激光测量技术在热态成品车轮尺寸测量中的应用

激光测量技术在热态成品车轮尺寸测量中的应用
孙旺明
【摘要】激光三角法测量原理是目前光学测量应用最广泛的方法之一.其原理是光源发生器发出结构光光源(一般为激光点光源)到被测工件的表面,通过光学系统成像到线阵CCD或面阵CCD上的位置,由几何三角关系,从像点在CCD上的位置即可计算得到工件的高度尺寸,再通过测量系统的测量运动(即扫描运动)得到工件的全部外形尺寸.着重介绍热态成品车轮激光检测装置的结构配置及其完成的主要功能.【期刊名称】《安徽冶金科技职业学院学报》
【年(卷),期】2013(023)001
【总页数】4页(P30-33)
【关键词】成品车轮;三角测量原理;CCD图像传感器
【作者】孙旺明
【作者单位】马钢股份公司车轮公司安徽马鞍山 243000
【正文语种】中文
【中图分类】TP206.1
随着我国铁路建设跨越式发展，铁路交通现代化的步伐日益加快，国内新造机车车辆和引进高速列车的快速增加加大了对车轮产品的需求［1，2］。

马钢车轮公司车轮产品在国内市场供不应求，为此马钢公司实施建设了2#车轮压轧生产线［3］。

该生产线是1条流水作业线，生产主要由“三大机组”完成:分别为 90
MN车轮预成型油压机、DRAW1250车轮轧机和50 MN车轮压弯冲孔油压机。

车轮压轧完成后由传递机械手送至热态成品车轮检测工作站测量。

热态成品车轮检测工作站采用光学非接触检测技术实现对热态成品车轮全轮廓扫描，并构建完整的车轮轮廓及实际尺寸数据库，实时对超限车轮进行报警，实现生产中对所有成品车轮的检测和记录。

1 热态成品检测工作站的构成
热态成品车轮检测工作站是由摩尔迈科集团下的Tecnogamma公司设计开发，
工作站由以下部件组成:3个激光检测单元，1套机械装置，1个电器柜，1套控制、处理和显示系统，1套连接电缆。

其示意图如图1。

1.1 激光检测单元
该系统采用德国先进激光传感器，功能强大、轻便实用、坚固耐用，专为马钢车轮公司设计。

其激光检测单元如图2所示。

3个检测单元底盘里有特殊的冷却通道，可进行水循环冷却，以保证系统的热稳定性。

位于被测物体上面和下面的测量装置上安装有光热仪，利用红外线可以确定物体的温度，而且将信息发送给处理装置。

这个测试仪装有扫描仪，它能测定车轮上下表面任一点的温度。

这使得在足够的精度下检测车轮的真实温度成为可能，甚至在有氧化铁皮的情况下，这样获得的数据能为热膨胀提供自动补偿。

每一个检测装置有自己的电子管理系统，通过光缆实现与处理控制单元的通讯。

1.2 机械设备
3套测试装置安装在1个机械结构中，该机械设备具有以下作用:支撑测试装置，
通风、冷却和清洗测试装置，测试系统的标定，工件定位，控制工件旋转。

此设备由10 mm的金属板制作，控制柜内装有1个风扇。

因为热量有可能聚集在此结构中，同时压迫激光TV摄像机的光通道窗口，而风扇可提供流动的空气，强迫对流，驱散热量。

为减少震动，此结构被固定在硬度为60 shore a、厚度为20
mm橡胶垫板上。

该设备安装的装置有电子线路接线盒，气动连接块，冷却水连接块。

1.3 电气控制柜及处理和显示系统
电气控制柜包括2台数据处理机和1台服务器，有以下装置:主开关，电源，数字输入-输出界面，变极器，线路终端板。

系统控制和精密单元使用特殊开发的软件，并将结果传输给服务器用于文件归档和用户管理。

提供以下基本功能:测试点的极坐标数据;数据的线性化并传输到笛卡尔坐标系;所测点的线性和圆弧插补;机器设置的修正(精密单元的位置，几何参数和目标节奏等);与上、下位机数据交换的测试。

1.4 主要技术特性
分辨率0.07 mm，最大系统误差±0.5 mm，平均旋转时间18 s，获取一个点的时间2 ms，获取一个截面的平均时间 1 s，每个截面的平均点数1500，检测截面的平均数18，连接电缆的最大长度50 m，每个检测单元的尺寸710 mm×290 mm×125 mm。

2 激光检测单元工作原理
2.1 激光检测单元的测量原理
此设备是一套利用三角原理测量的特殊系统。

方法是利用2个轴，其中一个轴是激光束，另一个是位于另一端、处于特定距离的测量传感器聚焦轴，且具有一个特定的倾斜角度，以获得三角测量效果［4，5］。

该单元的测量原理见图 3。

图3 激光检测单元的测量原理
激光束垂直射到被测物体表面。

激光原始点P1与系统机械固定的汇集点P2之间的距离为D1。

激光束的角度θ1是90°并且也被汇集到系统机械固定点。

当位于
P2点的传感器检测到相应的数据后，检测轴θ2的倾斜角度即可被确定。

因此激
光原始点P1与检测物品表面Pa之间的距离Da可由下式得出［6］:
由式(1)可以看出距离Da是角度θ2的函数，θ2可以由特殊的传感器检测。

由图
4看出，光学系统在P2点被定位以测试轴聚焦到位于P3点的传感器平面上。

由
此可以看出，被测表面的距离若由Da变到Db，将引起P3点传感器平面上相应
比例的位置变化。

为测试这个位置使用一种“CCD”传感器。

实际上，它是由一
系列排列起来的测试点-像素组成。

该设备用的是6000点的传感器，传感器的分
辨率被一个特殊的像素信号分析系统放大。

这种分析技术能够辨认“微小像素”，可使分辨率达到12000点。

这对于仅确认距离是足够的，这是一个称之为“V”的极坐标。

为了检测第二个射线发射和测试点的坐标，将进行扫描。

扫描系统由固定在1个轴上的1对摄像镜
组成，这个轴由高分辨步进马达驱动旋转。

轴的最终角度描述为坐标α。

采用运动学的设计方法使对整个区域的扫描分辨率可达到200000 点［7］。

图4 激光检测单元的工作原理
2.2 车轮断面的测量原理
此系统能够利用三角原理测量原始点和分布于被测表面的一系列点之间的距离。

扫描仪的每一个位置能识别被测表面的1个点，所以传感器能够读取一系列的点，而且能测量与原始点之间相应的距离，分辨率为区域的1/12000。

通常工作区域
为800 mm，所以最差的分辨率为0.07 mm。

考虑到以下因素:几个TV摄像头共同测量，校准阶段的测量误差，光学误差，动态现象等引起的误差，车轮尺寸最终精度可达到±0.5 mm。

平均扫描时间为1 s，获取时间为2 ms，则清楚的平均检
测扫描点数为500点。

测试点的分布取决于扫描的角速度，扫描主要是根据车轮
的名义几何形状优化困难区域点的获取。

为了读取车轮的整个断面，所用的机构采用3套检测单元。

根据车轮外廓上分布的多点坐标的获取，此结构可测量截面，对整个截面平均可获得15000个点。

在测量期间，车轮放在1个由变极齿轮马达驱动旋转的平台上，平台的旋转速度可以适应生产节奏。

平台的位置由1个增加的编码器检测，来提供确定1个点在空间位置所需的第3个坐标。

3 项目运行结果
采用该系统检测出的车轮轮廓结果见图5。

自2004年10月份投入使用后，该系统运行情况良好，具有检测能力高、可连续检测，实现100%车轮数据记录;检测出的数据可靠性高、消除了人工检测的随机性、实现了质量数据信息化。

光电检测部件采用3个德国先进激光传感器，内部配有温度调节系统，可保证在工厂作业环境下正常完成检测作业。

3个激光测头呈三角形分布，对应车轮的内外板和踏面通过工作台可以将车轮旋转360°，能准确测得整个车轮轮廓数据，并按照车轮的ID信息记录到系统中。

这些数据包括轮型、图号、轮廓尺寸、合格车轮尺寸限定值、实际检测尺寸范围和报警、测量时间和日期，同时包括车轮的质量数据，即圆度、同心度、平行度等。

每个车轮的信息存储在数据库中，可从工厂的管理系统中调出，可按照客户的要求打印出车轮的最终检测报告和车轮质量报告。

图5 检测出的车轮轮廓图形
4 结语
常规生产厂家在对热态车轮尺寸测量时一般采用样板尺进行人工测量，不可避免地存在效率低、随机性大、周期长等问题。

采用光学非接触检测工作站，通过机械手上下料，可自动完成对成品轮的检测，并构建车轮检测的数据模型。

具有检测能力高、可连续检测，实现100%车轮数据记录;检测出的数据可靠性高、消除了人工检测的随机性、实现了质量数据信息化，提高了系统的控制水平和可靠性，同时大大降低了系统运行、维护成本，为整个马钢车轮扩能改造的顺产提供了重要的技术
保障。

参考文献
【相关文献】
［1］张磊，沈晓辉，蒋宗好.大直径车轮钢坯加热工艺的有限元分析及优化［J］.安徽工业大学学报:自然科学版，2011，28(4):366-370.
［2］虞长银，汪世益.一种全自动液压机械手在马钢车轮公司的应用［J］.安徽冶金科技职业学院学报，2011，21(1):10-12.
［3］孙旺明.31.5MN车轮预成型油压机自动控制系统研究［J］.冶金动力，2012(4):75-77. ［4］郭隐彪.激光检测技术的发展［J］.激光与光电学进展，2006，43(10):71-73.
［5］赵斌，侯金龙.基于PSD激光三角测量的非线性校正电路［J］.传感器技术，2005，24(6):9-11.
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［7］吴剑锋，王文，陈子辰.激光三角法测量误差分析与精度提高研究［J］.机电工程，2003，20(5):89-91.。