[发明专利]冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法

摘要

本发明公开了一种冷弯成型过程中钢材横截面轮廓的非接触式测量方法，包括S1：测量系统的初始化定位；S2：对待测钢材底部区域进行局部扫描和测量；S3：计算探头下一个测量工位的X方向移动平台和Y方向伸缩平台各自的运动位移Δx_i和Δy_i；S4：计算激光位移传感器的探头的发射方位角θ_i+1；S5：通过舵机调整好激光位移传感器探头的位置后，重复上述S2；S6：依次重复上述S3～S5，直到最终测完待测钢材的横截面轮廓的所有区域及最后的数据处理和待测钢材轮廓的拟合，该测量方法采用三自由度非接触式测量方法，既克服了传统接触式测量方法在测量过程中会对被测工件表面和测量探头造成损害的缺点，又具有精度高，测量效率高和稳定性好等特点。

主权项

一种冷弯成型过程中变形板带横截面轮廓的非接触式测量方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：测量系统的初始化定位：以X方向移动平台的固定柱和轴承的交叉处为原点O，以X轴丝杆所在的直线为X轴，以垂直于X方向移动平台底座的向上方向为Y轴，建立全局坐标系；以X方向移动平台的X轴丝杆与滑块的接触中点为原点O₁，以X轴丝杆为X₁轴，以Y方向伸缩平台的Y轴丝杆为Y₁轴，建立局部坐标系1；以转动平台的舵机与舵机转动支架连接轴的中点为原点O₂，以平行于全局坐标系X轴、Y轴的方向为X₂轴、Y₂轴建立局部坐标系2；接通步进电机和直线电机的电源后，将测量系统放置在待测变形板带下方，调整Y方向伸缩平台的纵向位置和横向位置，使得激光位移传感器的探头与待测变形板带间距离为H，H为定值，记录H的实际数值以便接下来计算待测变形板带的轮廓坐标，并调节激光位移传感器使其探头的发射口垂直于X方向移动平台并指向待测变形板带；探头所发出光线的偏角范围为α；探头的扫描范围取偏角α的一半，即S2：对待测变形板带底部区域进行局部扫描和测量：设激光位移传感器探头在坐标系中第i个测量工位点为P_i，此工位点下，第k个扫描点为P_i,k，激光位移传感器的探头于Y₂轴方向左右各范围内按照固定的采样间隔测量，依次记录相应测点的距离l_i,k和角度β_i,k，l_i,k为探头到待测变形板带轮廓上各点的距离，β_i,k为激光位移传感器的探头与待测变形板带轮廓上各点的连线与Y₂轴所成的夹角，定义θ_i为激光位移传感器在第i个测量工位点初始扫描位置的成角，即β_i,k，k=0，简便起见，只用一个下标表示，并将所得数据保存；扫描中断的判定：1）无轧辊情况下扫描点的数据为空，可认定测量系统对待测变形板带轮廓的扫描结束，将所得数据保存；2）有轧辊情况下扫描点的数据不为空，但出现当前被测点P_i,k+1的距离数据l_i,k+1与前一点P_i,k的距离数据l_i,k之差大于点P_i,k的距离数据l_i,k与P_i,k‑1的距离数据l_i,k‑1之差的10倍的情况时，认定本系统对待测变形板带轮廓的扫描结束，删除上述异常数据并保存其余点数据；扫描中断判定后，若扫描不结束则进入继续扫描直至该测量工位点扫描结束；若扫描结束则直接进入S7；S3：计算探头下一个测量工位的X方向移动平台和Y方向伸缩平台各自的运动位移Δx_i和Δy_i：设上一个测量工位的扫描点共N个，位于扫描位置最末端的三个点依次为P_i,N‑2、P_i,N‑1、P_i,N，若三点不共线，以三点为顶点组成三角形，作三角形的外接圆，计算其外接圆的曲率半径、外接圆在点P_i,N‑1处切线方向的单位矢量τ_i及法线方向的单位矢量n_i，过点P_i,N‑1沿法线n_i且与探头同一侧方向上计算距离为H的点P_i+1，则点P_i+1为下次激光位移传感器探头的位置坐标，再将前后两点P_i、P_i+1的位置坐标相减得到Δx_i和Δy_i，即为探头移动距离；若三点共线，过三点作一直线，过点P_i,N做垂直于所得直线的垂线，并在垂线上量取距离为H，所对应的点即为下次探头的位置坐标，将前后两点P_i、P_i+1的位置坐标相减得到Δx_i和Δy_i，即为探头移动距离；通过程序算法控制X方向步进电机与Y方向步进电机使激光位移传感器进入下一个测量工位P_i+1；S4：计算激光位移传感器的探头的发射方位角θ_i+1，并依据所得值调整探头的位置，若点P_i,N‑2、P_i,N‑1、P_i,N不共线，则θ_i+1即为法线方向的单位矢量n_i与Y₂轴所成的夹角，即探头由测量工位点P_i到P_i+1后，探头按照顺时针调整角度Δθ＝θ_i+1‑θ_i+α/2；若点P_i,N‑2、P_i,N‑1、P_i,N共线，则探头按照顺时针调整的角度Δθ=α/2；S5：通过舵机调整好激光位移传感器探头的位置后，重复上述S2；S6：依次重复上述S3～S5，直到最终测完待测变形板带的横截面轮廓的所有区域；S7：计算测量点在局部坐标系2中的坐标值结合探头扫描所反馈回来的轮廓扫描点P_i,k的距离数据l_i,k和角度数据β_i,k得出各测量点在局部坐标系2中的坐标值，的计算公式如下：$x_{i,k}^2=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}$$y_{i,k}^2=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}$并将所得数据保存；S8：计算测量点在局部坐标系1中的坐标值：结合Y方向伸缩平台的伸缩长度、激光位移传感器在Y方向伸缩平台上的X₁轴向距离和上步中各点在局部坐标系2中的坐标值可得出各点在局部坐标系1中的相应坐标值，的计算公式如下：$x_{i,k}^1=x_{i,k}^2+x_i^{21}=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}+x_i^{21}$$y_{i,k}^1=y_{i,k}^2+y_i^{21}=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}+y_i^{21}$其中，为原点O₂在局部坐标系1中的坐标，将所得数据保存；S9：计算测量点在全局坐标系中的坐标值(x_i,k,y_i,k)：结合原点O₁在全局坐标系X轴位置及上步中各点在局部坐标系1中的相应坐标值得出各点在全局坐标系中的坐标值，(x_i,k,y_i,k)的计算公式如下：$x_{i,k}=x_{i,k}^1+x_i^1=l_{i,k}\×\sin {\mathrm{\β}}_{i,k}+x_i^{21}+x_i^1$$y_{i,k}=y_{i,k}^1+y_i^1=l_{i,k}\×\cos {\mathrm{\β}}_{i,k}+y_i^{21}+y_i^1$其中，为局部坐标系1的原点O₁在全局坐标系中的位置坐标，将所得数据(x_i,k,y_i,k)保存；S10：根据测量点在全局坐标系下的坐标值，即可通过三次样条法拟合出待测变形板带的横截面轮廓形状。