专利名称：一种排除轴上直线段的矫直方法
技术领域：
本发明属于一种机械技术领域，具体涉及一种弯曲金属轴的矫直方法。
背景技术：
目前所公布的弯曲金属轴类工件的三点式矫直方法中，针对被矫直段有两个支点 和一个压点，通常将两个支点选择在弯曲段的最低点，而压点选在该段中间的最高点。这样 在施压矫直时，会出现轴的W形变化。这是因为任何连续弯曲的轴类工件，特别是多弯状态 的轴工件，在其弯曲段的最高点和最低点之间，都会有在允许误差范围内的近似直线段，近 似直线段的两端点才分别连接相邻的两个真正的弯曲段。如果支点被选在最低点，显然该 近似直线段也参与了矫直过程，即是说原来本是近似直线段而不需要矫直的部分，也因参 与矫直而被压弯了，因此成为W形。这将导致将大弯压下后，还应继续压矫本来可以避免的 多个小弯，直至压矫到允许的误差范围内。
发明内容
本发明为解决金属轴类工件矫直过程中的W形缺点，提供一种排除轴上在要求误 差范围内的近似直线段的矫直方法。本发明的目的是通过对整轴扫描坐标数据的分析计算，找出轴上在允许公差范 围内的全部近似直线段，将相邻直线段的端点作为参考支点，相邻直线段间的最高点(或 最低点)作为参考压点，这样就将近似直线段排除于压矫力作用范围以外，避免原本是允 许公差范围内的近似直线段被压弯的情况，也就避免了 W形的负面效果。为实现上述发明目的，本发明的原理是将待矫轴扫描的轴心坐标数据进行分析 计算后，得到了轴心线上的全部近似直线段数据和直线段端点坐标，直线端点刚好是与相 邻弯曲弧段的连接点或称相切点，选取两直线相邻的端点作为矫直时的参考支点，两直线 相邻端点之间的弯曲段即是需要真正矫直的弧段。同时根据弯曲弧段的扫描轴心线数据计 算出相对高点作为参考压点。这样就确定了三点矫直的基本支点和压点位置数据，并把全 部计算出的近似直线完全排除在实际矫直力作用范围以外。具体工艺方案是1、将轴两端放在支撑砧座上并在轴表面作好位置和角度标记，以支撑砧座上的轴 中心两点直线连接作为理想直线的X轴，Z轴向上，Y轴与X、Z轴分别垂直构成坐标系；2、采用数值扫描仪作整轴扫描得到整轴轴心线的一组原始坐标集合{Xi、Yi、Zi}， i = 0…η ；3、根据坐标集合({Xi、Yi、Zi}，i = 0. . . η)计算反映轴心线上各点距X轴的实 际距离Li。计算方法为Li = V y2+z2,因此得到轴心线上各点距X轴的实际距离坐标集合 ({Xi、Li}i = 0···η)。4、根据坐标集合({Xi、Li}, i = 0. . . η)计算各弯曲弧段的高点(参考施压点)和 拐点。
高点(参考压点)的计算方法为在({Xi、Li}，i =0…η)集合中，取出{Li}集 合，i = 0…n，将{Li}集合中的各值直接比较从Ltl开始当Li+1 > Li时曲线一直上升； 当Li+1 = Li时，曲线到达该段上顶点，即为图中B点，也即是压点；当Li+1 < Li时，曲线 一直下降。反之可以找到下顶点。即用该方法找出轴心线上所有弯曲弧段的顶点(参考压 点)坐标值。拐点的计算方法为在上升或下降的曲线中Li+1-Li = I Δ I，当从顶点B离开时 Δ I值逐渐增大，然后为一个定值进入直线段，当I Δ I又开始减小，并持续呈减小趋势时
即可认为该点为一个拐点，用E表示该点，相应X轴坐标为(Xe、Le)。以此方法可以连续找 到轴上所有的拐点坐标值。5、根据坐标集合({Xi、Li}, i = 0. . . η)计算轴心线上全部在允许误差范围内的近 似直线段，得到这些直线段的端点坐标。计算方法有两种逐点高度差比较法；逐点斜率比 较法。(1)逐点高度差比较法①、计算轴心线起始段的直线从起始点(XpLtl)开始依次连接到(Xi、Li)点的直 线(i =0...i)，计算(X0、L0)到(Xi、Li)段内的所有点到该直线的垂直距离值，并将所有 垂直距离值除以该直线长度得到各点偏离该直线的偏离率。如果所有偏离率小于事先设定 的允许偏离率，则认为(Xc^Ltl)到(Xi、Li)段为近似直线段，计算进行至其中某点的偏离率 等于事先设定的允许偏离率，则认为对应坐标(Xo、L0)和(Xi、Li)是近似直线段的两个端 点ο②、计算轴心线中间段的直线提取4中的拐点坐标(XE、Le)，依次连接(XE_p LeJ 到(XE+i、LE+i)的直线(i = 1···η)，计算(XE_i、LE_i)到(XE+i、LE+i)内所有点到该直线的垂直 距离绝对值，并将所有垂直距离绝对值除以该直线长度得到各点偏离该直线的偏离率。如 果所有偏离率小于事先设定的允许偏离率，则认为(XE-” LeJ到(XE+i、LE+i)段为近似直线 段，计算进行至其中某点的偏离率等于事先设定的允许偏离率，则认为对应坐标(XE-” LeJ 和(XE+i、LE+i)是近似直线段的两个端点。然后依次提取所有拐点坐标，进行与⑴中②相 同的计算，即可得到轴心线中间段所有直线的端点坐标。(2)逐点斜率比较法①、计算轴心线起始段的直线从起始点(XpLtl)开始依次连接到(Xi、Li)点的直 线(i = 0. . . i)，计算出直线的斜率，同时计算(Xq、Lq)到(Xi、Li)段内的所有点的斜率，然 后将(Xo、L0)到(Xi、Li)段内的所有点的斜率依次与连接直线的斜率相减得到斜率差，如 果该斜率差小于事先设定的差值，则认为(Xc^Ltl)到(Xi、Li)段为近似直线，计算进行至相 等则认为对应坐标(XpLci)和(Xi、Li)是近似直线段的两个端点。②、计算轴心线中间段的直线提取4中的拐点坐标(XE、Le)，依次连接(XE_p LeJ 到(XE+i、LE+i)的直线(i = 1···η)，计算出该直线的斜率，同时计算(Xe-^Lh)到(XE+i、LE+i) 内所有点的斜率，然后将(Xe-^LeJ到(XE+i、LE+i)内所有点的斜率依次与连接直线的斜率相 减得到斜率差，如果该斜率差小于事先设定的差值，则认为(Xe-^LeJ到(XE+i、LE+i)段为近 似直线，计算进行至相等则认为对应坐标(Xe-^LeJ和(XE+i、LE+i)是轴心线中间段近似直线 段的两个端点。然后依次提取所有拐点坐标，进行与(2)中②相同的计算，即可得到轴心线 中间段所有直线的端点坐标。
6、确定对应弯曲段的压点和支点坐标提取4、5对于轴心线上所有的顶点坐标 和近似直线段端点坐标，依次将相邻直线段之间弯曲弧段的顶点坐标规定为参考压点位置 (XDJ > Ldj), j = l...n，将顶点两边与直线的连接点(即直线端点)规定为两个参考支点。7、计算对应弯曲弧段的压下量参考值将两个参考支点直线连接，计算出对应弯 曲弧段内的顶点到该直线的垂直距离，加上回弹量即得到该对应弯曲弧段的压下距离参考 值。8、计算对应压点到最高点的旋转角根据所有顶点坐标(Xw、Ldj)，j = 1. . . n，提 取对应各顶点的原始坐标值(XDj、YDj、YDj)，j = 1. . . n，按Sin α = YDJ/LDJ计算，即可得到各 压点旋转到最高点对应的旋转角。9、根据计算出的各压点位置、对应支点位置、对应压下量、对应旋转角标注在轴表 面上并进行矫直轴操作。本发明的方法具有如下使用效果1、采用数值扫描仪对整轴进行扫描，为分析计算相关矫直参数提供了原始坐标数 据，也为矫直的自动化和智能化提供了基础。尤其是在大型或超大型轴以及精密矫直条件 下矫直时，仅人工检测和人工依靠经验矫直很难满足要求，扫描数据不仅可以提供轴原始 高精度的形位数据，而且可以建模运算出矫直所需的各种参数，为自动和智能矫直的工艺 和设备设计提供了可能。2、排除全部直线段的矫直方法，使矫直工艺中的关键参数即支点、压点位置选择 有了明确依据，避免了过去矫直工艺中由于支点的选择或是最低点，或是随意点而必然出 现的W形状况。3、在精密矫直的工艺中，可以提取足够密集的坐标数据进行计算，满足精密矫直 要求。4、减少了压矫次数，因此提高了矫直工作效率，同时减少了因多次压矫对轴材质 机械性能的影响。
图1为本发明方法的直线段计算示意图
具体实施例方式以下是根据本发明所编制的计算控制软件在中国宝钢3000吨自动矫直机上的实 施例，实践证明本发明方法完全可行。实施例11、将轴两端放在支撑砧座上并在轴表面作好位置和角度标记，以支撑砧座上的轴 中心两点直线连接作为理想直线的X轴，Z轴向上，Y轴与X、Z轴分别垂直构成坐标系；2、采用数值扫描仪沿与两支撑砧座平行的轨道移动作整轴扫描，得到整轴外圆 数据，再根据三点定心原理计算得到整轴轴心线的一组原始坐标集合{Xi、Yi、Zi}，i = 0…η ；3、为了方便计算轴矫直时的压下量，因此根据坐标集合({Xi、Yi、Zi}，i = 0...η) 计算反映轴心线上各点距χ轴的实际距离Li。计算方法为Li = V y2+z2,因此得到轴心线上各点距X轴的实际距离坐标集合({Xi、Li} i = 0... η)。4、根据坐标集合({Xi、Li}, i = 0. . . η)计算各弯曲弧段的顶点(参考施压点)和 拐点。计算拐点的目的是寻找中间近似直线的计算起始点，而拐点通常是中间近似直线的 中间点。计算各弯曲弧段顶点在({Xi、Li}，i = 0…η)集合中，取出{Li}集合，i = 0··· n，将{Li}集合中的各值直接比较从Ltl开始当Li+1 >Li时曲线一直上升；当Li+1 = Li 时，曲线到达该段上顶点，即为图1中B点，也即是压点；当Li+1 < Li时，曲线一直下降。反 之可以找到下顶点。即用该方法找出轴心线上所有弯曲弧段的顶点(参考压点)坐标值。计算各拐点在上升或下降的曲线中设Li+1-Li = I Δ I (I Δ )是两点L相减的绝 对值，取出各顶点数据依次计算。当从顶点B离开时I Δ I值逐渐增大，然后为一个定值进 入直线段，当I Δ I又开始减小，并持续呈减小趋势时即可认为该点为一个拐点，用E表示该 点，相应X轴坐标为(Xe、Le)。反之是Li-Li-I = I Δ |。依次计算找到轴上所有的拐点坐标 值。5、用逐点高度差比较法计算轴心线上全部在允许误差范围内的近似直线段。分别 计算轴起始段和中间段的近似直线。①、计算轴心线起始段的直线从起始点(XpLtl)开始依次连接到(Xi、Li)点的直 线(i =0...i)，计算(X0、L0)到(Xi、Li)段内的所有点到该直线的垂直距离值，并将所有 垂直距离值除以该直线长度得到各点偏离该直线的偏离率。如果所有偏离率小于事先设定 的允许偏离率，则认为(Xc^Ltl)到(Xi、Li)段为近似直线段，计算进行至其中某点的偏离率 等于事先设定的允许偏离率，则认为对应坐标(Xo、L0)和(Xi、Li)是近似直线段的两个端 点ο②、计算轴心线中间段的直线提取4中的拐点坐标(XE、Le)，依次连接(ΧΕ_ρ LeJ 到(XE+i、LE+i)的直线(i = 1···η)，计算(XE_i、LE_i)到(XE+i、LE+i)内所有点到该直线的垂直 距离绝对值，并将所有垂直距离绝对值除以该直线长度得到各点偏离该直线的偏离率。如 果所有偏离率小于事先设定的允许偏离率，则认为(XE-” LeJ到(XE+i、LE+i)段为近似直线 段，计算进行至其中某点的偏离率等于事先设定的允许偏离率，则认为对应坐标(XE-” LeJ 和(XE+i、LE+i)是近似直线段的两个端点。然后依次提取所有拐点坐标，进行与②相同的计 算，即可得到轴心线中间段所有直线的端点坐标。6、确定对应弯曲段的压点和支点坐标提取4、5对于轴心线上所有的顶点坐标 和近似直线段端点坐标，依次将相邻直线段之间弯曲弧段的顶点坐标规定为参考压点位置 (XDJ > Ldj), j = l...n，将顶点两边与直线的连接点(即直线端点)规定为两个参考支点.因 此得到轴上所有压点和对应支点的坐标。7、计算对应弯曲弧段的压下量参考值将两个参考支点直线连接，计算出对应弯 曲弧段内的顶点到该直线的垂直距离，加上回弹量即得到该对应弯曲弧段的压下距离参考 值。依次计算得到轴上与所有弯曲弧段对应的压下量参考值。8、计算对应压点到最高点的旋转角根据所有压点坐标(XW、LW)，j = 1. . . n，提取 2中对应各压(顶)点的原始坐标值(XDj、Ydj> Ydj)，j = 1. . . n，按sin α j = YDJ/LDJ计算， 即可得到各压点旋转到最高点对应的旋转角。依次计算得到轴上所有压点对应旋转到最高 点参考角度值。
9、根据计算出的各压点位置、对应支点位置、对应压下量、对应旋转角标注在轴表 面上并进行矫直轴操作。实施例21、2、3、4、6、7、8、9、步骤同实施例1，第5步如下5、用逐点斜率比较法计算轴心线上全部在允许误差范围内的近似直线段。分别计 算轴起始段和中间段的近似直线。①、计算轴心线起始段的直线从起始点(Xq、Lq)开始依次连接到(Xi、Li)点的直 线(i = 0. . . i)，计算出直线的斜率，同时计算(Xq、Lq)到(Xi、Li)段内的所有点的斜率，然 后将(Xo、L0)到(Xi、Li)段内的所有点的斜率依次与连接直线的斜率相减得到斜率差，如 果该斜率差小于事先设定的差值，则认为(Xc^Ltl)到(Xi、Li)段为近似直线，计算进行至相 等则认为对应坐标(XpLci)和(Xi、Li)是近似直线段的两个端点。同样计算轴末端段的直线从末端点(Xn、Ln)开始依次连接到(Χη_ρ Llri)点的直 线(i = 0. · · i)，计算出直线的斜率，然后将(Xn、Ln)到H)段内的所有点的斜率依次 与连接直线的斜率相减得到斜率差，如果该斜率差小于事先设定的差值，则认为(Xn、Ln)到 (Xn-i> Ln_,)段为近似直线，计算进行至相等则认为对应坐标(Xn、Ln)和(Xn^Llri)是近似直 线段的两个端点。②、计算轴心线中间段的直线提取4中的拐点坐标(XE、Le)，依次连接(ΧΕ_ρ LeJ 到(XE+i、LE+i)的直线(i = 1···η)，计算出该直线的斜率，同时计算(Xe-^Lh)到(XE+i、LE+i) 内所有点的斜率，然后将(Xe-^LeJ到(XE+i、LE+i)内所有点的斜率依次与连接直线的斜率相 减得到斜率差，如果该斜率差小于事先设定的差值，则认为(Xe-^LeJ到(XE+i、LE+i)段为近 似直线，计算进行至相等则认为对应坐标(Xe-^LeJ和(XE+i、LE+i)是轴心线中间段近似直线 段的两个端点。然后依次提取所有拐点坐标，进行相同的计算，即可得到轴心线中间段所有 直线的端点坐标。
权利要求
一种排除轴上直线段的矫直方法，其特征是步骤如下1)、将轴两端放在支撑砧座上并在轴表面作好位置和角度标记，以支撑砧座上的轴中心两点直线连接作为理想直线的X轴，Z轴向上，Y轴与X、Z轴分别垂直构成坐标系；2)、采用数值扫描仪作整轴扫描得到整轴轴心线的一组原始坐标集合{Xi、Yi、Zi}，i＝0...n；3)、根据坐标集合({Xi、Yi、Zi}，i＝0...n)计算反映轴心线上各点距X轴的实际距离Li。计算方法为Li＝√y2+z2，因此得到轴心线上各点距X轴的实际距离坐标集合({Xi、Li}i＝0...n)；4)、根据坐标集合({Xi、Li}，i＝0...n)计算各弯曲弧段的高点(参考施压点)和拐点；5)、根据坐标集合({Xi、Li}，i＝0...n)计算轴心线上全部在允许误差范围内的近似直线段，得到这些直线段的端点坐标；6)、确定对应弯曲段的压点和支点坐标提取4、5对于轴心线上所有的顶点坐标和近似直线段端点坐标，依次将相邻直线段之间弯曲弧段的顶点坐标规定为参考压点位置(XDj、LDj)，j＝1...n，将顶点两边与直线的连接点(即直线端点)规定为两个参考支点；7)、计算对应弯曲弧段的压下量参考值将两个参考支点直线连接，计算出对应弯曲弧段内的顶点到该直线的垂直距离，加上回弹量即得到该对应弯曲弧段的压下距离参考值；8)、计算对应压点到最高点的旋转角根据所有顶点坐标(XDj、LDj)，j＝1...n，提取对应各顶点的原始坐标值(XDj、YDj、YDj)，j＝1...n，按sinα＝YDj/LDj计算，即可得到各压点旋转到最高点对应的旋转角；9)、根据计算出的各压点位置、对应支点位置、对应压下量、对应旋转角标注在轴表面上并进行矫直轴操作。
全文摘要
本发明是一种排除轴上直线段的矫直方法，通过对整轴扫描坐标数据的分析计算，找出轴上在允许公差范围内的全部近似直线段，将相邻直线段的端点作为参考支点，相邻直线段间的最高点(或最低点)作为参考压点，这样就将近似直线段排除于压矫力作用范围以外，避免原本是允许公差范围内的近似直线段被压弯的情况，也就避免了W形的负面效果。将待矫轴扫描的轴心坐标数据进行分析计算后，得到了轴心线上的全部近似直线段数据和直线段端点坐标，选取两直线相邻的端点作为矫直时的参考支点，同时根据弯曲弧段的扫描轴心线数据计算出相对高点作为参考压点。这样就确定了三点矫直的基本支点和压点位置数据，并把全部计算出的近似直线完全排除在实际矫直力作用范围以外。
文档编号B21D3/00GK101890443SQ201010217150
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者于今, 刘世荣, 李永革, 杨继东, 江涛, 胥筱康 申请人:重庆拓润科技有限公司