钢管自动测长机构的研制设计
钢管广泛地应用于机械、建筑和石化等行业，又是国防工业的重要材料，用于制造枪管、炮筒以及其他武器。
针对钢管生产线自动测长的要求，利用光电效应开发了非接触式钢管自动测长系统。采用WINCC设计测长监控与显示程序，并利用误差补偿技术及完善的软件设计方法，保证了测长系统的高效准确。经生产现场体验，该系统测长范围为6~15mm，测长精度为正负1mm。
钢管长度是国家标准和ISO9000质量认证标准中明确要求的产品质量参数。人工方法测量钢管长度的做法效率低，误差大，计量不准确，无法达到GB9711-88和API 5L对钢管按实际长度交付的要求。因此，对钢管测长精度控制的研究具有较高的实用价值。本文简要介绍了钢管测长系统，分析影响测长精度的因素并探讨控制测长精度的措施。
1.钢管测长原理
钢管测长系统主要通过脉冲编码器与6组光电传感器配合记数的形式实现的。测长滚推动管子在测长工位上向0号光电传感器前进，由于摩擦作用，管子带动编码器旋转。管尾每经过一对光电管，编码器计数值清一次零，然后一直累加。编码器统计尾管距离刚经过的光电管的脉冲数，根据每一个脉冲相应的长度，换算出L1的长度。整根钢管的长度L可由公式（1）计算出来。
L＝ - （1）
式中 L-----钢管的长度
----钢管最后经过的光电管距离0号光电管的距离，其值预选设定
-----管尾距离最后经过的光电管的距离
编码器测的长度L1(mm)＝脉冲数/每毫米的脉冲数（每毫米4个脉冲）。
测长光电传感器对PLC输入的影响：（1）光电管被遮住，对应输入点为1；（2）光电管未被遮住，对应输入点为0；
上位机计算钢管长度的实现如下：（1）由GetSensorNo函数获得测长结束时管尾最后经过的一个传感器的编号；（2）将编号换算成距离基准传感器的实际距离L0；（3）读取编码器的值，对应的实际距离L1＝countvalue/4;(4)钢管长度L=L0-L1；二级长度 L=L0-L1+L2三级长度 式中L2----三级长度基准和二级长度基准之间的距离。
当测长工位上有钢管时，钢管到位检测光电开关将钢管到位信号传递到PLC和上位机上，上位机发送控制信号给PLC推动钢管由右向左低速移动； PLC上的参考尾数长度计数器的值清零
2.系统设计
系统所在工位的工艺流程分为定长管和不定长管两种方式。对于定长管，当测长工位有钢管时，辊道电机带动钢管次昂自动锯方向运动；系统通过光电传感器和测长编码器来测量钢管的长度，当碰到测长基准光电传感器时，辊道电机停止，测长结束。上位机接收奥测长完成信号后，根据光电管状态和编码器值计算出管的长度，并返回响应的定位值。PLC接收到上位机的计算完毕信号后，辊道电机开始运转，根据定位值，高速计数模块产生中断，停止辊道电机，定位完成。自动锯可以锯掉多余的部分。PLC得到自动锯完成返回信号后，钢管返回并到位。根据下料工位钢管情况，以确定是否移钢。对于不定长管，不需要测长，PLC根据下料工位钢管情况，以确定是否移钢。
系统主要包括自动和手动两种控制模式，自动控制是生产中的主要控制方式，能够自动实现测长，定位，锯管，返回，步进梁带动管子从上料工位－本工位－下工位，然后靠下料辊道送出系统，实现一个完整的测长锯过程。手动控制方式主要用于系统调试和处理坏管是使用。手动可实现钢管进，钢管退，点动移钢以及单步进行测长，定位，锯管，返回，移钢等控制。
系统运行前先点击上位机自动启动按钮时，PLC系统自检通过后，等待上位机发启动命令，一旦Start-bit为1，系统开始本工位钢管状态判断（1）钢管处于不适合自动运行状态，则系统不进行任何动作，有上位机提示操作员将钢管手动调整至合适状态后，再开始自动运行（2）钢管处于适合自动运行状态，自动对钢管进行测长，定位，锯管，返回，移钢，在将本工位钢管移至下工位同时，也将上工位钢管移至本工位，开始下一轮自动循环。
钢管自动测长系统分别由V型辊道，光电传感器，光电脉冲编码器，电机及气缸等组成。
（1）7组V型辊道。每组V型辊道都由1台1.5KW的电动驱动。钢管放在V型辊道上，当V型辊道旋转时，由于摩擦作用，钢管就会在V型辊道上运动。
（2）光电传感器。光电传感器选用KT-700N(SICK OP-TEX)，主要技术参数为：最大检测距离为7mm；供电电源为DC10V~30V；最快反应时间为0.7ms。光电传感器成对使用，分别安装在V型辊道的两边。在对齐挡板右边。设置0号基准光电管，即测长的基准位置。然后，每隔一段距离设置一组光电盒，整个系统共设置6组，每组光电盒包括1个发射光电盒和1个接受光电盒。每组光电盒中有7对光电传感器，包括0号基准在内，总共有43对光电传感器。到位传感器负责检测钢管的到位，只有当到位传感器检测钢管到位，并把到位信号传给PLC后，整个测长系统才能开始运行。对于钢管的检测，一般选用电磁感应式的传感器。
（3）光电脉冲编码器。脉冲编码器选用TRD-N(K0Y0)，主要技术参数：供电电源为DC4.75～0V；输出转速为2000r/min。它安装在摩擦轮上，当钢管运动时带动摩擦轮滚动，脉冲编码器进行计数。由脉冲编码器和光电管配合进行钢管测长。钢管的运动会带动与它接触的编码器的转动，从而带动脉冲编码器的旋转，通过接收脉冲编码器输出的信号就可以从中计算出钢管运动的距离。这样，选择编码器时要以系统允许的精度出发。上位机通过PLC读取编码器的脉冲值并通过计算来获得钢管尾数长度。
编码器的分辨率也会影响系统的测量精度。若每转输出的脉冲数过少，则每个脉冲所代表的推杆位移将会加大，在测量时若丢掉一个脉冲或多计一个脉冲所引起的测量误差会相应加大，因此，编码器应根据测长精度要求结合编码器的分辨率进行选型；与此同时，由于编码器的输出频率很高，PLC应采用专门的高速计数模块。
(4)计数模块：FM350-1。主要技术参数：可接受单相，双相，AB相脉冲，双向计数，32位；允许最高计数频率为500KHZ。FM350－1计数模块与编码器之间的接线。高速计数模块是PLC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。系统选用额计数模块是功能模块FM350－1：可接受单相，两相，AB相脉冲，双向计数，32位；允许最高计数频率，200KHZ。上位机通过MPI总线与PLC通信，对系统的状态进行监控。上位监控软件稳定可靠，界面友好，操作简单。
（5）PLC输入模块。PLC作为整个系统的底层控制部件负责接受到位信号，处理光电传感器的状态，接受脉冲编码器信号，控制变频器等相关电气部件，并把检测结果传送到上位机进行数值处理。对于测长系统，特别要求PLC的输入点的响应时间小，指令运行快，这样才会有高兴的精度。系统选用了SiemensS7-300系列的CPU315，输入模块SM321.输出模块SM322，具有可靠性高，抗干扰能力强，模块化结构设计等优点。
（6）对齐挡块和气压缓冲装置。当钢管到达位置B处后，由于位置B处有传感器，所以辊道停止运行。但钢管由于惯性，仍会推动对齐挡板运动到位置A附近。这时候气缸进行反推，将钢管对齐在位置B处，这一过程称之为对中返回过程，以方便下道工位工作。
软件能保证系统的灵活性，是系统正常工作的必要支持。测长系统软件部分主要包括PLC程序和上位机程序，负责完成钢管的自动测长，显示以及与其它系统的交流等工作。采用C风格的自动测长PLC状态转移图。
长度标定的目的是获得各组测长盒与零号光电管的准确距离。标定是采用标准样管，基本过程如下：
（1）先选取1根样管，样管的长度应该自需要得到的那个测长盒的第1对光电管和最后1对之间。
（2）重复测量同一根样管，得到一组长度值L1,L2,…..，Ln。
（3）求测量值的平均值。
（4）比较平均值和样管的真实性，可得到差值，即为系统误差。
（5）在上位机的工作参数界面中，把相应测长盒到0号光电管距离值加上差值，以修正系统误差。
在调试过程中，发现对大部分钢管来说，所测的长度都是正确的，但是出现有少数几根钢管，测出来的长度比它的实际长度短300多毫米，即刚好是光电盒内光电传感器的间距。经研究分析，认为发生这种情况是由于钢管的管头通过了0号基准，同时管尾也离开了一对光电管，但此时编码器的计数值却没有清0.从程序的逻辑上却找不到认可错误，关键是西门子计数模块的编码器计数值清0需要3个PLC扫描周期才能完成。若钢管的管头通过了0号基准，同时管尾也离开了一对光电管时，程序确实先发出计数值清0的命令，但随后就停止调用了自动测长程序，由于清0功能模块在PLC自动测长程序内，所以使得清0工作无法完成。为将正确的编码器值送给上位机中，应先将编码器计数值存自中间寄存器中，当没有清零信号时，系统实时读取寄存器值；当偶清零信号时，中间寄存器清零，这样即使编码器中的数值还没来得及清零，但送给上位机的数值已经为零，保证了测长的准确。
编码器清零次数的统计问题。每次开始之前，编码器值为一个不定值，碰到清零信号后，编码器值开始从零增长，从而得出管尾距离上一对经过的光电管的距离。但若测长时，管子运动的距离很短，管尾连一对光电管也没经过，即没有清过零，则送给上位机计算的数值是错的。为避免这种情况的发生，需对清零次数进行统计，管尾每经过一对光电管，计数器加1。若编码器清零次数为零，则系统报错，应重新测长。
3.测长光电开关
（1）测长光电开关的固定位置对测长精度的影响
因为机械工艺及光电开关自身的可调节位置等因素限制，人工安装的测长光电开关的固定位置存在一定的误差，但该误差对所测长度结果的影响是单向的，且为一恒定不变值。
（2）控制测长光电开关的固定位置影响测长精度的措施
在安装光电开关过程中，必须对测长光电开关进行反复调整，控制每对测长光电开关的安装位置误差均小于1 mm，并且尽量保证大多数光电开关对的间距在500mm左右，若确实因机械结构原因不能将其安装在理论整数位置时，则必须精确测量其实际位置值，其相应整数光电开关的软件位置数据也应做相应调整。对测长光电开关的固定位置进行有效校准后，在PLC下位机DB及上位机WINCC软件中进行设置和补偿，并且利用标准长度的钢管进行校准，考核时主要检验测量的重复精度，直至测长系统测出的长度近似等于标准钢管长度。考虑周围环境干扰和影响，为确保测长可靠，应每隔一段时间对测长光电开关进行校准。经校准正确后测长光电开关的固定位置所带来的误差才可视为零。
（3）控制测长光电开关特性影响测长精度的措施
解决因推杆推头速度v与测长光电开关因延时时间t结合起来引起的尾数计数器计数长度误差v×t，即需尽量减少乘积中的二个因素v和t。减少v即减少推杆推头速度，可采用变频调速方式控制电动推管机的速度。当钢管测完整数长的瞬间变频器调速，低速驱动推杆测尾数长，在钢管左端面接触下一对测长光电开关光束时电动机实现低速停止，通过减少t来控制v×t误差。减少测长光电开关延时时间t，选用光束非常细的光电开关，减少激光光束与钢管左端面的接触时间；同时在选型时考虑选择延时时间短的光电开关。除光电开关自身开关特性产生的延时以外，还应考虑到应用程序的延时，可选择中、高档系列PLC，所有整数位长度信号和测长控制信号均应以中断方式输入PLC，还应尽可能提高应用程序自身运行效率；在配置上位机时可选择中高端配置，提高硬件执行效率。
4.钢管定位的实现方式
采用锯处理前，必须将钢管准确定位到自动锯的工作台架上，定位时，首先是上位机计算出钢管的长度L，根据自动锯锯头的位置和钢管锯后的长度计算出钢管头需要伸出的长度，这就是定位值。根据设定的速度值和锯头的位置，将定位过程分成自动速度和慢速两部分，这样处理是为了减少钢管的 惯性带来的定位误差。
系统采用集散型控制结构，控制系统结构图，系统以SiemensPLC为控制核心，将测长，拨料，自动锯，锯头设备，传感器，控制器，驱动器，管理系统等控制功能全部集成在计算机上，实现了管理，驱动，信号采集，即时监控，故障诊断等多种功能的综合自动化。控制元器件和执行器件均采用了国际知名企业的产品，为系统的稳定性和可靠性提供了保证。系统对辊道电机采用变频控制，将测长，定位的准确性和生产效率很好的结合起来。上位机通过MPI总线与PLC通信，对系统的状态进行实时监控。上位机监控软件稳定可靠，界面友好，操作简单。
5.保证精确测长的措施
在调试过程中，发现对大部分钢管来说，所测的长度都是正确的，但会出现有少数几根钢管，测出来的长度比它的实际长度短300多毫米，即刚好是光电盒内光电传感器的间距。经研究分析，认为发生这种情况是由于钢管的管头通过了0号基准，同时管尾也离开了一对光电管，但此时编码器的计数值却没有清0。从程序的逻辑上却找不到任何错误，关键是西门子FM350计数模块的编码器计数值清0需要三个PLC扫描周期才能完成。若钢管的管头通过了0号基准，同时管尾也离开了一对光电管时，程序确实先发出计数值清0的命令，但随后就停止调用了自动测出程序，由于清0功能模块在PLC自动测出程序内，所以使得清0工作无法完成。为将正确的编码器值送给上位机中，应先将编码器计数值存在中间寄存器中，当没有清零信号时，系统实时读取寄存器值；当有清零信号时，中间寄存器清零，这样即使编码器中的数值还没来得及清零，但送给上位机的数值已经为零，保证了测出的准确。
编码器清零次数的统计问题。每次开始计数之前，编码器值为一个不定值，碰到清零信号后，编码器值开始从零增长，从而得出管尾激励上一对经过的光电管的距离。但若测出时，管子运动的距离很短，管尾连一对光电管也没有经过，即没有清过零，则送给上位机计算的数值是错的。为避免这种情况的发生需对清零次数进行统计，管尾每经过一对光电管，计数器加1.若编码器清零次数为零，则系统报错，应重新测出。
