长材矫直工序中直线度在线检测装置及方法与流程

本发明属于工业检测技术领域，特别提供了一种长材矫直工序中直线度在线检测装置及方法。

背景技术：

长材(如直径10～95mm，长度3～6m及以上的高速工具钢圆棒材)是一类广泛应用于机械制造、建筑工程、厨具加工等行业的材料，其直线度是重要的品质参数，它以每米长度上长材轮廓相对于理想直线轮廓的最大偏离尺寸来衡量，比如1～3mm/m(一般要求)，0.5mm/m(较高要求)。在生产长材的过程中，为了保证其直线度合乎要求，一般要使用矫直机对长材进行矫直。

典型的长材矫直工序由下面步骤组成：第1步，通过天车将待矫直长材放置在上料台架上；第2步，驱动矫直机连续进行下面的操作：1)上料机构依次将各支长材搬运到矫直机的输入辊道上；2)辊道以一定速度将长材沿长度方向输送到矫直机内；3)长材一边接受矫直机矫直，一边通过输出辊道或滑道输出,输出速度6～13m/min或更高；4)下料机构将长材搬运到到下料台架上；第3步，通过天车将下料台架上的长材运送到分拣处，通过人工或自动设备进行直线度检验：如果不合格，将其返回矫直机重新矫直；否则，进入下一步工序。

从上面操作过程可以看出，现有的矫直工序存在以下不足：(1)离线测量影响了生产的连续性，降低了生产效率；(2)由于不能及时反映质量问题给上一工序，导致废品率增高。

因此，迫切需要一种在矫直机出口附近进行在线直线度测量的技术。

GB/T 11336-2004的5.1给出了直线度测量的各种方法，包括指示器法、光轴法等方法。

研究人员在此基础上开展了7种用于工业现场的在线直线度测量系统。前4种见于下面文献中：赵西韩,马强,徐驰,雷超.在线直线度检测系统的分析使用对比[A].中国计量协会冶金分会.中国计量协会冶金分会2014年会暨能源计量与绿色冶金论坛论文集[C].中国计量协会冶金分会:,2014:5，其中描述了机械百分表/千分表直线度测量系统(基于指示器法)、激光线性检测直线度测量系统(基于光轴法)、线性位移传感器检测直线度测量系统(基于指示器法)、激光视觉检测直线度测量系统(基于指示器法)。后3种系统是带图像处理的激光线性检测直线度测量系统(虞丽娜.基于图像处理的炮筒直线度测量系统设计[D].内蒙古科技大学,2014)、探头扫描直线度测量系统(杨娇娇.基于多探头扫描法的直线度测量方法研究[D].上海交通大学,2013)，和机器视觉检测直线度测量系统(李小涛,杜晓晴,李小嘎,田健.钢管直线度的机器视觉测量系统设计[J].光学技术,2011,03:317-321)，这3种都以指示器法为基础。

上述7种典型的直线度在线测量系统中，机械百分表/千分表检测、激光线性检测、线性位移传感器检测、带图像处理的激光线性检测、探头扫描检测这5种直线度测量系统都存在和长材接触的部件，因磨损等原因不太适合矫直机后长材直线度在线测量。

激光视觉检测这种直线度测量系统属于非接触方法，其中每个相机测量激光照射在工件上形成的工件轮廓线的二维图像。现有激光视觉检测直线度测量系统的精度为1mm/m(赵西韩,马强,徐驰,雷超.在线直线度检测系统的分析使用对比[A].中国计量协会冶金分会.中国计量协会冶金分会2014年会暨能源计量与绿色冶金论坛论文集[C].中国计量协会冶金分会:,2014:5)，这对于直线度测量范围为0.5mm/m或以下，以及1～3mm/m的长材无法胜任。

机器视觉检测这种直线度测量系统也属于非接触方法，其中每个相机都测量一段长度的二维图像，所以需要添加旋转机构使被测对象绕其纵轴线旋转，这样才可实现对整个轮廓的测量。但这对在矫直机后由辊道驱动快速直线移动的长材而言，难以实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种长材矫直工序中直线度在线检测装置及方法，简单有效、使用方便、成本合理。

本发明所述的装置包括传感器支架4、轮廓点位置测量传感器阵列5、传感器阵列数据线6、数据转换器7、数据通讯线8、直线度测量计算机9、继电器控制线10、继电器控制器11、报警灯控制导线12、报警灯独立开关13、声光报警灯14、220V供电线15。

辊道1和辊轮2通过轴承和螺栓相连；长材3和辊轮2接触，辊轮2在电机作用下做定向转动，通过辊轮2的摩擦牵引，长材3在辊轮2表面上相对于辊道1朝固定方向运动；激光测量传感器5通过螺钉固定在传感器支架4上；传感器支架4通过螺栓固定在辊道1上；直线度测量计算机9平稳放置在操作台16上；数据转换器7、继电器控制器11、声光报警灯14通过螺钉固定在操作台16上；激光测量传感器阵列5和数据转换器7通过传感器阵列数据线6相连；数据转换器7和直线度测量计算机9通过数据通讯线8相连；直线度测量计算机9和继电器控制器11通过继电器控制线10相连；继电器控制器11和报警灯电源开关通过报警灯控制导线12相连；报警灯电源开关13和声光报警灯14通过导线相连；来自220V市电的220V供电线15分为两个并联支路，一路和直线度测量计算机9相连,另一路和声光报警灯12相连。

本发明的在线检测方法包括如下步骤：

1.明确长材3的参数，包括直线度的测量范围和精度，长材3的截面形状和尺寸，长材运行速度等参数。

2.选配轮廓测量传感器阵列5安装在传感器支架4上，再将传感器支架4安装在矫直机后适当位置，具体如下：

确保传感器支架4安装在距矫直机输出口一定距离D，传感器支架4的两侧都有用于传输长材3的辊道或滑道；

安装在传感器支架4上的轮廓点位置传感器阵列5由N×(2×M)个轮廓点位置测量传感器组成，这里M不小于1，N不小于3。轮廓点位置测量传感器的原理如图1所示。每个轮廓点位置测量传感器能测量2个轮廓点的位置。各传感器的发射透镜中心位于长度为L、直径为K的的圆柱面上，且按网格状均匀排列。从圆柱面的径向方向看，所有传感器的发射透镜中心点连接成N个彼此平行的圆，每个圆上有2*M个点；从圆柱面纵轴线方向看，所有传感器的激光发射起始点连接成2*M条圆柱母线，每条母线上有N个点；各传感器的激光输出光轴都垂直于辊轮传输长材的方向，且和圆柱面的纵轴线相交；

确保长材和轮廓点位置测量传感器阵列5不接触。

确保通过吹扫使长材3表面没有冷却液等物质覆盖。确保测量前使用镜布擦拭轮廓位置测量传感器的光窗，使其洁净。

3.加电启动测量装置，在直线度测量计算机9的软件的界面，设置好测量参数，按“开始测量”按钮开始一批长材3的测量。

4.启动矫直机对各长材3进行矫直，长材3依次从矫直机出口沿辊道运行，通过本发明装置的轮廓点位置测量传感器阵列5。直线度测量计算机9按设定时间间隔周期地同时测量给定长度区间上长材3的所有轮廓点坐标。

5.直线度测量计算机9自动计算长材3的直线度。计算方法是：对于每个长度区间Qi(i＝1,2...n)，这些轮廓点形成2*M条母线Mij(j＝1,2,...2*M)。对于每条母线Mij，将其上的首点和尾点连成一条直线，计算其他点相对于此直线的偏差值，若点在此直线上方，为正偏差值；若点在此直线下方，为负偏差值。设最大正偏差值为p_ij，最小负偏差值为n_ij,如图3所示，则该母线的直线度S_ij＝p_ij-n_ij。长材的直线度

6.直线度显示、数据存储和报警。在直线度测量计算机9的界面上自动以数值和曲线显示当前长材3在给定区间的直线度，上一支长材3的直线度，和已加工长材3的数量及合格率，并将这些数据，连同传感器测量到的原始数据及存储在直线度测量计算机9中。如果发现长材3直线度不合格，进行声光报警，并告知在哪处不合格。

7.测量完成后，关闭测量装置。

附图说明

图1为本发明装置结构图。其中：辊道1、辊轮2、长材3、传感器支架4、轮廓点位置测量传感器阵列5、传感器阵列数据线6、数据转换器7、数据通讯线8、直线度测量计算机9、继电器控制线10、继电器控制器11、报警灯控制导线12、报警灯电源开关13、声光报警灯14、220V供电线15、操作台16。

图2是轮廓点位置测量传感器测量原理图。它由发射器和接收器构成。发射器中的激光器发出的一条激光线由旋转八面镜扩束后，经过发射透镜形成平行光并照射到长材3上。由于长材3对光的遮挡作用，光线经过接收透镜后形成部分阴影，从而在光电元件上形成阴影图像，阴影图像的上下边缘分别对应于长材3的上下轮廓点Ui和Vi。通过对图像进行分析，利用图像像素和长材3尺寸之间的对应关系，可以确定出Ui和Vi的准确位置。其中O为发射透镜和接收透镜中心连线的中点。OY定义为由发射透镜中心指向接收透镜中心的数轴。OZ为过O垂直于OY且在激光发射面内的数轴，OX为垂直于YOZ平面指向纸外的数轴。U和V的位置即为在Z上的坐标zu和zv。

图3为任意一个给定长度区间上给定母线的直线度的计算原理图。

图4本发明针对一类圆形长材的实施效果图。

具体实施方式：

本发明所述的装置包括传感器支架4、轮廓点位置测量传感器阵列5、传感器阵列数据线6、数据转换器7、数据通讯线8、直线度测量计算机9、继电器控制线10、继电器控制器11、报警灯控制导线12、报警灯独立开关13、声光报警灯14、220V供电线15。

辊道1和辊轮2通过轴承和螺栓相连；长材3和辊轮2接触，辊轮2在电机作用下做定向转动，通过辊轮2的摩擦牵引，长材3在辊轮2表面上相对于辊道1朝固定方向运动；激光测量传感器5通过螺钉固定在传感器支架4上；传感器支架4通过螺栓固定在辊道1上；直线度测量计算机9平稳放置在操作台16上；数据转换器7、继电器控制器11、声光报警灯14通过螺钉固定在操作台16上；激光测量传感器阵列5和数据转换器7通过传感器阵列数据线6相连；数据转换器7和直线度测量计算机9通过数据通讯线8相连；直线度测量计算机9和继电器控制器11通过继电器控制线10相连；继电器控制器11和报警灯电源开关通过报警灯控制导线12相连；报警灯电源开关13和声光报警灯14通过导线相连；来自220V市电的220V供电线15分为两个并联支路，一路和直线度测量计算机9相连,另一路和声光报警灯12相连。

下面以一种长圆棒材为例说明本发明的具体实施方法。

1.确定一批需要经过矫直并在线测量直线度的长材，要求直线度测量范围为0～2mm，精度为±0.05mm。长材截面为圆形，直径在60mm，长为4m。矫直机为两辊矫直机，长材从矫直机出口出来后沿辊道以9m/s速度。

2.在矫直后2m位置安装好本发明的装置，轮廓点位置测量传感器选用激光测径仪ODAC 151(测量范围1～150mm，精度±10um,测量间隔5ms)，数量为12个(N＝3，M＝4)，在1m长度的圆柱面上均匀布置；从圆柱面的径向看，每4个传感器进行一个圆面，一共形成3个这样的圆面，相邻两个圆面的距离为1m；圆柱面的直径为500mm。调整装置，使圆柱面的纵轴线和辊道运行方向平行，且长材3在辊轮上运行时，长材3的轴线和圆柱面的纵轴线的最大距离不超过5mm。这样确保了长材通过轮廓点位置传感器阵列5时，和它不接触。

确保通过吹扫使长材3表面没有冷却液等物质覆盖。确保测量前使用镜布擦拭轮廓位置测量传感器的光窗，使其洁净。

3.加电启动测量装置，在直线度测量计算机9的软件的界面，设置好测量参数，按“开始测量”按钮开始一批长材3的测量。

4.启动矫直机对各长材3进行矫直，长材3依次从矫直机出口沿辊道运行，通过本发明装置的轮廓点位置测量传感器阵列5。直线度测量计算机9按设定时间间隔(5ms)周期地同时测量给定长度区间上长材的所有轮廓点坐标。

5.直线度测量计算机9自动计算长材的直线度，见按本发明所述方法的步骤5。

6.直线度显示、数据存储和报警。按本发明所述方法的步骤6进行。

7.测量完成后，关闭测量装置。

本发明实施的效果如图4所示。