大直径钢管自动喷号机的研制

李殿杰，赵 辉，李胜峰，王金飞，胡日荣

(1.中国钢研科技集团新冶高科技集团有限公司，北京100081；2.天津天管太钢焊管有限公司，天津300301)

大直径钢管自动喷号机的研制

李殿杰1，赵 辉2，李胜峰1，王金飞1，胡日荣1

(1.中国钢研科技集团新冶高科技集团有限公司，北京100081；2.天津天管太钢焊管有限公司，天津300301)

为了使焊管生产线更高效地实现钢管生产信息追踪，需要对成型切断后的钢管进行标识身份，为此，研制了大直径钢管自动喷号机。介绍了钢管自动喷号机的工作原理及系统设计，包括一种简单可行的喷头调整机构以及同时开发的配套控制系统。经过大量的现场调试，该设备目前已成功应用于生产现场。研究及应用结果表明，该钢管喷号机满足钢管在线喷印要求，喷印字符清晰，实现了与MES系统的通讯，为实现生产信息的回溯跟踪、提升生产线自动化水平奠定了坚实的基础。

焊管；大直径；喷号机；制造执行系统；调整机构

随着钢管制造行业竞争的日益加剧，高端钢管对生产信息高效追踪的要求也日渐提高[1]。要实现在生产过程中对钢管进行信息追踪，以记录钢管在各生产工艺中的加工状态，就需要给每根钢管喷印管号，为其打造生产信息“身份号”，为制造执行系统（MES）提供管号信息[2-4]。通过对每根钢管管号的跟踪，把生产过程中的质量信息、工艺参数和生产信息等实时流向对应管号，便于管理人员准确地掌握每根钢管对应的生产过程信息[5-7]。

目前钢管生产企业一般是在成品出库的时候才喷印管号和商标等，而在生产过程中没有喷印管号和进行跟踪。在JCOE和螺旋钢管厂，钢管直径一般在406 mm以上，多采用机械手喷印装置进行多行喷印，设备成本高，维修困难。因此，为了实时追踪钢管生产过程信息，降低人工操作的工作强度，同时减小设备的使用成本，本研究根据现场工况，针对直径508～1 626 mm的焊管生产机组开发了钢管自动喷号机。

1 系统设计及原理

钢管自动喷号机系统如图1所示，包括钢管、喷头机构、测速机构、管头感测机构和管尾感测机构以及控制系统。钢管在辊道上运行过程中，喷头机构利用3套相同的喷头对钢管进行喷印。测速机构用靠模轮紧贴钢管下表面，与钢管同步转动，测量钢管的前进速度，并向控制系统传送速度信号。管头感测机构和管尾感测机构分别感测管头和管尾是否到达预定位置，并向控制系统发送相应的信号。控制系统根据上述信号来控制喷头机构何时开始喷印以及喷印的速度。

图1 钢管自动喷号机系统示意图

2 结构设计

2.1 三喷头机构

喷头机构主要是为了适应不同直径的钢管，并为喷头提供安装支座。因钢管直径较大，为了便于有效检测出管号，在钢管表面沿圆周方向喷印3处管号，分别位于12点、4点和8点位置，如图2所示。同时，为了避免钢管管号在后续输送过程中被磨损，可在钢管头尾均喷印管号。

图2 三喷头机构示意图

为了便于分析描述3个喷头的调整情况，把12点位置喷头称为1#喷头，4点位置称为2#喷头，8点位置称为3#喷头。

1#喷头最容易实现调整，只需要垂直上下即可。框架可以使用龙门架的形式，也可以使用悬臂架结构，因为喷头的质量较小，结构质量也相应的减小，因此，这里采用悬臂架结构框架[8-10]。因为钢管直径大，1#喷头上下移动不便于手工调整，因此采用电动伺服机构，使用线型导轨、滚珠丝杠与伺服电机配合。具体结构如图3所示。

图3 1#喷头调整机构示意图

伺服电机带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠的旋转运动转变为滑块的直线运动，而滑块又同时被约束在线性导轨上，进而保证了移动的精度。通过控制伺服电机转动的圈数就可以精确控制滑块（喷头支架）移动的上下位置。

2#喷头和3#喷头相似，现以2#喷头为例。钢管直径变化时，不同的喷印点形成的路径称之为喷印线，当输送辊道为平辊时，很容易证明钢管直径变化时，喷印位置点也会沿直线变化，且与竖直中心线成60°夹角（如图4所示）。

图5为V形辊道2#喷头喷印位置示意图。钢管输送辊道基本为V形辊道，随着钢管直径的增大，钢管的下底面会变高，喷印点是否还会沿直线变化，值得研究。

辊道V角中点为A，3个钢管的中心为O1,O2和O3,半径为R1，R2和R3，钢管与V形辊道的接触点为切点，分别为B1，B2和B3，喷印点

图4 平辊2#喷头喷印位置示意图

图5 V形辊道2#喷头喷印位置示意图

P1，P2和P3在4点钟位置。只需证明3条线的斜率相等就可以证明3点共线（证明过程略）。

通过证明，V形辊道的喷印点也在一条直线上，只是与竖直线的夹角不是60°。通过测量，在辊道夹角为140°时，喷印线与竖直中心线的夹角是56.8°，因此，可以设计喷头移动轨迹与喷印线平行。

通过上面论述，2#喷头调整机构的行走线与竖直成56.8°。移动调整机构采用的喷头与1#喷头相似，只是位置较低，把电机换成手轮。同时，当钢管规格更换后，为防止调整喷头撞击到钢管上，设置一个转轴，使钢管先撞击支架，然后支架绕转轴摆动，避免喷头损坏。

2.2 测速机构

图6 测速机构示意图

如图6所示，测速机构固定安装于地面上，支架一端相对于基座可转动，且另一端相对于基座能够上下调节高度；转轮由支架支撑，并且可相对于支架旋转，旋转轴线与钢管前进方向垂直；速度传感器随转轮一起旋转，并向控制系统传送钢管速度信号。当钢管运动至测速机构上方时，转轮与钢管紧密接触，从而使得转轮能够在钢管的带动下相对于钢管无打滑转动，这时速度传感器便能够精确地测量钢管的速度。

在进行测速时，转轮与钢管接触，为了避免转轮对钢管造成磨损并增大摩擦系数，在转轮的外周可包绕一层聚氨酯。

3 控制系统

自动喷号机的控制系统如图7所示，主要由操作台、集成喷印控制器和PLC控制器等组成。

（1）操作台：主要是安装操作按钮和指示灯，实现 “喷印、停止、急停、上升、下降”等操作和“来管、故障”等显示。

（2）集成喷印控制器：由3个独立的集成电路组成，控制喷头的喷印，同时通过RS232信号与工控机通信。

图7 控制系统架构图

（3）PLC控制器柜：安装PLC控制电路，进行逻辑控制，接收 “钢管头尾信号、辊道启停信号、测速轮信号”和控制升降电气启停。同时，通过Profibus-DP接口与工控机进行通讯。

（4）工控机：选用台湾研华产品，是整个控制的核心。可在研制的操作界面上进行参数和工作模式的设置。钢管管号信息的获取有两个模式，一个是 “本地”模式，在工控机上人工输入管号，并把管号传送给喷印控制器；另一个是“远程”模式，通过TCP/IP协议与MES系统通讯，从MES取得管号信息，自动传送给喷印控制器。

4 操作实例

选用φ711 mm的钢管为例，对钢管自动喷号机的具体操作和流程进行详细描述。

（1）做好准备工作，检查机械部件和控制信号是否符合设计要求。

（2）根据将要喷印的φ711 mm钢管，调整好喷头机构的位置。使得喷头前表面距钢管表面20～40 mm。其中1#喷头调整在操作台上完成，2#和3#喷头使用人工调整。

（3）在工控机上选择 “本地”或 “远程”工作模式，在操作台上选择 “自动运行”。

（4）当钢管到来时，管头感测机构感测到钢管达到其正上方时，向PLC传送相应的信号。

（5）待钢管运动至测速机构处，测速机构通过速度传感器测量出钢管的前进速度，并向控制系统发送速度信号。

（6）控制系统可根据各个机构之间的距离和钢管速度计算出管头到达喷头机构的时间，使喷头机构在钢管的预定位置以适当的速度进行喷印，从而完成管头喷印作业。

（7）当管尾感测机构感测到钢管的管尾到达其正前方时，便向控制系统传送相应的信号，控制系统便可在管尾位置进行喷印，从而完成管尾喷印作业。

（8）等待下一根钢管的到来，依次循环。

喷号机的喷头使用16针的点阵式喷头，可以喷印的字符高度为25～52 mm。喷头与测速轮配套使用，可以应用于钢管最大前进速度为90 m/min的生产线。通过设定可以实现管号的正反方向喷印，头部和尾部还可以交错喷印，具体如图8所示。

图8 喷印实物照片

5 结 语

研制的钢管自动喷号机经过长时间的现场调试，目前已成功应用在山东淄博某螺旋焊管厂。该机能够适应不同直径和生产速度的钢管，并能够喷印出清晰的管号。同时，该机结构简单，自动化程度较高，且制造成本低，与MES系统实现了无缝连接，为实现生产信息的回溯跟踪、提升生产线自动化水平奠定了坚实的基础。

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Research on Automatic Marking Machine for Large Diameter Steel Pipe

LI Dianjie1,ZHAO Hui2,LI Shengfeng1,WANG Jinfei1,HU Rirong1
(1.New Metallurgy Hi-tech Group Co.,Ltd.of China Iron&Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China;2.Tianjin TPCO&TISCO Welding Pipe Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

In the continuous welded pipe production line,in order to trace steel pipe production data more efficiently,the logo identity for the cutting pipe after forming is needed,sot the automatic marking machine for large diameter steel pipe was researched.In this article,it introduced its working principle and system design,including a simple nozzle adjustment mechanism and matched control system.The machine was applied in production site after a great deal of installing and debugging.The research and application results showed the automatic marking machine can meet requirements of online printing and the print numbers are clear.It completed the communication with the MES system.Therefore it laid a solid foundation for tracing the production information and promoting production line automation level.

welded pipe;large diameter;marking machine;manufacturing execution system;adjustment mechanism

TH122;TP271

B

1001－3938（2015）06-0029-04

李殿杰，男，主要从事钢管工程设计和工艺研究工作。

2015-01-02

黄蔚莉