大型挤压机活动部件五自由度监测系统设计.doc

6.1大型挤压机活动部件五自由度监测系统设计 6.1.1背景及基础 大型挤压机工作环境恶劣，在加工过程中导轨与支撑垫之间摩擦磨损严重，同时加工过程中的振动、横梁的偏心等，均可造成挤压部件与导轨之间的间隙不断增大，造成挤压中心的偏离，恶化了加工环境。实践表明，当偏心挤压时，不仅生产出的制品不符合设计要求，而且影响挤压机的使用寿命，严重时甚至会损坏生产设备。因而，在挤压生产过程中，挤压部件如容室、固定横梁、活动横梁等部件的中心必须保证与以前、后梁中心为基准的虚拟中心对齐，这样才能保证产品的加工质量，同时也能有效保证设备运行的安全与稳定。 中心通常采用人工测量方法，计算出各部件的偏差值，通过调整垫片来调节挤压部件的中心。采用人工测量方法工作量巨大，必须反复进行测量调整，才能达到中心对中的精度要求。此外， 图6-1 125MN挤压机活动部件中心监测系统监测原理 图6-2 125MN挤压机活动部件中心监测系统工作现场 该系统已于2008年完成了现场测试并投入实际应用，现场测试和实际应用表明，该系统能有效的对活动部件水平和竖直二自由度中心偏移量进行在线检测，并能有效的指导活动部件中心偏移量调整；同时，也发现该系统存在以下有待改善的问题： 1.系统采用的计算机视觉算法抗干扰能力尚有欠缺，系统长期使用时表现不够稳定。 2.系统的监测模型只能对活动部件的两个平移自由度进行在线监测，而实际三维空间中的刚体具有6个自由度，其中，与中心偏移量有关的自由度有5个（排除活动部件工作方向的平移自由度），仅对其中的两个自由度进行测量，并不能完全反映活动部件的实际位姿状态。 3.该系统通过一自行设计的USB通信控制器来实现多路检测数据的传输和协调，切换一路实验数据需要5-6秒的延时，且不稳定。 4.检测装置结构设计对工业现场的防护措施考虑不够。 其中，第一点即本文前述章节研究的重要背景。 处于研制阶段的2万吨挤压机，将成为我国的重要基础制造装备， 要求其有较长的使用寿命，且有较高的加工精度；因此，开发出一套操作简便、实时性好、检测精度高的挤压机活动部件中心动态分析系统 图6-3 大型挤压机活动部件五自由度监测系统工作原理 为实现活动部件五自由度偏移同时检测采用双激光束三点测量法，在固定梁1上安装两个激光发射器（激光发射器1、激光发射器2）发出基准激光；在固定梁2上安装两个激光接收器（末端接收器1、末端接收器2），构成两个激光基准光路(激光光路1、激光光路2)。固定梁2上安装的两个激光接收器对基准激光的误差实现初始标定和实时监测,利用这两个激光接收器的监测数据和位移传感器测定的各活动部件工作方向位置就可计算得到各测点处基准激光的误差，并可对实时监测过程中由于机械震动和光线飘移等因素造成的基准变动进行测定。这样，只要末端接收装置能够接收到基准激光信号就能实现对活动部件位置误差的高精度实时监测，从而较好的解决多束光束的平行性和一致性很难调整这一阻碍激光准直基准测量方法发展的关键问题。每个活动部件上安装3个激光接收装置实现对激光基准位置信号的采集，各路位置信号通过工业以太网传输到工业计算机上，在工业计算机上利用位置信号和检测模型可计算得到各活动部件5自由度的偏移情况。监测单元的布置方式如图所示。 图6-4 激光分光原理 6.1.3 系统数学模型 6.1.3.1基本假设 挤压机活动部件的实际位置误差状态是非常复杂的，为便于研究，并得到形式简化且有效的数学模型，做出如下假设： (1) 监测过程中活动部件各方向偏转角度均非常小。 (2) 忽略部件自身的变形及扭转，把活动部件视为刚体。 6.1.3.2空间坐标系的建立 坐标系如图6-5所示,O点为A、B测点所在横截面活动部件位于理想状态时的中心（理想中心），由假设2可知，监测过程中，A、B、C测点与O点的相对位置近似的视为保持不变。以O点为坐标原点，定义水平、垂直及部件轴线方向分别为x、y、z轴方向，建立三维绝对坐标系Oxyz。以测点检测中心位置为原点，平行绝对坐标x、y轴方向为坐标轴方向，分别建立图像坐标系、、。由图可知，在理想状态下，测点中心在绝对坐标系中的坐标分别为A(-D,H,0)、B(D,H,0) 、C(-D,H,S)。 图6-5 空间坐标系 6.1.3.3检测模型推导 当活动部件在理想状态时，通过对基准激光的初始标定和实时监测，可以认为激光光斑的中心位于个测点中心位置，即A、B、C点；发生位移和小角度偏差以后，各坐标系分别移动和旋转到、、、。此时，, 点在绝对坐标系中的坐标为（光斑在各自坐标系中坐标分别为（）、（）、（），设活动部件饶绝对坐标系x、y、z旋转的角度分别为α、β、γ，在绝对坐标系XOY平面内如图6-6所示，根据几何关系有：