CN114406005B - 一种无缝钢管逐支跟踪生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无缝钢管逐支跟踪生产系统，包括：管坯区生产控制单元、热轧区生产控制单元、管排锯区生产控制单元以及精整区生产控制单元。该精整区生产控制单元对进入精整区的无缝钢管进行检测和精整处理，其设置有管材平直度检测装置。该管材平直度检测装置具备：机架、升降机构以及3D线扫模块，所述3D线扫模块包括至少一个线扫激光轮廓仪。根据本发明的构成，能够对生产过程中的钢管进行逐支跟踪的同时，实现钢管生产过程中的压辊调整及管材平直度检测，保证物料逐支跟踪和生产的及时性、准确性和完整性。

Description

一种无缝钢管逐支跟踪生产系统

技术领域

本发明涉及钢管生产控制系统，具体地说，涉及一种无缝钢管逐支跟踪生产系统。

背景技术

无缝钢管加工工艺复杂，至少涉及长尺坯锯切、环形炉、穿孔机、轧机、定径机、冷床、管排锯切、矫直机、吹吸灰、探伤机、测长称重机、打包机等相关设备，通常各设备由不同厂家提供，各设备有其独立的PLC控制工作，并各设备的PLC与MES（生产执行系统）连接，由MES进行各设备之间的流程化控制，并实施获取相关生产信息等。一根长尺坯在经过各设备加工期间，物料运动路径多变，且又涉及一根长尺坯变为多根定尺坯，定尺坯经轧制为钢管后，钢管又锯切为多根钢管的工艺过程。

目前对于钢管的逐支跟踪情况是，在每支长尺坯的端部手写或喷印炉台号、炉回顺序号、坯料流号及材质，但钢管生产仍按炉组织生产。虽然轧制过程自动化程度高，从长尺坯进环形炉开始到下冷床，是单线输送，但后续生产流程离线工序多，标识易磨损，且生产流程多个工位存在频繁上下线，全流程难以实现逐支跟踪。

目前客户对质量要求越来越高，按批次跟踪已不能满足用户的要求，客户要求无缝钢管要能够逐支追溯生产信息。而且钢管产品性能出现问题后，无法精确追溯到对应炉号的哪一根，不利于原因分析及持续改进，物料逐支跟踪是实现钢管逐支质量溯源和生产精细化管控的基础，传统生产方式已经无法满足高端用户对单根钢管的生产信息全流程跟踪的要求，无法达到全流程可追溯性。

其中，对于钢管平直度检测主要依靠人工测量，人工通过沿钢管长度方向拉线来判断是否满足平直度要求。既占用人力资源，又因人的主观原因，测量的稳定性不够。

随着钢管需求量的增加以及客户对于钢管供应时效，需要在采用钢管上的标识对生产过程中的钢管进行逐支跟踪的同时，并实现钢管生产过程中的管材平直度的自动检测。

发明内容

为解决现有技术中的以上问题，本发明提供一种无缝钢管逐支跟踪生产系统，能够利用钢管上的标识对生产过程中的钢管进行逐支跟踪的同时，并实现钢管生产过程中的压辊调整及管材平直度自动检测，保证物料逐支跟踪的及时性、准确性和完整性。

本发明提供的无缝钢管逐支跟踪生产系统，一种无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，包括：管坯区生产控制单元，利用管坯上的标识对进入管坯区的无缝钢管坯料进行逐支跟踪生产控制；热轧区生产控制单元，对进入热轧区的定尺坯进行逐支跟踪生产控制，其中设置有轧辊压下量控制装置；

管排锯区生产控制单元，对在管排锯区被切割后的多个子管进行逐支跟踪生产控制；以及精整区生产控制单元，对进入精整区的无缝钢管进行检测和精整处理，其设置有管材平直度检测装置，所述管材平直度检测装置具备：机架；横向移动机构，安装于机架上，用于沿管材轴线方向移动；升降机构，安装在所述横向移动机构上，用于驱动3D线扫模块升降；以及3D线扫模块，安装在所述升降机构上，所述3D线扫模块包括至少一个线扫激光轮廓仪，所述线扫激光轮廓仪用于在横向移动机构沿管材轴线方向移动时，发射线扫激光实时获得管材每一横截面的管材3D轮廓曲线，依次提取各管材3D轮廓曲线的中心点，对采集到的各点进行拟合获得拟合中心线，由此获得管材平直度误差。

此外，优选地，所述3D线扫模块对采集到的各中心点进行拟合获得所述管材的拟合中心线，包括：采用直线拟合算法对各所述中心点进行直线拟合，获得在三维坐标系下的至少一个三维直线函数表达式；根据各所述中心点在所述三维坐标系中的坐标，生成各所述中心点的三维点云；通过将三维点云沿所述三维坐标系的三个坐标轴方向分别投影并且将沿投影方向的坐标轴的坐标值转换为灰度值，得到三张包含各所述中心点的二值投影灰度图；利用霍夫变换分别得到各所述投影灰度图中的拟合直线；获得位于各所述投影灰度图中的拟合直线上的所述中心点作为筛选点，将该筛选点在所述三维坐标系中的坐标代入各三维直线函数表达式中，判断该筛选点满足各三维直线函数表达式中的哪一个三维直线函数表达式，并将满足的筛选点数量最多的三维直线函数表达式作为最终的所述拟合中心线的三维直线函数表达式。

此外，优选地，3D线扫模块利用过所述拟合中心线的纵向截面与钢管外轮廓线的交线来根据如下公式（3）计算平直度X：

X=M(k3)-b/(a+b)* M (k1)-a/(a+b)* M (k2) (3)

其中，k1表示所述交线径向距离所述拟合中心线最近处的点，k2表示过点k1作所述拟合中心线的平行线与所述交线的交点，k3表示所述交线径向距离所述拟合中心线最远处的点，a表示点k1与点k3之间的水平间距，b表示点k2与点k3之间的水平间距，函数M（x）表示钢管某一点与所述线扫激光轮廓仪的距离，X表示平直度数值。

根据上述结构，本发明涉及的无缝钢管逐支跟踪生产系统，能够利用钢管上的标识对生产过程中的钢管进行逐支跟踪的同时，并实现钢管生产过程中的压辊调整及管材平直度自动检测，保证物料逐支跟踪的及时性、准确性和完整性。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明涉及的无缝钢管逐支跟踪生产系统的结构示意图。

图2是表示本发明涉及的无缝钢管逐支跟踪生产系统的结构框图。

图3是表示本发明涉及的无缝钢管生产工艺流程图。

图4是表示本发明涉及的热轧区的无缝钢管生产工艺流程图。

图5是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的结构示意图。

图6是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的升降机构的示意图。

图7是表示本发明实施例的管材平直度检测装置的横向移动机构的示意图。

图8是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的三角测距原理的示意图。

图9是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的3D线扫模块的示意图。

图10是本发明涉及的管材平直度检测装置的的平直度计算方法的示意图。

图11是表示本发明实施例的极坐标系与极坐标霍夫空间的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

如图1所示，本发明涉及的无缝钢管逐支跟踪生产系统包括管坯锯床、环形炉、穿孔机、轧机、定径机、冷床、管排锯床、矫直机、管材平直度检测装置、吹吸灰设备、探伤机、测长称重装置等生产设备，以及与这些生产设备连接的PLC，各生产设备的PLC分别与对应设备连接，用以控制对应的设备动作，各生产设备的PLC还通过以太网与生产执行系统连接，所述生产执行系统根据钢管生产工艺流程控制各PLC运行，各PLC则控制对应设备的动作。

包括逐支跟踪生产服务器、交换机、检测元件以及定尺坯标识机器人、冷床标识机器人、锯后标识机器人、补标机器人、挂牌机器人，长尺坯读码模块、定尺坯读码模块、车牌读码模块、排锯入口读码模块、矫直前下线读码模块、精整读码模块。各生产设备的PLC分别与对应设备的例如位置开关、仪表、变频器等连接，用以控制对应的设备，各生产设备的PLC通过工业以太网与MES连接。各生产设备的PLC、检测元件、各机器人和各读码模块都通过交换机与所述逐支跟踪生产服务器连接。各检测元件用以探测是否有物料进入工位，读码模块用于读取物料上的标识，机器人则根据读码模块读取的标识进行相应的动作。还可以包括测厚仪、表面检测设备以及其他设备，也都是通过工业以太网与MES连接。

其中各生产设备的PLC包括管坯区PLC、环形炉区PLC、穿孔机区PLC、轧机区PLC、定径机区PLC、冷床区PLC、管排锯区PLC、矫直机区PLC、吹吸灰区PLC、探伤机区PLC、测长称重区PLC。

其中，环形炉区PLC、穿孔机区PLC、轧机区PLC、定径机区PLC、冷床区PLC属于热轧区工艺设备，如图1中虚线框，在该区的坯料温度较高，无法采用贴码的方式来标识坯料。矫直机区PLC、吹吸灰区PLC、探伤机区PLC、测长称重区PLC属于精整区工艺设备，如图1中细实线框，在该区可以通过贴码或喷码的方式来标识坯料。

逐支跟踪生产服务器中设置有多个逻辑工位，多个逻辑工位与生产现场的实际物理工位进行对应，每个逻辑工位在系统中都具有一段存储空间，可以将逻辑工位想象为虚拟的与实际物理工位形态相同的工位。逐支跟踪生产服务器可以采用可视化界面，可以将逻辑工位在界面上展示出来，以便在界面上直观的观看物料（即管材）的实时位置。逐支跟踪生产服务器中可以保存物料全工序的重要信息，每个物料都可以有单独的空间存储其信息，存储的信息包括例如物料标识，物料经过的逻辑工位及时间，物料的在各个工序的相关重要生产参数等。

钢管坯料在生产过程中的状态变化情况如下：

（1）长尺坯，原始圆棒坯料；

（2）定尺坯，长尺坯经过锯切形成的定长的坯料；

（3）毛管，定尺坯经穿孔机加工通孔后形成的管料；

（4）荒管，轧机出口出来的称为荒管；

（5）无缝钢管，从定径机出口出来后的管材。

图2是表示本发明实施例的无缝钢管逐支跟踪生产系统的结构框图，图3是表示本发明实施例的无缝钢管生产工艺流程图；图4是表示本发明实施例的无缝钢管生产工艺流程。下面，参照图2、图3和图4说明无缝钢管逐支跟踪生产控制系统的生产过程。

本发明涉及的无缝钢管逐支跟踪生产系统包括管坯区生产控制单元101、热轧区生产控制单元102、管排锯区生产控制单元103和精整区生产控制单元104。

其中，管坯区生产控制单元101对进入管坯区的无缝钢管坯料进行逐支跟踪生产控制。管坯区中，以一支连铸来的冷长尺坯10为例，假设其标识是ABCD1234,这个标识是在连铸时设置在坯料的端面上的，当冷长尺坯传输到锯床前的上料台架，长尺坯读码模块20读取坯料端面的这个标识。长尺坯读码模块是逐支跟踪生产服务器第一次获得这个坯料的标识ABCD1234,并根据这个标识向MES系统（生产执行系统）发送请求，MES系统会将这个标识的原始坯料信息（例如外形尺寸、合金参数、钢种、工艺参数等）发给逐支跟踪生产服务器，并与该标识对应保存，在逐支跟踪生产服务器中通过这个标识就可以查看到所有关于这个坯料的信息。长尺坯读码模块采用OCR视觉识别技术，识别长尺坯端面粘贴的产品信息。并优选采用机器视觉结合深度学习模式，保证破损和缺失的字符也可以识别出来。优选地，在长尺坯两端分别设置长尺坯读码模块，以保证获取长尺坯相关信息。

管坯区PLC与MES系统连接，可以监测锯床的动作，冷长尺坯进入锯床后，锯床将冷长尺坯按照定尺坯的长度要求进行锯切。例如冷长尺坯的长度为12m，如果定尺坯的长度为3m，则该冷长尺坯需要被切成4段，管坯区PLC监测锯床的动作如夹紧冷长尺坯，锯片下降开始锯切，锯片上升，松开锯切形成的定尺坯。锯切一个动作过程完成的逻辑判断都是在管坯区PLC中进行，当一个锯切动作完成以后，表示已经产生了一个定尺坯，管坯区PLC将锯切完成的信号发给逐支跟踪生产服务器，逐支跟踪生产服务器则在原来的冷长尺坯的标识ABCD1234的基础上，产生一个新的标识，如ABCD1234-1,与这个定尺坯对应，并保存到锯切后的逻辑工位上，同时将原始坯料信息，如合金、钢种、工艺参数等等保存到这个标识后，由此使得该新锯切下的这个定尺坯在逐支跟踪生产服务器中具有了一个与其对应的标识。

至此虽然在逻辑工位中与该定尺坯具有对应的标识，但是还没有在该定尺坯的表面形成标识，可以通过在锯床流程后的定尺坯标识机器人来实现，定尺坯标识机器人与逐支跟踪生产服务器连接，当定尺坯传输到定尺坯标识机器人工位，逐支跟踪生产服务器将新产生的标识ABCD1234-1发送给定尺坯标识机器人，定尺坯标识机器人将标识制作成标签贴到坯料的端部，该定尺坯就拥有了与其对应的标识。由于定尺坯的外径、长短、端面凹凸等不确定性，该定尺坯标识机器人可以采用视觉寻优手段，满足现场复杂工况的要求，提高设备的自适应性。优选地，在定尺坯的两端都设置定尺坯标识机器人，在两端都粘贴标识，以方便后续工序识别。

至此，在管坯区从冷长尺坯到形成的每一个定尺坯，都具有唯一跟踪的标识。以上是以一个锯床为例，也可以并列设置多个锯床，每个锯床都具有与其对应的定尺坯标识机器人。标识会在逐支跟踪生产服务器的一个逻辑工位传递给下一个逻辑工位，触发传动的信号来自管坯区PLC的逻辑判断，如拨料勾动作过程，辊道转动过程等。以上是以锯切一段为例来说明的，剩下的三段依然按着第一段的方式进行编码，贴标，这样就形成了由冷长尺坯锯切成的4个定尺坯的标识，ABCD1234-1,ABCD1234-2,ABCD1234-3,ABCD1234-4,并且每个定尺坯标识后面都保存了长尺坯的原始坯料信息。

定尺坯可以进入环形炉，也可以下线进入定尺坯库，在定尺坯上下线处分别设置有定尺坯读码模块，用于跟踪所有定尺坯的信息。

并且，热轧区生产控制单元102对处于热轧区的定尺坯进行逐支跟踪生产控制。环形炉、穿孔机、轧机区、定径机、冷床区的一号冷床和二号冷床都是热轧区，其温度较高，不能采用贴标等方式来识别跟踪坯料，但是这一段工艺中坯料是单线、单向流动，即不存在一变多的情况，也没有多条路径不同的情况，都是先进先出的，由此可以通过基于PLC监测物理工位的变化来跟踪标识，对于物理工位变化的判断是PLC根据现场的检测元件或者传动负载的变化等，只不过各个工位的逻辑判断的形式不一样，PLC判断物理工位切换后，发送给逐支跟踪生产服务器一个信号，告诉逐支跟踪生产服务器坯料的物理工位发生变化，逐支跟踪生产服务器的逻辑工位也相应的发生变化，从而始终跟踪坯料的物理工位，使得坯料的标识能够与其对应。需要说明的是，由于不同规格的设备结构的差异，本实施例中所列举的物理工位的判断仅是示例性的，并不用于限制PLC判断物理工位的方法，PLC判断物理工位的变化的方法是根据不同的设备的结构不同而相应设置的。

定尺坯读码模块用于在定尺坯进入加热炉之前，采用工业读码器识别技术，识别环形炉入炉定尺坯端面的标识信息，定尺坯读码模块在读到这个标识以后，将这个标识发送给逐支跟踪生产服务器，当一个装炉动作完成以后，逐支跟踪生产服务器将读到的这个标识（如ABCD1234-3，下文中都以该标识为例来说明）发送给环形炉区PLC，环形炉为圆环形，可以将定尺坯加热到1200℃左右，通常由可以转动的炉底和固定的炉顶以及内、外炉墙构成的环形隧道组成。环形炉借助炉底的旋转，使放置在炉底的坯料由装料口沿环形隧道移至出料口，并在移动过程中连续分段加热坯料。环形炉设置有跟踪其炉底转动位置的编码器，环形炉区PLC可以根据编码器的读数，确定定尺坯转动到环形炉的哪个位置上，环形炉区PLC确定的定尺坯的位置与一个逻辑工位对应，并将这个位置信息反馈给逐支跟踪生产服务器，逐支跟踪生产服务器将该定尺坯的标识存储到环形炉对应的逻辑工位上。例如，环形炉总共可以放置10根定尺坯，每次从装料口放置一根定尺坯，转动一定角度后，从出料口移出一根定尺坯。虽然在环形炉内由于高温和形变的影响，使得贴码不能再被识别，但可以通过对应环形炉每转动一定角度，都作为一个物理工位，对应每个物理工位，逐支跟踪生产服务器中都有一个逻辑工位，对于每一根进入环形炉的定尺坯，都可以通过逻辑工位与物理工位一一对应，从而保持定尺坯的标识与该定尺坯对应。

定尺坯在加热完成以后，转到出钢机处，出钢机的动作过程是：出钢机前进，下降，夹钢，上升，后退，松开，使得定尺坯到达链床拨料勾位置。环形炉区PLC将完成信号发给逐支跟踪生产服务器，逐支跟踪生产服务器将标识ABCD1234-3传递给链床拨料勾的逻辑工位，链床拨料勾拨动定尺坯，将定尺坯移至链床上，可以通过链床将定尺坯传输至穿孔机区。具体的说，在环形炉出来的ABCD1234-3，被拨料勾翻到链床上，驱动拨料勾动作的是液压缸，检测拨料勾位置的是接近开关，对于拨料钩的一个动作过程的判断，就是检测到拨料勾有坯料，拨料勾动作，拨料勾抬起，接近开关下位消失，上位显示，然后又上位消失，下位显示，一个拨料动作完成。PLC通过判断接近开关的动作过程和热检（高温金属检测仪，即适用高温环境的检测元件）信号最终给逐支跟踪生产服务器发一个完成信号，逐支跟踪生产服务器就将ABCD1234-3传到下一个逻辑工位，即链床处，同时PLC也做相应的变化。

以此类推，逐个逻辑工位依次传递标识，在穿孔机区的逻辑工位还有，穿孔机前辊道、推坯机、穿孔机本体、穿孔机出口辊道、喷硼砂位，如对于标识ABCD1234-3在穿孔机本体逻辑工位的判断是，穿孔机区PLC根据推坯机的位置（依靠与位置信息关联的编码器反馈）、热检信号来判断穿孔本体位置有没有坯料，更进一步的，还可以结合穿孔机的咬钢信号，咬钢信号是通过判断传动反馈回来的电流来判断的，综合这些信息来给逐支跟踪生产服务器发送一个信号，穿孔机已经咬钢了，定尺坯肯定在穿孔机本体工位，然后逐支跟踪生产服务器就将ABCD1234-3传递到穿孔机本体这个逻辑工位。

穿孔机区的定尺坯大概是1000℃，经过穿孔机区的定尺坯已经变成具有通孔的毛管，通过毛管横移车将毛管移至轧机区，毛管横移车由电机驱动，通过编码器反馈位置，穿孔机区PLC通过热检信号判断毛管在喷硼砂位，并且喷砂系统将完成信号发给穿孔机区PLC，再加上拨料勾动作，拨料的动作与之前的拨料勾动作基本类似，从而使得逐支跟踪生产服务器判定毛管已经在毛管横移车上了，逐支跟踪生产服务器就可以将ABCD1234-3传给毛管横移车逻辑工位。毛管横移车用于将毛管移送到轧机前台，轧机区的逻辑工位按照工序的排列包括：毛管横移车、毛管上料回转臂、轧机入口、轧机本体、轧机出口辊道。限动小车将芯棒穿到毛管中，然后进入轧机进行轧制，脱管机脱管，芯棒退回，从轧机出口出来的叫荒管。

荒管通过辊道向定径机移动，定径机是将轧机轧制出来的钢管，进一步定径轧制，得到较高精度的外形尺寸。轧机区和定径机区的温度约为1000℃，定径区同样采用逻辑工位与物理工位对应的形式来传递标识。且在定径区的入口和出口都有热检，来辅助逻辑工位的跟踪。

经过以上热轧区的设备的加工，标识为ABCD1234-3的坯料变成一支无缝钢管，它的标识依然没有变化，并且与该标识对应的存储了各个工序的工序信息。

冷床是步进梁式齿条结构,用于无缝钢管的运输和旋转冷却。冷床齿条的每个步进位置对应系统中一个逻辑工位，冷床区PLC可以根据齿条步进的步距确定无缝钢管在冷床的哪个位置上，冷床区PLC确定的无缝钢管的位置与一个逻辑工位对应，并将这个位置信息反馈给逐支跟踪生产服务器，逐支跟踪生产服务器将该无缝钢管的标识存储到冷床对应的逻辑工位上。

另外，在热轧区生产控制单元102还包括轧辊压下量控制装置201。在轧制管材时，不同管材所对应的轧辊的温度是有差异的，尤其是在轧机更换轧辊以后，轧机整个系统是处于常温的状态，轧机到工作状态，轧机的温度会升高，机械设备的参数会发生相应的变化，尤其是轧辊，所以轧机在常温状态到良好的工作状态的这段时间内的管材壁厚控制很难，一般这个过程需要轧若干根钢管例如3根钢管左右，轧完3根钢管以后，管材进行取样，然后根据取样结果，进行调车，然后再进行连续轧制，通常情况下这3根钢管要报废。但是，本发明由于进行逐支跟踪控制生产，可以使得钢管逐个标识对应，由此可以清晰的获得各钢管生产过程中的各种生产相关数据。

所述轧辊压下量控制装置201根据以下公式（1）计算轧机的轧辊压下量调整值，再根据轧辊压下量调整值调整轧辊压下量，可以有效降低这三只管的报废率。

（1）

：轧辊压下量调整值，单位 mm；

t：轧辊温度，

是第n-1根钢管轧制前轧辊的温度，

是第n根钢管轧制前轧辊的温度，

；

T：管材的壁厚，

实际的壁厚，

壁厚的给定值，单位 mm；

K：轧辊辊型的特征系数，不同系列轧辊对应不同数值，取值范围0.5~1。

第一根钢管轧制时轧辊的压下量，根据逐支跟踪控制系统统计的数据获得，具体说，由于系统能够将每支钢管逐一标识，使得能够区分依次进行轧制的钢管的相关生产信息，而不是按照一个炉的批次来标识钢管的信息，由此使得可以采用公式（1）根据前后支的钢管的相关生产信息来计算轧辊压下量。从而有效降低这三只管的报废率。而且也减少了管材进行取样，根据取样结果进行调车，然后再进行连续轧制这样的繁琐步骤。第二支、第三支钢管轧辊的压下量，也同样根据公式（1）计算结果得出，第三支钢管轧制以后，轧辊的温度基本稳定，前后支钢管轧制时的轧辊温度对压下量调整值基本没有影响。另外也可以通过与相同辊系下轧制较好的历史数据比对来判断计算是否有误。

并且，管排锯区生产控制单元103对在管排锯区被切割后的多个子管进行逐支跟踪生产控制。

无缝钢管依次经过一号、二号、三号冷床降温，无缝钢管到达三号冷床入口时温度是常温至600℃，在三号冷床入口设有冷床标识机器人，当管材ABCD1234-3移动到三号冷床入口时，逐支跟踪生产服务器将标识ABCD1234-3发送给冷床标识机器人，冷床标识机器人将标识沿母管圆周方向喷条形码。无缝钢管向管排锯床的方向移动，在锯前设计了排锯入口读码模块，当无缝钢管移送到管排锯床工位，排锯入口读码模块读取管材表面条形码的信息，将标识ABCD1234-3传送到管排锯床本体的逻辑工位。

冷床标识机器人采用条形码来标识无缝钢管，并使得条形码与标识对应。冷床标识机器人可以配置3套，覆盖三号冷床的入口对齐、中间对齐、出口对齐的单排布料方式和入口对齐、出口对齐的双排布料方式。喷条形码的油墨分为两种，一种适应温度范围150～600℃，一种适应温度范围0～150℃。喷枪分2个墨路，分别适应常温油墨和高温油墨喷涂。

此外，管排锯区生产控制单元103还包括钢管切除控制装置202。

由于钢管切除头尾的长度L_q是影响钢管成材率的重要因素，本发明涉及的无缝钢管逐支跟踪生产系统中，根据减径率确定定径机参与轧制的机架数量，根据母管的尺寸确定母管的平均张力系数，从而计算出切头尾长度在热态下的尺寸，再根据钢管热膨胀系数，计算出冷态下切头尾长度，即获得优化的钢管切头尾长度。

由于逐支跟踪生产能够使得管材逐个标识对应，从而使得在通过工艺调整优化控制

，通过控制参与轧制机架数量S_n来优化切头尾长度L_q的过程中，能够将调整的工艺参数与逐支跟踪的管材对应一致。在此，所述钢管切除控制装置202根据以下公式（2）计算钢管切头尾长度L_q。

L_q=

（2）

其中，

是孔型系数，其取值范围是0.65~0.75；

S_n是参与轧制机架数，且S_n大于3，因为后三个机架为控制钢管圆度的机架，不参与长度变形；

Z_m是母管的平均张力系数；

y是张力叠加系数，取值范围：0.65~0.67；

D_z是相邻机架之间的距离；

α是母管的热膨胀系数，取值1.01*

；

ΔX是定径机出口至管排锯区的变化温度。

其中，

计算出切头尾长度在热态下的尺寸。

通过逐支跟踪系统的准确跟踪，当母管进入到管排锯区后，接收逐支跟踪系统的优化数据，实现对每支母管切头尾长数据长度的优化锯切。

一根无缝钢管（母管）有可能切割成几段（子管），假设切割成3段定尺管，根据一个锯切的完整动作，PLC将锯切完成信号发送给逐支跟踪生产服务器，逐支跟踪生产服务器会在ABCD1234-3的基础上自动生成一个新的标识，如ABCD1234-3-1,依此类推共产生了3个新的标识，ABCD1234-3-1，ABCD1234-3-2，ABCD1234-3-3，并把母管的工序信息传递给子管进行保存，无缝钢管从管排锯床出口移动到下料回转臂，再到链床入口，在链床入口设置有锯后标识机器人，当无缝钢管运到链床入口时，逐支跟踪生产服务器将新产生的3个标识，依次发送给锯后标识机器人，锯后标识机器人将标识制作成标签的形式，依次贴在无缝钢管的内表面，使得无缝钢管在移动过程中，不会因为与设备摩擦将标识损坏，至此，无缝钢管的不会再发生一变多的情况，坯料从最开始标识ABCD1234，变成了12个新的标识，如ABCD1234-3-1等等，并且在无缝钢管上也贴了标识。锯后标识机器人采用高速扫码器，可在2.5m/s的线速度下，实时读取钢管端部内壁标识信息。并且优选地，为了降低标识的破损率，在钢管内壁贴两张标识，标识倒角，以降低划伤的概率。

由于逐支跟踪控制系统可以对每一母管的标识实时跟踪，由此可以掌握该母管所对应的长度、壁厚分布等相关生产信息，由此可以实现锯切位置的选择，提高成材率。对于经过轧制的钢管，其管头、管尾都需要锯切去掉，然后才能将剩余部分锯切为所需的子管，而通常管排锯在锯切管头或管尾的时候基本上采取的是先切一段，然后观察管端情况，不符合要求的话，就再多锯切一段，浪费时间，误差大。逐支跟踪控制系统可以直观显示管材的长度及壁厚的分布情况，因此MES可以根据产品计划制定最佳的锯切方案。

并且，精整区生产控制单元104对进入精整区的无缝钢管进行检测和精整处理。检测和精整项目可以包括平直度检测、矫直、吹吸灰、探伤、人工检查、测长称重、自动打包等。

从管排锯床后的链床传输过来的无缝钢管内表面都贴有标识，在矫直机前设有矫直前下线读码机器人，矫直前下线读码机器人将无缝钢管的信息发送到逐支跟踪生产服务器中，保存到矫直机的逻辑工位上，同时发送给PLC，告知PLC矫直机目前的无缝钢管的信息。

矫直机完成矫直以后，矫直机PLC发送消息告知逐支跟踪生产服务器，逐支跟踪生产服务器保存校直工艺相关信息到标识。

吹吸灰PLC控制压缩空气吹扫无缝钢管内部，这个工序容易对内表面的标识破坏，因为在接下来的工序都是遵循先进先出的原则，为了防止内表面的标识码被吹掉，可以通过补标机器人来检查内表面的标签是否存在和破损，如有缺失可以通过补标机器人就进行一次补码操作，从而保证无缝钢管标识的存在。

探伤机PLC控制对无缝钢管进行探伤，在探伤过程中也是一根一根的无缝钢管进行探伤，并不会对标识造成损伤。并且在漏磁探伤后辊道，还会对标签破损的钢管进行补标。

此外，精整区生产控制单元104还包括管材平直度检测装置403。图5是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的结构示意图，图6是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的升降机构的示意图，图7是表示本发明实施例的管材平直度检测装置的横向移动机构的示意图，图8是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的三角测距原理的示意图，图9是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的3D线扫模块的示意图，图10是表示本发明涉及的管材平直度检测装置的的平直度计算方法的示意图。

下面，参照图5至图10说明管材平直度检测装置403的具体结构。所述管材平直度检测装置包括机架1、升降机构3、横向移动机构2、3D线扫模块4，完成管材平直度自动在线检测。

机架1采用龙门架，3D线扫模块通过升降机构3、横向移动机构2安装在机架1上。管材的移送方向与龙门架的宽度方向垂直，管材从龙门架下经辊道移送穿过龙门架，机架1可以有不少于14米的跨度，能够满足对最长管材的平直度检测。

横向移动机构2包括直线导轨（即龙门架的横梁11）、齿轮、齿条、缓冲器、回转伺服电机、伺服驱动器、位置传感器等，直线导轨上设置有沿长度方向的齿条，回转伺服电机的输出端与齿轮连接，齿轮与齿条啮合，从而可以沿直线导轨移动。

升降机构3的主要功能是根据上一级系统发送的待检管材的外径以及3D线扫模块的工作距离，自动调整3D线扫模块的检测高度，以达到最佳的检测效果。

升降机构3安装在横向移动机构2上，升降机构3可以包括直线伺服电机、伺服驱动器、位置传感器，从而使得升降机构3可以跟随横向移动机构2移动，通过直线伺服电机可以驱动3D线扫模块竖向移动，3D线扫模块安装在升降机构3的输出端，从而可以调整3D线扫模块的高度。3D线扫模块包括至少一台线扫激光轮廓仪200。

横向移动机构2的主要功能是在待检管材经输送辊道输送到达检测工位后，沿管材长度方向移动，对管材通长进行平直度检测。管材到达平直度检测工位，升降机构3、横向移动机构2带动3D线扫模块移动到管材的一端，并通过横向移动机构2沿管材长度方向移动来检测其平直度。

能够用线扫激光来测量管材平直度，是应用了三角测距的原理，线扫激光轮廓仪200发射的线扫激光形状为三角形切片平面，其中任一点激光以一定角度入射在管材100表面，如图8所示，发生反射与散射，反射光照射到感光元件300上，入射光和反射光形成光三角形，从而可以获得线扫激光轮廓仪200与管材100的距离。线扫激光与管材之间相对位置改变（图8中A、B），线扫激光在感光元件300上成像位置也随之变化，线扫激光与管材之间相对位置和激光在感光元件（焦点为F）上的位移有对应关系，从而可以随着线扫激光的移动，实时获得线扫激光轮廓仪200与管材100之间的距离，也就是获得管材表面沿轴线方向的曲线。3D线扫模块发射的线扫激光形状为三角形切片平面，通过线扫激光测距，该三角形切片平面以垂直于管材轴线的形式投射到管材表面，从而可以得出管材横截面的3D轮廓曲线，进而可以得到横截面轮廓点的三维信息。随着3D线扫模块沿管材长度方向移动，可以获得管材各个横截面的3D轮廓曲线。所述管材平直度检测装置还包括精细轮廓获取模块，该精细轮廓获取模块对管材横截面的3D轮廓曲线进行亚像素细分，可以选用四分之一亚像素精度，使用插值算法可以获得更加高精度的管材横截面3D轮廓曲线。

无缝管材平直度的检测，实际上是管材轴线各点在三维空间的坐标的测量，因此，可以依次提取各横截面的3D轮廓曲线的中心点，对采集到的各中心点进行拟合，从而识别计算出管材中心线，就可以根据平直度评定标准，在线实时确定出平直度误差。需要说明的是，提取中心点仅是示例性的，实际上，根据各横截面的3D轮廓曲线，可以提取任一点，例如都提取横截面的3D轮廓曲线的最高点。

获得拟合中心线的方法如下：

采用直线拟合算法对各所述中心点进行直线拟合，获得在三维坐标系下的至少一个三维直线函数表达式；

根据各所述中心点在所述三维坐标系中的坐标，生成各所述中心点的三维点云；

通过将三维点云沿所述三维坐标系的三个坐标轴方向分别投影并且将沿投影方向的坐标轴的坐标值转换为灰度值，得到三张包含各所述中心点的二值投影灰度图；

利用霍夫变换分别得到各所述投影灰度图中的拟合直线；

获得位于各所述投影灰度图中的拟合直线上的所述中心点作为筛选点，将该筛选点在所述三维坐标系中的坐标代入各三维直线函数表达式中，判断该筛选点满足所述至少一个三维直线函数表达式中的哪一个三维直线函数表达式，并将所述至少一个三维直线函数表达式中所满足的筛选点数量最多的三维直线函数表达式作为最终的所述拟合中心线的三维直线函数表达式的。

下面具体说明一下拟合中心线的方法的一个例子，其中假设采集到的各中心点为P_i，i=1～N，N为大于等于2的整数，包括以下步骤：

步骤S11，利用所述中心点P_i采用OpenCV的直线拟合算法，使用鲁棒性优良的距离函数ρ(r)进行直线拟合计算，获得在三维坐标系下的至少一个三维直线函数表达式。

ρ(r) 函数取不同的形式，对应不同的直线拟合算法，是OpenCV的直线拟合算法中内置的，在此不做详述。优选的，采用CV_DIST_FAIR直线拟合算法，使用鲁棒性优良的距离函数：ρ(r)=C*C(r/C−log(1+r/C)),其中 C = 1.3998。

其中r为一个中心点到拟合直线的距离，ρ(r) 是距离函数。对不同钢管剖面对应的轮廓拟合得到的中心点P_i，将中心点P_i的坐标代入上式，使得∑ρ(r_i)（i=1～N）数值最小，即得到一个初步的钢管轴线拟合数据，但该数据中包含一个或多个三维直线函数表达式。这是因为中心点坐标属性包含三维坐标及其方向，存在点到直线距离r_i相等，但角度不同的状况，所以导致检测同一钢管得出多种不同直线拟合结果。因此下面引入霍夫变换配合该距离函数使用，减少噪声干扰保证检测稳定性。

步骤S12，通过将三维点云沿所述三维坐标系的三个坐标轴方向分别投影并且将沿投影方向的坐标轴的坐标值转换为灰度值，得到三张包含各所述中心点的二值投影灰度图；

在每一投影灰度图中，如图11所示，采用极坐标表示一条直线时，其参数方程为x*cos(θ)+y*sin(θ)=R，R代表直线到原点的垂直距离，θ代表x轴到直线垂线的角度。极坐标的霍夫变换可以将投影灰度图中的各中心点变换到极坐标霍夫空间中，在每一投影灰度图中，由于笛卡尔坐标系的一个点，对应极坐标霍夫空间的一条正弦曲线，如果笛卡尔坐标系的各中心点共线，这些中心点在霍夫空间对应的正弦曲线则交于一点。图11中，P_i（x_i，y_i），P_j（x_j，y_j）共线，P_i（x_i，y_i）对应的正弦曲线为x_i *cos(θ)+y_i*sin(θ)=R，P_j（x_j，y_j）对应的正弦曲线为x_j *cos(θ)+y_j *sin(θ)=R，这两条正弦曲线在极坐标霍夫空间中相交于一点，该交点对应的R，θ即为所需求解的未知量。

步骤S13，可以在极坐标霍夫空间进行投票，每次有正弦曲线满足任一（R, θ）点，则该（R, θ）点处的像素值+1。投票结束后，则像素值最大的点对应的（R,θ）即为待求解的离散点集合等式中的解，从而可以得到拟合直线方程，具体说，是分别得到位于三张投影灰度图中的拟合直线。

步骤S14，将各投影灰度图中位于拟合直线上的中心点筛选出来作为筛选点，将筛选点三维坐标带入到步骤S11中得到的各个三维直线函数表达式中，判断该筛选点满足各三维直线函数表达式中的哪一个三维直线函数表达式，并将各三维直线函数表达式中所满足的筛选点数量最多的三维直线函数表达式作为最终的所述拟合中心线的三维直线函数表达式的。

为确保测量精度，3D线扫模块4采用两个线扫激光轮廓仪在不同位置同时扫描检测。当管材定位后，两个线扫激光轮廓仪在稳定的直线运动下沿管材轴线进行扫描，测量相同方向的两个不同位置的平直度。

获得了中心线，就可以根据平直度的概念来计算平直度，当然，除了中心线，也可以根据过中心线的纵向截面与钢管外轮廓线的交线来计算平直度，可以采用以下公式（3）计算平直度X：

X=M(k3)-b/(a+b)* M (k1)-a/(a+b)* M (k2) (3)

如图10中， 其中，k1表示所述交线径向距离所述拟合中心线最近处的点，k2表示过点k1作所述拟合中心线的平行线与所述交线的交点，k3表示所述交线径向距离所述拟合中心线最远处的点，a表示点k1与点k3之间的水平间距，b表示点k2与点k3之间的水平间距，函数M（x）表示钢管某一点与所述线扫激光轮廓仪的距离，X表示平直度数值。

优选地，为消除拟合中心线与沿直线导轨移动的3D线扫模块的运行轨迹不平行带来的测量误差，还可以通过各横截面轮廓点的三维信息计算管材姿态角，从而纠正测量误差。

进一步地，还包括控制系统，所述控制系统采用西门子S7-1200系列控制器，控制系统与管材生产管理系统连接，以实现从中获取管材的相关生产数据，控制系统与升降机构3、横向移动机构2、3D线扫模块4连接，用以控制升降位置、横向移动位置，以及移动速度，还有3D线扫激光。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

上述以软件功能模块的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能模块存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置（可以是服务器、个人电脑等）或处理器执行本申请各个实施例所述方法的部分。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，包括：

管坯区生产控制单元，利用管坯上的标识对进入管坯区的无缝钢管坯料进行逐支跟踪生产控制；

热轧区生产控制单元，对进入热轧区的定尺坯进行逐支跟踪生产控制，其中设置有轧辊压下量控制装置；

管排锯区生产控制单元，对在管排锯区被切割后的多个子管进行逐支跟踪生产控制；以及

精整区生产控制单元，对进入精整区的无缝钢管进行检测和精整处理，其设置有管材平直度检测装置，所述管材平直度检测装置具备：机架；横向移动机构，安装于机架上，用于沿管材轴线方向移动；升降机构，安装在所述横向移动机构上，用于驱动3D线扫模块升降；以及3D线扫模块，安装在所述升降机构上，所述3D线扫模块包括至少一个线扫激光轮廓仪，所述线扫激光轮廓仪用于在横向移动机构沿管材轴线方向移动时，发射线扫激光实时获得管材每一横截面的管材3D轮廓曲线，依次提取各管材3D轮廓曲线的中心点，对提取到的各中心点进行拟合获得拟合中心线，由此获得管材平直度误差，所述3D线扫模块对采集到的各中心点进行拟合获得所述管材的拟合中心线，包括：

采用直线拟合算法对各所述中心点进行直线拟合，获得在三维坐标系下的至少一个三维直线函数表达式；

根据各所述中心点在所述三维坐标系中的坐标，生成各所述中心点的三维点云；

通过将三维点云沿所述三维坐标系的三个坐标轴方向分别投影并且将沿投影方向的坐标轴的坐标值转换为灰度值，得到三张包含各所述中心点的二值投影灰度图；

利用霍夫变换分别得到各所述投影灰度图中的拟合直线；

获得位于各所述投影灰度图中的拟合直线上的所述中心点作为筛选点，将该筛选点在所述三维坐标系中的坐标代入各三维直线函数表达式中，判断该筛选点满足各三维直线函数表达式中的哪一个三维直线函数表达式，并将满足的筛选点数量最多的三维直线函数表达式作为最终的所述拟合中心线的三维直线函数表达式，

其中，3D线扫模块利用过所述拟合中心线的纵向截面与钢管外轮廓线的交线来根据如下公式（3）计算平直度X：

X=M(k3)-b/(a+b)* M (k1)-a/(a+b)* M (k2) (3)

其中，k1表示所述交线径向距离所述拟合中心线最近处的点，k2表示过点k1作所述拟合中心线的平行线与所述交线的交点，k3表示所述交线径向距离所述拟合中心线最远处的点，a表示点k1与点k3之间的水平间距，b表示点k2与点k3之间的水平间距，函数M（x）表示钢管某一点与所述线扫激光轮廓仪的距离，X表示平直度数值，

其中，所述轧辊压下量控制装置根据以下公式（1）计算并调整轧机的轧辊压下量调整值，

（1）

：轧辊压下量调整值，

是第n-1根钢管轧制前轧辊的温度，

是第n根钢管轧制前轧辊的温度，

是管材的实际壁厚，

是管材的壁厚给定值，K是轧辊辊型的特征系数，不同轧辊对应不同数值，取值范围0.5~1；

，

其中，所述管排锯区生产控制单元还包括用于控制管材头尾部的切除长度的钢管切除控制装置，所述钢管切除控制装置根据以下公式（2）计算钢管头尾切除长度L_q：

L_q=

（2）

其中，

是孔型系数，其取值范围是0.65~0.75；

S_n是参与轧制机架数，且S_n大于3；

Z_m是母管的平均张力系数；

y是张力叠加系数，取值范围：0.65~0.67；

D_z是相邻机架之间的距离；

α是母管的热膨胀系数，取值1.01*

；

ΔX是定径机出口至管排锯区的变化温度。

2.根据权利要求1所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，

所述管材平直度检测装置还包括精细轮廓获取模块，所述精细轮廓获取模块用于对管材每一横截面的3D轮廓曲线进行亚像素细分，并使用插值算法获得管材每一横截面的精细3D轮廓曲线。

3.根据权利要求1所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，

所述3D线扫模块还通过拟合中心线获得钢管姿态角，并通过拟合中心线与横向移动机构移动轨迹的方位偏差来补偿管材平直度的测量误差。

4.根据权利要求1所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，

所述3D线扫模块采用两个以上的线扫激光轮廓仪在管材圆周向不同方位同时检测管材平直度。

5.根据权利要求1所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，

所述机架采用龙门架，所述龙门架的横梁作为横向移动机构的直线导轨，管材的移送方向与龙门架的宽度方向垂直。

6.根据权利要求4所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，

所述横向移动机构包括齿轮、齿条、回转伺服电机，齿条设置在直线导轨上，回转伺服电机的输出端与齿轮连接，齿轮与齿条啮合，从而使得所述横向移动机构沿直线导轨移动。

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