CN114406007A - 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，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，设置有轧辊压下量控制装置，所述轧辊压下量控制装置计算并调整轧机的轧辊压下量调整值；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，其设置有钢管管端打磨控制装置。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端自动打磨，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，在钢管锯切的过程中，由于锯片在切割时对钢管的切削不可避免会在钢管端面产生毛刺，因此在矫直后，还需要对钢管管端进行打磨，以去除钢管端面边缘的毛刺。目前钢管管端打磨工艺主要是靠人工打磨，工作环境差，劳动强度大，工作效率低。目前行业范围内的机器代人钢管管端打磨技术普遍打磨效果差，还需人工检查，重复打磨，以确保打磨质量，只是部分减轻了劳动强度，减员增效效果不明显，得不到普及应用。

在工业自动化程度不断提高的背景下，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压辊调整及管端自动打磨。

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端自动打磨，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，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，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；

；

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，其设置有钢管管端打磨控制装置，所述钢管管端打磨控制装置具备：安装座，安装在机械手臂上；第一电主轴、第一径向浮动刀柄、第一倒角器，第一电主轴滑动安装在所述安装座上，第一电主轴的驱动端通过第一径向浮动刀柄安装第一倒角器；第一轴向浮动器，安装在所述安装座上，所述第一轴向浮动器的动力端与第一电主轴轴线平行连接，使得所述第一电主轴沿轴向浮动；视觉系统，包括安装在所述安装座上的相机和线扫激光测距仪，所述视觉系统通过相机以及线扫激光测距仪获得钢管端面三维尺寸信息以及钢管端面位置姿态，其中，所述机械手臂根据所述钢管端面位置姿态调整第一倒角器的倾斜角度，使得与所述钢管端面位置姿态匹配后进行打磨。

此外，优选地，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：

（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。

此外，优选地，所述视觉系统还包括三维信息获取模块，其中，所述线扫激光测距仪用于对钢管端面定位，相机用于拍摄获得第一钢管端面图像，三维信息获取模块从第一钢管端面图像提取钢管ROI区域，使用形态学梯度滤波算子进行边缘点定位，得到钢管端面的像素级边缘图像，再利用样条插值方法对所述像素级边缘图像进行插值运算，得到亚像素级边缘图像，线扫激光测距仪扫描钢管端面得到钢管端面的位置信息，从而确定钢管端面的三维尺寸信息。

此外，优选地，第一电主轴、第一径向浮动刀柄、第一倒角器、第一轴向浮动器安装于安装座的下端，所述钢管管端打磨控制装置还包括安装于安装座的下端的第二倒角器、第二径向浮动刀柄、第二电主轴、第二轴向浮动器，第二电主轴的驱动端通过第二径向浮动刀柄安装第二倒角器，第二轴向浮动器的动力端与第二电主轴轴线平行连接，使得所述第二电主轴沿轴向浮动，并且，所述第二倒角器的朝向与第一倒角器的朝向相反，所述安装座的上端与机械手臂可转动连接，所述机械手臂根据所述钢管端面位置姿态调整第二倒角器的倾斜角度，使得与所述钢管端面位置姿态匹配后进行打磨。

此外，优选地，所述相机为多个，且围绕设置在相机光源四周，各相机的拍摄方向均垂直于钢管端面，且各相机的拍摄范围存在部分交叉，所述三维信息获取模块将各相机拍摄的图像拼接得到第一钢管端面图像。

此外，优选地，所述三维信息获取模块使用基于特征相关的拼接方法对各相机拍摄的图像进行拼接。

此外，优选地，还包括检验模块，所述检验模块根据获得的钢管端面三维点云进行外观质量检测，合格品流入下一工序，不合格品由记号喷头做标记，转入不合格存放区。

此外，优选地，还包括计算机装置，该计算机装置包括存储器和至少一个处理器，所述三维信息获取模块存储于所述存储器中，所述三维信息获取模块被所述至少一个处理器执行时实现获得钢管端面三维点云以及钢管端面位置姿态。

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端自动打磨，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是表示本发明实施例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管坯区的无缝钢管生产工艺流程图。

图4是表示本发明实施例的热轧区的无缝钢管生产工艺流程图。

图5是表示本发明实施例的钢管管端打磨控制装置的一个立体示意图。

图6是表示本发明实施例的钢管管端打磨控制装置的另一个立体示意图。

图7是表示本发明实施例的钢管管端打磨控制装置与机械手臂连接的示意图。

图8是表示本发明实施例的钢管管端打磨控制装置与计算机装置连接的示意图。

图9是表示本发明实施例的倒角器调整与钢管端面姿态匹配的示意图。

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、钢管管端打磨控制装置、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。

无缝钢管逐支跟踪生产系统还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管坯区的无缝钢管生产工艺流程图；图4是表示本发明实施例的热轧区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。

（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还包括钢管管端打磨控制装置401。图5是表示本发明实施例的钢管管端打磨控制装置的一个立体示意图；图6是表示本发明实施例的钢管管端打磨控制装置的另一个立体示意图；图7是表示本发明实施例的钢管管端打磨控制装置与机械手臂连接的示意图。

下面，参照图5至图7说明钢管管端打磨控制装置401的具体结构。所述钢管管端打磨控制装置401包括线扫激光测距仪1、第一轴向浮动器2、第一电主轴3、第一径向浮动刀柄4、第一倒角器5、视觉系统、安装座20。

其中，第一电主轴3的底部滑动安装在所述安装座20的下端，具体地，在安装座20下端有滑轨21，第一电主轴3的底部滑动安装在滑轨21上，第一电主轴3的轴线与滑轨21平行。安装座20上安装有第一轴向浮动器2，第一轴向浮动器2的动力端与第一电主轴3轴线平行连接；第一电主轴3的驱动端通过第一径向浮动刀柄4安装有第一倒角器5，从而可以通过第一电主轴3驱动第一径向浮动刀柄4轴向移动。并且，第一轴向浮动器2可以使得第一电主轴3轴向浮动，而第一径向浮动刀柄4可以使得刀柄具有径向的浮动量。需要说明的是，此处所述的轴向、径向是相对于安装座来说的，而不是指钢管的轴向和径向。

所述安装座20的上端安装有固定板17，且通过固定板17和机械手臂连接法兰18连接安装在机械手臂19上。机械手臂19可以带动安装座20在空间上移动。

在所述安装座20的一侧设置有线扫激光测距仪1，另一侧上通过相机连接板16安装有四目相机，线扫激光测距仪1和四目相机构成视觉系统来获得管端尺寸，使用四目相机的目的是通过提高被测物体在图像中的成像像素数量，从而提高检测精度。四目相机包括沿矩形轮廓均布的第一相机10、第四相机12、第二相机13和第三相机14。优选地，所述第一相机10、第四相机12、第二相机13和第三相机14设置在相机光源11四周上。为保证检测精度，各相机安装角度一致，各相机的拍摄方向均垂直于钢管端面，且各相机的拍摄范围存在部分交叉，例如各相机分别拍摄30%的管端图像。

视觉系统还包括三维信息获取模块，当钢管到达打磨工位后，虽然打磨工位的位置固定，但是由于钢管的规格可能不同，或者存在生产误差，其钢管端面的位置以及端面尺寸并不能事先获知。四目相机分别拍摄管端图像，将各图像基于特征相关拼接为第一钢管端面图像。图像拼接完成之后三维信息获取模块使用深度学习方法从第一钢管端面图像提取钢管ROI区域，使用形态学梯度滤波算子进行边缘点粗定位，得到钢管端面的像素级边缘图像，再利用三次样条插值方法对提取到的像素级边缘图像进行插值运算，经过边缘细化，最终得到亚像素级边缘图像。

由于四目相机安装角度一致，均垂直于钢管端面，因而四目相机获得的亚像素级边缘图像由于不能确定钢管端面位置，所以其钢管端面尺寸不能确定，线扫激光测距仪1扫描钢管端面得到钢管端面的位置信息，配合四目相机得到的钢管端面边缘图像，结合事先以设定距离标定的钢管端面边缘图像，可以得到钢管端面的尺寸信息。例如，事先以1米距离拍摄钢管端面，获得钢管边缘图像的尺寸，并确定此时钢管边缘图像尺寸与真实钢管端面边缘尺寸的比例关系，现在根据线扫激光测距仪1测量的钢管端面的位置信息，根据与设定距离的比例即可确定钢管端面边缘图像的尺寸。

另外，还可以通过机械手臂带动线扫激光连续拍摄得到多张第二钢管端面图像，其中连续拍摄的第二钢管端面图像传入StereoBM算子得到视差图，视差图传入reprojectImageTo3D算子得到一副映射图，映射图的三通道分别存储该像素位置在相机坐标系下的坐标值，从而获得钢管端面三维点云。对线扫激光扫描得到的钢管端面三维点云进行进一步分析，首先使用基于局部表面拟合法求取点云法向量，利用法向量特征筛选去除噪声，其次利用halcon中基于surface的点云匹配得到钢管姿态，由此可以通过机械手臂根据钢管姿态调整第一倒角器5的倾斜角度，以使和钢管的姿态匹配，从而进行适应角度的打磨。如图9所示是钢管15在两种姿态下，第一倒角器5调整以适配钢管端面的示意图，可以看出，应使得第一倒角器5的轴线垂直于钢管轴线，使得和钢管的姿态匹配。

进一步的，还包括第二倒角器7、第二径向浮动刀柄8、第二电主轴9，第二轴向浮动器，同样的，第二电主轴9的底部通过滑台滑动安装在所述安装座20的下端，安装座20上安装有第二轴向浮动器，第二轴向浮动器的动力端与第二电主轴9轴线平行连接；第二电主轴9的驱动端通过第二径向浮动刀柄8安装有第二倒角器7，从而可以通过第二电主轴9驱动第二径向浮动刀柄8轴向移动。第二轴向浮动器可以使得第二电主轴9轴向浮动，而第二径向浮动刀柄8可以使得刀柄具有径向的浮动量，并且，所述第二倒角器7的朝向与第一倒角器5的朝向相反。

下面说明一下该钢管管端打磨控制装置打磨钢管管端的过程，钢管管端打磨控制装置的PLC与MES连接，线扫激光测距仪1和四目相机与其PLC连接，当经过矫直后的钢管到达上述的钢管管端打磨控制装置的打磨工位时，其PLC控制线扫激光测距仪进行测距，并控制四目相机拍摄钢管端面图像，获得钢管端面的外缘尺寸以及钢管端面姿态，其PLC控制机械手臂动作，机械手臂19根据视觉系统获得的钢管端面位置姿态移动到位，使得倒角器的倾斜角度与钢管端面的姿态匹配，第一电主轴3带动安装在第一径向浮动刀柄4的第一倒角器5进行首次内外径打磨，初次打磨主要针对大毛刺及较难去除的毛刺，打磨期间第一轴向浮动器2调节轴向打磨量以取得最佳打磨效果。

首次打磨完成后，机械手臂19使得固定板17和机械手臂连接法兰18转动180°，由此使得第二电主轴9能够面对管端，从而第二电主轴9带动安装在第二径向浮动刀柄8上的第二倒角器7进行二次精密打磨。打磨过程中，轴向浮动器2调节轴向打磨量以取得最佳打磨效果。

进一步地，还包括检验模块，打磨完成后，由视觉系统根据获得的钢管端面三维点云来进行外观质量检测及尺寸复核，合格品流入下一工序，不合格品由记号喷头6做标记，转入不合格存放区。

以上详细介绍了本申请的钢管管端打磨控制装置，其中的三维信息获取模块安装于计算机装置中，下面说明一下安装有该三维信息获取模块的计算机装置的硬件装置架构。如图8所示，为本申请较佳实施例提供的计算机装置的结构示意图。

在本申请较佳实施例中，所述计算机装置3包括存储器31、至少一个处理器32。本领域技术人员应该了解，图8示出的计算机装置的结构并不构成本申请实施例的限定，既可以是总线型结构，也可以是星形结构，所述计算机装置3还可以包括比图示更多或更少的其他硬件或者软件，或者不同的部件布置。

在一些实施例中，所述存储器31用于存储程序代码和各种数据，例如安装在所述计算机装置3中的三维信息获取模块311等，并在计算机装置3的运行过程中实现高速、自动地完成程序或数据的存取。所述存储器31包括只读存储器、可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器、一次可编程只读存储器、电子擦除式可复写只读存储器、只读光盘或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者任何其他能够用于携带或存储数据的计算机可读的存储介质。

在一些实施例中，所述至少一个处理器32可以由集成电路组成，例如可以由单个封装的集成电路所组成，也可以是由多个相同功能或不同功能封装的集成电路所组成，包括一个或者多个中央处理器、微处理器、数字处理芯片、图形处理器及各种控制芯片的组合等。所述至少一个处理器32是所述计算机装置3的控制核心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置3的各个部件，通过运行或执行存储在所述存储器31内的程序或者模块，以及调用存储在所述存储器31内的数据，以执行计算机装置3的各种功能和处理数据，例如执行三维信息获取的功能。

在一些实施例中，所述三维信息获取模块311运行于计算机装置3中。所述三维信息获取模块311可以包括多个由程序代码段所组成的功能模块，各功能模块是对应上述的三维信息获取过程中的实现各功能的程序代码。所述三维信息获取模块311中的各个程序段的程序代码可以存储于计算机装置3的存储器31中，并由至少一个处理器32所执行，以实现三维信息获取功能。

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 (8)

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，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；

；

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，其设置有钢管管端打磨控制装置，所述钢管管端打磨控制装置具备：

安装座，安装在机械手臂上；

第一电主轴、第一径向浮动刀柄、第一倒角器，第一电主轴滑动安装在所述安装座上，第一电主轴的驱动端通过第一径向浮动刀柄安装第一倒角器；

第一轴向浮动器，安装在所述安装座上，所述第一轴向浮动器的动力端与第一电主轴轴线平行连接，使得所述第一电主轴沿轴向浮动；

视觉系统，包括安装在所述安装座上的相机和线扫激光测距仪，所述视觉系统通过相机以及线扫激光测距仪获得钢管端面三维尺寸信息以及钢管端面位置姿态，

其中，所述机械手臂根据所述钢管端面位置姿态调整第一倒角器的倾斜角度，使得与所述钢管端面位置姿态匹配后进行打磨。

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：

（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

；

ΔX是定径机出口至管排锯区的变化温度。

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，所述视觉系统还包括三维信息获取模块，其中，所述线扫激光测距仪用于对钢管端面定位，相机用于拍摄获得第一钢管端面图像，

三维信息获取模块从第一钢管端面图像提取钢管ROI区域，使用形态学梯度滤波算子进行边缘点定位，得到钢管端面的像素级边缘图像，再利用样条插值方法对所述像素级边缘图像进行插值运算，得到亚像素级边缘图像，线扫激光测距仪扫描钢管端面得到钢管端面的位置信息，从而确定钢管端面的三维尺寸信息。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，第一电主轴、第一径向浮动刀柄、第一倒角器、第一轴向浮动器安装于安装座的下端，所述钢管管端打磨控制装置还包括安装于安装座的下端的第二倒角器、第二径向浮动刀柄、第二电主轴、第二轴向浮动器，第二电主轴的驱动端通过第二径向浮动刀柄安装第二倒角器，第二轴向浮动器的动力端与第二电主轴轴线平行连接，使得所述第二电主轴沿轴向浮动，

并且，所述第二倒角器的朝向与第一倒角器的朝向相反，所述安装座的上端与机械手臂可转动连接，

所述机械手臂根据所述钢管端面位置姿态调整第二倒角器的倾斜角度，使得与所述钢管端面位置姿态匹配后进行打磨。

5.根据权利要求3所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，所述相机为多个，且围绕设置在相机光源四周，各相机的拍摄方向均垂直于钢管端面，且各相机的拍摄范围存在部分交叉，所述三维信息获取模块将各相机拍摄的图像拼接得到第一钢管端面图像。

6.根据权利要求5所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，所述三维信息获取模块使用基于特征相关的拼接方法对各相机拍摄的图像进行拼接。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，还包括检验模块，所述检验模块根据获得的钢管端面三维点云进行外观质量检测，合格品流入下一工序，不合格品由记号喷头做标记，转入不合格存放区。

8.根据权利要求3所述的无缝钢管逐支跟踪生产系统，其特征在于，还包括计算机装置，该计算机装置包括存储器和至少一个处理器，所述三维信息获取模块存储于所述存储器中，所述三维信息获取模块被所述至少一个处理器执行时实现获得钢管端面三维点云以及钢管端面位置姿态。

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