CN101769727B - 圆截面工件局部直度在线自动检测系统 - Google Patents

Abstract

一种机械加工技术领域的圆截面工件局部直度在线自动检测系统，包括：检测装置、下位机部分和上位机部分，其中：下位机部分包括：逻辑控制模块和数据采集模块；上位机部分包括：上位机处理器、通讯模块、数据处理模块和人机界面。本发明每个检测截面只用一个位移传感器，且传感器的位置与工件保持随动，结合数据处理技术，不仅使测量系统简单可靠，而且避免了当工件径向有跳动时测不准问题。所述系统及其检测方法可用于大长径比圆截面工件，如钢管、棒料、轴及阶梯轴类工件等的局部直度在线自动检测。

Description

圆截面工件局部直度在线自动检测系统

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工技术领域的检测系统，具体是一种长径比大于10的圆截面工件局部直度在线自动检测系统。

背景技术

大长径比圆截面工件的直度在线自动检测长久以来是一个未很好解决的难题。该类工件长径比高，一般存在局部直度无法保证达标、需要质量检测的问题。如大型钢管的局部直度检测一般是人工持骑马规检测，效率和精度都无法保证；光隙法、图像检测法等精度较高，但存在难以在线检测、难以适应现场的复杂环境或生产节拍低下等缺陷，难以得到工业应用。开发一种适应现场环境的，大长径比圆截面工件局部直度在线自动检测系统有重要的意义。本发明已经应用于某大型钢铁企业的大型钻杆直度在线自动检测。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN2117587，公开日1993-7-28，记载了一种“抽油杆端部直线度检测仪”，该技术适用于对油田采油设备中抽油杆的端部直线度进行检验，采用带锥面的弹性夹头定心和夹紧，夹头与百分表之间只有一个动配合面，可以有效地检测石油管的直度。但此技术为纯机械式，人工操作，误差大、劳动强度大。

进一步检索发现，中国专利文献号CN2245211，公开日1997-1-15，记载了一种“直线度测量仪”，该技术目的是提高零件的测量精度及实现生产过程的测量自动化，由位移传感器(1)、(2)，外触发器(8)，前置放大器(4)，低通滤波器(5)，A/D转换器(6)，单片计算机(7)，面板式打印机(10)及液晶显示屏(11)组成，利用逐次两点误差分离的原理设计，每个检测截面用两个位移传感器且所有传感器均固定位置。由于每个检测截面需要二个位移传感器，测量系统相对复杂，成本较高。同时，由于所有传感器的位置固定，当工件存在径向跳动工况时则无法用该方法测量。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种圆截面工件局部直度在线自动检测系统，该技术每个检测截面只用一个位移传感器，且传感器的位置与工件保持随动，结合数据处理技术，不仅使测量系统简单可靠，而且避免了当工件径向有跳动时测不准问题。所述系统及其检测方法可用于大长径比圆截面工件，如钢管、棒料、轴及阶梯轴类工件等的局部直度在线自动检测。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：检测装置、下位机部分和上位机部分，其中：

下位机部分包括：逻辑控制模块和数据采集模块；

上位机部分包括：上位机处理器、通讯模块、数据处理模块和人机界面；

检测装置正对待测工件的待测位置并与数据采集模块相连接以输出待测工件圆截面外圆上各点的径向位置信息和周向位置信息，逻辑控制模块和上位机部分的通讯模块通过通讯总线相连接以传输传感器信息，数据处理模块对传感器信息进行数据重构和分析处理，数据处理模块的输出端与人机界面相连接以输出待测工件局部直度误差和偏心相位。

所述的检测装置包括：气缸、固定支架、浮动支架、导向组件、支撑脚、传感器、编码器、摩擦轮组件、弹簧和两个驱动轮组件，其中：气缸和导向组件分别安装在固定支架上，传感器、编码器、摩擦轮组件和支撑脚分别安装在浮动支架上，编码器与摩擦轮组件相连接，传感器和编码器分别与数据采集模块相连接以输出待测工件圆截面外圆上各点的径向位置信息和周向位置信息，待测工件的两端分别放置在两个结构相同的驱动轮组件上，支撑脚和摩擦轮和待测工件相接触，弹簧的两端分别与浮动支架和固定支架相接触以实现柔性连接。

所述的驱动轮组件为一对旋转方向相反的驱动轮；

所述的支撑脚呈V型，工作时通过其二侧安装的轴承滚轮和工件接触；

所述的传感器为激光位移传感器，通过调整传感器在浮动支架上的位置，使传感器射出的光斑位于工件母线处。

当气缸动作时，浮动支架在导向组件的圆导轨的导向下向下运动，同时支撑脚和摩擦轮和工件接触，

当气缸复位时，浮动支架在导向组件的圆导轨的导向下向上运动，同时支撑脚和摩擦轮和工件脱离。

所述的数据采集模块包括：模数转换器、高速计数模块和总线接口，其中：模数转换器与检测装置的传感器相连以接收传感器信息并输出数字信号至逻辑控制模块，高速计数模块与检测装置的编码器相连接以接收编码器发出的脉冲信号，该脉冲信号包含了待测工件圆截面外圆上各点的周向位置信息，并输出该脉冲信号至逻辑控制模块。

所述的模数转换器上设有滤波器。

所述的逻辑控制模块包括：运算处理器、数字量I/O模块、存储器和通讯接口，其中：数字量I/O模块负责检测装置中开关量信号的输入输出，运算处理器将数据采集模块获取的信息和数字量I/O模块获取的信息存入存储器，同时通过通讯总线和上位机部分通讯模块交互信息。

所述的数据处理模块对采集数据进行重构，获得工件局部直度信息。

所述的重构包括：

1)去除数据的尖峰毛刺：如果一个数比它前一项和后一项都相差超过设定值，则用前后两项的平均值来代替此项，来消除干扰以及工件表面缺陷的影响。

2)数据平滑滤波：将数据首尾相连形成一个数据环，对数据环上的数据进行滑动平均滤波，取n项滑动平均(前后各n/2项)，以提高重复精度，从而正确获取偏心相位。

3)判断数据的病态程度：由于一些复杂因素的影响，采集到的数据有时会出现病态，如数据严重不连续、首位不能相连、含有趋势项、漏采等，需要在处理之前作出判断，方法是比较开始两项以及相临的各项数据，若相差超过一设定值便认为数据病态，需重新检测。

4)根据检测数据特点选用曲线拟合算法进行处理，综合计算出工件的直度误差以及最大误差所在周相位置。

本发明通过以下过程进行自动检测：

第一步、气缸动作，浮动支架在导向组件的圆导轨的导向下向下运动，同时支撑脚和摩擦轮和工件接触，检测装置的两V型支撑脚支撑在工件直度达标部位。

第二步、浮动支架随工件的转动而浮动。工件旋转一周，浮动支架上位移传感器和编码器分别获取工件圆截面外圆上各点的径向位置信息和周向位置信息并传送至数据采集模块。

第三步、逻辑控制模块启动和上位机部分通讯模块的通讯，将数据采集模块所采集的数据送入上位机。

第四步、上位机获取采集数据后，通过数据处理模块对数据进行实时分析处理，最终获取工件局部直度信息。

第五步、气缸复位，浮动支架在导向组件的圆导轨的导向下向上运动，同时支撑脚和摩擦轮和工件脱离。

通过实施本发明所述的直度检测方法，能实现不同直径范围和不同长度的圆截面工件在存在径向跳动等恶劣检测工况下的局部直度检测，并能保持较高的检测精度和生产节拍。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为本发明检测装置原理示意图。

图3为实施例模型示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：检测装置1、下位机部分2和上位机部分3，其中：

下位机部分2包括：逻辑控制模块4和数据采集模块5；

上位机部分3包括：上位机处理器6、通讯模块7、数据处理模块8和人机界面9；

检测装置1正对待测工件的待测位置并与数据采集模块5相连接以输出待测工件圆截面外圆上各点的径向位置信息和周向位置信息，逻辑控制模块4和上位机部分3的通讯模块7通过通讯总线相连接以传输传感器15信息，数据处理模块8对传感器15信息进行数据重构和分析处理，数据处理模块8的输出端与人机界面9相连接以输出待测工件局部直度误差和偏心相位。

如图2所示，所述的检测装置1包括：气缸10、固定支架11、浮动支架12、导向组件13、支撑脚14、传感器15、编码器16、摩擦轮组件17、弹簧18和两个驱动轮组件19，其中：气缸10和导向组件13分别安装在固定支架11上，传感器15、编码器16、摩擦轮组件17和支撑脚14分别安装在浮动支架12上，编码器16与摩擦轮组件17相连接，传感器15和编码器16分别与数据采集模块5相连接以输出待测工件圆截面外圆上各点的径向位置信息和周向位置信息，待测工件的两端分别放置在两个结构相同的驱动轮组件19上，支撑脚14和摩擦轮和待测工件相接触，弹簧18的两端分别与浮动支架12和固定支架11相接触以实现柔性连接。

所述的驱动轮组件19为一对旋转方向相反的驱动轮，

所述的支撑脚14呈V型，工作时通过其二侧安装的轴承滚轮和工件接触，

所述的传感器15为激光位移传感器15，通过调整传感器15在浮动支架12上的位置，使传感器15射出的光斑位于工件母线处。

当气缸10动作时，浮动支架12在导向组件13的圆导轨的导向下向下运动，同时支撑脚14和摩擦轮和工件接触，

当气缸10复位时，浮动支架12在导向组件13的圆导轨的导向下向上运动，同时支撑脚14和摩擦轮和工件脱离。

所述的数据采集模块5包括：模数转换器20、高速计数模块21和总线接口22，其中：模数转换器20与检测装置1的传感器15相连以接收传感器15信息并输出数字信号至逻辑控制模块4，与检测装置1的编码器16相连接以接收编码器发出的脉冲信息并输出计数结果至逻辑控制模块4。

所述的高速计数模块21由PLC高速计数器实现；

所述的模数转换器20上设有滤波器。

所述的逻辑控制模块4包括：运算处理器23、数字量I/O模块24、存储器25和通讯接口26，其中：数字量I/O模块24通过内部总线和运算处理器23相连，负责检测装置1中开关量信号的输入输出，运算处理器23将数据采集模块5获取的信息和数字量I/O模块24获取的信息存入存储器25，同时通过通讯总线和上位机部分3通讯模块7交互信息。

所述的通讯模块7通过设置于上位机总线插槽中的通讯卡得以实现；

所述的数字量I/O模块24通过PLC数字量输入输出模块得以实现；

所述的数据处理模块8负责对来自传感器15和编码器16的采集数据进行重构，并采用特定的数据处理方法，最终获得工件局部直度信息。

本实施例计算工件局部直度的原理如下：

在理想的弯曲变形情况下，随着工件的旋转，截面的运动是行星运动。图3中O为旋转中心，O₁是工件某截面中心，传感器15距离s：

$s=L-e\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{R^2-e^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

偏心量e相对工件直径可以忽略，并考虑初始偏离相位，式子变换为：

0≤θ≤2π    (2)

其中R为工件半径，θ为转角，e、为偏心量及偏心相位。

用最小二乘法拟合余弦曲线：

分别对e、

求偏导，得到使(3)式最小的e、即为所求偏心量和矫直相位。

以大型钻杆直度在线自动检测为例，钻杆在轧制和热处理等工艺中会产生弯扭变形，需首先用斜辊矫直机进行矫直。但斜辊矫直必须避让两头加厚端，于是钢管两端成了矫直“盲区”。本发明应用于斜辊矫直的盲区的直度检测，检测原理如图1和图2所示，此时图1和图2中检测工件即为钻杆。

本实施例自动检测时：

1、在检测装置1的浮动支架12上安装若干激光位移传感器15。

2、气缸10动作，浮动支架12在导向组件13的圆导轨的导向下向下运动，同时两支撑脚14支撑在钻杆经斜辊矫直的部分，摩擦轮和钻杆稳定接触，浮动支架12随钻杆的转动而浮动。

3、钻杆旋转一周，旋转编码器16连接摩擦轮组件17随钻杆旋转，记录钻杆周向位置。同时，位移传感器15开始采集钢管圆周上各点的位移数据，一周采集300个数据，并将数据存储在图1逻辑控制模块4的存储器24中。

4、逻辑控制模块4启动和上位机部分3通讯模块7的通讯，将数据采集模块所采集的数据送入上位机。

5、上位机获取采集数据后，通过数据处理模块8对原始数据进行重构，获得一个周期的类余弦曲线，根据工件局部直度的计算原理，用最小二乘定量分析获取钻杆盲区相对基准的偏心量和偏心相位。根据测量结果，可以旋转钻杆实时进行最大误差相位的周向标定，供打标或矫直使用。根据检测结果，计算机还可进一步进行合格与不合格品的分选。

6、气缸10复位，浮动支架12在导向组件13的圆导轨的导向下向上运动，同时支撑脚14和摩擦轮17和钻杆脱离。

通过实施本发明所述的直度检测方法，不同直径范围和不同长度的钻杆在全自动生产线上虽然存在径向跳动等恶劣检测工况，直度检测精度和生产节拍完全满足生产要求。

Claims (8)

1.一种圆截面工件局部直度在线自动检测系统，其特征在于：包括：检测装置、下位机部分和上位机部分，其中：下位机部分包括：逻辑控制模块和数据采集模块；上位机部分包括：上位机处理器、通讯模块、数据处理模块和人机界面；检测装置正对待测工件的待测位置，并与数据采集模块相连接以输出待测工件圆截面外圆上各点的径向位置信息和周向位置信息，逻辑控制模块和上位机部分的通讯模块通过通讯总线相连接以传输传感器信息，数据处理模块对传感器信息进行数据重构和分析处理，数据处理模块的输出端与人机界面相连接以输出待测工件局部直度误差和偏心相位；

所述的检测装置包括：气缸、固定支架、浮动支架、导向组件、支撑脚、传感器、编码器、摩擦轮组件、弹簧和两个驱动轮组件，其中：气缸和导向组件分别安装在固定支架上，传感器、编码器、摩擦轮组件和支撑脚分别安装在浮动支架上，编码器与摩擦轮组件相连接，传感器和编码器分别与数据采集模块相连接以输出待测工件圆截面外圆上各点的径向位置信息和周向位置信息，待测工件的两端分别放置在两个结构相同的驱动轮组件上，支撑脚和摩擦轮和待测工件相接触，弹簧的两端分别与浮动支架和固定支架相接触以实现柔性连接，所述的传感器为激光位移传感器。

2.根据权利要求1所述的圆截面工件局部直度在线自动检测系统，其特征是，所述的驱动轮组件为一对旋转方向相反的驱动轮。

3.根据权利要求1所述的圆截面工件局部直度在线自动检测系统，其特征是，所述的支撑脚呈V型。

4.根据权利要求1所述的圆截面工件局部直度在线自动检测系统，其特征是，所述的传感器射出的光斑位于工件母线处。

5.根据权利要求1所述的圆截面工件局部直度在线自动检测系统，其特征是，所述的数据采集模块包括：模数转换器、高速计数模块和总线接口，其中：模数转换器与检测装置的传感器相连以接收传感器信息并输出数字信号至逻辑控制模块，高速计数模块与检测装置的编码器相连接以接收编码器发出的脉冲信号，该脉冲信号包含了待测工件圆截面外圆上各点的周向位置信息，并输出该脉冲信号至逻辑控制模块。

6.根据权利要求1所述的圆截面工件局部直度在线自动检测系统，其特征是，所述的逻辑控制模块包括：运算处理器、数字量I/O模块、存储器和通讯接口，其中：数字量I/O模块负责检测装置中开关量信号的输入输出，运算处理器将数据采集模块获取的信息和数字量I/O模块获取的信息存入存储器，同时通过通讯总线和上位机部分通讯模块交互信息。

7.根据权利要求1所述的圆截面工件局部直度在线自动检测系统，其特征是，所述的数据处理模块对采集数据进行重构，获得工件局部直度信息。

8.根据权利要求1所述的圆截面工件局部直度在线自动检测系统，其特征是，所述的重构包括：去除尖峰毛刺、数据平滑滤波、数据病态程度判断、计算直度误差和计算最大误差所在周相位置。

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