基于激光位移传感器的带锯条分齿在线检测系统研究
基于激光位移传感器的带锯条分齿在线检测系统研究
作者:冯冬冬;万熠;汤碧红;李江杰
带锯条已广泛应用千钢铁、机械、汽车制造、石油采矿和航空航天等国民经济的各个领域。为了使带锯条在锯切过程中更好地切入和切出,必须通过分齿 (setting)使带锯条与被锯工件间保留一定的切削间隙。实际生产中,用分齿量来衡量分齿效果,分齿量的大小和分布将直接影响带锯条的使用寿命和切削效果。目前,国内带锯条分齿量的测量多采用以千表或游标卡尺为测量主体的接触式测量,这种测量方法需要相关操作人员手持相应的测量工具逐齿进行测量,效率低且只能用于离线测量或抽检。国外研发了 一 种用激光测距传感器通过机器视觉方法来实时检测分齿量值 的测量系统但其设备结构复杂、成本高昂(每台人民币40 万元),应用受到了很大的限制。
为了解决以上问题,研究开发了 一 种高效 、非接触低成本、可实时在线检测的测最系统,该系统传感器可自动定位,在分齿过程中无需停机即可测量,有效地提高了生产效率。
1、 系统结构和检测原理
1.1 系统结构
该系统由激光位移传感器、压力开关传感器、数据采集模块、检测机构、运动控制模块组成,系统结构示意图如图 1所示。整个系统包含 4 个激光位移传感器和1个压力开关传感器,其中4个激光位移传感器用千获取原始位移数据 , 压力开关传感器用于激光位移传感器的定位。运动控制模块将激光位移传感器调整到检测位置后,分齿机开始工作,检测系统同时开始检测。激光位移传感器获得的位移数据通过数据采集模块传输到上位机,经软件部分处理后得到分齿量值,并实时与设定值进行比较,出现超差时报警并停机,工作人员根据检测结果调整分齿机的分齿参数,以保证最佳的分齿效果。
1.2检测原理
带锯条分齿后,锯齿向带锯条侧面突出,齿尖外侧到对应中齿齿面的距离即为分齿量。L为左分齿量,R为右分齿量, s,、S2心 心 分别为4个激光位移传感器。上方左右两激光位移传感器的激光束照射在齿尖附近,下方左右两激光位移传感器的激光束照射在距齿根15mm的带锯条面上。
以五齿型带锯条为例,分齿机构每次对带锯条上五齿进行分齿,齿形分布依次为中齿、右偏齿l、左偏齿l、右偏齿2、左偏齿2, 整个带锯条以此齿形循环分布 带锯条进给过程 中,由于激光位移传感器位置固定,各齿齿尖依次经过上方左右两激光位移传感器的激光束。
传感器读取传感器工作面到右偏齿齿尖右侧面的距离d, ,S2 传感器读取传感器工作面到带锯条右侧面的距离 d2 , d 2- d,为分齿量计算的记录数据,定义为右偏齿齿偏位移,由千采集模块采样频率 (lOkHz)及传感器响应频率 (2kHz)远大千分齿频率。
分齿执行机构为凸轮机构,所以带锯条呈脉冲式进给,在进给过程中带锯条会在垂面方向出现抖动。以测量右偏齿 1 分齿量为例,当带锯条处千位置1时, SI'传感器的激光束照射在右偏齿的齿尖上;当带锯条处于位置2时, S1 传感器的激光束照射在中齿的齿尖上,由于带锯条抖动,带锯条位置产生变动,两位置间距为Ad, 若只采用 S1 传感器进行测量,右偏齿分齿量测量值会产生Ad的偏差。增加传感器后,采用 d尸 小 作为分齿量计算的记录数据,带锯条处千位置2时, d 1 、d2 同时变化Ad,可消除带锯条在垂面方向抖动引起的测量偏差。进给过程中平行于带锯条面方向的跳动由机械结构中的托轮和导轮来控制。
2、系统硬件设计
2.1 机械结构
该检测系统机构主要由底座框架、悬臂部分、电机驱动部分、带锯条定位装置等4部分组成。带锯条压在托轮上方由导轮间穿过,托轮、导轮起带锯条定位的作用,同时还可以减小带锯条进给过程中产生的抖动和跳动。机构悬臂上装有4个激光位移传感器和压力开关,激光位移传感器分为左右两组,上下排列,为保证左右两组上方传感器的激光束同时照射到齿尖附近,可以分别进行位置微调;压力开关在带锯条正上方位置处,可在悬臂上左右调节。伺服电机可带动悬臂上的传感器上下移动(移动行程由限位开关控制,定位则由压力开关传感器控制),而通过手轮可调节传感器的前后位置移动。传感器调整到检测位置,检测系统开始进行分齿检测。
2.2 数据采集模块及运动控制模块
数据采集模块主要包括激光位移传感器和AD采集模块。激光位移传感器选用量程为8mm的高精度(分辨率为2 ??m) 激光位移传感器 ,AD 采集模块选用16位无相差高速AD波形采集板卡,数据采集模块通过USB总线技术与工控机连接 。
运动控制模块主要包括伺服电机、伺服驱动器以及可编程开关量模块。其中电机控制采用速度控制模式,控制转速 lOOr/min;可编程开关量模块则由高速AD波形采集板卡和继电器端子板卡构成,控制伺服电机正转、反转等动作。
4、系统软件设计
本系统采用 LabVIEW 2011 软件编程。整个软件系统以数据采集模块及可编程开关量模块为基础,主要实现了传感器自动定位、数据采集和超差报警等功能。传感器自动定位功能由可编程开关量模块实现,开启自动定位后,伺服电机正转,带动激光位移传感器向下移动,当压力开关碰触到中齿齿尖后,可编程开关量模块接收开关信号,控制伺服电机反转,带动激光位移传感器向上移动,移动量可由软件设定;为了防止激光位移传感器碰触带锯条及压力开关损坏,当伺服电机带动悬臂运行到正转及反转行程末端时,伺服电机停转,此时需要由软件手动控制伺服电机移出行程未端。数据采集功能由 5 路单端模拟输入实现 ,其中 4 路为激光位移传感器模拟信号输入 ,1 路为分齿机分齿脉冲模拟信号输入,利用分齿脉冲将采集到的数据分块,保证每个数据块都包含 一 组完整的齿形信息。由于数据采集频率 (lOkHz)高于分齿频率 (3Hz), 每个数据块中包含多个数据采集模块发送过来的数据包,存在分齿脉冲与数据包的起始和结束位置不重合的问题,本系统在软件设计过程中实现了数据包的分割,确保了每个数据块中齿形的完整性。
此外,该系统利用队列程序实现了数据采集、数据包分割以及计算显示各子模块的并行运行,保证满足最快粉齿速度的工作要求而不丢失数据。
5 试验结果
将检测装置安装在分齿机上进行试验测试,带锯条类型为五齿型,带锯条有效长度约为75m,分齿速度为Sm/min,分齿量设定值为0.44士0.04mm。`带锯条分齿后,取50组齿逐齿手动检测(左偏齿共100个,右偏齿共100个),并与相同区间位置处锯齿的分齿量自动检测值进行对比分析。
左侧传感器测得的其中一整组齿的试验数据,A1、Bl立、Di、凡分别为经计算后得到的中齿、左偏齿l、右偏齿l、左偏齿2、右偏齿2的齿偏位移。图8为右侧传感器在带锯条相同位置区间测得的实验数据,中齿、左偏齿l、右偏齿1、左偏齿2、右偏齿2的齿偏位移分别为A2、B2、C2、D2、E2。凡和E2的数据宽度明显大千其它4个齿偏位移数据宽度,这是因为右偏齿2处于分齿机拨齿过程中的带锯条减速阶段,因而采样点较多。
采用人工停机抽检的方法(整卷带锯条分齿过程中共抽检 5 次)对整卷带锯条检测用时 45 分钟;采用新开发系统设备对整卷带锯条检测用时 16 分钟。由以上数据对比分析可知,采用新开发系统检测效率比人工停机抽检效率提高近 2 倍 ,同时本系统可实现连续检测,检测结果更全面,更可靠。采用该系统后,由千无须停机人工抽检,原来每人负责一台分齿机可调整为每人同时负责两台分齿机,自动化程度大大提高。而与进口设备价格相比,本系统约为其价格的 1/3 到 1/4 左右。
6 结语
为提高带锯条分齿量测量效率,开发了基于激光位移传感器的带锯条分齿在线检测系统,得出主要结论如下:
(1)研究了分齿量的检测原理,采用了在带锯条两侧分别安装两个激光位移传感器的设计思路,消除了带锯条在垂面方向抖动对测量结果的影响。
(2)设计了机械结构和主要硬件系统,设计了激光位移传感器自动定位系统,提高了本系统的自动化程度。
(3) 基于 LabV IEW 开发了测屉软件 ,可实时计算分齿量值,当该值连续超差时报警并停机。
(4) 实验分析证明,ILil I、ILiR I的均值均小千0. 015mm, 、均小于 0.01mm, 验证了分齿量自动检测值的准确性,检测效率提高近2倍,每台检测设备可替代人工 1 人 ,自动化程度大大提高,同时该系统设备成本相比进口设备降低了 2/3 到 3/4。
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