CN110920040A - Pe管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置及方法 - Google Patents

Abstract

PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置及方法，包括设置于PE管冷却段前端的伺服矫正部分，设置于PE管冷却段后端的激光检测部分。激光检测部分包括第一伺服电机，第一伺服电机输出轴连接第一驱动齿轮，第一驱动齿轮与第一回转支承轴承的齿形外圈啮合；第一回转支承轴承的齿形外圈设置有激光传感器。第二伺服电机输出轴连接第二驱动齿轮，第二驱动齿轮与第二回转支承轴承的齿形外圈啮合；矫正机构组件包括第三伺服电机、位于第三伺服电机两侧的滑块，所述第三伺服电机、滑块均安装在第二回转支承轴承的齿形外圈上；滑轨上固定安装滚筒架，滚筒架通过螺母连接丝杆，丝杆与第三伺服电机输出轴连接，滚筒架上安装有锥滚筒。本发明能够对PE管成品塑管的不圆度进行实时检测，同时能对PE管不圆度在线进行矫正调整，使得对PE管不圆度误差矫正达到允许范围。

Description

PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置及方法

技术领域

本发明涉及PE管生产过程中不圆度在线检测技术领域，具体涉及一种PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置及方法。

背景技术

现有PE管制造工艺中，涉及PE管成品塑管的不圆度检测，一般都是人工用卷尺或卡尺测量PE管产线末端的切断工位切断口的变形最大直径及角度，然后在前端冷却段工序中手动调整机械对角夹轮锁紧的角度/对角距离以矫正变形，重复该测量和该调整过程。若是PE管成品塑管的不圆度符合规定的误差范围，调整结束；若是仍不达标，则过程不断重复，直到切断环节PE管口的误差符合规定的误差。上述PE管不圆度检测的弊端在于：

1）、人工测量PE管口直径误差较大，且无法精确到整个的PE管圆周口面，往往只能找到最大直径及角度，调整的时候也是大致调整。

2）、由于是人工依靠经验操作调整机械夹轮，也存在调整精度不够的弊端；且人工定时抽检、定时调整，并非是实时调整，在某个时间段若是出现PE管不圆，无法及时准确的进行调整，发现及处置不及时会导致一定批量的产品质量不合格。

3）、人工测量PE管口误差数据，无法及时作为前端设备及参数异常的指标数据，后续在PE管不圆度监测中，无法将设备异常、模具异常与原料配方参数建立一个对应的关系并在制造工艺中进行实时调整。

中国专利“申请号 201821747063 .3；授权公告号：CN209214552 U”记载了“一种转子外圆自动检测装置”，其用于转子外圆的形状、尺寸的检测，使激光发射器发1出的激光能扫过整个转子外圆，由于激光无法穿过转子故而激光接收器无法接收到激光的区域即为转子的外圆直径。激光接收器将信号送入处理器进行处理，之后传送到显示器进行显示。若检测合格，则将检测合格的转子送入下一道工序；若检测不合格，则显示器显示不合格，提醒操作工人取走。该方案不适用于PE管不圆度在线检测，不能对PE管不圆度在线进行补偿调整、也无法对PE管矫正到国标允许范围。

中国专利“申请号 201721252134 .8；授权公告号：CN 207388287 U”记载了“一种塑料管材不圆度校正装置”，其中的，控制盒内设有控制数个支撑杆同时收缩或延伸的控制装置；控制装置包括两个截面呈等腰梯形设置的控制框架，两个控制框架所形成的平面垂直设置，位于两个控制框架的交点设有与两个控制框架垂直设置所形成的平面垂直的立柱，立柱穿过小螺母，通过小螺母的正转或反转操控控制装置的上升或下降，所以当立柱上升或下降时，能够控制支撑杆在套管内同时伸缩。能够进行多点同时调节，误差小，精度高，操作简单方便，能够有效的为管材进行校正。可见，其实际是通过小螺母的正转或反转操控控制装置的上升或下降，半自动化操作，精度不高；也无法实时检测PE管成品塑管的不圆度；更不能对PE管不圆度在线进行矫正调整。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置及方法，能够对PE管成品塑管的不圆度进行实时检测，同时能对PE管不圆度在线进行矫正调整，使得对PE管不圆度误差矫正达到允许范围。同时能通过不圆度的在线监测发现前端设备及模具成型异常，通过网络及时报警避免事故扩大化。

本发明采取的技术方案为：

PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置，包括设置于PE管冷却段前端的伺服矫正部分，设置于PE管冷却段后端的激光检测部分；

所述激光检测部分包括第一伺服电机，第一伺服电机输出轴连接第一驱动齿轮，第一驱动齿轮与第一回转支承轴承的齿形外圈啮合，第一回转支承轴承的内圈固定；所述第一回转支承轴承的齿形外圈安装有激光传感器；

所述伺服矫正部分包括第二伺服电机，矫正机构组件，所述第二伺服电机输出轴连接第二驱动齿轮，第二驱动齿轮与第二回转支承轴承的齿形外圈啮合；

所述矫正机构组件包括第三伺服电机、位于第三伺服电机两侧的滑块，所述第三伺服电机、滑块均安装在第二回转支承轴承的齿形外圈上，第二回转支承轴承的内圈固定；滑块与滑轨滑动装配，滑轨上固定安装滚筒架，滚筒架连接有螺母，螺母连接丝杆，丝杆与第三伺服电机输出轴连接，所述滚筒架上安装有锥滚筒；

所述激光传感器、第一、二、三伺服电机均连接控制系统。

所述矫正机构组件为两个，径向对称安装在第二回转支承轴承的齿形外圈上。当PE管道直径较小时，两个矫正机构组件中的一个可以选择为固定不动，不做矫正动作，这个矫正机构组件中只有滚筒架和锥滚筒，滚筒架直接固定在第二回转支撑轴承的齿形外圈上。

所述第一回转支承轴承的内圈通过第一支撑架固定安装在PE管冷却段后端机台上；第二回转支承轴承的内圈通过第二支撑架固定安装在PE管冷却段前端机台上。

所述第一回转支承轴承与第二回转支承轴承位于同一轴心线上。

所述控制系统包括PLC控制器，PLC控制器将生产过程数据上传至上位机。

PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法，包括以下步骤：

步骤1： 生产线上热熔状态的PE管从PE管冷却段的前端进入，在PE管冷却段内逐渐冷却，从PE管冷却段后端送出。PE管冷却段的后端：第一伺服电机带动第一驱动齿轮驱动第一回转支承轴承的齿形外圈旋转，第一回转支承轴承的内圈固定；

步骤2：第一回转支承轴承的齿形外圈旋转带动激光传感器旋转，激光传感器对冷却段后端的PE管外壁与激光传感器之间的距离进行360°测量；

步骤3：激光传感器测量得到的的PE管外壁数据，输入至控制系统。控制系统计算出PE管不圆度沿圆周方向的误差分布。控制系统根据误差分布进行判断，当所有误差均未达到最小矫正要求时，控制系统不输出，第二伺服电机和第三伺服电机均不动作。当误差达到矫正要求时，控制系统记录不圆度的最大误差值ΔL和产生该误差的角度θ。

步骤4：根据角度θ，控制系统驱动第二伺服电机，带动第二驱动齿轮，驱动第二回转支撑轴承的齿形外圈旋转，驱动固定在其上的矫正机构组件旋转，使第三伺服电机的轴线与θ角重合。

步骤5：根据误差值ΔL，控制系统驱动第三伺服电机带动丝杆沿螺母向前运动，螺母带动滚筒架移动，锥滚筒挤压待冷却的PE管。

步骤6：矫正后的PE管经过PE管冷却段后端送出，由激光传感器检测，再由控制系统判断，得到新的最大误差和产生该误差的角度。若最大误差不足以达到最小矫正要求，则第三伺服电机带动锥滚筒离开PE管外壁，不进行挤压矫正；若最大误差超出产品允差范围，则报警显示有废品产生；否则，控制系统根据最大误差计算并驱动第三伺服电机带动锥滚筒产生对PE管的挤压矫正位移。

PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法，还包括步骤7：激光传感器多次采集PE管不圆度数据，然后伺服矫正部分多次进行实时动态进行矫正，利用PID整定控制，逐步缩小PE管不圆度误差到一个最小值。

PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法， PLC控制器将生产过程数据上传至上位机，上位机对历史不圆度数据进行分析，判断出前端设备、或者模具成型过程中的异常情况，通过报警显示、控制前端设备、或者模具停机方式，避免严重制程工艺事故。

PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法，上位机将误差统计数据通过网络上传至操作终端，作为该批次原料、配方、或者挤塑成型设备的反馈指标。

本发明一种PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置及方法，技术效果如下：

1：通过设置一个激光传感器，第一回转支承轴承的齿形外圈带动激光传感器在冷却段后端PE管外围进行360°旋转，能够对PE管冷却段后端的PE管成品进行实时在线的不圆度检测，不圆度数据能够生成历史数据便于后续分析。

2：通过伺服矫正部分的两个矫正机构组件，两个锥滚筒通过第二回转支承轴承的齿形外圈在冷却段前端PE管外围进行360°旋转并挤压，对其不圆度进行实时在线的矫正。使得矫正之后PE管不圆度达到标准允许的范围。

3：激光传感器多次采样、矫正机构组件多次矫正后，能够通过PID整定控制逐步缩小PE管不圆度误差到一个最小值。

4：通过不圆度数据能够生成历史数据，能够发现前端设备、或者模具成型异常，通过网络及时报警，控制停机避免事故扩大化。

5：不圆度误差数据能够上传至操作终端，作为该批次原料、配方、或者挤塑成型设备的反馈指标。

6：整套装置在不影响现有PE管制作工艺线前提下进行布设，布设简单，方便操作，成本较低。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置的伺服矫正部分结构示意图。

图3为本发明装置的控制框图。

具体实施方式

如图1~图3所示，PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置，包括设置于PE管冷却段1前端的伺服矫正部分，设置于PE管冷却段1后端的激光检测部分。

所述PE管冷却段1包括不锈钢壳体，其内设置有多个喷头，通过喷淋冷水方式对PE管进行冷却。

所述激光检测部分包括第一伺服电机2，第一伺服电机2输出轴连接第一驱动齿轮3，第一驱动齿轮3与第一回转支承轴承4的齿形外圈啮合，第一回转支承轴承4的内圈固定；所述第一回转支承轴承4的齿形外圈安装有激光传感器5。所述第一回转支承轴承4的内圈通过第一支撑架固定安装在PE管冷却段1后端机台上。第一支撑架采用不锈钢焊接在机台上构成，确保第一回转支承轴承4的内圈固定牢靠不晃动即可。

激光传感器5 为：松下HG-C1100，测距范围65-135mm，量程70mm，精度70μm，标准4-20mA模拟量输出。可根据被测产品需要改为：HG-C1030或HG-C1050

第一伺服电机2为西门子1FL6062-1AC61-0AA1，1kW，额定转矩4.77Nm，额定转速2000rpm。

所述伺服矫正部分包括第二伺服电机6，矫正机构组件，所述第二伺服电机6输出轴连接第二驱动齿轮7，第二驱动齿轮7与第二回转支承轴承8的齿形外圈啮合；第二回转支承轴承8的内圈通过第二支撑架固定安装在PE管冷却段1前端机台上。第二支撑架采用不锈钢焊接在机台上构成，确保第二回转支承轴承8的内圈固定牢靠不晃动即可。

第二伺服电机6 为西门子1FL6062-1AC61-0AA1，1kW，额定转矩4.77Nm，额定转速2000rpm。

所述矫正机构组件包括第三伺服电机9、位于第三伺服电机9两侧的两个滑块10，所述第三伺服电机9、两个滑块10均安装在第二回转支承轴承8的齿形外圈上，第二回转支承轴承8的内圈固定。两个滑块10分别与两个滑轨11滑动装配，两个滑轨11端部固定安装滚筒架12，滚筒架12底部中间连接有螺母13，螺母13连接丝杆14，丝杆14通过联轴器与第三伺服电机9输出轴连接。所述滚筒架12上安装有锥滚筒15。所述矫正机构组件为两个，径向对称安装在第二回转支承轴承8的齿形外圈上。

所述第一回转支承轴承4与第二回转支承轴承8位于同一轴心线上，并与PE管同轴线。

第三伺服电机9为：西门子1FL6042-1AF61-0AA1电机，0.4kW，额定转矩1.27Nm，额定转速3000rpm。

所述激光传感器5通过信号采集模块连接控制系统16。

信号采集模块为：西门子EM AM06信号采集模块。

第一、二、三伺服电机通过驱动模块连接控制系统16。

第一和第二伺服电机的驱动模块为：6SL3210-5FE11-0UA0驱动模块，第三伺服电机的驱动模块为：6SL3210-5FE10-4UA0驱动模块。

所述控制系统16包括PLC控制器，PLC控制器通过有线或者无线方式连接上位机17。

上位机17为：研华PPC-3120工控机。

PLC控制器为：西门子S7-1500 CPU 1513-1 PN型PLC控制器。

PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法，包括以下步骤：

步骤1：生产线上热熔状态的PE管从PE管冷却段1的前端进入，在PE管冷却段1内逐渐冷却，从PE管冷却段1后端送出。PE管冷却段1的后端：第一伺服电机2带动第一驱动齿轮3驱动第一回转支承轴承4的齿形外圈旋转，第一回转支承轴承4的内圈固定；

步骤2：第一回转支承轴承4的齿形外圈旋转带动激光传感器5旋转，激光传感器5 对冷却段1后端的PE管外壁与激光传感器5之间的距离进行360°测量。

步骤3：激光传感器5测量得到的PE管18外壁数据，输入至控制系统16，控制系统16计算出PE管18不圆度沿圆周方向的误差分布。控制系统16根据误差分布进行判断，当所有误差均未达到最小矫正要求时，控制系统16不输出，第二伺服电机6和第三伺服电机9均不动作。当误差达到矫正要求时，控制系统16记录不圆度的最大误差值ΔL和产生该误差的角度θ。

步骤4：根据角度θ，控制系统16驱动第二伺服电机6，带动第二驱动齿轮7，驱动第二回转支撑轴承8的齿形外圈旋转，驱动固定在其上的矫正机构组件旋转，使第三伺服电机9的轴线与θ角重合。

与步骤4同时步骤5：根据误差值ΔL，控制系统16驱动第三伺服电机9带动丝杆14沿螺母13向前运动，螺母13带动滚筒架12移动，锥滚筒15挤压待冷却的PE管。

步骤6：矫正后的PE管经过PE管冷却段1后端送出，由激光传感器5检测，再由控制系统16判断，得到新的最大误差和产生该误差的角度。若最大误差不足以达到最小矫正要求，则第三伺服电机9带动锥滚筒15离开PE管外壁，不进行挤压矫正；若最大误差超出产品允差范围，则报警显示有废品产生；否则，控制系统16根据最大误差计算并驱动第三伺服电机9带动锥滚筒15产生对PE管的挤压矫正位移。利用PID整定控制，逐步缩小PE管不圆度误差到一个最小值。

PID整定控制：西门子S7-1500PLC控制器含有集成调节功能的通用PID控制器。包括：比例P控制，控制器的输出与输入误差成比例关系，系统输出存在稳态误差。积分I控制，控制器的输出与输入误差的积分成正比关系，积分项会随着时间的增加而加大，会推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。比例+积分PI控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分D控制，控制器的输出与输入误差的微分成比例关系，它能预测误差变化的趋势，比例+积分PD控制器能改善系统调节过程中的动态特性。PID控制的三个参数能直接在控制系统的试验中获得，称为PID整定。

PLC控制器将生产过程数据上传至上位机17，上位机17对历史不圆度数据进行分析，判断出前端设备、或者模具成型过程中的异常情况，通过报警显示、控制前端设备、或者模具停机方式，避免严重制程工艺事故。

模具成型过程中异常：模具损坏导致管道成型失败、温度控制失败导致管道成型过程中形成缺陷、材料配方出错导致管道成型异常、供料设备工作异常导致管道不连续等等。

另外，各种原因导致的管道异形，超出了PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置的矫正能力，也视为前端设备异常。

上位机17将误差统计数据通过网络上传至操作终端，作为该批次原料、配方、或者挤塑成型设备的反馈指标。上位机工控机存储记录生产不同批次管道的不圆度误差分布，及对应批次的原料、配方和各生产设备（参数）的工况，再进行数据分析，找出影响管道不圆度的因素，为设备调整和生产过程管理提供依据。

Claims (9)

1.PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置，包括设置于PE管冷却段（1）前端的伺服矫正部分，设置于PE管冷却段（1）后端的激光检测部分；其特征在于：所述激光检测部分包括第一伺服电机（2），第一伺服电机（2）输出轴连接第一驱动齿轮（3），第一驱动齿轮（3）与第一回转支承轴承（4）的齿形外圈啮合，第一回转支承轴承（4）的内圈固定；所述第一回转支承轴承（4）的齿形外圈安装有激光传感器（5）；

所述伺服矫正部分包括第二伺服电机（6），矫正机构组件，所述第二伺服电机（6）输出轴连接第二驱动齿轮（7），第二驱动齿轮（7）与第二回转支承轴承（8）的齿形外圈啮合；

所述矫正机构组件包括第三伺服电机（9）、位于第三伺服电机（9）两侧的滑块（10），所述第三伺服电机（9）、滑块（10）均安装在第二回转支承轴承（8）的齿形外圈上，第二回转支承轴承（8）的内圈固定；滑块（10）与滑轨（11）滑动装配，滑轨（11）上固定安装滚筒架（12），滚筒架（12）连接有螺母（13），螺母（13）连接丝杆（14），丝杆（14）与第三伺服电机（9）输出轴连接，所述滚筒架（12）上安装有锥滚筒（15）；

所述激光传感器（5）、第一、二、三伺服电机均连接控制系统（16）。

2.根据权利要求1所述PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置，其特征在于：所述矫正机构组件为两个，径向对称安装在第二回转支承轴承（8）的齿形外圈上。

3.根据权利要求1所述PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置，其特征在于：所述第一回转支承轴承（4）的内圈通过第一支撑架固定安装在PE管冷却段（1）后端机台上；第二回转支承轴承（8）的内圈通过第二支撑架固定安装在PE管冷却段（1）前端机台上。

4.根据权利要求1所述PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置，其特征在于：所述第一回转支承轴承（4）与第二回转支承轴承（8）位于同一轴心线上。

5.根据权利要求1所述PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正装置，其特征在于：所述控制系统（16）包括PLC控制器，PLC控制器将生产过程数据上传至上位机（17）。

6.PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1： 生产线上热熔状态的PE管从PE管冷却段（1）的前端进入，在PE管冷却段（1）内逐渐冷却，从PE管冷却段（1）后端送出；8. PE管冷却段（1）的后端：第一伺服电机（2）带动第一驱动齿轮（3）驱动第一回转支承轴承（4）的齿形外圈旋转，第一回转支承轴承（4）的内圈固定；

步骤2：第一回转支承轴承（4）的齿形外圈旋转带动激光传感器（5）旋转，激光传感器（5）对冷却段（1）后端的PE管外壁与激光传感器（5）之间的距离进行360°测量；

步骤3：激光传感器（5）测量得到的的PE管外壁数据，输入至控制系统（16），

控制系统（16）计算出PE管不圆度沿圆周方向的误差分布，控制系统（16）根据误差分布进行判断，当所有误差均未达到最小矫正要求时，控制系统（16）不输出，第二伺服电机（6）和第三伺服电机（9）均不动作；当误差达到矫正要求时，控制系统（16）记录不圆度的最大误差值ΔL和产生该误差的角度θ；

步骤4：根据角度θ，控制系统（16）驱动第二伺服电机（6），带动第二驱动齿轮（7），驱动第二回转支撑轴承（8）的齿形外圈旋转，驱动固定在其上的矫正机构组件旋转，使第三伺服电机（9）的轴线与θ角重合；

步骤5：根据误差值ΔL，控制系统（16）驱动第三伺服电机（9）带动丝杆（14）沿螺母（13）向前运动，螺母（13）带动滚筒架（12）移动，锥滚筒（15）挤压待冷却的PE管；

步骤6：矫正后的PE管经过PE管冷却段（1）后端送出，由激光传感器（5）检测，再由控制系统（16）判断，得到新的最大误差和产生该误差的角度；

若最大误差不足以达到最小矫正要求，则第三伺服电机（9）带动锥滚筒（15）离开PE管外壁，不进行挤压矫正；若最大误差超出产品允差范围，则报警显示有废品产生；否则，控制系统（16）根据最大误差计算并驱动第三伺服电机（9）带动锥滚筒（15）产生对PE管的挤压矫正位移。

7.根据权利要求6所述PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法，其特征在于：还包括步骤7：激光传感器（5）多次采集PE管不圆度数据，然后伺服矫正部分多次进行实时动态进行矫正，利用PID整定控制，逐步缩小PE管不圆度误差到一个最小值。

8.PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法，其特征在于：PLC控制器将生产过程数据上传至上位机（17），上位机（17）对历史不圆度数据进行分析，判断出前端设备、或者模具成型过程中的异常情况，通过报警显示、控制前端设备、或者模具停机方式，避免严重制程工艺事故。

9.PE管不圆度在线数字检测及反馈自动矫正方法，其特征在于：上位机（17）将误差统计数据通过网络上传至操作终端，作为该批次原料、配方、或者挤塑成型设备的反馈指标。

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