CN103557825B - 大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台及方法，属于工业在线检测技术领域。以精密直线导轨为垂直方向位移测量基准，滑块通过压簧‑滚珠连接机构与动横梁测量平面联接，保证滑块垂直方向精确跟随动横梁测点运动，同时提供测点在水平面内两自由度位移测量的浮动基准；固定在滑块上的活动磁环相对固定在导轨上的磁致伸缩传感器固定部分运动，产生脉冲信号，由该信号获得测点垂直方向位移；固定在动横梁测点上的视觉元件对测点与基准滑块之间水平面内两自由度的位移进行测定。本发明实现了测点的三自由度非接触测量，检测信号统一通过数字式工业总线输出，抗干扰能力强、集成性及可靠性高。

Description

大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台方法

技术领域

本发明涉及工业在线检测技术领域,特别是一种大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台及方法。

背景技术

大型锻造液压机动横梁的异常位姿是导致设备主框架超常附加应力的主要因素，对液压机的强度、刚度、使用寿命及锻件加工质量均有负面影响，动横梁的空间位姿参数是大型锻造液压机关键参数之一,对大型锻造液压机关键参数进行实时监控是保证设备加工质量和安全运行的重要手段。

但要实现动横梁位姿监测，需要在动横梁上布置多个测点，部分测点需能同时对三自由度位移进行在线监测，而大型锻造液压机结构及其复杂，现场留给监控单元的空间非常狭小，动横梁工作行程很长，现有技术难以在方案上实现测点的三自由度位移同时监测；另外，大型锻造液压机工作环境及其恶劣，冲击、机械振动或抖动、冷却及加工过程产生的杂质、粉尘和水汽等干扰因素，均会对检测系统造成不利影响，传统的精密测量元件及其容易失效。大型锻造液压机动横梁位姿在线监测一直以来缺乏有效的技术手段，实际应用中动横梁的位姿检测及调整主要手段是在停机的情况下人工操作，工作量大、精度无法保证，工作过程中的位姿实时数据无法获得，设备运行存在安全隐患。而设计一种集成度高、抗干扰能力极强的三自由度位移测量平台是实现大型锻造液压机动横梁位姿在线监测需解决的一个关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台及方法，在狭小空间恶劣环境下实现对动横梁上测点三自由度位移稳定的在线检测，为全面实现大型锻造液压机动横梁位姿在线监测提供基础，从而保证大型锻造液压装备的安全运行及加工质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台，包括设置在锻造液压机动横梁测点上的支架，所述支架远离锻造液压机动横梁测点的一端下部与滑块一端连接，所述滑块另一端固定有磁致伸缩传感器的活动磁环；所述磁致伸缩传感器的测杆固定在一根竖直设置的直线导轨上；所述滑块通过所述活动磁环与所述直线导轨接触并在锻造液压机动横梁带动下沿所述直线导轨竖直移动；所述滑块远离所述直线导轨一端的上表面固定有视觉标志物；所述视觉标志物上方的支架上部固定有智能图像传感器和设置在所述智能图像传感器下方的LED环形光源；所述支架磁致伸缩传感器、智能图像传感器通过信号转换模块与工业计算机电连接。

所述视觉标志物顶部与所述视觉元件封装箱体底面之间的间隙t尺寸为6mm，以保证监测过程中两者不会发生碰撞。

所述滑块包括两个水平块和连接所述两个水平块的竖直块，所述竖直块通过所述活动磁环与所述直线导轨接触；所述竖直块底端的水平块通过一根竖直穿过该水平块的压簧-滚珠连接机构与所述支架连接；所述竖直块顶端的水平块外表面通过连接支架与所述视觉标志物固定连接。

所述智能图像传感器和LED环形光源固定在底部开口的视觉元件封装箱体内，从而排除环境中杂散光对视觉检测的影响，并减少环境中杂质、粉尘和水汽对视觉测量元件的干扰。

所述信号转换模块与工业计算机通过数字工业总线连接。

本发明还提供了一种利用上述装置测量大型锻造液压机动横梁三自由度位移的方法，该方法为：

1)图像采集：智能图像传感器采集锻造液压机动横梁移动过程中视觉标志物的原始图像A；

2)图像增强：采用形态学开闭双边滤波方法消除智能图像传感器采集到的视觉标志物原始图像A在采集和传输过程中产生的噪声及视觉标志物缺失：

形态学开闭双边滤波的公式为：

其中，A'为增强后的图像；B为结构算子，Θ表示形态学腐蚀运算；表示形态学膨胀运算；

3)图像分割：采用Canny边缘检测方法得到上述增强后的图像A'的边缘图；

4)中心定位：采用最小二乘椭圆拟合算法对经上述步骤3)分割后的图像进行中心定位，确定经上述步骤3)分割后的图像在当前检测视场的中心坐标(x_c,y_c)，从而确定X方向和Y方向上述步骤3)分割后的图像的像素位移p_x和p_y；其中：

$x_c=\frac{BE-2CD}{4AC-B^2},y_c=\frac{BD-2AE}{4AC-B^2};$

其中，A、B、C、D、E为常数；A+C＝1；B、D、E与标志在图像中的位置有关；

5)单位转换：将上述像素位移p_x和p_y转换为水平面内X方向和Y方向动横梁测点的实际位移s_x和s_y：

s_x＝k_x×p_x；s_y＝k_y×p_y；

其中，其中，k_x和k_y分别为采用圆形或椭圆形标志物尺寸精确已知的标准模版标定得到的当前检测视场下X方向和Y方向的物/像比例系数；其中所述标准模板为圆形时，圆形半径为20-40mm；所述标准模板为椭圆形时，椭圆的长轴和短轴尺寸均为20-40mm；

6)上述实际位移s_x、s_y与磁致伸缩传感器测得的动横梁测点垂直方向位移信号经信号转换模块处理后送入工业计算机。

所述信号转换模块的功能为把把上述3个数字量信号转换成服从RS232或RS485或RS422等总线通信协议的信号，然后通过工业总线一起输入工业计算机。

中心定位步骤中，由于圆可以看成椭圆的一种特殊情况，采用最小二乘椭圆拟合算法进行标志中心定位可获得更好的鲁棒性。在平面坐标系中，椭圆可用如下方程表示：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0

应用上述方程对光斑区域内边缘检测后的离散点进行最小二乘处理，可得目标函数：

$f(A,B,C,D,E,F)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{({\mathrm{Ax}}_i^2+{\mathrm{Bx}}_i{y}_i+{{\mathrm{Cy}}_i}^2+{\mathrm{Dx}}_i+{\mathrm{Ey}}_i+F)}^2$

为了避免零解,并将解的任何整数倍都视为对同一椭圆的表述,对参数做一些限制,约束条件设为：

A+C＝1

各系数按照目标函数取最小值准则确定，由极值原理可知,欲使函数f值为最小,必有：

$\frac{\∂f}{\∂B}=\frac{\∂f}{\∂C}=\frac{\∂f}{\∂D}=\frac{\∂f}{\∂E}=\frac{\∂f}{\∂F}=0$

由上式可得到一个线性方程组，结合约束条件可求解得到方程各系数的值，椭圆中心(x_c,y_c)坐标为：

$\begin{array}{cc}{x}_c=\frac{BE-2CD}{4AC-B^2}& y_c=\frac{BD-2AE}{4AC-B^2}\end{array}.$

智能图像处理器得到的测点水平面内两自由度位移信号及磁致伸缩传感器得到的测点垂直方向位移信号测量信号经由信号转换模块处理后由数字式工业总线输出，数字工业总线采用的通信协议为Profibus DP或RS232或RS422或RS485。接收端可为PLC系统或工业计算机。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明融合了计算机视觉和精密测试技术，通过计算机视觉技术及巧妙的机构设计，实现了测点的三自由度非接触测量，降低了在恶劣工业环境下精密测量元件失效的几率，提高了测量系统的可靠性和使用寿命；本发明采用的压簧-滚珠连接机构在保证滑块垂直方向精确跟随动横梁上测点运动的同时，对测点其他方向运动带来的冲击提供缓冲保护；测量平台对动横梁倾斜、非工作方向偏移等各种姿态均具有良好的适应性；本发明通过两个传感器即可完成三自由度位移测量，系统集成性高；结构设计紧凑，在狭小空间中安装和调试方便；本发明测量方法对于恶劣工业环境中的各种干扰因素均具有良好的适应性，可靠性高；工作过程中所有通信信号均为数字量信号，且检测信号统一通过数字式工业总线输出，传输距离远，抗干扰能力强；本发明为全面实现大型锻造液压机动横梁位姿在线监测提供了重要的技术基础，可提高大型锻造液压机的使用寿命及锻件加工质量，本发明还可推广到其他环境恶劣的多自由度测量场合。

附图说明

图1是大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台结构示意图；

图2为机器视觉方法标志物中心定位过程示意图；图2(a)原始检测图像；图2(b)图像增强后；图2(c)边缘检测图像；图2(d)中心定位结果。

图3平台通信系统结构示意图；

图4为本发明一实施例滑块结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括精密直线导轨、滑块、压簧-滚珠连接机构、视觉元件封装箱体、视觉标志物、磁致伸缩传感器、智能图像传感器、LED环形光源和信号转换模块。

智能图像传感器1和LED环形光源2安装在视觉元件封装箱体9内，视觉元件封装箱体9固定在锻造液压机动横梁测点5上，滑块8安装在动横梁测点附近的支架11上，压簧-滚珠连接机构4安装在滑块8内；视觉标志物3通过连接支架14安装在滑块8上，视觉标志物3所在平面与视觉元件封装箱体9底部之间的间隙t尺寸为6mm，以保证监测过程中两者不会发生碰撞。磁致伸缩传感器固定部分(测杆6)安装在直线导轨10上，活动磁环7安装在滑块8上。

如图4，滑块8包括两个水平块12和连接所述两个水平块12的竖直块13，所述竖直块13通过所述活动磁环7与所述直线导轨10接触；所述竖直块13底端的水平块12通过一根竖直穿过该水平块12的压簧-滚珠连接机构与所述支架11连接；所述竖直块13顶端的水平块12外表面通过连接支架14与所述视觉标志物3固定连接。

本发明的信号转换模块可以选用康耐德C2000MD16(485协议)、立创/P1101(PROFIBUS DP协议)信号转换模块等。

本发明平台工作过程中，精密直线导轨为垂直方向位移测量基准，固定在滑块上的活动磁环相对固定在导轨上的磁致伸缩传感器固定部分做相对运动，产生脉冲信号，平台经该信号准确地获得滑块垂直方向位移。压簧-滚珠连接机构在保证滑块垂直方向精确跟随动横梁上测点运动的同时，对测点其他方向运动带来的冲击提供缓冲保护。

安装在滑块上的视觉标志物为水平面内两方向位移测量的浮动基准，视觉元件封装箱体为五面全封闭底部开口结构，从而排除环境中杂散光对视觉检测的影响，并减少环境中杂质、粉尘和水汽对视觉测量元件的干扰。所述LED环形光源为视觉检测提供均衡、稳定的照明。

该实施例中视觉标志物形状为椭圆，机器视觉方法对视觉标志物中心定位的过程参见附图2，图2(a)所示的原始检测图像在采集和传输过程中受到环境干扰因素的影响，包含噪声及标志物缺失，采用3×3的结构算子对该原始检测图像进行形态学开闭双边滤波后的检测图像如图2(b)所示，噪声得到了有效的抑制，标志物缺失被修复。采用Canny算法得到的标志物边缘检测图像如图2(c)所示，标志物的边缘被准确和完整的定位。图2(d)为中心定位结果在边缘检测图上的重绘，由图2可知，本发明的机器视觉标志物中心定位算法是有效的。最后，计算程序通过物像比例系数将图像处理得到的像素位移转换为通用计量单位毫米。

本实施例中，大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台通信系统结构参见附图3，智能图像处理器得到的测点水平面内两方向位移信号及磁致伸缩传感器得到的测点垂直方向位移信号测量信号经由信号转换模块处理后由数字式工业总线输出，数字工业总线采用的通信协议为Profibus DP或RS232或RS422或RS485。接收端可为PLC系统或工业计算机。

Claims (5)

1.一种利用大型锻造液压机动横梁三自由度位移随动测量平台测量大型锻造液压机动横梁三自由度位移的方法，所述平台包括设置在锻造液压机动横梁测点(5)上的支架(11)，其特征在于，所述支架(11)远离锻造液压机动横梁测点(5)的一端下部与滑块(8)一端连接，所述滑块(8)另一端固定有磁致伸缩传感器的活动磁环(7)；所述磁致伸缩传感器的测杆(6)固定在一根竖直设置的直线导轨(10)上；所述滑块(8)通过所述活动磁环(7)与所述直线导轨(10)接触并在锻造液压机动横梁带动下沿所述直线导轨(10)竖直移动；所述滑块(8)远离所述直线导轨(10)一端的上表面固定有视觉标志物(3)；所述视觉标志物(3)上方的支架(11)上部固定有智能图像传感器(1)和设置在所述智能图像传感器(1)下方的LED环形光源(2)；所述磁致伸缩传感器、智能图像传感器(1)通过信号转换模块与工业计算机电连接；其特征在于，该方法为：

1)图像采集：智能图像传感器采集锻造液压机动横梁移动过程中视觉标志物的原始图像A；

2)图像增强：采用形态学开闭双边滤波方法消除智能图像传感器采集到的视觉标志物原始图像A在采集和传输过程中产生的噪声及视觉标志物缺失：

形态学开闭双边滤波的公式为：

其中，A'为增强后的图像；B为结构算子，Θ表示形态学腐蚀运算；表示形态学膨胀运算；

3)图像分割：采用Canny边缘检测方法得到上述增强后的图像A'的边缘图；

4)中心定位：采用最小二乘椭圆拟合算法对经上述步骤3)分割后的图像进行中心定位，确定经上述步骤3)分割后的图像在当前检测视场的中心坐标(x_c,y_c)，从而确定X方向和Y方向上述步骤3)分割后的图像的像素位移p_x和p_y；其中：

$x_c=\frac{BE-2CD}{4AC-B^2},y_c=\frac{BD-2AE}{4AC-B^2};$

其中，A、B、C、D、E为常数；A+C＝1；

5)单位转换：将上述像素位移p_x和p_y转换为水平面内X方向和Y方向动横梁测点的实际位移s_x和s_y：

s_x＝k_x×p_x；s_y＝k_y×p_y；

其中，k_x和k_y分别为采用圆形或椭圆形标志物尺寸精确已知的标准模版标定得到的当前检测视场下X方向和Y方向的物/像比例系数；其中所述标准模板为圆形时，圆形半径为20-40mm；所述标准模板为椭圆形时，椭圆的长轴和短轴尺寸均为20-40mm；

6)上述实际位移s_x、s_y与磁致伸缩传感器测得的动横梁测点垂直方向位移信号经信号转换模块处理后经数字工业总线送入工业计算机。

2.根据权利要求1所述测量大型锻造液压机动横梁三自由度位移的方法，其特征在于，所述视觉标志物(3)顶部与所述视觉元件封装箱体(9)底面之间的间隙t尺寸为6mm。

3.根据权利要求2所述测量大型锻造液压机动横梁三自由度位移的方法，其特征在于，所述滑块(8)包括两个水平块(12)和连接所述两个水平块(12)的竖直块(13)，所述竖直块(13)通过所述活动磁环(7)与所述直线导轨(10)接触；所述竖直块(13)底端的水平块(12)通过一根竖直穿过该水平块(12)的压簧-滚珠连接机构(4)与所述支架(11)连接；所述竖直块(13)顶端的水平块(12)外表面通过连接支架(14)与所述视觉标志物(3)固定连接。

4.根据权利要求1所述测量大型锻造液压机动横梁三自由度位移的方法，其特征在于，所述智能图像传感器(1)和LED环形光源(2)固定在底部开口的视觉元件封装箱体(9)内。

5.根据权利要求1～4之一所述测量大型锻造液压机动横梁三自由度位移的方法，其特征在于，所述信号转换模块与工业计算机通过数字工业总线连接。