巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測方法及裝置的製作方法
2023-06-14 07:29:46
專利名稱：巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械與電子技術領域,涉及巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢 測方法及裝置。
背景技術：
巨型模鍛液壓機是目前宇航、航空、原子能、汽車、船舶等工業中必不可少的關鍵 設備，也是重型機械製造業的重要設備，它對於一個國家的國防工業及重型機械製造業 等領域的技術水平與生產率有著關鍵的作用，是一個國家工業化程度和經濟、國防實力 的重要標誌之一。巨型模鍛液壓機本體一般由機架、液壓缸、活動部件及其導向裝置組成。工作時液 壓缸產生壓力推動活動部件沿導向裝置運動，完成液壓機的鍛壓過程。活動部件沿導向 裝置來回運動的方向為其工作方向，其它方向的運動則稱為液壓機活動部件非工作方向 的偏移。液壓機長時間運行後會造成活動部件與導向裝置的摩擦磨損嚴重，再加上工作 過程巨大載荷下的劇烈振動、衝擊的影響，活動部件很容易發生非工作方向的偏移。液壓機活動部件非工作方向的偏移將影響液壓機的正常工作。對於巨型模鍛液壓機 而言，它將影響模具合模精度，影響鍛件質量，並產生載荷奇異傳遞和巨大的偏載附加 內力，直接影響大型構件受力狀況和水壓機的強度、剛度，造成機體磨損不均勻，縮短 機體壽命，嚴重時損壞產品、壓壞模具，甚至損壞液壓機本體，給國家和企業造成重大 損失。目前，國內對於大型鍛造液壓機活動部件非工作方向偏移缺乏有效的檢測手段， 該方面的研究工作也未見任何公開報導。其活動部件非工作方向偏移檢測及調整大多 以人工為主，這種檢測方法工作量大、精度低、缺乏科學性。國外，對於巨型液壓機 的研究開發均作為技術秘密未予公開。由於缺少活動橫梁橫向偏移的在線檢測數據資 料，對於研究大慣量多約束活動橫梁空間受控運動規律、避免水壓機活動橫梁橫向偏移而產生巨大的偏心載荷、優化水壓機鍛造工藝過程、提高產品質量帶來了困難。因 此，活動橫梁橫向偏移二維位置檢測系統的開發與研究是非常必要的。然而，巨型模 鍛液壓機具有結構巨大，現場環境惡劣，幹擾嚴重，活動部件行程長，衝擊、振動劇 烈，信號傳輸線路長，控制系統的布線受到諸多限制等特點常規的檢測方法及手段 難以適應其特殊的工作環境，因此，為實現巨型模鍛液壓機特殊環境下的活動橫梁非 工作方向偏移檢測功能，有必要開發一種高可靠性、高靈活性的液壓機活動橫梁非工 作方向偏移檢測系統。發明內容本發明的目的在於針對巨型模鍛液壓機特殊工作環境，克服現有技術之不足而提供 一種巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測方法及裝置，該裝置安裝操作簡便， 可靠性、靈活性高，實用性強。為實現上述目的，本發明的技術方案為一種巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測方法，其特徵在於，在巨型模鍛 液壓機活動橫梁的2個頂點處設置用於圖像檢測的2個檢測標誌物第1檢測標誌物 和第2檢測標誌物，通過與所述檢測標誌物在豎直方向上保持位移不變的2個CCD圖 像傳感器分別檢測所述2個檢測標誌物的水平偏移量；最後根據所述的2個檢測標誌 物的水平偏移量計算巨型模鍛液壓機活動橫梁中心位置的水平偏移量，即得巨型模鍛 液壓機活動橫梁非工作方向的偏移量。所述的巨型模鍛液壓機活動橫梁中心位置非工作方向的偏移量為橫向偏移量Al，縱向偏移量Ay，繞中心位置的角度偏轉為々，計算公式為U。^ = ^±^— HX(U。);式中;c。，凡分別為第1檢測標誌物的橫坐標和縱坐2 2("x廣x。) A 7/x(>:A—x。 一丄)Av =凡+y6 +~~~~^標，A，^分別為第2檢測標誌物的橫坐標和縱坐標，"i/分別為巨型模鍛液壓機活動 橫梁的長和寬的長度。一種巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測裝置，其特徵在於，在巨型模 鍛液壓機活動橫梁的2個頂角處各設置一套單點偏移量檢測裝置，每一套單點偏移量 檢測裝置包括設置在巨型模鍛液壓機活動橫梁上的連接支架、設置在連接支架上的檢 測標誌物、豎直方向設置的導軌、可沿所述導軌滑動的滑塊，所述的滑塊上設置有CCD 圖像傳感器；所述的滑塊與連接支架連接；所述的CCD圖像傳感器在所述的檢測標誌 物的正上方。所述的滑塊與連接支架通過滾珠彈簧緩衝裝置連接。圖1描述了本發明---種巨型模鍛液壓機活動部件非工作方向偏移檢測裝置的結構，其特徵在於在活動橫梁兩個頂角測點處裝有沿豎直方向運動的導軌滑塊裝置， 活動橫梁1通過聯接支架3與滑塊7相聯接，且其聯接處設有滾珠彈簧緩衝裝置6 ; CCD圖像傳感器、嵌入式圖像處理模塊、無線傳輸模塊封裝於一體，所述封裝盒l 0固 定於滑塊7上；拍攝鏡頭9安裝在封裝盒1 0 (即圖像檢測模塊)上，且鏡頭朝下安 裝；檢測標誌物8固定於活動橫梁聯接支架上，且位於拍攝鏡頭9的正下方。本發明所採用的技術方案如下利用兩個高速CCD圖像傳感器拍攝位於巨型模鍛 液壓機活動橫梁兩頂角處的檢測標誌物，根據實時拍攝的檢測標誌物圖像及橫梁基準 位置時的檢測標誌物圖像，通過嵌入式圖像處理模塊運用圖像處理算法進行數字圖像 處理，求得巨型模鍛液壓機活動橫梁兩個頂角相對於基準位置的二維偏移值，再通過 中心位置數學模型得到活動橫梁中心的二維偏移量及活動橫梁的角度偏轉，並由無線 網絡傳輸模塊完成檢測信號的遠距離全數位化無線網絡通信，最後通過PLC控制器及 上位計算機系統實現活動橫梁非工作方向偏移的狀態監控。本發明---種巨型模鍛液壓機活動部件非工作方向偏移檢測方法及裝置，所述的嵌入式圖像處理模塊為DSP處理器。本發明---種巨型模鍛液壓機活動部件非工作方向偏移檢測方法及裝置，所述的無線傳輸技術採用半雙工、實時收發技術。本發明---種巨型模鍛液壓機活動部件非工作方向偏移檢測方法及裝置，所述的PLC控制器通過自由口通訊模式實現與無線接收模塊的數據通信。本發明---種巨型模鍛液壓機活動部件非工作方向偏移檢測方法及裝置，所述的上位計算機與PLC控制器通過Prof ibus-DP工業現場總線實現數據通信。本發明---種巨型模鍛液壓機活動部件非工作方向偏移檢測方法及裝置，所述的中心位置數學模型基於三角形幾何定位原理。本發明---種巨型模鍛液壓機活動部件非工作方向偏移檢測方法及裝置，所述PLC及上位機系統具有活動橫梁非工作方向偏移超限報警功能。本發明具有的有益效果本發明提出了一種巨型模鍛液壓機活動橫梁橫向二維偏移檢測方法及裝置，基於機 器視覺原理檢測活動橫梁工作時的水平偏移；基於無線傳輸技術，實現數據的數位化無 線傳輸。系統構成簡單，抗幹擾能力強，可靠性高。通過實時有效的對液壓機活動橫梁 橫向偏移情況進行檢測，提高設備的維護效率和產品加工精度，避免因液壓機工作時活 動橫梁偏移過大而帶來的荷奇異傳遞、構件超常附加應力、液壓機機體磨損不均勻等情 況發生，提高液壓機設備的安全性、可靠性、延長設備的使用壽命。
附圖1為本發明實施例中傳感器安裝結構；附圖2為本發明實施例中傳感器測點布置圖此圖為橫梁仰視圖；附圖3為本發明實施例中機器視覺檢測原理圖； 附圖4為本發明實施例中活動橫梁中心偏移檢測中心幾何模型；U為活動橫梁基準位置，V為活動橫梁偏移位置
附圖5為本發明實施例中系統的構成。其中，附圖l中1—活動橫梁，2—照射光源，3—聯接支架，4一保 護罩，5—導軌，6—滾珠彈簧緩衝裝置，7—滑塊，8—檢測標誌物，9 -拍攝鏡頭，1 0 —封裝盒。附圖2中11 一第一傳感器測點，1 2 —第二傳感器測點，1 3 —立柱。 附圖3中1 5—CCD圖像傳感器光敏面，16-鏡頭，17—檢測標誌物。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。 實施例l
巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測系統包括導軌滑塊裝置、高速CCD 圖像傳感器、拍攝鏡頭、嵌入式圖像處理模塊、無線傳輸模塊、PLC及上位計算機。
圖1描述了本發明---種巨型模鍛液壓機活動部件非工作方向偏移檢測裝置的
結構在活動橫梁兩個頂角測點處裝有沿豎直方向運動的導軌滑塊裝置，導軌5安裝 在巨型模鍛液壓機的下固定橫梁上，活動橫梁1通過聯接支架3與滑塊7相接，為了 消除水壓機工作時活動橫梁的衝擊和振動對檢測系統的影響，在活動橫梁與滑塊的聯 接處設有滾珠彈簧緩衝裝置6 ; CCD圖像傳感器、嵌入式圖像處理模塊、無線傳輸模塊 封裝於一體，所述封裝盒1 0固定於滑塊上；拍攝鏡頭9安裝在封裝盒1 0上，且鏡 頭朝下安裝，用於完成檢測標誌物的圖像拍攝與圖像識別處理；檢測標誌物8固定於 活動橫梁聯接支架上，且位於拍攝鏡頭的正下方；照射光源2安裝在目標物附近，其 照射光直射到檢測標誌物8上。活動橫梁上下運動時，活動橫梁1通過聯接支架3帶 動滑塊6上下運動，因而CCD圖像傳感器與檢測標誌物之間的豎直距離保持不變，即 攝像系統的物距不變。而活動橫梁二維偏移引起的檢測標誌物的二維位移可由攝像系 統通過圖像拍攝和圖像識別檢測得到。
圖2為本發明實施例中傳感器測點布置圖；對於巨型模鍛液壓機而言，由於其機 體結構特徵，其活動橫梁中心偏移不能被直接檢測到，而檢測活動橫梁頂角的二維偏 移相對較容易，所以，本發明將第一傳感器測點11和第二傳感器測點1 2布置在活動 橫梁的同側的兩個頂角上，通過檢測活動橫梁兩個頂角的二維偏移，再利用中心位置 數據模型間接得到活動橫梁中心的二維偏移及活動橫梁角度偏移。
圖3為本發明實施例中機器視覺檢測原理圖；將一白色的圓形標誌物置於黑色背 景中，作為攝像系統的檢測標誌物17， 16為鏡頭、15為CCD圖像傳感器光敏面。攝像 系統工作時，檢測標誌物通過透鏡會在CCD圖像傳感器光敏面上成一個像(圓形光斑)。 光敏面為一像素矩陣，當檢測標誌物相對於透鏡移動一定距離時，其在CCD圖像傳感 器光敏面上所成的像也會移過相應的像素值.設檢測標誌物在笛卡爾平面坐標中相對 於基準位置移動的距離為^， ^，檢測標誌物在CCD圖像器光敏面上所成像的中心移過的像素值為化，根據幾何光學知識可得^與A、 ^與i^的光係為
及，和/^是標定係數，單位為mm /pixel (像素值)，其值大小通過攝像系統的實 驗標定後得到。
x,;;為實時拍攝的標誌物圖像的中心位置像素值，x。,;;。為橫梁處於基準位置時標
志物圖像中心位置像素值。拍攝的圖像通過圖像濾波，圖像增強等預處理後可以得到 一個黑底的的白色圓形光斑圖像，可通過圖像處理算法——重心法方便的求得圓形光 斑圖像的中心位置像素值，假設光敏面像素矩陣由s個像素組成。引用重心法計算公式，
每個像素都對應確定的空間坐標(^,;;)及灰度《(、,30，根據重心法的計算公式，則該
光斑圖像的中心位置像素坐標為
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這樣只需要利用圖像處理技術對攝像系統拍攝的檢測標誌物圖像進行處理即可得 到檢測標誌物(橫梁頂角)的實際偏移值。
圖4為本發明實施例中活動橫梁中心偏移檢測三角形幾何定位原理。以活動橫梁 處於基準位置時的中心0點為原點建立絕對坐標系,以該時該活動橫梁的頂點A為原點建立絕對坐標系x。《i;，頂點B為原點建立絕對坐標系i/v;。將A點、B點、
O點三點連接構成一等腰三角形AABO。當活動橫梁發生非工作方向偏移時，AA B O的位置偏移到AA 1 B 1 O 1 。由於在平面X0Y內AA B O^AA 1 B 1 O 1 ， 所以通過得到A點與B點的偏移值，通過幾何關係，即可換算得到活動橫梁中心位置
的二維水平偏移值及繞中心位置的角度偏轉為(")，其數學表達式如下
丄+ ;c6 _ xa
^二x。+^ ^x(>6—凡)
Ay = _ya +76 +~~~~^
圖5為本發明實施例中檢測系統構成。系統硬體主要由檢測標誌物、照明光源、 圖像檢測模塊、無線傳輸模塊、PLC系統、上位計算機，各部分功能簡述如下
檢測標誌物檢測標誌物為一白色的圓形標誌物置於黑色背景中，它固定在活動 橫梁上，隨著活動橫梁的移動而移動，它的作用是在攝像系統拍攝的圖像中形成一成 像光斑，在圖像處理計算中便於圖像目標辨識。
照明光源照射光源將照射光直射到目標物上，以增加攝像機圖像採集後的亮度， 以避免環境自然光線或外界燈光對其工作狀態的影響，提高計算機圖像目標辨識的能 力。
圖像檢測模塊包括CCD圖像傳感器、DSP圖像處理模塊、信號無線傳輸模塊。 系統工作時，CCD圖像傳感器以每秒25幀的高頻率拍攝檢測標誌物的圖像信息，D S P圖像處理模塊通過圖像預處理(圖像去噪、圖像增強)、檢測標誌物中心提取得到 活動橫梁的橫向偏移值，並將檢測信號通過無線傳輸模塊發送出去。
無線傳輸模塊分無線發送模塊和無線接收模塊，無線發送模塊與CCD圖像傳感 器、DSP圖像處理模塊通過多層電路板結構集成於一體，共同構成圖像檢測模塊； 無線接收模塊接收圖像檢測模塊傳輸的檢測信號，並將信號通過RS 4 8 5總線傳送 至PLC系統，PLC通過自由口通訊的方式讀取無線模塊的數據。無線模塊的數據
收發採用半雙工、實時收發技術。
PLC系統PLC系統接收無線模塊得來的檢測標誌物位置信息(x,y坐標)，完成橫梁中心位置偏移及活動橫梁角度偏轉的計算，並由PROFIBUS-DP通訊網絡將數據 傳送至上位機中。偏移超限時，PLC系統發出警報信號。
上位機系統硬體採用研華系列工控機，軟體採用西門子WinCC監控軟體。上位機 系統完成水壓機活動橫梁非工作方向領銜監測系統的動態畫面監控、數據歸檔、參數 設置、數據管理等功能。
權利要求
1.一種巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測方法，其特徵在於，在巨型模鍛液壓機活動橫梁的2個頂點處設置用於圖像檢測的2個檢測標誌物第1檢測標誌物和第2檢測標誌物，通過與所述檢測標誌物在豎直方向上保持位移不變的2個CCD圖像傳感器分別檢測所述2個檢測標誌物的水平偏移量；最後根據所述的2個檢測標誌物的水平偏移量計算巨型模鍛液壓機活動橫梁中心位置的水平偏移量，即得巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向的偏移量。
2.根據權利要求1所述的巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測方法，其 特徵在於，所述的巨型模鍛液壓機活動橫梁中心位置非工作方向的偏移量為橫向偏移量Al，縱向偏移量A力繞中心位置的角度偏轉為/ ，計算公式為，dAx-^^-"x"—凡);式中&，h分別為第1檢測標誌物的橫坐標和縱坐 2 2(丄+ 4-x。)Ay = y。 + ^ +~~~~^ 標，A,^分別為第2檢測標誌物的橫坐標和縱坐標，￡，//分別為巨型模鍛液壓機活動橫梁的長和寬的長度。
3. —種巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測裝置，其特徵在於，在巨型 模鍛液壓機活動橫梁的2個頂角處各設置一套單點偏移量檢測裝置，每一套單點偏移 量檢測裝置包括設置在巨型模鍛液壓機活動橫梁上的連接支架、設置在連接支架上的 檢測標誌物、豎直方向設置的導軌、可沿所述導軌滑動的滑塊，所述的滑塊上設置有 CCD圖像傳感器；所述的滑塊與連接支架連接；所述的CCD圖像傳感器在所述的檢測標 志物的正上方。
4. 根據權利要求3所述的巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測裝置，其 特徵在於，所述的滑塊與連接支架通過滾珠彈簧緩衝裝置連接。
全文摘要
本發明提供一種巨型模鍛液壓機活動橫梁非工作方向偏移檢測方法，利用兩個高速CCD圖像傳感器拍攝位於巨型模鍛液壓機活動橫梁兩頂角處的檢測標誌物，根據實時拍攝的檢測標誌物圖像及橫梁基準位置時的檢測標誌物圖像，通過嵌入式圖像處理模塊運用圖像處理算法進行數字圖像處理，求得巨型模鍛液壓機活動橫梁兩個頂角的二維偏移值，再得到活動橫梁中心的二維偏移量及活動橫梁的角度偏轉，最後通過PLC控制器及上位計算機系統實現活動橫梁非工作方向偏移的狀態監控。本發明通過實時有效的對液壓機活動橫梁橫向偏移進行檢測，大大提高產品加工質量及設備使用的安全性、可靠性、使用和維護效率，延長巨型模鍛液壓機的使用壽命。
文檔編號G01B11/02GK101629809SQ20091004418
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月24日 優先權日2009年8月24日
發明者全凌雲, 彭玉鳳, 譚建平, 暉 陳 申請人:中南大學