CN102240703A - 非接触式无模加工成形角测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式无模加工成形角测量方法，将激光测距传感器、下压模、上压模导向块固定安装在压头转台上，上压模设置在上压模导向块上，上压模的左下端是成形直线段的旋转中心O，激光测距传感器的测量激光点与管材成形前交于B点，激光测距传感器的测量激光点与管材成形后交于A点，压头转台旋转的总角度是管材已成形的总角度，激光测距传感器固定在压头转台上，激光测量点A到O点距离为旋转半径R，θ为本次曲线拟合加工的成形角，即管材折弯的成形角度；工业控制计算机读取激光传感器的测量值L0和激光传感器的测量值L1；测量成形前后的距离差ΔL＝L1-L0；得到成形角θ＝arctanΔL/R，实现了将角度测量转化为距离测量，得到管材本次折弯的成形角度。

Description

非接触式无模加工成形角测量方法
技术领域
本发明应用于大型发电机线圈管材机床无模渐进成形控制技术领域，特别是一种非接触式无模加工成形角测量方法。 
背景技术
数控折弯是金属工件应用十分普遍成形方式，通过数控系统对通用模具的位置进行自动控制，以实现加工金属工件不同的成形角度。在金属工件的成形横截面上不但存在塑性变形区，还存在弹性变形，因此，卸载后金属工件不可避免的存在回弹现象。 
这种数控成形加工设备中，一种是通过事先大量试验，确定加工成形的回弹尺寸，调整设备，而不在加工成形设备中增加回弹量进行测量，以简化加工设备，如专利金属板材无模成形设备CN201313128Y中，未涉及回弹角度的测量；另外一种是进行回弹角度的测量，在文章《数控折弯中回弹控制技术的发展现状》(锻压装备与制造技术2009.4)中，描述了两种主要测量方法，即接触式和非接触式： 
1、接触式测量一般通过接触在折弯零件两边的测头或者接触在上模和下模的测头将传感器的位移值转换成折弯角度值反馈给数控系统，上述方法设计复杂，检测精度低。 
2、非接触式一般采用激光测量的方法，在折弯工件的一边或两边安装激光接收，通过入射和反射光线的角度计算实际的折弯角度反馈给数控系统，上述方法精度高，但组成复杂，占用空间大。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式无模加工成形角测量方法，能够实现折弯角度测量。 
实现本发明目的的技术解决方案为：一种非接触式无模加工成形角测量方法，步骤如下： 
(1)激光测距传感器、下压模、上压模导向块固定安装在压头转台上，上压模设置在上压模导向块上，该上压模相对于压头转台沿上压模导向块具有D向运动，固定待加工管材的固定架固定在数控机床的床身上，压头转台相对于数控机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动实现对各轴运动控制；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动分别控制压 头转台的左右、上下和旋转运动，通过D轴驱动上压模上下运动； 
(2)11是管材曲线拟合成形前的管材段，12是管材曲线拟合成形后的管材段，上压模的左下端是成形直线段的旋转中心O，激光测距传感器的测量激光点与管材成形前交于B点，激光测距传感器的测量激光点与管材成形后交于A点，在加工过程中，压头转台旋转的总角度是管材已成形的总角度，激光测距传感器固定在压头转台上，因此OAB为直角三角形，激光测量点A到O点距离为旋转半径R，θ为本次曲线拟合加工的成形角，即管材折弯的成形角度； 
(3)上压模在下压前，工业控制计算机读取激光传感器的测量值L0，并记录该测量值，上压模下压成形后，抬起上压模，工业控制计算机读取激光传感器的测量值L1，并记录该值； 
(3)激光测量传感器随着压头转台一起旋转，因此旋转半径R在整个成形过程中是固定值； 
(4)测量成形前后的距离差ΔL＝L1-L0； 
(5)在直角三角形OAB中，直角边OA为旋转中心O到激光测距传感器的测量激光点与管材相交点的距离R，另一条直角边AB为管材成形前后激光传感器测量的距离差ΔL＝L1-L0，得到成形角θ＝arctanΔL/R，实现了将角度测量转化为距离测量，得到管材本次折弯的成形角度。 
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)与前述的接触式和非接触式两种方法相比，本发明成形角测量组成简单，主要是由一个非接触式激光传感器组成，因而设计简单；(2)与发射式激光测量方法相比，本发明所需的空间小，不容易对设备加工过程产生干涉等优点。 
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 
附图说明
图1是非接触式角度测量组成示意图。 
图2是非接触式角度测量安装示意图。 
图3是非接触式角度测量计算示意图。 
图4是非接触式角度测量方法示意图。 
具体实施方式
结合图2和图4，拟合渐进成形控制系统，包括触摸屏、激光测距传感器、工业控制计算机、多功能卡、X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动，所述的触摸屏、工业控制计算机、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动安装在控制机柜中，多功能卡包含CAN1、CAN2总线接口，安装在工业控制计算机的插槽内，X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别安装在X丝杆、Y丝杆、R丝杆、D丝杆的尾部，激光距离传感器2、触摸屏通过电缆分别和工业控制计算机相连。 
激光测距传感器2、下压模4、上压模导向块7固定安装在压头转台1上，上压模3设置在上压模导向块7上，该上压模3相对于压头转台1沿上压模导向块7具有D向运动，固定待加工管材5的固定架6固定在数控机床的床身上，压头转台1相对于数控机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能。其中激光测距传感器2用于成形角测量，如何进行测量，就是本发明非接触式无模加工成形角测量方法的内容。 
X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别检测数控机床的X、Y、R、D轴的位置，通过CAN1总线接口与工业控制计算机实现信号连接，实时为工业控制计算机提供数控机床的X、Y、R、D轴的位置信息；X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动通过CAN2总线接口与工业控制计算机实现信号连接，工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动实现对各轴运动控制；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动分别控制压头转台1的左右、上下和旋转运动，通过D轴驱动控制上压模3上下运动。其中，X轴为压头转台1左右运动，Y轴为压头转台1上下运动，R轴为压头转台1旋转运动，D轴为上压模3的上下运动。 
结合图1、图3和图4，本发明非接触式无模加工成形角测量方法，步骤如下： 
(1)激光测距传感器2、下压模4、上压模导向块7固定安装在压头转台1上，上压模3设置在上压模导向块7上，该上压模3相对于压头转台1沿上压模导向块7具有D向运动，固定待加工管材5的固定架6固定在数控机床的床身上，压头转台1相对于数控机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动实现对各轴运动控制；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动分别控制压头转台1的左右、上下和旋转运动，通过D轴驱动上压模3 上下运动(其中X轴为压头转台1左右运动，Y轴为压头转台1上下运动，R轴为压头转台1旋转运动，D轴为上压模3的上下运动)； 
(2)l1是管材曲线拟合成形前的管材段，l2是管材曲线拟合成形后的管材段，上压模3的左下端是成形直线段的旋转中心O，激光测距传感器2的测量激光点与管材5成形前交于B点，激光测距传感器2的测量激光点与管材成形后交于A点，在加工过程中，压头转台1旋转的总角度是管材已成形的总角度，激光测距传感器2固定在压头转台1上，因此OAB为直角三角形，激光测量点A到O点距离为旋转半径R，θ为本次曲线拟合加工的成形角，即管材5折弯的成形角度； 
(3)上压模3在下压前，工业控制计算机读取激光传感器2的测量值L0，并记录该测量值，上压模3下压成形后，抬起上压模3，工业控制计算机读取激光传感器的测量值L1，并记录该值； 
(3)激光测量传感器2随着压头转台1一起旋转，因此旋转半径R在整个成形过程中是固定值； 
(4)测量成形前后的距离差ΔL＝L1-L0； 
(5)在直角三角形OAB中，直角边OA为旋转中心O到激光测距传感器2的测量激光点与管材5相交点的距离R，另一条直角边AB为管材5成形前后激光传感器2测量的距离差ΔL＝L1-L0，得到成形角θ＝arctanΔL/R，实现了将角度测量转化为距离测量，得到管材5本次折弯的成形角度。 
实施例 
本发明非接触式无模加工成形角测量方法的测量原理如下： 
1.图1为非接触式角度测量组成示意图，主要由激光测距传感器、工业控制计算机系统、机床执行部件及管材等； 
2.图2是本专利应用的相关结构部分安装示意图，包括压头转台1、用于成形角测量的激光测距传感器2、、上压模3、下压模4、待加工的管线5、固定管材的固定架6以及上压模导向块7等； 
3.图2中，成形角测量的激光测距传感器2、下压模4、上压模导向块7是固定在压头转台1上； 
4.图2中，固定管材的固定架6是固定在机床的床身上； 
5.固定架6用于装夹待加工管材； 
6.压头转台1相对于机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能； 
7.上压模3相对于压头转台1沿上压模导向块7具有D向(即上下运动)运动功能； 
8.压头转台1上安装了激光测距传感器2、下压模4、上压模导向7等随压头转台1一起运动； 
9.激光测距传感器2作为一种距离测量传感器，用于测量管材无模成形前后的距离变化量；数控计算机系统用于实时读取激光测距传感器的数据并计算管材成形角； 
10.图3是非接触式角度测量方法的计算示意图，激光测距传感器处于管材的上方，管材无模成形加工过程中围绕旋转中心O旋转，激光测距传感器的测量激光点于管材成形前交于B点，与管材成形后交于A点，L0、L1分别为管材成形前后的激光距离传感器测量值，θ为成形角； 
11.图3中，在直角三角形OAB中，直角边OA为旋转中心O到激光测距传感器的测量激光点与管材相交点的距离R，另一条直角边AB为管材成形前后激光传感器的距离差ΔL＝L1-L0，由此可以求出成形角θ＝arctanΔL/R，实现了将角度测量转化为距离测量； 
12.结合图2和图4，本发明的激光距离传感器安装转台上，转台的旋转中心随着已成形的工件作旋转和移动，激光距离传感器随着转台作同样的运动，这种安装方法具有两个优点：a.激光距离传感器测量值(L0，L1)变化较小，激光距离传感器精度和成本与其测量范围相关，测量范围越小，相对精度高、成本低；b.成形角度计算不需进行复杂的机床坐标变换，因而实现简单。 
本发明非接触式无模加工成形角测量方法的过程如下： 
1.图2是一种管材无模成形数控加工设备部分结构图，待加工的管材安装在固定架上，激光测距传感器安装在转台上，转台上同时安装了压头模具。压头模具分上压模和下压模，下压模和转台固定在一起，上压模在成形时相对转台作下压动作； 
2.图2中安装管材的固定架是固定不动的，转台具备多自由度运行功能，激光测距传感器、压头模具等安装在转台上，随转台一起动作； 
3.图4中，直线段1是管材曲线拟合成形前的管材段，直线段2是管材曲线拟合成 形后的管材段，上压头的左下端是成形直线段的旋转中心O，激光测距传感器的测量激光点与管材成形前交于B点，激光测距传感器的测量激光点与管材成形后交于A点，激光测量点A到O点距离为旋转半径R，θ为本次曲线拟合加工的成形角； 
4.上压模在下压前，机床数控系统读取激光传感器的测量值L0，并记录该测量值，接着，上压头下压成形后，抬起上压头，数控计算机系统读取激光传感器的测量值L1，并记录该值； 
5.激光测量传感器是随着转台一起旋转，因此旋转半径R在整个成形过程中是固定值； 
6.θ为测量成形角，只需测量成形前后的距离差ΔL＝L1-L0，从而将角度测量转化为距离测量； 
7.依据图1中测量计算示意图可以得出：在直角三角形OAB中，直角边OA为旋转中心O到激光测距传感器的测量激光点与管材相交点的距离R，另一条直角边AB为管材成形前后激光传感器的距离差ΔL＝L1-L0，由此可以求出成形角θ＝arctanΔL/R，实现了将角度测量转化为距离测量； 
8.实施例中的R＝200mm(R值的选取与测量精度及激光传感器的测量范围相关)，激光测距传感器的精度为0.1mm，考虑零点、安装误差等，成形角综合测量精度可达0.1度。 

Claims (1)

1.一种非接触式无模加工成形角测量方法，其特征在于步骤如下：
第一步，激光测距传感器(2)、下压模(4)、上压模导向块(7)固定安装在压头转台(1)上，上压模(3)设置在上压模导向块(7)上，该上压模(3)相对于压头转台(1)沿上压模导向块(7)具有D向运动，固定待加工管材(5)的固定架(6)固定在数控机床的床身上，压头转台(1)相对于数控机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动实现对各轴运动控制；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动分别控制压头转台(1)的左右、上下和旋转运动，通过D轴驱动上压模(3)上下运动；
第二步，l1是管材曲线拟合成形前的管材段，l2是管材曲线拟合成形后的管材段，上压模(3)的左下端是成形直线段的旋转中心O，激光测距传感器(2)的测量激光点与管材(5)成形前交于B点，激光测距传感器(2)的测量激光点与管材成形后交于A点，在加工过程中，压头转台(1)旋转的总角度是管材已成形的总角度，激光测距传感器(2)固定在压头转台(1)上，因此OAB为直角三角形，激光测量点A到O点距离为旋转半径R，θ为本次曲线拟合加工的成形角，即管材(5)折弯的成形角度；
第三步，上压模(3)在下压前，工业控制计算机读取激光传感器(2)的测量值L0，并记录该测量值，上压模(3)下压成形后，抬起上压模(3)，工业控制计算机读取激光传感器的测量值L1，并记录该值；
第四步，激光测量传感器(2)随着压头转台(1)一起旋转，因此旋转半径R在整个成形过程中是固定值；
第五步，测量成形前后的距离差ΔL＝L1-L0；
第六步，在直角三角形OAB中，直角边OA为旋转中心O到激光测距传感器(2)的测量激光点与管材(5)相交点的距离R，另一条直角边AB为管材(5)成形前后激光传感器(2)测量的距离差ΔL＝L1-L0，得到成形角θ＝arctanΔL/R，实现了将角度测量转化为距离测量，得到管材(5)本次折弯的成形角度。
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