王習(xí)彬，郝大順，劉 東

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

銑邊是直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)的主要工序之一，其目的是通過對(duì)原料鋼板兩邊進(jìn)行銑削加工，使加工后的板寬達(dá)到鋼管外圓周長(zhǎng)，并為后續(xù)鋼管焊接過程提供焊接坡口，以保證鋼管成型過程的幾何形狀和尺寸精度以及后續(xù)焊接加工質(zhì)量。 因此，實(shí)時(shí)檢測(cè)銑邊坡口數(shù)據(jù)，對(duì)保證其滿足生產(chǎn)工藝要求具有重要的意義。

1 銑邊坡口測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 坡口形貌及參數(shù)

鋼板坡口形貌及參數(shù)如圖1 所示。 實(shí)際生產(chǎn)中，受到工況等因素的限制，通常需要操作人員使用卷尺、游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具對(duì)銑邊坡口進(jìn)行抽點(diǎn)測(cè)量，需停機(jī)操作，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受人為因素影響，且測(cè)量過程存在安全風(fēng)險(xiǎn)。 本研究基于激光測(cè)量技術(shù)，開發(fā)了可實(shí)時(shí)測(cè)量銑邊過程中鋼板坡口數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)。

圖1 鋼板坡口形貌及參數(shù)

1.2 銑邊坡口測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

銑邊坡口測(cè)量系統(tǒng)主要由超高速輪廓測(cè)量激光傳感器、編碼器、PLC 控制器、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、線性模組、傳感器固定支架、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，通過超高速輪廓測(cè)量激光傳感器對(duì)坡口進(jìn)行測(cè)量，輸出端通過網(wǎng)絡(luò)接口接入計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和輸出。 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置適用于Φ508 mm～Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中銑邊坡口參數(shù)的測(cè)量，具體使用范圍見表1。 系統(tǒng)測(cè)量、控制流程整體設(shè)計(jì)如圖3 所示。 首先，根據(jù)設(shè)置的鋼板寬度參數(shù)，PLC 控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)高速輪廓測(cè)量激光傳感器安裝支架在線性模組上運(yùn)動(dòng)至測(cè)量位置，做好測(cè)量的準(zhǔn)備工作。 其次，銑邊過程中鋼板在輥道上移動(dòng)，編碼器對(duì)鋼板位置進(jìn)行計(jì)長(zhǎng)標(biāo)定，激光傳感器采集鋼板輪廓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至計(jì)算機(jī)。 最后系統(tǒng)軟件通過核心算法對(duì)激光傳感器采集的鋼板坡口輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，最終得出坡口參數(shù)，在軟件人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示。

表1 測(cè)量裝置適用范圍

圖3 系統(tǒng)測(cè)量、控制流程圖

1.3 銑邊坡口測(cè)量系統(tǒng)硬件及軟件的選擇

銑邊坡口測(cè)量裝置中選用西門子S1200 型PLC，內(nèi)置 PROFINET 接口，12 路輸入點(diǎn)和 14 路輸出點(diǎn)。 選擇德國(guó)SmartRay 公司的ECCO75-100型3D 激光傳感器，視野范圍72～124 mm，測(cè)量范圍100 mm，工作距離 150 mm，垂直分辨率5～12 μm，水平分辨率 42～70 μm，線性度0.08 μm/mm，重復(fù)精度 0.8 μm，可識(shí)別細(xì)微缺陷，實(shí)現(xiàn)可靠的檢驗(yàn)和測(cè)量。 生產(chǎn)過程中原料鋼板會(huì)出現(xiàn)翹邊及波浪彎等情況，為了保證測(cè)量范圍和角度，兩個(gè)激光傳感器為1 組，呈一定角度固定安裝。 在生產(chǎn)過程中，為了降低電磁干擾，激光傳感器和計(jì)算機(jī)之間的連接使用6 類網(wǎng)絡(luò)電纜。 為了降低強(qiáng)烈光線對(duì)激光傳感器的干擾，現(xiàn)場(chǎng)需要做相應(yīng)的防光線干擾處理。

電機(jī)使用松下MHMJ042P1S 型伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)激光傳感器測(cè)量位置的精確定位。 其一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2 000～3 000 r/min，測(cè)量過程中出現(xiàn)激光傳感器和鋼板碰撞時(shí)能夠驅(qū)動(dòng)傳感器在安全時(shí)間內(nèi)返回原點(diǎn)位置。

系統(tǒng)軟件基于Visual Studio.NET 開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和輸出。 當(dāng)待測(cè)鋼板進(jìn)入激光傳感器測(cè)量區(qū)域時(shí)，激光傳感器讀取鋼板坡口輪廓數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件通過核心算法對(duì)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，最終得出銑削后鋼板板邊坡口參數(shù)： 上坡口角度、鈍邊角度、下坡口角度、鈍邊高度及下坡口高度。 通過編碼器對(duì)鋼板計(jì)長(zhǎng)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)測(cè)量位置及對(duì)應(yīng)鋼板坡口參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。 該平臺(tái)具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、圖形顯示直觀、便于檢測(cè)等特點(diǎn)。軟件還有質(zhì)量報(bào)警功能，通過對(duì)鋼板檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量值范圍標(biāo)定，對(duì)超過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示。 軟件的測(cè)量系統(tǒng)界面如圖4 所示。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)界面

2 試驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方法

對(duì) Φ508 mm×14.2 mm、Φ1 016 mm×21 mm、Φ1 422 mm×25.7 mm 共3 種規(guī)格直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中銑邊坡口進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，每種規(guī)格的鋼板各選取5 處不同位置，分別使用激光測(cè)量和人工測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置如圖5 所示。

圖5 激光測(cè)量裝置實(shí)物圖

2.2 測(cè)量結(jié)果與分析

使用激光測(cè)量和人工測(cè)量方法對(duì)Φ508 mm×14.2 mm、Φ1 016 mm×21 mm、Φ1 422 mm×25.7 mm三種規(guī)格直縫埋弧焊管的測(cè)量結(jié)果見表2～表4。 從表2～表4 可以看出，銑削后上坡口角度、鈍邊角度、下坡口角度、鈍邊高度及下坡口高度，激光測(cè)量數(shù)據(jù)和人工測(cè)量結(jié)果基本一致，符合工藝要求。 激光測(cè)量準(zhǔn)確度滿足使用要求，且具有更高的精度，高度測(cè)量精度0.1 mm，角度測(cè)量精度0.25°。

表2 Φ508 mm×14.2 mm 直縫埋弧焊管坡口測(cè)量結(jié)果

表3 Φ1 016 mm×21 mm 直縫埋弧焊管坡口測(cè)量結(jié)果

表4 Φ1 422 mm×25.7 mm 直縫埋弧焊管坡口測(cè)量結(jié)果

3 結(jié) 論

（1） 使用線激光傳感器對(duì)銑邊坡口參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法可行，且具有較高的測(cè)量精度。

（2） 銑邊過程中，激光測(cè)量可以完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取，不需停機(jī)操作，避免了安全風(fēng)險(xiǎn)。 同時(shí)通過伺服電機(jī)的精確控制，可以滿足不同規(guī)格直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中銑邊坡口參數(shù)的測(cè)量。