王茂盛，王全先，劉 遠(yuǎn)

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002； 2.特種重載機(jī)器人安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)的測(cè)量環(huán)節(jié)，需要對(duì)一些產(chǎn)品進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量和質(zhì)量稱(chēng)重。測(cè)量方式有離線(xiàn)測(cè)量和在線(xiàn)測(cè)量，相比較于離線(xiàn)測(cè)量，在線(xiàn)測(cè)量具有作業(yè)時(shí)間短、強(qiáng)度低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能將所測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)狡髽I(yè)的制造業(yè)信息化系統(tǒng)中，有利于工作人員隨時(shí)核對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、信息化，進(jìn)而提高企業(yè)生產(chǎn)的效率[1-2]。為了確保在產(chǎn)品的稱(chēng)重與測(cè)長(zhǎng)環(huán)節(jié)中所提供的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高[3]，在此次測(cè)量方案中，采用了非接觸式測(cè)量中的激光測(cè)距技術(shù)和電子稱(chēng)重技術(shù)，以保證足夠的測(cè)量精度，減少人工測(cè)量所帶來(lái)的較大誤差干擾。

目前在長(zhǎng)圓柱棒料的稱(chēng)重量長(zhǎng)裝置的研發(fā)上，國(guó)內(nèi)有運(yùn)用輥道運(yùn)輸棒料，采用液壓連桿升降機(jī)構(gòu)[4-5]將棒料頂起稱(chēng)重，但該裝置只是針對(duì)棒料的稱(chēng)重，缺乏長(zhǎng)度測(cè)量，而且對(duì)輥道下方的空間要求比較高。也有一些裝置將稱(chēng)重與量長(zhǎng)分為兩個(gè)工位，即先完成對(duì)棒料的長(zhǎng)度測(cè)量，接著將棒料運(yùn)輸?shù)椒Q(chēng)重工位進(jìn)行稱(chēng)重[6-7]，這樣在測(cè)量效率上比較低下。此文筆者通過(guò)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)功能要求的分析，得出長(zhǎng)圓柱棒料稱(chēng)重量長(zhǎng)的機(jī)械系統(tǒng)與測(cè)量原理，設(shè)計(jì)出稱(chēng)重量長(zhǎng)裝置，并對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，使得棒料的長(zhǎng)度測(cè)量誤差達(dá)到企業(yè)要求的小于3 mm，解決了企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求。

1 測(cè)量系統(tǒng)功能要求

1.1 測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用范圍

長(zhǎng)圓柱棒料的直徑φ380～φ450 mm；長(zhǎng)度2 000～7 000 mm；最大稱(chēng)重質(zhì)量：7 t。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)功能要求

長(zhǎng)圓柱棒料稱(chēng)重量長(zhǎng)的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)；稱(chēng)重量長(zhǎng)系統(tǒng)測(cè)量誤差為：質(zhì)量(鋼)≤50 kg,長(zhǎng)度≤3 mm；稱(chēng)重量長(zhǎng)系統(tǒng)具有從露天跨到鋸切車(chē)間的傳送功能；連續(xù)稱(chēng)重量長(zhǎng)3 min/根；稱(chēng)重量長(zhǎng)控制系統(tǒng)能控制全部輥道和測(cè)量裝置；測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能存盤(pán)并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES系統(tǒng)。

2 長(zhǎng)圓柱棒料稱(chēng)重量長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總系統(tǒng)

長(zhǎng)圓柱棒料的稱(chēng)重量長(zhǎng)系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、通信模塊、電子元件、控制系統(tǒng)、顯示終端等組成，如圖1所示。

圖1 稱(chēng)重量長(zhǎng)系統(tǒng)框圖

該稱(chēng)重量長(zhǎng)系統(tǒng)需要控制的電機(jī)信號(hào)及傳感器信號(hào)較多，利用PLC接受激光傳感器、接近/光電開(kāi)關(guān)、稱(chēng)重模塊等傳感器的信號(hào)。將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)CPU處理和判斷，然后由CPU控制液壓缸、減速機(jī)組等運(yùn)動(dòng)。圖中的HMI通過(guò)TCP/IP與CPU和本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)SQL SERVER進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作員命令的下達(dá)。本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與MES服務(wù)器通過(guò)SQL SERVER JOB功能，完成計(jì)劃的下達(dá)和完成計(jì)劃的回傳。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)與測(cè)量原理

長(zhǎng)圓柱棒料的稱(chēng)重量長(zhǎng)的機(jī)械系統(tǒng)示意圖如圖2所示，由露天跨輥道2、激光測(cè)距傳感器3、稱(chēng)重裝置4、中間輥道5、鋸切跨輥道6等組成。該測(cè)量裝置將激光測(cè)距技術(shù)和稱(chēng)重技術(shù)設(shè)計(jì)在一個(gè)工位上，使得在對(duì)圓柱棒料進(jìn)行稱(chēng)重的同時(shí)也能夠完成長(zhǎng)度的測(cè)量，有效地縮短了圓柱棒料在稱(chēng)重和量長(zhǎng)工序上所花費(fèi)的時(shí)間。在每個(gè)輥道組之間分別安裝光電開(kāi)關(guān)，能夠?qū)﹂L(zhǎng)圓柱棒料在輥道上實(shí)現(xiàn)送料、測(cè)長(zhǎng)和稱(chēng)重的自動(dòng)定位控制。通過(guò)PLC接受信號(hào)，由CPU控制液壓缸、驅(qū)動(dòng)輥道運(yùn)行的減速電機(jī)組的工作。

圖2 稱(chēng)重量長(zhǎng)系統(tǒng)示意圖1.棒料 2.露天跨輥道 3.激光測(cè)距傳感器 4.稱(chēng)重裝置 5.中間輥道 6.鋸切跨輥道

工作運(yùn)行基本原理及過(guò)程為：棒料1經(jīng)由吊車(chē)在露天吊到露天跨輥道2上，由露天跨輥道2將棒料1運(yùn)輸至測(cè)量區(qū)域。當(dāng)接受到光電開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)控制中間輥道5停止，待棒料1穩(wěn)定后，啟動(dòng)稱(chēng)重和測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)，稱(chēng)重裝置4中的液壓缸伸出，由稱(chēng)重裝置4采集長(zhǎng)圓柱棒料的質(zhì)量，同時(shí)由兩個(gè)對(duì)向布置的激光測(cè)距傳感器3測(cè)出激光器到棒料1前后兩個(gè)端面的距離再經(jīng)標(biāo)定值計(jì)算出棒料長(zhǎng)度，最后將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES系統(tǒng)中。測(cè)量完畢，液壓缸下降并將棒料1放置在中間輥道5上，輥道繼續(xù)工作將棒料運(yùn)輸至鋸切跨輥道6。重復(fù)上述操作則可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)棒料的稱(chēng)重與長(zhǎng)度測(cè)量。

3 圓柱棒料稱(chēng)重量長(zhǎng)裝置的設(shè)計(jì)

3.1 圓柱棒料稱(chēng)重量長(zhǎng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，長(zhǎng)圓柱棒料的稱(chēng)重量長(zhǎng)裝置包括稱(chēng)重、量長(zhǎng)、輥道運(yùn)輸三大部分，由輥道、液壓缸、激光測(cè)距傳感器、稱(chēng)重模塊、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等組成。液壓缸安裝在輥道下方，分別與上方所處的中間輥道錯(cuò)位布置。在被測(cè)棒料的上方，相向安裝兩個(gè)激光測(cè)距傳感器，能夠滿(mǎn)足對(duì)棒料進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量的同時(shí)也能稱(chēng)重。

圖3 稱(chēng)重量長(zhǎng)裝置示意圖

為了便于測(cè)量不同長(zhǎng)度的圓柱棒料的質(zhì)量及長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)兩組稱(chēng)重裝置，每組四個(gè)稱(chēng)重模塊，其中相距3 100 m的兩個(gè)稱(chēng)重裝置用來(lái)測(cè)量4.5～7 m(圖中實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)部分)的圓柱棒料的質(zhì)量，當(dāng)測(cè)量4.5 m以上的圓柱棒料時(shí)，全部由圖中所示的1#光電開(kāi)關(guān)定位，在稱(chēng)重前由2、3號(hào)光電開(kāi)關(guān)判斷相應(yīng)的兩個(gè)油缸上方的輥道處是否有棒料。相距1 800 m的稱(chēng)重裝置測(cè)量2～4.5 m的圓柱棒料的質(zhì)量(圖中實(shí)線(xiàn)部分)，當(dāng)測(cè)量2～4.5 m的圓柱棒料時(shí)，需要人工進(jìn)行確定位置，此時(shí)在稱(chēng)重前由4、5號(hào)光電開(kāi)關(guān)確認(rèn)對(duì)應(yīng)的液壓缸上方是否有棒料。每個(gè)液壓缸外側(cè)分別設(shè)置一個(gè)光電開(kāi)關(guān)，用來(lái)判斷中間輥道上是否有圓柱棒料，如果液壓缸上方的輥道上沒(méi)有圓柱棒料，則液壓缸不頂伸。另外再設(shè)置兩個(gè)上下接近開(kāi)關(guān)，用來(lái)確定液壓缸的頂伸位置。

當(dāng)圓柱棒料從右往左移動(dòng)到中間輥道，1#光電開(kāi)關(guān)有信號(hào)時(shí)，同時(shí)液壓缸對(duì)應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)2#和3#，或者4#和5#有信號(hào)時(shí)，即液壓缸上方有圓柱棒料，則相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)液壓缸同時(shí)升起將圓柱棒料平穩(wěn)地頂起，當(dāng)?shù)竭_(dá)上接近開(kāi)關(guān)時(shí)，棒料將位于兩個(gè)激光測(cè)距傳感器之間，上接近開(kāi)關(guān)有信號(hào)后，由安裝在兩邊的1#和2#激光測(cè)距傳感器開(kāi)始測(cè)量棒料的長(zhǎng)度，與此同時(shí)棒料底部的稱(chēng)重模塊測(cè)得棒料的質(zhì)量。測(cè)量完畢后，液壓缸復(fù)位，當(dāng)液壓缸下降至下接近開(kāi)關(guān)時(shí)有信號(hào)，輥道電機(jī)組開(kāi)始工作，啟動(dòng)中間輥道，將圓柱棒料運(yùn)輸至下一鋸切工位。

3.2 圓柱棒料的稱(chēng)重裝置

稱(chēng)重裝置如圖4所示。

圖4 稱(chēng)重裝置示意圖

即圖3中A-A處的剖面圖，由液壓缸1、推頭2、稱(chēng)重模塊3、V形座4等組成。在非稱(chēng)重狀態(tài)時(shí)，液壓缸1處于縮進(jìn)狀態(tài)，位于運(yùn)輸輥道的下方。稱(chēng)重裝置與輥道的輥?zhàn)渝e(cuò)位布置，液壓缸1可安裝在中間輥道下方的水泥基礎(chǔ)上，推頭2安裝在液壓缸1活塞桿頭部上，在每個(gè)推頭2上對(duì)稱(chēng)安裝兩個(gè)稱(chēng)重模塊3，一套稱(chēng)重裝置有四個(gè)稱(chēng)重模塊，其中一個(gè)固定式、一個(gè)半浮動(dòng)式、兩個(gè)浮動(dòng)式，這樣可以確保稱(chēng)重系統(tǒng)在受到外界影響而產(chǎn)生位移時(shí)，作用在傳感器上的受力點(diǎn)不變，保證測(cè)量精度以及良好的穩(wěn)定性，又可以防止因安裝問(wèn)題而造成的相應(yīng)誤差[8]。V形座4安裝在兩個(gè)稱(chēng)重模塊上，被測(cè)圓柱棒料直接落在兩個(gè)V形座4的接觸面上。

在稱(chēng)重過(guò)程時(shí)通過(guò)液壓缸1推動(dòng)推頭2和V型座4上升，將長(zhǎng)圓柱棒料頂起，由圖示中的V形座4將圓柱棒料的質(zhì)量傳遞到底部的兩個(gè)稱(chēng)重模塊上，即可測(cè)得圓柱棒料的質(zhì)量，進(jìn)而完成對(duì)長(zhǎng)圓柱棒料的稱(chēng)重。測(cè)量完畢，液壓缸1復(fù)位，將棒料放在中間輥道上。系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，中間輥道開(kāi)始工作將棒料送至下一工位。

稱(chēng)重模塊選用SBT-FW型傳感器，采用合金鋼結(jié)構(gòu)，可直接安裝在地上或者基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，該稱(chēng)重模塊的安全載荷可達(dá)150%，工作溫度范圍-10～70 ℃，具有高靈敏度2.0 mV/V，輸入阻抗387 Ω±20 Ω。稱(chēng)重模塊采用如圖5所示的矩形布置，稱(chēng)重模塊3安裝在V形座4和推頭2的中間，所以被測(cè)棒料的質(zhì)量為稱(chēng)重模塊3測(cè)得的數(shù)值減去V形座4自身的質(zhì)量。該稱(chēng)重裝置的精度取決于稱(chēng)重模塊本身的精度，以及四個(gè)稱(chēng)重模塊在安裝時(shí)出現(xiàn)的位置偏差。當(dāng)四個(gè)稱(chēng)重模塊不處在同一水平高度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在稱(chēng)重過(guò)程中棒料的質(zhì)量無(wú)法均勻的落在四個(gè)稱(chēng)重模塊上[9]。上述的兩個(gè)原因都將會(huì)導(dǎo)致棒料在稱(chēng)重時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。

圖5 稱(chēng)重模塊布置形式

3.3 圓柱棒料的量長(zhǎng)機(jī)構(gòu)

量長(zhǎng)裝置示意圖如圖6所示。

圖6 量長(zhǎng)裝置示意圖1.棒料 2. 2#接近開(kāi)關(guān) 3. 2#激光器 4. 1#接近開(kāi)關(guān) 5. 1#激光器

在被測(cè)圓柱棒料1的上方，高于長(zhǎng)圓柱棒料上母線(xiàn)50 mm處，相向安裝兩個(gè)相距7.4 m的1#和2#激光測(cè)距傳感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)激光器)。為了保證圓柱棒料1的長(zhǎng)度測(cè)量精度，降低在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，在激光器的桿件頭部設(shè)計(jì)安裝兩自由度角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過(guò)該調(diào)整機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)，可以使得2個(gè)激光器3和激光器5所發(fā)射出的激光線(xiàn)能夠保持在同一直線(xiàn)上，并且盡量垂直于圓柱棒料1的端面。另外在每個(gè)激光器處分別設(shè)置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)2和4，防止被測(cè)圓柱棒料1撞到激光器3。

3.4 長(zhǎng)度測(cè)量原理及標(biāo)定

長(zhǎng)圓柱棒料的長(zhǎng)度測(cè)量原理如圖7所示，由一對(duì)激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)2個(gè)傳感器相向發(fā)出的激光線(xiàn)，分別測(cè)出2個(gè)激光測(cè)距傳感器到棒料端面之間的距離，分別為h1,h2。則長(zhǎng)圓柱棒料的長(zhǎng)度H為：

H=(T-h1-h2)·cosθ

(1)

式中：θ為長(zhǎng)圓柱棒料的軸線(xiàn)與激光線(xiàn)之間的夾角，由于長(zhǎng)圓柱棒料軸線(xiàn)相對(duì)于激光器之間存在歪斜而產(chǎn)生；T為兩個(gè)激光測(cè)距傳感器之間的距離。

圖7 長(zhǎng)度測(cè)量原理圖1. 1#激光器 2. 2#激光器 3.棒料

為了能夠標(biāo)定測(cè)量過(guò)程中的θ角和激光器之間的距離T，在正式測(cè)量前，先利用兩根已知長(zhǎng)度H1和H2的長(zhǎng)圓柱棒料分別放在測(cè)量裝置上，采用上述測(cè)量方法，2個(gè)激光測(cè)距傳感器分別測(cè)出激光器到長(zhǎng)圓柱棒料的端面的距離為h11,h12和h21,h22，則：

(2)

由公式(1)可得，2個(gè)激光測(cè)距傳感器之間的距離T為：

(3)

根據(jù)公式(2)先對(duì)測(cè)量過(guò)程中存在的θ角進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出該角度值，接著利用公式(3)計(jì)算出2個(gè)激光測(cè)距傳感器之間的距離T，最后利用公式(1)則可以進(jìn)行某長(zhǎng)圓柱棒料長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)。

3.5 長(zhǎng)度測(cè)量三維仿真

根據(jù)上述測(cè)量方法，在Creo4.0虛擬空間中建立測(cè)量模型。模擬激光器在測(cè)量時(shí)發(fā)出的激光線(xiàn)如圖8所示，激光線(xiàn)與棒料軸線(xiàn)的夾角為θ。

圖8 仿真測(cè)量模型

將已知長(zhǎng)度h1為4 658 mm的棒料放入測(cè)量裝置，啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，2個(gè)激光測(cè)距傳感器同時(shí)開(kāi)始測(cè)量，分別得到h11=1 715.88 mm，h12=1 424.52 mm。同理，將另一根已知長(zhǎng)度為h2為5 678 mm的棒料放入測(cè)量裝置，分別得到h21=1 116.39 mm，h22=1 003.66 mm。

根據(jù)公式(2)計(jì)算出：

再根據(jù)公式(3)計(jì)算出兩個(gè)激光器之間的距離：

而在Creo的虛擬空間中測(cè)得θ=1°30′36″，由此可得cosθ≈0.999 7。由上述計(jì)算可知，采用該方法標(biāo)定cosθ具有可行性。

在標(biāo)定激光器之間的距離以及激光線(xiàn)與棒料軸線(xiàn)的θ后，開(kāi)始仿真測(cè)量。將待測(cè)的長(zhǎng)圓柱棒料放入測(cè)量裝置中，依據(jù)上述步驟，得到兩個(gè)讀數(shù)h1=1 834.43 mm、h2=1 684.30 mm，根據(jù)公式(1)計(jì)算待測(cè)長(zhǎng)圓柱棒料的長(zhǎng)度為4 279.603 mm，在三維虛擬空間中，測(cè)量出該棒料的長(zhǎng)度為4 279.809 mm，用本非接觸式激光測(cè)量方法測(cè)量的誤差為0.206 mm，達(dá)到企業(yè)小于的3 mm要求。

在該非接觸式激光測(cè)量方法中，采用的激光測(cè)距傳感器的型號(hào)為YF-YJA10，該激光器的測(cè)量精度為0.5 mm，重復(fù)精度為0.5 mm。測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)標(biāo)定后，再經(jīng)過(guò)上述的三維仿真測(cè)試驗(yàn)證其實(shí)際總測(cè)量誤差小于3 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

構(gòu)建的一種針對(duì)長(zhǎng)圓柱棒料的運(yùn)輸和自動(dòng)稱(chēng)重量長(zhǎng)相結(jié)合的系統(tǒng)裝置，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，能夠?qū)﹂L(zhǎng)圓柱棒料進(jìn)行連續(xù)在線(xiàn)的測(cè)長(zhǎng)與稱(chēng)重，并且將所測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)叫畔⒒圃霱ES系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的信息化。

采用激光測(cè)距技術(shù)和電子稱(chēng)重技術(shù)，降低人工測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的偏差。通過(guò)將2根已知長(zhǎng)度棒料的長(zhǎng)度棒料的放入該測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行標(biāo)定，可以消除激光線(xiàn)與棒料軸線(xiàn)之間夾角帶來(lái)的測(cè)量誤差，同時(shí)又能準(zhǔn)確標(biāo)定2個(gè)激光器之間的距離。此測(cè)量系統(tǒng)中的長(zhǎng)度測(cè)量誤差取決于激光器本身的測(cè)量精度，以及液壓缸頂伸時(shí)的升程誤差。針對(duì)液壓缸的升程誤差，在工作一段時(shí)間后，需要重新對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確保測(cè)量精度可達(dá)到企業(yè)要求的小于3 mm。