CN102128947B - 一种冲压成形中板材与模具相对滑动速度的检测方法及传感器 - Google Patents

Abstract

一种板材与模具相对滑动速度的检测方法及传感器，包括：(1)在钢板被测表面形成区域被测激光图像；(2)图像传感器取得连续变化图案的图像信息，输出至信号处理器；(3)采用自相关图像处理算法，分析特征区域的移动量，输出位移信息；(4)通过主控单元，输出滑动速度数据；(5)主控单元调整采集频率；(6)获得滑动速度值与滑动速度数据的转换函数：y＝ax+b；(7)获得实际相对滑动速度。根据本发明所述检测方法及传感器，可以在板材冲压成形过程中实时、非接触地测量滑动速度的方法及传感器。本发明的方法可操作性强，配合相应的试验装置，可用于测定板料冲压变形时钢板相对于模具的滑动速度大小，以满足科研和试验的需要。

Description

一种冲压成形中板材与模具相对滑动速度的检测方法及传感器

技术领域：

本发明涉及一种速度检测领域，具体地，本发明涉及一种板材与模具相对滑动速度的检测方法及其使用的传感器，更具体地，本发明涉及一种冲压成形中板材与模具相对滑动速度的检测方法及传感器。本发明的检测方法及传感器可用于检测板材冲压成形过程中板材相对于模具表面滑动速度的方法。

背景技术

在板材冲压成形过程中，特别是在钢板冲压成形过程中，钢板相对于模具的滑动速度是影响摩擦和接触状态的重要参数，不同的滑动速度下钢板与模具间的具有不同的摩擦系数，并表现出不同的摩擦热效应，从而影响钢板的成形性能。

因此，研究板料和模具之间的滑动速度大小具有重要意义，但目前关于冲压成形中滑动速度方面的研究还未见报道。

目前，速度的检测方法主要有接触式测量和非接触式测量。

接触式测量的本质是通过测量物体的位移来间接获得物体移动的速度，其主要测量手段有光栅尺、编码器、平移测量等。接触式测量方法采用机械结构，结构牢固，使用简单方便，但其分辨率较差，误差较大。

非接触式测量可以分为直接式测量和间接式测量两种方式。

直接测量方法。直接式测量主要采用的是多普勒方法。这种测量方法基于多普勒效应，直接通过测量仪器得到被测量值的测量结果。工业领域中应用最广泛的是激光多普勒方法，即用单束窄谱带激光照明被测面，通过检测反射激光的多普勒频移度来测量被测面的滑动速度。但该方法只可测量相对运动的大小，无法确定运动的方向，且对信号处理，尤其是高速信号处理电路的要求较高。另外，直接式测量的测量效果较好，但其对系统要求较高，且价格昂贵。

间接测量方法。间接式测量方法主要有霍尔式测量法、激光干涉法、图像测量法等。

霍尔式测量方法是基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种测量方法，该方法实际上是测量物体在磁场中的微位移。激光干涉法是利用光的干涉原理进行测量的一种方法，常见的是采用迈克尔逊激光干涉仪。图像测量法是利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光信号转换成相应的电信号，进而进行物理量检测的一种测量方法。

上述非接触式测量具有测量精度高、静态和动态特性好、分辨率高、误差小等优点。

如上所述，考虑到板材冲压成形过程速度检测的实际情况，激光多普勒式测量价格昂贵、对系统要求较高。霍尔式传感器基于电磁霍尔效应原理，在板材冲压成形中无法安装永磁体，且无法进行任意方向的速度检测。激光干涉法基于光的干涉原理，测量精度较高，但易受环境因素的影响。图像测量法基于图像处理技术，结构简单，精度较高，可以认为，图像测量法是一种较为理想的测量方法。

然而，经查阅现有技术，包括图像测量法在内的上述方法，其检测目的很多都是针对车辆的移动速度进行检测，没有针对滑动速度的方法和传感器；另外，以往检测方法和安装方式均不适用于板材冲压成形过程。

发明内容

为克服所述问题，本发明旨在提供一种板材与模具相对滑动速度的检测方法及其使用的传感器，所述板材与模具相对滑动速度的检测方法及其使用的传感器，可以在板材冲压成形过程中实时、非接触地测量滑动速度的方法及传感器。本发明的方法可操作性强，配合相应的试验装置，可用于测定板料冲压变形时钢板相对于模具的滑动速度大小，以满足科研和试验的需要。

本发明涉及的滑动速度检测方法及传感器特别适用于测量两个接触固体表面相对滑动速度，传感器以镶嵌的方式安装于一个固体内部，另一个固体不需要安装任何器件。同时，本发明采用基于图像处理的微光学间接测量方法进行测量，尤其适用于其他的一个固体表面无法安装测量装置的情形。

本发明的板材与模具相对滑动速度的检测方法的技术方案如下：

一种用于检测板材和模具相对滑动速度的检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)由激光光源照明钢板被测表面，在钢板被测表面形成区域被测图像，经透镜成像后由图像传感器接收，取得特征参量，即相邻图片反应平面的移动距离和速度的移动像素数；

(2)使钢板相对于模具表面进行移动，图像传感器取得连续的变化图案的图像信息，将该图像信息输出至信号处理器；

(3)在上述信号处理器采用自相关图像处理算法，将所述图像信息的影像信号与存储的上一采样周期得到的图像影像进行对比分析并进行处理，即分析两幅图上同一个特征的差别，也即特征区域的移动量，输出位移信息，所述位移信息包括被测表面移动的方向和位移大小；

(4)基于定时、周期性的采集位移数据，通过主控单元，输出滑动速度数据；

(5)主控单元通过自适应优化模块和相应的数字滤波算法，调整采集频率，即速度减慢时，降低采集频率，反之提高采样频率，所述采集频率的调整通过调整单片机采样的定时器的时长来实现；(比如1毫秒改为5毫秒。)，提高采集精度控制在需求范围之内；

(6)采用标定器对所获得的滑动速度值数据进行标定，即将采集得到的没有单位的数字量和采用标定装置得到的实际速度值对应起来，得到有单位的、具有实际意义的滑动速度值与滑动速度数据的转换函数，所述转换函数采用下述一次拟合函数进行拟合：

y＝ax+b，

其中，y为最终输出值，x为测量值，a和b为待定参数，由最小二乘法拟合得到，a为0-1的范围，b为-100-100范围的整数；

(7)在待测模具上安装滑动速度检测传感器，即可获得板材和模具之间的实际相对滑动速度。

上式中，a，b采用最小二乘法拟合可以得到，比如采集得到1000个数据点(包括1000个x值和1000个y值)，以x值为横坐标，y值为纵坐标可以画出一条直线，对这条直线用y＝ax+b进行线性回归，就可以得到a和b的值。

一般a为0-1的范围，b为整数，可以为正，也可以为负，常用范围为-100-100。

如本发明所述的用于检测板材和模具相对滑动速度的检测方法，其特征在于，所述提高采集精度控制在需求范围之内，系将测量得到的速度与真实速度之间的误差控制在5％以下。

如本发明所述的用于检测板材和模具相对滑动速度的检测方法，其特征在于，所述主控单元包括电信连接的通讯模块、存储模块、自适应优化模块及定时模块，所述定时模块控制通讯模块的信息采集，所述通讯模块接收的测量结果由存储模块进行储存，自适应优化模块根据该结果控制定时模块的定时周期。

如本发明所述的用于检测板材和模具相对滑动速度的检测方法，其特征在于，所述自适应优化模块根据当前采集的数据信息，采用自适应算法实时优化和改变采集频率，以提高滑动速度的检测精度。

滑动速度测量方法如图3所示。

本发明又提供一种用于对板材与模具相对滑动速度进行检测的检测用传感器。

一种用于对板材与模具相对滑动速度进行检测的检测用传感器，所述检测用传感器包括主控单元(MCU)、与主控单元(MCU)电信连接的激光位移探测单元，其特征在于，

所述主控单元(MCU)包括电信连接的通讯模块、存储模块、自适应优化模块及定时模块，所述定时模块控制通讯模块的信息采集，所述通讯模块接收的测量结果由存储模块进行储存，自适应优化模块根据该结果控制定时模块的定时周期；

所述激光位移探测单元包括包括依次电信连接的光学组件7，激光光源8，图像传感器9，数字信号处理器10，通讯模块11。

如本发明所述的对板材与模具相对滑动速度进行检测的检测用传感器，其特征在于，所述激光位移探测单元采用微光学图像处理技术获取物体表面位移的大小和方向。

如本发明所述的对板材与模具相对滑动速度进行检测的检测用传感器，其特征在于，所述主控单元负责对激光位移探测单元进行控制，并对采集到的数据进行处理，获取滑动速度的大小和方向，并进行输出。

如本发明所述的对板材与模具相对滑动速度进行检测的检测用传感器，其特征在于，自适应优化模块用于解决滑动速度变化时采集频率和周期的实时优化，以提高滑动速度采集精度。

如本发明所述的对板材与模具相对滑动速度进行检测的检测用传感器，其特征在于，所述检测用传感器具有封装外壳，所述封装外壳采用圆柱形结构。

根据本发明的一种对板材与模具相对滑动速度进行检测的检测用传感器，封装外壳用于装纳和保护精密的激光位移探测单元、主控单元和自适应优化模块，采用圆柱形结构，便于安装和拆卸。

本发明为一种实时测量两个接触表面相对滑动速度的方法和传感器，用来检测板材冲压成形过程中钢板相对于模具间的滑动速度，与现有技术相比，主要有益效果如下：

1)采用非接触式测量，最大限度地减小了对成形过程的干涉，更能体现实际成形过程。

2)采用基于图像处理基处理技术，结构简单，精度较高。

3)采用窄带微小激光光源进行视场照明，光束的相干性好，扩散角很小，抗多径效应能力强。

4)采用自适应优化模块，能够根据当前采集到的数据和当前计算得到的滑动速度，通过对已有数据的分析，采用自适应算法优化当前的采集频率或采集周期。

5)传感器具有体积小的优点，易于安装在模具内部，而且板料不需要任何额外的处理。

6)首次实现了冲压过程中钢板相对于模具滑动速度的实时检测，通过实验证明测量数据精确、可靠，并填补了国内外非接触式滑动速度传感器领域的应用空白。

附图说明

图1为本发明的成像原理简图。

图2为信号处理器采用自相关图像处理算法进行图像处理的图像处理原理图。

图3为板材冲压成形滑动速度测量方法示意图。

图4为滑动速度检测传感器结构示意图。

图5为本发明的滑动速度检测传感器电路图。

图6为安装滑动速度传感器的拉深模具图。

图7为安装了滑动速度传感器的拉深模具实物图。

图8(a)，(b)分别为不同加载速率下理论曲线与试验曲线的对比图。图8(a)冲压速度V＝100mm/min，图8(b)冲压速度V＝150mm/min。

图9为主控单元模块图。

图10为自适应模块算法结构简图。

图中，1为存储模块，2为数据通讯模块，3为定时器模块，4为自适应优化模块，5为MCU(主控单元)，6为被测钢板表面，7为光学组件，8为激光光源，9为图像传感器，10为数字信号处理器，11为通讯模块，12为激光位移探测单元，13为封装外壳，14.为数据通道，15为封装外壳探测孔，16为电源，17为传感器安装孔。

具体实施方式

下面结合附图，以实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实施例1：

将滑动速度传感器安装于通用板材成形性试验机进行拉深试验检测，对拉深过程中凸缘部分的滑动速度进行检测。

首先，将检测用传感器装入凹模中，将凹模安装在试验台上，然后将检测用传感器和控制盒相连，同时利用计算机串口连接控制盒和计算机(CPU).同时将控制盒接通电源16，保证控制盒工作。拉深模具及检测传感器安装孔如图7所示，系统连接后如图8和9所示。

所述检测用传感器包括主控单元(MCU)5、与主控单元(MCU)电信连接的激光位移探测单元12，所述主控单元(MCU)包括电信连接的通讯模块2、存储模块1、自适应优化模块4及定时模块，所述定时模块控制通讯模块的信息采集，所述通讯模块接收的测量结果由存储模块进行储存，自适应优化模块根据该结果控制定时模块的定时周期。

所述激光位移探测单元包括依次电信连接的光学组件7、激光光源8、图像传感器9、数字信号处理器10和通讯模块11。

工作时，在钢板被测表面形成区域被测图像，但针对不同的材料需进行参数重新标定。

被测钢板表面5由来自检测孔的激光光源8提供的光源照明，形成区域被测图像，光学组件7负责对照明光的准直和被测表面的成像。经透镜成像后由图像传感器9接收，取得特征参量。在本实施例中，具体的参数是图像移动的像素数，其反应了被测表面的滑动速度和距离。

使钢板相对于模具表面进行移动，图像传感器9取得连续的变化图案的图像信息，在本实施例，图像信息为明暗对比图像。将该图像信息输出至信号处理器10。

通过数字信号处理器10将每张图片与前一张或几张进行特征参量的对比分析处理，具体分析两幅图上同一个特征的差别，也即特征区域的移动量，判断被测表面移动的方向以及位移大小。

取出前一幅图像中中心部分区域的信息，与最新获取的图像进行自相关计算，得到该区域在新图像中所处的位置。

即，取出前一幅图像中中心部分区域的信息，与最新获取的图像进行自相关计算，所述自相关图像处理算法为已知技术。得到该区域在新图像中所处的位置。基于定时、周期性的采集位移数据，通过主控单元，输出滑动速度数据。

采用标定器对所获得的滑动速度值数据进行标定，此处，速度标定是采用被标定过的仪器(如电子单拉试验机)进行比较获得。

即将采集得到的没有单位的数字量和采用标定装置得到的实际速度值对应起来，得到有单位的、具有实际意义的滑动速度值与滑动速度数据的转换函数，所述转换函数采用下述一次拟合函数进行拟合：

y＝ax+b，

其中，y为最终输出，x为测量值，a和b为待定参数。上式中，a，b采用最小二乘法拟合可以得到，比如采集得到1000个数据点(包括1000个x值和1000个y值)，以x值为横坐标，y值为纵坐标可以画出一条直线，对这条直线用y＝ax+b进行线性回归，就可以得到a和b的值。

一般a为0-1的范围，b为整数，可以为正，也可以为负，常用范围为-100-100。

主控单元5通过自适应优化模块4和相应的数字滤波算法，调整采集频率。即速度减慢时，降低采集频率，反之提高采样频率。所述采集频率的调整通过调整单片机采样的定时器的时长来实现；(在本实施例中，比如，将1毫秒改为5毫秒。)，提高采集精度控制在需求范围之内。

MCU(主控单元)5主要由存储模块1、数据通讯模块2、定时器模块3以及自适应优化模块4组成，所述定时模块控制通讯模块的信息采集，所述通讯模块接收的测量结果由存储模块进行储存，自适应优化模块根据该结果控制定时模块的定时周期。

所述主控单元还包括依次电连接的单片机及外围电路。

工作时，MCU5首先对激光位移探测单元12进行初始化，数据通讯模块2在定时器3的控制下通过数据通道14对激光位移探测单元12的数据进行周期性的采集和处理。结果由数据存储模块1进行暂存，然后根据实际需要通过数据通讯模块2进行输出。在探测过程中，MCU(主控单元)5还负责对激光位移探测单元12进行必要的控制。

如图10所示，自适应优化模块4主要负责根据当前采集的数据信息，采用自适应算法实时优化和改变采集频率，以提高滑动速度的检测精度。封装外壳14主要提供对装置的结构和安装支持，封装外壳探测孔15用于光学组件7的光线的顺利通过。电源16对整个系统供电。

自适应优化模块仅为主控单元内单片机嵌入式软件的组成部分，包含于主控单元内。单片机为主控单元的核心控制元件，外围电路及软件程序均为自主开发设计。

通过主控单元内的定时器进行定时，周期根据不同的材料和不同的移动速度进行调整，在本实施例中，分别采用了从1毫秒到几秒的周期。具体地，在本实施例中，分别采用了5、10、30、50、60毫秒和2-6秒的周期。

主控单元的输出数据为数字量，反映了滑动速度的大小。在本实施例中，输出数据分别反映了可以测量从每分钟几十毫米到每分钟几十米的滑动速度。具体地，在本实施例中，输出数据分别反映了可以测量从每分钟30毫米到每分钟50米的滑动速度。

图6为滑动速度检测传感器的电路图，其中MCU采用的是C8051单片机，激光位移探测单元采用的是ADNS-7530芯片。

在特定加载速度下进行拉深成形试验，在计算机中观察检测速度的变化，试验完成后，保存试验数据。典型加载速度下的试验曲线以及与理论值的对比如图10所示。

在测量点开始阶段，由于试验机处于初始加载阶段，模具移动逐步与板材接触，板材未发生变形，速度数值基本为零。待模具与板材接触后，板材流入模具，发生滑动并变形，检测到的速度值基本保持稳定。

由图10可知，在实际探测点，试验点与理论计算较为接近。通过比较相同加载速率下重复测量探测点处的速度值，测量误差在5％以内，表明冲压成形滑动速度传感器的检测精度是可靠的。

上述只是诸多类似试验中的一个，通过可以改变传感器的模具安装位置，获取其他特征位置处的钢板滑动速度；通过改变模具形状，获取不同形状特征的零件滑动速度，从而进行各种有针对性的模拟试验。

汽车板冲压成形由于变形的复杂性及影响因素的多样性，一直是薄板冲压成形领域的重点和难点。随着汽车工业规模化效应的发展，汽车板冲压成形的快速化生产和精益化控制显得日益重要。

为了详细掌握汽车板成形过程的各种状态和参数，采集冲压过程中板材相对于模具的实时相对滑动速度，使板材摩擦试验的滑动速度更贴近于实际速度，以及研究板材实时变形情况具有重要的实际价值。而市场现有的速度或位移测量设备，尤其是非侵入式的测量设备，难以适应板材冲压生产中的试验测量要求，因此开发新型的冲压成形板材滑动速度检测装置就变得十分必要。

基于本发明的滑动速度检测装置，可以方便地安装在冲压模具内部，准确获取板料在成形过程中与模具的实时相对滑动速度，为研究板料的成形过程提供完备的试验数据，满足科研和实验需求，为汽车板冲压精益控制提供必要的试验数据，对于提升用户使用技术研究能力具有重要的现实意义，并填补国内在该领域的研究空白。随着与同行间的技术交流和文献介绍，将得到技术人员的广泛接受和应用推广。

Claims (3)

1.一种用于检测板材和模具相对滑动速度的检测方法，使用了滑动速度检测传感器，该传感器包括主控单元、与主控单元电信连接的激光位移探测单元，所述主控单元包括电信连接的第一通讯模块、存储模块、自适应优化模块及定时模块，所述定时模块控制第一通讯模块的信息采集，所述第一通讯模块接收的测量结果由存储模块进行储存，自适应优化模块根据该结果控制定时模块的定时周期；所述激光位移探测单元包括依次电信连接的光学组件、激光光源、图像传感器、数字信号处理器、第二通讯模块，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)由激光光源照明钢板被测表面，在钢板被测表面形成区域被测图像，经透镜成像后由图像传感器接收，取得特征参量，即相邻图片反应平面的移动距离和速度的移动像素数；

(2)使钢板相对于模具表面进行移动，图像传感器取得连续的变化图案的图像信息，将该图像信息输出至数字信号处理器；

(3)在上述数字信号处理器采用自相关图像处理算法，将所述图像信息的影像信号与存储的上一采样周期得到的图像影像进行对比分析并进行处理，即分析两幅图上同一个特征的差别，也即特征区域的移动量，输出位移信息，所述位移信息包括被测表面移动的方向和位移大小；

(4)基于定时、周期性的采集位移数据，通过主控单元，输出滑动速度数据；

(5)主控单元通过自适应优化模块和相应的数字滤波算法，调整采集频率：即速度减慢时，降低采集频率，反之提高采样频率，所述采集频率的调整通过调整主控单元采样的定时器的时长来实现，提高采集精度控制在需求范围之内；

(6)采用标定装置对所获得的滑动速度数据进行标定，即将采集得到的没有单位的数字量和采用标定装置得到的实际速度值对应起来，得到有单位的、具有实际意义的滑动速度值与滑动速度数据的转换函数，所述转换函数采用下述一次拟合函数进行拟合：

y＝ax+b，

其中，y为最终输出值，x为测量值，a和b为待定参数，由最小二乘法拟合得到，a为0-1的范围，b为-100-100范围的整数；

(7)在待测模具上安装滑动速度检测传感器，即可获得钢板和模具之间的实际相对滑动速度。

2.如权利要求1所述的用于检测板材和模具相对滑动速度的检测方法，其特征在于，所述提高采集精度控制在需求范围之内，系将测量得到的速度与真实速度之间的误差控制在5％以下。

3.如权利要求1所述的用于检测板材和模具相对滑动速度的检测方法，其特征在于，所述自适应优化模块根据当前采集的数据信息，采用自适应算法实时优化和改变采集频率，以提高滑动速度的检测精度。

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