CN111257904B - 一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种圆柱钢锭长度在线测量装置及方法，属于测量技术领域，能在线非接触式测量圆柱钢锭的长度。该测量装置包括两组相向布置的激光器摆动机构、小车、光电开关、两根钢轨、链条牵引机构、数据采集卡、控制器、显示器、继电器及电缆电源；该装置的软件部分包括信号通信模块、驱动控制模块、数据采集处理模块；通过两个相向安装的激光测距传感器，测量出传感器到钢锭端面的距离，再计算出圆柱钢锭的长度，其结果可记录可显示并可输出到信息化制造系统。本发明采用两根已知长度的圆柱钢锭的标定，可消除激光线与圆柱钢锭轴线之间夹角引起的测量误差，最终测量误差主要取决于激光测距传感器的精度。

Description

一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置及方法

技术领域：

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种非接触式测量圆柱钢锭长度的在线激光测量装置。

背景技术：

在火车车轮自动化生产线中，第一道工序就是将圆柱钢锭这一火车车轮原料进行长度测量和重量称重，利于将该钢锭的长度、重量和炉号、锭号、生产日期等信息输入到信息化制造MES系统，也利于下道工序切块的长度和每锭切块数量的确定。由于该圆柱钢锭重量较大 (最重达7吨)，钢锭长度长，最长达7米，故目前现场采用的是卷尺进行手工测量，手工测量方式不仅耗费人力效率低下，测量精度受测量人员的操作水平影响大，有时测量点不统一的话其测量误差会达到5mm以上，测量精度很难保证。

在机械制造过程中，对零件某尺寸进行测量，接触式长度测量方法用得较多，最常用的工具是刻度尺，测量工具主要有卷尺、直尺、卡尺、千分尺等，随着生产线自动化程度的提高，手工测量方式将越来越难以满足企业的需求。

非接触式测量具有速度快、精度高、受干扰少、易于数据传送等优点，各国都在大力发展非接触式测量技术。经过长时间的发展，非接触测量技术的种类越来越多，主要以光电、电磁、超声波技术为基础，出现了激光测距法、核磁共振法、电涡流测量法、超声波测距法等各种各样的光学法及非光学法的非接触测量技术，市面上也出现了不少对应的测量仪器，但是对于本场合来说，被测量对象长度长、重量重，还要实现在线测量，购买现成的测量仪器体积大、较难应用到即将研发的钢锭长度在线测量系统中，而且性价比低。

本发明拟选择体积小的高精度激光测距传感器，构建一种物料运送和自动测量相结合的装置，以实现批量圆柱钢锭长度的快速、精确、非接触在线测量，降低人工检测工作量和人力成本，提高测量稳定性和生产线自动化水平。

发明内容：

本发明的目的是提供一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置及方法，利用一套硬件和一套软件组成的测量装置能在线非接触式测量圆柱钢锭的长度。

本发明提供的一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括第一激光器摆动机构1、小车2、光电开关4、第二激光器摆动机构5、第一钢轨6、第二钢轨7、链条牵引机构8、数据采集卡、控制器、显示器、继电器及电缆电源；所述软件部分包括信号通信模块、驱动控制模块、数据采集处理模块。

所述第一钢轨6与所述第二钢轨7平行布置，所述第一钢轨6与所述第二钢轨7相距1435mm；所述小车2的四个车轮落在所述第一钢轨6与所述第二钢轨7上；两个结构相同的所述第一激光器摆动机构1、所述第二激光器摆动机构5均布置在所述第二钢轨7的外侧，所述第一激光器摆动机构1及所述第二激光器摆动机构5与所述第二钢轨7的距离相等，分别安装在所述第一激光器摆动机构1、所述第二激光器摆动机构5中的第一激光测距传感器 21及第二激光测距传感器31发出的激光线在同一直线上，且相向发出；分别位于所述第一激光器摆动机构1及所述第二激光器摆动机构5中的两个结构相同的气缸13伸出时，所述第一激光测距传感器21及所述第二激光测距传感器31发出的激光线与所述第二钢轨7的垂直距离均为717.5mm；所述链条牵引机构8布置在所述第一钢轨6周围，所述链条牵引机构8 中的链条26与所述小车2的连接处位于第一钢轨6和第二钢轨7的对称面内；所述光电开关 4安装在所述第一钢轨6和所述第二钢轨7之间的地平面上，在纵向即所述小车2运动方向上，所述光电开关4与所述第二激光器摆动机构5的距离为300mm，在垂直于所述小车2运行方向上，所述光电开关4与链条26的距离为100mm。

如图4、图5所示，所述第一激光器摆动机构1包括带座轴承9、轴10、π座11、摆杆12、气缸13、气缸座14、立柱15、底座16、第一高精度旋转台17、第一L板18、第二L 板19、第二高精度旋转台20、第一激光测距传感器21及第三L板22；所述带座轴承9固定在所述π座11上，所述π座11固定在所述立柱15的顶端，所述轴10安装在所述带座轴承 9内，所述摆杆12的上端与所述轴10铰接，所述气缸座14固定在所述立柱15中段的外侧，所述气缸13的缸体端头部与所述气缸座14铰接，所述气缸13的活塞杆端头部与所述摆杆 12铰接；所述第一激光测距传感器21固定在所述第三L板22的一个面上，所述第三L板22 的另一面固定在所述第一高精度旋转台17的旋转盘上，所述第一高精度旋转台17的底面固定在所述第一L板18的一个面上，所述第一L板18的另一面固定在所述第二高精度旋转台 20的旋转盘上，所述第二高精度旋转台20通过所述第二L板19与所述摆杆12固定连接。

如图6所示，所述链条牵引机构8包括三合一减速电机23、减速机座24、链轮25、链条26、第一链轮组27、第二链轮组28、托辊组29及第三链轮组30；所述减速机座24安装在所述第一钢轨6的端部，所述三合一减速电机23安装在所述减速机座24上，三合一减速电机23的输出轴方向朝上，所述链轮25安装在所述三合一减速电机23的输出轴上，所述第一链轮组27、第二链轮组28及所述第三链轮组30布置在所述第一钢轨6的端部两侧，所述链条26圈绕在四个链轮上并与链轮啮合，所述托辊组29设有若干组，所述托辊组29安装在所述链条26的下方，每隔三米设一组所述托辊组29，所述链条26落在所述托辊组29的托辊上。所述第一激光测距传感器21及第二激光测距传感器31的信号线与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡与所述控制器通过信号线相连。

如图3所示，圆柱钢锭3长度测量原理是：圆柱钢锭3由起重机吊到小车2上，小车2从钢轨的一端运行到第一激光器摆动机构1、第二激光器摆动机构5的中间位置时停止，两个激光器摆动机构中的气缸13同时伸出，两个激光测距传感器开始工作，测到激光测距传感器到圆柱钢锭3端面的两个距离d₁·d₂，则圆柱钢锭3的长度T为：

T＝(L₀-d₁-d₂)·cosα       (1)

式中：d₁——第一激光器摆动机构1中第一激光测距传感器21到圆柱钢锭端面的实测距离；

d₂——第二激光器摆动机构5中第二激光测距传感器31到圆柱钢锭另一端面的实测距离；

α——圆柱钢锭的轴线与激光线之间的夹角，由于小车相对于钢轨存在歪斜、圆柱钢锭相对于小车存在歪斜而产生；

标定此α角的方法是，将两根已知长度的圆柱钢锭分别放到小车上，采用上述方法，两个激光测距传感器分别测出距离读数为d₁₁，d₁₂和d₂₁，d₂₂，用自制尺或卷尺手工量出两根圆柱钢锭的长度分别为T₁和T₂，则：

式(1)中两个激光测距传感器之间的距离为：

根据上述测量原理，本发明提供的测量方法的具体步骤为：

(1)将分别位于所述第一激光器摆动机构1、所述第二激光器摆动机构5中两个结构相同的所述气缸13活塞杆收缩，将所述小车2开到所述第一钢轨6及所述第二钢轨7的一端，将已知长度为T₁的圆柱钢锭3用起重机吊上所述小车2，所述小车2往所述第一钢轨6与所述第二钢轨7另一端开，当所述光电开关4发出信号时，所述小车2停止，所述第一激光器摆动机构1及所述第二激光器摆动机构5中两个结构相同的所述气缸13活塞杆同时伸出，启动测量系统，所述第一激光测距传感器21及所述第二激光测距传感器31同时开始测量，得读数d₁₁、d₁₂，然后所述小车2开到所述第一钢轨6及所述第二钢轨7的另一端，用起重机吊走所述长度为T₁的圆柱钢锭3。

(2)重复步骤(1)，将已知长度为T₂的圆柱钢锭3吊上所述小车2，依据步骤(1)的过程，得到两个激光测距传感器读数d₂₁、d₂₂。

(3)重复步骤(1)，将待测长度的圆柱钢锭3吊上所述小车2，依据步骤(1)的过程，得到两个激光测距传感器读数d₁、d₂。

(4)根据式计算出cosα，根据式计算出 L₀，根据式T＝(L₀-d₁-d₂)·cosα计算出被测圆柱钢锭的长度，记录并输出结果。

(5)依据上述步骤(3)—(4)，进行后续圆柱钢锭长度的测量。

本发明采用一套硬件和软件系统，能在线非接触式测量圆柱钢锭的长度，通过两个相向安装的激光测距传感器，测量出传感器到钢锭端面的距离，再计算出圆柱钢锭的长度，其结果可记录可显示并可输出到信息化制造系统。采用两根已知长度的圆柱钢锭的标定，可消除激光线与圆柱钢锭轴线之间夹角引起的测量误差，最终测量误差主要取决于激光测距传感器的测量精度。

附图说明：

图1是本发明一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置结构示意图；

图2是本发明一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置系统示意图；

图3是本发明一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置的圆柱钢锭长度测量原理图；

图4是本发明中的激光器摆动机构示意图；

图5是图4中A处局部放大的激光测距传感器组件示意图；

图6是本发明中的链条牵引机构结构示意图。

图中：1：第一激光器摆动机构；2：小车；3：圆柱钢锭；4：光电开关；5：第二激光器摆动机构；6：第一钢轨；7：第二钢轨；8：链条牵引机构；9：带座轴承；10：轴；11：π座；12：摆杆；13：气缸；14：气缸座；15：立柱；16：底座；17：第一高精度旋转台；18：第一L板；19：第二L板；20：第二高精度旋转台；21：第一激光测距传感器；22：第三L板；23：三合一减速电机；24：减速机座；25：链轮；26：链条；27：第一链轮组；28：第二链轮组；29：托辊组；30：第三链轮组；31：第二激光测距传感器。

具体实施方式：

本发明用于外径φ380mm、长度在4000—7000mm圆柱钢锭长度的非接触式测量，要求测量精度小于3.00mm，硬件部分包括第一激光器摆动机构1、小车2、光电开关4、第二激光器摆动机构5、第一钢轨6、第二钢轨7、链条牵引机构8、数据采集卡、控制器、显示器、继电器及电缆电源；软件部分包括信号通信模块、驱动控制模块、数据采集处理模块。

如图1所示，被测圆柱钢锭3最大重量为7吨，选择第一钢轨6和第二钢轨7的型号为38kg轨，两根钢轨平行布置，间距1435mm，小车2上装有四个车轮落在两根钢轨上运行。第一激光器摆动机构1、第二激光器摆动机构5布置在第二钢轨7的外侧，两者纵向距离即小车2运行方向间距8米左右(实际距离需要标定)，第一激光器摆动机构1和第二激光器摆动机构5的结构相同，分别通过激光器摆动机构中的第一高精度旋转台17、第二高精度旋转台 20调整各自的激光测距传感器发出的激光线的方向，使得两根激光线相向发出且重合，两激光测距传感器中的气缸13伸出时，第一激光测距传感器21及第二激光测距传感器31发出的激光线与第二钢轨7的垂直距离均为717.5mm。

第一激光测距传感器21和第二激光测距传感器31选择采用德国测量模块的TC-05/10 型，量程5m，在不设反光板的情况下，测量对象是黑色金属时，测量精度为1mm。高精度旋转台，选择MRA60-6型，承重6kg，行程360度，读取精度1度，灵敏度30秒。小车2由链条牵引机构8实现运行，链条26由三合一减速电机23带动链轮25驱动，链条26圈绕过3 个被动链轮组与小车2两端固定连接，为防止链条26下垂，在链条26下方每隔3米布置一个托辊组29托起链条26。判断小车2有无运行到测量位的是光电开关4，其型号为GWB-3m。

本发明测量方法具体步骤如下：

(1)将第一激光器摆动机构1、第二激光器摆动机构5中的气缸13活塞杆收缩，将小车 2开到钢轨的一端，将已知长度为T₁为6951.04mm的圆柱钢锭用起重机吊上小车2，小车2往钢轨另一端开，当光电开关4发出信号时小车2停止，两个激光器摆动机构中的气缸13 活塞杆同时伸出，启动测量系统，两个激光测距传感器同时开始测量，得读数d₁₁、d₁₂分别为418.24、342.84mm，然后小车2开到钢轨的另一端，用起重机吊走圆柱钢锭。

(2)重复步骤(1)，将已知长度为T₂为6362.80mm的圆柱钢锭吊上小车2，依据步骤(1) 的过程，得到两个激光测距传感器读数d₂₁、d₂₂分别为781.20、568.40mm。

(3)重复步骤(1)，将待测长度的圆柱钢锭吊上小车2，依据步骤(1)过程，得到两个激光测距传感器读数d₁、d₂分别为685.80、738.16mm。

(4)根据式(2)计算出cosα为0.9995，根据式(3)计算出L₀为7715.60mm，根据式(1)计算出被测圆柱钢锭的长度为6288.49mm，用传统接触式测量方法测得该钢锭长度为6291.1，用本非接触式激光测量方法测量的误差为2.61mm，达到企业要求的小于3.00mm的要求，记录并输出结果。

Claims (2)

1.一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置，其特征在于该测量装置包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括第一激光器摆动机构(1)、小车(2)、光电开关(4)、第二激光器摆动机构(5)、第一钢轨(6)、第二钢轨(7)、链条牵引机构(8)、数据采集卡、控制器、显示器、继电器及电缆电源；所述软件部分包括信号通信模块、驱动控制模块及数据采集处理模块；所述第一钢轨(6)与所述第二钢轨(7)平行布置，所述第一钢轨(6)与所述第二钢轨(7)相距1435mm；所述小车(2)的四个车轮落在所述第一钢轨(6)与所述第二钢轨(7)上；两个结构相同的所述第一激光器摆动机构(1)、所述第二激光器摆动机构(5)均布置在所述第二钢轨(7)的外侧，所述第一激光器摆动机构(1)及所述第二激光器摆动机构(5)与所述第二钢轨(7)的距离相等，分别安装在所述第一激光器摆动机构(1)、所述第二激光器摆动机构(5)中的第一激光测距传感器(21)及第二激光测距传感器(31)发出的激光线在同一直线上，且相向发出；分别位于所述第一激光器摆动机构(1)及所述第二激光器摆动机构(5)中的两个结构相同的气缸(13)伸出时，所述第一激光测距传感器(21)及所述第二激光测距传感器(31)发出的激光线与所述第二钢轨(7)的垂直距离均为717.5mm；所述链条牵引机构(8)布置在所述第一钢轨(6)周围，所述链条牵引机构(8)中的链条(26)与所述小车(2)的连接处位于第一钢轨(6)和第二钢轨(7)的对称面内；所述光电开关(4)安装在所述第一钢轨(6)和所述第二钢轨(7)之间的地平面上；在纵向即所述小车(2)运动方向上，所述光电开关(4)与所述第二激光器摆动机构(5)的距离为300mm，在垂直于所述小车(2)运行方向上，所述光电开关(4)与链条(26)的距离为100mm；所述第一激光器摆动机构(1)包括带座轴承(9)、轴(10)、π座(11)、摆杆(12)、气缸(13)、气缸座(14)、立柱(15)、底座(16)、第一高精度旋转台(17)、第一L板(18)、第二L板(19)、第二高精度旋转台(20)、所述第一激光测距传感器(21)及第三L板(22)；所述带座轴承(9)固定在所述π座(11)上，所述π座(11)固定在所述立柱(15)的顶端，所述轴(10)安装在所述带座轴承(9)内，所述摆杆(12)的上端与所述轴(10)铰接，所述气缸座(14)固定在所述立柱(15)中段的外侧，所述气缸(13)的缸体端头部与所述气缸座(14)铰接，所述气缸(13)的活塞杆端头部与所述摆杆(12)铰接；所述第一激光测距传感器(21)固定在所述第三L板(22)的一个面上，所述第三L板(22)的另一面固定在所述第一高精度旋转台(17)的旋转盘上，所述第一高精度旋转台(17)的底面固定在所述第一L板(18)的一个面上，所述第一L板(18)的另一面固定在所述第二高精度旋转台(20)的旋转盘上，所述第二高精度旋转台(20)通过所述第二L板(19)与所述摆杆(12)固定连接；所述链条牵引机构(8)包括三合一减速电机(23)、减速机座(24)、链轮(25)、链条(26)、第一链轮组(27)、第二链轮组(28)、托辊组(29)及第三链轮组(30)；所述减速机座(24)安装在所述第一钢轨(6)的端部，所述三合一减速电机(23)安装在所述减速机座(24)上，三合一减速电机(23)的输出轴方向朝上，所述链轮(25)安装在所述三合一减速电机(23)的输出轴上，所述第一链轮组(27)、第二链轮组(28)及所述第三链轮组(30)布置在所述第一钢轨(6)的端部两侧，所述链条(26)圈绕在四个链轮上并与链轮啮合，所述托辊组(29)设有若干组，所述托辊组(29)安装在所述链条(26)的下方，每隔三米设一组所述托辊组(29)，所述链条(26)落在所述托辊组(29)的托辊上；所述第一激光测距传感器(21)的信号线与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡与所述控制器通过信号线相连。

2.如权利要求1所述一种圆柱钢锭长度在线激光测量装置的测量方法，其特征在于该测量方法的具体步骤如下：

(1)将分别位于所述第一激光器摆动机构(1)、所述第二激光器摆动机构(5)中两个结构相同的所述气缸(13)活塞杆收缩，将所述小车(2)开到所述第一钢轨(6)及所述第二钢轨(7)的一端，将已知长度为T₁的圆柱钢锭(3)用起重机吊上所述小车(2)，所述小车(2)往所述第一钢轨(6)与所述第二钢轨(7)另一端开，当所述光电开关(4)发出信号时，所述小车(2)停止，所述第一激光器摆动机构(1)及所述第二激光器摆动机构(5)中两个结构相同的所述气缸(13)活塞杆同时伸出，启动测量系统，所述第一激光测距传感器(21)及所述第二激光测距传感器(31)同时开始测量，得读数d₁₁、d₁₂，然后所述小车(2)开到所述第一钢轨(6)及所述第二钢轨(7)的另一端，用起重机吊走所述长度为T₁的圆柱钢锭(3)；

(2)重复步骤(1)，将已知长度为T₂的圆柱钢锭(3)吊上所述小车(2)，依据步骤(1)的过程，得到所述第一激光测距传感器(21)及所述第二激光测距传感器(31)的读数d₂₁、d₂₂；

(3)重复步骤(1)，将待测长度的圆柱钢锭(3)吊上所述小车(2)，依据步骤(1)的过程，得到所述第一激光测距传感器(21)及所述第二激光测距传感器(31)的读数d₁、d₂；

(4)根据式计算出cosα，根据式计算出L₀，根据式T＝(L₀-d₁-d₂)·cosα计算出被测圆柱钢锭的长度，记录并输出结果；

(5)依据上述步骤(3)—(4)，进行后续圆柱钢锭长度的测量。

Images