专利名称：一种利用激光的非接触锻件直径在线测量的方法
技术领域：
本发明主要用于冶金企业锻造厂加工锻件时在线快速精确测量锻件直径的尺寸。
背景技术：
在需要对被加工件直径锻造的锻造厂，锻件直径测量是一项必不可少的步骤，用 于判断锻件直径是否达到加工工艺要求。到目前为止，国内大锻件生产厂均采用简单的工 具由人工在高温下凭肉眼直接测量，不仅工作条件恶劣，而且误差大，以致不得不加大冷加 工余量(最大达60mm)，“肥头大耳”的现象普遍存在，由此造成的锻件损耗平均为15% 。 直径在2m以下的轴类锻件通常是用大型卡钳在距锻件不足Im处直接测量，由于温度高，通 常要在几秒内测完，不仅工作条件特别恶劣，而且测量误差相当大气大直径测量采用简单 的“量杆”，在其上标有尺寸刻度，在高温下用肉眼将其与锻件比较气这种测量误差也比较 大，测量时锻件必须离线，另加辅具定位，测量时间长，对生产效率和锻件质量均有较大影 响气因此，寻找一种在线自动快速高精度的直径测量的方法是急待解决的问题。①《大锻件热态在线尺寸测量研究综述》，作者聂绍珉、李树奎.来源于“中国金 属加工在线”②《新型大锻件尺寸测量系统的关键技术研究》学位论文，作者于鹏.上海交通 大学

发明内容
本发明旨在提供一种利用激光束的直线传播特性以实现对锻件直径自动快速高 精度的在线测量的方法。本发明的技术方案是包括一对安装于锻件两侧的等高且相互平行的直线式导 轨，其特征是在一个导轨上安装有激光发射装置，另一个导轨上安装有激光接收装置，由两 台步进电机分别驱动其行走，行走时始终保持激光发射装置与激光接收装置位置同步，通 过步进电机的行走距离和激光接收装置信号地通断，可以快速计算出激光与锻件截面圆相 切的两点间距离，从而得到锻件直径尺寸。所述的激光发射与接收装置的行走位置是始终保持同步的。本发明还包括参与系统控制使用的PLC控制器及显示操作面板。图2所示，本发明中的PLC控制器的运算原理是激光发射装置与激光接收装置在 步进电机的驱动下由导轨一端同步向另一端行走，当激光束刚好与锻件截面圆相切时，光 束被锻件遮挡，激光接收装置输出未接收到激光信号(如On/Off信号)，此时，系统记录下 光束与锻件截面圆相切的入口位置A(图2中10)，激光发射装置与激光接收装置继续沿行 走方向运动；当激光束刚好与锻件截面圆的另一端相切时，光束从被遮挡转换为未被遮挡 状态，激光接收装置接收到激光输出接收到激光信号(如On/Off信号)，此时，系统记录下 光束与锻件截面圆相切的出口位置B(图2中11)。至此，一次测量过程完成。在该过程中，由PLC控制激光接收、发射装置的位移，通过对步进电机的运动监控，可以精确得到相切的入口位置A与出口位置B，进而计算出相切的入口位置A和出口位 置B之间的距离X，不难得出，|A-B| = X(X为理想条件下锻件截面圆直径)。由于受到PLC数据处理延迟、通信延迟、继电器动作延迟及机械误差等所产生的 影响，实际锻件的直径应当使用以下修正算法予以修正实际锻件直径修正为Χ+ σ = Φ(σ为误差补偿量，Φ为实际锻件截面圆直径)。最后，由PLC对所有数据的进行分析与处理，并将测量结果送至显示，同时，准备 开始执行下一次测量任务，整个测量及显示过程由PLC自动控制完成，操作人员只需要给 出开始测量的指令即可。本发明的优点是避免了使用复杂的光学透镜组件，缩短了系统安装调试周期，提 高了系统可靠性；由于采用两个相互独立的直线导轨，只要选择合适的导轨长度，就可以测 量更宽范围内的锻件直径；计算锻件直径尺寸的算法简单，测量精确度高；锻造操作人员 不用接触高温环境，不用手工测量，可快速得知当前锻件直径与目标锻件直径的偏差，避免 了手工测量耗时长、误差大的缺点，既提高了锻造节奏，又提高了锻件加工精度；有效避免 了根据经验预留出较大的冷加工余量的缺点，减少了锻件余量损耗，实现节能降耗。


图1是本发明的结构图。图2是本发明实施例的测量原理图。图3是本发明实施例的基座调整机构结构俯视图。图4是本发明实施例的基座调整机构结构侧视图。图中1.直线导轨，2.激光束，3.激光接收装置，4.激光发射装置，5.锻件截面， 6.卷轴，7.步进电机及驱动器，8.基座，9.测量起始(结束)位置，10.光束与锻件截面圆 相切入口位置A，ll.光束与锻件截面圆相切出口位置B，12.测量结束(起始)位置，13.调 整螺丝。
具体实施例方式实施例图1所示，本实施例是在中钢集团邢台机械轧辊有限公司的锻造厂进行 的，两个直线式导轨长度均为3000mm，安装固定于锻件两侧，相距25米。将步进电机的旋转 运动转化为直线运动的传动部分采用丝杠传动方式，丝杠长度为3000mm，丝杠的一端与电 机轴直接相连，另一端通过轴承支撑固定于导轨支架上，导轨上安装有滑块，导轨做旋转运 动时，滑块在沿导轨方向上做直线运动，激光发射装置4与激光接收装置3分别固定在两台 丝杠的滑块上，直线导轨1为激光发射装置与激光接收装置提供运动路径，保证激光发射 装置与激光接收装置沿垂直方向做上下运动，使激光束2在运动过程中不发生晃动，使其 始终能被激光接收装置3正确接收。丝杠旋转一圈，滑块向上或向下运动1mm。由于采用步进电机驱动，不设置位置反馈回路，因此采用步进电机开环位置控制， 动力传递方向为单向，即电动机的转动、丝杠的转动最后转换为激光发射装置和激光接收 装置的直线运动。在直线式导轨1下端安装卷轴6，方便激光发射装置与激光接收装置的连接电缆 在运动过程中收放。
在基座8上还设置有调整螺丝13，如图3、图4所示，调整螺丝13安装在基座的四 个角上，通过调整螺丝的长度，可以调整直线导轨的垂直度和平行度，以保证激光光束2水 平。在操作室内设置一台控制柜，柜内装有PLC控制器及通讯处理模块，通讯电缆连 接至步进电机驱动器上，通过对PLC控制器进行编程，由PLC控制器完成对电机的自动控制 以及系统数据处理。同时，将测量状态信息、测量过程数据及故障信息送至显示面板进行实 时显示，方便操作人员对设备运行状态的监测和操作。本发明的实施例中激光发射及接收装置选用XDB3000 ；步进电机选用BRS39A ； 电机驱动器选用SD328 ；PLC控制器选用S7-300 ；通信模块选用CP341。安装调试正常后，我们对实际测量结果进行了确认，本实施例所测的锻件直径范 围为50mm-2800mm，测量结果精度可达士0. 3_。本实施例中，在调试期间通过对多组冷态下工件测量，选用固定误差补偿方式对 测量数据进行修正，误差补偿算法为x+O = Φ(σ为误差补偿量，φ为实际锻件截面圆 直径)，其中，选取ο =1.32。以下数据为测量某规格风机主轴的实测数据，某处实际直 径为 706. 050mm，实际测量六次的结果依次为706. 25mm、706. 29mm,706. llmm、705. 78mm、 706. 25mm、706. 03mm，单次测量时间< =13s，完全满足生产使用要求。本发明还可有不同的实施方案，例如，1.采用其它传动部件(如链条传动)代替丝 杠传动可以得到同样的效果。2.采用PC运动控制卡来代替PLC控制器，同样能达到较好的 效果，但系统可靠性及灵活性将有所降低。以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发 明技术方案的范围内。
权利要求
1. 一种利用激光的非接触锻件直径在线测量的方法，包括一对安装于锻件两侧的等高 且相互平行的直线式导轨，其特征是在一个导轨上安装激光发射装置，另一个导轨上安装 激光接收装置，由两台步进电机分别驱动其行走，行走时始终保持激光发射装置与激光接 收装置位置同步，通过步进电机的行走距离和激光接收装置信号地通断，可以快速计算出 激光与锻件截面圆相切的两点间距离，从而得到锻件直径尺寸，同时，在操作室控制柜内安 装PLC系统控制器，通过通信电缆将各种信息显示在操作面板显示器上。
全文摘要
一种利用激光的非接触锻件直径在线测量的方法，包括一对安装于锻件两侧的等高且相互平行的直线式导轨，其特征是在一个导轨上安装激光发射装置，另一个导轨上安装激光接收装置，由两台步进电机分别驱动其行走，行走时始终保持激光发射装置与激光接收装置位置同步，通过步进电机的行走距离和激光接收装置信号地通断，可以快速计算出激光与锻件截面圆相切的两点间距离，从而得到锻件直径尺寸。由于采用两个相互独立的直线导轨，只要选择合适的导轨长度，就可以测量更宽范围内的锻件直径，如风力发电机主轴、冶金用轧辊等；测量人员不用接触高温环境，不用手工测量，可快速得知当前锻件的直径，精确度高，避免了手工测量耗时长、误差大的缺点，提高了锻造的速度和精度；有效避免了根据经验预留出较大的冷加工余量的缺点，减少了锻件余量损耗，实现节能降耗。
文档编号G01B11/08GK102003943SQ201010534689
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者魏青轩 申请人:魏青轩