（机械工程专业论文）薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究.pdf

坝士论文 薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究 摘要 y m i i i l 2 i i i i l l 2 i i i i i l 7 l l l l l 4 l l l j j l l 7 l l j l l l l l l 9 6y 2 2 7 4 7 随着科学技术水平的发展，冷弯薄壁型钢作为一种节能环保的新型材料受到各行 各业的高度关注，其性能分析已成为目前最重要的试验项目之一。几何缺陷对冷弯薄 壁型钢的性能具有很大影响，因此，对冷弯薄壁型钢的几何缺陷进行测量具有重要的 研究价值。 基于某一实验室用冷弯薄壁型钢屈曲试验研究，对薄壁型钢几何缺陷测量系统进 行设计研究。薄壁型钢几何缺陷测量系统利用激光位移传感器测量被测点的径向坐标 值，p l c 控制两个步进电动机分别确定被测点的周向和轴向位置，获得被测点的三维 坐标，通过测量物体表面大量的测点获得被测试件的三维几何形貌。 根据薄壁型钢几何缺陷测量系统的设计指标和工作原理，对其机械结构和控制系 统两部分进行具体地设计及说明，并且利用s o l i d w o r k s 软件建立三维模型，合理规划 测量路径，分析引起测量系统误差的主要因素，最后对测量系统进行标定实验。实验 结果表明，本测量系统的重复性误差小于0 4 ，测量误差小于o 2 m m ，符合测量系统 的设计指标，验证了测量系统设计的合理性。 关键词：冷弯薄壁型钢，表面测量，步进电机，激光位移传感器，p l c a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , c o l d _ f o r m e dt h i n 。w a l l s t e e lh a sg o t h i g h l va t t e n t i o no fa l l w a l k so fl i f ea san e wt y p eo fm a t e r i a l s i t se n e r g y s a v m ga j l d e n v i r o m e n t a l ，a n di t sp e r f o r m a n c ea n a l y s i s h a sb e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e s t m g p r o g r a m s g e o m e t r i c a li m p e r f e c t i o nh a sg r e a ti n f l u e n c e o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o i d 。 f o m e dt h i n - w a i l e ds t e e l t h e r e f o r e ，i t h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t or e s e a r c h i n go nt h e m e a s u r e m e n to fc o l d f o r m e dt h i n w a l ls t e e l sg e o m e t r i c a li m p e r f e c t i o n b a s e do nt h eb u c k l i n gt e s t i n gr e s e a r c ho fc o l d - f o r m e dt h i n 。w a l l s t e e li nl a b o r a t o r y ，a m e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e dt o m e a s u r et h eg e o m e t r i c a li m p e r f e c t i o no fc o l d 。t o r m e d t h i n w a l ls t e e l i nt h i sm e a s u r e m e n ts y s t e m ，al a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r 1 su s e dt om e a s u r e t h er a d i a lc o o r d i n a t ev a l u e s ，a n dap l c i su s e dt oc o n t r o lt w os t e p p e rm o t o r st og e tt ot h e r i g h tm e a s u r i n gp o s i t i o n t h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cs h a p eo f t h et e s tp 1 e c e1 st o 珊e d b ym e a s u r i n gl o t so f m e a s l l r e dp 0 i n t 孓 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np a r a m e t e r s a n dt h e o r yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h e m e c h a n i c a ls t m c t u r ea 1 1 dc o n t r 0 1s y s t e m a r ed e s i g n e da n dd e s c r i b e di n d e t a i l t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mi se s t a b l i s h e d i ns o l i d w o r k s m e a s u r i n gp a 也 i sr e a s o n a b l ep l 锄e da n dm a i nf a c t o r sw h i c hl e a d t om e a s u r i n ge r r o ra r ea n a l y z e d l h e n c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n ti sc o n d u c t e do nt h em e a s u r e m e n ts y s t e m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a tt h er e p e a t a b i l i t ye r r o ro ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m i sl e s st h a no 4 a n dt h e m e a s u r e m e n te r r o ri sl e s st h a n0 2 m m t h er e s u l t sc o n f o r m t ot h ed e s i g ni n d e x ，v e n f yt h e r a t i o n a l i t yo f t h em e a s u r e m e n ts y s t e m k e y w o r d ：c o l d f o r m e dt h i n w a l ls t e d ，s u r f a c em e a s u r e m e n t ，s t e p p e rm o t o r ，l a s e r d i s p l a c e m e n ts e n s o r ，p l c i i 硕士论文薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究 目录 摘! 1 2 i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 冷弯薄壁型钢及其表面缺陷1 1 2 课题的研究背景和意义1 1 3 几何测量系统的研究现状2 1 3 1表面测量技术分类2 1 3 2 几何测量系统发展史6 1 4 论文主要研究内容一6 2 总体方案设计及测量原理分析8 2 1 薄壁型钢几何缺陷测量系统总体方案设计一8 2 1 1 测量系统主要技术指标8 2 1 2 位移传感器选型8 2 1 3驱动方式确定10 2 1 4 测量系统方案设计1 1 2 2 薄壁型钢几何缺陷测量系统原理分析1 2 2 2 1 激光位移传感器测量原理13 2 2 2 步进电动机控制原理15 2 3 本章小结1 6 3 机械结构设计17 3 1 常见几何测量结构1 7 3 2 几何测量系统结构设计1 8 3 2 1 测量系统基座设计18 3 2 2 传动机构设计19 3 2 3 旋转机构设计2 1 3 2 4 其它设计2 3 3 3 本章小结2 4 4 控制系统设计。2 6 4 1 p l c 简介及选型2 7 4 1 1 p l c 内部结构2 7 4 1 2 p l c 工作原理2 7 i i i 目录 硕士论文 i v 4 1 3 p l c 选择2 8 4 2 步进电动机p l c 控制3 0 4 2 1步进电动机细分控制3 0 4 2 2步进驱动器选择3 0 4 2 3 控制线路图3 2 4 3 数据采集设备3 2 4 4 测量路径规划3 3 4 4 1 路径方案一3 3 4 4 2 路径方案二3 3 4 5 本章小结3 4 5 测量系统试验分析3 5 5 1 测量系统误差分析3 5 5 1 1激光位移传感器测量误差3 5 5 1 2机械结构安装误差3 7 5 1 3 步进电动机定位误差3 8 5 1 4 其它因素引起的误差3 8 5 2 测量系统标定3 9 5 2 1 测量系统的特性3 9 5 2 2 标定实验与结果分析4 0 5 3 圆形钢管的测量4 3 5 3 1 步进驱动器面板开关设置4 4 5 3 2 p l c 控制程序编写4 4 5 3 3 测量结果及分析4 6 5 4 本章小结5 0 6 总结与展望5 1 6 1 总结5 1 6 2 展望51 致谢。5 3 参考文献5 4 t it ：论文薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究 1 绪论 1 1 冷弯薄壁型钢及其表面缺陷 冷弯薄壁型钢是一种将薄钢板或带钢在常温状态下通过辊轧或冲压冷弯成各种形 状的截面型钢【。该冷弯型钢壁薄自重轻，截面性能优良，能够通过改变钢的横截面 形状和尺寸，使用相对较少的材料承受较大的载荷。与传统槽钢相比，同等强度情况 下可节约材料百分之三十，因此一直受到国内外工程界的普遍关注，广泛应用和渗透 到各个行业，如汽车制造业、建筑业、造船业、机械制造业、医疗器械业、桥梁道路 等。冷弯薄壁型钢的截面形状多种多样，如图1 1 所示。 _ l l 皂j - - j l 乙- - 九门亡a 工 x 口口0 x ，- _ _ 、r _ _ - 1 _ _ 。-r ，一l o 。 t 一1 厂一一1 气，t 嚣- j 憎一拦 r q 一九一r 、- 一、 ，_ 。_ ， 图1 1 冷弯薄壁型钢截面形式 冷弯薄壁型钢是由带钢经过放料、矫平、成型、定型和切断等一系列流程加工而 成的。由于各个环节生产工艺的复杂性、多样性，最后生产出来的冷弯薄壁型钢或多 或少存在着一些表面缺陷。 表面缺陷随机分布于冷弯薄壁型钢的表面，主要包括初始缺陷和几何缺陷两种。 初始缺陷是指在加工完成后在钢表面形成如气孔、凹坑、裂缝、沟槽、锈蚀等局部切 除或遗留材料的不正常现象【2 1 ，它们会产生应力集中，有损表面质量。几何缺陷是指 真实构件与理想构件之间几何尺寸的差别，包括初弯曲和初偏心等。这些表面缺陷不 仅影响冷弯薄壁型钢的外观，更降低了钢结构的表面抗腐蚀性和耐磨性，使轴心受压 构件的整体稳定承载力下降，直接影响钢结构的使用寿命，同时对安全性产生极大的 隐患。 1 2课题的研究背景和意义 随着科学技术水平的不断进步，人们对冷弯薄壁型钢的需求日益迫切，对冷弯薄 壁型钢的表面质量、结构形状、可靠性等方面的要求也越来越高。 第一章绪论硕士论文 目前，国内外许多学者对冷弯薄壁型钢的坯料带钢，在生产过程中的实时在 线监测做了大量的研究工作，这些研究都是基于固体摄像器件c c d 成像的计算机视觉 检测技术。生产过程中，系统通过摄像头采集带钢表面的图像，然后采用图像处理及 模糊识别算法等方式对图像进行实时处理和分析，从而检测出钢板的表面初始缺陷， 及时发出反馈信号，提醒技术人员检查相关工序，改善带钢的表面质量。上述大量研 究能够定性地检查、分析和归类带钢生产过程中的初始缺陷，很大程度地提高了带钢 的表面质量，同时减少了冷弯薄壁型钢的初始缺陷。 但是，将带钢制造成冷弯薄壁型钢时产生的几何缺陷仍然存在，该几何缺陷仍然 对冷弯薄壁型钢的性能产生很大影响，不容忽视。几何缺陷在生产过程中是随机发生 的，形式、大小不一，没有相关规律可寻，目前采用的方法是人工检测，由有经验的 检测人员目测或者通过相关测量工具检查。不过，人工检测存在很多的局限性：人工 检测对检测人员的技术要求比较高，工作量较大，若长时间进行该检测工作，对检测 人员的视力和精神状态会造成一定影响，导致漏检或误判，降低检测效率。因此，如 何快速且精确地检测冷弯薄壁型钢的几何缺陷成为一个急需解决的问题。 综上所述，对于基于自动控制技术的冷弯薄壁型钢几何缺陷的测量系统的研究便 有了很高的应用价值和实际意义。该测量系统具有以下优点： 1 检测人员只需将薄壁型钢安装在测量系统上，通过计算机控制完成检测，提高 了检测效率，减少了工作量，解放劳动力； 2 几何缺陷测量系统应用计算机控制技术，具有一致性，不受检测人员个人状态 影响，可靠性较高； 3 几何缺陷测量系统能够自动记录测量数据，存储于文档中，可供人随时检查和 调用作相关分析。 1 3几何测量系统的研究现状 1 3 1 表面测量技术分类 表面形貌反映了工件表面的几何形态，同时影响着工件的使用性能，因此，高精 度表面测量在薄壁型钢几何缺陷测量系统中有着举足轻重的地位。如何得到更高的测 量精度一直都是物体表面测量技术领域的重要目标，同样也是测量行业的发展趋势。 表面测量技术从最原始的手工测量、机械式测量到现在的基于固体摄像器件c c d 成像的计算机视觉检测技术已经经历了几十年的发展过程，测量方法多种多样，不同 的方法基于的原理也不一样。按照测量工件表面与测量装置的接触情况可以将表面测 量技术分为接触式和非接触式两大类，具体测量方式分类情况如图1 2 所示。 2 硕j ：论文 薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究 图1 2 表面测量技术的分类 ( 1 ) 接触式测量 接触式测量是指在检测时测量装置与被测物体表面接触，早期的手工测量、机械 式测量等都属于接触式测量。 触针式测量法是最早研究、使用最广泛的接触式测量法，也是世界上检测物体表 面轮廓的最基本的方法之一，还是国际公认的表面粗糙度测量的标准方法。该方法用 一个尺寸很小的机械探针接触被测物体表面，然后驱动探针在物体表面上移动，探针 沿着物体表面轮廓的凹凸变化而作上下往复运动，检测出探针的起伏位移信号，通过 一定的转换电路将位移信号转换成所需的信号，然后加以处理就可以得到物体的形状 特征，从而测量出物体的表面轮廓。英国的泰勒塞夫( t a l y s u r f ) 系列轮廓仪就是基 于该测量方法的典型的产品。 根据测量装置探针的类型，接触式测量方法又分为触发式和连续式两种。 触发式测量是目前应用较广泛的一种接触式测量方法。该方法的核心步骤是判断 探针是否与被测物体表面接触，当探针与被测物体接触时，测量装置向数据采集系统 发出采样信号，采集系统记录此时探针的位置，从而得到接触点的坐标值。 早期的触发式测量通过弹簧提供恢复力，其探针结构如图1 3 所示。当探针的测 头不接触任何物体表面时，触发机构的在弹簧预紧力作用下紧紧接触，此时测量装置 不采集数据，当探针测头与物体表面接触时，产生的接触力通过探针传递至装置内部 触发机构，该接触力一旦大于弹簧预紧力，探针会产生一定位移，致使机械触点脱离 接触，从而装置发出采样信号，进行数据采集。 第一章绪论 坝二卜论文 图1 3 基丁 弹簧力作用的触发式测量探针 使用上述测量方法对某一测点重复测量，探针从各个方向移动至该测点时需要克 服弹簧预紧力的接触力不同，导致测量值的重复度不高。因此基于弹簧作用力的触发 式测量系统的重复性精度不高，另外，接触力使探针发生一定程度的弯曲变形，产生 测量误差。 后来的触发式测量采用应变片进行触发，其探针结构如图1 4 所示。图中可以看 出，感应位移量的应变片和装置内部的机械复位机构不接触，可以消除大量由于振动 引起的测量误差，提高了装置的测量精度。 硅 应 力 片 图1 4 基丁应变片的触发式测量探针 连续式测量的装置内部没有触发机构，无论探针与测量物体表面是否接触，都可 以采集数据，不过在没有接触时测得的数据没有物理意义，数据分析前因进行数据筛 选。基于该测量方法的设计的装置应用较少。 基于接触式测量方法的测量仪器具有操作简单、直观可靠等特点，广泛运用于物 体的表面形貌测量。测量仪器的精确度与物体表面的接触力、探针的运动速度、探针 测头的半径、被测物体表面的形状有关。探针与物体表面的接触力过大时，探针产生 较大的弯曲变形；探针运动速度过快时，可能造成机械复位装置段时间内来不及将探 钭接触到测量表面；若物体表面的凹槽半径小于测头半径，则无法得到该凹槽的精确 尺寸。 4 硕。i ：i 2 文薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究 接触式测量方法有着无法克服的缺点：测量时探针与被测物体表面接触，可能 在被测物体表面留下划痕，损坏物体表面；测针长期在物体表面滑动的情况下会逐 渐磨损，影响测量精度，需要经常矫正探针测头的直径；测量结果易受到机械系统 误差的影响，后期处理时需要对误差进行补偿修正，降低了系统的测量效率；为保 证测量精度，测量时探针的移动速度不能过快，却降低了测量效率。 ( 2 ) 非接触式测量 非接触式测量是一种基于光学原理的检测方法，检测时测量装置与被测物体表面 不接触，不会对被测物体表面产生任何损伤。根据各交叉学科种类的不同，非接触式 测量方法分为光学式和非光学式两种。 光学式中又有立体摄影法、结构光测量法、激光测量法等多种形式。 立体摄影法是在人类眼睛感知物体原理的基础上建立的，人类的左右两只眼睛与 物体形成的角度存在略微差异，形成两个不同的影像，所以能够看到带有立体感的物 体。立体摄影法运用两个摄像机从不同那个方向和位置对某物体进行成像，利用三角 测量的原理得到被测物体表面的三维形貌。这种测量方法的研究技术已经较为成熟， 所能达到的测量精度也较高，广泛应用于测绘学中，例如人体三维测量系统。但是， 使用这种方法测量时，测量人员必须先对被测物体进行初步分析，寻找测量物体表面 的特征点，再精确测量特征点，操作比较复杂，不能自动化测量。 结构光测量法1 3 j 是非接触测量方法中最成熟的，测量范围广，测量速度快且性能 稳定。结构光测量法包括莫尔云纹法和投影栅相位法两种。 莫尔云纹法( m o i r et o p o g r a p h y ) 【4 j 是将结构光投射到测量物体表面，物体表面 的相关信息使部分栅线发生畸变，该栅线与基准栅线干涉得到云纹图，对此云纹图进 行相关处理就可获得所测物体的表面信息。莫尔云纹法又可分为影像云纹法和投影云 纹法。影像云纹法【5 j 最早于1 9 7 0 年由m e a d o w s t a k a s a k i 等提出的，可以测量三维物 体的形状和弹性元件的弹塑性变化。投影云纹法的发明使影像云纹走向实用化。这两 种方法都是通过基准栅和试件栅的干涉得到云纹图，二维的图像可直接反映出三维的 信息，比较直观、形象。 投影栅相位法不进行光学干涉，它运用傅里叶频谱分析技术直接对发生畸变的栅 线进行分析，通过图像处理计算被测物体的表面特性，且具有较高的测量精度和灵敏 度。随着图像处理技术的发展，该方法已经研究出很多算法，因此成为比较常用的的 检测方法之一。 激光测量法源于上世纪七八十年代，根据光源特性可分为点式、线式和区域式三 种扫描法。激光测量的速度非常快，但其测量精度受被测物体表面特性的要求比较 高，被测物体表面的颜色、光泽、粗糙度和曲率都会对测量结果产生影响。 5 第一章绪论 硕士论文 非光学式有超声波法和电磁波法等多种测量方法。电磁波测量方法不仅可以测量 微小尺寸和位移，还可以测量机械振动的位移，特别适合于诸如轴径向跳动、轴承间 隙及油膜厚度等场合的测量。超声波测量方法将电子技术和声波技术相结合，可以测 量比较大的距离，且操作方便，是非常常用的一种非接触式测距方法。 基于非接触式测量方法的测量仪器融光电子学、计算机图像学、信息处理等多门 科学技术为一体，可以测量材质较软的物体表面，具有测量速度快、测量范围大、精 度高等特点，在各个领域受到广泛应用。 1 3 2 几何测量系统发展史 机械零件的表面几何特征对该零件的耐腐蚀性、耐磨性和使用性能及寿命都有很 大影响，因此，测量零件的几何形貌具有举足轻重的地位。自上世纪二三十年代起， 人们开始研究物体表面几何特征和工件性能之间的关系，通过对物体表面几何测量的 比较和分析，评定工件几何形状和表面质量的优劣，进而验证产品设计方案的合理性 或工艺流程和加工方法的正确性。 1 9 2 9 年，德国s c h m a l t z 研制出世界上第一台二维触针式表面轮廓测量仪，该测量 仪使用光学杠杆放大原理，可以测量一些轮廓形状比较简单的物体表面，该测量仪放 大率达2 0 0 倍。随后，人们开始模仿该设计原理，研制出大批的几何轮廓测量仪，其 放大率大小不一，最大可达1 0 0 0 0 倍以上。1 9 3 5 年，英国t a y l o r h o b s o n 公司开始系统 地研究触针式轮廓测量仪，并于1 9 4 2 年成功投入批量生产，该产品是现在市面上常用 的触针式表面测量仪的雏型。1 9 5 1 年，德国o p t o n 公司研制出可以测量物体表面的干 涉显微镜，该产品运用了非接触式的光学测量技术，测量精度较高。1 9 6 8 年，美国 j b p w i l l i a m s o n 推出了三维触针式几何轮廓测量仪，该产品在先前的二维触针式轮廓 测量仪的基础上增加了一维，能够测量物体的三维形貌。 2 0 世纪6 0 年代，研究人员研制出一种新型高效的精密测量仪器三坐标测量 机。它是电子技术、计算机控制技术和测量技术等高科技相结合的产物，也是目前市 面上最普遍的几何形貌测量系统，可以快速测量复杂零件的几何形状，广泛应用于机 械制造业、汽车制造业、造船业、医疗器械业、电子工业、航空航天业和桥梁道路业 等。三坐标测量机由测头、主机、控制柜、计算机组成。其主机的机械结构多种多 样，各种结构形式的三坐标测量机具有不同的测量精度和测量范围，适用的场合也有 所不同。 1 4论文主要研究内容 近几年来，随着冷弯薄壁型钢的发展，越来越多的研究人员致力于它的强度性能 6 硕十论文薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究 分析。前面提到冷弯薄壁型钢的几何缺陷对于它的承载性能具有很大的影响，因此精 确测量冷弯薄壁型钢的几何缺陷是人们研究冷弯薄壁型钢性能的重要步骤之一。三坐 标测量机可以完成冷弯薄壁型钢几何缺陷的精确测量。 大部分冷弯薄壁型钢的横截面较小、长度较大，属于典型的细长型构件，测量薄 壁型钢所需的三坐标测量机必须在长度方向具有较大的测量范围。由机械结构特点决 定，测量范围越大，三坐标测量机的体积越大，而目前市面上的三坐标测量机的测量 空间都比较接近于正方体，若采用现有的三坐标测量机，测量较长的冷弯薄壁型钢时 所需的测量空间只占总空间的一部分，空间利用率不高。三坐标测量机是高科技产 品，一般用来测量结构复杂的物体，价格非常昂贵，而冷弯薄壁型钢的横截面形状比 较简单，若采用三坐标测量机测量冷弯薄壁型钢的几何缺陷，不能突出它的强大功 能。 本文根据冷弯薄壁型钢的结构特点，提出了一种基于激光位移传感器的几何缺陷 测量系统，该测量系统可以测量一定尺寸范围内的冷弯薄壁型钢的表面几何形状。主 要的研究内容及其章节安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了测量几何缺陷对冷弯薄壁型钢的重要性，提出了本课 题的研究背景和研究意义，对表面测量技术进行了概述，最后简单介绍了几何测量系 统的发展史和研究现状。 第二章：总体方案设计及测量原理分析。首先提出薄壁型钢几何缺陷测量系统的 主要设计指标，根据该指标选择合适的测量元器件和系统驱动方式，确定测量系统的 总体方案，然后描述系统的测量原理，详细介绍了激光位移传感器和步进电动机的工 作原理。 第三章：机械结构设计。分析比较几种常见的几何测量系统的结构，提出一种新 的结构形式。对该机械结构的重要组成部分进行详细设计说明，建立机械结构的三维 模型。 第四章：控制系统设计。选择p l c 作为步进电动机的控制设备，首先简单介绍 p l c 的内部结构和工作原理，根据薄壁型钢几何缺陷测量系统的控制要求选择合适的 p l c ，根据测量要求和步进电动机选择合适的步进电动机驱动器型号，最后根据测量 试件的形状特点规划出两种测量路径。 第五章：测量系统试验分析。分析测量系统的误差来源，对研制的测量系统进行 标定实验，验证测量系统的可靠性。 第六章：总结与展望。 7 第二章总体方案设计及测量原理分析 硕士论文 2 总体方案设计及测量原理分析 2 1薄壁型钢几何缺陷测量系统总体方案设计 2 1 1 测量系统主要技术指标 薄壁型钢几何测量系统的主要技术指标有：测量范围、测量载荷、测量误差、重 复精度等。测量范围是几何测量系统能够测量的试件的最大空间尺寸。测量载荷是系 统所能测量的试件载荷范围。测量系统的误差越小，越能真实地反映被测试件的表面 几何形状。重复精度是评定测量系统精度的重要参数。 结合本课题的运用场合，提出本测量系统的主要技术指标： 测量范围：1 2 0 0 m m 2 5 0 m m 2 5 0 m m ； 测量载荷：8 0 k g ； 测量误差： 0 2 0 m m ； 重复度误差： 0 5 ； 整体尺寸：长宽高尺寸控制在2 0 0 0 m m 4 0 0 m m 1 0 0 0 m m 以内。 2 1 2 位移传感器选型 位移传感器按其检测原理不同主要有电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电 感式位移传感器、变压器式位移传感器、电涡流式位移传感器、激光式位移传感器 等。其中，前面三种位移传感器主要用来测量小位移，而变压器式位移传感器适合测 量中等大小的位移，电涡流式位移传感器主要用于测量大位移的场合，对于精密的测 量场合，则需要选择激光式位移传感器。 激光式位移传感器可在不与被测物体表面接触的情况下精确的测量被测物体的位 移变化，是光学位移传感器的一种。激光式位移传感器响应时间短、测量精度高、抗 干扰能力强，能够检测物体的表面轮廓，进行厚度、距离、直径等几何量的测量。激 光式位移传感器由于体积小、非接触测量等特点，被广泛应用于微位移测量领域。 本文设计的测量系统的主要测量对象为冷弯薄壁型钢，若采用接触式方法测量， 由于被测试件壁厚较薄，位移传感器的项尖测头与薄壁型钢的表面接触所产生的接触 力一定使被测表面产生微量形变，同时测头与钢表面长时间作相对滑动后容易磨损测 头，影响系统的测量精度，因此本文选择非接触式测量方法。 本测量系统的测量元件必须具有高精度、响应时间短、线性度好、体积小、数据 采集方便以及安装定位容易等特点，本文选择瑞士堡盟b a u m e r 公司的激光位移传感 8 器作为测量元件，型号为o a d m1 2 u 6 4 6 0 s 3 5 a ，如图2 1 所示。 图2 1 激光位移传感器实物图 通电后，绿色l e d 指示灯亮，激光位移传感器可测量1 6 1 2 0 m m 范围内的物体。 当被测物体表面距离激光位移传感器的距离小于1 6 m m 或大于1 2 0 r a m 时，红色l e d 指示灯闪烁，警告提示测试人员注意超出测量范围。图2 2 为该激光位移传感器的输 出特性曲线图。 a n a l o gl 1 0 v 0 v r e dl e d 0 n o f f甘 i 一政一 图2 2 输出特性曲线 表2 1 为该激光位移传感器的主要参数。 表2 1 激光位移传感器主要参数 参数名称参数值 测j 丰i ：范闱 16 1 2 0 m m 最小白惆n 范围2 m m 分辨率 2 1 2 0 u m 线。陀误差 0 8 3 5 b t m 响应n , i 问 9 0 0 m 输 ；信号0 1 0 v ( 直流) 供电l f i 范f 圈12 2 8 v ( 直流1 最人供j 越l 岂流 8 0 m a 9 第二章总体方案设计及测量原理分析 颂二 ：论文 2 1 3 驱动方式确定 测量系统执行机构的驱动方式种类很多，主要分为液压式、气压式和电力式三 种。考虑测量系统的运行环境和测量性能等要求，选择合适的驱动方式是提高几何测 量系统精度的重要环节之一。 ( 1 )液压式驱动 液压驱动方式是把油压泵产生液体的压力能作为动力源来驱动执行机构运动的方 式。采用液压方式驱动的系统压力流量可调，易实现自动控制，机械效率高，驱动动 力大，工作平稳可靠，噪声低。但是，液压驱动中油液粘度受温度变化影响，性能不 稳定，且高温容易引起燃烧爆炸等危险，并且装置中需要专门的供油系统，成本高， 需要维护。 ( 2 )气压式驱动 气压驱动方式是以空气的压力作为动力源来驱动执行机构运动的方式。该驱动方 式采用空气作为介质，用后可直接排放，不污染环境，不需要回气管路，结构简单， 安全可靠，不需要防火防爆问题，能在高温、辐射、潮湿、灰尘等环境中工作。但 是，气动系统压力低，不易输出过大的力和力矩，并且由于空气的可压缩性，在负载 作用下会压缩和变形，因此气动系统动作稳定性差，不适合确定高精度位置。 ( 3 ) 电力式驱动 电力驱动方式是利用电动机产生的力或力矩作为动力源来驱动执行机构运动的方 式。采用电力方式驱动的系统具有运行速度快，控制精度高，结构简单，易于使用和 维护等优点，但是不能受过负荷作用。 由上述三种驱动方式的分析描述和优缺点比较可知，液压式驱动适于重量较大的 机械结构，可实现连续轨迹的控制，但其液压元件运行成本较高；气压式驱动适于重 量轻的机械结构以及节拍快的运行模式，成本低，但是寿命较短；电力式驱动适于程 序复杂，控制精度严格的机械结构，且寿命较长。 本文所设计的测量系统根据其技术指标，考虑测量速度、测量精度、被测试件质 量以及成本等多方面的因素，决定采用电力驱动方式。普通旋转电机与控制电机在基 本原理上没有本质的差别，但前者注重于对电机的力能指标方面的要求，而后者则注 重于对特性、高精度和快速响应方面的要求【6 i 。因此，选择合适的控制电机是本测量 系统的关键问题之一。 控制电机的种类很多，最主要的有伺服电动机( s e r v om o t o r ) 和步进电动机 ( s t e p p i n gm o t o r ) 两种。 ( 1 ) 伺服电动机 1 0 伺服电动机在控制系统中作为执行元件，也称执行电动机，主要将电压转换为转 轴上的转速输出。改变输入电压的大小和极性，即可改变伺服电动机的旋转速度和旋 转方向。伺服电动机的启动、制动和反转十分频繁，工作条件经常处于低速状态，因 此，对伺服电动机的性能要求比较高：不存在自转现象控制信号消失的同时， 伺服电动机立即停止转动；空载始动电压低空载时，转子从静止到连续转动的 最小控制电压越小，电机反应越灵敏：响应速度快伺服电动机的转速随控制电 压信号的改变而迅速改变；良好的机械特性和调节特性的线性度。 ( 2 ) 步进电动机 步进电动机是数字控制系统中的一种执行元件，也称脉冲电动机，主要将电脉冲 信号转换为相应的角位移或直线位移，即电动机每接收到一个脉冲信号就转动一定角 度或者向前移动一步。步进电动机通过改变脉冲频率来调速：脉冲频率越高，即单位 时问内输入的脉冲信号个数越多，步进电动机的转速越快。步进电动机在自动控制系 统中应用非常广泛，具有很多特点：响应性能好，能够快速启动、停步和反转； 在负载范围内适用于开环系统，使得控制系统简单化；在不丢步的情况下，步距角 误差不会长期累积；具有自锁能力。 本文设计的测量系统需要对薄壁型钢试件表面一系列离散点进行测量，要求激光 位移传感器在控制电机的驱动下准确运动到每个离散点的位置。结合以上两类控制电 机的特点描述，考虑测量系统的技术指标以及成本等问题，选用混合式步进电机作为 测量系统的驱动元件。本测量系统的2 个步进电机选用北京和利时电机技术有限公司 的8 6 b y g 2 5 0 b n 两相混合式步进电机和13 0 b y g 3 5 0 f h 三相混合式步进电机，如图2 3 所示。 8 6 b y g 2 5 0 b nl3 0 b y g 3 5 0 f i t n - 2 3 步进电机实物图 2 1 4 测量系统方案设计 如何控制测量系统在被测试件表面上自动连续地测量曲面轮廓，是本系统的设计 关键所在。图2 4 为测量系统整体示意图，本测量系统主要由机械结构和控制系统两 第二章总体方案设计及测量原理分析 硕士论文 部分组成。 图2 4 测量系统整体不恿图 图2 4 中，激光位移传感器安装在随着滚珠丝杠旋转作直线运动的固定架上，滚 珠丝杠与步进电机1 连接，在步进电机l 带动下作旋转运动；步进电机2 与被测试件 连接，通过程序控制被测试件作运动。试件的旋转运动和激光位移传感器的直线运动 结合，试件的旋转角度确定被测点的极角，激光位移传感器的测量数据确定被测点的 极径，激光位移传感器的移动距离确定被测点的横向位置，从而精确测得测点的空间 坐标。测量系统工作期间，所有的运动均受控制系统控制，同时记录下转动信息。 2 2薄壁型钢几何缺陷测量系统原理分析 测量系统工作时，系统自动将激光位移传感器移至初始测量位置，首先根据被测 试件的外观形状特征和重量确定测量方法，然后在计算机中输入相关参数，设定测量 路径以及测量的范围和速度，最后开始测量。 测量数据 图2 5 系统控制原理图 薄壁型钢的截面形状多种多样，分析各种截面形状的特点，本文设计了两种测量 方法：激光位移传感器作水平运动，运动到某一位置后，被测试件旋转一定角度， 激光位移传感器对该横截面上的若干个点进行测量，该横截面测量完成后，激光位移 传感器沿水平方向移动一定距离，进行下个横截面的测量；首先将被测试件旋转至 一定角度后停住，激光位移传感器沿着轴向作水平运动被测试件另一端，同时测取若 1 ， 硕| j 论文薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究 干数值，然后步进电动机控制被测试件旋转一定角度，激光位移传感器反向水平运 动。两种测量方法都是通过控制两个步进电机的运动实现对薄壁型钢试件的几何形貌 扫描，试件完成整个测量后，数据保存为e x c e l 文档，为作数据后期处理准备。 综合以上分析，测量系统控制原理如图2 5 所示，该测量系统可根据操作者的控 制指令，控制两个步进电动机交替运动，向数据采集系统发送数据采集命令，将所有 测量点的测量数据和关系数据存入到计算机中。 基准面一 测量平面一 底面一 图2 6 系统测量原理图 如图2 6 所示，激光位移传感器所测得的数据是激光位移传感器探头到物体表 面一测点之间的距离。为了得出物体的真实的结构，必须确定一个基准面。假设激光 位移传感器探头与基准面之间的距离为d o ，则测点到旋转中心o 之间的距离为a 口。 4 。4 ： 彳2 l彳2 2 彳。l 厶2 a 1 14 2 么2 1彳2 2 厶。以： = d o a i ia 1 2 a 2 1a 2 2 a m la m 2 d o a l ld o a 1 2 d o a 1 月 d o a 2 1d o a 2 2 一呸h ： d o a 。id o a 研2 一。 彳1 。 4 2 。 彳。 ( 2 1 ) 表示物体表面m x , 个点到旋转轴的距离信息，对 该距离信息进行计算机数据处理即可重建出物体的三维结构图。 2 2 1 激光位移传感器测量原理 激光位移传感器的测量原理是由激光器发射一束激光到被测表面，然后从另一方 ” 门 晰 q 吼 盯 坍a 办；办 第二章总体方案设计及测量原理分析 硕二e 论文 向对物体表面上的激光光斑进行成像，光点位置探测器接收反射光线的角度随着被测 点位置的变化而变化，在物点与像点的一一对应关系的基础上，将位移信息与探测器 接收信号的位置变化建立相互联系，从而计算出物体表面被测点的位置。由于入射光 与反射光形成的形状为三角形，所以这种测量方法也成为三角测量法。 根据入射光与被测物体表面法线之间的关系，三角测量法又分为直射式和斜射式 两种。 ( 1 ) 直射式三角测量法 图2 7 为直射式三角测量法的测量原理图。图中，a 表示物距，即为测量表面到会 聚透镜之间的距离；b 表示相距，即为位置探测器到会聚透镜之间的距离。 图2 7 亘射式三角测量法的测量原理图 图2 7 中显示，直射式三角测量法中，激光器发射的激光垂直于被测表面，只有 一个准确调焦的位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦状态引起像点 的弥散现象，从而降低了系统的测量精度。为了提高精度，舅和0 2 必须满足 s c h e i m p f i u g 条件1 1 ： t a n 0 12f l t a n 0 2 ( 2 2 ) 式2 2 中，鼠为入射光与反射光之间的夹角；0 2 为反射光与探测器光轴之间的夹 角；为横向放大率。 假设被测表面移动的距离为x ，相点的位移为x ，通过相似三角形各边的比例关系 以及透镜的成像原理可得： x ： 竺皇翌鱼 ( 2 3 ) b s i n 0 1 一x t s i n ( 0 1 + 0 2 、 直射式三角测量法适合测量散射性能好的表面，如果被测表面比较平滑，则可能 会因为传送到光电位置探测器的散射光太弱而无法顺利测量。直射式三角测量法可以 解决粗糙表面形状变化测量的难题，因为该方法测量时的光斑比较小，不会受入射光 1 4 硕i j 论文 薄壁型钢几何缺际t p ，、1 0 量系统研制及试验研究 与被测表面不垂直影响而扩大光照面上的光斑，但是，受成像透镜孔径的影响损失大 部分光能，导致传感器的分辨力较低，精度不高。 ( 2 ) 斜射式三角测量法 图2 8 为斜射式三角测量法的测量原理图。 会 图2 8 斜射式三角测量法的测量原理图 图中显示，斜射式三角测量法中，激光器发射的激光与被测表面的法线成一定角 度。此时为了提高精度，q 、幺和0 3 必须满足的s c h e i m p f i u g 条件为： t a n ( 0 1 + 0 2 ) = t a n 0 3 ( 2 4 ) 式2 4 中，o l 为入射光与被测表面法线之间的夹角；0 2 为反射光与被测表面法线 之间的夹角；0 3 为反射光与探测器光轴之间的夹角；为横向放大率。 假设被测表面移动的距离