1组对机圆心坐标平移算法
绝对式编码器的位置唯一性为三爪定心系统的实时位置控制提供了数学基础.为方便工作，需要把定心锁紧机构运动到的某一位置设为零点，此时编码器的读数往往并不为0，需要将编码器的绝对数据换算成需要的相对数据.编码器的数据呈周期性变化，是非线性数据，不能直接用来进行相对数据的换算.利用数制的思想使其数据线性化[12]，即以编码器的极限读数为基数，在程序中设定一个虚拟的高位位权，当编码器读数增大到极值时，高位位权值加1，当编码器读数减小到0时，高位位权减1.基于三爪定心系统的圆心坐标平移算法龙门架三爪定心系统夹持钢管如图3所示，3个卡爪互成120°，均匀分布在龙门架的转盘上，其组合运动可以带动钢管在竖直平面内平移，从而改变钢管的轴线位置.无论钢管在龙门架纵截面的任何角度、错边量为任何值，都可以通过3个卡爪沿着各自坐标系的微调来对正钢管，实现错边量的校正，使钢管达到可以焊接的标准.如图4所示，钢管的坐标系与龙门架坐标系相同，均为x，y坐标系.卡爪只有1个自由度，因此其坐标系选择沿各自的伸出方向为正方向，所在轴分别为l1、l2、l3.龙门架上夹持的钢管的x轴和y轴的坐标变化是由卡爪沿坐标系上l1、l2、l3轴的坐标变化产生的.为实现钢管由x，y坐标系至x＇，y＇坐标系的平移，就需要把x，y坐标系上的坐标值向卡爪坐标系上转换.
2组对机实验方法研究
2.1实验模型的建立
为了验证圆心平移算法的实用性与准确性，需要用不受机械系统精度影响的数据进行计算.经过测量，精加工后的标准钢管趋近于理想圆柱，其轴线与龙门架周向旋转机构的轴线可以基本调整一致.因此采用2根标准管作为模型，可以得到较理想的理论钢管半径数据.
2.2数据检测钢管半径的检测原理
每当钢管旋转θ，传感器c1与c2各检测1个值，设为cij（i代表传感器编号，i=1，2；j代表传感器的取样次数，j=1~J）.2个传感器距钢管中心线距离L一定，钢管的理论外圆半径数组为Ri，具体采样点的编号方式如图5(b)所示.用2组龙门架分别夹持2根标准管，其中管1夹持在理论回转中心上，管2偏移理论回转中心一定距离.用传感器同时对2根标准管进行采样，进行滤波处理后，得到的数据可生成2个管口外圆的波形图，如图6所示.从图6中可以看出，传感器共采样920个点，管1曲线有小幅度的起伏，证明管1的理论中心已经基本与龙门架回转中心一致，有小量偏心；管2的曲线程明显的正弦分布，证明管2的回转中心已明显偏移理论中心，实验所建立的模型及检测到的管口半径数据是正确的.同时，由图上可以看出2管错边量最大的位置发生在第689个点，最大的错边量的值约为30mm.经程序分析，得到2管原始极坐标图，如图7(a)所示.偏离圆心的曲线为管2，其圆心坐标需平移的量为30.685mm，方向为269.608°，各卡爪的伸缩量：l1=30.6041，l2=-13.4349，l3=-17.2857.对数据进行坐标平移算法逆变换，得到管2平移后的理论图像，如图7(b)所示，可以看出，经过管2圆心坐标系的平移，2根钢管的理论轴线趋于一致，错边量误差减小到1.78842mm，在2mm以内.为验证以上管况调整过程具有普遍的实用性，另取多组标准管进行数据采样和分析处理，最终得到的数据如表1所示.通过对表1进行分析，可知：2管的偏心量较小时，圆心坐标平移后的错边量较为精确；2管的偏心量较大时，圆心坐标平移可明显的改善管口错边量状况，最大错边量在符合要求的范围内较为接近2mm.通过以上可证明：基于三爪定心系统的圆心坐标平移算法是成立的，有利于提高管口的组对精度，可进行实物实验.
3工程钢管组对实验
3.1实验方法的确定
为验证三爪定心系统和圆心坐标平移算法的实用性，需要进行钢管组对的实验，所应用的参照物应为实际管道焊接工程使用的钢管.实际工程使用的钢管横截面不是一个绝对的圆，没有真正意义上的圆心，很难找到圆心坐标的变化.为此，采用与对口器相似的定位标准，以一根待焊钢管（管1）为基准，另一根钢管（管2）与之对比，通过旋转调整2管的纵焊缝错开，找到错边量最大的值及矢量方向，管2向管1运动以减小这个矢量，通过此方法验证圆心坐标系平移算法.
3.2工程钢管组对实验
通过龙门架上三爪定心系统的夹持，将2根待组对钢管运送到组对位置，龙门架周向旋转机构工作，待2管的纵焊缝错开后，2根钢管的错边量较大，经手工测量，最大错边量约为6~7mm.经过数据采集系统和数据处理系统的工作，可以得到2根钢管管口的数据，如图8所示的管口拟合曲线图，2根钢管原始数据的曲线差值即为管口在一个圆周上的错边量.经精确计算可知，在-150.651o处有着最大的错边量-6.75352mm.图9(a)为程序生成的管口数据极坐标图，可以看出需要调整的矢量的大小和方向，在-150o左右产生了大于5mm的最大错边量，与以上数据的分析结果一致.由于钢管是一个整体，整个圆周的错边量都会随卡爪的运动而产生变化，因此实际情况下不能只调整错边量最大的位置，而是应该考虑与其相对应180o的方向的错边量状况，双方综合考虑后再加以调整.通过圆心坐标平移法程序的计算，在该位置需校正的量的大小为-6.48666mm，3个卡爪需要伸缩的量：l1=-3.17929，l2=-3.30695，l3=6.48624.若同时调整3个卡爪，钢管可能会因局部受力不均匀而对卡爪产生很大的反作用力，影响其运动精度.因此，先将卡爪1缩回-20mm，保证卡爪1不会在下卡爪伸出时与钢管产生干涉，再分别调整卡爪2、卡爪3，最后再抱紧卡爪1即可.经过机械调整，错边量情况得到了明显的改善，经手工测量，最大错边量位置不超过2mm.为检验错边量精度，由传感器再次检测调整后的管口状况，如图9(b)所示，调整后管口错边量的最大值为-1.07954mm，已在2mm的范围内，符合标准.
3.3实验结果分析
2根实体钢管的组对不足以证明组对机的实用性，根据工厂车间最常用的钢管系列分别对接了管径分别为406mm、508mm的2组钢管，每组4根，总长12m.最终得到的对接管口数据如表2、3所示.通过表2、表3中“最终错边量”的数据可知，2根钢管间的错边量经过调整已均符合要求.组对后的12m成品钢管总体参数测量详见表4.由表4可知，成品钢管的直线度满足12m长度内小于9mm的标准，错边量满足任意位置小于2mm的标准.实验证明自动钢管组对机的机械构成以及管口对接算法是满足实际生产需求的，相比于对口器及人工组对钢管2种方法，可同时保证直线度与圆周错边量，可应用于工业生产.
4结论
本文根据海洋石油钢管组对焊接的实际需求，研制了自动钢管组对机，可得到以下结论：1）以组对机实验样机为对象，对三爪定心系统的机械结构进行了介绍，对其工作原理进行了阐述，提出了适用于多根钢管组对的圆心坐标平移算法.2）对多根标准钢管及工程钢管的进行了实验研究，结果表明基于三爪定心系统的组对机圆心坐标平移算法能提高钢管组对精度，保证钢管圆周错边量及直线度.该系统可用于实际工程中，其设计思路及算法研究对国内外相关领域有着一定的参考的价值.
作者：李志刚 刘军 韦宝成 运飞宏 王立权 单位：海洋石油工程股份有限公司 哈尔滨工程大学
