胡文豪，張 陳，陳澤明，朱仁杰，徐 成，廖炫凱

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引 言

無縫鋼管是一種實(shí)用性很高的斷面鋼材，其推廣應(yīng)用有利于增加材料利用率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。在零部件制造業(yè)中需要將高精度鋼管的精密度控制在0.02 mm左右，制管廠必須嚴(yán)格控制無縫鋼管表面幾何參數(shù)以滿足工業(yè)應(yīng)用要求。目前，對于無縫鋼管表面幾何參數(shù)的檢測，如直徑、長度、圓度及直線度，大部分無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)仍采用人工手持測量設(shè)備檢測方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測準(zhǔn)確性低、檢測成本高。本設(shè)計(jì)采用微米級激光位移傳感器作為傳感檢測單元，利用物聯(lián)網(wǎng)模塊與PLC實(shí)時(shí)通信傳輸數(shù)據(jù)，用戶可在線實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、檢測產(chǎn)品良品率等信息。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 控制要求

由三相異步電機(jī)與齒形輪相連接，帶動(dòng)V型軌道輪運(yùn)動(dòng)和無縫鋼管向前輸送，依靠前端傳感器控制鋼管停止位置；以V型軌道輪作為整個(gè)檢測系統(tǒng)的支撐和運(yùn)輸平臺，由雙桿氣缸推動(dòng)帶摩擦輪直流電動(dòng)機(jī)貼緊鋼管使其整周旋轉(zhuǎn)；由伺服絲杠模組構(gòu)成的三維運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)激光位移傳感器沿鋼管表面進(jìn)行圓周幾何參數(shù)的讀取。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)中，帶座軸承被均勻安裝在支撐平臺上，通過軸與V型軌道輪配合安裝，該部分可根據(jù)待測鋼管長度自由選擇間距及增減惰輪；待測鋼管（5-冷軋無縫鋼管）會被人工或者機(jī)械臂放入V型軌道輪的凹槽內(nèi)，該凹槽既可防止待測鋼管在前移和旋轉(zhuǎn)過程中滾動(dòng)，又能更方便地確定其軸線位置，提高了輸送機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。單相交流異步電機(jī)輸出軸末端（主軸）固定有齒形輪，通過同步帶依次連接裝有齒形輪的傳動(dòng)軸，由電機(jī)主軸帶動(dòng)后續(xù)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而使冷軋無縫鋼管傳遞運(yùn)輸。光電傳感器（光電開關(guān)）用于檢測當(dāng)前位置有無待測鋼管可控制單相交流異步電機(jī)的啟停。當(dāng)光電傳感器檢測搭配待測鋼管時(shí)輸送裝置停止運(yùn)行，激光傳感器此時(shí)靠近待測鋼管端口處，軸步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)沿鋼管截面方向前后移動(dòng)，確定其軸線位置；確定軸線位置后軸方向步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)與軸滑塊固定的激光位移傳感器緩慢下移，初步確定鋼管直徑。然后軸伺服電機(jī)控制激光位移傳感器左移，確定其左端口位置之后激光位移傳感器會緩慢右移，直至到達(dá)待測鋼管右端位置時(shí)停止。最后，軸伺服電機(jī)控制激光位移傳感器返回原點(diǎn)，此時(shí)通過電磁閥控制豎直方向雙桿氣缸和水平方向雙桿氣缸動(dòng)作，直流電機(jī)啟動(dòng)摩擦輪帶動(dòng)鋼管旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器檢測鋼管圓周數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在激光位移傳感器靠近氣缸時(shí)，水平和豎直方向的雙桿氣缸復(fù)位，避免阻擋激光位移傳感器移動(dòng)，檢測完成后V型軌道輪繼續(xù)運(yùn)行將鋼管輸送出檢測位置；另外啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕配合軟件控制檢測系統(tǒng)運(yùn)行。

圖1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 控制設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制組成

如圖2所示，無縫鋼管表面幾何參數(shù)激光檢測系統(tǒng)由三大子系統(tǒng)組成：①交流電機(jī)帶動(dòng)V型軌道輪輸送的鋼管送料及輸送系統(tǒng)；②由PLC控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光位移傳感器自動(dòng)化檢測系統(tǒng)；③帶有摩擦輪的直流電動(dòng)機(jī)，由橫縱兩個(gè)方向的雙桿氣缸推動(dòng)的鋼管旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2.2 電氣控制流程設(shè)計(jì)

由光電傳感器判斷有無待測鋼管，反饋給PLC控制交流電動(dòng)機(jī)啟停；VB通過通信線與激光位移傳感器連接，實(shí)現(xiàn)無縫鋼管定位及后續(xù)檢測；由PLC控制電磁閥驅(qū)動(dòng)四個(gè)氣缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)待測鋼管豎直位置調(diào)整和固定旋轉(zhuǎn)；PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)，VB依據(jù)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯計(jì)算，應(yīng)用VB軟件編寫總體可視化控制界面，實(shí)現(xiàn)與PLC和激光位移傳感器通信；完善界面顯示數(shù)據(jù)與結(jié)果，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到PC端。

3 結(jié) 語

自動(dòng)化是現(xiàn)代化加工制造業(yè)的發(fā)展趨勢，也是當(dāng)今社會的重要特征?？紤]到傳統(tǒng)檢測方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，本設(shè)計(jì)利用激光位移傳感器完成對無縫鋼管的自動(dòng)化定位與檢測，以縮短檢測周期，提高檢測效率，加快出廠效率。無縫鋼管激光檢測系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣，提高了社會生產(chǎn)率和工作效率，保證了鋼管出廠質(zhì)量，加快了社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革和信息化進(jìn)程。

注：本文通訊作者為張陳。