大直徑鋼管自動噴號機的研制

李殿杰，趙 輝，李勝峰，王金飛，胡日榮

(1.中國鋼研科技集團新冶高科技集團有限公司，北京100081；2.天津天管太鋼焊管有限公司，天津300301)

大直徑鋼管自動噴號機的研制

李殿杰1，趙 輝2，李勝峰1，王金飛1，胡日榮1

(1.中國鋼研科技集團新冶高科技集團有限公司，北京100081；2.天津天管太鋼焊管有限公司，天津300301)

為了使焊管生產(chǎn)線更高效地實現(xiàn)鋼管生產(chǎn)信息追蹤，需要對成型切斷后的鋼管進行標識身份，為此，研制了大直徑鋼管自動噴號機。介紹了鋼管自動噴號機的工作原理及系統(tǒng)設(shè)計，包括一種簡單可行的噴頭調(diào)整機構(gòu)以及同時開發(fā)的配套控制系統(tǒng)。經(jīng)過大量的現(xiàn)場調(diào)試，該設(shè)備目前已成功應用于生產(chǎn)現(xiàn)場。研究及應用結(jié)果表明，該鋼管噴號機滿足鋼管在線噴印要求，噴印字符清晰，實現(xiàn)了與MES系統(tǒng)的通訊，為實現(xiàn)生產(chǎn)信息的回溯跟蹤、提升生產(chǎn)線自動化水平奠定了堅實的基礎(chǔ)。

焊管；大直徑；噴號機；制造執(zhí)行系統(tǒng)；調(diào)整機構(gòu)

隨著鋼管制造行業(yè)競爭的日益加劇，高端鋼管對生產(chǎn)信息高效追蹤的要求也日漸提高[1]。要實現(xiàn)在生產(chǎn)過程中對鋼管進行信息追蹤，以記錄鋼管在各生產(chǎn)工藝中的加工狀態(tài)，就需要給每根鋼管噴印管號，為其打造生產(chǎn)信息“身份號”，為制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）提供管號信息[2-4]。通過對每根鋼管管號的跟蹤，把生產(chǎn)過程中的質(zhì)量信息、工藝參數(shù)和生產(chǎn)信息等實時流向?qū)芴枺阌诠芾砣藛T準確地掌握每根鋼管對應的生產(chǎn)過程信息[5-7]。

目前鋼管生產(chǎn)企業(yè)一般是在成品出庫的時候才噴印管號和商標等，而在生產(chǎn)過程中沒有噴印管號和進行跟蹤。在JCOE和螺旋鋼管廠，鋼管直徑一般在406 mm以上，多采用機械手噴印裝置進行多行噴印，設(shè)備成本高，維修困難。因此，為了實時追蹤鋼管生產(chǎn)過程信息，降低人工操作的工作強度，同時減小設(shè)備的使用成本，本研究根據(jù)現(xiàn)場工況，針對直徑508～1 626 mm的焊管生產(chǎn)機組開發(fā)了鋼管自動噴號機。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

鋼管自動噴號機系統(tǒng)如圖1所示，包括鋼管、噴頭機構(gòu)、測速機構(gòu)、管頭感測機構(gòu)和管尾感測機構(gòu)以及控制系統(tǒng)。鋼管在輥道上運行過程中，噴頭機構(gòu)利用3套相同的噴頭對鋼管進行噴印。測速機構(gòu)用靠模輪緊貼鋼管下表面，與鋼管同步轉(zhuǎn)動，測量鋼管的前進速度，并向控制系統(tǒng)傳送速度信號。管頭感測機構(gòu)和管尾感測機構(gòu)分別感測管頭和管尾是否到達預定位置，并向控制系統(tǒng)發(fā)送相應的信號。控制系統(tǒng)根據(jù)上述信號來控制噴頭機構(gòu)何時開始噴印以及噴印的速度。

圖1 鋼管自動噴號機系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 三噴頭機構(gòu)

噴頭機構(gòu)主要是為了適應不同直徑的鋼管，并為噴頭提供安裝支座。因鋼管直徑較大，為了便于有效檢測出管號，在鋼管表面沿圓周方向噴印3處管號，分別位于12點、4點和8點位置，如圖2所示。同時，為了避免鋼管管號在后續(xù)輸送過程中被磨損，可在鋼管頭尾均噴印管號。

圖2 三噴頭機構(gòu)示意圖

為了便于分析描述3個噴頭的調(diào)整情況，把12點位置噴頭稱為1#噴頭，4點位置稱為2#噴頭，8點位置稱為3#噴頭。

1#噴頭最容易實現(xiàn)調(diào)整，只需要垂直上下即可。框架可以使用龍門架的形式，也可以使用懸臂架結(jié)構(gòu)，因為噴頭的質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)質(zhì)量也相應的減小，因此，這里采用懸臂架結(jié)構(gòu)框架[8-10]。因為鋼管直徑大，1#噴頭上下移動不便于手工調(diào)整，因此采用電動伺服機構(gòu)，使用線型導軌、滾珠絲杠與伺服電機配合。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 1#噴頭調(diào)整機構(gòu)示意圖

伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運動，而滑塊又同時被約束在線性導軌上，進而保證了移動的精度。通過控制伺服電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)就可以精確控制滑塊（噴頭支架）移動的上下位置。

2#噴頭和3#噴頭相似，現(xiàn)以2#噴頭為例。鋼管直徑變化時，不同的噴印點形成的路徑稱之為噴印線，當輸送輥道為平輥時，很容易證明鋼管直徑變化時，噴印位置點也會沿直線變化，且與豎直中心線成60°夾角（如圖4所示）。

圖5為V形輥道2#噴頭噴印位置示意圖。鋼管輸送輥道基本為V形輥道，隨著鋼管直徑的增大，鋼管的下底面會變高，噴印點是否還會沿直線變化，值得研究。

輥道V角中點為A，3個鋼管的中心為O1,O2和O3,半徑為R1，R2和R3，鋼管與V形輥道的接觸點為切點，分別為B1，B2和B3，噴印點

圖4 平輥2#噴頭噴印位置示意圖

圖5 V形輥道2#噴頭噴印位置示意圖

P1，P2和P3在4點鐘位置。只需證明3條線的斜率相等就可以證明3點共線（證明過程略）。

通過證明，V形輥道的噴印點也在一條直線上，只是與豎直線的夾角不是60°。通過測量，在輥道夾角為140°時，噴印線與豎直中心線的夾角是56.8°，因此，可以設(shè)計噴頭移動軌跡與噴印線平行。

通過上面論述，2#噴頭調(diào)整機構(gòu)的行走線與豎直成56.8°。移動調(diào)整機構(gòu)采用的噴頭與1#噴頭相似，只是位置較低，把電機換成手輪。同時，當鋼管規(guī)格更換后，為防止調(diào)整噴頭撞擊到鋼管上，設(shè)置一個轉(zhuǎn)軸，使鋼管先撞擊支架，然后支架繞轉(zhuǎn)軸擺動，避免噴頭損壞。

2.2 測速機構(gòu)

圖6 測速機構(gòu)示意圖

如圖6所示，測速機構(gòu)固定安裝于地面上，支架一端相對于基座可轉(zhuǎn)動，且另一端相對于基座能夠上下調(diào)節(jié)高度；轉(zhuǎn)輪由支架支撐，并且可相對于支架旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸線與鋼管前進方向垂直；速度傳感器隨轉(zhuǎn)輪一起旋轉(zhuǎn)，并向控制系統(tǒng)傳送鋼管速度信號。當鋼管運動至測速機構(gòu)上方時，轉(zhuǎn)輪與鋼管緊密接觸，從而使得轉(zhuǎn)輪能夠在鋼管的帶動下相對于鋼管無打滑轉(zhuǎn)動，這時速度傳感器便能夠精確地測量鋼管的速度。

在進行測速時，轉(zhuǎn)輪與鋼管接觸，為了避免轉(zhuǎn)輪對鋼管造成磨損并增大摩擦系數(shù)，在轉(zhuǎn)輪的外周可包繞一層聚氨酯。

3 控制系統(tǒng)

自動噴號機的控制系統(tǒng)如圖7所示，主要由操作臺、集成噴印控制器和PLC控制器等組成。

（1）操作臺：主要是安裝操作按鈕和指示燈，實現(xiàn) “噴印、停止、急停、上升、下降”等操作和“來管、故障”等顯示。

（2）集成噴印控制器：由3個獨立的集成電路組成，控制噴頭的噴印，同時通過RS232信號與工控機通信。

圖7 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）PLC控制器柜：安裝PLC控制電路，進行邏輯控制，接收 “鋼管頭尾信號、輥道啟停信號、測速輪信號”和控制升降電氣啟停。同時，通過Profibus-DP接口與工控機進行通訊。

（4）工控機：選用臺灣研華產(chǎn)品，是整個控制的核心。可在研制的操作界面上進行參數(shù)和工作模式的設(shè)置。鋼管管號信息的獲取有兩個模式，一個是 “本地”模式，在工控機上人工輸入管號，并把管號傳送給噴印控制器；另一個是“遠程”模式，通過TCP/IP協(xié)議與MES系統(tǒng)通訊，從MES取得管號信息，自動傳送給噴印控制器。

4 操作實例

選用φ711 mm的鋼管為例，對鋼管自動噴號機的具體操作和流程進行詳細描述。

（1）做好準備工作，檢查機械部件和控制信號是否符合設(shè)計要求。

（2）根據(jù)將要噴印的φ711 mm鋼管，調(diào)整好噴頭機構(gòu)的位置。使得噴頭前表面距鋼管表面20～40 mm。其中1#噴頭調(diào)整在操作臺上完成，2#和3#噴頭使用人工調(diào)整。

（3）在工控機上選擇 “本地”或 “遠程”工作模式，在操作臺上選擇 “自動運行”。

（4）當鋼管到來時，管頭感測機構(gòu)感測到鋼管達到其正上方時，向PLC傳送相應的信號。

（5）待鋼管運動至測速機構(gòu)處，測速機構(gòu)通過速度傳感器測量出鋼管的前進速度，并向控制系統(tǒng)發(fā)送速度信號。

（6）控制系統(tǒng)可根據(jù)各個機構(gòu)之間的距離和鋼管速度計算出管頭到達噴頭機構(gòu)的時間，使噴頭機構(gòu)在鋼管的預定位置以適當?shù)乃俣冗M行噴印，從而完成管頭噴印作業(yè)。

（7）當管尾感測機構(gòu)感測到鋼管的管尾到達其正前方時，便向控制系統(tǒng)傳送相應的信號，控制系統(tǒng)便可在管尾位置進行噴印，從而完成管尾噴印作業(yè)。

（8）等待下一根鋼管的到來，依次循環(huán)。

噴號機的噴頭使用16針的點陣式噴頭，可以噴印的字符高度為25～52 mm。噴頭與測速輪配套使用，可以應用于鋼管最大前進速度為90 m/min的生產(chǎn)線。通過設(shè)定可以實現(xiàn)管號的正反方向噴印，頭部和尾部還可以交錯噴印，具體如圖8所示。

圖8 噴印實物照片

5 結(jié) 語

研制的鋼管自動噴號機經(jīng)過長時間的現(xiàn)場調(diào)試，目前已成功應用在山東淄博某螺旋焊管廠。該機能夠適應不同直徑和生產(chǎn)速度的鋼管，并能夠噴印出清晰的管號。同時，該機結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度較高，且制造成本低，與MES系統(tǒng)實現(xiàn)了無縫連接，為實現(xiàn)生產(chǎn)信息的回溯跟蹤、提升生產(chǎn)線自動化水平奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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Research on Automatic Marking Machine for Large Diameter Steel Pipe

LI Dianjie1,ZHAO Hui2,LI Shengfeng1,WANG Jinfei1,HU Rirong1
(1.New Metallurgy Hi-tech Group Co.,Ltd.of China Iron&Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China;2.Tianjin TPCO&TISCO Welding Pipe Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

In the continuous welded pipe production line,in order to trace steel pipe production data more efficiently,the logo identity for the cutting pipe after forming is needed,sot the automatic marking machine for large diameter steel pipe was researched.In this article,it introduced its working principle and system design,including a simple nozzle adjustment mechanism and matched control system.The machine was applied in production site after a great deal of installing and debugging.The research and application results showed the automatic marking machine can meet requirements of online printing and the print numbers are clear.It completed the communication with the MES system.Therefore it laid a solid foundation for tracing the production information and promoting production line automation level.

welded pipe;large diameter;marking machine;manufacturing execution system;adjustment mechanism

TH122;TP271

B

1001－3938（2015）06-0029-04

李殿杰，男，主要從事鋼管工程設(shè)計和工藝研究工作。

2015-01-02

黃蔚莉