伺服控制跟踪在螺旋焊管生产线上的应用❋

王昌龙，陈靖芯，秦永法，竺志大

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009）

0 引言

传统的钢管定长切割多数采用刀轮机械跟踪，在刀轮与钢管相切滚动的过程中，刀轮在钢管圆周上留下一道刻痕。只要刻痕有一定深度，就能限制刀轮只沿钢管圆周方向相切滚动，不会发生沿钢管轴线方向的滑移。带有等离子切割喷枪的小车通过汽缸被刀轮架起，小车被刀轮带动在轨道上前进，喷枪沿钢管横断面切割一周，完成钢管垂直切断。

然而，螺旋焊管切割时，钢管不仅作周向旋转，还沿轴线伸长，即钢管上任意一点均作螺线运动。

实际工作中刀轮轴与刀轮之间可能存在机械间隙、刀轮轴受力后的变形、钢管受压力后的凹陷变形，刀轮不能保证在钢管的一个横断面内运动，导致切割缝起点与终点不重合，有时误差达到1cm～3cm。［1－3］

机械间隙总是存在的，而且是难以精确控制的，实践表明机械刀轮跟踪法很难保证切口断面垂直于钢管轴线，起点终点难以重合。本文采用伺服控制跟踪系统，虽不可能绝对消除误差，但至少可以调整跟踪速度，直到小车与钢管轴向同步，将误差控制在切割缝宽度范围内。小车不再靠自重压在刀轮上，因此不会引起钢管的失圆变形，也不会使切割路线偏离横断面。

1 伺服控制跟踪系统设计

原方案小车靠自重被动跟随刀轮沿钢管切向运动，刀轮相对于钢管任意横截面理论上轴向保持静止，如图1所示。

新方案中小车采用双丝杠螺母驱动机构，由伺服电机通过齿轮减速器带动丝杠旋转，螺母带动小车主动跟踪钢管的轴向运动，相对于钢管任意横截面理论上轴向保持静止。［4］

图1 刀轮跟踪切割示意图（小车导轨略）

1．1 两路测速系统设计

钢板从螺旋焊管生产线的钢卷开平机出发，进入三辊成型机之前，采用光电码盘测出钢板的前进速度v板，如图2所示。

图2 总体组成和送板测速传感器安装部位

正常生产情况下，钢板前进速度约为2m／min～10m／min，选用直径Φ10cm的摩擦轮，转速仅为3r／min～15r／min。而采用65 536脉冲／转的光电码盘测速，则每个脉冲钢板前进的距离d（mm）为：

由于钢板前进单位距离产生的脉冲数过少，控制精度低，故采用齿轮增速器加快转速后与码盘相连。该变速器速比为100∶1，每个脉冲钢板前进的距离d为0．005mm，使控制精度大大提高。由于直流伺服电机转速较快，因此另一路测速传感器直接安装在电机出轴端，测出小车的实际运行速度。

1．2 带有等离子喷枪的小车驱动设计

伺服电机通过同步带轮带动双丝杠旋转，丝杠螺母机构带动含有等离子喷枪的小车以速度v管前进。图3为切割小车、减速器和丝杠螺母行走机构示意图。

图3 切割小车、减速器、丝杠螺母行走机构示意图

设钢管直径为D，钢板宽度为W。钢板每卷绕一周钢管伸长W－L（L为重叠接缝宽度），其与钢板送板距离之比K为：

其中：α为钢板开平机与焊管轴线之间的夹角（螺旋角）。小车前进速度v管应等于钢管伸长速度，与钢板送板速度v板的关系应为：

v管＝K·v板。

本设计通过调节旋钮微调钢板前进速度与小车前进速度之间的比例系数K，可以在一定程度上修正机械误差。［5］

以钢板宽度W＝1 250mm，重叠边L＝20mm，制作直径D＝1 153mm的钢管为例，则螺旋角α为：

1．3 送板速度与小车速度比例系数的调节

调节系数K的方法为：

ΔK＝（1－δ／1 230）／0．321 53。

很显然，切割缝起始点误差δ＜0说明小车前行过慢；δ＞0说明小车前行过快。实际操作时，不必仔细计算，可根据大致误差程度适当调节系数K。控制精度取决于光电码盘的位数和调节旋钮输出模拟电压的A／D采样位数。

2 试验结果

在两路光电码盘模拟测试装置上进行了伺服跟踪试验，小车10次跟踪试验实际行程见表1。试验表明，该随动系统切割行走误差小于1cm，跟踪精度满足生产要求。

表1 试验系统10次跟踪结果 m

3 结论

两路光电码盘可以实现等离子切割小车的行走反馈控制，其控制精度满足生产要求。

调节旋钮微调送板速度与小车速度之间的比例系数，可使跟踪精度达到要求。

［1］ 任小龙，邵敏茹．螺旋缝埋弧焊管生产线智能纠偏系统的设计［J］．电子测量技术，2008，31（5）：59－62．

［2］ 罗秀峰．螺旋焊管成型参数的优化设计［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007：16－21．

［3］ 赵桂杰．螺旋焊管外焊缝自动跟踪智能控制系统研究［D］．鞍山：辽宁科技大学，2008：34－46．

［4］ Gunaraj V，Murugan N．Prediction and comparison of the area of the heat－affected zone for the bead－on－plate and bead－on－joint in submerged arc welding of pipes［J］．Journal of Materials Processing Technology，1999，95（10）：246－261．

［5］ 席文明，郑梅生，颜景平．视觉引导下的机器人跟踪复杂焊缝的研究［J］．东南大学学报（自然科学版），2000，30（2）：79－83．