（机械制造及其自动化专业论文）钢管测长、称重、喷标系统的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 钢管是一种用途广泛的工业金属材料，也是国民经济发展的一个重要支柱。 本文根据国内外钢管生产线上的精整区测长( m e a s u r e ) 、称重( w e i g h t ) 、喷 标( s t e n c i l ) 系统的研究开发现状，以横向课题包头钢铁公司无缝钢管厂的“钢 管测长、称重、喷标系统的研制与开发”为工程对象，对钢管测长、称重、喷标 系统进行了开发研制，并取得了成功。 第一章综合叙述了钢管的制造工艺及a p i 国际标准；说明了国内m w s 开发 现状及存在的问题并阐述了开发m w s 系统的必要性：陈述了课题的来源和论文 的主要内容。 第二章针对m w s 系统设计的总体说明，得出了设计的总目标；提出了系统 设计的关键参数并给出了系统的工艺流程及平面、立面布置图；根据系统的整体 组成结构，对步进机构、测长、称重、喷标等子系统的组成及工作过程进行简单 的说明；最后对控制系统进行了总体设计。 第三章介绍了测长系统的功能、组成和工作过程；论述了测长原理，并得出 了长度计算式：根据长度计算式，理论上分析了测长系统的误差并针对实验数据， 应用概率论的理论对数据进行了较全面的分析，得出了系统的误差性质及结论。 第四章提出了称重系统的功能要求并说明了系统组成和工作过程，给出了称 重系统装配图及称重梁的设计图；详细介绍了称重模块的结构、类型、定位方式、 显示仪表等；通过对称重模块本身精度、模块安装情况以及对称重信号的处理、 分析，论述了称重系统的误差情况，并针对实验结果得出结论。 第五章提出了喷标系统的功能要求，并说明了喷标系统的组成结构和工作模 式；介绍了喷头部分、伺服运行系统、电气控制原理的设计并展示了喷标效果图。 第六章利用西门子s 7 3 0 0 p l c 及w i n c c 设计了m w s 系统的控制软件，阐 述软件设计原理并运用i d e f 0 建模方法对控制程序进行了分析，展示了部分软 件界面。 第七章总结了m w s 系统开发过程所做的工作，并对系统的改进方向进行了 展望。 关键词：钢管、步进机构、测长、称重、喷标、 误差分析、称重模块、伺服电机、w i n c c 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e lt u b ei so n eo ft h em e t a lm a t e r i a lw i d e l yu s e di ni n d u s t r y t op r o v i d eh i g h q u a l i t yp r o d u c t sa n ds t a yc o m p e t i t i v e ，s t e e lt u b em a n u f a c t u r e r sd e p e n dh i g h l yo nt h e s t e e lt u b e sm e a s u r e ，w e i g h t ，s t e n c i l ( m w s ) s y s t e mt o a p p l yq u a l i t yc o n t r 0 1 t h i s p a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa ni n t e g r a t e dm w ss y s t e m ，w h i c h h a sb e e ni m p l e m e n t e ds u c c e s s f u la tb a o t o ui r o n & s t e e l g r o u p c o l i m i t e d i nc h a p t e r1 ，ac o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h ec u r r e n ts t a t u so fm w s s y s t e mi s p r o v i d e da n d t h en e c e s s i t yo f d e v e l o p i n gi n t e g r a t e dm w ss y s t e mi ss t a t e d a tt h ee n d o f t h i sc h a p t e r , t h es o u r c eo f t a s ki sb r i e f s t a t e d i nc h a p t e r2 ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt a r g e to fm w s s y s t e m ，s o m ek e yd e s i g n p a r a m e t e r sa sw e l la st h em a n u f a c t u r ef l o wa r ep u tf o r w a r d t h ef r a m e w o r ko fa n i n t e g r a t e dm w ss y s t e mc o m p r i s i n gs u b s y s t e m so fm o v i n gs t e e lm a c h i n e ，m e a s u r e ， w e i g h t ，s t e n c i la n d c o n t r o li sp r e s e n t e d ，f o l l o w e db ya d e s c r i p t i o no f t h es u b s y s t e m s f u n c t i o na n di n t e r a c t i o n i nc h a p t e r3 ，t h ef u n c t i o n ，c o m p o n e n t sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em e a s u r e s u b s y s t e m a r ef i r s ti n t r o d u c e d af o r m u l af o rt h el e n g t ho fs t e e lt u b ei sd e r i v e db a s e d o nt h es p e c i f i cm e a s u r em e t h o de m p l o y e d b a s e do nd e t a i l e de r r o ra n a l y s e s ，b o t h t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l ，r e s u l to nt h e p r o p e r t yo fs y s t e m e r r o ri sp r o v i d e d i nc h a p t e r4 ，a f t e rad e s c r i p t i o no f t h ef u n c t i o n ，s y s t e m c o m p o s i t i o na n dw o r k i n g o ft h ew e i g h ts u b s y s t e m ，t h ea s s e m b l ec h a r t sa n dd e s i g nc h a r t sa r e g i v e n t h e s t r u c t u r e ，t y p e ，o r i e n t a t i o nm e t h o d ，d i s p l a yi n s t r u m e n to ft h ew e i g h tm o d u l ea r e p a r t i c u l a ri n t r o d u c e d t h e e r r o ro fw e i g h ts y s t e mi sd i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h e i n s t a l l a t i o n a c c u r a c y o f w e i g h t m o d u l ea n dt h e p r o c e s s i n g o fw e i g h t s i g n a l e x p e r i m e n t a l r e s u l ti sa l s op r e s e n t e d c h a p t e r 5f o c u s e so nt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to f t h es t e n c i ls u b s y s t e m b o t h t h ed e s i g no ft h ep r i n t e rh e a d ，s e r v om o v e s y s t e ma n de l e c t r i cc o n t r o la r ed e s c r i b e d t h ee f f e c to fs t e n c i lp r i n t i n gi si l l u s t r a t e da tt h ee n do f t h i s c h a p t e r i nc h a p t e r6 ，t h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h em w s s y s t e mi sd e s i g n e de m p l o y i n g s i e m e n ss 7 - 3 0 0 p l ca n dw i n c c i d e f om o d e l i n gh a sb e e nu s e di nd e s i g n i n gt h e c o n t r o ls o f t w a r e t h ec h a p t e ri sf i n i s h e d 、i t l ls o m es n a p s h o t so ft h ec o n t r o ls o f t w a r e i na c t i o n c h a p t e r7i s ab r i e fs u m m a r y p o s s i b l ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h e i n t e g r a t e d m w s s y s t e md e v e l o p e d i sa l s o p r o p o s e d k e y w o r d s ：s t e e lt u b e ，m o v i n g s t e e lm a c h i n e ，m e a s u r e ，w e i g h t ，s t e n c i l e r r o r a n a l y s e s ，w e i g h tm o d u l e ，s e r v om o t o r w l n c c l l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 钢管测长、称重、喷标系统的开发现状 1 1 1 引言 钢管是一种用钢制作的具有中空截面而长度远大于外径( 或边长) 的金属材 料。截面通常为圆形，但也可呈扁、方和异型等。钢管的结构特征是： ( 1 ) 具有封闭的环形横断面。 ( 2 ) 两端开口。 ( 3 ) 管长与外径之比l d 较大。 钢管是一种多功能的经济断面钢材。它在国民经济各部门中的应用愈来愈广 泛。 钢管作为输送管广泛地用于输送油、气、水等各种液体，如石油及天然气的 钻探开采与输送、锅炉的水与蒸汽管道、一般的水煤气管道等。 钢管作为结构管大量地用于机械制造业和建筑工业，如用于制作房架、塔吊、 钢管桩、各种车辆的构架等。在断面面积相同的条件下，钢管比圆钢、方钢等的 抗弯能力大，钢性好，其单位体积的重量轻。因此，钢管是一种抗弯能力较强的 结构材料。 钢管还作为中空的零件毛坯用于制造滚动轴承、液压支柱、液压缸筒体、空 心轴、花键套、螺母以及手表壳等，这既节约金属又节省加工工时。 钢管又是国防工业中的重要材料，如用于制造枪管、炮筒及其他武器。随着 航空、火箭、导弹、原子能与宇宙空间技术等的发展，精密、薄壁、高强度等钢 管的需求量正迅速增长。 钢管的生产工艺有好多种，生产过程非常复杂，生产设备也很庞大，以1 0 0 机组为例，热轧钢管生产工艺流程如图l l 所示： 按照工艺流程，管坯进入车间后在剪断机上按工艺要求切成定尺长度。需要 冷定心的合金管坯送至定心车床加工定心孔。管坯切断( 冷定心) 后送入管坯加 热炉内进行加热。需要热定心的管坯出炉后由辊道送至热定心机上热冲定心孔。 经热定心后的管坯由斜篦条送到穿孔机上穿孔。穿孔后的毛管还要经过自动轧管 机、均整机、定径机等加工成钢管。需要减径的管子，经过再加热炉再加热后送 至减径机上减径。从定径或减径机轧出的成品管，由辊道送至链式冷床上冷却， 冷却后的钢管( 有的要热处理) 送到斜辊式矫直机上矫直，然后进行其他各项精 整工序。精整后的成品管经检验后涂油打榴入库。 浙江大学硕士学位论文 厘耍卜一塑卜一至巫卜堕卜一一_ i 图1 11 0 0 机组热轧钢管生产工艺流程 钢管测长( m e a s u r e ) 、称重( w e i g h t ) 、喷标( s t e n e i l ) 系统( 以下篱称m w s 系统) 是对成品钢管进行长度、重量的检测，根据一定的标准把钢管定义为好管或坏管； 然后，把钢管的有关信息，如炉号、班号、材料、长度、重量、生产厂家等按 定的标准标注在钢管的表面。由此可见，m w s 系统应该安排在钢管生产工艺流 程的精整部分，具体的，应该在探伤系统之后涂油和打捆机之前。 根据g b 2 1 0 2 - - 8 8 规定，外径不小于3 6 毫米的钢管及截面长不小于1 5 0 毫米 的异型钢管应在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴印记。印记应清 晰明显，不易脱落。印记应包括钢的牌号、产品规格、产品标准号和供方印记或 注册商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。 随着我国加入w t o ，国内市场与国际市场的接轨，钢管市场同样面临着一系 列的问题。国内钢管要进入国际市场，必须遵守国际上的相关标准。比如石油管 作为无缝钢管的一大部分应用，它用于油井中抽取石油或天然气。石油套管用作 油气井的管壁，其国际标准为a p is p e c5 c t ( 见表1 一l 所示) 。 过去，大部分的钢管厂采用手工方式进行测量和标记工作。先把钢管搬离生 产线，由工人进行手工测定钢管的长度、按长度计算重量，并把相关的内容根据 国家标准，用白色涂料写在钢管上。有的钢管厂由工入随手写，字迹不统一。有 2 浙江大学硕士学位论文 的厂用刷模的方式，字迹相对工整。这种传统的方法沿用了很长一段时间，甚至 现在还有很多的钢管厂在用。这些方法明显存在测量的精度低、劳动强度大、生 产效率低下、字迹模糊不清等缺点。 表1 1 ：a p i s p e c5 c t 标准摘录 g b t8 1 6 2 尺寸偏差 项目允许偏差 d 1 0 1 6 0 m m 0 7 9 m m 管体 外径 d 1 1 4 3 0 m m _ - - 4 - 0 5 接箍 1 壁厚 一1 2 5 0 单根 6 5 0 重量 一3 5 0 车载量 一1 7 5 l项目范围1范围2范围3 i油管6 1 0 一7 3 2 m8 5 3 9 7 5 m 套管4 8 8 7 6 2 m7 6 2 1 0 3 6 m1 0 3 6 1 4 6 3 m 到九十年代，国内一些大钢铁公司的产品要参与国际竞争，其产品必须符合 国际上通用的标准。于是大型的钢铁公司耗巨资引进了国外的整条生产线，进口 设备测量精度高、生产效率高、可靠性好、工人劳动强度低、字迹统一规范。但 同时进口设备成本高、要求工人的素质高、维护成本高。到现在为此，也只有几 家最大的钢铁公司引进了国外的成套设备。 由此传统方法的落后性与进口设备的高成本性造成了明显的矛盾。国内开发 研制同类设备已经迫在眉节了。各钢铁研究院已经组织队伍对钢管生产的主机进 行了积极的研究，同时各科研院校也对生产线的辅机开始了研究。 1 1 2 测长系统开发现状 长度是钢管的主要规格指标之一，是成品钢管贸易结算的主要依据，也是 i s 0 9 0 0 0 质量论证标准中明确要求的产品质量参数。为了贯彻i s 0 9 0 0 0 标准，并 使钢管产品质量达到a p i 国际标准，在钢管生产线上要求进行测长工作。并且钢 管的长度指标是喷标信息的重要组成部分。 长期以来，钢管自动化测长系统主要依靠进口，但由于进口设备价格昂贵， 维修及更换零部件不方便，使用厂家迫切需要适用、可靠的国产钢管自动测长系 统。 浙江大学硕士学位论文 测长这一功能在钢管生产中的重要性是显而易见的。在9 0 年代以前，国内 大多数钢管公司采用手工测量钢管长度的方法或运用国外进口设备进行测量。从 9 0 年代开始，国内有多家钢管公司对钢管测长系统进行了研制，归纳起来，有 如下两种方案： 1 、利用电荷耦合器件( c c o ) 对钢管长度进行测量 图1 2 采用c c d 图象处理的测长系统 图1 2 为系统的示意图。该系统采样部分的硬件由下列几部分构成： ( 1 ) c c d 摄像头( 其中包括：c c d 传感器芯片、照相机镜头、驱动电路) 。 ( 2 ) c c d 图像采集卡。 ( 3 ) c c d 电缆。 采样系统的软件部分是自编的采样驱动程序，安装在定时中断处理程序中。 假设测量的最大长度是1 2 m ，如果采用一个分辨率为2 0 4 8 的c c d 镜头，则测量 系统的最大分辨率为1 2 m 2 0 4 8 ，即5 5 8 m m ，再加上系统误差，测量精度无法达 到设计要求。为了提高系统精度，采用两个c c d 镜头，安装在测量位置的两侧， 设嚣每个镜头测量范围为4 m ( 中间有4 m 的死区不必测量) ，总的测量范围在4 1 2 m 之间，这样c c d 测量系统的分辨率就可以达到4 m 2 0 4 8 ，即1 。9 m m ，系统的 测量精度即可满足设计要求。 该系统的优点有： ( 1 ) 系统硬件部分简单，没有复杂的机构。 ( 2 ) 图像检测技术速度快，系统响应快。 ( 3 ) 可扩展性好。 该系统的缺点为： ( 1 ) c c d 图像检测技术对测量环境有一定的要求。由于c c d 信号的强弱是 由外界光强决定的，所以若测量钢管与其所处的环境的颜色对比不明显，那所得 图像的边缘不明显，直接影响测量的精度。实际上测量的工作现场的环境极其恶 劣，光线不强、灰尘很大。由此这种测量方法一般适用于红热钢管长度的测量。 ( 2 ) 由( 1 ) 知，若钢管尚处于红热状态就测量其长度，那么所测得出的 4 浙江大学硕士学位论文 结果并不能代表钢管的最终长度信息，等钢管冷却时，其长度比起测量值而言， 已经有了很大的变化了。即使由经验公式进行计算得出最终长度信息，也会使计 算结果的误差过大。 ( 3 ) 钢管处于红热状态时，钢管周围的温度也很高，这种高温势必使其 附近的电子设备( 如测长设备用的c c d 及其驱动电路等) 故障率高，而且维护起 来很不方便。 ( 4 ) 设备的安装调试不方便。由于热轧钢管的生产工艺的连续性，在其 主机区中外加一套辅助设备，给正常生产带来很大的麻烦，最好能在钢管生产的 辅机区中增加测长系统。 由以上分析可知，利用电荷耦合器件( c c d ) 对钢管长度进行测量的方案不 适合钢管生产的现实。 2 、数控钢管推动测长系统 钢管推动测长系统的测量原理见图l 一3 。 钢管从对齐系统由步进机构送到测长系统，1 # 、2 # 光电开关均变为高电平， 可编程控制器( p l c ) 产生“钢管到位”信号，在点亮“钢管到位”指示灯的同 时，将“钢管到位”信号告诉单片机系统，随后单片机系统通过其r s - - 2 3 2 c 串 行通讯接口将“钢管到位”信号通知上位中央计算机。中央计算机根据其它系统 的情况和逻辑控制要求产生“允许推动测量”信号，并通过单片机系统传输给 p l c 。p l c 得到“允许推动测量”信号后，将再一次确认阻尼轨道上是否有钢管， 若有钢管且系统一切正常，p l c 将发出“电机正转”信号给交流变频调速器，交 流变频调速器驱动调速电机按设定转速正转，推动钢管向前移动。当钢管端面 m ( 与推头接触的钢管端面) 与1 # 光电开关对齐的瞬间，1 # 光电开关状态发生跳 变，p l c 立即发出复位信号给单片机系统，单片机系统将光栅数显表置于复位状 图1 - 3 测量过程 态，当推动钢管到其端面m 与2 # 光电开关对齐的瞬间，2 # 光电开关状态发生 跳变。p l c 立即向单片机系统发出“测量开始”信号。单片机系统瞬间取消光栅 数显表的复位状态，光栅数显表开始正常计量，p l c 同时根据此瞬间3 # 1 4 # 光电开关的状态得出“光电开关状态编码”，并以4 位b c d 码的形式锁存输出给 m m ， _ 浙江大学硕士学位论文 单片机系统，单片机系统根据此编码查表得到a n 值。推头继续推动钢管向前移 动，当其另一端面n 和下一个光电开关对齐的瞬间，p l c 向单片机系统发出“测 量结束”信号，单片机系统立即锁定并采样光栅数显表的测量值a 。推动继续， 当终点接近开关动作时，p l c 发出“电机停止”信号给交流变频调速器，在交流 变频调速器、变频制动单元、液压制动器的共同作用下，交流变频调速电机正转 停止( 每次推动的距离相同，即起点接近开关到终点接近开关) 。约1 秒钟后， p l c 发出“电机反转”信号给交流变频调速器，调速电机反转将推头退回，当起 点接近开关动作时，p l c 发出“电机停止”信号给交流变频调速器，电机反转停 止，推头立即停下来。同时，p l c 向单片机系统发出“推动测量结束”信号，单 片机系统得到此信号后再告诉上位中央计算机。至此，完成一个测量周期。则钢 管的长度为： l = a n d + 占( 1 一1 ) 式中6 为系统误差，计量检定后从单片机系统键盘上键入。 图1 4 为数控钢管推动测长系统电气组成示意图。 匹苎型 j _ 一 远距离传输 信号驱动器 j l l 光栅l _ i 数显表l 长度及推动 测量周期显示 至上位中央计算机 ( r s 一2 32 c 串行通讯接口) 单片机系统 控制开关 霪换划键盘 热继电器l 叫可编程控制器p l c ! 兰旦、塑旦至到 陌2 司压j i 再两眄葫矗尚 f 制动器f 调速器f f 单元 交流调速电机 图1 4 数控钢管推动测长系统电气组成 攫j 量功能 指示灯【 系统状态j 指示灯 2 个接近开关【 1 个行程开关 整个系统由以下几个部分组成： ( 1 ) 机械组成部分：在设定的距离内( 起点接近开关与终点接近开关之 间) ，交流调速电机通过柱销弹性联轴器驱动滚珠丝杼转动。带动与平移小车球 铰相联的螺母移动，实现小车在导轨上来回平移，推动钢管指定位置后退回。滚 珠丝杆副中的螺母用两个滚动轴承实现反转，平移小车上设有两个金属感应块和 两个撞块，分别与两个接近开关、两个行程开关作用，实现定距离推动和安全限 6 浙江大学硕士学位论文 位保护。平移小车带动光栅尺的动滑尺的移动，实现推动位移的精确测量。 ( 2 ) 数字控制：数字控制部分主要由p l c 、交流变频调速器及制动单元、 4 个行程开关、2 个接近开关、1 4 个光电开关、热继电器、交流接触器、隔离变 压器等组成，满足如下控树要求：检修状态下的点动正反转t 液压制动器拖 闸；工作状态下，用起点接近开关、终点接近开关、起点行程开关、终点接近 丌关实现距离来回安全平移；交流调速电机的驱动与调速；交流变频调速制 动单元的反向制动；工作、检验状态下，起点保护行程开关、终点保护行程开 关的限位保护；工作状态下系统故障诊断与指示：工作状态出现故障时。用 液压制动器、交流变频调速器制动单元实现紧急制动。 ( 3 ) 精密测量部分：主要由单片机系统、光栅尺、光栅信号远距离传输 驱动器、光栅数显表等部分组成。单片机系统是该测长系统的中央核心单元，主 要用于：控制p l c 工作并从p l c 处接近测量控制信号：控制光栅数显表 实现推动位移的有效测量；控制光栅数显表实现推动位移的有效测量，并从光 栅数显表处读取有效测量值a ，光栅尺、光栅信号远距离传输驱动器、光栅数显 表在单片机系统的控制下实现推动有效位移8 的测量，光栅数显表通过并口将a 值输给单片机系统；从p l c 处读取钢管端面m 与2 # 光电开关对齐的瞬间， 阻尼轨道上光电开光状态的b c d 编码，从贮存单无中查表取得a n 值；根据 ( a n a ) 值从贮存单元中查表取得系统误差值6 ，用公式l = a n a + 6 计算出钢 管长度值；“允许推动测量“推动测量结束”两信号之间的对间计量，得出 测量周期；就地显示钢管长度、测量周期的同时，并将它们通过r s - - 2 3 2 c 串 行通讯接口传输给上位计算机。 该系统的优点有： ( 1 ) 该系统运用问隔分布的光电开关管和光栅尺作为测量钢管长度的检 测元件，这种方法只需判断光电管的开关状态及光栅数显表的读数就可计算出钢 管长度，简单实用。 ( 2 )由变频调速器电机来推动钢管的移动，使得移动过程平稳，而且测 量周期短。 ( 3 ) 由于底层采用了p l c 对各部件进行控制，使得系统的可靠性加强。 该系统的缺点有： ( i ) 钢管生产车闯尘埃多、振动大，在测量过程中不能保证推动小车运 动的平稳性，从而直接影响光栅尺的精度，使得测量精度的误差偏大。 ( 2 ) 现场大型动力设备多，电磁干扰严重，系统虽然使用p l c 作为底层 控制部件，但却采用单片机系统作为中央处理核心。单片机系统容易受电磁干扰， 增加了系统的不稳定性。 数控推动测长系统的设计基本适合钢管生产的实际情况，有一定的实用价 值。若能在此基础上进行改进，必然能开发出测量精度高、系统稳定的自动测长 系统。 渐江大学硕士学位论文 由以上分析可看出，国内研制的钢管测长系统在一定意义上已经比较成熟， 在现有测长系统的基础上进行改进设计，即可设计出高精度、高效率的测长系统。 1 1 3 称重系统开发现状 重量也是钢管的主要规格指标之一也是成品钢管贸易结算的主要依据。目 前，国内大部分生产钢管的企业是按a p is p e c5 c t 标准组织生产的，标准规定 “外径不小于9 1 6 i n ( 1 4 1 3 m m ) 钢管应逐根称重，”，同时国家标准也有同 样的规定。为了达到标准的要求，必须开发出相应的称重设备。 现在获得钢管重量的方法主要有两种： 1 、手工计算 手工计算是依据手工测得的钢管长度信息，按照管径、壁厚等参数根据经验 公式人工计算出钢管的重量。显而易见，这种方法有精度低、工人劳动强度大、 生产的自动化程度低等缺点。 2 、在线称重仪 当钢管由辊道送至检验区，碰到档管器停止，这时，位于钢管正下方相距约 5 5 m 的两台可升降秤台沿竖直方向升起，使被称钢管脱离辊道，其重量全部加 载到两称台上，等显示稳定后，再使秤台下降到原位，钢管被辊道送走，结束称 重任务。图1 5 为系统测量部分的组成框图。 称重传感器检测到钢管重量信号后，经处理、放大、送信号接口板，然后进 行a d 转换的数据，再进行复杂的处理、判断、数字滤波等工作，将钢管的实 际重量通过显示器显示出来，并判断钢管是否合格。 系统的优点有： ( 1 ) 适合锶管生产的自动化。 ( 2 ) 系统采取了一系列的方法对称重信号进行抗干扰保护，使得系统的 稳定性较高。 系统的缺点有： ( 1 ) 系统用一升降机构把钢管由辊道抬起，等升降机构停车及钢管稳定 后才进行称重，这一过程需要比较长的时间，使得系统的效率降低。 ( 2 ) 系统采用8 个称重传感器，钢管的重量平均地加在各个传感器上， 但实际上采用这种安装方式，8 个传感器的受力情况相差很大。这就导致称重误 差很大。 ( 3 )由于钢管称重的范围很大，要求称重传感器的线性区很宽，但传统 重量传感器的线性区都比较窄，由此造成称重结果的误差比较大。 8 浙江大学硕士学位论文 称重传感器l h 称重信号变送器1 i 称重传感器2 h 称重信号变送器2 一 称 重 a d光 信 转电 号 换 隔 接 离 口 器 板 称重传感器8 h 称重信号变送器8 _ 图1 5 钢管称重系统原理 到了二十世纪九十年代，国外的专业厂家已经开始采用专用的压力传感器， 配备必要的机构与相关的控制，研制出比较通用的称重模块，实现了自动的、高 精度的称重。之后，国内也有厂家进行了研制和开发，最终产品基本上能达到标 准所规定的精度，也实现了自动控制。 1 1 4 喷标系统开发现状 钢管的喷标是国际国内标准明确要求的内容。过去国内钢管公司完成喷标工 作主要有两种方式： ( 1 ) 人工方式，工人以白色涂料为介质把标注内容写到钢管表面。这种方 式明显存在很多的缺点：首先工人的劳动强度高；其次生产钢管的生产线是全自 动的，但标记却要人工进行，打断了生产的连续性：再次每个人的书定笔迹不 样，即使同一个人，书写的字迹也不可能一致，因此标记看起来零乱不堪，极不 规整。有的公司采用刷模的方式进行标记，当然这种办法标记出来的字迹相对规 墼，但生产效率极低。 ( 2 ) 进口国外先进设备。国外早已开发出钢管的喷标设备了，而且设备功 能强大，能喷各种各样的字符甚至中文。设备采用了各种先进技术，特别是喷头 部分的设计。进口喷标系统能工作在自动和手动方式，能很好的安排到钢管生产 线中，极大的提高了生产效率。但是国外此类设备的价格非常高，关键部件的价 格更是让国内厂家不敢问津，因此只有大规模的、拥有雄厚资金的企业才有可能 进口喷标设备，实现喷标任务的自动完成。 过去国内对喷标系统的研究比较少，到了二十世纪九十年代开始，才有少数 科研机构开始进行钢铁行业的喷标研究。其中杭州华翔建筑工程机械厂与浙江大 9 浙江大学硕士学位论文 学生产工程研究所联合为杭州钢铁公司转炉分厂开发研制的热轧钢坯喷号机通 过省级技术鉴定，有一定的参考价值。热轧钢坯喷号机的原理是用水基白色涂料 在压缩气体的作用下在热钢坯上喷上所需号码。图1 6 为该系统使用的喷头的 示意图。 压缩空气喷嘴 ( 共七个) 涂料 涂料 图1 6 喷头结构示意图 七段码中的一段 料供应管 考虑到实际使用中只需要o 9 等1 0 个数字，采用七段码方式完全可以满足 要求，而且七段码还可以喷出少数几个字母。在喷头结构示意图中，通向7 段“笔 划”的涂料管彼此连通，同时供应涂料；而7 个压缩空气的喷嘴是独立控制的， 只有当该段有压缩空气喷出时，涂料才会随之流出而形成喷雾并在钢坯上喷出笔 划。对7 个空气喷嘴进行组合控制即可喷出所需的号码。 七段码方式喷号，喷头的设计相对简单，号码的变换转化为对7 个压缩空气 喷嘴的控制，控制系统得到简化，可以获得较高的系统可靠性；号码调整灵活， 不需要更换字模，喷号速度快。但是要注意的是，与点阵式不同，在七段码中， 每笔划都至关重要，缺少笔划将使号码失去意义，因此必须保证每一笔划的可靠 喷射。这既要从喷头本身着手保证良好的雾化和喷射的可靠性，也要从控制电路 上作出保证，必须增加工作状态检测。 该喷号系统的主要问题有： ( 1 ) 在高热环境下，涂料立即凝结在喷头上，很快堵上喷头。 ( 2 ) 涂料的雾化效果达不到要求。 该喷标设备在一定的使用环境下，有较好的效果，但由于钢管表面是曲面， 这种方式的喷标显然不适用于钢管的喷标。不过，可以从这种喷标方式中得到几 点启发： ( 1 ) 采用点阵式的喷头。以点阵列的方式形成字体的方式比较适合钢管 表面的喷标。 1 0 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 利用白色涂料作为喷标介质。白色涂料与钢管表面的对比程度大 能符合标准中规定的“标识清楚”的要求。 ( 3 ) 利用压缩气体作为涂料喷射的动力。 1 2m w s 系统开发的必要性 现在国内有近百家钢管生产厂家，除了几家最大型的钢铁公司具备雄厚了资 金力量，能从国外引进专业的测长、称重、喷标等设备外，其他中小型的钢管公 司都还技术装备比较落后。以手工进行测长、然后以测得的长度按一定公式计算 出重量、最后再以手工方式在钢管表面进行喷涂的方法还大量存在小型的钢管公 司。有一些公司自己组织技术力量进行科研攻关，也研制出一些产品，能在一定 程度上解决问题，但这些产品大体上还存在一些问题： ( 1 ) 设备大都只能完成单一功能，不能在自动生产线上与其他的设备一 起工作，使得生产效率仍然低下，改变不了现状，不能从根本上解决问题。 ( 2 ) 产品的开发技术水平还停留在二十世纪八十年代的水平。由于这些 产品大多是工厂自己组织力量开发研制的，技术水平达不到国外的最新发展动 态；开发设备的精度低，可靠性差。在测长系统中，传感器的选用、编码器计数 的方法、钢管推动的速度等方面都直接影响了测长的精度；在称重系统，由于钢 管的重量跨度大，要求力传感器的线性区必须大，这给选用力传感器带来了很大 的困难；在喷标系统，喷头的设计是关键，由于国内的精密加工技术、特种材料 制造技术的落后，自行设计开发的喷头可靠性差，将直接影响生产。 ( 3 ) 产品的稳定性不够。由于这些产品的主要控制部件大多采用单片机 系统，在钢管生产的恶劣环境中，各种干扰使得系统的故障率极高。 ( 4 ) 有些科研单位根据国外设备进行仿制，仿制的设备大体上能完成动 作的执行，但关键部件的开发、传动控制的精度、电气控制可靠性还有一定的差 距。 ( 5 ) 产品缺乏扩展性。易扩展性已经成为现代产品的特征，缺乏扩展性 的产品将阻碍自动化的发展。 ( 6 ) 满足不了日益重要的企业管理功能。e r p 、p d m 实现程度已经成为 企业现代化的重要标志。企业的质量管理已经成为现代制造企业的管理核心。每 一根钢管都一系列的数据，这些数据要钢管的整个生命周期中都很重要。过去自 行开发的产品只考虑到生产中的功能，而大都忽视了管理中的功能。 所有这些说明，开发研制高性能的测长、称重、喷标等此类钢管生产的辅助 设备是非常必要的。 在参考国外同类设备以及比较国内现有设备，可以提出开发钢管生产线上的 m w s 系统的特点： ( 1 ) 系统强调控制和智能的全分散化，各个设备是具有自治功能的智能 浙江大学硕士学位论文 主体，相互之间高内聚、松耦合。某些局部协调通过p l c 自治完成，而上位的 监控计算机实现大范围的协调等高级控制功能。 ( 2 ) 系统应该具有高稳定性、高可靠性。稳定性与可靠性是自动化生产 线上设备的最基本的要求。因此在开发研制设备时，不但要在结构设计上满足稳 定性与可靠性的要求，而且在关键的零部件的选用上也要慎重。特别是国内技术 不成熟而国外已经很成熟的部件，尽量选用成熟稳定的产品。 ( 3 ) 完善的计算机监控功能。由于生产现场的环境十分恶劣，不适合工 人在现场长时间的操作，因此要求在上位计算机上能够监控所有现场的运行情 况，这样只要在控制室里就能“看到”现场的一切动作。 ( 4 ) 完善的管理功能。系统应具有e r p 接口，企业的信息化管理已经成 为企业发展必由之路，因此现在开发的系统要为以后企业的信息化管理提供方 便。系统软件要求能对生产情况进行详细的管理，包括：钢管各种数据的统计、 查询、钢管是否符合要求的判别、喷标内容实时动态跟踪、报表的打印、以及操 作人员管理等一系列的管理工作。 ( 5 ) 系统要能进行故障自诊断。对系统中各关键部件实时诊断，出现故 障进行声光报警。 1 3 课题来源及开发内容 1 3 1 课题来源 鉴于以上的分析，在消化国外设备的基础上，借鉴国内企业开发的经验，根 据国内企业的特点，开发出生产效率高、精度高、可靠性高的m w s 系统是急需 且可行的。 结合国内现状，我们与国内大型钢铁公司合作。在这些公司的专项科研基金 的支持下，着手开发研制精整线上的m w s 系统。 1 3 2 开发的主要内容 系统开发的主要内容包括以下几个方面 ( 1 ) 调研： ( 2 ) 平面、立面布置图设计： ( 3 ) 拨料机构设计； ( 4 ) 步进梁设计； ( 5 ) 测长系统设计； ( 6 ) 称重系统设计： 1 2 浙江大学硕士学位论文 ( 7 ) 喷标系统设计 ( 8 ) 电气控制设计 ( 9 ) 机加工： ( 1 0 ) 安装调试； ( 1 1 ) 文档整理； 1 4 论文内容安排 经过一段时间的开发研制、安装调试，课题进展顺利，已经完成m w s 系统 的工作，本论文在总结前一阶段开发成果的基础上撰写而成。论文的具体内容如 下： 第一章绪论。综合叙述了有关钢管的有关概念及制造工艺；介绍了a p i 国际 标准；并论述了国内m w s 开发现状及存在的问题；阐述了开发m w s 系统的必 要性，并说明了m w s 应具有的特点；陈述了课题的来源；最后说明了开发的内 容及论文的主要内容。 第二章m w s 系统的总体设计。针对系统设计的总体说明，得出了设计的总 目标；列出了系统设计的关键参数；给出了系统的工艺流程及立面布置图；根据 系统的整体组成结构，对冶金标准设备步进机构的原理进行分析，并对测长、称 重、喷标等三个子系统的组成及工作过程进行简单的说明；最后对系统的控制设 计作了介绍。 第三章测长系统设计。首先列出了测长系统要求达到的功能：根据系统组成 示意图介绍了系统的组成情况并说明了系统的工作过程；列出了实际系统的组成 元件及参数：论述了测长原理，得出了长度计算式：根据长度计算式，理论上分 析了测长系统的误差情况：针对实验数据，应用概率论的理论对数据进行了较全 面的分析并得出了系统的误差性质及结论。 第四章称重系统设计。首先说明了称重系统的功能要求并说明了系统组成及 工作过程，给出了称重系统装配图及称重梁的设计图；称重模块是称重系统的关 键部件，文中较详细的介绍了称重模块的结构、类型、确定模块的数量及容量的 方法、定位方式、显示仪表等；通过对称重模块本身精度分析、模块安装情况以 及对称重信号的传输、滤波、放大、a d 转换、数字处理的分析论述称重系统的 精度，并针对实验结果得出结论。 第五章喷标系统设计。喷标系统是m w s 系统的核心部分。文中首先陈述了 喷标系统的功能要求，并说明了喷标系统的组成结构；陈述了喷标系统的复位、 手动、自动等三种工作模式；比较了c i j 与d o d 两种喷码技术，并介绍了系统的 关键部件：喷头部分：论述了伺服运行系统的设计：简要的分析了喷标系统电气 控制原理并提出了系统设计的关键技术；最后展示了一幅喷标效果图。 第六章系统软件设计。利用西门子s t - - 3 0 0 p l c 及w i n c c 设计了m w s 系统 浙江大学硕士学位论文 的控制软件。阐述上位机控制软件与下位机控制软件之间相互通讯相互协调的系 统软件设计原理；运用i d e f o 建模方法对p l c 下位控制程序进行分析，并说明 了p l c 控制系统的硬件及程序组成；同样运用i d e f o 方法对上位控制程序进行 分析，得出了上位软件的功能结构图，并对上位核心控制程序、w 1 n c c 监控程 序、数据管理程序作了简要的分析；最后对系统控制软件的界面进行了说明。 第七章结论与展望，简要地说明了m w s 系统开发过程所完成的工作，并展 望了今后需要进一步开展的工作。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章m w s 系统总体设计 2 1m w s 总体设计 2 1 1 概述 在系统的总体设计过程中，有以下几方面要说明： ( 1 ) 关键部件如：测长系统的光电传感器、脉冲编码器、称重系统的压 力传感器、喷标系统的喷头、系统的p l c 等尽量保证采用国外著名公司的产品， 从而保证系统的控制精度和可靠性。 ( 2 ) 对于步进机构、v 型台架等此类冶金机械方面的设计，方面我们 借鉴国外生产线的设计，另一方面我们会充分运用国内在这方面的技术资源。 ( 3 ) 对于电控、软件设计这方面的工作，我们将依托高校的技术资源； 在设计开发过程中，组织管理工作由有经验丰富的专家负责。 m w s 系统的开发研制是冶金行业钢管生产设备国产化的一个重要过程。本 系统在设计时已经考虑到不同企业的不同要求，每一系统都可以独立控制，各系 统可以采用不同的组合方式。 系统的开发研制的总目标是：系统具有进口设备相应的功能、满足企业具体要求、 系统精度高、可靠性好，在很大程度上能替代进口设备。 钢管m w s 系统是集光、机、电和计算机一体化的产品，它应具有测长称重 精度高、喷标速度快、字体清晰、自动化程度高、功能齐全等特点。系统可以根 据生产线上的实际情况很方便的集成进其他功能的设备，如涂色环、烘干、打标 等也可能除去某几个系统。m w s 中的每个系统都可独立控制工作，因此不但可 以用于钢管生产线上自动精整，而且单台设备可以用于其他相同功能的场合。 m w s 系统能进行测长、称重、喷标的生产过程控制，由控制系统控制完成 给料、对齐、测长、称重、喷标等工序。主控软件在上位计算机上给出各系统上 的钢管分布状态，并将所测钢管的长度、重量及其它相应信息按有关国际标准喷 印在相应钢管上。 2 1 2 主要技术参数 各个钢管生产厂家的产品规格各不相同，对设备的要求也各不相同，下列仅 列出比较典型的钢管参数。 浙江大学硕士学位论文 喷标系统的结构构成如图2 - - 7 示意。喷标系统由立柱、横梁、v 形台架、 喷标小车横移机构、喷号小车升降机构、喷头、液动及气动系统、控制系统、计 算机等组成。其中横移机构由齿条、滑道、伺服电机及其控制驱动、位置检测系 统等组成；喷标机升降部分包括升降气缸、位置传感器等组成；控制器由p l c 、 驱动电源、数据采集卡及相应的软件系统等组成。 喷标的工作过程如下：当钢管由步进机构搬移到喷标系统后，喷标机的横移 机构和升降机构到达钢管的相应位置，然后气动机构开始工作，同时液动系统靠 涂料泵供涂料，开始喷标，喷标根据喷头的设计可为多种形式的点阵；待一根钢 管喷标结束，喷头升起，退回初始位置，清洗泵启动，开始对喷头进行冲洗，以 防堵塞。 2 2m