伺服控制跟蹤在螺旋焊管生產線上的應用?

王昌龍，陳靖芯，秦永法，竺志大

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225009）

0 引言

傳統的鋼管定長切割多數采用刀輪機械跟蹤，在刀輪與鋼管相切滾動的過程中，刀輪在鋼管圓周上留下一道刻痕。只要刻痕有一定深度，就能限制刀輪只沿鋼管圓周方向相切滾動，不會發生沿鋼管軸線方向的滑移。帶有等離子切割噴槍的小車通過汽缸被刀輪架起，小車被刀輪帶動在軌道上前進，噴槍沿鋼管橫斷面切割一周，完成鋼管垂直切斷。

然而，螺旋焊管切割時，鋼管不僅作周向旋轉，還沿軸線伸長，即鋼管上任意一點均作螺線運動。

實際工作中刀輪軸與刀輪之間可能存在機械間隙、刀輪軸受力后的變形、鋼管受壓力后的凹陷變形，刀輪不能保證在鋼管的一個橫斷面內運動，導致切割縫起點與終點不重合，有時誤差達到1cm～3cm。［1－3］

機械間隙總是存在的，而且是難以精確控制的，實踐表明機械刀輪跟蹤法很難保證切口斷面垂直于鋼管軸線，起點終點難以重合。本文采用伺服控制跟蹤系統，雖不可能絕對消除誤差，但至少可以調整跟蹤速度，直到小車與鋼管軸向同步，將誤差控制在切割縫寬度范圍內。小車不再靠自重壓在刀輪上，因此不會引起鋼管的失圓變形，也不會使切割路線偏離橫斷面。

1 伺服控制跟蹤系統設計

原方案小車靠自重被動跟隨刀輪沿鋼管切向運動，刀輪相對于鋼管任意橫截面理論上軸向保持靜止，如圖1所示。

新方案中小車采用雙絲杠螺母驅動機構，由伺服電機通過齒輪減速器帶動絲杠旋轉，螺母帶動小車主動跟蹤鋼管的軸向運動，相對于鋼管任意橫截面理論上軸向保持靜止。［4］

圖1 刀輪跟蹤切割示意圖（小車導軌略）

1．1 兩路測速系統設計

鋼板從螺旋焊管生產線的鋼卷開平機出發，進入三輥成型機之前，采用光電碼盤測出鋼板的前進速度v板，如圖2所示。

圖2 總體組成和送板測速傳感器安裝部位

正常生產情況下，鋼板前進速度約為2m／min～10m／min，選用直徑Φ10cm的摩擦輪，轉速僅為3r／min～15r／min。而采用65 536脈沖／轉的光電碼盤測速，則每個脈沖鋼板前進的距離d（mm）為：

由于鋼板前進單位距離產生的脈沖數過少，控制精度低，故采用齒輪增速器加快轉速后與碼盤相連。該變速器速比為100∶1，每個脈沖鋼板前進的距離d為0．005mm，使控制精度大大提高。由于直流伺服電機轉速較快，因此另一路測速傳感器直接安裝在電機出軸端，測出小車的實際運行速度。

1．2 帶有等離子噴槍的小車驅動設計

伺服電機通過同步帶輪帶動雙絲杠旋轉，絲杠螺母機構帶動含有等離子噴槍的小車以速度v管前進。圖3為切割小車、減速器和絲杠螺母行走機構示意圖。

圖3 切割小車、減速器、絲杠螺母行走機構示意圖

設鋼管直徑為D，鋼板寬度為W。鋼板每卷繞一周鋼管伸長W－L（L為重疊接縫寬度），其與鋼板送板距離之比K為：

其中：α為鋼板開平機與焊管軸線之間的夾角（螺旋角）。小車前進速度v管應等于鋼管伸長速度，與鋼板送板速度v板的關系應為：

v管＝K·v板。

本設計通過調節旋鈕微調鋼板前進速度與小車前進速度之間的比例系數K，可以在一定程度上修正機械誤差。［5］

以鋼板寬度W＝1 250mm，重疊邊L＝20mm，制作直徑D＝1 153mm的鋼管為例，則螺旋角α為：

1．3 送板速度與小車速度比例系數的調節

調節系數K的方法為：

ΔK＝（1－δ／1 230）／0．321 53。

很顯然，切割縫起始點誤差δ＜0說明小車前行過慢；δ＞0說明小車前行過快。實際操作時，不必仔細計算，可根據大致誤差程度適當調節系數K。控制精度取決于光電碼盤的位數和調節旋鈕輸出模擬電壓的A／D采樣位數。

2 試驗結果

在兩路光電碼盤模擬測試裝置上進行了伺服跟蹤試驗，小車10次跟蹤試驗實際行程見表1。試驗表明，該隨動系統切割行走誤差小于1cm，跟蹤精度滿足生產要求。

表1 試驗系統10次跟蹤結果 m

3 結論

兩路光電碼盤可以實現等離子切割小車的行走反饋控制，其控制精度滿足生產要求。

調節旋鈕微調送板速度與小車速度之間的比例系數，可使跟蹤精度達到要求。

［1］ 任小龍，邵敏茹．螺旋縫埋弧焊管生產線智能糾偏系統的設計［J］．電子測量技術，2008，31（5）：59－62．

［2］ 羅秀峰．螺旋焊管成型參數的優化設計［D］．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007：16－21．

［3］ 趙桂杰．螺旋焊管外焊縫自動跟蹤智能控制系統研究［D］．鞍山：遼寧科技大學，2008：34－46．

［4］ Gunaraj V，Murugan N．Prediction and comparison of the area of the heat－affected zone for the bead－on－plate and bead－on－joint in submerged arc welding of pipes［J］．Journal of Materials Processing Technology，1999，95（10）：246－261．

［5］ 席文明，鄭梅生，顏景平．視覺引導下的機器人跟蹤復雜焊縫的研究［J］．東南大學學報（自然科學版），2000，30（2）：79－83．