【正文】 尺長度的鋼管（有的需要熱處理) 輸送到斜輥式矯直機(jī)上矯直，矯直后依次經(jīng)過超聲波探傷，水壓機(jī)試驗(yàn)，隨后進(jìn)行其他各項(xiàng)精整工序。精整后的成品管經(jīng)過感應(yīng)加熱爐后進(jìn)行涂油打捆入庫。 鋼管測(cè)長是對(duì)成品鋼管進(jìn)行長度根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)把鋼管定義為好管或壞管。隨著我國加入 WTO，國內(nèi)市場(chǎng)和國際市場(chǎng)的接軌，鋼管市場(chǎng)同樣面臨一系列的問題。國內(nèi)鋼管進(jìn)入國際市場(chǎng)，必須遵守國際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。比如無縫鋼管要遵守國際標(biāo)準(zhǔn) API SPEC 5CT（見表 11 所示） 。 過去，大部分的鋼管廠家采用人工的方式進(jìn)行測(cè)量。人工測(cè)定鋼管的長度，這種做法沿用了很長一段時(shí)間，部分廠家目前仍在使用。很明顯，這些方法存在測(cè)量精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。表 1－1 API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)摘錄 GB/T 8162 尺寸偏差項(xiàng)目 允許偏差D≤177。D≥177。%外徑接箍 177。1%壁厚 %%單根%重量車載量 %長度項(xiàng)目 范圍 1 范圍 2 范圍 3油管 —套管 從上個(gè)世紀(jì) 90 年代開始，國內(nèi)一些大型的鋼鐵公司的產(chǎn)品為了參與國際競爭，耗巨資引進(jìn)國外的整條流水線。這些進(jìn)口的設(shè)備測(cè)量精度高、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、字跡統(tǒng)一規(guī)范。但是進(jìn)口設(shè)備成本高、要求工人素質(zhì)高、維護(hù)成本也高。落后的傳統(tǒng)方法與高成本的進(jìn)口設(shè)備都難適應(yīng)國內(nèi)的市場(chǎng)需求。因此，開發(fā)研制同類產(chǎn)品已經(jīng)迫在眉睫。 鋼管自動(dòng)測(cè)長系統(tǒng)的的分類長度是鋼管的主要規(guī)格指標(biāo)之一，是成品鋼管貿(mào)易結(jié)算的主要依據(jù)，每根鋼管的實(shí)際長度是噴標(biāo)信息的重要組成部分。 鋼管測(cè)長方法歸納起來有兩種方案：1．電荷耦合器件（CCD ）鋼管測(cè)長方案 [6] 目前鞍鋼無縫鋼管廠熱軋二車間生產(chǎn)線的測(cè)長系統(tǒng)即采用此方案。該測(cè)長方案包括精測(cè)和粗測(cè)兩部分。圖 1－2 和圖 1－3 為系統(tǒng)的示意圖。粗測(cè)部分由若干光源（激光器）和光電傳感器組成。每一點(diǎn)光源和光電檢測(cè)器組成一條測(cè)試線，各條測(cè)試線之間相互平行，且距離相對(duì)固定，每相鄰的測(cè)試線之間的最大距離小于 CCD 器件精測(cè)的測(cè)量范圍。當(dāng)鋼管的前端經(jīng)過測(cè)試線時(shí)，光電檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，將相應(yīng)的 I／0 信號(hào)送到單片機(jī)中。精測(cè) CCD 為攝像機(jī)，具有 2048 曝光像敏單元。為提高測(cè)量精度和可靠性，采用透光法進(jìn)行 CCD 成像測(cè)量，即光源和 CCD 器件分別置于生產(chǎn)流水線的兩側(cè)。精測(cè)光源的光線一部分可以通過透鏡投射到 CCD 器件上，另一部分則被鋼管擋住，光線無法到達(dá) CCD 器件上，如圖 13 所示。在精測(cè)過程中，鋼管在不同位置時(shí)， CCD 器件上的亮區(qū)長度也不相同。當(dāng)鋼管在生產(chǎn)流水線上向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果其前端與粗測(cè)部分中某一條測(cè)試線重合。而型鋼又在精測(cè)范圍內(nèi)，此時(shí)，即可進(jìn)行型鋼的測(cè)長。單片機(jī)在這瞬間同時(shí)進(jìn)行粗測(cè)和精測(cè)。單片機(jī)檢測(cè)型鋼與哪一根測(cè)試線相遇，求出粗測(cè)的長度。整個(gè)型鋼由圖 12 可以看出，整個(gè)鋼管的長度為： L= + ＋ 式（）0L12式中，L 為鋼管總長， 為精測(cè)長度， 為某一固定軌道上精測(cè)的起點(diǎn)到 第一0個(gè)測(cè)試線之間的距離， 為第一條測(cè)試線到鋼管在運(yùn)動(dòng)過程中到達(dá)的那一條的測(cè)試線之2L間的距離。系統(tǒng)巧妙的將精測(cè)和粗測(cè)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的長度測(cè)量。精度可以達(dá)到 177。1cm。此方案具有系統(tǒng)硬件簡單、速度快、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著對(duì)測(cè)量環(huán)境要求高，設(shè)備安裝調(diào)試不方便，維護(hù)困難等缺點(diǎn)，對(duì)于周圍溫差大、光線不強(qiáng)、灰塵大的場(chǎng)合測(cè)量精度會(huì)受到很大影響。2．?dāng)?shù)控鋼管推動(dòng)測(cè)長系統(tǒng) 數(shù)控鋼管推動(dòng)測(cè)長系統(tǒng)” 主要用于成品鋼管的精確測(cè)長，在推動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，并為噴印作好定位對(duì)齊準(zhǔn)備。本系統(tǒng)由機(jī)械推動(dòng)、數(shù)字控制及精密測(cè)量三部分組成，主要性能指標(biāo)為：①鋼管測(cè)長范圍： ～；② 測(cè)長精度：177。2 mm；③ 測(cè)長周期：2045 秒 (連續(xù)可調(diào) )；測(cè)長原理圖如圖 14 所示圖 14 測(cè)長原理圖鋼管送到測(cè)長工位，PLC 檢測(cè)到 1＃、2＃光電開關(guān)變?yōu)楦唠娖胶?，產(chǎn)生“鋼管到位”信號(hào)，并通過單片機(jī)系統(tǒng)通知上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)其它系統(tǒng)的情況和邏輯控制要求產(chǎn)生“允許推動(dòng)測(cè)量 ”信號(hào)傳輸給 PLC。PLC 得到“ 允許推動(dòng)測(cè)量” 信號(hào)后，確認(rèn)有鋼管且系統(tǒng)一切正常，便控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，推動(dòng)鋼管向前移動(dòng)。當(dāng)鋼管端面 m(與推頭接觸的鋼管端面)與 1＃光電開關(guān)對(duì)齊的瞬間，1＃光電開關(guān)狀態(tài)發(fā)生跳變，此時(shí) PLC 立即發(fā)出復(fù)位信號(hào)給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)將光柵數(shù)顯表置于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)鋼管端面 m 與 2＃光電開關(guān)對(duì)齊的瞬間，PLC 立即向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出“ 測(cè)量開始”信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)瞬間取消光柵數(shù)顯表的復(fù)位狀態(tài)，光柵數(shù)顯表開始正常計(jì)量，PLC 同時(shí)根據(jù)此瞬間 圖 12 CCD 測(cè)長原理圖 圖 13 CCD 精測(cè)圖3?！?4＃光電開關(guān)的狀態(tài)得出“光電開關(guān)狀態(tài)編碼” ，并以 4 位 BCD 碼的形式鎖存輸出給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)此編碼查表得到 An 值。當(dāng)鋼管另一端面 n 和下一個(gè)光電開關(guān)對(duì)齊的瞬間，PLC 向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出“ 測(cè)量結(jié)束” 信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)立即鎖定并采樣光柵數(shù)顯表的測(cè)量值 a 。推動(dòng)繼續(xù)，當(dāng)終點(diǎn)接近開關(guān)動(dòng)作時(shí)，電機(jī)停止（每次推動(dòng)的距離相同，即起點(diǎn)接近開關(guān)到終點(diǎn)接近開關(guān)） 。約 1 秒鐘后，PLC 控制電機(jī)反轉(zhuǎn)將推頭退回，當(dāng)起點(diǎn)接近開關(guān)動(dòng)作時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)停止，推頭立即停下來。同時(shí)，PLC 向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出“推動(dòng)測(cè)量結(jié)束 ”信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)得到此信號(hào)后再告訴上位機(jī)。至此，完成一個(gè)測(cè)量周期。則鋼管的長度為： L =Ana+δ 式（）式中 δ為系統(tǒng)誤差，計(jì)量檢定后從單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤上鍵入。 該測(cè)長系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在成都無縫鋼管總廠的周軋分廠合金工段。具有精度高、測(cè)長周期短、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。但是在振動(dòng)大的場(chǎng)合，會(huì)影響小車運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，使得測(cè)量的誤差偏大。同時(shí)若現(xiàn)場(chǎng)大型動(dòng)力設(shè)備多，電磁干擾嚴(yán)重，也會(huì)增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 由以上分析可知，國內(nèi)研制的測(cè)長系統(tǒng)在一定意義上已經(jīng)比較成熟，只要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，即可設(shè)計(jì)出高精度、高效率的測(cè)長系統(tǒng)。 目前國內(nèi)鋼管自動(dòng)測(cè)長的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì) 國內(nèi)鋼管自動(dòng)測(cè)長發(fā)展?fàn)顩r本文在對(duì)鋼管自動(dòng)測(cè)長系統(tǒng)的功能和要達(dá)到的性能指標(biāo)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上。測(cè)長系統(tǒng)填補(bǔ)了國內(nèi)鋼管生產(chǎn)線的空白，其檢測(cè)精度和標(biāo)識(shí)效果達(dá)到了世界同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，順利通過了省級(jí)鑒定。解決了以前依靠國外進(jìn)口的困境，在很大程度上降低了成本。本論文主要做了以下工作： （1） 對(duì)國內(nèi)外產(chǎn)品的開發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，論證了測(cè)長系統(tǒng)開發(fā)的必要性，并進(jìn)行了方案研究和論證。 （2） 對(duì)測(cè)長系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，具體包括：各個(gè)工位的硬件組成、工作原理和具體設(shè)計(jì)方案，確定了控制系統(tǒng)和軟件的功能等。 （3） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)測(cè)長系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)電氣組成、PLC 硬件設(shè)計(jì)。（4） PLC 程序的設(shè)計(jì)及調(diào)試。根據(jù)測(cè)長系統(tǒng)的功能要求，針對(duì) PLC 系統(tǒng)的硬件特點(diǎn)，對(duì) PLC 程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)各個(gè)工位功能的不同和所需的交流信號(hào)，對(duì)各個(gè)工位 PLC 程序的流程、控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)、以及 PLC 與上位機(jī)通訊時(shí)序進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。完成了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，解決了現(xiàn)場(chǎng)中出現(xiàn)的問題。（5） 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試。采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行了上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，具體包括各個(gè)功能塊的設(shè)計(jì)、控制界面的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)試，按照要求完成各種不同報(bào)表的實(shí)現(xiàn)。 鋼管自動(dòng)測(cè)長的發(fā)展方向測(cè)長系統(tǒng)發(fā)展還不完善，需要進(jìn)一步的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下一步的工作主要有： （1） 測(cè)長系統(tǒng)的應(yīng)用面還比較窄，僅能應(yīng)用在鋼管生產(chǎn)行業(yè)，下一步應(yīng)以測(cè)長系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研制適用于鋼坯、鋼板等生產(chǎn)的同類設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化。 （2）測(cè)長系統(tǒng)中，有許多關(guān)鍵部件是國外進(jìn)口的，如光電傳感器、編碼器等。而且成本高，所以系統(tǒng)部件的國產(chǎn)化工作有待進(jìn)行。2 方案原理的設(shè)計(jì)2. 1 測(cè)長系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 測(cè)長的系統(tǒng)構(gòu)成如圖 21 所示，由圖可以看出系統(tǒng)組成如下：圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （1）V滾輪用來放置鋼管，滾輪采用樹脂。樹脂起到兩方面作用：一是用來保護(hù)鋼管的表面在被推動(dòng)的過程中不被臺(tái)架劃傷；另一方面是用來減小鋼管與臺(tái)架之間的摩擦數(shù)，減小兩者之間的摩擦力，增強(qiáng)鋼管在被推動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。 （2）電動(dòng)機(jī)的選擇主要由所需的推鋼機(jī)構(gòu)的所需功率決定。系統(tǒng)選用普通三相異步電動(dòng)機(jī)。而加上電機(jī)抱閘，這樣推桿能立即停止運(yùn)動(dòng)。 （3）光電傳感器 在垂直于鋼管軸向的方向上等距布置24 對(duì)光電傳感器。系統(tǒng)采用對(duì)射式的光電傳感器，由發(fā)射管和接收管組成，負(fù)責(zé)檢測(cè)鋼管的位置，若鋼管從一對(duì)傳感器的發(fā)射管與接收管的中間穿過，傳感器就會(huì)發(fā)出一個(gè)電平信號(hào)給PLC。 （4）齒輪、齒條，光電脈沖編碼器 齒條的連接在電動(dòng)機(jī)的齒輪上，與齒條嚙合的齒輪通過聯(lián)軸器與脈沖編碼器相連。當(dāng)電動(dòng)機(jī)推動(dòng)鋼管時(shí)帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，同時(shí)齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)脈沖編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，最電動(dòng)機(jī)推桿的沿鋼管軸向運(yùn)動(dòng)的距離反映為脈沖編碼器轉(zhuǎn)過的角度。 鋼管自動(dòng)測(cè)長原理測(cè)長系統(tǒng)通過脈沖編碼器與光電傳感器配合計(jì)數(shù)的形式測(cè)長。測(cè)長原理如下：當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到工位上有鋼管時(shí)，這時(shí)操作上位機(jī)經(jīng) PLC 啟動(dòng)測(cè)長工位的電動(dòng)機(jī) ，這時(shí)電機(jī)得到信號(hào)啟動(dòng)通過齒輪與齒條之間的轉(zhuǎn)換從而使推桿向前運(yùn)動(dòng)，在這過程中光電脈沖編碼器通過齒輪與齒條傳動(dòng)計(jì)數(shù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒條從而帶動(dòng)編碼器也跟著旋轉(zhuǎn)并計(jì)數(shù) 。 24 對(duì)光電管中被鋼管擋住的狀態(tài)為 1，沒有被擋住的狀態(tài)為 0。在推動(dòng)過程中編碼器開始計(jì)數(shù)，如有光電管的狀態(tài)從 0 變?yōu)? 1，PLC 計(jì)數(shù)模塊就清零，編碼器就重新開始計(jì)數(shù)，然后重新計(jì)數(shù)。 當(dāng)滾輪碰到左限位開關(guān)的瞬間 ，測(cè)長工作完成 ，此時(shí)PLC 記錄當(dāng)前編碼器的數(shù)值和每組光電管的狀態(tài)并保持 。設(shè) PLC 所保持的編碼器計(jì)數(shù)值相對(duì)應(yīng)的鋼管長度為 L，每組測(cè)長盒第一個(gè)光電管距零位基準(zhǔn)的距離都為定值，當(dāng)光電盒安裝完成后 ，這 6 個(gè)值就確定了。值得注意的是 ，在測(cè)長過程中 ，鋼管尾部至少要經(jīng)過一對(duì)光電管 ，即編碼器計(jì)數(shù)值需要清過零以后 ，所測(cè)的長度才是正確的。如果在測(cè)長過程中編碼器計(jì)數(shù)值沒有清過零 ，那么所測(cè)長度值是無效的 ，應(yīng)重新測(cè)量以此類推，當(dāng)電動(dòng)機(jī)滾輪觸發(fā)行程末端開關(guān)時(shí)，編碼器就停止計(jì)數(shù)，然后電動(dòng)機(jī)返回，測(cè)長過程結(jié)束如圖 21。PLC 將鋼管的最終狀態(tài)和編碼器的數(shù)值傳送給上位機(jī)，最終由上位機(jī)計(jì)算出鋼管的長度。最終一個(gè)管子的長度為： L＝ ＋ 式（）13其中， 是推桿推到底時(shí)鋼管頭部與尾部最后經(jīng)過的那對(duì)光電傳感器的距離， 是1L 3L編碼器的數(shù)值 脈沖當(dāng)量，如式 22 所示： ＝ N 式 () 3P式中，N 為高速計(jì)數(shù)模塊的絕對(duì)計(jì)數(shù)值，即正向計(jì)數(shù)值減去負(fù)向計(jì)數(shù)值后的結(jié)果；則是脈沖編碼器的脈沖當(dāng)量。 PL測(cè)長系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)為了達(dá)到規(guī)定的測(cè)長精度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，需要注意以下幾個(gè)問題： 1）光電傳感器的響應(yīng)速度的快慢很大程度上影響測(cè)量的精度，若選用繼電器方式的輸出接口其響應(yīng)時(shí)間為十幾個(gè)毫秒，而晶體管方式的接口其響應(yīng)時(shí)間只要幾個(gè)毫秒甚至更小，但是注意晶體管方式的輸出接口要和與之相連的 PLC 的輸入匹配。2）齒輪齒條的設(shè)計(jì)、加工、安裝的誤差都會(huì)引起脈沖編碼器脈沖信號(hào)與電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到推桿實(shí)際移動(dòng)距離之間不一致，從而增大系統(tǒng)誤差。脈沖編碼器的分辨率也會(huì)影響系統(tǒng)的精度，分辨率越高，精度越高。因此要保證齒輪齒條的設(shè)計(jì)、加工、安裝精度，選擇高分辨率的編碼器。本系統(tǒng)齒輪齒條的制造精度為 6 級(jí)精度，編碼器選擇 2022 線的。 3）到位傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)鋼管到位，然后把鋼管到位信號(hào)傳給 PLC，PLC 在接到鋼管到位信號(hào)后才開始測(cè)長。PLC 負(fù)責(zé)采集到位信號(hào)、接受脈沖編碼器信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)和推桿的運(yùn)動(dòng)，并把檢測(cè)結(jié)果送到上位機(jī)。為了保證測(cè)長的精度要求 PLC 的輸入點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間小，指令運(yùn)行快。 4）合理設(shè)計(jì)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的推動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳感器的數(shù)目。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和齒輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)比所帶動(dòng)的推桿的距離必須比傳感器的安裝距離大，這樣才能保證在鋼管移動(dòng)過程中至少有一對(duì)傳感器能觸發(fā)。傳感器之間的安裝距離不能太大，否則會(huì)增加齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)制造難度，使得推動(dòng)行程太長，降低工作效率。如果太小，就會(huì)增加了傳感器的數(shù)目，增加生產(chǎn)成本。因此要協(xié)調(diào)好推桿的行程與光電傳感器數(shù)目之間的關(guān)系。本系統(tǒng)測(cè)長推桿的行程為 460mm，光電傳感器之間的距離為 450mm。 各部件方案選擇及說明 傳動(dòng)方案說明 電動(dòng)機(jī)選擇及說明電動(dòng)機(jī)的功率．應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來選擇，盡量使電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： (1)如果電動(dòng)機(jī)功率選得過小．就會(huì)出現(xiàn)“ 小馬拉大車” 現(xiàn) 象，造成電動(dòng)機(jī)長期過載．使其絕緣因發(fā)熱而損壞．甚至電動(dòng)機(jī)被燒毀。 (2)如果電動(dòng)機(jī)功率選得過大就會(huì)出現(xiàn)“ 大馬拉小車” 現(xiàn)象．其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對(duì)用戶和電網(wǎng)不利。而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。 要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率，必須經(jīng)過以下計(jì)算或比較： (1)對(duì)于恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，如果知道負(fù)載的功率 (即生產(chǎn)機(jī)械軸上的功率)(kw)．可按下式計(jì)算所需電動(dòng)機(jī) 的功率 P(kw)： P= / 式中 為生產(chǎn)機(jī)械的效1P 1P2n1率； 為電動(dòng)機(jī)的效率。即傳動(dòng)效