大型挤压机活动部件五自由度监测系统设计

1、6.1大型挤压机活动部件五自由度监测系统设计6.1.1背景及基础大型挤压机工作环境恶劣，在加工过程中导轨与支撑垫之间摩擦磨损严重，同时加工过程中的振动、横梁的偏心等，均可造成挤压部件与导轨之间的间隙不断增大，造成挤压中心的偏离，恶化了加工环境。实践表明，当偏心挤压时，不仅生产出的制品不符合设计要求，而且影响挤压机的使用寿命，严重时甚至会损坏生产设备。因而，在挤压生产过程中，挤压部件如容室、固定横梁、活动横梁等部件的中心必须保证与以前、后梁中心为基准的虚拟中心对齐，这样才能保证产品的加工质量，同时也能有效保证设备运行的安全与稳定195,196。在现有设备活动部件中心偏移方面，通常采用人工测量方法

2、，计算出各部件的偏差值，通过调整垫片来调节挤压部件的中心。由于采用人工测量方法工作量巨大，必须反复进行测量-调整，才能达到中心对中的精度要求。此外，人工测量不能实施各部件挤压中心的在线或者实时测量，易造成偏心挤压而影响产品质量和设备本身的安全性。为提高挤压机中心偏移检测效率和检测精度，提升该设备的自动化水平，有必要设计挤压机中心在线监测系统。近年来，国内外诸多单位就这一课题开展了研究，但是目前相关研究成果均还处于小范围测试阶段，相关技术还有很大的提升空间。本研究室于2008年在国内外相关研究的基础上，为西南铝业集团125MN挤压研制了一套通过双基准激光双测点的活动部件中心在线监测系统197，为

3、挤压机中心偏移中心在线检测提供了新的选项。该系统监测原理如图6-1所示，两束激光构成基准光路；固定梁上的末端测点对基准激光的误差实现初始标定和实时监测；每个活动部件上安装两个测点采集激光基准位置信号并由此通过模型计算得到各活动部件的中心偏移情况。该系统工作现场如图6-2所示。图6-1 125MN挤压机活动部件中心监测系统监测原理图6-2 125MN挤压机活动部件中心监测系统工作现场该系统已于2008年完成了现场测试并投入实际应用，现场测试和实际应用表明，该系统能有效的对活动部件水平和竖直二自由度中心偏移量进行在线检测，并能有效的指导活动部件中心偏移量调整；同时，也发现该系统存在以下有待改善的问

4、题：1.系统采用的计算机视觉算法抗干扰能力尚有欠缺，系统长期使用时表现不够稳定。2.系统的监测模型只能对活动部件的两个平移自由度进行在线监测，而实际三维空间中的刚体具有6个自由度，其中，与中心偏移量有关的自由度有5个（排除活动部件工作方向的平移自由度），仅对其中的两个自由度进行测量，并不能完全反映活动部件的实际位姿状态。3.该系统通过一自行设计的USB通信控制器来实现多路检测数据的传输和协调，切换一路实验数据需要5-6秒的延时，且不稳定。4.检测装置结构设计对工业现场的防护措施考虑不够。其中，第一点即本文前述章节研究的重要背景。处于研制阶段的2万吨挤压机，将成为我国的重要基础制造装备， 要求其

5、有较长的使用寿命，且有较高的加工精度；因此，开发出一套操作简便、实时性好、检测精度高的挤压机活动部件中心动态监测分析系统是极有必要的。本课题组在125MN挤压机活动部件中心在线监测系统研制及应用的基础上，结合电子测量技术最新进展及本文研究的几项关键技术，提出了大型挤压机活动部件五自由度监测系统方案198。6.1.2工作原理图6-3 大型挤压机活动部件五自由度监测系统工作原理为实现活动部件五自由度偏移同时检测，采用双激光束三点测量法，在固定梁1上安装两个激光发射器（激光发射器1、激光发射器2）发出基准激光；在固定梁2上安装两个激光接收器（末端接收器1、末端接收器2），构成两个激光基准光路(激光光

6、路1、激光光路2)。固定梁2上安装的两个激光接收器对基准激光的误差实现初始标定和实时监测,利用这两个激光接收器的监测数据和位移传感器测定的各活动部件工作方向位置就可计算得到各测点处基准激光的误差，并可对实时监测过程中由于机械震动和光线飘移等因素造成的基准变动进行测定。这样，只要末端接收装置能够接收到基准激光信号就能实现对活动部件位置误差的高精度实时监测，从而较好的解决多束光束的平行性和一致性很难调整这一阻碍激光准直基准测量方法发展的关键问题。每个活动部件上安装3个激光接收装置实现对激光基准位置信号的采集，各路位置信号通过工业以太网传输到工业计算机上，在工业计算机上利用位置信号和检测模型可计算得

7、到各活动部件5自由度的偏移情况。监测单元的布置方式及工作原理如图6-3所示。要实现多活动部件的同时监测,一个关键问题是如何实现多点对同一激光基准的同时利用，本方案中，采用激光分光技术解决这一难题，激光分光光路原理如图6-4所示。图6-4 激光分光原理6.1.3 系统数学模型6.1.3.1基本假设挤压机活动部件的实际位置误差状态是非常复杂的，为便于研究，并得到形式简化且有效的数学模型，做出如下假设：(1) 监测过程中活动部件各方向偏转角度均非常小。(2) 忽略部件自身的变形及扭转，把活动部件视为刚体。6.1.3.2空间坐标系的建立坐标系如图6-5所示,O点为A、B测点所在横截面活动部件位于理想状

8、态时的中心（理想中心），由假设2可知，监测过程中，A、B、C测点与O点的相对位置近似的视为保持不变。以O点为坐标原点，定义水平、垂直及部件轴线方向分别为x、y、z轴方向，建立三维绝对坐标系Oxyz。以测点检测中心位置为原点，平行绝对坐标x、y轴方向为坐标轴方向，分别建立图像坐标系、。由图可知，在理想状态下，测点中心在绝对坐标系中的坐标分别为A(-D,H,0)、B(D,H,0) 、C(-D,H,S)。图6-5 空间坐标系6.1.3.3检测模型推导当活动部件在理想状态时，通过对基准激光的初始标定和实时监测，可以认为激光光斑的中心位于个测点中心位置，即A、B、C点；发生位移和小角度偏差以后，各坐标系

9、分别移动和旋转到、。此时，, 点在绝对坐标系中的坐标为（光斑在各自坐标系中坐标分别为（）、（）、（），设活动部件饶绝对坐标系x、y、z旋转的角度分别为、，在绝对坐标系XOY平面内如图6-6所示，根据几何关系有： （6-1） （6-2） （6-3）在绝对坐标系ZOX(ZOY)平面内，如图6-6所示，根据几何关系，有： （6-4） （6-5）图6-6 绝对坐标系XOY平面由假设1可知，各自由度角度偏差都很小，可认为：、 、；整理，可得活动部件五自由度监测模型： （6-6）图6-7 绝对坐标系ZOX(ZOY)平面6.1.4 系统组成系统的组建基于工业以太网通信技术和计算机视觉测量技术。系统主要包括四

10、个子系统：激光发射系统、位置信号采集系统、信号传输协调系统以及信息处理系统。系统结构如图6-8所示。激光发射器发出基准激光，通过精密调节装置光轴的调节使光路末端（前固定梁）的位置信号采集装置接收到激光信号从而建立基准光轴，位置信号由工业以太网传输至工控机，工控机上的软件系统通过计算机视觉算法和检测数学模型在线获得挤压机活动部件挤压中心偏移量并将检测结果输出和管理。位置图6-8 监测系统原理框图6.1.5 系统硬件设计6.1.5.1 激光发射系统1安装基座，2后盖板，3环形橡胶圈，4尾座，5调节螺杆，6前座，7激光发射器，8导柱，9压簧，10压簧调节螺栓，11螺杆锁紧螺钉图6-9 激光发射系统结

11、构发射系统包括准直扩散激光发射器和微调机构，结构如图6-9所示，采用两个互相垂直的微螺距精密调节螺杆，两个精密压簧导柱机构实现光轴的精密调整及复位；采用锁紧螺钉实现调节的稳定性。该系统目前已升级应用到125MN挤压机活动部件中心监测系统上，实践表明，该系统解决了基准光轴建立时间长以及稳定性差的问题，提高检测系统的可操作性；减少了检测系统维护耗时。6.1.5.2 位置信号采集系统位置信号采集系统由安装在固定梁上直接接收装置和安装在活动部件上的分光接收装置组成，由于安装在活动部件上的分光接收装置需通过激光分光技术实现激光基准的继续传递，两者的结构有所不同，分别如图6-10和6-11所示。 图6-1

12、0 分光接收装置结构图图6-11 直接接收装置结构图为实现工业环境中稳定的高精度监测，工业相机选用的是德国Imagesource公司生产的高精度工业相机DMK31AG03,分辨率为1024768像素，图像采集频率为30帧/秒，工业镜头为8mm固定焦距镜头M0814-MP。本方案中，位置信号采集系统的装置结构设计较充分的考虑了工业环境下的防护问题，实现了装置的整体封装，各板件联结处均设计了密封措施，从而大大降低了环境中的灰尘进入装置内部的可能性。所有的板件均选用美国NYLOK公司预涂层技术的防松螺钉进行固定，从而保证在环境长期振动干扰下不出现联接松动。6.1.5.3 信号传输协调系统工业以太网用于设备现场层是大势所趋。本系统检测点较多，且在空间上非常分散，通过工业以太网来实现多路检测数据远距离传输与协调是一种方便、快捷的方法。以太网的拓扑结构一般有如下几种：星型(Star)、总线(Bus)、环(Ring)以及其它衍生结构。总线型连接具有网络冲突等致命缺点，不适合于工业应用；星型连便于管理，连接点的故障容易监测和排除，主要缺点是中心节点是全网络的可靠瓶颈，中心节点出现故障会导致网络的瘫痪；而采用冗余的环