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1  前言

從二十世紀(jì)七十年代以來，鋼管長(zhǎng)度測(cè)量通常采用機(jī)械與電子技術(shù)相結(jié)合的方式，為了以較少的檢測(cè)點(diǎn)來覆蓋較大的長(zhǎng)度測(cè)量范圍，幾乎均采用整數(shù)長(zhǎng)度（或單元長(zhǎng)度）測(cè)量與尾數(shù)長(zhǎng)度測(cè)量相結(jié)合的技術(shù)方案。一般來說，鋼管需要在軸向移動(dòng)中進(jìn)行測(cè)量，這將由動(dòng)力輥道或推管機(jī)驅(qū)動(dòng)被測(cè)鋼管移動(dòng)。從當(dāng)前流行的測(cè)長(zhǎng)方案來看，整數(shù)長(zhǎng)度的檢測(cè)多數(shù)采用光電位置信號(hào)，而尾數(shù)長(zhǎng)度的檢測(cè)則多采用旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的位置脈沖信號(hào)，個(gè)別也有采用直線式位移傳感器的，近些年來采用CCD線陣攝像信號(hào)來測(cè)量鋼管和鑄坯長(zhǎng)度的技術(shù)也逐漸被推廣。由于直線式位移傳感器的運(yùn)動(dòng)和靜止部分不能工作于較高的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度下，這將限制測(cè)量效率；一般普及型CCD線陣器件的測(cè)量分辨率較低（1024或以下），不能滿足大范圍高精度測(cè)量的要求，而高分辨率的CCD器件，其價(jià)格又相當(dāng)昂貴，因此采用旋轉(zhuǎn)編碼器來測(cè)量鋼管的尾數(shù)長(zhǎng)度就成了測(cè)長(zhǎng)技術(shù)方案的主要模式。

二十世紀(jì)八十年代中期，太原重型機(jī)械廠從德國(guó)曼尼斯曼引進(jìn)并配套，為成都無縫鋼管廠管加工車間提供的測(cè)長(zhǎng)裝置就采用了上述方案，目前天津無縫、寶鋼無縫和包鋼無縫等廠的鋼管生產(chǎn)線裝備的測(cè)長(zhǎng)裝置也采用了幾乎同樣的方案。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，測(cè)長(zhǎng)裝置所采用的系統(tǒng)和器件也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，即使如此，采用整數(shù)長(zhǎng)度測(cè)量與尾數(shù)長(zhǎng)度測(cè)量相結(jié)合的測(cè)長(zhǎng)方法仍未發(fā)生任何根本性的改變。

2  鋼管測(cè)長(zhǎng)裝置及其技術(shù)方案

設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度測(cè)量范圍為6~15m，測(cè)長(zhǎng)周期為8.5s。測(cè)長(zhǎng)裝置位于鋼管步進(jìn)式橫移臺(tái)架的第二工位，由測(cè)長(zhǎng)工位檢測(cè)接近開關(guān)1支、計(jì)單元數(shù)長(zhǎng)度（每0.5m為1單元）光電檢測(cè)開關(guān)19套、推桿初始位置檢測(cè)接近開關(guān)1支、測(cè)量基準(zhǔn)位置光電檢測(cè)開關(guān)1套、測(cè)長(zhǎng)托輥、計(jì)尾數(shù)長(zhǎng)度（不足0.5m的剩余部分）液壓推管機(jī)及與其驅(qū)動(dòng)油缸活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)的編碼器和以PLC為核心的測(cè)量和控制裝置構(gòu)成。推管機(jī)由Φ100mm液壓缸驅(qū)動(dòng)，其活塞桿頭部端面裝有緩沖聚胺酯墊板，活塞桿的直徑為Φ65mm，行程為570mm，液壓缸工作壓力為3MPa左右，有效推力接近1 400kg；采用兩個(gè)液壓節(jié)流閥分別（手動(dòng)）設(shè)定液壓推桿的兩級(jí)速度，高速與低速的比值為4:1，根據(jù)不同工況由電磁閥自動(dòng)切換；與該液壓缸的活塞桿相連接的齒條在移動(dòng)中由直線滑軌導(dǎo)向，以保持其運(yùn)動(dòng)軌跡的平穩(wěn)，它驅(qū)動(dòng)與編碼器軸相連接的齒輪，使編碼器維持與活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)。由計(jì)算可得到：齒條每運(yùn)動(dòng)1m，與其嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)約8轉(zhuǎn)，經(jīng)同步帶增速后（2:1）編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)約16轉(zhuǎn)，而筆者所選用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率為1 000 p/r，則每1m直線運(yùn)動(dòng)行程所對(duì)應(yīng)的位置脈沖數(shù)約為16 000（即16p/mm），可以滿足測(cè)量的精度要求。

圖1  測(cè)長(zhǎng)裝置示意圖

如圖1所示，在距推管機(jī)推桿端面的初始位置50mm處安裝有一套測(cè)量基準(zhǔn)位置光電檢測(cè)開關(guān)，然后從距基準(zhǔn)開關(guān)6m（規(guī)定的最短鋼管長(zhǎng)度L0）處開始，直至15 m處為止的測(cè)量范圍內(nèi)每隔0.5m安裝一套計(jì)單元數(shù)(0.5m)光電檢測(cè)開關(guān)。

當(dāng)被測(cè)鋼管由步進(jìn)式橫移機(jī)構(gòu)移送至測(cè)長(zhǎng)工位后，鋼管即壓在測(cè)長(zhǎng)托輥上（因測(cè)長(zhǎng)托輥的V形槽底稍高于該步進(jìn)機(jī)構(gòu)的齒底），此時(shí)液壓推管機(jī)的推桿必須在初始位置上（0~+5mm的范圍內(nèi)）。當(dāng)測(cè)長(zhǎng)位置檢測(cè)接近開關(guān)發(fā)出鋼管到位信號(hào)后，即開始以下的測(cè)長(zhǎng)進(jìn)程：以大約7m/min的速度運(yùn)行推管機(jī)的推桿（切換至低速液壓電磁閥），齒條驅(qū)動(dòng)齒輪并轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器發(fā)出其數(shù)量與推桿運(yùn)動(dòng)行程成正比的位移脈沖，同時(shí)將尾數(shù)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器的值清零。被測(cè)鋼管在帶阻尼裝置的托輥上被推動(dòng)并向后移動(dòng)，最長(zhǎng)570mm的行程約需要5s，完全可以跟上所要求的鋼管處理節(jié)奏。被測(cè)管被推動(dòng)離開其初始位置，當(dāng)其頭部（被推的一端）離開測(cè)量基準(zhǔn)光電檢測(cè)開關(guān)（脫離遮光）的一瞬間，記下了此刻被遮光的計(jì)單元數(shù)（每0.5m）光電檢測(cè)開關(guān)的個(gè)數(shù)n，即測(cè)得了該鋼管的單元數(shù)長(zhǎng)度(L0+L1)，并在此瞬間開始計(jì)算尾數(shù)長(zhǎng)度脈沖數(shù)。推管機(jī)繼續(xù)推動(dòng)被測(cè)管向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由推管機(jī)齒條驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)編碼器也繼續(xù)發(fā)出與其推管行程成正比例的計(jì)數(shù)脈沖，直到被測(cè)管的尾端遮擋住在此之前尚未被遮光的距該鋼管尾端最近的某一計(jì)單元數(shù)（每0.5m）光電開關(guān)時(shí)，脈沖被封鎖為止。此時(shí)即計(jì)算出被測(cè)鋼管的這段位移量L2，用0.5m減去這段位移量即可得到該被測(cè)鋼管的尾數(shù)長(zhǎng)度L2’。上述已測(cè)得的單元數(shù)（每0.5m）長(zhǎng)度（L0+L1）與尾數(shù)（<0.5m）長(zhǎng)度L2’之和即為該被測(cè)鋼管的長(zhǎng)度L。測(cè)量完畢后，該推管機(jī)的推桿即以28m/min的速度快速返回初始位置，接近初始位置前50mm處減速至7m/min，返回時(shí)間約需1.6s。當(dāng)推管機(jī)開始返回運(yùn)動(dòng)的1s之后，即可開始下一周期的步進(jìn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。       

根據(jù)前述，被測(cè)鋼管每移動(dòng)1mm對(duì)應(yīng)于編碼器發(fā)出16個(gè)脈沖，其分辨率完全能滿足測(cè)量精度的要求。雖然靜止時(shí)推管機(jī)的齒條與編碼器軸上的齒輪嚙合存在一定的傳動(dòng)間隙，但是一旦運(yùn)動(dòng)起來，這個(gè)間隙基本上將被消除。此外，雖然推管機(jī)的推桿與被測(cè)鋼管剛接觸的一瞬間不可避免地要產(chǎn)生撞擊，但由于推桿頭部裝有緩沖聚胺酯墊板且運(yùn)動(dòng)速度較慢，撞擊強(qiáng)度不可能太大，更主要的是此時(shí)被測(cè)鋼管頭部距離測(cè)長(zhǎng)基準(zhǔn)位置尚有近50mm，還未開始測(cè)長(zhǎng)過程，因而對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

由于測(cè)長(zhǎng)托輥裝有阻尼裝置，故推管時(shí)因?yàn)殇摴芑瑒?dòng)可能產(chǎn)生的誤差小于1mm。因?yàn)椴捎昧藢?duì)射式激光源光電檢測(cè)開關(guān)，其光束很細(xì)（在距光源1 000mm處的光點(diǎn)直徑小于1mm），即使由于受光點(diǎn)的正反向作用距離不對(duì)稱（因?yàn)楣怆姽艿氖芄饷媸且粋€(gè)具有一定直徑的圓面而不是理論上的點(diǎn)而且存在安裝位置不正造成的偏光），但可能產(chǎn)生的誤差不會(huì)超過0.5mm。此外，考慮到從位置信號(hào)檢測(cè)到程序運(yùn)行獲得數(shù)據(jù)之間的滯后等因素所造成的誤差（可能小于0.5mm），該鋼管測(cè)長(zhǎng)裝置的測(cè)量綜合精度應(yīng)能達(dá)到+/-2.0 mm（其前提是鋼管的兩端面是平整的且與其中軸線垂直，否則測(cè)長(zhǎng)誤差將可能超過這個(gè)值）。低速推管時(shí)的編碼器的脈沖頻率約為2kHz，推管機(jī)高速返回時(shí)的編碼器的脈沖頻率約為8kHz，一般的PLC高速計(jì)數(shù)器（甚至一體機(jī)的內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器）均可滿足要求。

本方案的優(yōu)點(diǎn)是：(1) 設(shè)置了預(yù)推行程，對(duì)推桿的初始位置無嚴(yán)格要求，采用阻尼托輥可減少滑動(dòng)誤差，采用激光源光電開關(guān)以提高檢測(cè)分辨率。這些措施均有利于提高測(cè)量精度；(2) 由于推管機(jī)的運(yùn)動(dòng)行程較短（570mm），往返耗時(shí)較少，提高了鋼管的處理能力；(3) 液壓推管機(jī)的體積較小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還可能利用該生產(chǎn)線的公共液壓動(dòng)力源，投資較低；(4) 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性較小，利于急劇加/減速和停止，對(duì)于進(jìn)一步提高推管速度和作業(yè)率有利。其缺點(diǎn)是：(1) 計(jì)單元數(shù)長(zhǎng)度光電檢測(cè)開關(guān)的間隔距離為0.5m，所需使用的光電開關(guān)數(shù)量較多，且其安裝位置較難布置；(2) 液壓推管的速度控制較電動(dòng)推管方式困難，若采用速度閉環(huán)控制方式（帶比例放大器和比例閥）又將會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜起來。

除上述方案以外，某些測(cè)長(zhǎng)裝置還采用計(jì)單元數(shù)長(zhǎng)度為1m，推管機(jī)推程為1 070mm的方案。所需使用的光電開關(guān)數(shù)量較少，但推管行程較長(zhǎng)，測(cè)量效率較低。

3  測(cè)量控制系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2  鋼管測(cè)長(zhǎng)裝置的測(cè)控系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖

圖3  鋼管測(cè)長(zhǎng)測(cè)控邏輯方框圖1

如前所述，計(jì)單元數(shù)長(zhǎng)度光電檢測(cè)開關(guān)的間隔距離為0.5m，共裝設(shè)19套。鋼管測(cè)長(zhǎng)裝置的測(cè)控系統(tǒng)當(dāng)然以鋼管檢測(cè)PLC為核心，它是一臺(tái)配置了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口和高速計(jì)數(shù)器（HSC）的性能較高的中型PLC（如西門子公司的S7-300系列CPU315-2DP），它同時(shí)也擔(dān)任精整區(qū)鋼管檢測(cè)生產(chǎn)線的其它任務(wù)。該測(cè)控系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖如圖2所示。

在圖2中，計(jì)尾數(shù)長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)編碼器擬選用TURCK公司的5802優(yōu)選型增量式編碼器，其輸出脈沖為兩相式（帶Z位信號(hào)），分辨率為1 000p/r。與推管位移成正比的輸出脈沖信號(hào)送至PLC的高速計(jì)數(shù)器；手動(dòng)/自動(dòng)方式選擇(手動(dòng)方式僅用于調(diào)試)信號(hào)、液壓推桿的手動(dòng)動(dòng)作指令信號(hào)、鋼管到達(dá)測(cè)長(zhǎng)工位接近開關(guān)信號(hào)和推桿初始位置接近開關(guān)信號(hào)均接至PLC的數(shù)字量輸入口；而為提高檢測(cè)精度，全部與計(jì)單元數(shù)長(zhǎng)度有關(guān)的光電位置檢測(cè)開關(guān)均選用SICK公司的對(duì)射式激光源光電開關(guān)，它具有相當(dāng)高的分辨率（在距光源1m處的光點(diǎn)直徑可小于1mm）。為提高PLC對(duì)上述計(jì)單元數(shù)長(zhǎng)度輸入信號(hào)的處理速度，其信號(hào)均輸入PLC的中斷式數(shù)字量輸入口（設(shè)置為硬件中斷輸入方式，當(dāng)中斷發(fā)生后立即轉(zhuǎn)向相關(guān)程序塊，進(jìn)行長(zhǎng)度信號(hào)的處理和計(jì)算，而與PLC的程序掃描周期的時(shí)間長(zhǎng)短無關(guān)，中斷輸入信號(hào)共20位）；控制液壓推桿推進(jìn)/返回和高速/低速的電磁閥均采用帶中位鎖定的雙線圈電磁閥（線圈電壓為24VDC），其控制信號(hào)由PLC根據(jù)程序邏輯從數(shù)字量輸出口發(fā)出。

用于精整區(qū)鋼管檢測(cè)生產(chǎn)線的SIEMENS PLC系統(tǒng)將配置運(yùn)行于WINDOWS NT/2000/XP環(huán)境下的STEP7 V5.2 PLC編程軟件包和Wincc V5.2圖形組態(tài)軟件包等系統(tǒng)軟件。

4  鋼管測(cè)長(zhǎng)的測(cè)量控制邏輯

圖4  鋼管測(cè)長(zhǎng)測(cè)控邏輯方框圖2

根據(jù)上文所描述的內(nèi)容，可分析得出鋼管測(cè)長(zhǎng)過程中的內(nèi)在邏輯關(guān)系。基于圖2所示的以PLC和光電檢測(cè)裝置為主的硬件測(cè)控系統(tǒng)并適用于該PLC系統(tǒng)應(yīng)用程序編制的測(cè)量－控制邏輯方框圖如圖3和圖4所示。考慮到在上述兩節(jié)中已作了較詳細(xì)的相關(guān)描述，故不再贅述。