基于物聯網的冷軋無縫鋼管檢測控制系統設計

宗克欣，張 陳，胡文豪，陳澤民，徐 成，朱仁杰，楊文睿，孫逸晨

（江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引 言

在機械加工制造業、零部件制造業中，冷軋無縫鋼管精密度需要控制在20絲左右。高精度冷軋無縫鋼管的推廣應用有利于提升材料利用率，改善產品質量，提高生產效率。為了能夠滿足工業應用要求，提高產品質量，制管廠必須嚴格控制冷軋無縫鋼管外表面幾何尺寸精度。所需控制鋼管外表面的幾何尺寸主要有直徑、圓度、直線度和長度。目前，對于冷軋無縫鋼管的檢測，如直徑、壁厚等的尺寸，大部分工廠還在采用卡尺、千分表等接觸式測量方法。當然，也有少數工廠采用壓力與電壓之間的轉換測量、霍爾元件測量等物理測量方法。這些測量方式存在大量弊端，如檢測精度低、速度慢，還容易造成測頭磨損、損傷鋼管表面精度等。為了適應現代化加工制造需求，設計一種檢測精度高、效率高的自動化檢測及分揀系統尤為重要。本設計通過激光傳感器進行定位檢測，通過PLC編寫控制程序，利用VB可視化編程軟件與激光傳感器進行數據實時傳輸及處理。從鋼管傳輸、定位、檢測到分揀結束的自動化流程，有助于加快檢測節奏，提高檢測精度。通過激光傳感器對待測鋼管進行定位、調整，能同時進行多種規格冷軋無縫鋼管在線檢測，使設備具有普遍適應性。該檢測系統利用PLC控制程序與VB邏輯算法實現了產品的實時檢測篩選，節約了時間。

1 機械結構設計

1.1 檢測要求

由光電傳感器判斷有無待測鋼管，反饋給PLC控制傳送帶啟停；VB通過通信線與激光傳感器連接，實現冷軋無縫鋼管定位及后續外部尺寸檢測；由PLC控制伺服驅動器分別帶動激光傳感器實現垂直面各向運動和三爪氣缸X軸運動；由PLC控制電磁閥驅動3個氣缸動作，實現待測鋼管豎直位置調整和待測鋼管固定旋轉；VB依據檢測數據，將結果反饋給PLC，由PLC控制分揀電機運作，從而實現合格箱和廢品箱的切換[1-3]。

1.2 結構設計

冷軋無縫鋼管檢測機機械結構如圖1所示。其中，1為分隔條，均勻安裝在傳送帶表面，待測鋼管位于相鄰2個分隔條之間，以防止待測鋼管在傳送帶上滾動，用于提高輸送機構的穩定性。傳送帶通過轉動軸設置在支架上，三相異步電動機驅動轉動軸轉動，轉動軸帶動傳送帶轉動，從而將鋼管輸送到檢測機構。7為光電傳感器，用于檢測當前位置有無待測鋼管。鋼管由輸送機構送出，經輸送斜臺過渡，借助自重滾落到支撐滾軸的安裝腔內。檢測機構的底板兩端分別設有絲杠，伺服電機作為驅動，均設有導向柱，使螺母運行更平穩，在底板另一端亦有類似裝置。螺母與三爪氣缸固定連接，用于輔助待測鋼管旋轉。三相異步電動機固定在對應螺母上，與三爪氣缸固定連接，帶動其旋轉，從而與三爪氣缸一起帶動待測鋼管旋轉。底板中間固定有升降氣缸，升降氣缸推動升降臺在導柱導向作用下平穩的上下移動。通過回轉氣缸轉動設置在升降臺上的支撐滾軸，若干支撐桿沿支撐滾軸轉軸圓周方向布置，且沿著轉軸長度方向成排分布，相鄰兩排支撐桿形成90°安裝腔，輸送機構將待測鋼管傳輸至安裝腔內。底板上設有支撐架，支撐架上設有絲杠、起導向作用的導向柱和驅動伺服電機。通過螺母滑動設置在支撐架上的檢測裝置，包括激光傳感器，與其固定相連的螺母，控制物體移動的伺服電機，以及絲杠和導向柱。分揀機構包括起過渡作用的輸出斜臺，通過隔板將箱體分隔為合格箱和廢品箱，利用三相異步電動機轉動設置在箱體上的分揀轉動臺的寬度，使其與廢品箱的寬度保持一致，然后將所述檢測機構檢測完成的鋼管進行分類，并放入對應的合格箱或廢品箱內[4-5]。

圖1 冷軋無縫鋼管檢測機機械結構示意圖

2 控制設計

首先，應用VB軟件編寫滿足需求的總體可視化控制界面；然后，編寫VB通信程序，分別實現與PLC和激光傳感器的通信；接著，依據傳感器數據編寫VB程序實現PLC相應軟件的通斷，并編寫PLC控制程序；最后，完善界面，顯示數據與結果，再通過物聯網模塊實時將數據傳輸到手機端[6]。

2.1 電氣控制組成

檢測與分揀系統包括五大子系統，其中激光檢測子系統仍采用激光隨動定位機構方案：普通電機帶動傳送帶運動，光電傳感器作為開關信號控制電機啟停；支撐滾軸作為夾持固定平臺，螺母滑塊帶動激光傳感器定位；升降氣缸調整豎直方向位置，利用絲杠將三爪氣缸送入鋼管端口內，三爪氣缸張緊固定鋼管；三相異步電動機帶動三爪氣缸旋轉從而帶動鋼管旋轉，由激光傳感器進行檢測；回轉氣缸帶動支撐滾軸旋轉90°后送出鋼管，三相異步電動機驅動分揀轉動臺進行廢品箱與合格箱的通道切換。

2.2 PLC控制程序流程設計

該檢測系統可分為手動模式和自動模式。其中，手動模式分為控制激光傳感器左移、激光傳感器右移、激光傳感器上移、激光傳感器下移、三爪氣缸外移和三爪氣缸內移。自動模式下的具體過程：系統復位回到原點后，輸送模塊開始工作，待光電傳感器檢測到待測鋼管后，通過傳送帶將鋼管送到支撐滾軸上。之后，定位模塊工作，激光傳感器在滾珠絲杠帶動下緩慢下移，當激光傳感器檢測到待測鋼管后，初步確定鋼管直徑；確定直徑后，激光傳感器在滾珠絲杠帶動下左移，檢測到待測鋼管左端口后，激光傳感器在滾珠絲杠帶動下右移，檢測到待測鋼管右端口后停止移動，從而完成對鋼管的定位。接著調整固定模塊，完成定位后，激光傳感器和支撐滾軸分別做調整，使激光傳感器在有效測量范圍內，鋼管圓心與三爪氣缸圓心基本保持水平；調整完成后，三爪氣缸在滾珠絲杠帶動下水平調整對齊鋼管端口，張緊固定；固定好后，支撐滾軸平臺在氣缸帶動下下移。最后，檢測模塊、分揀模塊、伺服電機帶動三爪氣缸旋轉，三爪氣缸再帶動鋼管旋轉；激光傳感器從右向左緩慢移動檢測，當激光傳感器檢測完畢后，通過程序算法擬合，只要鋼管有一項不在標準范圍內，則廢品通道打開，電機停止轉動，支撐滾軸上移，三爪氣缸松開撤出，支撐滾軸轉動90°后將鋼管送出至廢品區；若鋼管所有指標都處于標準范圍內，則電機停止轉動，支撐滾軸上移，三爪氣缸松開撤出，支撐滾軸轉動90°后將鋼管送出至合格品區。當一根鋼管所有檢測工序都完成后，系統復位，傳送帶上的光電傳感器檢測并判斷是否有待測鋼管，若有，則繼續檢測下根鋼管；若無，則關閉設備[7-8]。

3 軟件界面設計

圖2所示為軟件操作界面。在自動模式下，系統能夠實現各規格冷軋無縫鋼管的混合檢測，自動識別并判斷當前鋼管的型號并調取標準規格進行對比，同時還可將每天測量所得結果進行匯總統計[9-10]。

圖2 軟件操作界面

4 結 語

利用激光傳感器實現冷軋無縫鋼管外圍尺寸的不接觸測量，避免了現有測量法對工件和測量工具的損壞，提高了測量精度。通過現場調試和整體運行測試，該設計實現了冷軋無縫鋼管激光檢測與分揀的自動化。與傳統檢測手段相比，控制系統界面功能強，檢測過程自動化程度高，檢測結果精確度好，證明了結構設計的合理性和程序設計的可行性。