钢管测长精度控制的研究与实现

[摘 要]文章介绍了钢管测长原理，对影响测长精度的关键因素，如阻尼辊、电动推管机、编码器脉冲、光电开关等进行了较全面的分析，并进一步探讨了控制测长精度的措施。实践证明，控制影响钢管测长精度的因素能有效地提高钢管长度测量的自动化和标准化。 [关键词]钢管；测长；测量精度 钢管长度是国家标准和ISO9000质量认证标准中明确要求的产品质量参数。人工方法测量钢管长度的做法效率低，误差大，计量不准确，无法达到GB9711-88和API 5L对钢管按实际长度交付的要求。因此，对钢管测长精度控制的研究具有较高的实用价值。本文以某钢管生产线上钢管测长称重系统为例，简要介绍了钢管测长系统，分析影响测长精度的因素并探讨控制测长精度的措施。 1钢管测长系统 1.1测长称重系统的主要工艺要求和技术指标 石油管长度范围：6.1～13.5m；外径范围：φ139～368mm；测长精度：优于±2mm；每根钢管最大质量：2500kg；测量能力：150根/h；钢管测长、称重系统应具有与上级计算机通讯的能力，测长称重结果在计算机内进行存储。 1.2钢管测长称重装置的工艺布置 该系统由四个工位（上料工位、测长工位、称重工位、出料工位）、星形拔料机及步进式横移台架组成。钢管经辅助测长称重轨道送至上料工位，如果电气连锁和上位机系统条件允许，星形拔料机将钢管拔送至测长工位测长；测长完毕，步进机构将钢管移至称重工位称量；称重完毕，步进机构将钢管移至出料工位下料。 1.3钢管测长原理简介[1] 测长硬件部分主要由电动式推管机、增量式旋转编码器和若干只光电开关组成。测长由测整数长和测尾长二部分组成，测量时先测量钢管的整数长度即6000mm＋N×500mm部分，然后测量其尾数长度即小于500mm部分。 钢管到位：当测长工位上有钢管时，钢管到位检测光电开关将钢管到位信号传递到PLC和上位机上，上位机发送控制信号给PLC控制电动推管机推动钢管由右向左低速移动；与电动推管机驱动齿条的直线运动同步旋转的编码器发出正比于推杆行程的位移脉冲；PLC上的参考尾数长度计数器的值清零（见图1①）。 测整数长：当钢管右端面到达基准测量位瞬间，PLC根据被钢管所遮挡的测长光电开关数N计算钢管整数长度L₀＋L₁=6000mm＋N×500mm（见图1②）；之后推杆继续推进；编码器继续发出正比于推杆行程的位移脉冲；PLC上的参考尾数长度计数器开始工作。 2影响测长的精度因素及控制措施 结合钢管测长原理图及现场调试经验，托辊、电动推管、编码器、光电开关均不同程度影响着测长的精度。 2.1托辊的影响及控制措施 该系统采用阻尼力大小可调的阻尼托辊。一方面，阻尼托辊可以增强钢管在被推动时运动的平稳性；另一方面，增加或减小阻尼托辊的阻尼力可以增强和减弱钢管在托辊上的阻力，削减钢管在托辊上的前进冲量，因为在推管测量尾数长度的过程中，若钢管脱离了推杆的头部，将会造成测量误差。在实际调试中，阻尼力过大会增加推杆电动机的负荷，加大电动机的成本，同时会加大对阻尼托辊的磨损；阻尼力过小，钢管会因惯性运动而导致测长误差产生。因此，在满足实际测长需求的前提下，阻尼力应尽量调低一些。阻尼托辊因磨损而导致明显不圆或不均匀时，应及时更换，并重新校正辊子的中心位置。 2.2推管机推头的影响及控制措施 推管机的推头频繁碰撞被测钢管的右端面，会使推头端面产生机械变形导致测长误差。在推头上配置缓冲垫板并保持推杆初始位置和测量基准位置存在一定位移间隔，装有缓冲垫板的推头缓慢接触被测钢管并在运行后才开始测整数长，所以不会影响测长精度。 2.3编码器的影响及控制措施 当推杆推动钢管由右向左直线运动时，增量式旋转编码器通过齿轮、测量齿条、直线滑轨连接旋转。上位机通过PLC读取编码器的脉冲值并通过计算来获得钢管尾数长度。 齿轮、齿条的机械误差及安装误差均可能造成编码器脉冲信号与推杆行程间的误差，导致系统误差；因此要保证齿轮、齿条的设计、工艺加工及安装精度。而齿条与齿轮间的间隙在运动时基本不会影响测长精度。 编码器的分辨率也会影响系统的测量精度。若每转输出的脉冲数过少，则每个脉冲所代表的推杆位移将会加大，在测量时若丢掉一个脉冲或多计一个脉冲所引起的测量误差会相应加大，因此，编码器应根据测长精度要求结合编码器的分辨率进行选型；与此同时，由于编码器的输出频率很高，PLC应采用专门的高速计数模块。 若测量齿条模数、齿轮模数均为1，齿轮的节圆直径D＝40mm，同步带增速比为2：1，编码器的分辨率为1000p/r。 推杆每由右向左移动1000mm，则编码器相应的位置脉冲数为：16p/mm。 即推杆每由右向左移动，对应编码器的位置脉冲数为16，由此可见，编码器满足测量精度要求。 2.4测长光电开关 （1）测长光电开关的固定位置对测长精度的影响 因为机械工艺及光电开关自身的可调节位置等因素限制，人工安装的测长光电开关的固定位置存在一定的误差，但该误差对所测长度结果的影响是单向的，且为一恒定不变值。 （2）控制测长光电开关的固定位置影响测长精度的措施 在安装光电开关过程中，必须对测长光电开关进行反复调整，控制每对测长光电开关的安装位置误差均小于1 mm，并且尽量保证大多数光电开关对的间距在500mm左右，若确实因机械结构原因不能将其安装在理论整数位置时，则必须精确测量其实际位置值，其相应整数光电开关的软件位置数据也应做相应调整。对测长光电开关的固定位置进行有效校准后，在PLC下位机DB及上位机WINCC软件中进行设置和补偿（见图2、图3），并且利用标准长度的钢管进行校准，考核时主要检验测量的重复精度，直至测长系统测出的长度近似等于标准钢管长度。考虑周围环境干扰和影响，为确保测长可靠，应每隔一段时间对测长光电开关进行校准。经校准正确后测长光电开关的固定位置所带来的误差才可视为零。 （3）测长光电开关的特性对测长精度的影响 因测长光电开关从被遮光开始至信号发出存在延时时间t，它与推杆推头速度结合起来形成精测长的另一项重要的误差t×v（v为推杆速度），造成尾数计数器计数长度误差t×v。 （4）控制测长光电开关特性影响测长精度的措施 解决因推杆推头速度v与测长光电开关因延时时间t结合起来引起的尾数计数器计数长度误差v×t，即需尽量减少乘积中的二个因素v和t。减少v即减少推杆推头速度，可采用变频调速方式控制电动推管机的速度。当钢管测完整数长的瞬间变频器调速，低速驱动推杆测尾数长，在钢管左端面接触下一对测长光电开关光束时电动机实现低速停止，通过减少t来控制v×t误差。减少测长光电开关延时时间t，选用光束非常细的光电开关，减少激光光束与钢管左端面的接触时间；同时在选型时考虑选择延时时间短的光电开关。除光电开关自身开关特性产生的延时以外，还应考虑到应用程序的延时，可选择中、高档系列PLC，所有整数位长度信号和测长控制信号均应以中断方式输入PLC，还应尽可能提高应用程序自身运行效率；在配置上位机时可选择中高端配置，提高硬件执行效率。 3 结论 该测长系统中电动推管机采用变频调速方式，速度控制较容易，不需要液压动力源，不会发生漏油等故障；采用阻尼托辊与变频器调速装置有效对钢管测长系统进行减速控制；采用细光束的光电开关与电动推管机驱动齿条的直线运动同步旋转的编码器使测量精度更加精确。该系统已通过调试并进入自动化生产阶段，测长精度优于±2mm，满足实际生产需求。