CN102426002A - 钢模合模在线测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢模合模的在线测量系统和方法。利用4套测量装置相对测量位移值，再加入事先标定的4套装置之间相互的基准距离，得到4个侧板之间的实际宽度和弦长。通过该测量值与标准形状的比较，自动判断钢模的类型及其合模精度，指导操作人员合模。每套测量装置包括支撑机构、回转运动机构、定位机构和控制机构。利用回转机构运送位移传感器至钢模内表面进行位移测量，避免了流水线的干扰。利用电磁吸盘定位机构实现传感器的稳定。实现在线自动化快速测量，提高流水线效率，减少返工率，降低劳动强度，提高管片生产产品合格率，避免成本高的测量仪器，为大型在线测量难题的廉价解决提供有效思路。

Description

钢模合模在线测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种钢模合模在线测量系统和方法，具体为管片制造钢模流水线合模的几何量在线精密测量系统和方法。

背景技术

管片钢模是由一块底板、四块侧板、两个上盖构成的钢结构物，用于管片制造。由于混凝土构件脱模之需，四面侧板和顶板等各个部件均是活动的，以便钢模开模吸盘取走管片，且模具的寿命要求重复使用上千次，因此其每次合模后的尺寸精度直接影响管片制造尺寸的精度。随着盾构隧道管片预制行业的发展，采用钢模固定、人员流动的传统制造工序已极大影响管片生产效率。建立钢模流动、人员工位固定的管片生产流水线已势在必行。我国虽已有多条这样的现代流水线，但均没有在线质量控制环节，在合模工位仅靠操作人员目测刻线对齐，或手工用卡尺测量。导致自动化程度无法满足流水线要求，人员劳动强度大。这是由于钢模尺寸变化范围大、公差要求高，流水线快速自动化作业，给测量带来了新的难题。

使用激光跟踪仪、摄影测量法、坐标测量机等测量仪器虽然可满足大测量范围，但一方面有的仪器需要人工参与，效率和自动化程度无法满足在线测量要求；另一方面基于钢模平面形状并不会发生变化，仅测量合模后4个平面之间的相互位置重复性，而这些仪器完全的多点坐标测量功能远远超过系统需求，成本过高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢模合模的几何量在线测量系统和方法，实现在线自动化快速测量，为操作人员提供直观合模指导，提高流水线效率，降低劳动强度，减少返工率，提高管片生产产品合格率，可以解决钢模合模的在线测量难题。针对管片钢模流水线的特点，实现一种廉价实用的测量系统及其方法。

本发明提供的用于管片制造的钢模合模在线测量系统包括四个测量装置，分别安装在钢模外部四个角，与钢模外表面保持一定的安全距离。每个装置包括：

支撑固定机构：用于固定和支撑回转运动机构和定位机构，保持测量装置的坐标系稳定。可选用水泥墩、可移动三脚架(以便搬运到需要测量的位置固定)，利用螺栓固定回转运动机构的电机基座、定位机构的电磁铁吸盘；可调整支撑机构的高度，使回转运动机构中的回转臂在测量位置时恰好在钢模被测内表面位置处的上沿且保持一定的安全距离；

回转运动机构：用于移动每个测量装置的测量传感器，在测量位置和初始位置之间转换。其组成包括电机、回转轴系、L型回转臂。回转臂采用殷钢材料制作，减小温度影响。通过电机基座将电机刚性连接到支撑固定机构上，输出回转轴连接L型回转臂，臂末端通过2个万向关节球轴承刚性连接测量传感器，从而可根据不同型号的钢模平面倾斜角度分别微量调整2个测量传感器的位移测量方向，至垂直于被测钢模表面，保证传感器的位移测量精度最高。测量传感器可选用电感、光栅、激光位移传感器。初始位置下回转臂位于钢模外侧，测量位置下测量传感器进入钢模内部，测量完成后，回复到初始位置，避免影响流水线运动。

定位机构：用于限位测量装置运动重复性，包括回转臂凸球，电磁铁吸盘。电磁铁吸盘通过螺栓等刚性连接基座方式固定在支撑机构上。回转臂上连接一凸球，在测量状态时，位置恰好落在电磁铁吸盘上。回转时发送的脉冲保证凸球接近电磁铁吸盘，然后放松电机力，再对电磁铁通电，依赖电磁铁吸盘的电磁吸附力来固紧回转机构，实现重复限定位置，稳定测量系统。避免电机力锁定时电机抖动引入的测量数据不稳定。测量完成后，断电释放电磁力，利用电机旋转臂回到初始位置。

控制机构：用于接收位移传感器的测量数据、发送电机旋转的控制信号，放置在钢模流水线的中央控制室。其中包括工控计算机、数据采集卡、电机控制卡。电机控制卡的脉冲输出端口发送脉冲，脉冲数量确定回转臂旋转角度。两个位移传感器的测量数据传输至数据采集卡的模拟输入端口。

本发明提供的一种钢模合模在线测量的方法包括的步骤：

1)标定测量装置：

采用相对测量方案便于在大测量范围内达到较高测量精度，并降低测量成本。由于位移传感器测量范围恒定，可根据被测钢模的尺寸范围相应安置测量装置位置；或者需要测量新流水线钢模型号时，都须标定四个测量装置之间的基准位置。基准长度取值范围与位移传感器测量范围相关。即长度、宽度由位移传感器测量范围之外，即可由四个固定测量装置之间的位置确定。对于同一钢模型号，装置越互相靠近，基准值就越小，则位移传感器需要测量量程越大。装置相距越远，基准尺寸越大，位移传感器也可选取较小量程，便于实现高分辨率测量相对位移。

首先利用激光跟踪仪现场标定四个测量装置之间相互的基准宽度w₁₃、w₂₄及基准长度l₁₂、l₃₄，并自动保存在工控机中，只需要一次标定即可成为已知型号的钢模流水线，此后直接进行测量步骤。

2)相对测量：

(1)钢模到位后，控制机构中工控计算机通过电机控制卡发送脉冲信号，控制电机带动回转臂，由初始位置向定位机构运动，输送测量装置末端的测量传感器到内表面，直至触碰上定位机构，定位机构发送高电平给数据采集卡，工控计算机停止发送控制电机运动的信号。

(2)利用每个回转臂末端的两个互相垂直的测量传感器，分别测量相邻两个面，得到长度方向的相对位移值d_il和宽度方向相对位移值d_iw，其中i＝1，2，3，4。然后进行如下测量数据处理：

加上预先标定好的基准宽度w₁₃、w₂₄，基准长度l₁₂、l₃₄，得到宽度W₁₃＝w₁₃+d_1w+d_3w、W₂₄＝w₂₄+d_2w+d_4w，长度L₁₂＝l₁₂+d_1l+d_2l、L₃₄＝l₃₄+d_3l+d_4l。通过这4个距离值与标准值比较，即可得到合模情况，准确判断四个侧板平面位置是否到位，来控制每次钢模的位置稳定性，是否满足小于制造钢模的尺寸公差±1mm要求。超过公差范围时，利用测量传感器采样率为1kHz的高速率测量，可实时监控并指导操作者调整合模。如果由于其他意外情况，控制装置发送信号，放行空模。

同时，根据宽度值可以自动判断管片钢模类型。为了满足地铁隧道转弯的要求，管片形状一般可分为直线段、左曲和右曲三种类型，其中左曲是左边宽度大于右边宽度W₁₃＞W₂₄，从而实现左转弯。相反W₁₃＜W₂₄则为右曲。利用这个明显特征判断钢模类型，才能正确评价合模情况。当|W₁₃-W₂₄|＜1mm最大允许误差阈值时，可知宽度差别为误差引起，钢模为直线段。否则即为曲线段，根据W₁₃，W₂₄的比较即可判断钢模类型。

(3)完成测量后，工控计算机控制电机反向旋转，带动回转臂恢复到初始位置。确保钢模运送出该工位，下一个钢模进入，从而避免测量装置和流水线钢模之间的碰撞。完成通过自动循环实现流水线的初始位置、钢模进入、回转、测量、回到初始位置、钢模送出的整个测量过程。

本发明提供一种自动化、便捷、快速、在线测量系统及方法，作为钢模流水线上的一个固定工位，可以单独增设工位，也可以和别的工位合在一起。实现在线、宽度、长度方向的4个距离同时测量，既避免工厂环境变化的影响，耗时又短，可满足流水线运动需求。有效利用钢模的合模特点，高精度控制大范围的钢模合模精度，性价比高。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本发明测量系统组成示意图。

图3为本发明数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详述本发明技术方案：

整体结构框图如图1。建立四个测量装置，即第一测量装置1、第二测量装置2、第三测量装置3和第四测量装置4，四个测量装置分别安装在钢模外部四个角。

测量系统组成如图2。每个测量装置包括：

支撑固定机构5：用于固定和支撑回转运动机构和定位机构，保持测量装置的坐标系稳定。可选用水泥墩、可移动三脚架(以便搬运到需要测量的位置固定)，利用螺栓固定回转运动机构的电机基座、定位机构的电磁铁吸盘12；可调整支撑机构的高度，使回转运动机构中的回转臂7在测量位置15时恰好在钢模被测内表面位置处的上沿且保持一定的安全距离；

回转运动机构：用于移动每个测量装置的测量传感器9和10，在初始位置14和测量位置15之间转换。其组成包括电机6、回转轴系、L型回转臂7。回转臂7采用殷钢材料制作，减小温度影响。通过电机基座将电机6刚性连接到支撑固定机构5上，输出回转轴连接L型回转臂7，臂末端通过两个万向关节球轴承8刚性连接测量传感器9和10，从而可根据不同型号的钢模平面倾斜角度分别微量调整两个测量传感器的位移测量方向，至垂直于被测钢模表面，保证传感器的位移测量精度最高。测量传感器可选用电感、光栅、激光位移传感器。初始位置14下回转臂7位于钢模外侧，测量位置15下测量传感器进入钢模内部，测量完成后，回复到初始位置14。

定位机构：用于限位测量装置运动重复性，包括回转臂凸球11，电磁铁吸盘12。电磁铁吸盘通过螺栓等刚性连接基座方式固定在支撑机构上。回转臂上连接一凸球11，在测量位置时，凸球位置恰好落在电磁铁吸盘12上。回转时发送的脉冲保证凸球11接近电磁铁吸盘12，然后放松电机力，再对电磁铁12通电，依赖电磁铁吸盘12的电磁吸附力来固紧回转机构，实现重复限定位置，稳定测量系统。避免电机力锁定时电机抖动引入的测量数据不稳定。测量完成后，断电释放电磁力，利用电机6旋转臂7回到初始位置14。

控制机构12：用于接收位移传感器的测量数据、发送电机旋转的控制信号，放置在钢模流水线的中央控制室。其中包括工控计算机、数据采集卡、电机控制卡(均为市售)。电机控制卡的脉冲输出端口发送脉冲，脉冲数量确定回转臂旋转角度。两个位移传感器的测量数据传输至数据采集卡的模拟输入端口。

本发明数据处理流程如图3。采用相对测量方案，以便在大测量范围内达到较高测量精度，并降低测量成本。由于位移传感器测量范围恒定，可根据钢模尺寸范围相应安置测量装置位置；首先利用激光跟踪仪现场标定第一测量装置、第二测量装置、第三测量装置和第四测量装置之间互相的基准宽度l₁₃、l₂₄及基准长度l₁₂、l₃₄，并自动保存在工控机中。

钢模到位后，控制室11中工控计算机通过电机控制卡发送脉冲信号，控制电机6带动回转臂7，由初始位置14向测量位置15运动，输送装置末端的测量传感器9、10到内表面，直至回转臂凸球11即将触碰上电磁铁吸盘12，停止发送控制电机6运动的信号。通过电磁力吸附固紧回转机构。利用互相垂直的末端两个测量传感器9和10，分别测量相邻两个面，得到长度方向的相对位移值d_il和宽度方向相对位移值2个位移值d_iw，其中i＝1，2，3，4。然后进行如下测量数据处理：

加上预先标定好的基准宽度w₁₃、w₂₄，基准长度l₁₂、l₃₄，得到实际宽度W₁₃＝w₁₃+d_1w+d_3w、W₂₄＝w₂₄+d_2w+d_4w，实际长度L₁₂＝l₁₂+d_1l+d_2l、L₃₄＝l₃₄+d_3l+d_4l。

先判断被测钢模类型。当|W₁₃-W₂₄|＜1mm最大允许误差阈值时，可知宽度差别为误差引起，钢模为直线段。否则即为曲线段，根据W₁₃，W₂₄的比较即可判断钢模类型。即左曲形状为W₁₃＞W₂₄，右曲形状为W₁₃＜W₂₄。

然后根据4个距离值与标准的比较，判断4个平面位置是否到位，判断合模情况是否满足制造公差要求，来控制钢模位置的重复定位。超过公差范围时，提醒操作者调整合模，由于测量传感器采样率为1kHz。因此，在操作人员调整时，可在软件界面上实时看到合模情况，有助于实时指导工人合模。如果由于其他意外情况，控制装置发送信号，放行空模。

完成测量后，工控计算机控制电机6反向旋转，带动回转臂7恢复到初始位置14。确保钢模运送出该工位，下一个钢模进入，从而避免测量装置和流水线钢模之间的碰撞。通过自动循环实现流水线“初始位置14——钢模进入——回转——测量位置15——回到初始位置14——钢模送出”的测量过程。

应用实施例

某流水线为例，钢模的长度在900-4148mm之间变化，而制造精度要求0.4mm，因此测量精度设计为1/3-1/10，约0.13mm。其中的标准块钢模为例，弧长3516.86mm，公差要求0.5mm。宽1200mm。在工控计算机13和16的控制下，往复回转运动的重复定位精度为10μm。

采用相对测量方案，以便在大测量范围内达到较高测量精度，并降低测量成本。由于激光位移传感器测量范围恒定，可根据弧长、宽度等范围变化相应移动测量装置位置；首先利用激光跟踪仪现场标定第一测量装置、第二测量装置、第三测量装置和第四测量装置之间互相的基准宽度w₁₃、w₂₄及基准长度l₁₂、l₃₄，并自动保存在工控机中。基恩士激光测量传感器LK-G30，量程变化30mm，精度0.05mm，测量频率1kHz。

钢模到位后，控制室11中工控计算机通过电机控制卡发送脉冲信号，控制电机6带动回转臂7，由初始位置14向测量位置15运动，输送装置末端的测量传感器9、10到内表面，直至回转臂凸球11即将触碰上电磁铁吸盘12，停止发送控制电机6运动的信号。通过电磁力吸附固紧回转机构。利用互相垂直的末端两个测量传感器9和10，分别测量相邻两个面，得到长度方向的相对位移值d_il和宽度方向相对位移值2个位移值d_iw，其中i＝1，2，3，4。然后进行如下测量数据处理：

加上预先标定好的基准宽度l₁₂，得到实际宽度W₁₃、W₂₄以及实际长度L₁₂、L₃₄。得到合模情况，判断4个平面位置是否到位，来控制钢模位置的重复定位。完成测量后，工控计算机13控制电机6反向旋转，带动回转臂恢复到初始位置15。确保钢模运送出该工位，下一个钢模进入，从而避免测量装置和流水线钢模之间的碰撞。通过自动循环实现流水线“初始位置14——钢模进入——回转——测量位置15——回到初始位置14——钢模送出”的测量过程。

可以保证一次完整测量不超过1分钟，由于该工位停留6分钟，因此可确保有充裕的时间指导操作人员调整钢模。

Claims (2)

1.一种钢模合模在线测量系统，其特征在于它包括：

四个测量装置，分别安装在钢模外部四个角，每个测量装置包括：

支撑固定机构：利用螺栓固定回转运动机构的电机基座、定位机构的电磁铁吸盘；

回转运动机构：包括电机、回转轴系、L型回转臂，通过电机基座将电机刚性连接到支撑固定机构上，输出回转轴连接L型回转臂，臂末端通过2个万向关节球轴承刚性连接测量传感器；

定位机构：包括回转臂凸球，电磁铁吸盘，电磁铁吸盘通过螺栓刚性连接基座方式固定在支撑机构上；回转臂上连接一凸球，对电磁铁通电，依赖电磁铁吸盘的电磁吸附力来固紧回转机构，实现重复限定位置，稳定测量系统；测量完成后，断电释放电磁力，利用电机旋转臂回到等待状态；

控制机构：放置在钢模流水线的中央控制室，包括工控计算机、数据采集卡、电机控制卡；电机控制卡的脉冲输出端口发送脉冲，脉冲数量确定回转臂旋转角度，两个位移传感器的测量数据传输至数据采集卡的模拟输入端口。

2.一种权利要求1所述的钢模合模在线测量系统的在线测量方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)标定测量装置：首先利用激光跟踪仪现场标定四个测量装置之间相互的基准宽度w₁₃、w₂₄及基准长度l₁₂、l₃₄；

2)相对测量：

(1)钢模到位后，控制机构中工控计算机通过电机控制卡发送脉冲信号，控制电机带动回转臂，由初始位置向定位机构运动，输送测量装置末端的测量传感器到内表面，直至触碰上定位机构，定位机构发送高电平给数据采集卡，工控计算机停止发送控制电机运动的信号；

(2)利用每个回转臂末端的两个互相垂直的测量传感器，分别测量相邻两个面，得到长度方向的相对位移值d_il和宽度方向相对位移值2个位移值d_iw，其中i＝1，2，3，4；然后进行如下测量数据处理：

加上预先标定好的基准宽度w₁₃、w₂₄，基准长度l₁₂、l₃₄，得到宽度W₁₃＝W₁₃+d_1w+d_3w、W₂₄＝w₂₄+d_2w+d_4w，长度L₁₂＝l₁₂+d_1l+d_2l、L₃₄＝l₃₄+d_3l+d_4l；

当|W₁₃-W₂₄|＜1mm最大允许误差阈值时，钢模为直线段；否则即为曲线段，根据W₁₃，W₂₄的比较即可判断钢模类型；

然后判断合模情况是否满足小于制造钢模的尺寸公差±1mm要求，超过公差范围时，利用测量传感器采样率为1kHz的高速度测量，可实时监控并指导操作者调整合模。如果由于其他意外情况，控制装置发送信号，放行空模；

(3)完成测量后，工控计算机控制电机反向旋转，带动回转臂恢复到初始位置，确保钢模运送出该工位，下一个钢模进入，从而避免测量装置和流水线钢模之间的碰撞，完成通过自动循环实现流水线的初始位置、钢模进入、回转、测量、回到初始位置、钢模送出的整个测量过程。

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