一种在线调节铜管生产的装置及工艺的制作方法

本发明属于管材成形领域，具体涉及一种在线调节铜管生产的装置及工艺。

背景技术：

铜管以其优良的导电性、导热性、耐腐蚀性以及延展性被大量应用在空调、制冷、发电、建筑、输油、输水、输气管道等领域，这些领域对铜管的要求很高，尤其是制冷管，不仅要求铜管具有良好的散热性和耐腐蚀性，还必须具有足够的韧性、尺寸精度、表面质量等。铜管生产过程中，联拉管坯表面常出现黑纹现象，黑纹的产生是由三辊行星轧制管坯竹节痕缺陷引起的，黑纹严重的管坯，最终会在产品上产生锯齿伤等缺陷，缺陷的产生降低了产品的合格率，增加了生产成本，使企业在市场上无法形成竞争力，因此，铜管生产过程中的轧制管坯表面在线质量控制对提高企业的市场竞争力至关重要。

目前，企业普遍采用铸轧法生产tp2铜管，在三辊行星轧机轧制管坯时，由于轧辊存在倾斜角β和偏转角α，管坯上一点的运动不仅绕着轴线旋转，还同时沿着轧制线方向前进，形成了螺旋形的运动轨迹；若轧制速度不合适，会引起轧机轧辊的振动，使轧制出的管坯内、外径忽大忽小；两者综合作用就使得轧制管坯内、外表面形成了螺旋形的竹节痕。目前主流的轧制管坯竹节痕检测方案有两种，一是基于机器视觉检测竹节痕的深度大小，在现实生产中由于tp2铜本身的物理属性，使得轧制管坯表面十分光亮，反光强烈，导致检测结果极不稳定，误差过大；另一种是离线后的物理接触检测法，虽然检测结果稳定性高，但检测过程耗时费力，不仅增加了人工成本，还无法提高生产效率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以自动在线检测tp2铜管竹节痕的深度大小，并通过控制器对所采集的压力数据进行实时反馈处理，使轧制管坯竹节痕的深度大小逐步符合后续加工要求的装置及工艺。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供一种在线调节铜管生产的装置，其包括压力滚轮测量机构、水平丝杠传动机构、竖直丝杠传动机构、轧辊单元以及控制单元，所述压力滚轮测量机构位于轧制管坯正上方，压力滚轮测量机构安装在水平丝杠传动机构上，水平丝杠传动机构安装在竖直丝杠传动机构上；

所述竖直丝杠传动机构包括第一伺服电机、连接板、定位柱、第一滚珠丝杠以及底板，所述定位柱和第一滚珠丝杠竖直平行的安装在底板上，所述第一滚珠丝杠上端和定位柱上端通过连接板连接，第一伺服电机固定安装在连接板的上端并穿过连接板与第一滚珠丝杠连接；

所述水平丝杠传动机构包括t形支撑板、第二滚珠丝杠、支撑杆、第二伺服电机和减速器，所述t形支撑板包括横板和竖板，第二滚珠丝杠和支撑杆分别水平安装在所述横板上，第二伺服电机和减速器安装在所述横板的一侧，第二伺服电机的输出轴借助于减速器连接第二滚珠丝杠，所述竖板上开设有分别用于安装第一滚珠丝杠和定位柱的安装孔；

所述压力滚轮测量机构包括多个齿轮、u形支撑架、多个压力弹簧、多个压力滚轮、第三伺服电机以及压力传感发射器，多个齿轮并排安装在u形支撑架的上方，相邻的两个齿轮之间相互啮合，第三伺服电机和多个压力弹簧分别并列设置在u形支撑架的下方，第三伺服电机穿过u形支撑架与一个端部的第一个齿轮固定连接，每一个压力弹簧穿过u形支撑架分别与一个齿轮固定连接，第三伺服电机与第一个压力弹簧之间以及每两个压力弹簧之间均间隔设置有一个齿轮，每一个压力弹簧的下端部设置有一个压力滚轮；所述u形支撑架的两个侧板上分别开设有用于安装第二滚珠丝杠和支撑杆的安装孔；

所述轧辊单元为三辊行星轧机，所述轧辊单元与所述控制单元通讯连接并受控于所述控制单元；所述控制单元包括压力传感器接收仪、控制器和支撑架，压力传感器接收仪和控制器放置在支撑架上，压力传感器接收仪与控制器相互连接，压力传感器接收仪能够接收来自压力传感发射器所发送的实时测量数据并发送给控制器。

优选地，所述齿轮设置有11个，所述压力弹簧设置有5个，每个压力弹簧分别与第三个小齿轮、第五个小齿轮、第七个小齿轮、第九个小齿轮或第十一个小齿轮固定连接。

优选地，所述压力滚轮的工作接触面宽度为2mm，相邻两个压力滚轮间的距离为8mm。

优选地，第一滚珠丝杠通过滚珠丝杠底座安装在底板上。

优选地，所述轧制管坯为铜坯，所述铜坯内部设置有芯棒。

优选地，三辊行星轧机的三个轧辊围绕铜管的轴线按120°平均分布，且轧辊的轴线与铜管的轴线之间形成具有一定角度的偏转角α和倾斜角β。

优选地，本发明还提供一种在线调节铜管生产的工艺，其包括如下步骤：

s1、第一伺服电机启动，第一滚珠丝杠带动水平丝杠传动机构以1-2mm/s的速度调节压力滚轮测量机构与管坯之间的距离，当控制器接收到全部压力传感发射器的输出信号时，关闭第一伺服电机；

s2、控制第三伺服电机，按顺时针以每次1°的范围调节压力滚轮的方向，直到每个压力传感发射器所发送的数据稳定为止；

s3、每个压力滚轮的测量数据稳定之后，压力滚轮测量机构开始对轧制管坯的竹节痕深度进行测量，控制器开始记录测量时间t内的数据并通过比较得出每个压力滚轮各自所测量数据的最大值pi和每个压力滚轮各自所测量数据的最小值qi，其中，i为压力滚轮的标号；

s4、测量时间t结束后，先启动第一伺服电机，将压力滚轮测量机构上升高度h，再启动第二伺服电机，将压力滚轮测量机构沿管坯运动方向水平移动一段距离l，然后控制第一伺服电机将压力滚轮测量机构下降相同高度h；

s5、压力滚轮测量机构再次对轧制管坯的竹节痕深度进行测量，控制器再次记录测量时间t内的数据并通过比较得出此次测量时间t内每个压力滚轮各自所测量的最大值mi和此次测量时间t内每个压力滚轮各自所测量的最小值ni；其中，i为压力滚轮的标号；

s6、比较数值pi和mi的大小，若pi<mi，则令pi＝mi，若pi>mi，则不变，比较数值qi和ni的大小，若qi>ni，则令qi＝ni，若qi<ni，则不变；

s7、步骤s6结束后，再另行重复步骤s4～步骤s6n次，压力滚轮测量机构在轧制管坯的运动方向一共水平移动n+1次，从而使每个压力滚轮测量n+2组数据，其中压力滚轮测量机构在轧制管坯的运动方向水平移动n+1次的总距离l总为l*(n+1)，该总距离l总与两个压力滚轮之间的距离相等；

s8、控制器比较p1、p2、......、pn之间的大小，将最大值赋予p，控制器比较q1、q2、......、qn之间的大小，将最小值赋予q，得出轧制管坯竹节痕的最大深度h＝p-q，控制器通过内设的阈值区间判断h是否符合轧制管坯竹节痕深度的阈值区间；

s9、若h不属于阈值区间，则控制器将该结果反馈给三辊行星轧机，并降低轧制速度，然后等待一段时间后，再次从步骤s1开始重新检测轧制管坯竹节痕的深度，直到轧制管坯竹节痕的最大深度处于阈值区间内。

优选地，步骤s3以及步骤s5中控制器记录数据的测量时间t为1-5s。

优选地，步骤s7中n等于3，l等于2mm，l总等于8mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明可以在线检测轧制管坯竹节痕的深度大小，并根据需求设定最佳的经济性深度指标，来进行在线闭环反馈调剂。与目前的离线检测技术相比，解决了反馈调节周期长的困境，同时节约了人工成本，还提高了生产效率。

2、本发明用压力滚轮和压力弹簧对竹节痕的深度进行测量，通过压力传感发射器将数据发送给控制器，控制器将数据进行处理后显示为竹节痕深度曲线图，现场的操作工可以直观的观察到轧制管坯竹节痕的深浅情况。与目前基于机器视觉的在线检测技术相比，解决了由于铜管光亮、反光效果强烈而导致轧制管坯竹节痕深度在线测量误差大的难题，提升了测量过程的稳定性，并提高了测量结果的精度。

附图说明

图1a是本发明装置的整体机构示意图；

图1b是本发明的控制部分的结构示意图；

图2是本发明装置的局部结构示意图之一；

图3是本发明装置的局部结构示意图之二；

图4是轧制铜坯的剖面示意图；以及

图5是本发明的工作流程图。

图中部分附图标记如下：

1-芯棒；2-铜坯；3-轧辊；4-第一伺服电机；5-连接板；6-定位柱；7-第一滚珠丝杠；8-底板；9-t形支撑板；10-第二滚珠丝杠；11-支撑杆；12-第二伺服电机；13-减速器；14-小齿轮；15-u形支撑架；16-压力弹簧；17-压力滚轮；18-第三伺服电机；19-第一滚珠丝杠孔；20-定位柱孔；21-支撑杆孔；22-第二滚珠丝杠孔；23-压力传感发射器；24-控制器；25-压力传感器接收仪；26-支撑架；27-滚珠丝杠底座。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种在线调节铜管生产的装置，包括压力滚轮测量机构、水平丝杠传动机构、竖直丝杠传动机构、轧辊单元以及控制单元，压力滚轮测量机构位于轧制管坯正上方，压力滚轮测量机构安装在水平丝杠传动机构上，水平丝杠传动机构安装在竖直丝杠传动机构上；

在图1中轧辊单元为三辊行星轧制装置，其由芯棒1、铜坯2和三个轧辊3组成，芯棒1放置在水平连铸空心铜坯2中，三个轧辊3围绕铜坯2的轴线按120°平均分布，且轧辊3轴线与铜坯2轴线之间形成具有一定角度的偏转角α和倾斜角β，从而三个轧辊3形成轧制孔，芯棒1和铜坯2通过轧制孔进行轧制。

在图1中，其中压力滚轮测量机构位于三辊行星轧制铜坯2的正上方，压力滚轮测量机构通过第二滚珠丝杠孔22和第二滚珠丝杠10配合、支撑杆孔21和支撑杆11配合安装在水平丝杠传动机构上，启动第二伺服电机12，压力滚轮测量机构可以在第二滚珠丝杠10的带动下缓慢水平移动，水平丝杠传动机构通过第一滚珠丝杠孔19和第一滚珠丝杠7配合以及定位柱孔20和定位柱6配合安装在竖直丝杠传动机构上，当第一伺服电机4启动时，水平丝杠传动机构可以在第一滚珠丝杠7的带动下上下运动。

竖直丝杠传动机构包括第一伺服电机4、连接板5、定位柱6、第一滚珠丝杠7、滚珠丝杠底座27和底板8，定位柱6竖直固定连接在底板8上，第一滚珠丝杠7通过滚珠丝杠底座27安装在底板8上，同时第一滚珠丝杠7和定位柱6保持平行，第一滚珠丝杠7上端和定位柱6的上端通过连接板5连接，第一伺服电机4固定安装在连接板5上端，同时第一伺服电机4可以带动第一滚珠丝杠7转动。

在图2中，水平丝杠传动机构包括t形支撑板9、定位柱孔20、第一滚珠丝杠孔19、第二滚珠丝杠10、支撑杆11、第二伺服电机12和减速器13，定位柱孔20用于和定位柱6配合安装，第一滚珠丝杠孔19用于和第一滚珠丝杠7配合安装，第二伺服电机12和减速器13安装在t形支撑板9的一侧，第二伺服电机12与减速器13连接，减速器13与第二滚珠丝杠10连接，第二伺服电机12通过减速器13来控制第二滚珠丝杠10的正转与反转，并由减速器13来实现第二滚珠丝杠10的缓慢旋转，进一步实现压力滚轮测量机构的微量移动。

在图3中，压力滚轮测量机构包括小齿轮14、u形支撑架15、压力弹簧16、压力滚轮17、第三伺服电机18、支撑杆孔21、第二滚珠丝杠孔22和压力传感发射器23，支撑杆孔21用于和支撑杆11配合安装，第二滚珠丝杠孔22用于和第二滚珠丝杠10配合安装，11个小齿轮14并排安装在u形支撑架15的上方，同时相邻两个小齿轮14相互啮合，第三伺服电机18穿过u形支撑架15与第一个小齿轮固定连接，五个压力弹簧16穿过u形支撑架15分别与第三个小齿轮、第五个小齿轮、第七个小齿轮、第九个小齿轮、第十一个小齿轮固定连接，每个压力弹簧16下方都安装有压力滚轮17，这样就可以保证每个压力滚轮17的转动方向都是一致的，压力滚轮17的工作接触面宽度为2mm，相邻两个压力滚轮17间的距离为8mm，第三伺服电机18带动第一个小齿轮转动，第一个小齿轮带动第二个小齿轮转动，以此类推，其余小齿轮14依次转动，小齿轮14转动的同时带动与其连接的压力弹簧16和压力滚轮17转动，进一步实现了对全部压力滚轮17方向的同步调节。

在图1中，控制单元包括压力传感器接收仪25、控制器24和支撑架26，支撑架26在本实施例中可以为桌子。压力传感器接收仪25和控制器24放置在支撑架26上，压力传感器接收仪25与控制器24相连接，压力传感器接收仪25接收来自压力传感发射器23所发射的实时测量数据，控制器24将数据进行处理后在显示屏上显示为压力滚轮测量机构所测量的压力曲线图，让工作人员能更加直观的了解轧制管坯表面竹节痕的深浅情况。在本实施例中，控制器可以为计算机。

在图4中，h表示轧制管坯竹节痕的深度，当压力滚轮位于竹节痕高高突起的两侧时，压力弹簧受到的力变大，压力滚轮所测量到的数据就变大，当压力滚轮位于两个竹节痕中间时，压力弹簧受到的力变小，压力滚轮所测量到的数据就变小，故所测量的最大值减去最小值就是竹节痕的深度。

优选地，本发明还提供一种在线调节铜管生产的工艺，包括如下步骤：

s1、第一伺服电机启动，第一滚珠丝杠带动水平丝杠传动机构以1-2mm/s的速度调节压力滚轮测量机构与管坯之间的距离，当控制器接收到全部压力传感发射器的输出信号时，关闭第一伺服电机；

s2、控制第三伺服电机，按顺时针以每次1°的范围调节压力滚轮的方向，直到每个压力传感发射器所发送的数据稳定为止；

s3、每个压力滚轮的测量数据稳定之后，压力滚轮测量机构开始对轧制管坯的竹节痕深度进行测量，控制器开始记录测量时间t内的数据并通过比较得出每个压力滚轮各自所测量数据的最大值pi和每个压力滚轮各自所测量数据的最小值qi，其中，i为压力滚轮的标号；

s4、测量时间t结束后，先启动第一伺服电机，将压力滚轮测量机构上升高度h，再启动第二伺服电机，将压力滚轮测量机构沿管坯运动方向水平移动一段距离l，然后控制第一伺服电机将压力滚轮测量机构下降相同高度h；

s5、压力滚轮测量机构再次对轧制管坯的竹节痕深度进行测量，控制器再次记录测量时间t内的数据并通过比较得出此次测量时间t内每个压力滚轮各自所测量的最大值mi和此次测量时间t内每个压力滚轮各自所测量的最小值ni；其中，i为压力滚轮的标号；其中测量时间t可以根据需要进行设定，只要能够满足测量需求即可。

s6、比较数值pi和mi的大小，若pi<mi，则令pi＝mi，若pi>mi，则不变，比较数值qi和ni的大小，若qi>ni，则令qi＝ni，若qi<ni，则不变；

s7、步骤s6结束后，再另行重复步骤s4～步骤s6n次，压力滚轮测量机构在轧制管坯的运动方向一共水平移动n+1次，从而使每个压力滚轮测量n+2组数据，其中压力滚轮测量机构在轧制管坯的运动方向水平移动n+1次的总距离l总为l*(n+1)，该总距离l总与两个压力滚轮之间的距离相等；

s8、控制器比较p1、p2、......、pn之间的大小，将最大值赋予p，控制器比较q1、q2、......、qn之间的大小，将最小值赋予q，得出轧制管坯竹节痕的最大深度h＝p-q，控制器通过内设的阈值区间判断h是否符合轧制管坯竹节痕深度的阈值区间；

s9、若h不属于阈值区间，则控制器将该结果反馈给三辊行星轧机，并降低轧制速度，然后等待一段时间后(该一段时间为等待之前轧制完成的管坯通过的时间)，再次从步骤s1开始重新检测轧制管坯竹节痕的深度，直到轧制管坯竹节痕的最大深度处于阈值区间内。

下面结合实施例对本发明的工作原理进行进一步说明，本实施例中，压力滚轮设置有5个，两个压力滚轮之间的距离为8mm，本发明的实施例提供一种在线调节铜管生产的工艺，包括如下步骤：

(1)第一伺服电机启动，第一滚珠丝杠带动水平丝杠传动机构以1-2mm/s的速度调节压力滚轮测量机构与轧制管坯之间的距离，当全部压力传感发射器都有信号输出时，关闭第一伺服电机。

(2)控制第三伺服电机，按顺时针以每次1°的范围调节压力滚轮的方向，直到每个压力传感发射器所发送的数据都是稳定的为止，此时，压力滚轮与轧制管坯竹节痕的螺旋方向是一致的。

(3)每个压力滚轮的测量数据稳定之后，控制器开始记录数据并通过比较得出每个压力滚轮各自所测量数据的最大值pi和每个压力滚轮各自所测量数据的最小值qi，这个过程的时间为5s；(i＝1，2，3，4，5，p1为第一个压力滚轮所测量的最大值，q1为第一个压力滚轮所测量的最小值，其余以此类推。)

(4)5s结束后，先启动第一伺服电机，将压力滚轮测量机构上升高度h，再启动第二伺服电机，将压力滚轮测量机构沿轧制管坯运动方向水平移动2mm，紧接着控制第一伺服电机将压力滚轮测量机构下降高度h，高度h前后保持一致。

(5)压力滚轮测量机构再次对轧制管坯竹节痕深度进行测量，计时5s，控制器再次记录数据并通过比较得出此次5s内每个压力滚轮各自所测量的最大值mi和此次5s内每个压力滚轮各自所测量的最小值ni；(i＝1，2，3，4，5，m1为第一个压力滚轮此次5s内所测量的最大值，n1为第一个压力滚轮此次5s内所测量的最小值。)

(6)比较pi和mi，若pi<mi，则令pi＝mi，反之，则不变，比较qi和ni，若qi>ni，则令qi＝ni，反之，则不变，总之，要让pi最终是每个压力滚轮各自所测量数据中的最大值，要让qi最终是每个压力滚轮各自所测量数据中的最小值。

(7)在上述步骤的基础上，另行重复步骤(4)～步骤(6)3次，每个压力滚轮一共测量五组数据，压力滚轮测量机构一共在轧制管坯的运动方向水平移动了8mm，相当于两个压力滚轮之间的距离。

(8)控制器比较p1、p2、p3、p4、p5之间的大小，将最大值赋予p，控制器比较q1、q2、q3、q4、q5之间的大小，将最小值赋予q，得出轧制管坯竹节痕的最大深度为h＝p-q，控制器通过比较，判断h是否符合轧制管坯竹节痕深度的最佳区间；

(9)若h不属于最佳区间，则反馈给三辊行星轧机，降低轧制速度，然后等待30s，从步骤(1)开始重新检测轧制管坯竹节痕的深度，直到轧制管坯竹节痕的最大深度处于最佳区间内，能够满足下一道工序对轧制管坯竹节痕的质量要求。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。