本發(fā)明涉及機(jī)械制造領(lǐng)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(duì)方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在大型陸地建筑、海洋工程結(jié)構(gòu)、風(fēng)力發(fā)電、管道運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，大直徑(406mm~3000mm)圓形鋼管由于具有較為全面的力學(xué)性能被普遍采用。對(duì)于這種較大直徑且具有較長長度圓形鋼管的加工，目前普遍采用的是卷制——組對(duì)的工藝。通過卷管機(jī)等設(shè)備將鋼板卷制成型后進(jìn)行縱縫焊接，其次將多節(jié)鋼管通過環(huán)縫組對(duì)及焊接的方式接長。在鋼管卷制環(huán)節(jié)，需要將橢圓度控制在一定的范圍內(nèi)，以達(dá)到較佳的力學(xué)性能，同時(shí)盡可能在后續(xù)組對(duì)時(shí)滿足錯(cuò)邊量要求。在組對(duì)過程中，由于縱縫的存在，往往需要將相鄰鋼管的縱縫錯(cuò)開一定的角度，這就導(dǎo)致即使單節(jié)管橢圓度滿足要求，在組對(duì)時(shí)仍然有錯(cuò)邊量過大的情形出現(xiàn)。比如組對(duì)時(shí)當(dāng)相鄰鋼管長軸與短軸正好相對(duì)時(shí)，錯(cuò)邊量達(dá)到最大。在海洋工程領(lǐng)域，海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)各個(gè)部位的強(qiáng)度有著更加高的要求，因而鋼管在卷制以及組對(duì)過程中對(duì)橢圓度、直線度、錯(cuò)邊量等都有著極為苛刻的要求，由此也導(dǎo)致了目前組對(duì)效率低下從而產(chǎn)生建造瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種重型鋼管匹配及組對(duì)方法與系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之一是：提供一種重型鋼管匹配及組對(duì)方法，包括步驟：

S1 測(cè)量鋼管管端輪廓；

S2 利用管端輪廓進(jìn)行模擬匹配，對(duì)不滿足組對(duì)要求的鋼管進(jìn)行校圓；

S3 對(duì)滿足要求的鋼管進(jìn)行組對(duì)。

所述步驟S2可細(xì)分為以下步驟：

S21 在鋼管卷制過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的管端輪廓監(jiān)測(cè)；

S22 將需要組對(duì)的相鄰管端輪廓進(jìn)行模擬匹配；

S23 若相鄰管端匹配后的錯(cuò)邊量滿足要求，則卷制完成；

S24 若相鄰管端匹配后的錯(cuò)邊量不滿足要求，則對(duì)不滿足要求的位置進(jìn)行校圓，返回步驟S21。

所述步驟S3可以細(xì)分為以下步驟：

S31 將已組對(duì)的一節(jié)鋼管放置在用于橫向輸送的輸送輥上；

S32 將待組對(duì)的另一節(jié)鋼管放置在兩個(gè)滾輪架上；

S33 通過滾輪架實(shí)現(xiàn)待組對(duì)鋼管的橫向移動(dòng)、縱向放置以及兩個(gè)管端上下左右的調(diào)整以滿足組對(duì)完成后鋼管的直線度、錯(cuò)邊量的要求；

S34 通過輸送輥以及滾輪架將組對(duì)完成后的鋼管橫向運(yùn)輸以離開滾輪架區(qū)域。

所述模擬匹配可以包括以下步驟：

S221 計(jì)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并將縱縫位置錯(cuò)開一定角度后，計(jì)算至少4個(gè)位置處的錯(cuò)邊量。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)上述重型鋼管匹配及組對(duì)方法的重型鋼管匹配及組對(duì)系統(tǒng)，其特征在于：包括輸送架和電動(dòng)臺(tái)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(zhuǎn)動(dòng)地與傳動(dòng)裝置連接；所述電動(dòng)臺(tái)車可沿輸送架縱軸方向移動(dòng)，其上安裝有至少兩對(duì)滾輪，其中至少一對(duì)滾輪與滾輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述滾輪分別連接有電動(dòng)絲桿升降機(jī)構(gòu)，每對(duì)滾輪連接有電動(dòng)間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

組對(duì)完成的鋼管放于輸送架的V形傳送輥上，可在V形傳送輥的帶動(dòng)下沿輸送架的縱軸方向移動(dòng)。

待組對(duì)鋼管節(jié)放于電動(dòng)臺(tái)車的滾輪上，其高度通過杠桿式電動(dòng)絲桿升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，其左右的偏離度通過電動(dòng)間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步地：

所述輸送架上沿其縱軸兩側(cè)安裝有防墜架。用于防止組對(duì)完成的鋼管的側(cè)翻墜落。

所述V形傳送輥的傳動(dòng)裝置是鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)裝置。

所述電動(dòng)臺(tái)車下安裝有行走鋼軌，電動(dòng)臺(tái)車沿行走鋼軌移動(dòng)。

所述電動(dòng)臺(tái)車上安裝有電動(dòng)升降式托輥。輔助支撐待組對(duì)鋼管節(jié)。

本發(fā)明還包括有監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)包括輪廓測(cè)量單元、模擬匹配單元和自動(dòng)組對(duì)單元，其中：

輪廓測(cè)量單元用于測(cè)量鋼管管端輪廓；

模擬匹配單元用于管端輪廓進(jìn)行模擬匹配；

自動(dòng)組對(duì)單元用于對(duì)滿足要求的鋼管進(jìn)行自動(dòng)化組對(duì)。

本發(fā)明將卷管及組對(duì)兩個(gè)工藝流程進(jìn)行了合理的結(jié)合，在卷管階段對(duì)鋼管進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量及模擬匹配，保證卷出的管都能滿足組對(duì)要求；同時(shí)在組對(duì)階段利用“輸送輥+滾輪架”的組對(duì)組合模式，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的鋼管組對(duì)。

本發(fā)明的有益效果是：可以適用于較大直徑范圍鋼管的組對(duì)，且效率高，成本低。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

圖1是本發(fā)明重型鋼管匹配及組對(duì)方法的流程圖。

圖2是鋼管輪廓測(cè)量原理圖。

圖3是測(cè)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(fā)明重型鋼管匹配及組對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(duì)完成的鋼管、2為待組對(duì)鋼管節(jié)、3為從動(dòng)滾輪行走架、4為主動(dòng)滾輪行走架、5為電動(dòng)升降式托輥、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(qū)動(dòng)電機(jī)、11為傳動(dòng)裝置、12為滾輪、13為電動(dòng)絲桿升降機(jī)構(gòu)、14為鋼軌、15為電動(dòng)臺(tái)車、16為電動(dòng)間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種重型鋼管匹配及組對(duì)方法一種重型鋼管匹配及組對(duì)方法，包括如下步驟：

S1 將組對(duì)完成的鋼管1和待組對(duì)鋼管節(jié)2分別放于輸送架9的V形傳送輥7和電動(dòng)臺(tái)車15的滾輪12上，分別測(cè)量鋼管管端輪廓；

S2 利用管端輪廓進(jìn)行模擬匹配，對(duì)不滿足組對(duì)要求的鋼管進(jìn)行校圓；

S3 對(duì)滿足要求的鋼管進(jìn)行自動(dòng)化組對(duì)。

所述步驟S2可細(xì)分為以下步驟：

S21 在鋼管卷制過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的管端輪廓監(jiān)測(cè)；

S22 將需要組對(duì)的相鄰管端輪廓進(jìn)行模擬匹配；

S23 若相鄰管端匹配后的錯(cuò)邊量滿足要求，則卷制完成；

S24 若相鄰管端匹配后的錯(cuò)邊量不滿足要求，則對(duì)不滿足要求的位置進(jìn)行校圓，返回步驟S21。

所述步驟S3可以細(xì)分為以下步驟：

S31 將已組對(duì)的一節(jié)鋼管1放置在用于橫向輸送的V形傳送輥7上；

S32 將待組對(duì)的另一節(jié)鋼管2放置在滾輪12上；

S33 通過滾輪架實(shí)現(xiàn)待組對(duì)鋼管的橫向移動(dòng)、縱向放置以及兩個(gè)管端上下左右的調(diào)整以滿足組對(duì)完成后鋼管的直線度、錯(cuò)邊量的要求；

S34 通過輸送輥以及滾輪架將組對(duì)完成后的鋼管橫向運(yùn)輸以離開滾輪架區(qū)域。

所述模擬匹配可以包括以下步驟：

S221 計(jì)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并將縱縫位置錯(cuò)開一定角度后，計(jì)算至少4個(gè)位置處的錯(cuò)邊量。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)上述重型鋼管匹配及組對(duì)方法的重型鋼管匹配及組對(duì)系統(tǒng)，其特征在于：包括輸送架9和電動(dòng)臺(tái)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(zhuǎn)動(dòng)地與傳動(dòng)裝置11連接；所述電動(dòng)臺(tái)車15可沿輸送架9縱軸方向移動(dòng)，其上安裝有至少兩對(duì)滾輪12，其中至少一對(duì)滾輪12與滾輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述滾輪12分別連接有電動(dòng)絲桿升降機(jī)構(gòu)13，每對(duì)滾輪12連接有電動(dòng)間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)16。

組對(duì)完成的鋼管1放于輸送架9的V形傳送輥7上，可在V形傳送輥7的帶動(dòng)下沿輸送架9的縱軸方向移動(dòng)。

待組對(duì)鋼管節(jié)2放于電動(dòng)臺(tái)車15的滾輪12上，其高度通過杠桿式電動(dòng)絲桿升降機(jī)構(gòu)13調(diào)節(jié)，其左右的偏離度通過電動(dòng)間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)16調(diào)節(jié)。

在本發(fā)明的實(shí)施例中：

所述輸送架9上沿其縱軸兩側(cè)安裝有防墜架8。用于防止組對(duì)完成的鋼管1的側(cè)翻墜落。

所述V形傳送輥7的傳動(dòng)裝置11是鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)裝置。

所述電動(dòng)臺(tái)車15下安裝有行走鋼軌6，電動(dòng)臺(tái)車15沿行走鋼軌6移動(dòng)。

所述電動(dòng)臺(tái)車15上安裝有電動(dòng)升降式托輥5。輔助支撐待組對(duì)鋼管節(jié)2。

本發(fā)明還包括有監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)包括輪廓測(cè)量單元、模擬匹配單元和自動(dòng)組對(duì)單元，其中：

輪廓測(cè)量單元用于測(cè)量鋼管管端輪廓；

模擬匹配單元用于管端輪廓進(jìn)行模擬匹配；

自動(dòng)組對(duì)單元用于對(duì)滿足要求的鋼管進(jìn)行自動(dòng)化組對(duì)。

本發(fā)明在鋼管卷制過程中對(duì)鋼管兩端進(jìn)行實(shí)時(shí)輪廓測(cè)量，并記錄下數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)一方面可以計(jì)算出橢圓度以判斷所卷鋼管是否達(dá)到要求；另一方面將需要組對(duì)的管端輪廓進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬組對(duì)來判斷是否符合組對(duì)時(shí)錯(cuò)邊量要求。對(duì)不合格的鋼管進(jìn)行有針對(duì)性的卷制校圓直到符合要求。

在組對(duì)環(huán)節(jié)，主要控制鋼管的橫向運(yùn)輸、縱向旋轉(zhuǎn)以及兩個(gè)管端分別3個(gè)自由度的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)精確組對(duì)。本發(fā)明提出了一種N+1組對(duì)方案，每次都通過對(duì)一端的單節(jié)鋼管進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)組對(duì)，將組對(duì)完的鋼管橫向運(yùn)輸?shù)搅硪欢耍粘鲈摱撕筮M(jìn)行第N+1節(jié)鋼管的組對(duì)。為了達(dá)到效率以及成本的最佳折中，提出“滾輪架+輸送輥”方案。滾輪架用于對(duì)單節(jié)鋼管的縱向旋轉(zhuǎn)以及管端調(diào)整，輸送輥用于鋼管橫向運(yùn)輸。

下面對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行詳細(xì)的解釋：

測(cè)量鋼管管端輪廓

利用激光測(cè)距儀能精確地測(cè)量出管端的輪廓，目前有多種測(cè)量方案。一種是將激光測(cè)距儀放置在鋼管內(nèi)部，通過旋轉(zhuǎn)激光測(cè)距儀或者旋轉(zhuǎn)鋼管的方式測(cè)量出輪廓；一種是將激光測(cè)距儀放置在鋼管外側(cè)，激光指向鋼管中心，通過轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管的方式測(cè)量出輪廓。本發(fā)明采用鋼管固定，兩組激光測(cè)距儀相對(duì)交叉放置在鋼管外側(cè)，并且通過上下掃描的方式進(jìn)行輪廓測(cè)量。

圖2為該方法的測(cè)量原理圖。其中，1、2分別為用于放置激光測(cè)距儀的立柱，四個(gè)激光測(cè)距儀3、4、5、6分別放置在立柱上并可以上下掃描。其中3、6以及4、5分別為一組。

圖3為測(cè)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(shí)際需要測(cè)量的鋼管截面與軸線垂直，設(shè)垂直截面與所在截面夾角為（見圖1）。當(dāng)傳感器整體移動(dòng)到某一高度時(shí)，可以測(cè)得一組數(shù)據(jù)：、、、，由這四個(gè)數(shù)值可以得到兩個(gè)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)

由上式后二項(xiàng)可得：

(2)

為了準(zhǔn)確計(jì)算角度，可以將測(cè)得的所有高度上的數(shù)值按上式進(jìn)行計(jì)算并求平均值。最后，將值代入(1)式可以計(jì)算出弦長，經(jīng)過一次掃描之后就可以根據(jù)多個(gè)高度上的弦長值擬合出截面的輪廓形狀。

這種利用兩組激光測(cè)距儀測(cè)量鋼管輪廓的方法可以對(duì)任意擺放的鋼管且無需轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

利用管端輪廓進(jìn)行模擬匹配，對(duì)不滿足組對(duì)要求的鋼管進(jìn)行校圓直至滿足要求

當(dāng)需要對(duì)接的相鄰管端輪廓被測(cè)量后，可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬匹配。如圖4所示，通過多個(gè)高度弦長的端點(diǎn)擬合出管端輪廓后，利用最小二乘迭代法計(jì)算出輪廓中心，其次將兩個(gè)管端的圓心對(duì)齊后根據(jù)縱縫錯(cuò)開角度就可以計(jì)算出各個(gè)位置處的錯(cuò)邊量，最后對(duì)不滿足要求的錯(cuò)邊量所在的位置處在卷管階段就進(jìn)行有針對(duì)性的較圓直至滿足要求。

最關(guān)鍵的步驟是如何利用最小二乘迭代法計(jì)算出輪廓中心?？梢赃x取一個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)，這樣可以將測(cè)得的所有弦長的端點(diǎn)轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)，最終形成n個(gè)樣本坐標(biāo)。假設(shè)要求的輪廓中心為，最小二乘法的思路是當(dāng)所有樣本坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的半徑幾乎相等即相互之間差值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)認(rèn)為是輪廓的中心。轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型為：求出，使得函數(shù)的值最小，函數(shù)稱為代價(jià)函數(shù)，其中，。

由于代價(jià)函數(shù)較為復(fù)雜，難以直接通過導(dǎo)數(shù)求解，可采用梯度下降法進(jìn)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(shù)。設(shè)定迭代終止閾值，即當(dāng)時(shí)，認(rèn)為即為求得的輪廓中心坐標(biāo)。

對(duì)滿足要求的鋼管進(jìn)行自動(dòng)化組對(duì)

1為組對(duì)完成的鋼管、2為待組對(duì)鋼管節(jié)、3為從動(dòng)滾輪行走架、4為主動(dòng)滾輪行走架、5為電動(dòng)升降式托輥、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(qū)動(dòng)電機(jī)、11為傳動(dòng)裝置、12為滾輪、13為電動(dòng)絲桿升降機(jī)構(gòu)、14為鋼軌、15為電動(dòng)臺(tái)車、16為電動(dòng)間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

組對(duì)系統(tǒng)如圖5所示，左邊為輸送架9，用于將組對(duì)完成的鋼管1向左邊輸送以空出右邊組對(duì)區(qū)域；右邊為電動(dòng)臺(tái)車15，用于對(duì)待組對(duì)鋼管節(jié)2進(jìn)行管口位置調(diào)節(jié)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，共有主、從兩對(duì)滾輪12。主動(dòng)滾輪放置最外端，從動(dòng)滾輪位于靠近組對(duì)焊縫端，兩個(gè)滾輪均具有行走、升降、平移、轉(zhuǎn)動(dòng)功能，其中從動(dòng)滾輪上配置了升降支撐輥筒機(jī)構(gòu)，滿足組對(duì)N+1鋼管組對(duì)后的工件傳送支承。

圖6所示為輸送架9的細(xì)節(jié)圖。其中傳輸輥道的輥筒采用V型輥筒，可以適應(yīng)較大范圍管徑變化的鋼管；且設(shè)置由防墜架，防止當(dāng)鋼管直徑過大時(shí)在輸送過程中的失衡。

圖7是電動(dòng)臺(tái)車15的細(xì)節(jié)圖，主、從滾輪架均采用了全電動(dòng)絲桿調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)精度高（可達(dá)到毫米級(jí)），且可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)可調(diào)，在高速狀態(tài)下可以迅速改變管口位置，低速狀態(tài)下具有管口組對(duì)微調(diào)功能，實(shí)現(xiàn)管口上下，左右、前后的低速移動(dòng)，達(dá)到多自由度對(duì)鋼管的調(diào)整以滿足直線度以及管口錯(cuò)邊量的調(diào)整。