CN102252613A - 车轮热锻钢坯位置在线检测系统 - Google Patents

Abstract

一种车轮热锻钢坯位置在线检测系统，系统包括：高温激光测距传感器及其水冷防护箱、激光器调整装置及激光线光柱标定装置、数据采集卡、主控制器及显示器、报警器、控制终端、电缆电源，信号通讯、驱动控制、数据采集与处理、计数报警等模块。三个激光器两两对称安装在热锻机立柱侧面上，激光器发出的三根激光光柱在同一平面内，且均指向热锻机中心，通过测量三个激光器到标准圆柱钢坯表面及实际钢坯表面的距离，再进行计算就可在线检测车轮钢坯实际轴线与热锻机锻压中心是否重合，对位置偏差超过允许值的钢坯进行声光报警，并自动记录显示被检钢坯的数量、偏置率以及偏差值，有效减少料废与工废的发生。

Description

车轮热锻钢坯位置在线检测系统

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种车轮热锻园柱钢坯实际轴线与热锻机锻压中心之间位置偏差的在线检测方法及其检测系统。

背景技术

在车轮生产线上，首道工序是下料，将炼钢厂送来的圆柱钢棒，根据某规格车轮所需材料体积按照一定的下料长度，在数控圆盘锯切机上锯切成一块块园柱钢坯，然后将钢坯送加热炉，加热好的钢坯经除鳞机除去表面氧化皮，由机械手抓取送到热锻机的下模具上，进行锻压成型。钢坯放到热锻机下模具上时，要求圆柱钢坯轴线与热锻机锻压中心的重合度在一定公差范围内，即要将钢坯放到热锻机的正中，不能偏心，否则经后续轧制加工后车轮径向方向尺寸不均，即产生偏心，使车轮动平衡达不到要求，满足不了高质量车轮的生产，严重的会产生废品，且钢坯位置偏心一般是由于机械手控制系统漂移产生的，一旦出现偏心又未能及时发现并进行修正，将会产生一批废品，造成严重的经济损失。

加热好的钢坯是用机械手送往热锻机的，采用机械手对钢坯的位置进行控制，理论上讲是可以将钢坯放到准确位置，但是由于机械手回转半径大、控制系统漂移等原因，钢坯实际轴线与热锻机锻压中心的重合度不在允许公差范围内的现象时常出现，所以对钢坯位置即所述的中心重合度必须进行实时检测，对于超过允许公差范围的钢坯在进入后道工序前要检出剔除，并报警以及时调整和补偿机械手控制系统。目前生产线上是采用人工抽检的方法进行检验，工作量大且容易漏检。目前国内车轮生产线上没有车轮热锻钢坯位置在线检测系统。

发明内容

为了检测判别加热过的车轮圆柱钢坯放到热锻机下模具上时，其实际轴线与热锻机锻压中心是否重合，本发明提出一种车轮热锻钢坯位置在线检测方法和检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的检测方法的技术方案是：如图1所示，将三个高温激光测距传感器两两对称地安装在热锻机的三个立柱侧面上，经调整装置微调并标定，使激光器发出的三根激光线光柱在同一平面内，且均指向热锻机中心、三根光柱之间的夹角为α及π-α。拆去热锻机下模具及模座，装上本系统标定装置，通过高精度的加工及装配，保证本标定装置的中心就是热锻机锻压中心，先将精加工的标准圆柱钢坯放上标定装置的测量位，此时标准钢坯内孔套在标定装置的立轴上，标准圆柱钢坯外园与内孔的同轴度为0.03mm，标准钢坯的中心与热锻机锻压中心重合，测出激光测距传感器到标准圆柱钢坯外表面的距离，分别为l₀₁、l₀₂、l₀₃。再换上热锻机下模具及模座，当机械手送进实际钢坯后，测出激光测距传感器到实际钢坯外表面的距离分别为l₁、l₂、l₃，图中1、2、3点分别为三个激光光柱与实际钢坯的交点，计算出此三点的坐标，据此计算出实际钢坯中心的坐标及钢坯位置偏差值。

以热锻机锻压中心为原点建立x0y坐标系，根据式(1)就可计算出实际车轮圆柱钢坯轴线与热锻机锻压中心的偏差为：

${\mathrm{\δ}}_x=\sqrt{x{123}^2+y{123}^2}---\left(1\right)$

式中：x123＝(a×(yb2-yb3)-b×(yb1-yb2))/(-c)              (2)

y123＝(a×(xb2-xb3)-b×(xb1-xb2))/c                       (3)

a＝xb1²+yb1²-xb2²-yb2²                                    (4)

b＝xb2²+yb2²-xb3²-yb3²                                    (5)

c＝2×(yb1-yb2)×(xb2-xb3)-2×(yb2-yb3)×(xb1-xb2)        (6)

x123——实际钢坯中心的横坐标；

y123——实际钢坯中心的纵坐标；

xb1——点1的横坐标，xb1＝(l₀₁+D/2-l₁)×cos((π-α)/2)；

yb1——点1的纵坐标，yb1＝(l01+D/2-l1)×sin((π-α)/2)；

xb2——点2的横坐标，xb2＝(l02+D/2-l2)×cos((π+α)/2)；

yb2——点2的纵坐标，yb2＝(l02+D/2-l2)×sin((π+α)/2)；

xb3——点3的横坐标，xb3＝(l03+D/2-l3)×cos((3π-α)/2)；

yb3——点3的纵坐标，xb3＝(l03+D/2-l3)×sin((3π-α)/2)；

D——钢坯的直径；

α——激光线的夹角。

系统有以下功能：

1)设定不同规格钢坯的位置偏差允许极限值；

2)实时检测车轮圆柱钢坯实际轴线与热锻机锻压中心的偏差，输出检测结果；

3)钢坯位置偏差超过允许极限值时进行声光报警；

4)自动记录并显示被检钢坯的总数量、不偏置数量、偏置数量、偏置率以及每个工件的位置偏差值。

根据检测原理及系统要达到的功能，确定的检测过程的步骤是：

1)启动检测系统，并选择钢坯规格，设定偏差允许极限值δ_m；

2)取出热锻机原有的下模及其模座，装上标定装置，放上标准圆柱钢坯，测量激光器到标准钢坯表面的三点距离l₀₁，l₀₂，l₀₃，测量激光光柱夹角α，并输入程序中；取下标定装置，装上热锻机下模及其模座。(本步骤仅第一次安装调试本系统时进行，正常生产时跳过此步骤)。

3)热锻机机械手送进热钢坯，激光传感器由机械手信号触发测量激光器到实际钢坯表面的三点距离l₁，l₂，l₃；

4)式(1)～(6)进行数据计算；

5)式(1)计算出的钢坯位置偏差δ_x大于偏差允许值δ_m，则报警，重新放置钢坯并重新检测其位置或取下钢坯。对位置偏差δ_x不大于偏差允许值δ_m的钢坯进行锻压并计数。

根据检测原理及系统要达到的功能构建检测系统如图2、图3所示，检测系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要由高温激光测距传感器及其水冷防护箱、激光线光柱标定装置、激光器调整装置、安装支架、数据采集卡、主控制器及显示器、报警器、控制终端以及电缆电源等组成；软件部分主要由信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块、计数报警模块等组成。

电气系统中，电源来自220V单相照明电，控制柜外侧装有空气开关，用于整个系统的供电输入。控制柜中设有24V、350W的开关电源，可提供专门用于控制回路的24V DC电源。控制柜内安装有控制器、显示器、报警器、传感器控制器、24V继电器以及接线端子等电气元件，安全可靠。

传感器及其调整机构如图4所示，所用传感器为高温激光测距传感器，三个激光测距传感器固定在各自的激光器调整装置的激光器夹中，激光器夹由激光器调整装置中串联的升降机构、垂直面内调整机构、水平面内调整机构带动可以产生三个方向的运动，实现激光光柱的调整。配合激光器标定装置，可以调整激光器发生上下移动、水平面内摆动、垂直面内摆动，最终使三根激光光柱在同一平面内，且均指向热锻机锻压中心、三根光柱之间的夹角为α及π-α，三根激光光柱两两之间的夹角之和为180°。三组激光器及其调整装置是通过连接支架与激光线光柱标定装置相连的。标定针插在标定装置的上立轴孔内，其轴线是热锻机的中心。激光器位置调好后，用固定支架将其固定在热端机立柱的侧面，固定好后，用标准钢坯调试系统，调好后拆去标定装置及连接支架，装上热压机下模具及其模座，本系统就可以开始工作了。

系统的输入输出：本系统与现场热锻机的控制系统通过两根信号线进行接口，实现在线检测，红色输入信号线的信号为24V高电平时，此时机械手将钢坯放置到热锻机下模具上，零件待检，激光测距传感器的电源接通，系统进入检测工作状态。黑色信号线为检测完成输出信号线，检测完成后，激光测距传感器电源断开，控制器通过黑色信号线向热锻机控制系统发出24V高电平信号，表明检测完成，位置偏差δ_x在允许偏差范围内，热锻机则进行锻压，超差则报警，停止热锻。

检测系统主要技术参数如下表所示：

本发明的有益效果是，检测系统能在线自动检测加热过的车轮圆柱钢坯轴线与热锻机锻压中心是否重合，钢坯位置偏差大于偏差允许值时进行声光报警，重新放置钢坯并重新检测其位置或取下钢坯，对位置偏差不大于偏差允许值的钢坯进行锻压，系统还能自动记录显示被检钢坯的总数量、不偏置的钢坯数量、偏置的钢坯数量、偏置率以及每个钢坯的位置偏差，有效地减少了因钢坯放偏引起的料废与工废的发生，提高成品率和产品质量，降低人工检验成本。

附图说明

图1是本发明的车轮热锻钢坯位置检测原理图；

图2是本发明的车轮热锻钢坯位置在线检测系统图；

图3是图2车轮热锻钢坯位置在线检测系统机械结构图；

图4是图3中件5高温激光测距传感器及其调整机构结构图。

图中：1.激光线光柱标定装置  2.标定针  3.园柱钢坯  4.连接支架  5.高温激光测距传感器及其水冷防护箱  6.固定支架  7.激光器调整装置  8.升降机构  9.垂直面内调整机构  10.水平面内调整机构  11.激光器夹

具体实施方法

一种用于外径为φ380mm或φ450mm车轮热锻钢坯位置检测的检测系统(图2、图3)，由硬件部分和软件部分组成，硬件部分主要由激光线光柱标定装置(1)、高温激光测距传感器及其水冷防护箱(5)、激光器调整装置(7)、连接及固定支架(4)(6)、数据采集卡、主控制器及显示器、报警器、控制终端以及电缆电源等组成；软件部分主要由信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块、计数报警模块等组成。

如图3、4所示，本系统所用传感器为高温激光测距传感器(5)，三个激光测距传感器通过激光线光柱标定装置(1)与激光器调整装置(7)的配合使用，使发出的三根激光光柱在同一平面内，且均指向热锻机中心，即标定针(2)。激光测距传感器(5)固定在激光器调整装置(7)的激光器夹(11)中，激光器夹(11)由激光器调整装置(7)中串联的升降机构(8)、垂直面内调整机构(9)、水平面内调整机构(10)带动可以产生三个方向的运动，实现激光光柱的调整。三组激光器及其调整装置是通过连接支架(4)与激光线光柱标定装置(1)相连。标定针(2)插在标定装置(1)的上立轴孔内，其轴线是热锻机的中心。激光器位置调好后，用固定支架(6)将其点焊固定在热端机立柱的侧面，固定好后，用标准钢坯调试系统，调好后拆去标定装置(1)及连接支架(4)，装上热压机下模具及其模座。

检测系统的工作过程是：

(1)打开检测系统电源开关，启动检测系统，在系统操作界面首先选择好要检测的钢坯工件类型，A为φ380mm车轮钢坯，B为φ450mm车轮钢坯，设定极限位置偏差允许值δ_x；

(2)取出热锻机原有的下模及其模座，装上标定装置，放上标准圆柱钢坯，测量激光器到标准钢坯表面的三点距离l₀₁，l₀₂，l₀₃，测量激光光柱夹角α，并输入程序中；取下标定装置，装上热锻机下模及其模座。(本步骤仅第一次安装调试本系统时进行，正常生产时跳过此步骤)。

(3)实际热钢坯被机械手放上热锻机下模具上表面，激光测距传感器由机械手信号触发测量激光器到实际钢坯表面的三点距离l₁，l₂，l₃；

(4)系统进行数据计算分析及判断；

(5)对位置偏差δ_x大于偏差允许值δ_m的钢坯进行声光报警，并重新放置钢坯并重新检测其位置偏差，或取下钢坯等待机械手调整。对位置偏差δ_x不大于偏差允许值δ_m的钢坯进行锻压并计数。锻压过的钢坯继续由另侧机械手取出走进入下一道工序，检测系统开始下一个钢坯的检测。

Claims (7)

1.一种车轮热锻钢坯位置在线检测系统，其特征在于采用如下检测原理：

将三个高温激光测距传感器两两对称地安装在热锻机的三个立柱侧面上，经调整装置微调并标定，使激光器发出的三根激光线光柱在同一平面内，且均指向热锻机中心、三根光柱之间的夹角为α及π-α。拆去热锻机下模具及模座，装上本系统标定装置，通过高精度的加工及装配，保证本标定装置的中心就是热锻机锻压中心，先将精加工的标准圆柱钢坯放上标定装置的测量位，此时标准钢坯内孔套在标定装置的立轴上，标准圆柱钢坯外园与内孔的同轴度为0.03mm，标准钢坯的中心与热锻机锻压中心重合，测出激光测距传感器到标准圆柱钢坯外表面的距离，分别为l₀₁、l₀₂、l₀₃。再换上热锻机下模具及模座，当机械手送进实际钢坯后，测出激光测距传感器到实际钢坯外表面的距离分别为l₁、l₂、l₃，图中1、2、3点分别为三个激光光柱与实际钢坯的交点，计算出此三点的坐标，据此计算出实际钢坯中心的坐标及钢坯位置偏差值。

以热锻机锻压中心为原点建立x0y坐标系，根据式(1)就可计算出实际车轮圆柱钢坯轴线与热锻机锻压中心的偏差为：

${\mathrm{\δ}}_x=\sqrt{x{123}^2+y{123}^2}---\left(1\right)$

式中：x123＝(a×(yb2-yb3)-b×(yb1-yb2))/(-c)        (2)

y123＝(a×(xb2-xb3)-b×(xb1-xb2))/c                 (3)

a＝xb1²+yb1²-xb2²-yb2²                              (4)

b＝xb2²+yb2²-xb3²-yb3²                              (5)

c＝2×(yb1-yb2)×(xb2-xb3)-2×(yb2-yb3)×(xb1-xb2)  (6)

x123——实际钢坯中心的横坐标；

y123——实际钢坯中心的纵坐标；

xb1——点1的横坐标，xb1＝(l₀₁+D/2-l₁)×cos((π-α)/2)；

yb1——点1的纵坐标，yb1＝(l01+D/2-l1)×sin((π-α)/2)；

xb2——点2的横坐标，xb2＝(l02+D/2-l2)×cos((π+α)/2)；

yb2——点2的纵坐标，yb2＝(l02+D/2-l2)×sin((π+α)/2)；

xb3——点3的横坐标，xb3＝(l03+D/2-l3)×cos((3π-α)/2)；

yb3——点3的纵坐标，xb3＝(l03+D/2-l3)×sin((3π-α)/2)；

D——钢坯的直径；

α——激光线的夹角。

2.根据权利要求1所述的车轮热锻钢坯位置在线检测系统，其特征在于采用如下检测步骤：

1)启动检测系统，并选择钢坯规格，设定偏差允许极限值δ_m；

2)取出热锻机原有的下模及其模座，装上标定装置，放上标准圆柱钢坯，测量激光器到标准钢坯表面的三点距离l₀₁，l₀₂，l₀₃，测量激光光柱夹角α，并输入程序中；取下标定装置，装上热锻机下模及其模座。(本步骤仅第一次安装调试本系统时进行，正常生产时跳过此步骤)。

3)热锻机机械手送进热钢坯，激光传感器由机械手信号触发测量激光器到实际钢坯表面的三点距离l₁，l₂，l₃；

4)按权利要求1所述的式(1)～(6)进行数据计算；

5)按权利要求1所述的式(1)计算出的钢坯位置偏差δ_x大于偏差允许值δ_m，则报警，重新放置钢坯并重新检测其位置或取下钢坯。对位置偏差δ_x不大于偏差允许值δ_m的钢坯进行锻压并计数。

3.根据权利要求1所述的车轮热锻钢坯位置在线检测系统，其特征是系统主要参数如下表：

4.一种车轮热锻钢坯位置在线检测系统，其特征是：检测系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分由高温激光测距传感器及其水冷防护箱、激光线光柱标定装置、激光器调整装置、安装支架、数据采集卡、主控制器及显示器、报警器、控制终端以及电缆电源组成；软件部分由信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块、计数报警模块组成。

5.根据权利要求1及权利要求4所述的车轮热锻钢坯位置在线检测系统，其特征是：三个高温激光测距传感器固定在各自的激光器调整装置的激光器夹中，激光器调整装置中的升降机构、垂直面内调整机构、水平面内调整机构是串联连接的。

6.根据权利要求1及权利要求4所述的车轮热锻钢坯位置在线检测系统，其特征是：激光器发出的三个激光光柱在同一平面内，且均指向热锻机中心、三根激光光柱两两之间的夹角之和为180°。

7.根据权利要求1及权利要求4所述的车轮热锻钢坯位置在线检测系统，其特征是：标定针插在标定装置的上立轴孔内，其轴线是热锻机的中心。

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