金屬管棒直線度精準(zhǔn)測(cè)量智能化設(shè)計(jì)

湯威，鄭海濤，邵錫

（湖州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 湖州 313000）

1 研究設(shè)計(jì)的目的和意義

智能制造，高質(zhì)量發(fā)展是我們這個(gè)時(shí)代的主題，制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展尤為重要，隨著德國工業(yè)4.0概念的提出，日本精益生產(chǎn)的不斷精細(xì)化，我國制造業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，金屬棒材、管材是制造業(yè)的基礎(chǔ)材料，提高基礎(chǔ)材料的制造品質(zhì)、質(zhì)量水平，檢驗(yàn)檢測(cè)很關(guān)鍵，直線度作為精密設(shè)備及醫(yī)療器械，儀器用金屬棒材，管材的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，長期以來我們都是粗略式檢測(cè)、目視化驗(yàn)收，所以對(duì)直線度有精準(zhǔn)要求的管材和棒材，我們國內(nèi)目前仍以進(jìn)口為主。目前主要的檢測(cè)方式有人工手動(dòng)檢測(cè)和紅外線檢測(cè)，人工手動(dòng)檢測(cè)成本較低，但是無法滿足精密檢測(cè)精度要求且自動(dòng)化水平低下，而紅外線檢測(cè)投入成本又巨大，無法市場(chǎng)化；目前對(duì)于金屬管材，棒材精度的檢測(cè)還存在如下缺點(diǎn)：無法同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)管材、棒材的長度尺寸和直線度。

本次研究目的和意義在于解決現(xiàn)有金屬管材，棒材直線度檢測(cè)技術(shù)的不足，針對(duì)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，難以精確測(cè)量精密管材、棒材尺寸以及直線度的問題，研究設(shè)計(jì)一種檢測(cè)精度高、操作方便、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化水平高的金屬管棒直線度在線檢測(cè)設(shè)備，解決行業(yè)長期以來的技術(shù)瓶頸，研究采用金屬管材作為設(shè)計(jì)開發(fā)的樣品進(jìn)行儀器裝置的開發(fā)。

2 金屬管在線檢測(cè)裝置

2.1 設(shè)計(jì)思路

研制一套在線自動(dòng)測(cè)量裝置，解決傳統(tǒng)測(cè)量方式存在測(cè)量速度慢、自動(dòng)化程度低、測(cè)量精度低等問題。針對(duì)金屬管生產(chǎn)過程中鋼管的長度尺寸較難測(cè)量與控制，設(shè)計(jì)一個(gè)由光柵尺、大理石基座、固定測(cè)量軸和移動(dòng)測(cè)量軸組成的測(cè)量裝置，為了解決金屬管管面直線度測(cè)量難題，在測(cè)量裝置上設(shè)計(jì)一個(gè)與光柵尺平行的可移動(dòng)軸，在可移動(dòng)軸上裝配位移傳感器，其間配置PLC控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)使裝置測(cè)量過程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并能通過PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果顯示在人機(jī)界面之中，數(shù)據(jù)也可以通過人機(jī)界面人為進(jìn)行刪選。

經(jīng)過設(shè)計(jì)，本裝置測(cè)量系統(tǒng)硬件部分由PLC、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、大理石平臺(tái)、光柵尺、位移傳感器、可觸人機(jī)界面和多個(gè)電氣元件組成。

圖1 金屬管測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

2.2 控制系統(tǒng)PLC

Programmable Logic Control就是目標(biāo)研究對(duì)象的外文總稱，也就是可以進(jìn)行自主控制的控制設(shè)備，包含的程序類別較多，例如邏輯、順序把控、計(jì)數(shù)、計(jì)算，等等，都是涵蓋在其中的。很多指令形式在存儲(chǔ)器中進(jìn)行存放，結(jié)合存儲(chǔ)的實(shí)際情況，借助一系列的操作，例如模擬操作、數(shù)字處理，等等，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生產(chǎn)設(shè)備以及生產(chǎn)流程的掌控。PLC促進(jìn)工業(yè)控制應(yīng)用活動(dòng)的高效展開，直接將傳統(tǒng)的繼電器設(shè)備取而代之。而控制構(gòu)件的核心硬件組成作為系統(tǒng)整體的運(yùn)行組成，與機(jī)械部分的接口連接起來，與前面所講的組成一道成為了整體設(shè)備自動(dòng)控制工作的重要根本，促進(jìn)整體構(gòu)架、硬件的選擇、搭配等工作的高效展開。當(dāng)然，將實(shí)際要求充分滿足的背景下，悉心研究，將框架內(nèi)部不同組分的硬件原理以及能夠?qū)崿F(xiàn)的供能詳細(xì)明確，選型工作需要細(xì)心再細(xì)心，發(fā)揮控制組分的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)可靠性、經(jīng)濟(jì)性的結(jié)合。在本裝置研究中，選用XC3-48T-E該型號(hào)的PLC，可以有效地控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、位移傳感器的運(yùn)行，對(duì)位移傳感器和光柵尺的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和記錄，然后反饋到人機(jī)界面中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。

2.3 PLC系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)

通過對(duì)現(xiàn)有的幾種運(yùn)動(dòng)控制方案進(jìn)行比較和分析，結(jié)合現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)控制水平的發(fā)展現(xiàn)狀以及對(duì)系統(tǒng)功能指標(biāo)的考慮，方案選擇基于ARM和FPGA雙核處理器進(jìn)行嵌入式PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

整個(gè)系統(tǒng)主要包括主控模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、輸入輸出模塊、反饋模塊等。主控模塊由ARM和FPGA及其最小系統(tǒng)和部分接口電路組成，是控制系統(tǒng)的核心部分。ARM為主CPU，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通信的控制和反饋信息的處理；FPGA為從CPU，主要負(fù)責(zé)PWM脈沖信號(hào)的進(jìn)給控制，通過接收運(yùn)動(dòng)控制命令及對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行解析，根據(jù)解析結(jié)果進(jìn)行PWM脈沖輸出，保證運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)的精確性。通信模塊的主要作用是把主控制裝置的數(shù)據(jù)執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換，使其能夠更好地傳輸，方便主控單元與外圍設(shè)備進(jìn)行信息的傳輸交換。本次設(shè)計(jì)主要利用USB和CAN總線兩種通信模式。驅(qū)動(dòng)模塊的主要作用是把FPGA的信號(hào)執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換，使其能夠轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的信號(hào)。反饋模塊主要負(fù)責(zé)將采集的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行信息反饋給主控單元，主控單元獲得運(yùn)行信息進(jìn)行邏輯判斷，如發(fā)生異常則適時(shí)作出控制調(diào)整，如運(yùn)行正常則按照原來控制命令繼續(xù)輸出，如此循環(huán)往復(fù)形成一個(gè)完全閉環(huán)控制。輸入輸出模塊的作用是將經(jīng)過邏輯判斷產(chǎn)生的結(jié)果輸出給外部設(shè)備或?qū)⒉杉降耐獠啃盘?hào)量傳遞給主控單元。

2.4 光柵尺與位移傳感器的應(yīng)用

光柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)包括頻差穩(wěn)定的激光光源（He-Ne dual-frequency laser）、結(jié)構(gòu)緊湊的光柵尺（Encoder）、可靠的光電探測(cè)電路（Receiver）和高速實(shí)時(shí)的激光軸卡（Laser axis board）。

激光光源輸出頻差穩(wěn)定的線偏振方向相互垂直的雙頻激光，一束作為參考差頻信號(hào)直接由光電探測(cè)電路接收，另一束經(jīng)光纖傳輸至光柵尺。光柵尺作為測(cè)量系統(tǒng)中的核心部件，基于光柵多普勒效應(yīng)和光學(xué)干涉原理實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，輸出包含光柵（Grating）和讀頭（Head）間的相對(duì)位移信息的光學(xué)干涉信號(hào)，并經(jīng)光纖傳輸至光電探測(cè)電路。激光軸卡接收轉(zhuǎn)換后的模擬電信號(hào)，并進(jìn)行差分運(yùn)算、數(shù)字采樣和電子細(xì)分，經(jīng)位移測(cè)量模型計(jì)算出光柵和讀頭間的相對(duì)位移。

其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大、檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。直線光柵尺是依據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理來產(chǎn)生光信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過光電器件的轉(zhuǎn)換處理后，用來檢測(cè)機(jī)械裝置的位移。

位移傳感器具有測(cè)量精度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，其在很多場(chǎng)合有廣泛應(yīng)用，無論是測(cè)量長度、高度、厚度、間距或直線位移，還是在精度檢測(cè)站、設(shè)備標(biāo)定等方面，都能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確和可靠的測(cè)量。

2.5 測(cè)量原理

（1）金屬管長度測(cè)量。將測(cè)量裝置復(fù)位，此時(shí)移動(dòng)端測(cè)量軸所在光柵尺上的實(shí)時(shí)讀數(shù)為A0，將被檢金屬管安裝在測(cè)量裝置的V型塊上，左端管面與固定端測(cè)量軸相接觸，通過人機(jī)界面運(yùn)行裝置進(jìn)行測(cè)量，裝置通過PLC控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)，使移動(dòng)端測(cè)量軸向固定端靠攏，接觸金屬管右端時(shí)，

有讀數(shù)。此時(shí)，移動(dòng)端測(cè)量軸位移值為r，得此金屬管樣品長度為：

圖2 金屬管測(cè)量裝置原理

（2）金屬管管面平行度測(cè)量。將被檢金屬管安裝在測(cè)量裝置的V型塊上，使位移傳感器接觸金屬管管面，在人機(jī)界面中設(shè)置平行度采點(diǎn)間隔，啟動(dòng)后，每個(gè)點(diǎn)相對(duì)于水平位置的誤差會(huì)被記錄，其中最大值為Ymax，最小值為Ymin，得此金屬管管面平行度為：

3 電機(jī)選型

按工作要求和條件，選用三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓380V，Y型。

3.1 選擇電動(dòng)機(jī)的容量

估算由電動(dòng)機(jī)至運(yùn)輸帶的傳動(dòng)的總效率為

根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書查得

η1為聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率初選η1=0.98

η2為軸承傳動(dòng)的傳動(dòng)效率η2=0.99

η3為蝸桿的傳動(dòng)效率η3=0.80

η4為卷筒的傳動(dòng)效率η4=0.96

ηa=0.982×0.993×0.80×0.96=0.72

3.2 確定電動(dòng)機(jī)

由已知可以計(jì)算出卷筒的轉(zhuǎn)速為此表中可以發(fā)現(xiàn)這種傳輸?shù)膫鲃?dòng)比為8-40。故可推算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的可選范圍為：查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，滿足此范圍的同步速度為：1500r/min，3000r/min。如表1。

表1 電動(dòng)機(jī)的主要性能

綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸，再結(jié)合質(zhì)量比，傳動(dòng)要求，很輕松就可以看出第三類是理想選擇，所以具體的型號(hào)是Y132M-4。該電動(dòng)機(jī)的主要尺寸和安裝尺寸如表2（裝配尺寸圖參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》）。

表2 電動(dòng)機(jī)的外型及尺寸

4 絲桿的選型

4.1 絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算

導(dǎo)軌靜摩擦力：

式中，M為工件及工作臺(tái)質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算約M為500kg；f為導(dǎo)軌滑塊密封阻力，按4個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊密封阻力5N。

由于這些設(shè)備的基本應(yīng)用方向就是在檢測(cè)方面，所以在進(jìn)行絲杠工作的時(shí)候，并沒有切削力的影響，而檢測(cè)的速度也是相對(duì)均勻的，其中的阻力來自摩擦阻力。則有：

滾珠絲杠副的當(dāng)量載荷：

滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速：

4.2 絲桿副預(yù)期額定動(dòng)載荷

4.2.1 按絲桿副的預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算

式中，nm為當(dāng)量轉(zhuǎn)速，nm=60·v/Ph=60×25/10=150rpm；Lh為預(yù)期工作時(shí)間，測(cè)試機(jī)床選擇20000小時(shí)；fw為負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇fw=1；fa為精度系數(shù)，2級(jí)精度選擇fa=1；fc為可靠性系數(shù)，一般選擇fc=1。

4.2.2 按絲桿副的預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算

式中，LS為預(yù)期運(yùn)行距離，一般選擇LS=25×103m。

4.2.3 按絲桿副的預(yù)加最大軸向負(fù)載計(jì)算

式中，fe為預(yù)加負(fù)荷系數(shù)，輕預(yù)載時(shí)，選擇fe=8.2；Fmax為絲杠副最大載荷。

4.3 估算絲桿的最大允許軸向變形量dm

4.4 估計(jì)算絲桿副的螺紋底X

根據(jù)X向運(yùn)動(dòng)行程為2200mm，可計(jì)算出兩個(gè)固定支承的最大距離：

按絲桿安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：

式中，F(xiàn)0為導(dǎo)軌靜摩擦力，F(xiàn)0=108.2N；L為滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=1580mm

4.5 導(dǎo)程精度的選擇

根據(jù)X向運(yùn)動(dòng)的定位精度要求達(dá)到0.005mm/1000mm，則任意300mm。長度的導(dǎo)程精度為0.0015mm。

5 金屬管測(cè)量裝置的整體總裝圖（圖3）

6 基于PLC的自動(dòng)測(cè)量金屬管棒裝置存在的問題及解決方案

6.1 自動(dòng)測(cè)量金屬管棒裝置在實(shí)際運(yùn)用環(huán)節(jié)還是存在不理想之處

（1）精確程度待與進(jìn)一步提升。一旦控制的精確程度不理想，那么長時(shí)間處于運(yùn)行的狀態(tài)，會(huì)使得控制組成的線路結(jié)構(gòu)以及涉及的機(jī)械組分發(fā)生直接老化，這就使得控制工作的準(zhǔn)確程度受到嚴(yán)重干擾，控制的準(zhǔn)確程度無法得到充分保障。信息的可靠性接收的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，信息接收的不可能，那么久會(huì)出現(xiàn)判斷不正確的情況。更關(guān)鍵的是接線位置以及觸點(diǎn)之間的狀態(tài)不理想，操作現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備開關(guān)得不到高效控制，直接關(guān)閉，這就使得PLC系統(tǒng)的運(yùn)行不正常，造成的問題更為嚴(yán)重。

（2）運(yùn)行過程不完善。在裝置的環(huán)節(jié)中，執(zhí)行活動(dòng)的展開，負(fù)責(zé)負(fù)載控制的設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重問題，再或者是由于其他干擾的不利威脅，導(dǎo)致PLC所傳達(dá)出來的號(hào)令在傳輸?shù)蕉丝谖恢玫沫h(huán)節(jié)出現(xiàn)明顯的中斷情況，更糟糕的是直接丟失，使得控制系統(tǒng)根本不能將原有的動(dòng)作口令詳細(xì)操作。此外，裝置內(nèi)部有部分設(shè)備有不同類別的故障的出現(xiàn)，再加上接觸不良時(shí)常發(fā)生，極大地干擾了系統(tǒng)整體的運(yùn)行可靠性。

（3）維修管理不到位。裝置在詳細(xì)應(yīng)用環(huán)節(jié)中，由于運(yùn)行環(huán)節(jié)時(shí)間較長，所以無論是維修的次數(shù)還是管理的次數(shù)都不多，這就使得整個(gè)系統(tǒng)長時(shí)間處于超壓的和運(yùn)行狀態(tài)，沒有專業(yè)素養(yǎng)過硬的維修人員的維修保養(yǎng)支持，使得自動(dòng)測(cè)量金屬管棒裝置設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)定期維修，給其運(yùn)行埋下了安全隱患。

6.2 自動(dòng)測(cè)量金屬管棒裝置針對(duì)問題的解決方案

（1）輸入的信號(hào)的穩(wěn)定性亟待提升。實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)的完善和優(yōu)化，不僅要強(qiáng)調(diào)信號(hào)輸入環(huán)節(jié)的可靠與穩(wěn)定，還應(yīng)該具體問題具體分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)主界面控制功能模塊的實(shí)時(shí)更新，使得靈敏程度更高，保障控制的整體效率，促進(jìn)系統(tǒng)信息的全面完善分析，保障對(duì)應(yīng)的判斷是足夠可靠的，實(shí)現(xiàn)尺寸測(cè)量工作的高效展開。

（2）故障提醒和報(bào)警工作的有效實(shí)現(xiàn)。受到PLC系統(tǒng)的影響。將故障提醒功能融入其中，系統(tǒng)中的設(shè)備盡量實(shí)現(xiàn)可視化管理，做好定位設(shè)備的裝配，發(fā)揮局域網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)故障的提示以及報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)性整合，這就極大地方便了工作人員的工作，發(fā)揮高清攝像頭設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)督以及水處理系統(tǒng)的結(jié)合，進(jìn)而使PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況合理的改善，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)作出的判斷也是正確的。使得水處理系統(tǒng)的安全性。此外借助故障的監(jiān)察，此外還需要應(yīng)用故障檢測(cè)將一些不正常的情況第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，給予相關(guān)工作人員準(zhǔn)確提醒，讓廣大工作人員有足夠的重視，對(duì)于問題實(shí)現(xiàn)高效解決，一旦故障合理解決，那么所發(fā)出的警報(bào)自然就不存在了。

（3）維修管理工作必須高度關(guān)注。維修和管理工作對(duì)測(cè)量裝置也有直接的影響，企業(yè)方可以考慮到香港制度和管理制度，必須選派專業(yè)人員對(duì)相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行管理以及維修，當(dāng)然工作人員必須樹立責(zé)任意識(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)范化的流程完成相關(guān)維修以及管理工作，延長測(cè)量裝置的使用時(shí)間。

圖3 金屬管測(cè)量裝置總裝圖

7 結(jié)語

金屬管在線檢測(cè)裝置目前已經(jīng)研制完成，管道裝備業(yè)也是我市現(xiàn)代物流裝備產(chǎn)業(yè)最大產(chǎn)業(yè)之一，該裝置的后期運(yùn)用和推廣可取代人工檢測(cè)過程中檢測(cè)的誤差率，同時(shí)節(jié)約成本，有效解決中小企業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)能力不足、檢測(cè)手段與標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題，推進(jìn)“智慧檢測(cè)”建設(shè)，為增強(qiáng)現(xiàn)代物流裝備產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力提供計(jì)量技術(shù)保障。