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1  前言

從二十世紀七十年代以來，鋼管長度測量通常采用機械與電子技術(shù)相結(jié)合的方式，為了以較少的檢測點來覆蓋較大的長度測量范圍，幾乎均采用整數(shù)長度（或單元長度）測量與尾數(shù)長度測量相結(jié)合的技術(shù)方案。一般來說，鋼管需要在軸向移動中進行測量，這將由動力輥道或推管機驅(qū)動被測鋼管移動。從當前流行的測長方案來看，整數(shù)長度的檢測多數(shù)采用光電位置信號，而尾數(shù)長度的檢測則多采用旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的位置脈沖信號，個別也有采用直線式位移傳感器的，近些年來采用CCD線陣攝像信號來測量鋼管和鑄坯長度的技術(shù)也逐漸被推廣。由于直線式位移傳感器的運動和靜止部分不能工作于較高的相對運動速度下，這將限制測量效率；一般普及型CCD線陣器件的測量分辨率較低（1024或以下），不能滿足大范圍高精度測量的要求，而高分辨率的CCD器件，其價格又相當昂貴，因此采用旋轉(zhuǎn)編碼器來測量鋼管的尾數(shù)長度就成了測長技術(shù)方案的主要模式。

二十世紀八十年代中期，太原重型機械廠從德國曼尼斯曼引進并配套，為成都無縫鋼管廠管加工車間提供的測長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)線裝備的測長裝置也采用了幾乎同樣的方案。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，測長裝置所采用的系統(tǒng)和器件也有了長足的進展，即使如此，采用整數(shù)長度測量與尾數(shù)長度測量相結(jié)合的測長方法仍未發(fā)生任何根本性的改變。

2  鋼管測長裝置及其技術(shù)方案

設(shè)計的長度測量范圍為6~15m，測長周期為8.5s。測長裝置位于鋼管步進式橫移臺架的第二工位，由測長工位檢測接近開關(guān)1支、計單元數(shù)長度（每0.5m為1單元）光電檢測開關(guān)19套、推桿初始位置檢測接近開關(guān)1支、測量基準位置光電檢測開關(guān)1套、測長托輥、計尾數(shù)長度（不足0.5m的剩余部分）液壓推管機及與其驅(qū)動油缸活塞桿的直線運動同步旋轉(zhuǎn)的編碼器和以PLC為核心的測量和控制裝置構(gòu)成。推管機由Φ100mm液壓缸驅(qū)動，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；采用兩個液壓節(jié)流閥分別（手動）設(shè)定液壓推桿的兩級速度，高速與低速的比值為4:1，根據(jù)不同工況由電磁閥自動切換；與該液壓缸的活塞桿相連接的齒條在移動中由直線滑軌導(dǎo)向，以保持其運動軌跡的平穩(wěn)，它驅(qū)動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動同步旋轉(zhuǎn)。由計算可得到：齒條每運動1m，與其嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動約8轉(zhuǎn)，經(jīng)同步帶增速后（2:1）編碼器轉(zhuǎn)動約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直線運動行程所對應(yīng)的位置脈沖數(shù)約為16 000（即16p/mm），可以滿足測量的精度要求。

圖1  測長裝置示意圖

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

當被測鋼管由步進式橫移機構(gòu)移送至測長工位后，鋼管即壓在測長托輥上（因測長托輥的V形槽底稍高于該步進機構(gòu)的齒底），此時液壓推管機的推桿必須在初始位置上（0~+5mm的范圍內(nèi)）。當測長位置檢測接近開關(guān)發(fā)出鋼管到位信號后，即開始以下的測長進程：以大約7m/min的速度運行推管機的推桿（切換至低速液壓電磁閥），齒條驅(qū)動齒輪并轉(zhuǎn)動編碼器發(fā)出其數(shù)量與推桿運動行程成正比的位移脈沖，同時將尾數(shù)長度計數(shù)器的值清零。被測鋼管在帶阻尼裝置的托輥上被推動并向后移動，最長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。被測管被推動離開其初始位置，當其頭部（被推的一端）離開測量基準光電檢測開關(guān)（脫離遮光）的一瞬間，記下了此刻被遮光的計單元數(shù)（每0.5m）光電檢測開關(guān)的個數(shù)n，即測得了該鋼管的單元數(shù)長度(L0+L1)，并在此瞬間開始計算尾數(shù)長度脈沖數(shù)。推管機繼續(xù)推動被測管向后運動，同時由推管機齒條驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)編碼器也繼續(xù)發(fā)出與其推管行程成正比例的計數(shù)脈沖，直到被測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單元數(shù)（每0.5m）光電開關(guān)時，脈沖被封鎖為止。此時即計算出被測鋼管的這段位移量L2，用0.5m減去這段位移量即可得到該被測鋼管的尾數(shù)長度L2’。上述已測得的單元數(shù)（每0.5m）長度（L0+L1）與尾數(shù)（<0.5m）長度L2’之和即為該被測鋼管的長度L。測量完畢后，該推管機的推桿即以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，返回時間約需1.6s。當推管機開始返回運動的1s之后，即可開始下一周期的步進機構(gòu)動作。       

根據(jù)前述，被測鋼管每移動1mm對應(yīng)于編碼器發(fā)出16個脈沖，其分辨率完全能滿足測量精度的要求。雖然靜止時推管機的齒條與編碼器軸上的齒輪嚙合存在一定的傳動間隙，但是一旦運動起來，這個間隙基本上將被消除。此外，雖然推管機的推桿與被測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動速度較慢，撞擊強度不可能太大，更主要的是此時被測鋼管頭部距離測長基準位置尚有近50mm，還未開始測長過程，因而對測量結(jié)果不會產(chǎn)生任何影響。

由于測長托輥裝有阻尼裝置，故推管時因為鋼管滑動可能產(chǎn)生的誤差小于1mm。因為采用了對射式激光源光電檢測開關(guān)，其光束很細（在距光源1 000mm處的光點直徑小于1mm），即使由于受光點的正反向作用距離不對稱（因為光電管的受光面是一個具有一定直徑的圓面而不是理論上的點而且存在安裝位置不正造成的偏光），但可能產(chǎn)生的誤差不會超過0.5mm。此外，考慮到從位置信號檢測到程序運行獲得數(shù)據(jù)之間的滯后等因素所造成的誤差（可能小于0.5mm），該鋼管測長裝置的測量綜合精度應(yīng)能達到+/-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，否則測長誤差將可能超過這個值）。低速推管時的編碼器的脈沖頻率約為2kHz，推管機高速返回時的編碼器的脈沖頻率約為8kHz，一般的PLC高速計數(shù)器（甚至一體機的內(nèi)置高速計數(shù)器）均可滿足要求。

本方案的優(yōu)點是：(1) 設(shè)置了預(yù)推行程，對推桿的初始位置無嚴格要求，采用阻尼托輥可減少滑動誤差，采用激光源光電開關(guān)以提高檢測分辨率。這些措施均有利于提高測量精度；(2) 由于推管機的運動行程較短（570mm），往返耗時較少，提高了鋼管的處理能力；(3) 液壓推管機的體積較小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，還可能利用該生產(chǎn)線的公共液壓動力源，投資較低；(4) 液壓驅(qū)動機構(gòu)的慣性較小，利于急劇加/減速和停止，對于進一步提高推管速度和作業(yè)率有利。其缺點是：(1) 計單元數(shù)長度光電檢測開關(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）又將會使系統(tǒng)變得復(fù)雜起來。

除上述方案以外，某些測長裝置還采用計單元數(shù)長度為1m，推管機推程為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，測量效率較低。

3  測量控制系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2  鋼管測長裝置的測控系統(tǒng)簡化原理圖

圖3  鋼管測長測控邏輯方框圖1

如前所述，計單元數(shù)長度光電檢測開關(guān)的間隔距離為0.5m，共裝設(shè)19套。鋼管測長裝置的測控系統(tǒng)當然以鋼管檢測PLC為核心，它是一臺配置了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線接口和高速計數(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），它同時也擔任精整區(qū)鋼管檢測生產(chǎn)線的其它任務(wù)。該測控系統(tǒng)的簡化原理圖如圖2所示。

在圖2中，計尾數(shù)長度旋轉(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），分辨率為1 000p/r。與推管位移成正比的輸出脈沖信號送至PLC的高速計數(shù)器；手動/自動方式選擇(手動方式僅用于調(diào)試)信號、液壓推桿的手動動作指令信號、鋼管到達測長工位接近開關(guān)信號和推桿初始位置接近開關(guān)信號均接至PLC的數(shù)字量輸入口；而為提高檢測精度，全部與計單元數(shù)長度有關(guān)的光電位置檢測開關(guān)均選用SICK公司的對射式激光源光電開關(guān)，它具有相當高的分辨率（在距光源1m處的光點直徑可小于1mm）。為提高PLC對上述計單元數(shù)長度輸入信號的處理速度，其信號均輸入PLC的中斷式數(shù)字量輸入口（設(shè)置為硬件中斷輸入方式，當中斷發(fā)生后立即轉(zhuǎn)向相關(guān)程序塊，進行長度信號的處理和計算，而與PLC的程序掃描周期的時間長短無關(guān)，中斷輸入信號共20位）；控制液壓推桿推進/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)鋼管檢測生產(chǎn)線的SIEMENS PLC系統(tǒng)將配置運行于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  鋼管測長的測量控制邏輯

圖4  鋼管測長測控邏輯方框圖2

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