔?，它包含了定心機(jī)各項(xiàng)工藝參數(shù)、定心機(jī)機(jī)床當(dāng)前坐標(biāo)、以及定心機(jī)床外部輸入信號(hào)指示燈。X軸為激光傳感器掃描上下運(yùn)行軸，Y為拖動(dòng)碳棒左右移動(dòng)機(jī)械軸，Z為控制碳棒上下移動(dòng)機(jī)械軸。

在主界面設(shè)置好相關(guān)參數(shù)之后，其他功能有效，點(diǎn)擊“自動(dòng)運(yùn)行”，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行界面如圖11所示。

圖11 自動(dòng)運(yùn)行界面

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼錠定心打孔裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，探討了控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，介紹了定心打孔的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，該設(shè)備極大地提高了定心打孔的精度和打孔效率，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和提高打孔質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較好的市場(chǎng)前景。

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