（机械制造及其自动化专业论文）钢管测量、标识、分选系统的研究与开发.pdf

摘要 本论文主要是围绕钢管测量、标识、分选系统研制与开发进行的。通过对国内外相关 技术的研究现状的分析，提出了适合国内企业要求的钢管测量、标识、分选系统设计方案， 确立了以西门子可编程控制器为第一类主站；以工业p c 为第二类主站的钢管测量、标识、 分选控制系统。经过现场实际运用，表明本系统达到了设计要求，取得了良好效果。 本论文首先介绍了钢管测长、测壁厚、称重、标识、分选系统的国际、国内发展状况 以及与其涉及的相关技术，分析了国内相关系统存在的不足，提出了钢管测量、标识、分选 系统研制与开发的主要工作。 在第二章中，说明了称重系统组成和工作过程，给出了称重系统装配图；详细介绍了 称重模块的选型、安装以及载荷调整；论述了提高称重传感器精度的措施。 在第三章中，首先介绍了钢管测长系统的组成和工作过程，论述了测长原理，给出了钢 管长度计算式。然后对实验数据，应用概率统计理论对测量数据进行了较全面的分析，提出 了减少测量误差的措施。 在第四章中，介绍了y 射线测厚的原理及其在钢管测壁厚中的应用，并对y 射线检测 传感器以及影响测厚精度的各种因素进行了分析，给出了y 射线安全防护距离计算公式。 在第五章中，介绍了喷标系统的组成结构和工作模式及原理；讨论了分选系统的组成、 工作过程、控制流程，说明了分选系统设计特征。 在第六章中，给出了钢管测量、标识、分选控制软件的设计方案；论述了系统工业p c 和主控p l c 软件模块：给出了系统总体工作软件的流程图。 第七章对现场实际运行结果进行了介绍。 第八章对钢管测量、标识、分选系统开发的主要功能进行了总结，并对系统的改进方 向进行了展望。 关键词：测长、测壁厚、称重、标识、分选 a b s t r a c t t h em a i nt o p i co ft h i sp a p e ri sa b o u ts t e e lp i p em e a s u r e ，s t e n c i l ，s o r t i n g s y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go fc o r r e l a t i v es y s t e mi nh o m e a n da b r o a d ，ag l o b a ls c h e m eo ft h i ss y s t e mw h i c hi si nt h en e e do fi n t e r n a le n t e r p r i s e s i s p r e s e n t e d ；c o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fs i m a t i cp l c a sd p m l ， i n d u s t r i a lp ca sd p m 2i se s t a b l i s h e d 。 f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sc u r r e n t l yd e v e l o p i n gc o n d i t i o n o fs t e e lp i p e m e a s u r e ，s t e n c i l ，s o r t i n gs y s t e ma n do t h e rt e c h n o l o g i e si n v o l v e d ，a th o m ea n da b r o a d t h e n ，t h ee x i s t i n gs h o r t c o m i n g so fc o r r e l a t i v es y s t e mi no u rc o u n t r ya r eg i v e n t h e m a i nw o r ko f t h i sp a p e rs h o u l d b ec o m p l e t e di sc o n c l u d e di nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e rt w o ，s y s t e mc o m p o s e m e n ta n dw o r kp r o c e s so fw e i g h ts y s t e ma r e s t a t e d a s s e m b l ec h a r to fw e i g h ts y s t e mi sg i v e n t h et y p es e l e c t i o n ，i n s t a l l a t i o n , l o a d a d j u s t m e n to fw e i g h i n gs e n s o ra r ep a r t i c u l a ri n t r o d u c e da n dt h em e a s u r et oe n h a n c e p r e c i s i o no f w e i g h i n gs e n s o ri sg i v e n i nc h a p t e rt h r e e ，t h ec o m p o s e m e n ta n dw o r kp r o c e s so fm e a s u r es y s t e ma r e i n t r u d u c e df i r s t b yd i s s e r t a t t i n gt h em e a s u r et h e o r y , t h em e t h o do fl e n g t ho fs t e e l t u b ei sd e d u c e d a c c o r d i n gt ot h ef o r m u l ao fl e n g t ho fs t e e lt u b e ，t h ee r r o ro fm e a s u r e s y s t e mi sa n a l y s i s e di nt h e o r y t h ec h a r a c t e ro fs y s t e me r r o ra n dc o n c l u s i o na r em a d e b ya n a l y s i s i n ge x p e r i m e n t a ld a t ab a s e d o np r o b a b i l i t yt h e o r y i nc h a p t e rf o u r , t h ec h a p t e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo fy r a yt h i c k n e s sg a u g e ，t h e a p p l i c a t i o ni nt h em e a s u r e m e n to f t h e s t e e l p i p ew a l lt h i c k n e s s ；t h ed e t e c t i v es e n s o r a n dt h ef a c t o r yo fa f f e c t i n gt h ep r e c i s i o na r eg i v e n t h ef o r m u l ao fs a f e t yp r o t e c t i o n d i s t a n c ei sa n a l y s i s e d i nc h a p t e rf i v e ，t h ec o m p o s e m e n ta n dw o r km o d eo fs t e n c i l s y s t e ma r e n a r r a t e d t h ec o m p o s e m e n t , w o r kp r o c e s s ，c o n t r o lf l o wa n dd e s i g nc h a r a c t e ro fs o r t i n g s y s t e ma r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e rs i x ，s c h e m eo fc o n t r o l l i n gs o f t w a r ei nt h i ss y s t e mi sd i s c u s s e d f u n c t i o n a lb l o c k so f s o f c w a r e su s e di ni n d u s t r i a lp ca n dp l ca r ed i v i d e d i nc h a p t e rs e v e n ，t h ew o r ko fd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da n dp r o s p e c to f i m p r o v i n gd i r e c t i o no fs y s t e mi sp r e s e n t e d k e y w o r d ：l e n g t hm e a s u r e m e n t , t h i c h n e s sg a u g e ，w e i g h t , s t e n c i l , s o r t t i n g 浙汀大学硕上学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 随着我国国民经济的稳步快速增长，国家基础设施建设、房地产、汽车以 及各类机械工业飞速发展，市场对钢材的需求量与日俱增，我国已经成为世界上 钢材消费量最大的国家。为了满足国内钢材需求的不断增长，国内各钢铁企业相 继提高钢铁产量，在新建一批新的生产线的同时，也对原有的生产线进行了大面 积的技术改造和设备更新，大大提高了我国钢铁的生产能力。然而我国大部分钢 铁企业比较注重轧机等关键设备的的技术更新和改造，在提高轧机自动化程度和 生产能力等方面做了大量的工作，取得了显著的成效，但是对配套辅助设备的技 术改造和设备更新重视不足，造成后续工位，如钢管的测量、标识、分选的能力 不足，自动化程度低、工人劳动强度大、工作环境恶劣等，成为制约钢铁生产的 个瓶颈，严重影响产品参与市场竞争的能力。我国加入w t 0 后，国内市场与国 际市场的接轨，钢管要进入国际市场，就必须遵守国际上的相关标准。例如石油 套管其国际标准为a p is p e c5 c t ( 见表l l 所示) 。 钢管测量、标识、分选系统是对成品钢管进行长度、重量、壁厚的检测，之 后将钢管的有关信息，如炉弓、班号、材料、长度、壁厚、重量、生产家等按 一定的标准标注在钢管的表面，然后再将钢管按照一定的标准进行分选，以满足 不同客户的要求。 过去，大部分的钢管厂采用手工方式进行测量和分选工作。先把钢管搬离生 产线，由工人进行手工测定钢管的长度、重量、壁厚，然后再根据这些信息按照 一定的标准进行人工分选。这些方法明显存在测量精度低、劳动强度大、生产效 率低下等缺点，而且很容易产生人为失误，影响了产品的质量。 于是国内一些大型钢铁公司为了参与国际竞争，耗巨资引进了国外的测量与 标识生产线。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， 但同时进口设备成本高、要求工人的素质高、维护成本高。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，自行开发研制同类生产线已经成为 迫在眉睫的任务。 浙江大学硕士学位论文 表l 一1 ：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 单根 6 5 0 重量一3 5 0 车载量 一1 7 5 长度 i项目范围1 范围2范围3 油管 6 1 0 7 3 2 m8 5 3 9 ，7 5 m 套管 4 8 8 7 6 2 m 7 6 2 一1 0 3 6 m1 0 3 6 - 1 4 6 3 m 1 2 钢管测量、标识、分选技术现状 1 2 1 测量技术研究现状 钢管测量、标识、分选系统的中的测量包括：测长、称重、测壁厚。 一、测长技术研究现状 长度是成品无缝钢管贸易结算的主要依据，其测量精度必须满足国家标准要 求。近些年来，国内各大钢管厂及相关科研机构研究与开发的测长系统有如下三 种形式： 1 、激光测长系统 图l 一1 为该系统的组成框图。它由两部分组成：激光发射机接收装置和信 号处理装置。其测长原理如下： 由h e n e 激光器发出一束激光，经分束器变成平行的两束光，再经发射透镜， 使两束光聚焦在被测量的运动物体上；经接受透镜接收被测物体的散射光，当被 测物体运动时，散射光中包含多普勒频率移动信号。接收的散射光经过光电转换、 信号放大及信号处理系统，确定出多普勒频移的大小、最后换算出运动物体的长 度。 两束光在被测量区域相交并形成干涉区，横切面可以看到清晰的干涉条纹， 其条纹强度按照正弦变化，条纹是等间距的，条纹的宽度x 由下式决定： 水彘 式中：凡一一激光束的波长； 口一一两束光相交的夹角： x 一干涉条纹的宽度； 被测固体的表面相当于无相对运动的许多粒子穿越干涉条纹区，而发出n 浙江大学硕士学位论文 个散射光脉冲，有一个脉冲数就相当于物体通过一个条纹宽度x ：因而由获得 的脉冲数n ，可计算出通过测点的长度l ，激光多普勒测长表达式为： 扛小- 南( 2 s i n 詈) 图1 1 激光测长系统 该系统的优点为： ( 1 ) 该测长方式为非接触式测长，可以避免出现接触伤痕； ( 2 ) 没有接触式测长中因相对滑动等原因造成的测量误差： ( 3 ) 能高速响应和在很宽的速度范围内进行测量； 该系统的缺点为： ( 1 ) 钢管沿着其轴线方向运动时，其径向跳动幅度不能过大，否则信号质 量较差影响测量精度； ( 2 ) 此系统中的测量单元是光学仪器，因此不能用在冲击、振动剧烈的场 合； ( 3 ) 由于钢管材质、表面粗糙度不同，容易引起多普勒信号电平发生偏转， 影响测量精度； ( 4 ) 测长精度为3 9 0 左右，若对于1 2 m 长的钢管，其最大测量误差就可能 达到3 6 m m 。 2 、利用电荷耦合器件( c c d ) 对钢管长度进行测量 浙江大学硕十学位论文 氅垆必鬯型，删 。i 、 l 一4 c o o 4 0 0 0 一一】 卜- 她堂 图1 - - 2 采用c c d 图象处理的测长系统 目前鞍钢无缝钢管厂热车l - - - 车间生产线的测长系统即采用此方案，该方案组 成见图1 2 ，主要由下列几部分构成： ( 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。 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，设置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 ，测 量精度可满足设计要求。 此方案具有系统硬件简单、速度快、可扩展性好等优点，但是也存在着对测 量环境要求高，设备安装调试不方便，维护困难等缺点，对于周围温差大、光线 不强、灰尘大的场合测量精度会受到很大影响。 3 、数控钢管推动测长系统 该测长系统已经应用在成都无缝钢管总厂的周轧分厂合金工段，钢管推动测 长系统的测量原理见图1 3 。 数控钢管推动测长系统在推动钢管移动过程中实现动态长度测量，并为喷印 作好定位对齐准备。本系统主要性能指标为：钢管测长范围：3 9 0 1 2 7 0 m ； 测长精度：2i l l l i l ；测长周期：2 0 4 5 秒。 图l - 3 测量过程 钢管送到测长工位，p l c 检测到1 # 、2 # 光电开关变为高电平后，产生“钢 管到位”信号，并通知上位机。上位机根据其它系统的情况和逻辑控制要求产生 浙江人学硕士学位论文 “允许推动测量”信号传输给p l c 。p l c 便控制变频器驱动电机正转，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，l # 光电开关状态发生跳变，此时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态，当钢管端面m 与2 # 光电开关对齐的瞬间，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单片机系统， 单片机系统根据此编码查表得到a n 值。当钢管另一端面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，电机停止( 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 控制电 机反转将推头退回，当起点接近开关动作时电机反转停止，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 告诉上位机。至此，完成个测量周期。则钢管的长度为： 三= a n 一口+ 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。 该测长系统具有精度高、测长周期短、系统可靠性好等优点。但是在振动大 的场合，会影响小车运动的平稳性，使得测量的误差偏大。同时若现场大型动力 设备多，电磁干扰严重，也会增加系统的不稳定性。 由以上分析可知，国内研制的测长系统在一定意义上已经比较成熟，只要在 现有的基础上加以改进，即可设计出高精度、高效率的测长系统。 二、称重技术研究现状 重量同样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。 现在获得钢管重量的方法有两种： 1 、计算方法 9 0 年代，国内大部分工厂都采用人工方法测量长度，然后根据管径和壁厚 计算出理论重量。显然这种做法效率低，误差大，计量不准确，并且无法达到 a p l 5 l 和g b 9 7 11 8 8 对钢管按实际重量交付的要求。 2 、在线称重仪 采用通过称重传感器检测钢管的重量信号，经处理、放大、进行a d d 转换， 再经数字滤波等工作，最后将钢管的实际重量通过显示器显示出来。 这种方式具有稳定性高、速度快的优点，适合于钢管生产的自动化。国内外 大部分钢管公司都采用此方式，如包钢热轧带钢辊道自动称重系统、鞍钢无缝钢 管厂石油管车间的在线称重测长系统、莱钢钢坯称重计算系统以及i n f o s i 曲t 公 司的w m s 系统等。 目前，国外的专业厂家已经开始采用专业的压力传感器，研制出通用的称重 模块，实现了自动化、高精度的称重。国内厂家也开始了研制和开发，最终产品 基本上能达到标准所规定的精度要求，可实现自动控制，如宁波柯力传感器制造 浙江大学硕士学位论文 有限公司生产的称重模块，青岛格力特公司的称重模块等。表l 一2 列出了部分 称重模块的技术参数。 表1 2 称重模块技术参数 称重模块 m e t t l e rt o l e d o 宁波柯力意大利g e f r a n t c 静载动载z s 系列 额定容量t o 5 ，1 ，2 ，3 ，5 ，1 0 ，5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，o 1 2 0 1 5 。2 02 5 灵敏度m v v 2 0 0 0 22 0 0 0 22 极限过载r c 3 0 0 3 0 0 3 0 0 安全过载r c 1 5 01 5 0 1 2 0 输入阻抗q 4 0 04 0 0 3 8 5 1 5 + 8 53 0 + 7 02 0 + 6 0 工作范围。c 一1 0 4 02 0 + 5 0 温度补偿c 蠕变3 0 分r 0 0 0 2 1 0 m q ，传感器有较高的对地绝缘电阻，传感器和供桥电源对地绝缘电阻之和 2 0 0 m q ；电缆阻值、温度系数、分布电容等直流、交流参数相同；标定( 榆定) 与使 用电缆长度一致，并要求所用传感器电缆固定长度相等：当实际使用中电缆不够 长时，续接线应采用与传感器一致的电缆，采取焊接，不用插头座形式连接，焊 接处采取防护措施；布线正确，避免电磁干扰的影响；电缆有屏蔽层并正确采用 屏蔽接地技术，达到屏蔽效果：采用比率测量长线补偿技术，尤其是电缆较长时 很有必要；等等。 6 、传感器支承高度调整装置除采用垫板有级调高装置外，最好有双面调 整专用垫块等无级调高装置，或称微调装置。如果没有无级调高装置，可备薄垫 浙江大学硕士学位论文 板。本系统中采用薄垫板调高。 ( 7 ) 秤台安装的初始水平度、标高及相关尺寸是一个重要因素，用以判断秤台及 传感器的安装情况，不仅要达到技术文件规定的技术状态要求，而且直接影响载 荷在传感器上的分配。 2 4 2 称重传感器载荷分配的现场检查调整 在2 4 1 所述的前提条件下，要在现场进行载荷分配的检查调整。 l 、传感器空载时的输出值( 零点输出) 传感器空载时的输出值要在现场进行实测，用千斤顶抬起秤台，用高精度数 字电压表在接线补偿盒中测量各传感器空载时的输出值e o 。之所以这样，是因 为实测方法更准确、实用。 2 、传感器在秤台自重作用下的输出值 检查各传感器在秤台自重作用下的输出值e z i ，并计算输出增加值e z i ： a e 。= ez 一e o ： 为调整方便，还应计算输出增加值的平均值e z ： 醒：= 疆。、n ( n 一称重系统使用传感器数量，在本系统中n 为4 。) 3 、传感器载荷分配的调整 在称台自重作用下，使用四个传感器时“四个传感器的输出电压应基本相同， 各自为称重大梁自重的1 4 左右”。我们在现场通过实践认为，在秤台白重作用下， 传感器输出增加值与输出平均增加值的相对误差在5 1 0 为宜。 现场调整我们遵循下述原则：将各传感器在秤台自重作用下的输出增加值进 行比较，如果某传感器的输出增加值与平均增加值的相对误差小于要求值，或输 出增加值远小于平均增加值甚至无输出增加值时，则用千斤顶起秤台，用薄垫板 进行调整，抬高传感器支承高度；如果某传感器的输出增加值与平均增加值的相 对误差大于要求值，或输出增加值远大于平均增加值时则降低传感器支承高度。 现场调整过程需要反复进行，直到符合载荷分配一致性要求。 2 5 称重传感器的安装 随着我国电子衡器的逐渐普及，梁式称重传感器以其优等的性能、优良的加 工工艺性、安装方便、调试简单等特点，越来越受到生产单位和使用者的欢迎， 已经成为当今称重领域内一种重要的传感器。但是，每种产品都有其一定的特点， 如果不能对其特点予以充分了解，就不能很好的驾驭，会给使用带来一些不必要 的麻烦。下面我们就对本系统中所采用的梁式称重传感器的安装问题作一些探 讨：梁式称重传感器安装技术的关键就在于，要充分考虑对安装过程中所产生的 浙汀大学硕e 学位论文 应力与传感器使用巾的应变应力不发生干涉或少发生干涉。 2 5 1 传统安装形式 悬臂梁式称重传感器在用于电子汽车衡和专用秤上时，是用高强度螺栓将一 端固定在框架上或固定在载体上，而另一端承受载荷( 图2 3 ) 。 图2 - 3 悬臂梁式称重传感器一般的安装形式 从这种安装形式中不难看出，如果弹性体与底座或载体连结的紧固程度不 足，那么在冲击载荷和超负荷作用下，称重传感器弹性体与连结体之间就会产生 间隙，弹性体和连结体发生相对位移，而在载荷消失后相对位移却不能恢复，因 而就不免会产生滞后误差和重复性误差问题。 是否在安装传感器时只要狠狠紧固螺栓就能保证产品的性能指标呢? 不是 的! 且不说，用力过大会使螺栓产生永久性变形乃至断裂，就是在紧固螺栓时螺 栓顶部对弹性体产生的压应力，就会影响弹性体敏感区的应力，使合格的产品不 合格。 2 5 2 改进后安装形式 早些时候，为了解决悬臂粱式称重传感器因结构而造成的性能不佳的问题，将 弹性体部分与支撑部分设计成一体( 见图2 4 ) 。这样的结构对安装固定条件没有 特殊要求，在底座不固定，并有一定偏载状态下，均能保持准确度优于0 0 3 级。 浙江大学硕士学位论文 图2 4 最初改进时传感器的安装形式 但以上的设计，存在着消耗优质材料多、加工工艺复杂等缺点。从经济角度 考虑，我们寻求一种更有f 1 丁场竞争力的结构形式。 将图2 4 中传感器的下半部分换成刚性较好的不锈钢底座，使用时将弹性体 根部用多个高强度螺栓紧固在底座卜- ，强行维持力矩、f 衡( 见图2 5 ) 。这样，一 方面使得不需要使用者再在现场向载体上紧固，保证了产品的安装质量，因为现 场条件很难使安装拧矩达到标验要求；一方面保证了传感器使用前标定的指标与 安装时的指标一致，不会再出现冈安装人员没有紧固螺栓而影响产品计量性能的 现象。 图2 5 现在改进后的传感器形式 拧紧的目的在于增强被联接物体的刚性、紧密性，提高分体设计称重传感器 的滞后和重复性指标。而高强度螺栓安装时的预紧力是根据其直径、材质计算出 拧紧力矩，并需进行严格控制的，只有这样才能较好地达到设计能力。 拧紧螺栓时，需要克服螺纹副的螺纹力矩t ，和螺母的支撑面力矩t 2 ，因此拧紧 力矩t = t 。+ t 。( 图2 - 6 a ) 。螺栓所受的螺纹力矩与头部的支撑面力矩t 。和夹持力矩 t ；相平衡，i i j t ，= t 3 + t 。( 图2 6 b ) 。在螺纹力矩的影响下，螺纹副间有圆周力f - 的 作用，螺栓受到预紧力f ，而被连接件则受到压力f ( 图2 6 c ) 。因为 ad z = f 兰= ，t a n + 凸) = 三 糟 伊 浙江大学硕士学位论文 式中f 为螺母与被连接件支撑面摩擦系数，d i 和d 。为支撑面直径( 图2 - 6 d ) ，综合 以上各式得： t = 五+ 疋 = 并岬训+ 争籍。刚 式中k i 一拧紧力矩系数，一般k 。= 0 1 o 3 ，平均值k = o 2 。 t i t 4 c o )( c ) 图2 - 6 拧紧时各连接件的受力 本系统巾钢管最大重量为1 1 t ，考虑到称重梁自重，将最大量程扩大到2 t 用以 计算。 当加载状态为极限状态时，2 吨的重物放在秤台一侧，且有一定的冲击量， 并假定系数k = 1 3 。每只传感器上的载荷值为： p ：= 1 3 m a x ：= 1 3 x 2 0 0 0 ：= 1 3 0 0 k g 22 每只传感器的受力情况如图2 7 所示。 图2 - 7 传感器受力情况图 1 9 浙江大学硕士学位论文 紧崮传感器的螺栓之受力和选用依据进行如f 计算 m = p r 3 = p a + e 且量：墨 其中： # = 蔫= 舞= 筹- 1 6 9 0 姆 昱= 蔫= 焘= 筹= 5 6 3 3 堙 安受载荷最大的螺栓进行计算： 查m 1 2 螺栓，其内径为1 0 1 m m ，截面积a 1 = o 5 5 2 = 0 9 5 c m 2 ，。 = p l a l = 1 6 9 0 0 9 5 = 1 7 7 9 k g c m 2 。 查8 8 级高强度螺栓的强度应力ob = 8 0 k g c m 2 , 安全系数n = 3 ，许用应力 盯】_ 1 0 0 盯b = 堡掣= 2 6 6 7 k g 硎2 _ 盯= 1 7 7 9 k g c 埘2 。 所以在2 t 悬臂梁式称重传感器上选用8 8 级m 1 2 高强度螺栓是符合要求的。查 表，高强度8 8 级m 1 2 螺栓的预紧力为3 7 6 0 k g ，拧紧力矩为 t = k d f = 0 2 x 1 2 x 3 7 6 0 = 9 0 2 4 k g m m 。 2 6 提高称重传感器精度及稳定度的关键技术 称重传感器主要由弹性体、电阻应变片、检测电路3 部分组成。弹性体是一 个有特殊形状的结构件，它的主要作用是将力转换为形变。电阻应变片是一种传 感元件，它粘贴在弹性体上并与其一同变形，故又转化为应变剂的型变量，从而 引起应变剂电阻值的变化。检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电 压输出，因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制 侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在 称重传感器中得到了广泛的应用，因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数 一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以采用全桥式等臂电桥，参看图2 8 ( 1 ) 。 浙江大学硕十学位论文 ( 1 )( 2 ) 图2 - 8 称重传感器基本电路图 按图中所标志的电源极性，可以推出：u o - 石箬畿u 式中r 、r 2 、飚、r 4 为电阻：u i 为传感器的输入信号；u o 为倍感器的输出信号。 当尺，r = 冗) r 4 时，我们称之为电桥平衡，这时称重传感器的输出电压u o = 0 m v 。 但由于弹性元件材料本身和结构形式、热处理工艺、应变计性能及粘贴等原因， 还会由于温度变化而产生零点漂移，所以设计称重传感器时要进行零点补偿，在 电桥输入端跨接一个多圈电位计甩，并使其滑臂与电桥之输出端连接起来，这相 当于在电桥的两个邻臂并联了两个不同阻值的电阻，通过改变滑臂的位置，使电 桥达到平衡。心的作用是为了防止滑臂在两端点时发生短路，但一经接入之后， 它便最终控制了该装置的最大可调节量，补偿电路见图2 - 8 ( 2 ) 。 工作原理：物料蕈量通过电子衡器的秤体作用于称重传感器，称重传感器的 弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变 形，电阻应变片变形后；它的阻值将发生变化( 增大或减小) 。再经相应的检测电 路，把这一电阻变化转换为电信号( 电压或电流) 输出，从而完成将外力转换为电 信号的过程。信号检测原理见图2 - 9 。 2 6 1 电源 雩 a o 矧截吲显示l l 理l l r _ 曰叵刨嚣b | 接n = o 一l 一 图2 - 9 称重信号检测原理框幽 电源的作用是给称重仪表的电路提供电源和给传感器提供激励电压。电源供 电方式有直流和交流两种，直流供电可以采用交流适配器供电，也可以采用电池 2 l 浙江大学硕十学位论文 供电。交流供电的仪表一般内部有电源变压器，其输入电压范围比较窄。在本系 统中采用了开关电源，开关电源具有效率高、体积小、输入电压变化范围大等特 点，其输入电压范围达到8 7 - 2 6 4 v a c 。 2 6 2 放大器 本系统中采用电压测量法获得传感器的信号。放大电路见图2 1 0 ，其中要求 & 。= r 。凡f r “，跨接器w 用于调节放大器倍数，v 。用于调节放大器的零点电压， 放大器的输入输出关系是： v o u , = v s z - a x v 。( a 为放大倍数) 其中a ：l + 鱼+ 2 生 心。心。 2 6 3 滤波 v v - e x c 图2 1 0 放人器电路图 在二次仪表中，对模拟信号首先进行滤波，之掉传输过程中混入的干扰信号。 滤波是为了抑制噪声干扰。滤波器按结构分为无源滤波器和有源滤波器。由 无源元件电阻、电容和电感组成的滤波器为无源滤波器；由电阻、电容、电感和 有源元件( 如晶体管、线性运算放大器) 组成的滤波器为有源滤波器。此外，还有 用软什实现的数字滤波器。 在抗干扰技术中，使用最多的是低通滤波器，即允许低频信号通过，但阻 止高频信号通过，其截至频率根据不同的应用场合略有差异，一般范围在 l 1 5 h z 。图2 - 1 1 为有源二阶低通滤波器的电路。 浙汀大学硕士学位论文 v 2 6 4 信号的传输 图2 1 1 有源二阶低通滤波器的电路 由于称重模块产生的重量信号是微弱的模拟信号，而且工作现场存在各种各 样的干扰，因此信号在传输过程中，很容易混入干扰，更有甚者，会把有用信号 本身淹没掉，所以在信号传输过程中，要充分考虑到抗干扰措施。 屏蔽信号线的办法的原则是：抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线，抑制 电磁感应干扰应该用双绞线。图2 一1 2 说明了双绞线间电路磁场感应干扰的情况。 设干扰信号线i 的干扰电流为i 。双绞线中的两根( 导线t i 、山) 导线的电阻分别 为r 。、r 。电感分别为l 。l 。：干扰线i 与双绞线的互感为m 。这时导线i i 上的 干扰电压v 。为： 小 t 。= ( 堆) = m 等= j w m i ( 2 1 ) 图2 一1 2 双绞线间电路磁场感应干扰情况 2 - - 1 式中的i 。被当作单纯w 频率的正弦电流。v 。在单股导线i i 上产生的电流i 。 为： 浙江大学硕上学位沦文 f ， 竺!：! ! 型 “+ w t lr 1 + j w t l 同理，另一股导线h i 上的感应电流j 。：为： ：2i j w 巧m ：瓦i 2 + ，w k 2 当r ；。= r 。l 。= l 。时i 。= i 。根据图2 1 2 不难看出i 。与i 。! 方向相反。 南于感应电流流动方向相反，从整体上看，感应磁通引起的噪声电流互相抵 消。不难看出，两股导线长度相等，特性阻抗以及输入、输卅阻抗完全相同 时，抑制噪声效果最好。 带金属屏蔽外层的双绞线，综合了双绞线和屏蔽线两者的优点是较理 想的信号线。但目前市场上出售的双芯或多芯金属编网屏蔽线的芯线不是绞 线。在实际工程中，我们可以将双绞线穿在钢管或金属蛇皮管中，并将钢管 和金属蛇皮管牢固地接地，就可收到较好的抗干扰效果。 2 6 5 a d 转换器 a d 转换是将时间上的连续模拟信号转换成时间上离散的数字信号供微处理 器处理，静态称重用的a d 转换器为低速( 转换速率2 0 次秒) 高分辨率( 1 8 2 4 位) ，本系统中使用过采样型a d 转换器，它是应用过采样技术以时间交换精 度，从而克服实现高精度a d c 所需要电路的复杂性，其电路只使用很少的模拟器 件，但采用了复杂的数字信号处理电路来达到1 6 位以上高精度目的，以很低的 采样分辨率( 1 位) 和相当高的采样速率，高精度、低速度地将模拟信号数字化。 过采样a d c 主要由调制器、数字滤波、和采样抽取等几部分组成，如图2 一 1 3 。其工作原理是首先从输入信号减去d a c 的输出，即差分信号，接着在规定时 间内对差分信号进行积分；然后与基准比较产生1 m t t z 高速1 位a d c 输出( 由l 和0 组成的位流) ，为了提高分辨率，再对这种位流进行数字滤波。 调制器本质上是一个高速低精度的a d c ，调制器以很高的过采样频率采样模 拟信号。在这个阶段，调制器将输入和输出值之间的差值进行一阶或多阶积分， 结果通过一个量化器输出二进制串行位流，该串行位流一方面输出给数字滤波， 另一方面通过一位d a c 后和输入信号比较产生差值信号，继续反馈循环。通过数 字滤波和采样抽取，虑除经过调制器整形后的量化噪声，提高系统精度。采样抽 取的晟低限足满足信号无损重建的采样定律，采样频率应大于奈奎斯特频率的两 倍。 浙江大学硕士学位论文 模拟 输入 奈奎斯特采样 串行位流 图2 - 1 3 过采样型a d c 组成框图 2 6 5 软件复合数字滤波技术 数字 输出 计算机采集到的数据还存在诸如强电冲击、a d 转换偶然误差等偶然波动 的现象，对检验结果带来很大的影响，甚至造成钢管降级，因此，系统采用了软 件复合数字滤波技术进行误差分折和处理，具体方法是：对每只传感器一次采集 多组数据，然后对这些数据进行加权平均，将采集的数据逐个与加权平均值进行 比较，剔除差值较大的数据，然后再对剩下的数据进行加权平均，其值作为该传 感器的实际值。经过反复对比实验，经过软件复合数字滤波技术处理后的数据准 确、可靠。 2 6 6 结论 我们所开发的称重系统在烟台鲁宝钢管厂车间生产线上投入使用以来，经受 住了车间强电磁辐射的考验，整机稳定性好，精度高，抗干扰能力强。从投入使 用以来，累计检测钢管5 万多吨，称量准确、精度可达1 o ，符合同家三级秤标准。 2 7 本章小结 本章论述了钢管自动分选生产线中称重系统的设计。主要阐述了称重系统的 组成、生产工艺布置、工作过程。 通过对称重系统的分析，明确了要从以下四个方面获得系统精度： ( 1 ) 称重模块的正确选用： ( 2 ) 称重传感器的安装； ( 3 ) 称重传感器载荷的现场正确调整： ( 4 ) 称重信号的处理，包括放大、滤波、a d 转换、数字处理等。 浙江大学硕士学位论文 第三章测长系统的设计 长度是成品无缝钢管贸易结算的主要依据，其测量精度必须满足国家标准要 求。钢管测长系统是无缝钢管车间精整区域的主要设备之一，恶劣的工作环境、 2 4 小时连续工作制及4 - 2 o m m 的测量精度要求，都对测长系统的设计提出了很 高的技术要求，在对国内开发的测长系统的调研及对国外同类产品的借鉴的基础 上，我们开发了适合鲁宝钢管厂的测长系统。 3 1 测长系统工艺布置及工作原理 3 1 1 测长系统工艺布置 测长系统布置见图3 - 1 ，系统组成示意图见3 - 2 ，南图可以看到测长系统有 以下几部分组成： 图3 1 测长系统工艺布置 输送辊道发射光电管盒 司5 i 矿而| 丁i 百_ 司丁而_ 司i 1 百司塑竺兰兰空譬 计算机 接收光电管盒 l p l c l 一 光电编码传感器 图3 2 测长系统组成示意图 1 、输送辊道输送辊道是用来输送钢管的，辊道表面挂有橡胶，橡胶起到 两方面作用：一是用来保护钢管的表面在运输的过程中不划伤；另一方面是用来 增大钢管与辊道之间的摩擦力，增强钢管运动时的平稳性。 2 、光电传感器在垂直于钢管轴向的方向上等距布置一系列的光电传感 器，这些光电传感器的技术指标及安装精度将直接反映在测长精度上。系统采用 对射式的光电传感器，发射管和接收管分别装在钢管的两侧。这些传感器负责检 测钢管的位置，若钢管从一对光电管的中问穿过，接收光电管就会发出一个电平 信号给p l c 。发射光电管接收光电管必须严格对准，若安装时两者偏离角度太 大将使接收管接收不到发射过米的光信号，造成系统出错。另一点需要注意的是， 2 6 准 豫回 同 。日 浙江大学硕上学位论义 光电传感器的开关速度的快慢很大程度上影响测量系统的精度，所以若选用继电 器方式的输出接口，其响应的时间在十几个毫秒，而选用晶体管方式的输出接口 其响应时间只要几个微秒甚至更小，但同时要注意的是，晶体管方式的输出接口 要和与之相连的p l c 的输入匹配。由于钢管生产现场的工作环境很恶劣，粉尘大， 这对光电传感器有致命的影响，而且现场的磕磕碰碰都会使光电传感器的位置发 生改变，从而造成很大的系统误差，所以要专门为光电传感器设计安装盒，图3 3 为光电传感器的安装盒示意。光信号从发射安装盒的窄缝中发出，射入接收 安装盒的窄缝中。安装盒同样也是分成几段的，这是为了增加制造加工的工艺性、 安装拆卸的方便性。 传摩器安装间隔 图3 - - 3 测k 光电传感器安装盒 3 、测长轮、脉冲编码器及高速计数模块测长轮通过联轴器与脉冲编码器 的转动轴相连，钢管和测长轮接触时，钢管的移动带动测长轮转动，测长轮的转 动带动脉冲编码器的转动，最终钢管轴向运动的微小距离反映为脉冲编码器转过 的角度。通过接收脉冲编码器输山的信号就可以从中计算出钢管移动距离。脉冲 编码器的选用会影响系统的精度。编码器以每转输出的脉冲数作为主要参数，若 每转输出的脉冲数过少，则每个脉冲所代表的钢管轴向移动的距离值就大，那么 若测量时丢掉一个脉冲或多计一个脉冲引起的误差相应就大，所以选择编码器时 要以系统允许的精度山发。高速计数模块是p l c 的一个扩展模块，用来对脉冲编 码器输出的脉冲信号进行计数，由于编码器的输出频率很高，所以对应的计数模 块也要有足够高的计数频率。 4 、到位传感器和p l c 到位传感器负责检测钢管的到位，一般选用电磁感 应式的传感器。p l c 作为整个系统的底层控制部件负责接收到位信号、处理光电 传感器的状态、接收脉冲编码器信号、控制测长轮的升降、并把检测结果传送到 上位机。测长系统要求p l c 的输入点的响应时间小，指令运行快，这样才会有高 的精度。 下面列出测长系统相关电气元件型号： a 、光电传感器：k t 一7 0 0 p ( s i c ko p t e x ) 。 主要技术参数：最大检测距离：7 m ；最小可检测的物体：o7 m m ；供电电 源：d c l 0 v 3 0 v ：最大反应时间：0 7 m s 。 b 、脉冲编码器：t r d n ( k o y o ) 。 主要技术参数：供电电源：d c 4 7 5 3 0 v ；输出频率：2 0 0 0 脉冲转； c 、计数模块：f m 3 5 0 l 。主要技术参数：可接受单相、两相、a b 相脉冲， 双向计数，3 2 位：允许最高计数频率：5 0 0 k t t z 。 浙江大学硕十学位论文 d 、p l c 输入模块：s m 3 2 2d i3 2 d c 2 4 v 。主要技术参数：输入电源d c 2 4 v ； 信号0 ：一3 5 v ，信号“1 ”：1 3 3 0 v ；从07 到“i ”的时间：i 2 4 8 m s ，从“l ”到0 的时间：1 2 4 8 m s 。 3 1 2 测长系统工作原理 测长原理如图3 4 所示，到位传感器检测到钢管进入测长工位，则p l c 启 动测长工位的输送辊道，输送辊道带动钢管向0 号基准光电管前进，经摩擦轮作 用，带动光电编码器旋转并计数。2 3 对光电管中被钢管挡住的状态为1 ，没有被 挡住的状态为0 ，在钢管移动过程中如有光电管的状态从1