大型彎管機彎管角度在線測量的研究與設計*

王曉初 劉為文

(廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006)

在船舶、自來水、石油、化工等輸送管道中，直徑為100～426 mm 的大型金屬彎管是必不可少的，并且要求彎管彎道角度的精度達0.1°以上，以保證鋪設管道時的對接。國內廠家在大型彎管生產過程中，由于彎管機沒有數控化，彎管彎道的角度精度難以保證。彎管生產工藝分為熱彎和冷彎兩種，由于熱彎工藝存在設備復雜、加工成本高、生產效率低和表面粗糙度差等諸多缺點，實際生產中，仍以冷彎工藝為主。但冷彎存在彎管回彈現象，彎道角度難以控制［1］。

在彎管的傳統生產工藝過程中，首先根據要加工的彎道角度值，結合經驗，在彎管機上標出彎管模的停止位置，當彎管模旋轉到停止位置時停止轉動，然后取下彎管放置于一平面上，接著對彎管畫出如圖1 所示的ΔABC，并計算彎道角度α，將實際加工的角度α 與要求的角度值進行比較后，適當調整彎管機上標記的停止位置，然后再試產一根彎管，多次重復以上過程，直至找出準確的停止位置。由于取下來的彎管不能再次安裝并加工，因此試生產的彎管就成了廢品。這種傳統人工方式要得到比較準確的停止位置的經驗值，需要試驗多次;經驗值對相同型號相同材料的管坯比較準確，而對不同材料和不同型號的管坯又不再適用，因此這種人工離線手動測量方法降低了生產效率、因浪費原材料而增加了生產成本。

鑒于目前國內的大型彎管機床沒有彎管的彎道角度在線測量功能，同時為了提高彎管彎道加工精度、生產效率和降低生產成本，本文主要研究并設計了彎管角度在線測量裝置。

1 彎道角度測量原理

首先對傳統大型彎管機進行改造，一是在聯接彎管模的主軸上加裝編碼器，以精確控制彎管模的旋轉角度［2］;二是加裝如圖2b 所示的角度測量裝置。

彎管機的工作原理如圖2a 所示。彎管模固定在主軸上并隨主軸一起轉動，金屬管坯通過夾緊模緊靠在彎管模的夾緊槽上;導向壓料模為導向壓料模導向壓料滑槽，它緊貼于管坯的彎曲外側;當彎管模回轉指定角度并停止運動時，管坯就被纏繞在彎管模的周向，從而得到所需的彎曲半徑和彎道角度［3］。松開夾緊模后，由于管坯彈性變形而回彈，管坯的實際形狀如圖2a 所示的虛線管坯。圖2b 所示的彎道角度測量裝置主要由機械部分和控制部分組成。該裝置安裝在彎管機床上時，要確保步進電動機1 和2 的主軸與導向壓料模上的壓料槽的軸線平行，即要使行程開關1 和2 的運動軌跡A'A和B'B 與導向壓料模上的壓料槽保持平行。

測量裝置測量彎管彎道角度主要分為如下3 個步驟。

(1)測量前的準備工作。即通過控制器上的前進和回退按鈕，控制步進電動機3 驅動滾珠絲杠副帶動移動臺前后移動，通過目測使行程開關處于合適的測量位置。

(2)自動測量角度。完成步驟1 的情況下，按下啟動鍵，啟動自動測量。此時，步進電動機1 和2 通過滾珠絲杠副分別帶動行程開關1 和2 向靠近彎管方向移動，當行程開關1 和2 檢測到彎管時，即分別到達A、B點時(距離為1 mm)，控制對應的步進電動機停止運動;當兩臺電動機都停止時，分別記錄步進電動機1 和2 所走的步數;然后，步進電動機1 和2 分別帶動行程開關1和2 回到初始位置A'和B'，從而完成一次測量。

(3)根據步進電動機所走的步數，計算彎道角度并顯示。

設2 臺步進電動機的步距角均為θs，滾珠絲杠副的導程為P，d1=A'A，d2=B'B，距離d1對應步進電動機1 的步數為N1，距離d2對應步進電動機的步數為N2，則

兩個行程開關之間的距離為h，即AC=h。在直角ΔABC 中，則彎管彎道角度α 分以下3 種情況進行計算。

當d1＞d2:

當d1=d2:

當d1＜d2，

2 測量裝置的機械結構設計

彎管角度測量裝置裝配圖如圖3 所示，主要由步進電動機、滾珠絲杠副、導軌、移動臺和傳感器支架組成。根據測量彎管彎道角度的精度要求，可以選擇不同歩距角θs的步進電動機和不同導程P 的絲杠螺母副，θs和P 越小，所測角度的分辨率和精度越高，但成本也越高，一般彎管所需的精度在0.1°以上，所以根據需要選擇兩者的合理搭配。移動臺的主要作用是根據彎管的不同彎道角度，前后移動行程開關，使行程開關處于合適的測量位置，以保證AB 段在被測管子的未彎曲段內。

3 測量裝置的電路設計

測量系統的電路原理如圖4 所示，主要以單片機AT89C51 為控制核心，實現角度測量裝置的控制、以及角度數據的傳輸、存儲、處理和顯示。前進按鈕和后退按鈕控制移動臺的前進和后退，啟動按鈕啟動一次角度自動測量。行程開關1 和2 的開關信號分別連接至P3.2 和P3.3，以查詢方式控制對應步進電動機的起停。P1.0 和P1.1 分別為步進電動機M1 的方向和脈沖信號線，P1.2 和P1.3 分別為步進電動機M2 的方向和脈沖信號線，P1.4 和P1.5 分別為步進電動機M3的方向和脈沖信號線。

為了提高抗干擾能力，在單片機的信號輸入端和輸出端加入光電隔離器［6］。

4 測量軟件設計

單片機測量軟件包括鍵盤和行程開關狀態的讀取、步進電動機的正反轉控制、角度計算以及角度顯示等，程序流程圖如圖5 所示。

測量不同型號的彎管時，其AB 段可能出于不同的位置，為了保證行程開關處于合適的位置，在角度測量之前需要手動控制移動臺前后移動，P2.4=0 時移動臺前進，P2.5=0 時移動臺后退。該控制軟件“并行”控制步進電動機前進和后退，節省了測量的時間，P1.2、P1.4分別控制進電動機M2 和M3 正反轉，從P1.3、P1.5 分別輸出驅動步進電機M2 和M3 運動的脈沖。如果脈沖輸入變化太快，由于慣性導致步進電動機跟不上輸入脈沖的變化，這時就會發生堵轉和丟步［6-7］。所以，每走一步，程序必須延時一段時間。從P3.2 和P3.3 讀入行程開關的開關信號以控制對應的步進電動機啟停。N1和N2分別記錄步進電動機M2 和M3 前進的步數，用于計算測量角度和控制步進電動機回到初始狀態準備下一次角度測量。通過定時器中斷在中斷程序中定時顯示測量結果，這樣可節省CPU 資源。

5 結語

與傳統的人工彎管彎道角度測量方法相比，本設計主要有以下幾個優點。(1)彎管彎道角度測量是在機床加工時在線測量，不用取下彎管再進行測量;(2)檢測的彎道角度在LED 上顯示，供工人參考判斷，如果彎管彎道角度偏小，則可以再次啟動夾緊模壓緊管子繼續彎曲，這樣就不會浪費材料，提高了原材料利用率，降低了生產成本;(3)由于角度測量是自動進行的，減少了工人的勞動量和人數，提高了彎管角度測量的速度，同時也提高了生產效率。本裝置已在彎管廠進行了實際應用，其角度測量原理簡單，將提高角度測量的精度轉換成該裝置的設計精度和安裝精度，不以人的意志為轉移，提高了檢測角度的穩定性和精度，也提高了彎管產品的質量。

［1］劉光武，胡勇，王呈方.彎管回彈的理論分析［J］.武漢理工大學學報，2007，29(2):136 -138.

［2］張敏，姚秋風，張紅偉.旋轉編碼器在彎管機軸角控制中的應用［J］.河南科技學院學報，2011，39(3):68 -71.

［3］田福祥，王珍，王斌，等.新型半自動液壓彎管機的研制［J］.鍛壓機械.2002，37(5):7 -9.

［4］武慶生.單片機應用系統抗干擾的研究［J］.電子科技大學學報，2003，32(6):718 -721.

［5］王賢勇，趙傳申.單片機原理與接口技術［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［6］徐煜明.步進電機速度控制的研究與實現［J］.工礦自動化，2007(2):82 -85.

［7］鄧星鐘，周祖德，鄧堅馮，等.機電傳動與控制［M］.武漢:華中科技大學出版社，2007.