CN108592819B - 一种平面弯曲钣金件截面弯曲轮廓检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种平面弯曲钣金件截面弯曲轮廓检测装置，其包括机械装置和控制装置两部分，所述控制装置包括控制箱、PLC、单片机、电脑，所述机械装置包括框架、X方向平移模组、Y方向平移模组、线阵CCD摄像头；使用上述检测装置的检测方法主要是将线阵CCD摄像头采集的轮廓位置信息和机械装置的Y模组编码器数据相结合，经数据处理后作为钣金轮廓二维图的Y坐标值，将机械装置中X模组伺服电机编码器反馈的位置数据作为钣金件轮廓二维图的X坐标值，由驱动程序控制完成钣金件轮廓循环扫描和轮廓点数据采集，经上位机数据处理后得到关于钣金件弯曲轮廓二维点云文件。本发明自动、高效、廉价、能够快速方便地提取轮廓数据。

Description

一种平面弯曲钣金件截面弯曲轮廓检测装置及方法

技术领域

本发明属于机械检测技术领域，特别涉及一种钣金件轮廓检测装置及方法。

背景技术

机械和工业领域中通常会用到不同弯曲形状的钣金件，具有特殊形状轮廓的钣金件通常是由板料经拉弯机进行多次拉弯后获得与目标轮廓一致的曲线。然而在每次拉弯中，板料都会有相应的回弹，一次拉弯不能得到目标轮廓，这就需要在拉弯机上进行多次变模具轮廓曲线拉弯，以获得最终目标轮廓。因此，每次拉弯结束后都需要进行钣金件轮廓曲率检测，通过对轮廓曲线的数据处理和计算，得到下次拉弯所需的模具轮廓。

现有的轮廓检测技术主要有模板加工、手工测量等，这些测量方法获得的轮廓尺寸数据精度差，效率低，而且劳动强度大。精度较高的三坐标测量仪、轮廓扫描仪和激光扫描检测技术往往使用了昂贵的内部元器件，设备价格多大几百万元，小公司和实验室又难以承担此巨额费用。公开号CN104535017B发明的轮廓检测装置采用两个激光二维扫描仪，环形分布进行工件轮廓检测，不仅成本高，而且数据采集与处理相对复杂。因此，设计一种自动、高效、便捷和廉价的平面弯曲钣金件弯曲轮廓检测装置，且能够快速方便的提取轮廓数据是目前工业应用上亟须解决的一件事。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动、高效、廉价、能够快速方便地提取轮廓数据的平面弯曲钣金件弯曲轮廓自动检测装置和方法。

本发明的平面弯曲钣金件弯曲轮廓自动检测装置包括机械装置和控制装置两部分，所述控制装置包括控制箱、PLC、单片机、电脑，其中PLC设在控制箱内，电脑设在控制箱箱体上部，PLC与电脑通过以太网线连接，PLC与X模组伺服电机和Y模组伺服电机通过信号线连接，单片机设在机械装置内与电脑通过数据线连接；

所述机械装置包括框架、X方向平移模组、Y方向平移模组、线阵CCD摄像头；其中框架为矩形框架，框架内设有X方向平移模组和Y方向平移模组，框架的底部设有与其固连的工件托板，工件托板下方设有光源系统，光源系统可发出垂直线阵CCD摄像头光照接受面的平行线束，且光源面积和工件托板相当，工件托板采用透明亚克力板，光源发出的光可透过工件托板，照射在线阵CCD摄像头光照接受面上；在框架长度方向的两侧均设有相对的与框架固连的短横梁，在框架的另外两侧的上述短横梁下方均设有相对的并与框架固连的长横梁；

在两个短横梁的两端均设有Y模组支承座，两个Y模组连杆分别连接两个相对的Y模组支承座，每个Y模组连杆的两端均设有Y模组同步带轮一，同一端的两个Y模组同步带轮一通过Y模组同步带连接，Y模组伺服电机固定在靠其中一个Y模组支承座旁的长横梁上，Y模组伺服电机轴端设有Y模组伺服电机同步带轮，Y模组伺服电机带轮通过Y模组电机轴端用同步带与Y模组同步带轮二相连，该Y模组同步带轮二设在Y模组同步带轮与Y模组支承座之间的连杆上；

在两个长横梁的两端均设有X模组支承座，两个Y模组滑杆分别穿过两个X模组丝杠支承座上部的光孔，其两端分别固定在两个相对的X模组支承座上，X模组丝杠支承座的顶端分别与上述Y模组同步带固连，X模组伺服电机设在与上述Y模组伺服电机同侧的X模组丝杠支承座上，X模组伺服电机的输出端设有X模组伺服电机带轮，X模组伺服电机带轮通过X模组电机轴端用同步带与设在X模组丝杠末端的X模组同步带轮连接；在两个X模组丝杠支承座下部中间均设有与上述上部光孔相交的中心轴承孔，中心轴承孔两侧分别设有光孔，在X模组滑块上设有与X模组丝杠支承座下部相对应的中心螺纹孔和光孔，两个X模组滑杆分别穿过X模组滑块上的光孔，其两端分别设在X模组丝杠支承座下部的光孔内，X模组丝杠穿过X模组滑块上的中心螺纹孔，其一端设在X模组丝杠支承座下部的中心轴承孔内，其另一端穿过中心轴承孔与上述X模组同步带轮连接；线阵CCD摄像头设在X模组滑块的下表面；

单片机设在X模组滑块上表面，与线阵CCD摄像头通过信号线连接，与电脑通过数据线连接，用于传输线阵CCD摄像头采集的信息；PLC与X模组伺服电机和Y模组伺服电机通过信号线连接，PLC发送脉冲给伺服电机，两个伺服电机执行相应的运动，最终实现线阵CCD摄像头在XY平面内的运动。

使用上述平面弯曲钣金件弯曲轮廓自动检测装置的检测方法如下：

(1)将待测钣金件具有弯曲轮廓的面放置于检测装置的工件托板上；

(2)电脑装有PLC编程软件，用于程序控制和记录编码器反馈给PLC的CCD摄像头位置数据以及单片机处理的CCD摄像头采集信息；在软件端启动PLC，选择归原点运动程序，即PLC发送脉冲给伺服电机，两个伺服电机同时运动，控制线阵CCD摄像头归原点，原点位于XY平面的左下角；

(3)启动单片机，单片机控制线阵CCD摄像头信号驱动电路，为处理线阵CCD采集的信息做准备；

(4)检测前由人工测量钣金件的最大弯曲挠度值，并与线阵CCD摄像头的检测线宽做比较，若最大挠度值小于线阵CCD检测线宽则由PLC控制两个伺服电机执行扫描轨迹一程序；若最大挠度值大于线阵CCD检测线宽，则由PLC控制两个伺服电机执行扫描轨迹二程序；依据钣金件的尺寸，设定线阵CCD摄像头的扫描频率；

(5)线阵CCD摄像头在PLC和伺服电机的控制下开始沿选定轨迹扫描待检测钣金件弯曲轮廓；

(6)由单片机数据采集系统处理线阵CCD摄像头采集的光强信息，经图像处理得到轮廓边缘的像元位置信息，即可计算出轮廓边缘在线阵CCD摄像头自身坐标系里的Y′坐标值，此值由单片机通过数据线传送给电脑，将当前Y平移模组编码器的反馈值记为Y″，此值由PLC通过以太网传送给电脑，电脑将数据整合得出当前轮廓点在整体坐标系里的Y坐标值，即Y＝Y′±Y″；

(7)采集X方向平移模组的编码器反馈值记为轮廓的X坐标值，由PLC通过以太网传送给电脑，结合轮廓点的Y坐标值，存储一组轮廓点的X、Y坐标值；

(8)重复执行步骤(5)和步骤(7)，直至完成整个轮廓扫描程序。当完成所有检测后，输出轮廓点云文件，完成钣金件轮廓检测。

其中，检测程序一执行过程为：首先线阵CCD摄像头由原点位置沿Y方向移动到钣金件挠度中央位置，使得整个钣金件挠曲宽度能够被线阵CCD线宽包含在内。确定好扫描起始位置后，线阵CCD摄像头沿X方向扫描钣金件轮廓。

检测程序二执行过程为：设检测区域X方向宽度值为m，线阵CCD检测线宽值为h。线阵CCD摄像头由原点位置(0，0)沿X正方向移动到X方向末端(m，0)点处，然后沿Y正方向移动一个CCD线宽的距离，到达点(m，h)处，再沿X负方向移动到(0，h)处，再由(0，h)移动到(0，2h)处，CCD摄像头按轨迹运动直至整个扫描区域被全部扫描为止。扫描过程中，扫描轨迹线始终位于线阵CCD宽度中央位置。

本发明的工作过程：

将具有平面弯曲的钣金件待检测轮廓面放置于检测装置托板上。启动PLC、单片机、光源系统，线阵CCD摄像头、X线性模组、Y线性模组驱动程序，数据采集与处理程序。程序启动完毕后，由PLC控制线阵CCD摄像头归原点。若钣金件的最大弯曲轮廓挠度小于线阵CCD摄像头的检测线宽则执行检测程序一，若钣金件的最大弯曲轮廓挠度大于线阵CCD摄像头的检测线宽则执行检测程序二。之后，在PLC程序的控制下，线阵CCD摄像头将沿设定轨迹对钣金件的弯曲轮廓进行全面扫描。在扫描过程中，电脑将采集X线性模组中编码器反馈的位置坐标数据，并将此数据值转换为真实钣金件弯曲轮廓二维图的X轴坐标值，将Y线性模组中的编码器数据值和线阵CCD摄像头检测到的轮廓像元位置数据经处理后得到钣金件真实轮廓的Y轴坐标值，记录一组轮廓点坐标值。重复执行上述检测和采集流程，当完成所有轮廓点扫描和采集后，输出关于平面弯曲钣金件弯曲截面轮廓的点云文件。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、采用线阵CCD摄像头作为检测元件，有较高的灵敏度和测量精度，信号处理电路简单，响应速度快，抗干扰能力强。

2、使用线阵CCD摄像头节约了检测装置的成本，有利于装置的推广。

3、采用的轮廓点云数据采集程序简单易行、数据处理方便，不仅节省了计算机的运行内存，而且提高了数据处理工作的效率，使整个检测过程更加方便高效。

附图说明

图1为本发明的轮廓数据采集流程示意图。

图2为本发明检测装置的立体示意简图。

图3为本发明机械装置的立体示意简图。

图4为本发明机械装置的俯视图。

图5为本发明机械装置的主视图。

图6为本发明实施实例1检测轨迹示意图。

图7为本发明实施实例2检测轨迹示意图。

图中：1-数据线、2-以太网、3-PLC、4-控制箱、5-信号线A、6-信号线B、7-框架、8-X模组支承座、9-Y模组同步带轮一、10-Y模组连杆、11-Y模组同步带、12-Y模组支承座、13-Y模组同步带轮二、14-Y模组电机轴端用同步带、15-Y模组伺服电机带轮、16-Y模组伺服电机、17-X模组伺服电机带轮、18-X模组电机轴端用同步带、19-X模组丝杠支承座、20-X模组伺服电机、21-X模组丝杠、22-X模组滑杆、23-X模组滑块、24-工件托板、25-Y模组滑杆、26-X模组同步带轮、27-钣金件、28-线阵CCD摄像头。

具体实施方式

在图2所示的平面弯曲钣金件弯曲轮廓检测装置示意图中，检测装置包括机械装置和控制装置两部分，控制装置的PLC 3设在控制箱4内，电脑设在控制箱箱体上部，PLC与电脑通过以太网线2连接，PLC通过信号线A 5与X模组伺服电机20连接，通过信号线B 6与Y模组伺服电机16通过信号线连接，单片机设在机械装置内与电脑通过数据线1连接；

在图3、图4、图5所示的平面弯曲钣金件弯曲轮廓检测机械装置示意图中，框架7为铝型材通过螺钉固连的长方体框架，框架内设有X方向平移模组和Y方向平移模组，框架的底部设有与其固连的工件托板24，工件托板下方设有光源系统，光源系统可发出垂直线阵CCD摄像头光照接受面的平行线束，且光源面积和工件托板相当，工件托板采用透明亚克力板，光源发出的光可透过工件托板，照射在线阵CCD摄像头光照接受面上；钣金件27的待测轮廓面放置在工件托板上；在框架长度方向的两侧均设有相对的与框架固连的短横梁，在框架的另外两侧的上述短横梁下方均设有相对的并与框架固连的长横梁；

在两个短横梁的两端均设有Y模组支承座12，两个Y模组连杆10分别连接两个相对的Y模组支承座，每个Y模组连杆的两端均设有Y模组同步带轮一9，同一端的两个Y模组同步带轮一通过Y模组同步带11连接，Y模组伺服电机16固定在靠其中一个Y模组支承座旁的长横梁上，Y模组伺服电机轴端设有Y模组伺服电机带轮15，Y模组伺服电机同步带轮通过Y模组电机轴端用同步带14与Y模组同步带轮二13连接，该Y模组同步带轮二设在Y模组同步带轮与Y模组支承座之间的连杆上；

在两个长横梁的两端均设有X模组支承座8，两个Y模组滑杆25分别穿过两个X模组丝杠支承座19上部的光孔，其两端分别固定在两个相对的X模组支承座上，X模组丝杠支承座的顶端分别通过螺钉与上述Y模组同步带固连，X模组伺服电机20设在与上述Y模组伺服电机同侧的X模组丝杠支承座上，X模组伺服电机的输出端设有X模组伺服电机带轮17，X模组伺服电机带轮通过X模组电机轴端用同步带18与设在X模组丝杠21末端的X模组同步带轮26连接；在两个X模组丝杠支承座下部中间均设有与上述上部光孔相交的中心轴承孔，中心轴承孔两侧分别设有光孔，在X模组滑块23上设有与X模组丝杠支承座下部相对应的中心螺纹孔和光孔，两个X模组滑杆22分别穿过X模组滑块上的光孔，其两端分别设在X模组丝杠支承座下部的光孔内，X模组丝杠穿过X模组滑块上的中心螺纹孔，其一端设在X模组丝杠支承座下部的中心轴承孔内，其另一端穿过中心轴承孔与上述X模组同步带轮连接；线阵CCD摄像头28设在X模组滑块的下表面；

单片机设在X模组滑块上表面，与线阵CCD摄像头通过信号线连接，与电脑通过数据线连接，用于传输线阵CCD摄像头采集的信息；PLC与X模组伺服电机和Y模组伺服电机通过信号线连接，PLC发送脉冲给伺服电机，两个伺服电机执行相应的运动，Y模组伺服电机的旋转运动通过Y模组电机轴端用同步带和Y模组同步带的传动转换为X模组丝杠支撑座的Y方向直线运动，X模组伺服电机的旋转运动通过X模组电机轴端用同步带和X模组丝杠的传递转换为X模组滑块的X方向直线运动，最终实现线阵CCD摄像头在XY平面内的运动。

本发明的检测方法如下：

如图1所示，当钣金件弯曲轮廓的最大挠度值小于线阵CCD摄像头的检测线宽，则由上位机控制PLC执行检测程序一，如图6所示的检测轨迹。

执行程序一时，将待测钣金件具有弯曲轮廓的面放置于机械装置的工件托板上。在电脑上使用PLC编程软件启动PLC，选择归原点程序，即发送脉冲给伺服电机，两个伺服电机同时运动，控制线阵CCD摄像头归原点。启动单片机，单片机控制线阵CCD摄像头信号驱动电路，用于处理线阵CCD采集的信息。线阵CCD摄像头在PLC和伺服电机的控制下开始沿轨迹一扫描待检测钣金件弯曲轮廓，即首先线阵CCD摄像头由原点位置沿Y方向移动到钣金件挠度中央位置，使得整个钣金件挠曲宽度能够被线阵CCD线宽包含在内。确定好扫描起始位置后，线阵CCD摄像头沿X方向扫描钣金件轮廓；

在扫描过程中由数据采集系统处理线阵CCD摄像头采集的光强信息，经图像处理得到轮廓边缘的像元位置信息，即可计算出轮廓点在线阵CCD摄像头自身坐标系里的Y坐标值，直接将此坐标值作为轮廓点Y坐标值，此值由单片机通过数据线传送给电脑。采集X方向平移模组的编码器反馈值记为轮廓点的X坐标值，此值由PLC通过以太网线传送给电脑。电脑将两个数据结合，存储一个轮廓点的X、Y坐标值。

重复执行轮廓点采集程序，当完成所有横向扫描检测后，输出轮廓点云文件到电脑上，完成钣金件轮廓检测。

当钣金件弯曲轮廓的最大挠度值大于线阵CCD摄像头的检测线宽，则由上位机控制PLC执行检测程序二，如图7所示的检测轨迹，设检测区域X方向宽度值为m，线阵CCD检测线宽值为h。线阵CCD摄像头由原点位置(0，0)沿X正方向移动到X方向末端(m，0)点处，然后沿Y正方向移动一个CCD线宽的距离，到达点(m，h)处，再沿X负方向移动到(0，h)处，再由(0，h)移动到(0，2h)处，CCD摄像头按箭头轨迹运动直至整个扫描区域被全部扫描为止。扫描过程中，扫描轨迹线始终位于线阵CCD宽度中央位置。

PLC控制电机做往复检测，保证钣金件的所有轮廓被完全检测。由数据采集系统处理线阵CCD摄像头采集的光强信息，经图像处理得到轮廓边缘的像元位置信息，即可计算出轮廓边缘在线阵CCD摄像头自身坐标系里的Y′坐标值，Y′值将由单片机通过数据线传送给电脑。将当前Y平移模组编码器的反馈值记为Y″由PLC通过以太网线传送给电脑，电脑将数据整合得出当前轮廓边点在整体坐标系里的Y坐标值，即Y＝Y′±Y″。同时，采集X方向平移模组的编码器反馈值记为轮廓点的X坐标值，由PLC通过以太网线传送给电脑，结合轮廓点的Y坐标值，存储一个轮廓点的X、Y坐标值。

重复执行轮廓扫描和轮廓点采集程序，当完成所有检测后，输出轮廓点云文件到电脑上，完成钣金件轮廓检测。

Claims (2)

1.一种平面弯曲钣金件弯曲轮廓自动检测装置，其包括机械装置和控制装置两部分，其特征在于：所述控制装置包括控制箱、PLC、单片机、电脑，其中PLC设在控制箱内，电脑设在控制箱箱体上部，PLC与电脑通过以太网线连接，PLC与X模组伺服电机和Y模组伺服电机通过信号线连接，单片机设在机械装置内与电脑通过数据线连接；

所述机械装置包括框架、X方向平移模组、Y方向平移模组、线阵CCD摄像头；其中框架为矩形框架，框架内设有X方向平移模组和Y方向平移模组，框架的底部设有与其固连的工件托板，工件托板下方设有光源系统，光源系统发出垂直线阵CCD摄像头光照接受面的平行线束，且光源面积和工件托板相当，工件托板采用透明亚克力板，光源发出的光透过工件托板，照射在线阵CCD摄像头光照接受面上；在框架长度方向的两侧均设有相对的与框架固连的短横梁，在框架的另外两侧的上述短横梁下方均设有相对的并与框架固连的长横梁；在两个短横梁的两端均设有Y模组支承座，两个Y模组连杆分别连接两个相对的Y模组支承座，每个Y模组连杆的两端均设有Y模组同步带轮一，同一端的两个Y模组同步带轮一通过Y模组同步带连接，Y模组伺服电机固定在靠其中一个Y模组支承座旁的长横梁上，Y模组伺服电机轴端设有Y模组伺服电机同步带轮，Y模组伺服电机带轮通过Y模组电机轴端用同步带与Y模组同步带轮二相连，该Y模组同步带轮二设在Y模组同步带轮与Y模组支承座之间的连杆上；在两个长横梁的两端均设有X模组支承座，两个Y模组滑杆分别穿过两个X模组丝杠支承座上部的光孔，其两端分别固定在两个相对的X模组支承座上，X模组丝杠支承座的顶端分别与上述Y模组同步带固连，X模组伺服电机设在与上述Y模组伺服电机同侧的X模组丝杠支承座上，X模组伺服电机的输出端设有X模组伺服电机带轮，X模组伺服电机带轮通过X模组电机轴端用同步带与设在X模组丝杠末端的X模组同步带轮连接；在两个X模组丝杠支承座下部中间均设有与上述上部光孔相交的中心轴承孔，中心轴承孔两侧分别设有光孔，在X模组滑块上设有与X模组丝杠支承座下部相对应的中心螺纹孔和光孔，两个X模组滑杆分别穿过X模组滑块上的光孔，其两端分别设在X模组丝杠支承座下部的光孔内，X模组丝杠穿过X模组滑块上的中心螺纹孔，其一端设在X模组丝杠支承座下部的中心轴承孔内，其另一端穿过中心轴承孔与上述X模组同步带轮连接；线阵CCD摄像头设在X模组滑块的下表面；单片机设在X模组滑块上表面，与线阵CCD摄像头通过信号线连接，与电脑通过数据线连接，用于传输线阵CCD摄像头采集的信息；PLC与X模组伺服电机和Y模组伺服电机通过信号线连接，PLC发送脉冲给伺服电机，两个伺服电机执行相应的运动，最终实现线阵CCD摄像头在XY平面内的运动；检测前由人工测量钣金件的最大弯曲挠度值，并与线阵CCD摄像头的检测线宽做比较，若最大挠度值小于线阵CCD检测线宽则由PLC控制两个伺服电机执行扫描轨迹一程序；若最大挠度值大于线阵CCD检测线宽，则由PLC控制两个伺服电机执行扫描轨迹二程序；依据钣金件的尺寸，设定线阵CCD摄像头的扫描频率；所述检测程序一执行过程为：首先线阵CCD摄像头由原点位置沿Y方向移动到钣金件挠度中央位置，使得整个钣金件挠曲宽度能够被线阵CCD线宽包含在内；确定好扫描起始位置后，线阵CCD摄像头沿X方向扫描钣金件轮廓；所述检测程序二执行过程为：设检测区域X方向宽度值为m，线阵CCD检测线宽值为h；线阵CCD摄像头由原点位置(0，0)沿X正方向移动到X方向末端(m，0)点处，然后沿Y正方向移动一个CCD线宽的距离，到达点(m，h)处，再沿X负方向移动到(0，h)处，再由(0，h)移动到(0，2h)处，CCD摄像头按轨迹运动直至整个扫描区域被全部扫描为止，扫描过程中，扫描轨迹线始终位于线阵CCD宽度中央位置。

2.权利要求1所述 的平面弯曲钣金件弯曲轮廓自动检测装置的检测方法，其特征在于：

(1)将待测钣金件具有弯曲轮廓的面放置于检测装置的工件托板上；

(2)电脑装有PLC编程软件，用于程序控制和记录编码器反馈给PLC的CCD摄像头位置数据以及单片机处理的CCD摄像头采集信息；在软件端启动PLC，选择归原点运动程序，即PLC发送脉冲给伺服电机，两个伺服电机同时运动，控制线阵CCD摄像头归原点，原点位于XY平面的左下角；

(3)启动单片机，单片机控制线阵CCD摄像头信号驱动电路，为处理线阵CCD采集的信息做准备；

(4)检测前由人工测量钣金件的最大弯曲挠度值，并与线阵CCD摄像头的检测线宽做比较，若最大挠度值小于线阵CCD检测线宽则由PLC控制两个伺服电机执行扫描轨迹一程序；若最大挠度值大于线阵CCD检测线宽，则由PLC控制两个伺服电机执行扫描轨迹二程序；依据钣金件的尺寸，设定线阵CCD摄像头的扫描频率；

(5)线阵CCD摄像头在PLC和伺服电机的控制下开始沿选定轨迹扫描待检测钣金件弯曲轮廓；(6)由单片机数据采集系统处理线阵CCD摄像头采集的光强信息，经图像处理得到轮廓边缘的像元位置信息，即可计算出轮廓边缘在线阵CCD摄像头自身坐标系里的Y′坐标值，此值由单片机通过数据线传送给电脑，将当前Y平移模组编码器的反馈值记为Y″，此值由PLC通过以太网传送给电脑，电脑将数据整合得出当前轮廓点在整体坐标系里的Y坐标值，即Y＝Y′±Y″；

(7)采集X方向平移模组的编码器反馈值记为轮廓的X坐标值，由PLC通过以太网传送给电脑，结合轮廓点的Y坐标值，存储一组轮廓点的X、Y坐标值；

(8)重复执行步骤(5)和步骤(7)，直至完成整个轮廓扫描程序；当完成所有检测后，输出轮廓点云文件，完成钣金件轮廓检测。