韓 偉 鄭力燊 曹金娣

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司 天津300301）

1 前言

眾所周知，鋼管行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一；鋼管的應(yīng)用也廣泛地分布于人民生活建設(shè)的方方面面。因此，鋼管作為經(jīng)濟(jì)效益豐富、用途廣泛的金屬型材，其在生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)都有嚴(yán)格的要求和檢驗(yàn)。其中鋼管管端的內(nèi)外徑和不圓度水平作為重要指標(biāo)，對(duì)鋼管間焊縫的質(zhì)量好壞、管路中輸送物質(zhì)的流動(dòng)等問(wèn)題都有直接影響作用，所以對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)工作是鋼管生產(chǎn)工藝流程中重要的一環(huán)。

圖1 鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量設(shè)備平面圖

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是利用卡尺和千分尺等工具手工進(jìn)行測(cè)量，這種依靠人力測(cè)量若干測(cè)量點(diǎn)的方法，存在著工作速度慢、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、管端不圓度不能充分體現(xiàn)等諸多不足。這與當(dāng)今各企業(yè)追求的“保質(zhì)、快速、高效”的目標(biāo)顯然不符，而且機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)代替手工勞動(dòng)也是必然趨勢(shì)。所以，生產(chǎn)線中增加能夠快速、準(zhǔn)確反映鋼管管端內(nèi)外徑和不圓度水平，適應(yīng)流水線快速生產(chǎn)節(jié)奏的鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量設(shè)備是十分必要的。

介紹的鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量設(shè)備是賽瑞公司與南開大學(xué)共同合作，用于天津鋼管集團(tuán)公司深加工生產(chǎn)基地273光管線（見圖1）。

2 工藝參數(shù)及主要技術(shù)指標(biāo)

為滿足實(shí)際生產(chǎn)線生產(chǎn)需求，所要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量設(shè)備應(yīng)符合下列工藝參數(shù)和主要技術(shù)指標(biāo)。

2.1 鋼管規(guī)格范圍

外徑：Φ114.3mm～Φ273.1mm；

壁厚：4～50mm；

長(zhǎng)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(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)包括硬件設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和軟件技術(shù)指標(biāo)兩部分。

2.2.1 硬件設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

1）分辨率：1μm；

2）測(cè)量精度：0.05mm；

高職教育是一種跨界教育，教師核心素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)需要“政校行企”四方的聯(lián)合培養(yǎng)，學(xué)校和企業(yè)需要參與教師的培養(yǎng)，在監(jiān)督方面存在一定嫌疑。對(duì)此，行業(yè)應(yīng)該發(fā)揮出考核官的作用，有效地監(jiān)督高職院校教師核心素養(yǎng)和能力建設(shè)的情況。目前，隨著教學(xué)改革以及人才培養(yǎng)需求的不斷提升，高職院校的校企合作工作有了一定的進(jìn)展，不斷完善合作過(guò)程中的各種細(xì)節(jié)。然而，對(duì)高職教師核心素養(yǎng)和能力建設(shè)監(jiān)督方面，行業(yè)并沒有起到明顯的監(jiān)督作用。行業(yè)發(fā)展規(guī)劃中并沒有涉及職業(yè)教育教師能力的培養(yǎng)，缺乏對(duì)教師核心素養(yǎng)、能力和行業(yè)人才教育之間關(guān)系的梳理。行業(yè)應(yīng)該把高職院校教師核心素養(yǎng)和能力作為企業(yè)認(rèn)證的重要指標(biāo)之一，加大校企雙方合作的力度。

3）測(cè)量速度：每圈500點(diǎn)，單次測(cè)量過(guò)程時(shí)間＜30s；

4）鋼管內(nèi)徑：＞110mm；

5）鋼管外徑范圍：＜280mm；

6）測(cè)量截面距管端距離：≤300mm。

2.2.2 軟件技術(shù)指標(biāo)

1）自動(dòng)測(cè)量每根鋼管管端內(nèi)外徑數(shù)據(jù)，可設(shè)定管徑、每周測(cè)量點(diǎn)數(shù)、測(cè)量截面距管端距離；

2）可自動(dòng)計(jì)算最大內(nèi)徑、最小內(nèi)徑和不圓度；

4）輸入爐號(hào)、批號(hào)、管號(hào)功能；

5）兩端數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)管號(hào)；

6）有線及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

3 設(shè)備組成與工作原理及過(guò)程

3.1 設(shè)備組成

鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量設(shè)備主要由測(cè)量主機(jī)、輔機(jī)和控制機(jī)柜三個(gè)部分構(gòu)成。其中測(cè)量主機(jī)由兩個(gè)激光測(cè)距探頭、兩個(gè)小型精密平移臺(tái)、一個(gè)精密轉(zhuǎn)臺(tái)、一個(gè)大型平移臺(tái)和一個(gè)大型升降臺(tái)構(gòu)成。它是完成鋼管管端測(cè)量的主體設(shè)備。輔機(jī)包括步進(jìn)裝置、對(duì)齊輥道、V 形支架、對(duì)齊緩沖擋板及安全擋板等。輔機(jī)主要完成鋼管的翻入、對(duì)齊、運(yùn)送、翻出等輔助測(cè)量主機(jī)測(cè)量的工作?？刂茩C(jī)構(gòu)由變壓器、電源控制單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、有線及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和工控機(jī)構(gòu)成。軟件安裝在工控機(jī)中。網(wǎng)絡(luò)通訊模塊主要由有線及無(wú)線路由器組成，負(fù)責(zé)兩臺(tái)測(cè)量裝置之間的通訊，將兩端的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一根鋼管。同時(shí)負(fù)責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)模塊交互傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)量原理

圖2 激光測(cè)距探頭測(cè)距原理圖

鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量裝置的探頭測(cè)量原理是激光三角法，其原理如圖2所示。激光二極管發(fā)出的平行光束垂直投射到被測(cè)物體表面，形成一個(gè)光斑，光斑在物體表面發(fā)生漫反射，其中一部分散射光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡成像于CCD上。如果被測(cè)物體產(chǎn)生位移，將導(dǎo)致物體表面上的光點(diǎn)沿著激光束的方向產(chǎn)生移動(dòng)，那么CCD 上的成像點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)。通過(guò)成像位移和實(shí)際位移之間的三角關(guān)系可以計(jì)算出實(shí)際位移。傳感器采用線陣CCD，在信號(hào)處理電路的作用下，可以很方便的將位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成探測(cè)距離。再結(jié)合精密的旋轉(zhuǎn)和平移裝置，就可以將管端一個(gè)截面處的內(nèi)外徑和不圓度測(cè)出。

3.3 測(cè)量主機(jī)工作方式及測(cè)量誤差修正

圖3 測(cè)量主機(jī)工作示意圖

兩個(gè)激光測(cè)距探頭安裝在精密轉(zhuǎn)臺(tái)前的旋轉(zhuǎn)平面上，圍繞鋼管軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量探頭距鋼管內(nèi)外壁到鋼管的距離，再加上測(cè)距探頭到旋轉(zhuǎn)中心線的距離，就可以得出鋼管的內(nèi)外徑。其中，測(cè)量主機(jī)（圖3）中的兩個(gè)小型精密平移臺(tái)、一個(gè)大型平移臺(tái)和一個(gè)大型升降臺(tái)用來(lái)調(diào)節(jié)精密轉(zhuǎn)臺(tái)的位置，即調(diào)節(jié)兩個(gè)激光測(cè)距探頭的位置，這樣就可以探測(cè)距離鋼管管端指定距離的內(nèi)外徑和不圓度。而且在測(cè)量進(jìn)行前，可在操作臺(tái)上對(duì)每周測(cè)量點(diǎn)數(shù)、測(cè)量截面距管端距離等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果和預(yù)先設(shè)定參數(shù)綜合計(jì)算出被測(cè)鋼管的管端內(nèi)外徑和不圓度。

測(cè)量過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤差主要有轉(zhuǎn)臺(tái)的徑向晃動(dòng)和轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的中心線與鋼管的軸線不一致兩方面。對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的徑向晃動(dòng)，可選用徑向晃動(dòng)小的精密轉(zhuǎn)臺(tái)將精度保證在要求范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以兩軸線夾角非常小，經(jīng)過(guò)計(jì)算，產(chǎn)生的誤差不超過(guò)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(chǎn)生的誤差則可以通過(guò)建立坐標(biāo)系函數(shù)和最小二乘法等數(shù)據(jù)算法來(lái)修正。

3.4 設(shè)備工藝流程

圖1所示為鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量設(shè)備平面圖。其設(shè)備工藝流程如下。

生產(chǎn)線上的待測(cè)鋼管被運(yùn)送至指定位置后，由步進(jìn)裝置將其翻轉(zhuǎn)至1號(hào)對(duì)齊輥道上；之后輥道運(yùn)送鋼管至1號(hào)對(duì)齊緩沖擋板處，完成鋼管一端對(duì)齊工作；對(duì)齊后的鋼管再經(jīng)步進(jìn)裝置將其翻轉(zhuǎn)至1號(hào)V 型支架上并進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量完成后，步進(jìn)裝置將鋼管翻轉(zhuǎn)至2號(hào)對(duì)齊輥道上；之后同樣過(guò)程完成鋼管另一端的測(cè)量工作；最后翻轉(zhuǎn)回到生產(chǎn)線上進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)。

設(shè)備輔機(jī)中的步進(jìn)裝置由一臺(tái)主電機(jī)（設(shè)有制動(dòng)器和減速箱）帶動(dòng)5組齒輪箱同時(shí)運(yùn)行，每組齒輪箱鉸接一個(gè)5齒6工位的托架。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)工位都有鋼管，步進(jìn)裝置的每一次動(dòng)作都由電氣原件嚴(yán)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(chǎn)效率。

每一根鋼管完成管端測(cè)量后，其兩端數(shù)據(jù)都與對(duì)應(yīng)的爐號(hào)、批號(hào)、管號(hào)等參數(shù)對(duì)應(yīng)保存在一起，以供查詢和輸出報(bào)告。

4 設(shè)計(jì)成果

本設(shè)備系統(tǒng)已經(jīng)在天津天管元通管材制品有限公司通過(guò)離線測(cè)試。測(cè)量精度可達(dá)0.05mm；分辨率為1μm；每個(gè)管端截面測(cè)量500個(gè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)量時(shí)間小于25s；主輔機(jī)設(shè)備滿足鋼管各規(guī)格的生產(chǎn)要求；電氣控制系統(tǒng)具有預(yù)定的各項(xiàng)功能；充分滿足車間鋼管生產(chǎn)線的需求。

5 設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 非接觸式的測(cè)量方式和減小誤差的方法

介紹的鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量設(shè)備，采用非接觸式的激光三角法來(lái)測(cè)量鋼管的內(nèi)外徑和不圓度。克服了傳統(tǒng)手工測(cè)量的諸多弊端，達(dá)到了準(zhǔn)確快速測(cè)量的目的。同時(shí)采用數(shù)據(jù)處理算法（建立坐標(biāo)系函數(shù)和最小二乘法等）有效地將測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差降低至要求指標(biāo)范圍內(nèi)，滿足了生產(chǎn)指標(biāo)的精度要求。

5.2 精密的主機(jī)設(shè)備和配套的輔機(jī)設(shè)備

介紹的精密主機(jī)設(shè)備提高了測(cè)量精度，滿足了不同規(guī)格的測(cè)量工況，還為今后擴(kuò)大規(guī)格改造提供了基礎(chǔ)。配套的輔機(jī)設(shè)備同時(shí)具備步進(jìn)、運(yùn)送等功能，通過(guò)合理配置充分利用空間，也滿足了預(yù)先制定的要求。二者組成一套完整的設(shè)備應(yīng)用于車間生產(chǎn)線中，既滿足生產(chǎn)工藝要求，又保質(zhì)、快速、高效。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)一種非接觸式測(cè)量的鋼管管端內(nèi)外徑測(cè)量設(shè)備，取代了傳統(tǒng)的手工接觸式測(cè)量方式，滿足了鋼管生產(chǎn)工藝流程中的要求，順應(yīng)了精度高、節(jié)奏快、自動(dòng)化的企業(yè)生產(chǎn)趨勢(shì)，有利于增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)也為需要增置此類設(shè)備或是進(jìn)行此類設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

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