CN103954231B - 冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷弯成型过程中钢材横截面轮廓的非接触式测量方法，包括S1：测量系统的初始化定位；S2：对待测钢材底部区域进行局部扫描和测量；S3：计算探头下一个测量工位的X方向移动平台和Y方向伸缩平台各自的运动位移Δx_i和Δy_i；S4：计算激光位移传感器的探头的发射方位角θ_i+1；S5：通过舵机调整好激光位移传感器探头的位置后，重复上述S2；S6：依次重复上述S3～S5，直到最终测完待测钢材的横截面轮廓的所有区域及最后的数据处理和待测钢材轮廓的拟合，该测量方法采用三自由度非接触式测量方法，既克服了传统接触式测量方法在测量过程中会对被测工件表面和测量探头造成损害的缺点，又具有精度高，测量效率高和稳定性好等特点。

Description

冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法

技术领域

本发明属于冷弯成型工艺技术领域，具体涉及一种冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法。

背景技术

冷弯成型(Cold Roll Forming)是通过顺序配置的多道次成型轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面型材的塑性加工工艺。由于冷弯成型具有节材、节能、高效的特点，冷弯成型工艺通常被用于角钢、槽钢、Z型钢等开口型钢和圆形、矩形等断面闭口型钢的生产，其生产的各类型钢在车辆制造、工程机械、建筑结构、石油化工等行业应用广泛。

目前，在冷弯成型过程中，对于变形的板材、带材截面轮廓形状的测量方法主要有两类：

一类是接触式测量方法，通常用到的三种如下：第一种是铝条贴合的测量方法，该方法中简单实用、成本低，但铝条变形回弹会给测量数据带来很大误差；第二种是专利号为ZL02112306.3的板带钢材截面轮廓形状的检测方法，该方法精度较高，但由于在工艺过程中存在着振动、高温等问题，对测量装置干扰及磨损很大，并且该类方法安装复杂且难以完成；第三种是申请号为200710046466.5的发明专利，该方法简单易用、成本低，但存在自动化程度不高，人工工作量大等缺陷。

另一类是非接触式测量方法，该类测量方法又主要有两种方法，第一种是结构光截面轮廓测量方法，如：哈尔滨理工大学学报发表的文章编号为1007-2683(1999)06-0108-06的结构光截面轮廓测量装置，该方法由于利用到光学参量，存在原理复杂、调试困难等缺陷；第二种主要代表是专利号为200510102652.7的清华大学的基于自标定算法的钢管截面轮廓测量方法，该方法要因不同规格尺寸钢材制作不同大小圆轨道，工作量大，且对轨道圆度要求很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述问题，提供一种通用性强、操作简便且测量结果准确的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法，该测量方法基于一种冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统，包括X方向移动平台、Y方向伸缩平台及转动平台，其中，X方向移动平台水平放置，作为整个系统的底座；Y方向伸缩平台连接于X方向移动平台上，Y方向伸缩平台一方面可以沿Y方向上下平移，另一方面可以沿X_X方向左右平移；所述转动平台包括舵机、舵机安装支座、舵机转动支架、激光位移传感器安装支座、激光位移传感器，其中，舵机通过舵机安装支座固定于Y方向伸缩平台上，激光位移传感器固定于激光位移传感器安装支座上，舵机转动支架将舵机与激光位移传感器安装支座固定连接从而将舵机的转动传递到激光位移传感器上，实现激光位移传感器在XY平面内0～180°范围内的转动。

进一步地，所述激光位移传感器安装支座安装激光位移传感器的一面上设有激光位移传感器位置调节孔，位置调节孔的形状为长条形通孔。

进一步地，所述X方向移动平台包括底座、1个X轴丝杆、1个丝杆螺母、2个滑块、两根X轴导轨、两个X轴丝杆固定片、两个轴承、4个固定柱、4个与固定柱配合的角件、步进电机步和进电机安装座，其中，4个固定柱通过4个角件固定于底座的四角且4个固定柱的连线呈矩形；中间设有轴承安装槽的两个X轴丝杆固定片分别固定连接于相邻的两个固定柱之间，两个轴承安装于X轴丝杆固定片的轴承安装槽内，X轴丝杆通过轴承安装于X轴丝杆固定片上；两根X轴导轨平行地位于X轴丝杆两侧且每根X轴导轨的两端分别与固定柱固定相连；所述滑块与所述X轴导轨配合，同时与与X轴丝杆配合的丝杆螺母固定相连；X轴丝杆与步进电机的转动轴相连，步进电机通过步进电机安装座固定于底座的一端。

进一步地，所述Y方向伸缩平台包括1个Y轴固定平台、1个Y轴移动平台、1个Y轴丝杆、2个Y轴导轨、2个Y轴丝杆固定片、12个与Y轴丝杆固定片配合的角件、2个丝杆固定法兰、4个直线轴承、2个直线轴承安装座、1个直线电机和1个直线电机安装座，其中，直线轴承、直线轴承安装座均通过角件固定于Y轴固定平台上，所述Y轴丝杆和Y轴导轨穿过直线轴承、直线轴承安装座并通过Y轴丝杆固定片上设置的Y轴丝杆安装槽和Y轴导轨安装槽安装于Y轴丝杆固定片上，Y轴丝杆和Y轴导轨的另一端通过丝杆固定法兰与Y轴移动平台固定相连；Y轴丝杆直接插入通过直线电机安装座固定于Y轴固定平台上的直线电机中，并与直线电机中的螺母啮合，实现丝杆上下平移。

进一步地，一种冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法，包括以下步骤：

S1：测量系统的初始化定位：

以X方向移动平台的固定柱和轴承的交叉处为原点O，以X轴丝杆所在的直线为X轴，以垂直于X方向移动平台底座的向上方向为Y轴，建立全局坐标系；以X方向移动平台的X轴丝杆与滑块的接触中点为原点O₁，以X轴丝杆为X₁轴，以Y方向伸缩平台的Y轴丝杆为Y₁轴，建立局部坐标系1；以转动平台的舵机与舵机转动支架连接轴的中点为原点O₂，以平行于全局坐标系X轴、Y轴的方向为X₂轴、Y₂轴建立局部坐标系2；

接通步进电机和直线电机的电源后，将测量系统放置在待测变形板带下方，调整Y方向伸缩平台的纵向位置和横向位置，使得激光位移传感器的探头与待测变形板带间距离为H，H为定值，记录H的实际数值以便接下来计算待测变形板带的轮廓坐标，并调节激光位移传感器使其探头的发射口垂直于X方向移动平台并指向待测变形板带；探头所发出光线的偏角范围为α；探头的扫描范围取偏角α的一半，即

S2：对待测变形板带底部区域进行局部扫描和测量：

设激光位移传感器探头在坐标系中第i个测量工位点为P_i，此工位点下，第k个扫描点为P_i,k，激光位移传感器的探头于Y₂轴方向左右各范围内按照固定的采样间隔测量，依次记录相应测点的距离l_i,k和角度β_i,k，l_i,k为探头到待测变形板带轮廓上各点的距离，β_i,k为激光位移传感器的探头与待测变形板带轮廓上各点的连线与Y₂轴所成的夹角，定义θ_i为激光位移传感器在第i个测量工位点初始扫描位置的成角，即β_i,k，k＝0，简便起见，只用一个下标表示，并将所得数据保存；

扫描中断的判定：

1)无轧辊情况下扫描点的数据为空，可认定测量系统对待测变形板带轮廓的扫描结束，将所得数据保存；

2)有轧辊情况下扫描点的数据不为空，但出现当前被测点P_i,k+1的距离数据l_i,k+1与前一点P_i,k的距离数据l_i,k之差大于点P_i,k的距离数据l_i,k与P_i,k-1的距离数据l_i,k-1之差的10倍的情况时，认定本系统对待测变形板带轮廓的扫描结束，删除上述异常数据并保存其余点数据；

扫描中断判定后，若扫描不结束则进入继续扫描直至该测量工位点扫描结束；若扫描结束则直接进入S7；

S3：计算探头下一个测量工位的X方向移动平台和Y方向伸缩平台各自的运动位移Δx_i和Δy_i：

设上一个测量工位的扫描点共N个，位于扫描位置最末端的三个点依次为P_i,N-2、P_i,N-1、P_i,N，若三个点不共线，则以三点为顶点组成三角形，作三角形的外接圆，计算其外接圆的曲率半径、外接圆在点P_i,N-1处切线方向的单位矢量τ_i及法线方向的单位矢量n_i，过点P_i,N-1沿法线n_i且与探头同一侧方向上计算距离为H的点P_i+1，则点P_i+1为下次激光位移传感器探头的位置坐标，再将前后两点P_i、P_i+1的位置坐标相减得到Δx_i和Δy_i，即为探头移动距离；

若三点共线，过三点作一直线，过点P_i,N做垂直于所得直线的垂线，并在垂线上量取距离为H，所对应的点即为下次探头的位置坐标，将前后两点P_i、P_i+1的位置坐标相减得到Δx_i和Δy_i，即为探头移动距离；

通过程序算法控制X方向步进电机与Y方向步进电机使激光位移传感器进入下一个测量工位；

S4：计算激光位移传感器的探头的发射方位角θ_i+1，并依据所得值调整探头的位置，若点P_i,N-2、P_i,N-1、P_i,N不共线，则θ_i+1即为法线方向的单位矢量n_i与Y₂轴所成的夹角，即探头由测量工位点P_i到P_i+1后，探头按照顺时针调整角度Δθ＝θ_i+1-θ_i+α/2；若点P_i,N-2、P_i,N-1、P_i,N共线，则探头只需按照顺时针调整角度Δθ＝α/2；

S5：通过舵机调整好激光位移传感器探头的位置后，重复上述S2；

S6：依次重复上述S3～S5，直到最终测完待测变形板带的横截面轮廓的所有区域；

S7：计算测量点在局部坐标系2中的坐标值结合探头扫描所反馈回来的轮廓扫描点P_i,k的距离数据l_i,k和角度数据β_i,k得出各测量点在局部坐标系2中的坐标值，的计算公式如下：

$x_{i,k}^2=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}$

$y_{i,k}^2=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}$

并将所得数据保存；

S8：计算测量点在局部坐标系1中的坐标值结合Y方向伸缩平台的伸缩长度、激光位移传感器在Y方向伸缩平台上的X₁轴向距离和上步中各点在局部坐标系2中的坐标值可得出各点在局部坐标系1中的相应坐标值，的计算公式如下：

$x_{i,k}^1=x_{i,k}^2+x_i^{21}=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}+x_i^{21}$

$y_{i,k}^1=y_{i,k}^2+y_i^{21}=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}+y_i^{21}$

其中，为原点O₂在局部坐标系1中的坐标，将所得数据保存；

S9：计算测量点在全局坐标系中的坐标值(x_i,k,y_i,k)：结合原点O₁在全局坐标系X轴位置及上步中各点在局部坐标系1中的相应坐标值得出各点在全局坐标系中的坐标值，(x_i,k,y_i,k)的计算公式如下：

$x_{i,k}=x_{i,k}^1+x_i^1=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}+x_i^{21}+x_i^1$

$y_{i,k}=y_{i,k}^1+y_i^1=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}+y_i^{21}+y_i^1$

其中，为局部坐标系1的原点O₁在全局坐标系中的位置坐标，将所得数据(x_i,k,y_i,k)保存；

S10：根据测量点在全局坐标系下的坐标值，即可通过三次样条法拟合出待测变形板带a的横截面轮廓形状。

进一步地，所述激光位移传感器的探头与待测变形板带间距离优选为65～135mm。

进一步地，所述探头发出光线的偏角范围为30°；探头的扫描范围为15°。

进一步地，激光位移传感器的探头于Y₂轴方向左右各范围内按照固定的采样间隔测量，所述采样间隔优选为α/30。

与现有技术相比，本发明所述的一种冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法采用三自由度非接触式测量方法，既克服了传统接触式测量方法在测量过程中会对被测工件表面和测量探头造成损害的缺点，又改善了现有非接触式测量系统通用性差，需根据不同产品尺寸定制轨道的问题，同时本方法还具有精度高，测量效率高和稳定性好等特点，该冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法不仅可以适用于焊管成型过程横截面轮廓的测量而且可以适用于角钢成型过程中横截面轮廓的测量。

附图说明

图1为本发明的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统的结构示意图；

图2为本发明的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统转动平台的结构示意图；

图3为本发明的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统X方向移动平台的结构示意图；

图4为本发明的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统Y方向移动平台的结构示意图；

图5为本发明的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统的初始化定位示意图；

图6为本发明的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统的激光位移传感器发射光线偏角示意图；

图7为本发明的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统激光位移传感器从上个测量工位到下一个测量工位的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例中的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统，包括X方向移动平台1、Y方向伸缩平台2及转动平台3，其中，X方向移动平台1水平放置，作为整个系统的底座；Y方向伸缩平台2连接于X方向移动平台1上，Y方向伸缩平台2一方面可以沿Y方向上下平移，另一方面可以沿X方向左右平移，转动平台3固定连接于Y方向伸缩平台2上；

如图2所示，转动平台3包括舵机31、舵机安装支座32、舵机转动支架33、激光位移传感器安装支座34、激光位移传感器35，其中，舵机31通过舵机安装支座32固定于Y方向伸缩平台2上，激光位移传感器35固定于激光位移传感器安装支座34上，舵机转动支架33将舵机31与激光位移传感器安装支座34固定连接从而将舵机31的转动传递到激光位移传感器25上，实现激光位移传感器35在XY平面内0～180°范围内的转动；

激光位移传感器安装支座34安装激光位移传感器35的一面上设有激光位移传感器位置调节孔341，位置调节孔341的形状为长条形通孔，通过位置调节孔341可以微调激光位移传感器35的角度，便于激光位移传感器35的安装。

如图3所示，本实施例中的X方向移动平台1包括底座、X轴丝杆11、丝杆螺母12、滑块13、两根X轴导轨14、两个X轴丝杆固定片15、两个轴承16、4个固定柱17、4个与固定柱17配合的角件18、步进电机步19和进电机安装座，其中，4个固定柱17通过4个角件18固定于底座的四角且4个固定柱17的连线呈矩形；中间设有轴承安装槽151的两个X轴丝杆固定片15分别固定于相邻的两个固定柱17之间，两个轴承16安装于X轴丝杆固定片15的轴承安装槽内，X轴丝杆11通过轴承16安装于X轴丝杆固定片15上；两根X轴导轨14平行地位于X轴丝杆11两侧且每根X轴导轨14的两端均与相邻的固定柱17固定相连；滑块13与与X轴丝杆11配合的丝杆螺母12固定相连，同时与两根X轴导轨14配合，通过丝杆螺母12在X轴丝杆11上的转动带动滑块13水平移动，通过两根X轴导轨14的导向作用实现滑块13的平稳移动；X轴丝杆11与步进电机19的转动轴相连，步进电机19通过步进电机安装座固定于底座的一端。

如图4所示，本实施例中的Y方向伸缩平台2包括Y轴固定平台21、Y轴移动平台22、Y轴丝杆23、两个Y轴丝杆固定片24、两个与Y轴丝杆固定片24固定连接的Y轴丝杆固定法兰25、直线电机26和直线电机安装座，Y轴固定平台21与X方向移动平台1的滑块13固定连通，通过滑块13的水平移动实现Y方向伸缩平台2在X方向上的水平移动；直线电机26通过直线电机安装座固定于Y轴固定平台21上，Y轴丝杆23与直线电机26中的螺母啮合，通过直线电机26的转动实现Y轴丝杆23的上下平移运动，Y轴丝杆23的两端分别通过Y轴丝杆固定法兰25与Y轴丝杆固定片26固定连接，Y轴移动平台22固定连接于位于上部的Y轴丝杆固定片26上，通过Y轴丝杆23的运动实现Y轴移动平台22的上下平移。

为了提高Y轴移动平台22运动的稳定性，在Y轴丝杆23的两侧设置两根与Y轴丝杆23平移的Y轴导轨27，为了便于Y轴导轨27的安装，本实施例中的Y方向伸缩平台2还包括4个直线轴承28、两个直线轴承安装座29和12个角件，直线轴承安装座29分别通过4个角件固定于Y轴固定平台21上，直线轴承安装座29上设有位于同一条直线上的Y轴丝杆安装孔和两个直线轴承安装孔，安装孔为通孔，直线轴承28安装于直线轴承安装座29的轴承安装孔内，两根Y轴导轨27安装于直线轴承28内，Y轴导轨27的两端分别与两个Y轴丝杆固定片26固定相连。

为了便于组装，本实施例中的底座选用欧标铝型材30150。

为了实现自动化控制，本实施例中的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统还包括控制系统，所述控制系统以STM32F103VET6作为主控芯片，通过串口与上位机通信，通过步进电机驱动器控制步进电机19，以及编辑电路和控制程序、控制算法等。

本实施选用的步进电机驱动器为两相混合式步进电机驱动器2M542-N，其供电电压24V-50V，信号电压5V(最大支持24V)，驱动电流1.0A/相-4.2A/相8档可调，15档角度恒力矩细分，最高25600步/转，响应频率最高200Kpps。此步进电机驱动器可适用于42、57、86系列两相混合式步进电机，其内部采用类似伺服控制原理的电路，此电路可以使电机运行平稳，几乎没有震动和噪声。

本发明选用设置驱动器的细分数为1000脉冲/转，则工作台水平移动和竖直移动的控制精度为：Δx＝0.004mm,Δy＝0.008mm。

采用本实施例中的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统进行直缝焊管横截面轮廓测量的方法具体包括以下步骤：

S1：测量系统的初始化定位：

如图5所示，以X方向移动平台1的固定柱17和轴承16的交叉处为原点O，以X轴丝杆11所在的直线为X轴，以垂直于X方向移动平台1底座的向上方向为Y轴，建立全局坐标系；以X方向移动平台1的X轴丝杆11与滑块13的接触中点为原点O₁，以X轴丝杆11为X₁轴，以Y方向伸缩平台2的Y轴丝杆23为Y₁轴，建立局部坐标系1；以转动平台3的舵机31与舵机转动支架33连接轴的中点为原点O₂，以平行于全局坐标系X轴、Y轴的方向为X₂轴、Y₂轴建立局部坐标系2；

接通步进电机19和直线电机26的电源后，将测量系统放置在待测变形板带a下方，如图6所示，调整Y方向伸缩平台2的纵向位置和横向位置，使得激光位移传感器35的探头351与待测变形板带a间距离为H，H为定值，H的取值范围为65～135mm，记录H的实际数值以便接下来计算待测变形板带a的轮廓坐标，并调节激光位移传感器35使其探头351的发射口垂直于X方向移动平台1并指向待测变形板带a；探头351所发出光线的偏角范围为α，α约30°，即±15°；探头351的扫描范围取偏角的一半，即

S2：对待测变形板带a底部区域进行局部扫描和测量：

如图7所示，设激光位移传感器探头351在坐标系中第i个测量工位点为P_i，此工位点下，对待测待测变形板带a轮廓上的第k个扫描点为P_i,k(1≤k≤15)；激光位移传感器35的探头351于Y₂轴方向左右各范围内按照固定的采样间隔，依次记录相应测点的距离l_i,k和角度β_i,k，l_i,k为探头351到待测变形板带a轮廓上各点的距离，β_i,k为激光位移传感器的探头与待测变形板带a轮廓上各点的连线与Y₂轴所成的夹角，定义θ_i为激光位移传感器在第i个工位点初始扫描位置的成角，即β_i,k，k＝0，简便起见，只用一个下标表示，并将所得数据保存。这里的采样间隔优选为α/30。

扫描中断的判定：

1)无轧辊情况下扫描点的数据为空，可认定测量系统对待测变形板带轮廓a的扫描结束，将所得数据保存；

2)有轧辊情况下扫描点的数据不为空，但出现当前被测点P_i,k+1的距离数据l_i,k+1与前一点P_i,k的距离数据l_i,k之差大于点P_i,k的距离数据l_i,k与P_i,k-1的距离数据l_i,k-1之差的10倍的情况时，认定本测量系统对待测变形板带轮廓a的扫描结束，删除上述异常数据并保存其余点数据；

扫描中断判定后，若扫描不结束则进入继续扫描直至该测量工位点扫描结束；若扫描结束则直接进入S7；

S3：计算探头351下一个测量工位的X方向移动平台和Y方向伸缩平台各自的运动位移Δx_i和Δy_i：

设上一个测量工位的扫描点共N个，位于扫描位置最末端的三个点依次为P_i,N-2、P_i,N-1、P_i,N，如图7所示，以三点为顶点组成三角形，作三角形的外接圆，计算其外接圆的曲率半径、外接圆在点P_i,N-1处切线方向的单位矢量τ_i及法线方向的单位矢量n_i，过点P_i,N-1沿法线n_i且与探头351同一侧方向上计算距离为H的点P_i+1，则点P_i+1为下次激光位移传感器探头351的位置坐标，再将前后两点P_i、P_i+1的位置坐标相减得到Δx_i和Δy_i，即为探头351的移动距离，如图7所示。通过程序算法控制X方向步进电机与Y方向步进电机使激光位移传感器35进入下一个测量工位P_i+1；

S4：计算激光位移传感器35的探头351的发射方位角θ_i+1，并依据所得值调整探头351的位置，θ_i+1即为法线方向的单位矢量n_i与Y₂轴所成的夹角，即探头351由工位点P_i到P_i+1后，探头按照顺时针调整角度Δθ＝θ_i+1-θ_i+α/2；

S5：通过舵机31调整好激光位移传感器探头351的位置后，依次重复上述S2；

S6：依次重复上述S3～S5，直到最终测完待测变形板带a的横截面轮廓的所有区域；

S7：计算测量点在局部坐标系2中的坐标值结合探头351扫描所反馈回来的轮廓扫描点P_i,k的距离数据l_i,k和角度数据β_i,k得出各测量点在局部坐标系2中的坐标值，的计算公式如下：

$x_{i,k}^2=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}$

$y_{i,k}^2=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}$

并将所得数据保存；

S8：计算测量点在局部坐标系1中的坐标值结合Y方向伸缩平台的伸缩长度、激光位移传感器在Y方向伸缩平台上的X₁轴向距离和上步中各点在局部坐标系2中的坐标值可得出各点在局部坐标系1中的相应坐标值，的计算公式如下：

$x_{i,k}^1=x_{i,k}^2+x_i^{21}=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}+x_i^{21}$

$y_{i,k}^1=y_{i,k}^2+y_i^{21}=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}+y_i^{21}$

其中，为原点O₂在局部坐标系1中的坐标，将所得数据保存；

S9：计算测量点在全局坐标系中的坐标值(x_i,k,y_i,k)：结合原点O₁在全局坐标系X轴位置及上步中各点在局部坐标系1中的相应坐标值得出各点在全局坐标系中的坐标值，(x_i,k,y_i,k)的计算公式如下：

$x_{i,k}=x_{i,k}^1+x_i^1=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}+x_i^{21}+x_i^1$

$y_{i,k}=y_{i,k}^1+y_i^1=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}+y_i^{21}+y_i^1$

其中，为局部坐标系1的原点O₁在全局坐标系中的位置坐标，将所得数据(x_i,k,y_i,k)保存；

S10：根据所测得的所有点位在全局坐标系下的坐标值，即可通过三次样条法拟合出待测变形板带a的横截面轮廓形状。

本实施例中的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量系统还可以用于槽钢成型过程中横截面轮廓的测量，且测量方法与直缝焊管基本相同，不同之处在于传感器探头35从一个工位到下一个工位的移动，即S3和S4，因为对于槽钢来讲，三点P_i,N-2、P_i,N-1、P_i,N可能共线，那么外接圆的方法将不再能确定下一个扫描点，此时的处理方法是：

S3：过三点作一直线，过点P_i,N做垂直于所得直线的垂线，并在垂线上量取距离为H，所对应的点即为下个测量工位P_i+1探头351的位置坐标，将前后两点P_i、P_i+1的位置坐标相减得到Δx_i和Δy_i，即为探头移动距离；

通过程序算法控制X方向步进电机与Y方向步进电机使激光位移传感器进入下一个测量工位；

S4：计算激光位移传感器的探头的发射方位角θ_i+1，并依据所得值调整探头的位置，探头只需按照顺时针调整角度Δθ＝α/2。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：测量系统的初始化定位：

以X方向移动平台的固定柱和轴承的交叉处为原点O，以X轴丝杆所在的直线为X轴，以垂直于X方向移动平台底座的向上方向为Y轴，建立全局坐标系；以X方向移动平台的X轴丝杆与滑块的接触中点为原点O₁，以X轴丝杆为X₁轴，以Y方向伸缩平台的Y轴丝杆为Y₁轴，建立局部坐标系1；以转动平台的舵机与舵机转动支架连接轴的中点为原点O₂，以平行于全局坐标系X轴、Y轴的方向为X₂轴、Y₂轴建立局部坐标系2；

接通步进电机和直线电机的电源后，将测量系统放置在待测变形板带下方，调整Y方向伸缩平台的纵向位置和横向位置，使得激光位移传感器的探头与待测变形板带间距离为H，H为定值，记录H的实际数值以便接下来计算待测变形板带的轮廓坐标，并调节激光位移传感器使其探头的发射口垂直于X方向移动平台并指向待测变形板带；探头所发出光线的偏角范围为α；探头的扫描范围取偏角α的一半，即

S2：对待测变形板带底部区域进行局部扫描和测量：

设激光位移传感器探头在坐标系中第i个测量工位点为P_i，此工位点下，第k个扫描点为P_i,k，激光位移传感器的探头于Y₂轴方向左右各范围内按照固定的采样间隔测量，依次记录相应测点的距离l_i,k和角度β_i,k，l_i,k为探头到待测变形板带轮廓上各点的距离，β_i,k为激光位移传感器的探头与待测变形板带轮廓上各点的连线与Y₂轴所成的夹角，定义θ_i为激光位移传感器在第i个测量工位点初始扫描位置的成角，即β_i,k，k＝0，简便起见，只用一个下标表示，并将所得数据保存；

扫描中断的判定：

1)无轧辊情况下扫描点的数据为空，可认定测量系统对待测变形板带轮廓的扫描结束，将所得数据保存；

2)有轧辊情况下扫描点的数据不为空，但出现当前被测点P_i,k+1的距离数据l_i,k+1与前一点P_i,k的距离数据l_i,k之差大于点P_i,k的距离数据l_i,k与P_i,k-1的距离数据l_i,k-1之差的10倍的情况时，认定本系统对待测变形板带轮廓的扫描结束，删除上述异常数据并保存其余点数据；

扫描中断判定后，若扫描不结束则进入步骤S3；若扫描结束则直接进入S7；

S3：计算探头下一个测量工位的X方向移动平台和Y方向伸缩平台各自的运动位移Δx_i和Δy_i：

设上一个测量工位的扫描点共N个，位于扫描位置最末端的三个点依次为P_i,N-2、P_i,N-1、P_i,N，若三点不共线，以三点为顶点组成三角形，作三角形的外接圆，计算其外接圆的曲率半径、外接圆在点P_i,N-1处切线方向的单位矢量τ_i及法线方向的单位矢量n_i，过点P_i,N-1沿法线n_i且与探头同一侧方向上计算距离为H的点P_i+1，则点P_i+1为下次激光位移传感器探头的位置坐标，再将前后两点P_i、P_i+1的位置坐标相减得到Δx_i和Δy_i，即为探头移动距离；

若三点共线，过三点作一直线，过点P_i,N做垂直于所得直线的垂线，并在垂线上量取距离为H，所对应的点即为下次探头的位置坐标，将前后两点P_i、P_i+1的位置坐标相减得到Δx_i和Δy_i，即为探头移动距离；

通过程序算法控制X方向步进电机与Y方向步进电机使激光位移传感器进入下一个测量工位P_i+1；

S4：计算激光位移传感器的探头的发射方位角θ_i+1，并依据所得值调整探头的位置，若点P_i,N-2、P_i,N-1、P_i,N不共线，则θ_i+1即为法线方向的单位矢量n_i与Y₂轴所成的夹角，即探头由测量工位点P_i到P_i+1后，探头按照顺时针调整角度Δθ＝θ_i+1-θ_i+α/2；若点P_i,N-2、P_i,N-1、P_i,N共线，则探头按照顺时针调整的角度Δθ＝α/2；

S5：通过舵机调整好激光位移传感器探头的位置后，重复上述S2；

S6：依次重复上述S3～S5，直到最终测完待测变形板带的横截面轮廓的所有区域；

S7：计算测量点在局部坐标系2中的坐标值结合探头扫描所反馈回来的轮廓扫描点P_i,k的距离数据l_i,k和角度数据β_i,k得出各测量点在局部坐标系2中的坐标值，的计算公式如下：

$x_{i,k}^2=l_{i,k}\×{\mathrm{sin\β}}_{i,k}$

$y_{i,k}^2=l_{i,k}\×{\mathrm{cos\β}}_{i,k}$

并将所得数据保存；

S8：计算测量点在局部坐标系1中的坐标值结合Y方向伸缩平台的伸缩长度、激光位移传感器在Y方向伸缩平台上的X₁轴向距离和上步中各点在局部坐标系2中的坐标值可得出各点在局部坐标系1中的相应坐标值，的计算公式如下：

$x_{i,k}^1=x_{i,k}^2+x_i^{21}=l_{i,k}\×{\mathrm{sin\β}}_{i,k}+x_i^{21}$

$y_{i,k}^1=y_{i,k}^2+y_i^{21}=l_{i,k}\×{\mathrm{cos\β}}_{i,k}+y_i^{21}$

其中，为原点O₂在局部坐标系1中的坐标，将所得数据保存；

S9：计算测量点在全局坐标系中的坐标值(x_i,k,y_i,k)：结合原点O₁在全局坐标系X轴位置及上步中各点在局部坐标系1中的相应坐标值得出各点在全局坐标系中的坐标值，(x_i,k,y_i,k)的计算公式如下：

$x_{i,k}=x_{i,k}^1+x_i^1=l_{i,k}\×{\mathrm{sin\β}}_{i,k}+x_i^{21}+x_i^1$

$y_{i,k}=y_{i,k}^1+y_i^1=l_{i,k}\×{\mathrm{cos\β}}_{i,k}+y_i^{21}+y_i^1$

其中，为局部坐标系1的原点O₁在全局坐标系中的位置坐标，将所得数据(x_i,k,y_i,k)保存；

S10：根据测量点在全局坐标系下的坐标值，即可通过三次样条法拟合出待测变形板带的横截面轮廓形状。

2.根据权利要求1所述的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法，其特征在于：所述激光位移传感器的探头与待测变形板带间距离H为65～135mm。

3.根据权利要求1所述的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法，其特征在于：所述探头发出光线的偏角范围为30°；探头的扫描范围为15°。

4.根据权利要求1所述的冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法，其特征在于：激光位移传感器的探头于Y₂轴方向左右各范围内按照固定的采样间隔测量。