劉慶運，朱任之，景甜甜，劉 濤

(安徽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243002)

目前全球約有幾十家火車車輪制造廠，其中高速列車車輪制造技術(shù)主要掌握在中、德、日、法等少數(shù)幾個國家手中［1］。在進行動車組車輪的預(yù)壓成型時，軸心線與端面垂直度滿足要求的圓柱型鋼坯被送往環(huán)形爐加熱并除去表面氧化皮，然后通過機械手抓取并送至熱鍛機下的模具上進行模壓成型。車輪預(yù)壓成型實物加工如圖1所示。此時，理論上要求熱態(tài)圓柱鋼坯的軸心線與模具中心線重合，但由于機械手剛性不足、控制系統(tǒng)漂移以及模具更換等原因，導(dǎo)致鋼坯與模具的軸心不重合，即產(chǎn)生偏心。若偏心值較大，將對動車組車輪的生產(chǎn)與使用產(chǎn)生較大影響。首先，偏心會造成工件預(yù)成型失敗或后續(xù)工序沒有足夠的加工余量，嚴(yán)重時導(dǎo)致車輪生產(chǎn)出現(xiàn)批量報廢;其次，鍛壓后的輪箍徑向方向會出現(xiàn)尺寸不均，并具有較大的不平衡質(zhì)量［2］，影響動車運行的平穩(wěn)性和安全性，而且還會產(chǎn)生一個附加力偶，增大車輪與軌道間的摩擦，降低車輪的使用壽命。因此，車輪偏心情況的控制對生產(chǎn)高質(zhì)量的車輪產(chǎn)品和提高經(jīng)濟效益等都起著至關(guān)重要的作用。對于車輪輪箍熱鍛偏心的在線檢測問題，國內(nèi)外學(xué)者已進行了大量的研究，但由于熱鍛輪箍沒有明顯的標(biāo)志點、明暗特征、紋理特征和運動特征，加之高熱噪聲的惡劣環(huán)境，使得車輪熱鍛在線檢測變得相當(dāng)困難［3］。

為防止出現(xiàn)產(chǎn)品批量報廢情況，目前工廠普遍采用人工抽檢的方法對預(yù)壓后的車輪進行偏心檢測，并通過增加投放料的方法作為預(yù)壓偏心的防范與補救措施。這些方法存在以下不足:需要模壓成型的鋼坯溫度高達1200℃，在進行人工抽檢時存在不便和危險;增加投放料造成了原材料和前置加熱工序的能耗浪費，并延長了后續(xù)工序的加工時間，提高了刀具損耗和人力成本。

針對上述問題，本研究利用發(fā)射光線在同一個水平面上、并且光線匯交于一點的4個高精度激光測距傳感器，通過測量鋼坯圓柱表面到傳感器的距離，計算出圓柱鋼坯的軸心線位置，實現(xiàn)紅熱態(tài)圓柱鋼坯軸心線相對于模具中心線的偏心在線檢測功能。

圖1 車輪預(yù)壓成型實物加工

1 檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)的硬件主要由激光測距模塊、傳感與控制模塊、人機交互模塊、激光傳感器防護模塊等4部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成

鋼坯在預(yù)壓成型時的溫度高達1200℃，工件本身的輻射度與激光傳感器發(fā)射器的投射結(jié)構(gòu)光強度相當(dāng)強［4］，紅外干擾引起接收鏡頭上的PSD(position sensitive detector)輸出增大，同時使得PSD難以采集到有用的結(jié)構(gòu)光條紋，嚴(yán)重影響激光傳感器的測量準(zhǔn)確性。因此，通常的激光位移傳感器系統(tǒng)不能完成對熱態(tài)鋼坯的精確測量［5］。

根據(jù)普朗克黑體輻射定律，熱態(tài)鋼坯在多種溫度下的輻射波長和輻射能量關(guān)系如圖3所示［6］。由圖3可知:熱態(tài)鋼坯在1200℃時，其輻射波長基本都在600 nm以上，并且在紅光波長(620～760 nm)范圍內(nèi)的輻射強度較小。因此，本系統(tǒng)激光檢測模塊采用波長為670 nm的紅光激光器，為增強PSD的有效輸出信號，選用的激光強度為2級;同時，在激光傳感器接收面上加裝半帶寬約10 nm、中心波長為670 nm、透射率達95%的帶通光學(xué)濾波片，阻隔其他波長范圍、輻射強度較高的光波進入激光傳感器接收面，以減小或消除熱態(tài)鋼坯自身紅外輻射對測量精度的干擾。

圖3 不同溫度下熱態(tài)鋼坯輻射情況

由于任意3個激光傳感器可以確定一個鋼坯軸心位置，因此系統(tǒng)可確定4個鋼坯軸心。采用四工位測量不僅能減小因熱態(tài)圓柱鋼坯表面鱗片未完全去除或鋼坯表面凹坑等自身缺陷對檢測精度造成的影響，而且可以最大限度地降低軋制過程中鋼坯橫截面呈橢圓形引起的檢測誤差。同時，若某一臺激光傳感器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可自動切換為三工位測量，保證了檢測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

傳感與控制模塊主要由基于CAN總線的現(xiàn)場控制器、信號轉(zhuǎn)換模塊、光電耦合器、溫度傳感器、液位傳感器等構(gòu)成，完成傳感器等輸入信號的采集、處理、運算、分析和繼電器控制指令等輸出信號的傳輸與發(fā)送。由于4臺激光測距傳感器均為RS－422串口輸出，為保證所采集的激光傳感器信號與傳感器安裝位置的對應(yīng)關(guān)系以及信號的遠距離傳輸，本研究利用CAN422信號轉(zhuǎn)換模塊進行 RS－422協(xié)議到 CAN 總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換［7－9］，并通過CAN總線發(fā)送到現(xiàn)場控制器。

人機交互模塊主要是為控制系統(tǒng)、I/O模塊提供一個人性化的操作界面，并通過RS232、CAN總線等協(xié)議與控制系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)與控制指令。本系統(tǒng)將觸摸屏作為人機交互模塊的硬件。觸摸屏與現(xiàn)場控制器通過CAN總線相連接。控制器將外部設(shè)備采集的實時數(shù)據(jù)通過PDO報文的形式傳輸發(fā)送至觸摸屏，以圖表的形式反映鋼坯軸心位置狀態(tài)、外部設(shè)備狀態(tài)及數(shù)據(jù)、設(shè)備故障信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示。同時利用虛擬按鍵，以SDO報文的形式下達指令，實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置及修改。

激光傳感器防護模塊主要包括水冷外殼、循環(huán)水冷卻器、氣動防護門等。由于熱態(tài)鋼坯具有較高的熱輻射，并且每次鋼坯鍛壓結(jié)束后均需要對脫落在模具上的鐵屑進行吹掃清除，同時對上、下模具進行噴水冷卻，造成了工作環(huán)境中存在大量的輻射熱、水霧以及鐵屑，嚴(yán)重影響激光傳感器的正常工作，并可能引起測量的錯誤。因此，為保證激光測距傳感器的正常工作，需要在激光傳感器外部加裝帶有冷卻循環(huán)水通道的冷卻防護外殼，利用冷卻器提供循環(huán)冷卻水，對激光測距傳感器進行強制冷卻，并實時監(jiān)控冷卻水的溫度和液位狀態(tài);同時，需在冷卻防護外殼的前面加裝自動防護門和吹掃系統(tǒng)，使激光傳感器的防護外殼內(nèi)始終處于正壓狀態(tài)，實現(xiàn)對水霧、鐵屑的隔離。

2 軸心線檢測算法

本研究根據(jù)平面內(nèi)3點可以確定一個圓的原理［10］，利用發(fā)射光線在同一個水平面上、并且光線匯交于一點的4個高精度激光測距傳感器測量到圓柱體外圓表面的距離，進而計算出圓柱鋼坯的軸心位置。

由于采用的激光位移傳感器發(fā)射光線為紅色可見光，因此，可通過對激光傳感器安裝位置的標(biāo)定，使4只激光器的激光發(fā)射光線處于同一平面，并匯交于軋機中心。

如圖4所示:以軋機中心為原點建立平面坐標(biāo)系 XOY，a，b，c，四點分別為 1#，2#，3#，4#激光位移傳感器所在的測量工位;La0，Lb0，Lc0，Ld0分別為1#，2#，3#，4#激光位移傳感器至軋機中心的距離;θ1，θ2，θ3，θ4分別為 1#與 4#，1#與 2#，2#與 3#，3#與4#位移傳感器發(fā)射光線之間的夾角;La，Lb，Lc，Ld分別為激光位移傳感器到待測鋼坯圓柱表面的距離;a1，b1，c1，d1分別為激光光線在待測鋼坯圓柱面的投射點。激光傳感器安裝標(biāo)定結(jié)束后，La0，Lb0、Lc0，Ld0及 θ1，θ2，θ3，θ4的值即為已知定值，La，Lb，Lc，Ld的值通過位移傳感器讀數(shù)獲得，a1，b1，c1，d1各點在坐標(biāo)系XOY中的坐標(biāo)值可由式(1)求得。

圖4 檢測系統(tǒng)測量模型

由于模具的安裝存在偏置，造成模具中心與軋機中心不能重合，因此，為檢測鋼坯軸心線相對于模具軸心線的偏差，首先需要求出模具中心在軋機中心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

如圖5所示，設(shè)圖4中直線b1(X2，Y2)的中垂線為 c1(X3，Y3)，直線 d1(X4，Y4)的中垂線為 a1，直線b1與 c1的交點為圓心 O1(x01，y01)，則a1b1的斜率中點坐標(biāo)為的斜率，中點坐標(biāo)為根據(jù)幾何知識，可以求得直線L1和L2的方程:

根據(jù)式(2)，解得 a1，b1，c1三點確定的圓心坐標(biāo) O1(x01，y01):

同理，可求得 a1，b1，c1，d1四點中每 3 點為一組的另外3種不同組合形式下所求得的圓心坐標(biāo):O2(x02，y02)，O3(x03，y03)，O4(x04，y04)。根據(jù)最小二乘法原理，可以求得由 a1，b1，c1，d1四點所確定的最優(yōu)圓心點O5(x5，y5)的坐標(biāo):

式(4)即為已知4點坐標(biāo)時，4點外接圓圓心坐標(biāo)的表達式。在模具安裝標(biāo)定時，可以首先通過式(4)求得模具中心在軋機坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

同理，建立以模具中心為原點的坐標(biāo)系X'O'Y'，采用與模具中心標(biāo)定相同的方法獲得鋼坯的4組圓心坐標(biāo):(x01'，y01')，(x02'，y02')，(x03'，y03')，(x04'，y04')。通過坐標(biāo)變換，可求得實際生產(chǎn)時鋼坯相對于模具參考坐標(biāo)系的軸心坐標(biāo)(x5'，y5')，如式(5)所示。

根據(jù)式(5)，可得到鋼坯軸心坐標(biāo)相對于模具中心坐標(biāo)的偏心值，如式(6)所示。

偏心方位角為

圖5 三點確定圓心

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)接收到來自夾放鋼坯機械手的就位信號后，4臺激光位移傳感器電源通電，進行軸心位置測量，其檢測流程如圖6所示。首先控制器接收、處理總線上的4個距離數(shù)據(jù)，并對處理后的數(shù)據(jù)進行判斷。若鋼坯軸心線相對于模具中心的位置偏差符合要求，則水壓機進入正常軋制成型工序;若不合格，系統(tǒng)報警，水壓機停止工作，并將軸心偏差值、方位信號通過光電耦合器傳送至機械手控制器，進行機械手調(diào)整。

控制系統(tǒng)采用循環(huán)掃描的工作方式，工作過程分為輸入采樣、執(zhí)行用戶程序以及輸出刷新3個階段?，F(xiàn)場控制器通過在CoDeSysV2.3環(huán)境中對全局變量的變量名、寄存器地址、變量類型、針腳標(biāo)號等屬性進行定義。程序運行后，先對各種輸入變量進行采樣，信號經(jīng)標(biāo)定處理后，通過輸出映像寄存器將控制器信號進行輸出刷新。

檢測系統(tǒng)遵循CANopen高層協(xié)議，協(xié)議中規(guī)定必須有且只能有一個主節(jié)點［10－14］。因此，本研究的控制器為主節(jié)點，觸摸顯示屏和4臺激光位移傳感器為從節(jié)點。同時，為使采集到的位移信號與各激光傳感器相對應(yīng)，本研究對每個激光傳感器所在CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的報文標(biāo)識符ID進行不同的設(shè)置(設(shè)計中采用088，090，098，0A0四個不同的標(biāo)識符與激光傳感器信號相對應(yīng))，使得所采集的數(shù)據(jù)與其相應(yīng)的傳感器一一對應(yīng)，實現(xiàn)信號的透明傳輸和鋼坯軸心線方位的確定。

圖6 檢測流程

根據(jù)現(xiàn)場控制要求，總線通訊的主要功能有:①系統(tǒng)上電時，觸摸屏啟動并通過SDO讀取控制器存儲參數(shù);②操作人員通過觸摸屏對初始參數(shù)做出修改時，觸摸屏發(fā)送請求命令來修改控制器存儲參數(shù);③通過總線，控制器接收4臺激光測距傳感器所測量的距離數(shù)據(jù);④控制器利用PDO報文發(fā)送，將經(jīng)過運算、處理后的激光測距傳感器測量數(shù)據(jù)、I/O端口數(shù)據(jù)以及各個狀態(tài)量通過總線發(fā)送至觸摸屏顯示;⑤操作人員通過觸摸屏下達指令，通過總線將指令再次發(fā)送給控制器。本檢測系統(tǒng)主要通訊報文如表1所示。

表1 檢測系統(tǒng)主要通訊報文

系統(tǒng)利用CAN422智能通訊轉(zhuǎn)換模塊完成了RS－422總線到CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時通過對轉(zhuǎn)換模塊進行設(shè)置，實現(xiàn)了CAN總線上多節(jié)點信號的收發(fā)處理。激光測距傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)時，智能通訊轉(zhuǎn)換模塊將接收到的數(shù)據(jù)打包、轉(zhuǎn)換后，加上幀頭和校驗由CAN口發(fā)送到CAN總線。

由于系統(tǒng)報文均采用標(biāo)準(zhǔn)幀報文，每幀最多由11個字節(jié)組成［15－16］(8個數(shù)據(jù)字節(jié)和其他幀信息字節(jié))，RS－422到CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換，需要把多字節(jié)RS－422數(shù)據(jù)組成與CAN數(shù)據(jù)幀對應(yīng)的RS－422幀，然后通過串口中斷程序，以多次串口中斷接收RS－422幀的數(shù)據(jù)，并存放在相應(yīng)的CAN數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動發(fā)送。檢測系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 檢測系統(tǒng)界面

數(shù)據(jù)顯示模塊:控制器將激光測距傳感器與其他傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過PDO發(fā)送至監(jiān)控觸摸屏并在界面上顯示，包括軸心線位置坐標(biāo)、方位、誤差值、檢測數(shù)量等信息。

控制命令模塊:操作人員通過觸摸屏虛擬按鍵進行檢測系統(tǒng)指令下達與初始數(shù)據(jù)設(shè)置，包括檢測模式、抽檢比例、允差設(shè)定等指令操作與數(shù)據(jù)設(shè)置。

報警模塊:當(dāng)單臺激光位移傳感器采樣數(shù)據(jù)超標(biāo)、系統(tǒng)偏心值超差、溫度超限或者某一路外設(shè)通信出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)進行聲光報警，提醒操作人員進行故障排除。

數(shù)據(jù)存儲模塊:保存每一塊鋼坯軸心位置偏心數(shù)值，并制作成報表形式存檔，以備日后調(diào)用。

4 系統(tǒng)調(diào)試與實驗

4.1 系統(tǒng)調(diào)試問題與解決辦法

在系統(tǒng)調(diào)試階段，檢測得到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼與數(shù)據(jù)錯誤現(xiàn)象。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)原因有兩點:CAN422轉(zhuǎn)換模塊的雙向通訊和激光位移傳感器采樣頻率過高。

1)CAN422雙向通訊。CAN422具有雙向通訊功能，既能接收報文也可發(fā)送報文。在設(shè)置之前，4個CAN422模塊中的每個模塊都可能會接收到其他轉(zhuǎn)換模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)混亂。根據(jù)ACR AMR屏蔽原理，發(fā)送到CAN口的報文，只有當(dāng)報文標(biāo)識符ID(1－4)等于驗收屏蔽碼(AMR1－4)對應(yīng)的驗收碼(ACR1－4)的那些位時，報文才予以接收［17－18］。為使每個 CAN422 只能發(fā)送報文給控制器，屏蔽接收來自其他節(jié)點的報文，將CAN422中驗收屏蔽碼(AMR1－4)全部設(shè)為0。

2)激光測距傳感器采樣頻率。本系統(tǒng)激光測距傳感器的測量頻率為1kHz，而CAN422轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換速率相對較低，導(dǎo)致CAN422模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)通道堵塞，出現(xiàn)報錯現(xiàn)象。通過對激光位移傳感器微控制器進行設(shè)置，將每測得的10組數(shù)據(jù)打包并求平均值后，再經(jīng)RS－422端口發(fā)送至CAN422轉(zhuǎn)換模塊，問題得到解決。

4.2 檢測實驗

實驗初始參數(shù)如表2所示。將模具樣件放置在軋機中心，在以軋機中心為原點的坐標(biāo)系XOY中，移動模具樣件中心至(X=2，Y=1)，對模具進行標(biāo)定。模具標(biāo)定結(jié)束后，在以模具中心為原點的坐標(biāo)系X'O'Y'中，移動鋼坯樣件中心至(X'=－4，Y'=－2)處，對鋼坯位置進行測量。同樣，以(X=－3，Y=－2)，(X'=2，Y'=4)對算法進行再次驗證，實際檢測結(jié)果如表3所示。

表2 初始參數(shù)

表3 實際檢測結(jié)果mm

對于工件直徑為380 mm的檢測對象，本系統(tǒng)檢測精度要求為±1 mm。由表3檢測結(jié)果可知:系統(tǒng)偏心檢測值M與理論偏心值之間的誤差小于0.02 mm，檢測精度高達 ±0.1 mm，滿足檢測系統(tǒng)要求。

實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)算法有效，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。實際檢測應(yīng)用表明，本系統(tǒng)成功提高了原材料的成材率，使單件鋼坯的原材料由最初的412 kg降至397 kg，單件產(chǎn)品原材料質(zhì)量減少15 kg，有效地降低了材料損耗、能源損耗以及刀具損耗，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

5 結(jié)束語

本研究利用CAN總線構(gòu)建了基于多傳感器的熱態(tài)圓柱鋼坯軸心在線檢測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)軟硬設(shè)計方案及檢測算法。在邏輯算法中利用坐標(biāo)變換，實現(xiàn)了模具的標(biāo)定工作，解決了模具更換對系統(tǒng)檢測結(jié)果所造成的干擾，實現(xiàn)了熱態(tài)圓柱鋼坯軸心位置的在線高精度檢測功能。系統(tǒng)將檢測所得鋼坯軸心線位置偏心數(shù)值及方位反饋至機械手控制系統(tǒng)，通過對液壓機械手的補償與調(diào)整，實現(xiàn)了機械手對鋼坯夾放位置的校正。實驗結(jié)果表明:該方法是一種較好的非接觸式圓柱鋼坯測量方法，具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等特點，可以有效解決圓柱形工件軸心位置的檢測問題，具有良好的應(yīng)用前景。

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