王曉初 劉為文

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

在船舶、自來水、石油、化工等輸送管道中，直徑為100～426 mm 的大型金屬彎管是必不可少的，并且要求彎管彎道角度的精度達(dá)0.1°以上，以保證鋪設(shè)管道時(shí)的對接。國內(nèi)廠家在大型彎管生產(chǎn)過程中，由于彎管機(jī)沒有數(shù)控化，彎管彎道的角度精度難以保證。彎管生產(chǎn)工藝分為熱彎和冷彎兩種，由于熱彎工藝存在設(shè)備復(fù)雜、加工成本高、生產(chǎn)效率低和表面粗糙度差等諸多缺點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中，仍以冷彎工藝為主。但冷彎存在彎管回彈現(xiàn)象，彎道角度難以控制［1］。

在彎管的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝過程中，首先根據(jù)要加工的彎道角度值，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，在彎管機(jī)上標(biāo)出彎管模的停止位置，當(dāng)彎管模旋轉(zhuǎn)到停止位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后取下彎管放置于一平面上，接著對彎管畫出如圖1 所示的ΔABC，并計(jì)算彎道角度α，將實(shí)際加工的角度α 與要求的角度值進(jìn)行比較后，適當(dāng)調(diào)整彎管機(jī)上標(biāo)記的停止位置，然后再試產(chǎn)一根彎管，多次重復(fù)以上過程，直至找出準(zhǔn)確的停止位置。由于取下來的彎管不能再次安裝并加工，因此試生產(chǎn)的彎管就成了廢品。這種傳統(tǒng)人工方式要得到比較準(zhǔn)確的停止位置的經(jīng)驗(yàn)值，需要試驗(yàn)多次;經(jīng)驗(yàn)值對相同型號相同材料的管坯比較準(zhǔn)確，而對不同材料和不同型號的管坯又不再適用，因此這種人工離線手動(dòng)測量方法降低了生產(chǎn)效率、因浪費(fèi)原材料而增加了生產(chǎn)成本。

鑒于目前國內(nèi)的大型彎管機(jī)床沒有彎管的彎道角度在線測量功能，同時(shí)為了提高彎管彎道加工精度、生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，本文主要研究并設(shè)計(jì)了彎管角度在線測量裝置。

1 彎道角度測量原理

首先對傳統(tǒng)大型彎管機(jī)進(jìn)行改造，一是在聯(lián)接彎管模的主軸上加裝編碼器，以精確控制彎管模的旋轉(zhuǎn)角度［2］;二是加裝如圖2b 所示的角度測量裝置。

彎管機(jī)的工作原理如圖2a 所示。彎管模固定在主軸上并隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬管坯通過夾緊模緊靠在彎管模的夾緊槽上;導(dǎo)向壓料模為導(dǎo)向壓料模導(dǎo)向壓料滑槽，它緊貼于管坯的彎曲外側(cè);當(dāng)彎管模回轉(zhuǎn)指定角度并停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，管坯就被纏繞在彎管模的周向，從而得到所需的彎曲半徑和彎道角度［3］。松開夾緊模后，由于管坯彈性變形而回彈，管坯的實(shí)際形狀如圖2a 所示的虛線管坯。圖2b 所示的彎道角度測量裝置主要由機(jī)械部分和控制部分組成。該裝置安裝在彎管機(jī)床上時(shí)，要確保步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1 和2 的主軸與導(dǎo)向壓料模上的壓料槽的軸線平行，即要使行程開關(guān)1 和2 的運(yùn)動(dòng)軌跡A'A和B'B 與導(dǎo)向壓料模上的壓料槽保持平行。

測量裝置測量彎管彎道角度主要分為如下3 個(gè)步驟。

(1)測量前的準(zhǔn)備工作。即通過控制器上的前進(jìn)和回退按鈕，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3 驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副帶動(dòng)移動(dòng)臺前后移動(dòng)，通過目測使行程開關(guān)處于合適的測量位置。

(2)自動(dòng)測量角度。完成步驟1 的情況下，按下啟動(dòng)鍵，啟動(dòng)自動(dòng)測量。此時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1 和2 通過滾珠絲杠副分別帶動(dòng)行程開關(guān)1 和2 向靠近彎管方向移動(dòng)，當(dāng)行程開關(guān)1 和2 檢測到彎管時(shí)，即分別到達(dá)A、B點(diǎn)時(shí)(距離為1 mm)，控制對應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng);當(dāng)兩臺電動(dòng)機(jī)都停止時(shí)，分別記錄步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1 和2 所走的步數(shù);然后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1 和2 分別帶動(dòng)行程開關(guān)1和2 回到初始位置A'和B'，從而完成一次測量。

(3)根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所走的步數(shù)，計(jì)算彎道角度并顯示。

設(shè)2 臺步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角均為θs，滾珠絲杠副的導(dǎo)程為P，d1=A'A，d2=B'B，距離d1對應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1 的步數(shù)為N1，距離d2對應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)為N2，則

兩個(gè)行程開關(guān)之間的距離為h，即AC=h。在直角ΔABC 中，則彎管彎道角度α 分以下3 種情況進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)d1＞d2:

當(dāng)d1=d2:

當(dāng)d1＜d2，

2 測量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彎管角度測量裝置裝配圖如圖3 所示，主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌、移動(dòng)臺和傳感器支架組成。根據(jù)測量彎管彎道角度的精度要求，可以選擇不同歩距角θs的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和不同導(dǎo)程P 的絲杠螺母副，θs和P 越小，所測角度的分辨率和精度越高，但成本也越高，一般彎管所需的精度在0.1°以上，所以根據(jù)需要選擇兩者的合理搭配。移動(dòng)臺的主要作用是根據(jù)彎管的不同彎道角度，前后移動(dòng)行程開關(guān)，使行程開關(guān)處于合適的測量位置，以保證AB 段在被測管子的未彎曲段內(nèi)。

3 測量裝置的電路設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)的電路原理如圖4 所示，主要以單片機(jī)AT89C51 為控制核心，實(shí)現(xiàn)角度測量裝置的控制、以及角度數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、處理和顯示。前進(jìn)按鈕和后退按鈕控制移動(dòng)臺的前進(jìn)和后退，啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)一次角度自動(dòng)測量。行程開關(guān)1 和2 的開關(guān)信號分別連接至P3.2 和P3.3，以查詢方式控制對應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起停。P1.0 和P1.1 分別為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)M1 的方向和脈沖信號線，P1.2 和P1.3 分別為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)M2 的方向和脈沖信號線，P1.4 和P1.5 分別為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)M3的方向和脈沖信號線。

為了提高抗干擾能力，在單片機(jī)的信號輸入端和輸出端加入光電隔離器［6］。

4 測量軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)測量軟件包括鍵盤和行程開關(guān)狀態(tài)的讀取、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、角度計(jì)算以及角度顯示等，程序流程圖如圖5 所示。

測量不同型號的彎管時(shí)，其AB 段可能出于不同的位置，為了保證行程開關(guān)處于合適的位置，在角度測量之前需要手動(dòng)控制移動(dòng)臺前后移動(dòng)，P2.4=0 時(shí)移動(dòng)臺前進(jìn)，P2.5=0 時(shí)移動(dòng)臺后退。該控制軟件“并行”控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)和后退，節(jié)省了測量的時(shí)間，P1.2、P1.4分別控制進(jìn)電動(dòng)機(jī)M2 和M3 正反轉(zhuǎn)，從P1.3、P1.5 分別輸出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)M2 和M3 運(yùn)動(dòng)的脈沖。如果脈沖輸入變化太快，由于慣性導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)跟不上輸入脈沖的變化，這時(shí)就會發(fā)生堵轉(zhuǎn)和丟步［6-7］。所以，每走一步，程序必須延時(shí)一段時(shí)間。從P3.2 和P3.3 讀入行程開關(guān)的開關(guān)信號以控制對應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟停。N1和N2分別記錄步進(jìn)電動(dòng)機(jī)M2 和M3 前進(jìn)的步數(shù)，用于計(jì)算測量角度和控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)回到初始狀態(tài)準(zhǔn)備下一次角度測量。通過定時(shí)器中斷在中斷程序中定時(shí)顯示測量結(jié)果，這樣可節(jié)省CPU 資源。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)的人工彎管彎道角度測量方法相比，本設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。(1)彎管彎道角度測量是在機(jī)床加工時(shí)在線測量，不用取下彎管再進(jìn)行測量;(2)檢測的彎道角度在LED 上顯示，供工人參考判斷，如果彎管彎道角度偏小，則可以再次啟動(dòng)夾緊模壓緊管子繼續(xù)彎曲，這樣就不會浪費(fèi)材料，提高了原材料利用率，降低了生產(chǎn)成本;(3)由于角度測量是自動(dòng)進(jìn)行的，減少了工人的勞動(dòng)量和人數(shù)，提高了彎管角度測量的速度，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。本裝置已在彎管廠進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，其角度測量原理簡單，將提高角度測量的精度轉(zhuǎn)換成該裝置的設(shè)計(jì)精度和安裝精度，不以人的意志為轉(zhuǎn)移，提高了檢測角度的穩(wěn)定性和精度，也提高了彎管產(chǎn)品的質(zhì)量。

［1］劉光武，胡勇，王呈方.彎管回彈的理論分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(2):136 -138.

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