CN112570914A - 一种激光焊机剪刀精度状态的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种激光焊机剪刀精度状态的检测方法，属检测领域。其采用双线性激光轮廓仪及高精度移动平台，构成桥式测量组件，实施传感器布设；制作上下激光头误差消除标定尺；进行双激光头误差标定；对焊机双切剪刀盒进行空间数据采集；通过建立的数学模型对空间坐标值进行逻辑判断、误差消除、拟合运算，分析剪切精度状态，进而明确得到焊机双切剪状态结论。可快速、高效测量激光焊机剪刀精度状态，获得剪刀间隙、导板间隙、剪刀与导板磨损量，有效减少停机时间，及时指导操作、维护人员优化焊机状态；测量时无需测量人员进入焊机双切剪刀盒内部，保障了测量人员的人身安全。可广泛用于焊机双切剪精度的状态检测领域。

Description

一种激光焊机剪刀精度状态的检测方法

技术领域

本发明属于测量领域，尤其涉及一种用于激光焊机剪刀精度状态的检测方法。

背景技术

冷轧区域的主要(重要)作业线入口段均配置了激光焊机设备，该焊机设备用于将前行、后行带钢的头尾进行焊接，保证连续生产。焊缝质量稳定与否与焊机关键部件的精度状态存在直接的关系，焊机双切剪作为焊机设备本体中核心部件之一，剪刀的剪切精度需得到充分的保障，维护标准要求周期性对剪刀状态进行确认，如存在状态异常，则及时更换剪刀，以确保焊缝的稳定。

双切剪刀状态的确认主要包括以下几个关键点：

(1)双切剪导向块间隙；

(2)双切剪剪刀间隙；

双切剪使用过程中，刀片和导板会产生磨损，需要定期更换，由于在修复双切剪时需要拆下剪刀刀片和剪刀盒两侧导板，则上下刀与剪刀导板配合间隙在修复过程中必须得到保证。

日常更换后，现场人员进入焊机本体内部，对间隙状态进行使用前确认；在生产过程中需要根据焊缝质量情况对剪刀剪切精度进行确认。

由于焊机区域空间狭小，检测过程需要不停机不停电，点动模式驱动剪刀装置条件下进行检测，完成剪刀精度检测往往耗费3-4小时，这种检测方法不仅效率低，影响生产节奏，而且存在巨大的安全隐患。

现有的焊机双切剪剪刀状态检查方法，一般是通过人工利用百分表、内、外径千分尺等工具，对上下刀架的导板间距、刀片间距测量点的宽度进行测量，计算理论间隙值；上机后点动下降上刀架，沿刀长方向使用塞尺逐点测量刀片实际间隙。

经检索，申请号为CN200920060624.7、CN201220144087.6、CN94117263.5、CN200910107542.8的相关专利文件，所公开的技术方案主要为光学干涉法检测机床轨道、图像识别分析定位、位移传感器应用等，未涉及钢铁冷轧领域中焊机剪刀状态精度检测的问题，也为给出如何检测双切剪导向块间隙和双切剪剪刀间隙的技术启示。

激光焊机的剪切精度决定了带钢焊缝接缝精度、焊缝形貌特征。剪刀状态是焊机维护的重要基础，日常周期性对剪刀进行精度检测，及时进行相关维护，可有效减少由此带来的焊缝不稳定因素。

现有的人工检测方法效率低下、重复测量精度不稳定、人员站位时较大安全隐患，因此，发明一种高效、可靠的焊机双切剪精度状态检测的方法，对于提升现场焊机操作维护水平具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光焊机剪刀精度状态的检测方法。其采用一组桥式测量组件，利用组件上布置的双线性激光轮廓仪及高精度移动平台，对焊机双切剪刀盒进行空间数据采集，后续通过建立的数学模型对空间坐标值进行逻辑判断、误差消除、拟合运算，分析剪切精度状态，进而明确得到焊机双切剪状态结论。

本发明的技术方案是：提供一种激光焊机剪刀精度状态的检测方法，其特征是：

1)结合激光焊机的总体结构特征，设计一种桥式测量组件，形成传感器布设；

2)制作上下激光头误差消除标定尺；

3)双激光头误差标定；

4)上下剪刀盒数据采集；

5)数据处理；

6)得出剪刀精度状态结论；

所述的检测方法，通过剪刀盒工作原理、受力因素的分析，建立数学模型计算，能够拟合出双切剪刀片的全长方向间隙值，通过图形软件显示三维显示轮廓特征，同时输出精度状态趋势图，与标准阈值比较，进行维护指导。

具体的，所述的桥式测量组件包括一个高精密移动平台、带有双检测探头的3D激光轮廓仪和联结板；所述的3D激光轮廓仪与高精密移动平台的移动平台固接，3D激光轮廓仪的双检测探头分别固定在联结板上；所述双检测探头中的2个探头，分别朝向上、下方向固定在联结板上，使其扫描线垂直于剪刀长度方向设置；在驱动电机的驱动下，高精密移动平台的丝杠正/反向转动，带动移动平台和位于其上的3D激光轮廓仪作双向移动，实现3D激光轮廓仪的高精度直线移动。

具体的，所述的上下激光头误差消除标定尺为C型标定尺，放置于横跨焊机轨道的水平标尺上，C型标定尺的开口方向沿剪刀长度方向设置，C型标定尺的侧面与底面保证垂直。

进一步的，所述的双激光头误差标定包括下列步骤：

将C型标定尺放置于横跨焊机轨道的水平标尺上，C型尺开口方向沿剪刀长度方向；

通过伺服电机驱动移动平台上的双激光探头移动；

检测C型尺侧向边缘精磨面，记录其X轴数值为X1，X2；

以激光焊机剪刀的下刀为基准，可计算得出双探头的水平偏差值为δ1＝X2-X1。

进一步的，所述的上下剪刀盒数据采集包括：

步骤一：将桥式测量组件放置于入出口夹紧台内DS侧，双探头组件移动至入口夹紧台侧入口剪刀导板上部位置；启动探头，剪切小车由DS侧向WS侧低速移动，探头沿刀长方向采集入口剪刀盒全局数据，完成后剪切小车回至DS侧；

步骤二：移动平台驱动双探头定位至出口剪刀盒导板上部，第二次启动小车，上下探头沿刀长方向采集出口剪刀盒全局数据，直至小车行走至DS末端；

通过上述检测过程，完成剪刀盒的参数采集。

进一步的，所述的数据处理包括：

根据已采集的空间位置参数，通过建立数学模型，计算上下刀片开口宽度、上下刀盒导向板开口宽度，结合上下刀盒中心偏差，最终计算出刀片间隙，做出焊机剪刀精度状态结论。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.采用本技术方案，可快速、高效测量激光焊机剪刀精度状态，获得剪刀间隙、导板间隙、剪刀与导板磨损量，有效减少停机时间，及时指导操作、维护人员优化焊机状态；

2.本技术方案的测量数据可大量存储，并进行较大范围趋势分析，促进现场TPM(Total Productive Maintenance，全员维护)的能力提高；

3.采用本技术方案，测量时无需测量人员进入焊机双切剪刀盒内部，保障了测量人员的人身安全。

附图说明

图1是本发明的检测方法步骤方框示意图；

图2是本发明桥式测量组件的结构示意图；

图3是本发明双激光头误差标定示意图；

图4是本发明双探头误差δ1的测量示意图；

图5是本发明剪刀刀片数据采集的测量示意图；

图6是本发明剪刀导板数据采集的测量示意图；

图7a是本发明WS侧上导板数据采集示意图；

图7b是本发明WS侧下导板数据采集示意图；

图7c是本发明DS侧上导板数据采集示意图；

图7d是本发明DS侧下导板数据采集示意图；

图8a是上刀片开口宽度示意图；

图8b是下刀片开口宽度示意图；

图9是上下刀中心偏差示意图；

图10a是WS侧中心偏差δ₃示意图；

图10b是DS侧中心偏差δ₄示意图；

图11a是δ₃，δ₄同方向刀片间隙变化方向的示意图；

图11b是δ₃，δ₄反方向刀片间隙变化方向的示意图。

图中1为移动平台底座，2为3D轮廓仪，3为联结板，4为丝杆，5为伺服电机，6为移动平台，7为轨道，8为水平尺，9为双探头标尺。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本发明的技术方案提供了一种激光焊机剪刀精度状态的检测方法，其检测步骤至少包括：

1)结合激光焊机的总体结构特征，设计一种桥式测量组件，形成传感器布设；

2)制作上下激光头误差消除标定尺；

3)进行双激光头误差标定；

4)进行上下剪刀盒数据采集；

5)对采集的数据进行处理；

6)得出剪刀精度状态结论；

其中，所述的双激光头误差标定包括：

1)上、下激光头(即前述的双激光头)同时扫描C型标定尺；

2)计算双激光头的水平安装水平偏差值为δ1。

所述的上下剪刀盒数据采集包括：

1)采集剪刀盒入口侧数据，包括入口WS侧导板位置、入口侧刀片位置、入口DS侧导板位置(WS侧为焊机操作侧，DS侧为焊机传动侧)；

2)采集剪刀盒出口侧数据，包括出口WS侧导板位置、出口侧刀片位置、出口DS侧导板位置。

所述的数据处理包括：

1)刀片开口度计算；

2)刀片中心偏差计算；

3)导板开口度计算；

4)导板中心偏差计算；

5)通过相关数据拟合，计算刀片间隙。

本发明技术方案所述的检测方法，通过剪刀盒工作原理、受力因素的分析，建立数学模型计算，能够拟合出双切剪刀片的全长方向间隙值，通过图形软件显示三维显示轮廓特征，同时输出精度状态趋势图，与标准阈值比较，进行维护指导。

如图2中所示，本技术方案中，传感器布设包括设计一个桥式测量组件，桥式测量组件包括高精密移动平台(含伺服电机，定位精度可达3um,)、3D激光轮廓仪、联结板。其中2个检测探头上下分布，扫描线垂直于剪刀长度方向。

具体的，桥式测量组件包括一个高精密移动平台1、带有双检测探头的3D激光轮廓仪2和联结板3；所述的3D激光轮廓仪与高精密移动平台的移动平台6固接，3D激光轮廓仪的双检测探头分别固定在联结板上；所述双检测探头中的2个探头，分别朝向上、下方向固定在联结板上，使其扫描线垂直于剪刀长度方向设置；在驱动电机的驱动下，高精密移动平台的丝杠正/反向转动，带动移动平台和位于其上的3D激光轮廓仪作双向移动，实现3D激光轮廓仪的高精度直线移动。

由于上下激光头配置特征，需对其进行校准标定。

本技术方案中双激光头误差标定，首先制作C型标定尺，放置于横跨焊机轨道的水平标尺上，C型尺开口方向沿剪刀长度方向，侧面整体精磨，与底面保证高精度垂直。

如图3中所示，本技术方案通过伺服电机驱动移动平台上的双激光探头，检测C型尺侧向边缘精磨面，记录X轴数值为X1，X2，即可计算得出双探头水平偏差δ1＝X2—X1。(设定下刀为基准，上刀检测实际则需补偿δ1)。

图4给出了本发明双探头误差δ₁的测量示意图。

本技术方案中的导板、刀片数据采集包括：

步骤一：桥式测量组件放置于入出口夹紧台内DS侧，双探头组件移动至入口夹紧台侧入口剪刀导板上部位置。启动探头，剪切小车由DS侧向WS侧低速移动，探头沿刀长方向采集入口剪刀盒全局数据，完成后剪切小车回至DS侧；

步骤二：移动平台驱动双探头定位至出口剪刀盒导板上部，第二次启动小车，上下探头沿刀长方向采集出口剪刀盒全局数据，直至小车行走至DS末端。

参见图5中所示可知：

①上刀片数据(沿刀长L方向)：A₁--A_n，B₁---B_n；

②下刀片数据(沿刀长L方向)：C₁--C_n，D₁---D_n；

参考图6、图7a至图7d中所示，则有：

③上导板数据：

WS侧：E1/E2/E3/E4(四点)---分别为WS侧上导板下方四个角顶点；

DS侧：F1/F2/F3/F4(四点)---分别为DS侧上导板下方四个角顶点；

④下导板数据:

WS侧：E5/E6/E7/E8(四点)---分别为WS侧下导板上方四个角顶点；

DS侧：F5/F6/F7/F8(四点)---分别为DS侧下导板上方四个角顶点；

通过上述检测过程，完成剪刀盒状态参数采集。

本技术方案中的数据处理包括：

根据已采集的空间位置参数，通过建立数学模型，计算上下刀片开口宽度、上下刀盒导向板开口宽度，结合上下刀盒中心偏差，最终计算出刀片间隙，做出焊机剪刀精度状态结论。

具体的，如图8a所示，上刀开口宽度为：W_un∈{W_u1＝B₁-A₁.....W_un＝B_n-A_n}。

如图8b所示，下刀开口宽度为：W_dn∈{W_d1＝D₁-C₁.....W_dn＝D_n-C_n}。

则根据图9所示可知，上下刀中心偏差：δ_2n＝下刀中心坐标-上刀中心坐标；

边部初始下刀中心坐标C_d1＝C1+(D1-C1)/2；

边部初始上刀中心坐标C_u1＝A1+(B1-A1)/2+δ1；

刀片全长中心偏差δ_2n＝{C_d1-C_u1...C_dn-C_un}。

A、关于上下导板开口宽度及中心偏差δ3(WS侧)、δ4(DS侧)：

在本技术方案中，导板位置分别为WS侧，DS侧各一组，宽度坐标值仅各取4点，计算两处宽度值。

其中，上导板WS侧开口宽度：H∈{E2-E1，E4-E3}

上导板DS侧开口宽度：I∈{F2-F1，F4-F3}

下导板WS侧开口宽度：J∈{E6-E5，E8-E7}

下导板DS侧开口宽度：K∈{F6-F5，F8-F7}

WS侧中心偏差δ3：δ3＝WS侧下导板中心坐标－WS侧上导板中心坐标

WS侧下导板与上导板中心坐标取分别取上述测量四点平均值，即可得

WS侧上导板中心坐标C_g1＝(E1+E2+E3+E4)/4+δ₁

WS侧下导板中心坐标C_g2＝(E5+E6+E7+E8)/4

δ₃＝C_g2-C_g1

DS侧中心偏差δ4：δ4＝DS侧下导板中心坐标－DS侧上导板中心坐标

DS侧下导板与上导板中心坐标取分别取上述测量四点平均值，即可得

DS侧上导板中心坐标Cg3＝(F1+F2+F3+F4)/4+δ1

DS侧下导板中心坐标Cg4＝(F5+F6+F7+F8)/4

δ₄＝C_g4-C_g3

由于双切剪盒结构特征，下刀盒WS/DS侧导向板作为基准，上导盒下降过程中，上刀盒中心线向下刀盒中心线吻合，因此δ3/δ4作为两侧的偏差值，共同构成了刀长方向的偏差值，在刀片间隙拟合过程中需要代入计算。

如图10a、图10b中所示，若δ3，δ4同方向，则偏差斜率K1＝(δ3-δ4)/L；

若δ3，δ4反方向，则偏差斜率K2＝(δ3+δ4)/L；

偏差斜率K∈(K1，K2)。

B、关于刀片间隙计算：

首先根据上下刀片开口宽度,理论计算双切剪入出口平均刀片间隙G.

G＝(W_dn-W_un)/2。

考虑上下刀盒中心偏差δ_2n，可得入出口刀片间隙(入口间隙G_in/出口间隙G_ex)

G_in＝(W_dn-W_un)/2-δ_2n；

G_ex＝(W_dn-W_un)/2+δ_2n；

注：δ_2n具有矢量特征。

导板中心偏差可导致上刀盒向间隙大方向弹性变形，影响刀片实际间隙变化，将G_in/G_ex结合双切剪导板中心偏差δ₃、δ₄，可最终计算得到剪刀间隙值，入口剪刀实际间隙Gap_in/出口剪刀实际间隙Gap_ex。

如图11a、图11b中所示，具体分两种情况：

(1)δ₃，δ₄同方向：

剪刀盒受到导向板侧向挤压，刀片间隙发生变化，以DS侧为原点L_n处间隙计算得：

Gap_in＝G_in+δ₄+K1L_n

Gap_ex＝G_en-δ₄-K1L_n

(2)δ₃，δ₄反方向：

剪刀盒受到导向板不同方向挤压，L_n处间隙由以下过程计算：

由于δ₃，δ₄方向相反，先求得受力理论交错点Lc

可得：

C、本技术方案的总体特点：

1.采用桥式测量组件，配置双激光线性轮廓仪、伺服电机、驱动丝杆，联结板共同组成；

2.制作上下激光头误差消除标定尺，检测前标定双探头系统误差值，后续代入数学模型中，消除系统本身误差；

3.快速检测剪刀刀刃、剪刀导向板状态数据，了解刀片磨损情况、剪刀盒导向板磨损情况，可通过数学模型计算拟合出双切剪刀片实际间隙；

4.按上述方法采集数据，通过剪刀盒工作原理、受力等因素分析，建立数学模型计算，可拟合出双切剪刀片全长方向间隙值，图形软件三维显示轮廓特征，同时输出精度状态趋势图，与标准阈值比较，进行维护指导；

5.本方法适用上述同类焊机剪刀精度状态检测，具备高效、高精度检测特征，同时可消除设备不停机、不停电条件下维护人员检测的安全隐患风险。

由于本发明技术方案利用组件上布置的双线性激光轮廓仪及高精度移动平台，对焊机双切剪刀盒进行空间数据采集，然后通过建立的数学模型对空间坐标值进行逻辑判断、误差消除、拟合运算，分析剪切精度状态，进而明确得到焊机双切剪状态结论；是一种高效、可靠的焊机双切剪精度状态的检测方法，对于提升现场焊机操作维护水平具有重要的意义。

本发明可广泛用于焊机双切剪精度的状态检测领域。

Claims (6)

1.一种激光焊机剪刀精度状态的检测方法，其特征是：

1)结合激光焊机的总体结构特征，设计一种桥式测量组件，形成传感器布设；

2)制作上下激光头误差消除标定尺；

3)双激光头误差标定；

4)上下剪刀盒数据采集；

5)数据处理；

6)得出剪刀精度状态结论；

所述的检测方法，通过剪刀盒工作原理、受力因素的分析，建立数学模型计算，能够拟合出双切剪刀片的全长方向间隙值，通过图形软件显示三维显示轮廓特征，同时输出精度状态趋势图，与标准阈值比较，进行维护指导。

2.按照权利要求1所述的激光焊机剪刀精度状态的检测方法，其特征是所述的桥式测量组件包括一个高精密移动平台、带有双检测探头的3D激光轮廓仪和联结板；

所述的3D激光轮廓仪与高精密移动平台的移动平台固接，3D激光轮廓仪的双检测探头分别固定在联结板上；

所述双检测探头中的2个探头，分别朝向上、下方向固定在联结板上，使其扫描线垂直于剪刀长度方向设置；

在驱动电机的驱动下，高精密移动平台的丝杠正/反向转动，带动移动平台和位于其上的3D激光轮廓仪作双向移动，实现3D激光轮廓仪的高精度直线移动。

3.按照权利要求1所述的激光焊机剪刀精度状态的检测方法，其特征是所述的上下激光头误差消除标定尺为C型标定尺，放置于横跨焊机轨道的水平标尺上，C型标定尺的开口方向沿剪刀长度方向设置，C型标定尺的侧面与底面保证垂直。

4.按照权利要求1所述的激光焊机剪刀精度状态的检测方法，其特征是所述的双激光头误差标定包括下列步骤：

将C型标定尺放置于横跨焊机轨道的水平标尺上，C型尺开口方向沿剪刀长度方向；

通过伺服电机驱动移动平台上的双激光探头移动；

检测C型尺侧向边缘精磨面，记录其X轴数值为X1，X2；

以激光焊机剪刀的下刀为基准，可计算得出双探头的水平偏差值为δ1＝X2-X1。

5.按照权利要求1所述的激光焊机剪刀精度状态的检测方法，其特征是所述的上下剪刀盒数据采集包括：

步骤一：将桥式测量组件放置于入出口夹紧台内DS侧，双探头组件移动至入口夹紧台侧入口剪刀导板上部位置；启动探头，剪切小车由DS侧向WS侧低速移动，探头沿刀长方向采集入口剪刀盒全局数据，完成后剪切小车回至DS侧；

步骤二：移动平台驱动双探头定位至出口剪刀盒导板上部，第二次启动小车，上下探头沿刀长方向采集出口剪刀盒全局数据，直至小车行走至DS末端；

通过上述检测过程，完成剪刀盒的参数采集。

6.按照权利要求1所述的激光焊机剪刀精度状态的检测方法，其特征是所述的数据处理包括：

根据已采集的空间位置参数，通过建立数学模型，计算上下刀片开口宽度、上下刀盒导向板开口宽度，结合上下刀盒中心偏差，最终计算出刀片间隙，做出焊机剪刀精度状态结论。

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