郭 榮， 茅云生， 李先花

(武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063)

三芯滾彎機板材曲率自動測量系統(tǒng)研究

郭 榮， 茅云生， 李先花

(武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063)

在板材滾彎成形過程中，板材曲率至今仍然采用人工對樣的檢測方式。樣板不僅在制造過程中耗費大量材料和工時，其使用過程中也存在操作復雜、效率低下、精度差、工作環(huán)境惡劣等問題。板材曲率自動測量技術(shù)不僅能夠解決手工對樣中存在的諸多問題，而且為實現(xiàn)輥彎機自動化控制奠定了基礎。

輥彎機 自動控制 曲率測量

1 引言

板材滾彎是一種較為常見的板材成形加工方式，被普遍應用于如航空、船舶制造、鍋爐、化工等各種行業(yè)。但由于輥彎機自動化控制過程還存在一些問題，對輥彎機的操作仍限制在人工指導加工，未能形成自動控制的加工模式。相對于已經(jīng)實現(xiàn)了自動化控制的其他加工方式，手工對樣不僅效率低、精度差，且樣板的制作還耗費了大量的材料和工時，同時手工檢測的方式也制約了板材滾彎加工自動化控制的實現(xiàn)。在大力提倡綠色制造、精度制造的大背景下，對板材曲率實現(xiàn)自動檢測的要求更是迫在眉睫。

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

彎板機滾彎成形后彎板的曲率測量仍然采用人工樣板對樣。傳統(tǒng)的板材曲率測量方法，通常事先根據(jù)型值表制作的三角樣板、鐵樣板或調(diào)整活絡樣板，加工時與成形后的板材進行比對，通過肉眼感官來估計實際板材曲率與理想曲率之間存在的誤差。目前，人們開始對板材曲率數(shù)字化測量展開研究，并采用多種檢測理論設計了多種檢測裝置，其測量技術(shù)主要包括激光測量技術(shù)、圖像處理技術(shù)等。

武漢理工大學的趙凱[5]、廖寶華[6]、鄭紹春[5]等人借鑒了活絡樣板的測量機理，將激光位移傳感器和拉繩位移傳感器安裝在機械手上，傳感器通過機械手移動對曲面上各點進行測量得到各點坐標。武漢理工大學的胡勇[7]教授等人按照激光三角測量原理設計了雙目視覺測量傳感器，它是由1個線激光標線儀及2個CCD攝像機組成。相對其他測量方法，該測量法測量速度快、精度高。

除了以上介紹的都是采用激光位移傳感器和CCD攝像機對彎板曲率進行測量外，龔發(fā)云等人還提出了一種通過光電編碼器對輥彎機上的板材曲率測量的理論。作者通過對板材滾彎過程中所產(chǎn)生的幾何變形進行分析，采用角度編碼器測量輥彎機上下輥的轉(zhuǎn)角，然后計算得到板材彎曲前后內(nèi)外表面的變形情況，再建立幾何模型，得到板材的曲率。

1.2 研究目的及意義

本文對板材曲率的測量方法進行研究，并針對輥彎機設計一種板材曲率測量的裝置，旨在改變輥彎機上仍然采用手工對樣的現(xiàn)狀，不僅提高了工作效率、節(jié)省了制作樣板的材料、保證測量精度，而且也為自動控制提供可行條件，為板材成形的誤差評估、板材曲率校正提供了參考依據(jù)。

2 板材曲率測量裝置方案設計

本文研究的板材曲率測量裝置主要是由伺服電機和激光位移傳感器組成，通過伺服電機旋轉(zhuǎn)帶動激光位移傳感器對待測板材在指定截面進行掃描，可得到各離散點的極坐標數(shù)據(jù)。對離散點進行曲線擬合即可得到板材截面曲線的特征信息。

2.1 板材曲率測量裝置設計

本文所研究的板材曲率測量裝置將安裝在輥彎機上，在板材滾彎成形后，對板材曲率進行測量，裝置的設計需要考慮輥彎機的實際環(huán)境情況。對彎板機而言，加工的板材通常是單曲率的，即只有沿板寬方向有曲率，因而在板材曲率測量裝置設計時無需對板進行全面掃描，只沿寬度方向任意掃描一個截面，即可得到加工后板材的曲率。板材曲率測量裝置除了需要檢測單曲率板的情況，同時還需要對滾彎加工的錐形板進行檢測。該裝置還需要能夠水平移動，在輥彎機橫梁的水平方向安裝一個導向桿和絲桿，導向桿即可限制測量體的移動方向，測量體的移動主要通過伺服電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，進而推動測量體沿輥彎機橫梁水平移動。移動的位移信息可以通過伺服電機反饋的角度信號計算得到。

本文設計的測量裝置是由伺服電機、激光位移傳感器、轉(zhuǎn)盤、托架和導軌等幾部分組成，激光位移傳感器固定在轉(zhuǎn)盤上，伺服電機的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤相連。上位機通過伺服電機驅(qū)動器對伺服電機進行控制，再由伺服電機反饋的旋轉(zhuǎn)角度信息即可得到精確控制電機的轉(zhuǎn)角。通過伺服電機帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，就可以控制激光位移傳感器的朝向，即測量角度。激光位移傳感器可通過測量得到測量位置與鋼板表面測量點的距離，根據(jù)角度和位移信息，可得到被測點的極坐標值,板材曲率測量裝置部分示意圖如圖1所示。

圖1 板材曲率測量裝置測量部分示意圖

2.2 板材曲率自動測量裝置的測量原理

通過以上對板材曲率測量裝置的描述，可以看出該測量裝置是通過極坐標原理進行測量的。通過上述板材曲率自動測量裝置的測量，在每個掃描點都能夠通過激光位移傳感器得到測量點與測量裝置的直線距離，即可得到該測量點到旋轉(zhuǎn)中心的位置，記為半徑Lk。再通過對伺服電機反饋電機轉(zhuǎn)角的脈沖信號進行計算，即可得到激光位移傳感器的方向，即旋轉(zhuǎn)角度記為角度αk。這樣可得到該點的兩個屬性，即角度αk和半徑Lk，測量原理如圖2所示。

圖2 板材曲率測量原理示意圖

通過得到點的角度和半徑兩個屬性，即該點的極坐標Ak(αk，Lk)，然后將極坐標轉(zhuǎn)換成垂直坐標的形式，再通過合適的曲線擬合方法對測量得到的離散點進行曲線擬合，得到板材的曲率信息，再調(diào)用參照加工的曲率信息與之對比，可達到檢驗加工效果。

3 板材曲率測量裝置硬件設計

板材曲率測量裝置測量體是由伺服電機、轉(zhuǎn)盤、激光位移傳感器、接近開關及托架組成的，整個測量體可以沿著固定在輥彎機橫梁上的導向桿橫向移動，其電纜可通過坦克鏈拖動，輥彎機橫梁上固定著導向桿、絲桿、伺服電機、接近開關，伺服電機與絲桿相連，絲桿的轉(zhuǎn)動可以為測量體提供前后移動的動力，導向桿的作用是限制測量體的移動方向。

3.1 伺服電機各參數(shù)計算

在伺服電機的選擇方面，需要考慮電機的工作狀態(tài)、功率、力矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子慣量等因素。功率的選擇應考慮電機的狀態(tài)，對連續(xù)工作狀態(tài)的伺服電機，需要保證其額定功率略大于工作的功率；對短時間工作的伺服電機，選擇電機的額定功率可略小于機構(gòu)工作的功率。計算力矩的過程中，不僅需要考慮額定工作狀態(tài)下的力矩，還應當考慮電機啟動和停止時的最大力矩。

在本機構(gòu)中，兩個伺服電機的作用分別是對激光位移傳感器角度控制和測量體橫向移動控制。下面我們對橫向移動測量體的伺服電機的選型做詳細計算，該伺服電機通過絲桿驅(qū)動測量體橫向移動，移動方向由絲桿和導桿控制，機構(gòu)的受力示意圖如圖3所示。

圖3 測量體受力示意圖

對驅(qū)動電機的負載力矩計算公式如下：

電機連續(xù)工作時的力矩為負載力矩與阻力力矩之和。除了對電機持續(xù)工作狀態(tài)下的力矩進行計算，還應當計算電機的最大力矩，即電機啟動和停止時的力矩。在計算啟動和停止時的力矩，需要計算其最大負載慣量，最大負載慣量的計算可以分為兩部分，一是計算對絲桿自身的轉(zhuǎn)動慣量Jb，二是計算測量體沿直線運動的慣量Jw。其計算公式如下：

得到負載力矩后選擇電機時，負載轉(zhuǎn)動慣量與電機的轉(zhuǎn)動慣量比應當在1～5之間，我們可以預估電機的轉(zhuǎn)動慣量應當在J/2.5左右，測量體采用直線加速模式時，其加速力矩的計算公式如下：

通過以上計算，得到電機的額定轉(zhuǎn)矩應當為0.045N·m，最大轉(zhuǎn)矩為6.3N·m，故伺服電機可選取Panasonic出產(chǎn)的MQMA042P1V型號，該電機為單相200V電壓，額定功率為400W，額定轉(zhuǎn)矩為1.3N·m，最大轉(zhuǎn)矩為3.82N·m，電機轉(zhuǎn)動慣量為0.64×10-4kg·m2，最高轉(zhuǎn)速可達3 000r/min，制動電源為DC24V，帶有17位絕對式編碼器，重量為2.5kg。

3.2 激光位移傳感器介紹與選型

激光位移傳感器是屬于非接觸式測量儀器，相對于接觸式測量儀器，它擁有便捷，且不存在劃傷被測物體表面和因探頭磨損導致精度下降的問題。激光位移傳感器根據(jù)測量原理可分為三角測量法和回波分析法兩種。針對輥彎機的尺寸和測距范圍，我們選用YF-YJ系列激光測距傳感器。YF-YJ系列激光測距傳感器具有測量速度快、精度高等特點，同時測量儀器體積小、數(shù)據(jù)接口豐富，輸出數(shù)據(jù)類型可根據(jù)需要任意選擇。

3.3 輸入輸出板卡介紹與選型

在本文研究的板材曲率自動測量裝置的數(shù)控系統(tǒng)中，運動控制卡采用的是研華公司的產(chǎn)品PCI-1 240U和PCI-1 716L兩張板卡。PCI-1 240U采用由研華公司出產(chǎn)的伺服或步進電機控制卡，該卡可同時驅(qū)動四部電機，通過向伺服電機驅(qū)動器輸入指令，可實現(xiàn)對伺服電機的控制。PCI-1 716L是一款功能強大的PCI數(shù)據(jù)采集卡，它具有分辨率高、采集速度快等優(yōu)點。

3.4 控制系統(tǒng)設計

測量裝置對板材曲率進行測量時，通過伺服電機帶動絲桿的轉(zhuǎn)動，可控制測量體沿輥彎機橫梁上的導向桿前后移動，測量體的位置根據(jù)待測板材的形式和測量位置決定。伺服電機轉(zhuǎn)動的同時可通過電機輸出的脈沖信號來反饋其旋轉(zhuǎn)角度，再通過旋轉(zhuǎn)角度和絲桿的螺距計算，得到測量體橫向移動的距離。當測量體移動到軌道端部，可觸碰位于軌道端部的限位開關，限位開關通過反饋開關信號來告知上位機測量體已到軌道端部。

工控機通過PCI-1 240U板卡向伺服電機驅(qū)動器發(fā)送驅(qū)動伺服電機運動的控制指令，其中包括伺服電機的轉(zhuǎn)動角度和方向等信號，同時，把伺服電機實際的轉(zhuǎn)動角度、方向信息通過脈沖的形式反饋給驅(qū)動器，再由PCI-1 240U板卡將反饋回來的信息輸入到工控機，通過相應的轉(zhuǎn)換計算即可得到伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度。激光位移傳感器固定在伺服電機的轉(zhuǎn)盤上，當伺服電機轉(zhuǎn)動，可以帶動激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)，當旋轉(zhuǎn)指定角度，工控機通過PCI-1 716L發(fā)送測量指令，激光位移傳感器即刻開始測量，并將測量得到的位移模擬量信號以差分的形式通過PCI-1 716L輸入工控機，通過相應的轉(zhuǎn)換計算，即可得到測量點與測量位置間的距離。伺服電機上的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)到限制位置或者整個測量裝置移動到水平軌道端部，都會觸發(fā)安裝在端部的限位裝置，即接近開關，接近開關將觸發(fā)信號通過PCI-1 716L輸入工控機，工控機將立即發(fā)出停止繼續(xù)向相應方向運動的命令，控制流程如圖4所示。

圖4 板材曲率測量控制系統(tǒng)原理

4 數(shù)據(jù)處理

通過以上測量裝置，得到測量點的離散坐標，通過擬合方法得到實際曲線。在本文中，板材最小曲率半徑為600mm，因此不會出現(xiàn)很復雜的曲線，選用三次多項式進行曲線擬合即可滿足要求。由于測量離散點的數(shù)量大，且板材橫截面曲線較長，如果只采用一個多項式曲線函數(shù)擬合，將難以取得較好的擬合精度和效果。為有效地解決上述問題，一般采用分段多項式曲線擬合。分段三次多項式擬合方法首先要對測量點進行分段處理，將測量點按順序分成若干個分段，然后對各段進行三次多項式擬合，擬合后得到各分段曲線的多項式各參數(shù)如表1所示。

表1 分段三次多項式擬合各項系數(shù)

通過對測量點進行曲線擬合，可以得到實際板材的截面曲線函數(shù)，為了得到加工效果，我們需要對實際截面曲線與目標曲率相比較，由于測量坐標系與目標設計坐標系存在偏差，若直接求測量曲面到目標曲面的距離是不符合輪廓度誤差定義的。為了消除系統(tǒng)定位誤差，需要對曲面進行空間位置的變換，我們要保證匹配后的曲線仍然滿足函數(shù)一一對應的關系，因此我們將實測點擬合得到的曲線坐標不變，平移和旋轉(zhuǎn)目標曲線上的關鍵點，然后計算變換后的測量曲面與目標曲面的偏差，最大偏差值即為曲面輪廓度偏差。曲線的匹配總共分為兩個步驟，即粗匹配和精匹配，匹配后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 粗匹配和精匹配的匹配結(jié)果圖

5 總結(jié)

本文是針對輥彎機進行數(shù)字化改造中的自動測量系統(tǒng)進行研究，考慮到輥彎機的結(jié)構(gòu)和加工形式，設計了一套基于極坐標的無接觸板材曲率測量系統(tǒng)。本文涉及到對伺服電機、激光位移傳感器、限位開關等設備的指令控制和信號讀取，其中還涉及到對PCI-1 240 U和PCI-1 716 L的使用及注冊表的寫入和讀取方法。除了對控制系統(tǒng)設計，本文還介紹了對測量得到離散點數(shù)據(jù)進行處理，通過去噪處理、曲線擬合、曲線匹配，最終將板材曲率測量結(jié)果與目標曲率的比較結(jié)果用距離和半徑兩種形式顯示出來。

在控制程序編輯中，我們采用了LabVIEW程序進行編輯，不僅能靈活應用研華公司提供的數(shù)據(jù)包對驅(qū)動器進行控制，同時也能夠?qū)Τ绦蚪缑孢M行很方便地設計。對精匹配過程，調(diào)用了LabVIEW中的Matlab節(jié)點，對實測曲線和目標型值點進行優(yōu)化過程，并得到了較好的結(jié)果。

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ResearchonAutomaticMeasuringSystemofPlateCurvatureforThree-rollBender

GUORong,MAOYun-sheng,LIXian-hua

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology，WuhanHubei430063，China)

At present, triangle template is generally used to test the result in the process of bending. That work is not only complex, low efficiency, terrible working environment, but also affects the measurement accuracy during use. Automatic measurement technique of sheet can not only solve the above problems existing in the manual for sampling, but also provide support for the realization of automatic control of roll bending machine.

Roll bending machine Auto-control Curvature measurement

郭 榮(1988-)，男，實驗員，碩士研究生。

TG

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