黃 濤， 譚建平, 文 學(xué)， 李新和

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

設(shè)計(jì)與制造

薄壁筒形件旋壓制造外徑尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)*

黃 濤， 譚建平, 文 學(xué)， 李新和

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410000)

為提高薄壁筒形件旋壓制造尺寸精度，針對(duì)當(dāng)前旋壓制造無(wú)外徑尺寸在線檢測(cè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于位移傳感器和角度編碼器組合測(cè)量的在線檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)建立直角坐標(biāo)系，將采集的位移和角度信號(hào)換算得到筒形件輪廓坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)擬合圓，得到外徑尺寸。完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和硬件系統(tǒng)搭建，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明:系統(tǒng)測(cè)量分辨率小于0.05 μm，檢測(cè)精度可達(dá)2 μm，且重復(fù)性良好，是一種筒形件外徑尺寸在線檢測(cè)的可行方案。

薄壁筒形件； 旋壓； 在線檢測(cè)； 外徑測(cè)量

0 引 言

我國(guó)第三代核電技術(shù)自主創(chuàng)新的標(biāo)志——CAP1400示范工程，其核主泵屏蔽套尺寸要求為直徑600 mm，壁厚僅0.76 mm，且對(duì)制造精度要求極高。目前，屏蔽套的高精度制造技術(shù)已成為制約核主泵國(guó)產(chǎn)化的重要因素之一[1]。而金屬旋壓成形技術(shù)屬于回轉(zhuǎn)成形范疇，在加工高精度薄壁筒形件方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，可生產(chǎn)出高強(qiáng)度、力學(xué)性能優(yōu)良的精密復(fù)雜零件。是制造高精度薄壁空心回轉(zhuǎn)體常用的最有效的方法之一[2]。

目前，薄壁筒形件旋壓的極限直徑/壁厚比(簡(jiǎn)稱徑厚比)通常在400～750之間[3]，隨著生產(chǎn)要求提高，需要更大徑厚比能力和更高制造精度(外徑和壁厚)。當(dāng)前旋壓精度主要依靠工藝參數(shù)設(shè)定和機(jī)床控制系統(tǒng)精度來(lái)保障[4]，為進(jìn)一步提高旋壓制造尺寸精度，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)旋壓薄壁筒形件外徑尺寸在線檢測(cè)，將檢測(cè)的尺寸信息反饋至控制系統(tǒng)，結(jié)合工藝參數(shù)設(shè)計(jì)閉環(huán)控制。另一方面，在線檢測(cè)可替代現(xiàn)有人工離線檢測(cè)，提高生產(chǎn)效率。因此，旋壓制造的外徑在線檢測(cè)變得極為重要，目前該檢測(cè)技術(shù)在旋壓工藝中屬于工業(yè)空白。

結(jié)合旋壓制造工藝，以薄壁筒形件為檢測(cè)對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于位移傳感器組合角度編碼器的薄壁筒形件外徑尺寸旋壓在線檢測(cè)系統(tǒng)，搭建了檢測(cè)裝置，基于LabVIEW編寫軟件系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在線檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。該外徑檢測(cè)方法不但適用于旋壓工藝，而且可推廣到其他加工制造方式的筒形件外徑檢測(cè)。

1 外徑尺寸在線測(cè)量原理

1.1 薄壁筒形件旋壓原理

針對(duì)薄壁筒形件，工藝上采用變薄旋壓。在變薄旋壓過(guò)程中，工件固定在芯模(旋轉(zhuǎn)主軸)上并隨之旋轉(zhuǎn)，旋輪通過(guò)軸向和徑向運(yùn)動(dòng)，使得工件壁厚減薄，長(zhǎng)度伸長(zhǎng)。根據(jù)材料的流動(dòng)方向，變薄旋壓分為正旋和反旋，其原理如圖1所示[5]。結(jié)合旋壓工藝和旋壓機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外徑尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)方案。

圖1 薄壁筒形件旋壓原理

1.2 外徑測(cè)量原理

外徑在線測(cè)量原理如圖2所示，以旋壓機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心線為Z軸，旋輪進(jìn)給方向?yàn)檎?，鉛錘方向?yàn)閄軸，向下為正，水平方向?yàn)閅軸，沿徑向增大方向?yàn)檎?，建立平面直角坐?biāo)系，圖2為工件某一橫截面。在芯模上安裝角度編碼器測(cè)量主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，標(biāo)定位移傳感器坐標(biāo)C(e，a),設(shè)B0點(diǎn)為測(cè)量初始點(diǎn)，相距θ1為下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)B1， 當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)過(guò)θ1時(shí)，測(cè)量點(diǎn)將從點(diǎn)B0(x0,y0)轉(zhuǎn)移到點(diǎn)B1(x1,y1)。

圖2 外徑測(cè)量原理

根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理[6]，將B1繞工件旋轉(zhuǎn)中心O，沿主軸旋轉(zhuǎn)相反方向轉(zhuǎn)過(guò)θi角，即得到工件輪廓對(duì)應(yīng)點(diǎn)B(x,y)。根據(jù)繞原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)前后的坐標(biāo)關(guān)系，得工件輪廓坐標(biāo)

(1)

式中 旋轉(zhuǎn)矩陣

(2)

B0點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)可由圖2得出

(3)

式中s0為位移傳感器在測(cè)量點(diǎn)B0的測(cè)量值,有

(4)

即得被測(cè)件輪廓坐標(biāo)為

(5)

根據(jù)獲得的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)(xi，yi)，i=1,2,3…m,用最小二乘法擬合圓，即可得到工件在該橫截面的理想圓心(u1，u2)和直徑D。當(dāng)檢測(cè)裝置帶動(dòng)位移傳感器沿軸向移動(dòng)，便可檢測(cè)下一個(gè)截面的外徑。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外徑在線檢測(cè)系統(tǒng)由旋壓加工系統(tǒng)、測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和上位機(jī)組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

角度編碼器安裝在旋壓機(jī)床芯模尾端，測(cè)量裝置安裝在旋壓機(jī)床導(dǎo)軌上，測(cè)量裝置上布置位移傳感器；角度編碼器和位移傳感器的信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)同步采集位移信號(hào)和角度信號(hào)，并傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)一方面處理信號(hào)進(jìn)行圓的擬合，另一方面與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可將電機(jī)步數(shù)反饋至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置軸向定位，而上位機(jī)可發(fā)送指令控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)測(cè)量裝置沿軸向運(yùn)動(dòng)，完成多截面測(cè)量。

2.2 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)如圖4所示，結(jié)合旋壓機(jī)床結(jié)構(gòu)和旋壓工藝，設(shè)計(jì)外置跟隨式檢測(cè)裝置。

圖4 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌安裝于旋壓機(jī)床上，十字滑臺(tái)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿機(jī)床導(dǎo)軌軸向運(yùn)動(dòng)，與旋壓刀架保持一定距離，避免運(yùn)動(dòng)干涉；傳感器安裝架安裝在十字滑臺(tái)上，可上下調(diào)節(jié)，保持與芯模同軸；傳感器安裝架設(shè)計(jì)多個(gè)安裝位，可同時(shí)安裝多只傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步采集(為后續(xù)多點(diǎn)采集研究預(yù)留接口)。加工過(guò)程中，安裝架停留在某一截面，傳感器完成該截面位移采集，之后移動(dòng)至下一截面進(jìn)行采集，順次可完成整個(gè)筒形件的多截面外徑檢測(cè)。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)基于LabVIEW編寫，主要由采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊3部分組成[7]，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件模塊框圖

采集模塊完成位移傳感器信號(hào)和角度編碼器信號(hào)的同步采集；數(shù)據(jù)處理模塊首先進(jìn)行信號(hào)去噪，然后根據(jù)最小二乘法完成圓擬合，通過(guò)顯示功能將擬合結(jié)果實(shí)時(shí)顯示；控制模塊可讀取步進(jìn)電機(jī)步數(shù)，用以檢測(cè)裝置軸向位置定位，同時(shí)可控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)精度及重復(fù)性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

角度編碼器選用德國(guó)Sick公司的增量型編碼器SF60A，每轉(zhuǎn)動(dòng)360°，發(fā)送65 536個(gè)脈沖信號(hào)。位移傳感器選用英國(guó)Solartron Metrology公司的orbit3傳感器，探頭為彈簧推標(biāo)準(zhǔn)式-DP，分辨率小于0.05 μm，采集模塊DP2S；編碼器輸入模塊(encoder input module,EIM)采集角度編碼器脈沖，采用USB接口模塊(USB interface module,USBIM)與上位機(jī)通信，DP2S，EIM，USBIM3模塊通過(guò)orbit協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)同步采集。利用系統(tǒng)測(cè)量公稱直徑為(200±0.05) mm的薄壁筒形件。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)定傳感器后對(duì)工件某一截面測(cè)量9圈，得到位移隨角度變化值，9圈的重復(fù)性對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 同一位置重復(fù)性

可以看出:該測(cè)量方法具有很好的重復(fù)性，9圈內(nèi)同一位置最大差值不超過(guò)2 μm。

對(duì)工件3個(gè)截面進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)截面測(cè)量5次，并擬合得外徑，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明:工件合格，該系統(tǒng)測(cè)量分辨率小于0.05 μm，檢測(cè)精度在2 μm以內(nèi)，且重復(fù)性良好，能完成薄壁筒形旋壓件外徑尺寸在線高精度檢測(cè)。

表1 外徑檢測(cè)結(jié)果 mm

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)薄壁筒形件旋壓制造外徑尺寸在線檢測(cè)的需求，基于單點(diǎn)位移傳感器組合角度編碼器的測(cè)量方式設(shè)計(jì)了在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)測(cè)量分辨率小于0.05 μm，檢測(cè)精度可達(dá)2 μm，且重復(fù)性良好。為提高旋壓制造尺寸精度提供了可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，在線檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)有效提高了生產(chǎn)效率。目前，正在研究基于多只位移傳感器進(jìn)行多點(diǎn)同步測(cè)量的檢測(cè)方法，以期進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。

[1] 李新和，劉燕平，嚴(yán)岳勝，等.大徑厚比超薄壁筒形件變薄旋壓鼓形[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012，19(3):64-70.

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Onlinedetectingsystemforouterdiameterofthin-walltubularpartsmanufacturedbyspinning*

HUANG Tao, TAN Jian-ping, WEN Xue, LI Xin-he

(StateKeyLaboratoryofHighPerformanceComplicatedManufacturing，SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，CentralSouthUniversity,Changsha410000,China)

In view that the current status of non spinning diameter online detection,an on line measuring system for the diameter of thin-wall tube spinning is designed to improve the precision of thin-wall tube spinning,in which the system based on a method of measuring by a displacement sensor and an angle encoder.Displacement and angle are acquired by sensor ,and a rectangular coordinate system is established to describe the coordinate of thin-wall contour of tube,while the diameter is calculated according to coordinate fitting circle.The system’s software and hardware are accomplished and tested on experiment table.Experimental results show that the system’s resolution and measurement precision are 0.05 μm and 2 μm,and the repeatability is good.The on line measuring system for the diameter of tube is a feasible method.

thin-wall tube; spinning; online detecting; outer diameter measurement

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0061—03

TH 124

A

1000—9787(2017)12—0061—03

2017—01—13

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015CB057305)

黃 濤(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)采集與處理，E-mali:15386421895@163.com。譚建平(1963-)，男，教授，主要從事測(cè)控技術(shù)研究工作。