重型鋼管匹配及組對方法與系統與流程
2023-09-18 00:40:15 1
本發明涉及機械製造領域，涉及定位圓柱體工件，尤其涉及一種重型鋼管匹配及組對方法與系統。
背景技術：
在大型陸地建築、海洋工程結構、風力發電、管道運輸等領域，大直徑(406mm~3000mm)圓形鋼管由於具有較為全面的力學性能被普遍採用。對於這種較大直徑且具有較長長度圓形鋼管的加工，目前普遍採用的是卷制——組對的工藝。通過卷管機等設備將鋼板卷製成型後進行縱縫焊接，其次將多節鋼管通過環縫組對及焊接的方式接長。在鋼管卷制環節，需要將橢圓度控制在一定的範圍內，以達到較佳的力學性能，同時儘可能在後續組對時滿足錯邊量要求。在組對過程中，由於縱縫的存在，往往需要將相鄰鋼管的縱縫錯開一定的角度，這就導致即使單節管橢圓度滿足要求，在組對時仍然有錯邊量過大的情形出現。比如組對時當相鄰鋼管長軸與短軸正好相對時，錯邊量達到最大。在海洋工程領域，海洋平臺鋼結構對各個部位的強度有著更加高的要求，因而鋼管在卷制以及組對過程中對橢圓度、直線度、錯邊量等都有著極為苛刻的要求，由此也導致了目前組對效率低下從而產生建造瓶頸。
技術實現要素：
針對現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種重型鋼管匹配及組對方法與系統。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案之一是：提供一種重型鋼管匹配及組對方法，包括步驟：
S1 測量鋼管管端輪廓；
S2 利用管端輪廓進行模擬匹配，對不滿足組對要求的鋼管進行校圓；
S3 對滿足要求的鋼管進行組對。
所述步驟S2可細分為以下步驟：
S21 在鋼管卷制過程中進行實時的管端輪廓監測；
S22 將需要組對的相鄰管端輪廓進行模擬匹配；
S23 若相鄰管端匹配後的錯邊量滿足要求，則卷制完成；
S24 若相鄰管端匹配後的錯邊量不滿足要求，則對不滿足要求的位置進行校圓，返回步驟S21。
所述步驟S3可以細分為以下步驟：
S31 將已組對的一節鋼管放置在用於橫向輸送的輸送輥上；
S32 將待組對的另一節鋼管放置在兩個滾輪架上；
S33 通過滾輪架實現待組對鋼管的橫向移動、縱向放置以及兩個管端上下左右的調整以滿足組對完成後鋼管的直線度、錯邊量的要求；
S34 通過輸送輥以及滾輪架將組對完成後的鋼管橫向運輸以離開滾輪架區域。
所述模擬匹配可以包括以下步驟：
S221 計算出相鄰鋼管管端輪廓的幾何中心以及縱縫位置；
S222 將相鄰管端幾何中心重合併將縱縫位置錯開一定角度後，計算至少4個位置處的錯邊量。
進一步地，本發明提供一種可實現上述重型鋼管匹配及組對方法的重型鋼管匹配及組對系統，其特徵在於：包括輸送架和電動臺車，所述輸送架上安裝有一列若干根V形傳送輥，所述V形傳送輥可轉動地與傳動裝置連接；所述電動臺車可沿輸送架縱軸方向移動，其上安裝有至少兩對滾輪，其中至少一對滾輪與滾輪傳動機構連接，所述滾輪分別連接有電動絲杆升降機構，每對滾輪連接有電動間距調節機構。
組對完成的鋼管放於輸送架的V形傳送輥上，可在V形傳送輥的帶動下沿輸送架的縱軸方向移動。
待組對鋼管節放於電動臺車的滾輪上，其高度通過槓桿式電動絲杆升降機構調節，其左右的偏離度通過電動間距調節機構調節。
進一步地：
所述輸送架上沿其縱軸兩側安裝有防墜架。用於防止組對完成的鋼管的側翻墜落。
所述V形傳送輥的傳動裝置是鏈式傳動裝置。
所述電動臺車下安裝有行走鋼軌，電動臺車沿行走鋼軌移動。
所述電動臺車上安裝有電動升降式託輥。輔助支撐待組對鋼管節。
本發明還包括有監控主機，監控主機包括輪廓測量單元、模擬匹配單元和自動組對單元，其中：
輪廓測量單元用於測量鋼管管端輪廓；
模擬匹配單元用於管端輪廓進行模擬匹配；
自動組對單元用於對滿足要求的鋼管進行自動化組對。
本發明將卷管及組對兩個工藝流程進行了合理的結合，在卷管階段對鋼管進行實時的測量及模擬匹配，保證卷出的管都能滿足組對要求；同時在組對階段利用「輸送輥+滾輪架」的組對組合模式，可實現低成本、高效率的鋼管組對。
本發明的有益效果是：可以適用於較大直徑範圍鋼管的組對，且效率高，成本低。
附圖說明
下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
圖1是本發明重型鋼管匹配及組對方法的流程圖。
圖2是鋼管輪廓測量原理圖。
圖3是測量原理圖。
圖4是管端擬合輪廓圖，其中A為縱縫位置。
圖5是本發明重型鋼管匹配及組對系統結構示意圖。
圖6是圖5的A-A視圖。
圖7是圖5的B-B視圖。
圖中：1為組對完成的鋼管、2為待組對鋼管節、3為從動滾輪行走架、4為主動滾輪行走架、5為電動升降式託輥、6為行走鋼軌、7為V形傳送輥、8為防墜架、9為輸送架、10為驅動電機、11為傳動裝置、12為滾輪、13為電動絲杆升降機構、14為鋼軌、15為電動臺車、16為電動間距調節機構。
具體實施方式
本發明一種重型鋼管匹配及組對方法一種重型鋼管匹配及組對方法，包括如下步驟：
S1 將組對完成的鋼管1和待組對鋼管節2分別放於輸送架9的V形傳送輥7和電動臺車15的滾輪12上，分別測量鋼管管端輪廓；
S2 利用管端輪廓進行模擬匹配，對不滿足組對要求的鋼管進行校圓；
S3 對滿足要求的鋼管進行自動化組對。
所述步驟S2可細分為以下步驟：
S21 在鋼管卷制過程中進行實時的管端輪廓監測；
S22 將需要組對的相鄰管端輪廓進行模擬匹配；
S23 若相鄰管端匹配後的錯邊量滿足要求，則卷制完成；
S24 若相鄰管端匹配後的錯邊量不滿足要求，則對不滿足要求的位置進行校圓，返回步驟S21。
所述步驟S3可以細分為以下步驟：
S31 將已組對的一節鋼管1放置在用於橫向輸送的V形傳送輥7上；
S32 將待組對的另一節鋼管2放置在滾輪12上；
S33 通過滾輪架實現待組對鋼管的橫向移動、縱向放置以及兩個管端上下左右的調整以滿足組對完成後鋼管的直線度、錯邊量的要求；
S34 通過輸送輥以及滾輪架將組對完成後的鋼管橫向運輸以離開滾輪架區域。
所述模擬匹配可以包括以下步驟：
S221 計算出相鄰鋼管管端輪廓的幾何中心以及縱縫位置；
S222 將相鄰管端幾何中心重合併將縱縫位置錯開一定角度後，計算至少4個位置處的錯邊量。
進一步地，本發明提供一種可實現上述重型鋼管匹配及組對方法的重型鋼管匹配及組對系統，其特徵在於：包括輸送架9和電動臺車15，所述輸送架9上安裝有一列若干根V形傳送輥7，所述V形傳送輥7可轉動地與傳動裝置11連接；所述電動臺車15可沿輸送架9縱軸方向移動，其上安裝有至少兩對滾輪12，其中至少一對滾輪12與滾輪傳動機構連接，所述滾輪12分別連接有電動絲杆升降機構13，每對滾輪12連接有電動間距調節機構16。
組對完成的鋼管1放於輸送架9的V形傳送輥7上，可在V形傳送輥7的帶動下沿輸送架9的縱軸方向移動。
待組對鋼管節2放於電動臺車15的滾輪12上，其高度通過槓桿式電動絲杆升降機構13調節，其左右的偏離度通過電動間距調節機構16調節。
在本發明的實施例中：
所述輸送架9上沿其縱軸兩側安裝有防墜架8。用於防止組對完成的鋼管1的側翻墜落。
所述V形傳送輥7的傳動裝置11是鏈式傳動裝置。
所述電動臺車15下安裝有行走鋼軌6，電動臺車15沿行走鋼軌6移動。
所述電動臺車15上安裝有電動升降式託輥5。輔助支撐待組對鋼管節2。
本發明還包括有監控主機，監控主機包括輪廓測量單元、模擬匹配單元和自動組對單元，其中：
輪廓測量單元用於測量鋼管管端輪廓；
模擬匹配單元用於管端輪廓進行模擬匹配；
自動組對單元用於對滿足要求的鋼管進行自動化組對。
本發明在鋼管卷制過程中對鋼管兩端進行實時輪廓測量，並記錄下數據。通過這些數據一方面可以計算出橢圓度以判斷所卷鋼管是否達到要求；另一方面將需要組對的管端輪廓進行計算機模擬組對來判斷是否符合組對時錯邊量要求。對不合格的鋼管進行有針對性的卷制校圓直到符合要求。
在組對環節，主要控制鋼管的橫向運輸、縱向旋轉以及兩個管端分別3個自由度的調整來實現精確組對。本發明提出了一種N+1組對方案，每次都通過對一端的單節鋼管進行調整以實現組對，將組對完的鋼管橫向運輸到另一端，空出該端後進行第N+1節鋼管的組對。為了達到效率以及成本的最佳折中，提出「滾輪架+輸送輥」方案。滾輪架用於對單節鋼管的縱向旋轉以及管端調整，輸送輥用於鋼管橫向運輸。
下面對相關工藝進行詳細的解釋：
測量鋼管管端輪廓
利用雷射測距儀能精確地測量出管端的輪廓，目前有多種測量方案。一種是將雷射測距儀放置在鋼管內部，通過旋轉雷射測距儀或者旋轉鋼管的方式測量出輪廓；一種是將雷射測距儀放置在鋼管外側，雷射指向鋼管中心，通過轉動鋼管的方式測量出輪廓。本發明採用鋼管固定，兩組雷射測距儀相對交叉放置在鋼管外側，並且通過上下掃描的方式進行輪廓測量。
圖2為該方法的測量原理圖。其中，1、2分別為用於放置雷射測距儀的立柱，四個雷射測距儀3、4、5、6分別放置在立柱上並可以上下掃描。其中3、6以及4、5分別為一組。
圖3為測量的原理圖，傳感器3、6之間距離為，傳感器4、5之間距離為，兩兩交叉的角度為（見圖1）。實際需要測量的鋼管截面與軸線垂直，設垂直截面與所在截面夾角為（見圖1）。當傳感器整體移動到某一高度時，可以測得一組數據：、、、，由這四個數值可以得到兩個鋼管截面在該高度上的弦長，，將和按各自夾角投影到垂直截面上可得該截面上的弦長：
(1)
由上式後二項可得：
(2)
為了準確計算角度，可以將測得的所有高度上的數值按上式進行計算並求平均值。最後，將值代入(1)式可以計算出弦長，經過一次掃描之後就可以根據多個高度上的弦長值擬合出截面的輪廓形狀。
這種利用兩組雷射測距儀測量鋼管輪廓的方法可以對任意擺放的鋼管且無需轉動實現精確測量。
利用管端輪廓進行模擬匹配，對不滿足組對要求的鋼管進行校圓直至滿足要求
當需要對接的相鄰管端輪廓被測量後，可以利用計算機實現模擬匹配。如圖4所示，通過多個高度弦長的端點擬合出管端輪廓後，利用最小二乘迭代法計算出輪廓中心，其次將兩個管端的圓心對齊後根據縱縫錯開角度就可以計算出各個位置處的錯邊量，最後對不滿足要求的錯邊量所在的位置處在卷管階段就進行有針對性的較圓直至滿足要求。
最關鍵的步驟是如何利用最小二乘迭代法計算出輪廓中心。可以選取一個坐標原點，這樣可以將測得的所有弦長的端點轉化成坐標，最終形成n個樣本坐標。假設要求的輪廓中心為，最小二乘法的思路是當所有樣本坐標對應的半徑幾乎相等即相互之間差值最小時對應的點認為是輪廓的中心。轉化成數學模型為：求出，使得函數的值最小，函數稱為代價函數，其中，。
由於代價函數較為複雜，難以直接通過導數求解，可採用梯度下降法進行迭代求解。迭代求解公式如下：
; (3)
; (4)
式中，為下降因子。代表迭代的次數。設定迭代終止閾值，即當時，認為即為求得的輪廓中心坐標。
對滿足要求的鋼管進行自動化組對
1為組對完成的鋼管、2為待組對鋼管節、3為從動滾輪行走架、4為主動滾輪行走架、5為電動升降式託輥、6為行走鋼軌、7為V形傳送輥、8為防墜架、9為輸送架、10為驅動電機、11為傳動裝置、12為滾輪、13為電動絲杆升降機構、14為鋼軌、15為電動臺車、16為電動間距調節機構。
組對系統如圖5所示，左邊為輸送架9，用於將組對完成的鋼管1向左邊輸送以空出右邊組對區域；右邊為電動臺車15，用於對待組對鋼管節2進行管口位置調節、迴轉驅動，共有主、從兩對滾輪12。主動滾輪放置最外端，從動滾輪位於靠近組對焊縫端，兩個滾輪均具有行走、升降、平移、轉動功能，其中從動滾輪上配置了升降支撐輥筒機構，滿足組對N+1鋼管組對後的工件傳送支承。
圖6所示為輸送架9的細節圖。其中傳輸輥道的輥筒採用V型輥筒，可以適應較大範圍管徑變化的鋼管；且設置由防墜架，防止當鋼管直徑過大時在輸送過程中的失衡。
圖7是電動臺車15的細節圖，主、從滾輪架均採用了全電動絲杆調節方式，調節精度高（可達到毫米級），且可以實現無級可調，在高速狀態下可以迅速改變管口位置，低速狀態下具有管口組對微調功能，實現管口上下，左右、前後的低速移動，達到多自由度對鋼管的調整以滿足直線度以及管口錯邊量的調整。