專利名稱：一種高精度曲率測控裝置及方法
技術領域：
本發明涉及曲率測量控制技術，特別是一種高精度曲率測控裝置及方法。
背景技術：
肋骨冷彎機目前普遍采用的曲率測量方法是弦線測量法。弦線測量法 的缺點是需要安裝四個位移傳感器并將其中之一位移傳感器裝在肋骨前端 并隨肋骨同步移動，因此需要安裝龐大的支撐導軌。肋骨加工過程是分段 進給的，每次進給的長度是固定的，這樣不僅加工的精度受影響，而且加 工的效率也很低。因此實現肋骨冷彎機的連續進給，并提高肋骨曲率的檢 測精度與肋骨加工效率是目前亟待解決的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種高精度曲率測量控制裝置及方法，用于潛艇 及船體肋骨的連續冷彎加工。
本發明的技術方案是這樣實現的
測控裝置包括3個直線位移檢測機構，垂直安裝在機臺的一邊，每 個直線位移檢測機構之間平行設置；還包括執行機構，由成形輪、支撐輪、 液壓系統構成，2個支撐輪固定在工作臺面上，于肋骨的外側平行設置；與 液壓系統相連的成形輪安裝在肋骨的內側，與直線位移檢測機構同側，平 行設置于2個支撐輪中間；
其中一個直線位移檢測機構以直線位移傳感器為核心，還包括檢測輪、 導桿和裝有變送器的滑塊，其導桿前端通過檢測輪與鋼料抵接，使導桿可 頂緊鋼料，后端與裝在直線位移傳感器上的滑塊相連；滑塊另一端經壓縮 彈簧安裝在機臺上，和檢測輪同軸位置設置一旋轉編碼器，旋轉編碼器、 滑塊上的變送器信號分別接至工控機中計數卡；所述直線位移傳感器釆用 具有將直線位移信號轉換為5V方波功能的直線位移傳感器。
測控方法
首先，通過肋骨加工曲線上每一點的坐標值，計算出肋骨曲線上每一 點的相鄰弦夾角，作為閉環控制系統的給定值；
其次，通過三個直線位移檢測機構檢測肋骨加工過程中不同位置的三 點第1~3變形量，分別將檢測的第1~3變形量通過直線位移檢測機構轉換 成TTL方波脈沖信號，送至工控機內具有加減計數功能的計數卡，再通過 計算公式計算出相鄰弦的夾角作為閉環控制的反饋值；
然后，由相鄰弦夾角給定值和反饋值在工控機內作為閉環PID數字控.制器的輸入量和反饋量，由輸入量和反饋量之間的差值做為誤差，經PID 運算后，得到控制量，控制量經插在工控機(存有測量控制程序)擴展槽 上的模擬量輸出卡轉換成電流信號，通過執行機構控制成形輪前進或后退;
其中所述相鄰弦夾角給定值的計算方法為在給定的鋼料曲線上，由
一端開始，取第1起始點和第1中間點間的距離=第1直線位移檢測機構到
第2直線位移檢測機構的距離，即第1弦長，在第1起始點和第1中間點
間的線段的延長線上取第1延長點，使第1中間點和第1延長點間的距離= 第2直線位移檢測機構到第3直線位移檢測機構的距離，即第2弦長，過
第1延長點作第1起始點和第1延長點間的線段的垂線，交鋼料曲線于第1 結束點，則第1起始點和第1中間點間的線段與第1中間點和第1結東點 間的線段組成相鄰弦，它們之間的夾角為給定的相鄰弦夾角，即第1弦長 與第2弦長之間的第l相鄰弦夾角；然后，取第2起始點，使第l起始點 和第2起始點間的距離=測量點位移量，以第2起始點為起點，重復上述步 驟可計算出第2相鄰弦夾角，依此類推，可計算一系列相鄰弦夾角，即(第 l~n相鄰弦夾角)，直到第n+l結東點超出鋼料曲線范圍為止。
其中所述第i相鄰弦夾角給定值計算公式ai= arctg (( Yci-Ybi) / (Xci-Xbi)) - arctg ((Ybi隱Yai) / ( Xbi-Xai));
其中(Xai,Yai)為第i起始點坐標，(Xbi,Ybi)為第i中間點坐標， (Xci，Yci)為第i延長點坐標；i=l,2,3...n。
所述位移量為CNT4x2兀xr/m，通過與安裝在一個直線位移檢測機構的 導桿頂端檢測輪同軸的旋轉編碼器檢測沿鋼料運動的曲線位移得到，其中 CNT4為旋轉編碼器的計數值；m為旋轉編碼器每轉脈沖數；r為檢測輪半 徑；所述第1變形量為第1直線位移檢測機構的計數值xp;所述第2變形 量為第2直線位移檢測機構的計數值xp;所述第3變形量為第3直線位移 檢測機構的計數值xp;其中p為直線位移檢測機構的分辯率；所述相鄰弦 夾角反饋值計算公式為a—arctg ((x3-x2) /L2 ) -arctg ((x2-xl ) /Ll ),其 中L1為第1弦長；L2為第2弦長；
所述測量控制程序具體流程為首先，初始化參數，設定第i相鄰弦夾 角，讀第1直線位移檢測機構的計數值，讀第2直線位移檢測機構的計數 值，讀第3直線位移檢測機構的計數值，將三個直線位移檢測機構的計數 值分別轉換成第1~3變形量計算相鄰弦夾角反饋值；再讀旋轉編碼器計數 值，將旋轉編碼器計數值轉換成測量點位移量；通過相鄰弦夾角反饋值計 算相鄰弦夾角誤差，當相鄰弦夾角誤差大于設定值時，執行PID計算，得 到成型輪控制量，最后顯示輸出誤差，此時如繼續測量則返回設定相鄰弦 夾角給定值，否則在相鄰弦夾角誤差不大于設定值時結東程序；
其中直線位移檢測機構采用具有檢測輪、導桿和裝有變送器的滑塊的 直線位移傳感器。
本發明具有如下優點.
1. 本發明結構簡單，測量使用方便，測量精度高，能夠精確控制肋骨 曲率半徑，彌補了原肋骨冷彎加工機床曲率檢測控制設備的不足，適合各 種艦船肋骨或圓弧形鋼料冷彎加工時使用。
2. 本發明能在工控機上顯示曲率半徑值及曲線形狀，曲線上各點的誤 差、故障自動報警、配合肋骨冷彎機完成高精度肋骨曲率加工。
附困說明
圖l為本發明裝置結構示意圖。
圖2為本發明方法的相鄰弦夾角給定值計算原理圖。
圖3為本發明方法的相鄰弦夾角反饋值計算原理圖。
圖4為本發明方法的控制原理圖。
圖5為本發明方法的測量控制程序流程圖。
務體實施方式
如圖l、 3所示，本發明曲率測量控制裝置3個直線位移檢測機構垂 直安裝在機床工作臺的一邊，每個直線位移檢測機構之間平行設置；其中 所述一個直線位移檢測機構以直線位移傳感器為核心，還包括檢測輪、導 桿和裝有變送器的滑塊，其導桿前端通過檢測輪與鋼料抵接，使導桿可頂 緊鋼料，后端與裝有直線位移傳感器的滑塊相連；滑塊另一端經壓縮彈簧 安裝在機臺上，和檢測輪同軸位置設置一旋轉編碼器，旋轉編碼器、滑塊 上的變送器分別接至工控機中計數卡。
由成形輪6、第1 2支撐輪4 5、液壓系統(液壓缸、液壓伺服閥及伺 服放大器)構成執行機構，作為閉環控制系統的輸出量。二個支撐輪固定 在工作臺面上，于肋骨的外側平行設置；與液壓系統相連的成形輪6安裝 在肋骨的內側，與直線位移檢測機構同側，平行設置于二個支撐輪中間。
所述的計數卡插在工控機內的擴展槽上，通過DB25接口與變送器連
接；
如圖2、 4所示，本發明曲率測量控制方法的具體操作步驟有三
1) 通過肋骨加工曲線上每一點的坐標值，計算出肋骨曲線上每一點的 相鄰弦夾角，作為閉環控制系統的給定值；
2) 通過三個直線位移檢測機構(本實施例指核心器件第1 3直線位移 傳感器1 3)檢測肋骨加工過程中不同位置的三點變形量(第1 3變形量 xl、 x2、 x3)，分別將檢測的第1~3變形量xl、 x2、 x3通過直線位移傳感 器轉換成TTL方波脈沖信號，送至工控機內具有加減計數功能的計數卡， 再經過計算程序通過計算公式計算出相鄰弦的夾角作為閉環控制的反饋值 af;
3 )由相鄰弦夾角給定值和反饋值在工控機內作為閉環PID數字控制算 法的輸入量和反饋量，由輸入量和反饋量之間的差值做為誤差，經PID運 算后，得到控制量u，控制量u經模擬量輸出卡轉換成4 20毫安電流信號， 控制液壓伺服閩開口大小來控制成形輪前進或后退。
所述計數卡插在工控機(存有測量控制程序)內的擴展槽上，通過DB25 接口與變送器連接；所述模擬量輸出卡插在工控機內的擴展槽上，經接口
板與伺服控制器連接。
其中所述相鄰弦夾角給定值計算過程如圖2所示，在給定的鋼料曲線 上，由一端開始，取第1起始點和第1中間點間的距離(|A1B1|)=第1直 線位移傳感器1到第2直線位移傳感器2的距離，即第1弦長(L1),在第 1起始點和第1中間點間的線段(A1B1 )的延長線上取第1延長點(C1，)， 使第1中間點和第1延長點間的距離(IBlCl，i)二第2直線位移傳感器2到 第3直線位移傳感器的距離，即第2弦長L2，過第1延長點(Cr)作第1 起始點A1和第1延長點間的線段(Aid')的垂線，交鋼料曲線于第l結 束點(Cl),則第l起始點Al和第1中間點B1間的線段(A1B1)與第1 中間點B1和第1結束點(Cl)間的線段(B1C1)組成相鄰弦，它們之間 的夾角(銳角)為給定的相鄰弦夾角，即第l弦長(Ll)與第2弦長(L2) 之間的第l相鄰弦夾角((xl);然后，取第2起始點(A2),使第l起始點 和第2起始點間的距離(iAlA2i)=測量點位移量8 (S為常數)，以第2起 始點(A2)為起點，重復上述步驟可計算出第2相鄰弦夾角(a2),依此類 推，可計算一系列相鄰弦夾角(第1 n相鄰弦夾角al,a2, a3, a4,…，an), 直到第n+l結束點(Cn+1)超出鋼料曲線范圍為止。
第i相鄰弦夾角給定值ai計算公式ai= arctg (( Yci-Ybi) / ( Xci-Xbi)) -arctg (( Ybi-Yai) / (Xbi－Xai));
其中(Xai，Yai)為第i起始點Ai坐標，(Xbi,Ybi)為第i中間點Bi坐 標，(Xci，Yci)為第i結東點Ci坐標；i=l,2，3...n。
本實施例所述位移量S是通過與安裝在第1直線位移傳感器1的導桿 頂端檢測輪同軸的旋轉編碼器檢測沿鋼料運動的曲線位移得到，為 CNT4x2兀xr/m;
其中CNT4為旋轉編碼器的計數值；m為旋轉編碼器每轉脈沖數；r為 檢測輪半徑。
相鄰弦夾角反饋值計算過程
如圖3所示，鋼料發生變形后，三個直線位移傳感器的值發生變化， 變化量分別為xl,x2,x3,則相鄰弦夾角反饋值 af = arctg (( x3隱x2 ) /L2 ) - arctg (( x2-xl ) /Ll )。
所述第1變形量xl為第1直線位移傳感器的計數值CNT1 xp;所述第 2變形量x2為第2直線位移傳感器的計數值CNT2 xp;所述第3變形量x3 為第3直線位移傳感器的計數值CNT3xp;其中p為直線位移傳感器分辯率。
閉環控制結構如圖4所示由工控機作為控制系統的控制器，并釆用 數字PID控制器來構成閉環控制系統。先計算相鄰弦夾角給定值做為閉環 控制系統的給定值，相鄰弦夾角的反饋值由三個直線位移傳感器測量后經 公式計算得到。相鄰弦夾角給定值與相鄰弦夾角反饋值做減法運算后得到
誤差信號，再經PID運算后通過模擬量輸出卡輸出，模擬量輸出卡經接口 板與液壓伺服系統連接，由液壓伺服系統控制成形輪6完成肋骨冷彎加工。
所述工控機中存有測量控制程序，如圖5所示，具體流程為 首先，初始化參數第1弦長L1、第2弦長L2、位移量S、直線位移 傳感器分辨率p、旋轉編碼器每圈脈沖數m;然后，設定相鄰弦夾角a/，其 中/=1, 2, 3......n，讀第1直線位移傳感器的計數值CNT1，讀第2直線
位移傳感器的計數值CNT2，讀第3直線位移傳感器的計數值CNT3，將三 個直線位移傳感器的計數值分別轉換成第1 3變形量xl x3(直線位移傳感 器具有將直線位移信號轉換5V方波)，計算相鄰弦夾角反饋值af;再讀旋 轉編碼器計數值CNT4;將旋轉編碼器計數值CNT4轉換成測量點位移量S; 通過相鄰弦夾角反饋值af計算相鄰弦夾角誤差ae=a/-af,當相鄰弦夾角誤 差cte大于設定值時，執行PID計算，得到成型輪控制量u，最后顯示輸出 誤差(用于肋骨冷彎機曲率校正，即輸出成型輪控制量u至液壓伺服控 制器，調整成型輪6的位置)，此時如繼續測量則返回設定第i相鄰弦夾角 給定值a/，否則在相鄰弦夾角誤差ae不大于設定值時結束程序。
本發明在工控機擴展槽加裝計數卡來檢測脈沖數，加裝模擬量輸出卡 來控制鋼料變形量，所述計數卡釆用PCL-833 (臺灣研華公司)，它是3通 道脈沖輸入卡，并可進行加/減計數，接口形式為DB25。所述模擬量輸出 卡釆用PCL-726 (臺灣研華公司)，它有6個通道，接口形式為DIP20。旋 轉編碼器、直線位移傳感器變送器分別與PCL-833卡的DB25 口相連，其 中三個直線位移傳感器分別接計數卡1的三個通道，旋轉編碼器接計數卡 2的第1通道。用來控制鋼料變形量的伺服放大器接模擬量輸出卡的第一通 道。
旋轉編碼器LEC-200-BM-G05D，長春第一光學儀器廠。直線位移傳 感器測量長度600mm (TTL輸出)，英國NEWALL公司。
權利要求
1. 一種高精度曲率測控裝置，其特征在于包括3個直線位移檢測機構，垂直安裝在機臺的一邊，每個直線位移檢測機構之間平行設置；還包括執行機構，由成形輪(6)、2個支撐輪、液壓系統構成，2個支撐輪固定在工作臺面上，于肋骨的外側平行設置；與液壓系統相連的成形輪(6)安裝在肋骨的內側，與直線位移檢測機構同側，平行設置于2個支撐輪中間。
2. 按權利要求l所述高精度曲率測控裝置，其特征在于其中一個直 線位移檢測機構以直線位移傳感器為核心，還包括檢測輪、導桿和裝有變 送器的滑塊，其導桿前端通過檢測輪與鋼料抵接，使導桿可頂緊鋼料，后 端與裝在直線位移傳感器上的滑塊相連；滑塊另 一端經壓縮彈簧安裝在機 臺上，和檢測輪同軸位置設置一旋轉編碼器，旋轉編碼器、滑塊上的變送 器信號分別接至有測量控制程序的工控機中計數卡。
3. 按權利要求2所述高精度曲率測控裝置，其特征在于所述直線位移 傳感器釆用具有將直線位移信號轉換為5V方波功能的直線位移傳感器。
4. 一種應用按權利要求1所述高精度曲率測控裝置的測控方法，其特 征在于步驟包括首先，通過肋骨加工曲線上每一點的坐標值，計算出肋骨曲線上每一 點的相鄰弦夾角，作為閉環控制系統的給定值；其次，通過三個直線位移檢測機構檢測肋骨加工過程中不同位置的三點第 1 3變形量(xl x3)，分別將檢測的第1 3變形量(xl x3)通過直線位移檢 測機構轉換成TTL方波脈沖信號，送至工控機內具有加減計數功能的計數卡， 再通過計算公式計算出相鄰弦的夾角作為閉環控制的反饋值(af);然后，由相鄰弦夾角給定值和反饋值在工控機內作為閉環PID數字控 制器的輸入量和反饋量，由輸入量和反饋量之間的差值做為誤差，經PID 運算后，得到控制量(u)，控制量(u)經與測量控制程序的工控機相連的 模擬量輸出卡轉換成電流信號，通過執行機構控制成形輪前進或后退。
5. 按權利要求4所述的測控方法，其特征在于其中所述相鄰弦夾角 給定值的計算方法為在給定的鋼料曲線上，由一端開始，取第1起始點 和第1中間點間的距離(|A1B1|)=第1直線位移檢測機構到第2直線位移 檢測機構的距離，即第1弦長(L1),在第l起始點和第1中間點間的線段(A1B1)的延長線上取第l延長點(Cl，)，使第1中間點和第1延長點間 的距離(IB1C1'I)=第2直線位移檢測機構2到第3直線位移檢測機構3的距離，即第2弦長(L2),過第i延長點(cr)作第l起始點和第l延長點間的線段(A1C1，)的垂線，交鋼料曲線于第l結束點(Cl),則第l起 始點和第l中間點間的線段(A1B1)與第l中間點和第1結束點間的線段 (B1C1)組成相鄰弦，它們之間的夾角為給定的相鄰弦夾角，即第l弦長(LI )與第2弦長(L2)之間的第1相鄰弦夾角(al );然后，取第2起始 點(A2),使第1起始點和第2起始點間的距離(lAlA2p =測量點位移量(S),以第2起始點(A2)為起點，重復上述步驟可計算出第2相鄰弦夾 角(a2),依此類推，可計算第1 n相鄰弦夾角，直到第n+l結東點(Cn+l) 超出鋼料曲線范圍為止。
6. 按權利要求5所述的測控方法，其特征在于其中所述第i相鄰弦 夾角給定值(ai )計算公式ai= arctg( ( Yci-Ybi)/( Xci-Xbi))- arctg( ( Ybi-Yai) / (Xbi-Xai));其中(Xai,Yai)為第i起始點(Ai)坐標，(Xbi,Ybi)為第i中間點(Bi) 坐標，(Xci,Yci)為第i結東點(Ci)坐標；i=l,2,3...n。
7. 按權利要求5所述的測控方法，其特征在于所述位移量(S)為 CNT4x27cxr/m;是通過與安裝在一個直線位移檢測機構的導桿頂端檢測輪 同軸的旋轉編碼器檢測沿鋼料運動的曲線位移得到；其中CNT4為旋轉編 碼器的計數值；m為旋轉編碼器每轉脈沖數；r為檢測輪半徑。
8. 按權利要求4所述的測控方法，其特征在于所述第l變形量(xl) 為第1直線位移檢測機構的計數值CNT1 xp;所述第2變形量(x2)為第2 直線位移檢測機構的計數值CNT2 xp;所述第3變形量(x3 )為第3直線 位移檢測機構的計數值CNT3xp;其中p為直線位移檢測機構的分辯率。
9. 按權利要求4所述的測控方法，其特征在于所述相鄰弦夾角反饋 值(af)計算公式為af=arctg ((x3隱x2) /L2 ) -arctg ((x2-xl ) /Ll )。
10. 按權利要求4所述的測控方法，其特征在于所述測量控制程序 具體流程為首先，初始化參數，設定相鄰弦夾角(a/)，讀第l直線位移 檢測機構的計數值(CNT1),讀第2直線位移檢測機構的計數值(CNT2)， 讀第3直線位移檢測機構的計數值(CNT3),將三個直線位移檢測機構的 計數值分別轉換成第1 3變形量(xl x3)，計算第i相鄰弦夾角反饋值(af); 再讀旋轉編碼器計數值(CNT4);將旋轉編碼器計數值(CNT4)轉換成測 量點位移量(S);通過相鄰弦夾角反饋值(af)計算相鄰弦夾角誤差(ae), 當相鄰弦夾角誤差((ie)大于設定值時，執行PID計算，得到成型輪控制 量(u),最后顯示輸出誤差，此時如繼續測量則返回設定第i相鄰弦夾角給 定值(cu。，否則在相鄰弦夾角誤差(cxe)不大于設定值時結束程序。
11. 按權利要求4 10之一所述的測控方法，其特征在于其中直線位 移檢測機構采用具有檢測輪、導桿和裝有變送器的滑塊的直線位移傳感器。
12. 按權利要求11所述的測控方法，其特征在于所述直線位移傳感 器釆用具有將直線位移信號轉換為5V方波功能的直線位移傳感器。
全文摘要
本發明涉及曲率測量控制技術，特別是一種高精度曲率測控裝置及方法。本發明根據鋼料曲線計算出每一等分段上的相鄰弦夾角作為閉環控制系統的給定量，用與直線位移檢測機構導桿頂端檢測輪同軸的旋轉編碼器檢測沿鋼料運動的曲線位移量，用變送器通過三個直線位移檢測機構上的導桿檢測鋼料變形量，由三個直線位移檢測機構的值計算出實際的相鄰弦夾角作為閉環控制系統的反饋量，用與模擬量輸出卡相連的液壓伺服系統控制鋼料加工過程中的變形量。采用本發明可高精度測量控制肋骨曲率，用于潛艇及船體肋骨的連續冷彎加工。
文檔編號B21D7/00GK101204721SQ20061013492
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月20日 優先權日2006年12月20日
發明者吳景輝, 張環宇, 軍 朱 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所