專利名稱：鋼模合模在線測量系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼模合模在線測量系統和方法，具體為管片制造鋼模流水線合模的幾何量在線精密測量系統和方法。
背景技術：
管片鋼模是由一塊底板、四塊側板、兩個上蓋構成的鋼結構物，用于管片制造。由于混凝土構件脫模之需，四面側板和頂板等各個部件均是活動的，以便鋼模開模吸盤取走管片，且模具的壽命要求重復使用上千次，因此其每次合模后的尺寸精度直接影響管片制造尺寸的精度。隨著盾構隧道管片預制行業的發展，采用鋼模固定、人員流動的傳統制造工序已極大影響管片生產效率。建立鋼模流動、人員工位固定的管片生產流水線已勢在必行。 我國雖已有多條這樣的現代流水線，但均沒有在線質量控制環節，在合模工位僅靠操作人員目測刻線對齊，或手工用卡尺測量。導致自動化程度無法滿足流水線要求，人員勞動強度大。這是由于鋼模尺寸變化范圍大、公差要求高，流水線快速自動化作業，給測量帶來了新的難題。使用激光跟蹤儀、攝影測量法、坐標測量機等測量儀器雖然可滿足大測量范圍，但一方面有的儀器需要人工參與，效率和自動化程度無法滿足在線測量要求；另一方面基于鋼模平面形狀并不會發生變化，僅測量合模后4個平面之間的相互位置重復性，而這些儀器完全的多點坐標測量功能遠遠超過系統需求，成本過高。
發明內容
本發明的目的在于提供一種鋼模合模的幾何量在線測量系統和方法，實現在線自動化快速測量，為操作人員提供直觀合模指導，提高流水線效率，降低勞動強度，減少返工率，提高管片生產產品合格率，可以解決鋼模合模的在線測量難題。針對管片鋼模流水線的特點，實現一種廉價實用的測量系統及其方法。本發明提供的用于管片制造的鋼模合模在線測量系統包括四個測量裝置，分別安裝在鋼模外部四個角，與鋼模外表面保持一定的安全距離。每個裝置包括支撐固定機構用于固定和支撐回轉運動機構和定位機構，保持測量裝置的坐標系穩定。可選用水泥墩、可移動三腳架(以便搬運到需要測量的位置固定)，利用螺栓固定回轉運動機構的電機基座、定位機構的電磁鐵吸盤；可調整支撐機構的高度，使回轉運動機構中的回轉臂在測量位置時恰好在鋼模被測內表面位置處的上沿且保持一定的安全距罔；回轉運動機構用于移動每個測量裝置的測量傳感器，在測量位置和初始位置之間轉換。其組成包括電機、回轉軸系、L型回轉臂。回轉臂采用殷鋼材料制作，減小溫度影響。通過電機基座將電機剛性連接到支撐固定機構上，輸出回轉軸連接L型回轉臂，臂末端通過2個萬向關節球軸承剛性連接測量傳感器，從而可根據不同型號的鋼模平面傾斜角度分別微量調整2個測量傳感器的位移測量方向，至垂直于被測鋼模表面，保證傳感器的位
3移測量精度最高。測量傳感器可選用電感、光柵、激光位移傳感器。初始位置下回轉臂位于鋼模外側，測量位置下測量傳感器進入鋼模內部，測量完成后，回復到初始位置，避免影響流水線運動。定位機構用于限位測量裝置運動重復性，包括回轉臂凸球，電磁鐵吸盤。電磁鐵吸盤通過螺栓等剛性連接基座方式固定在支撐機構上。回轉臂上連接一凸球，在測量狀態時，位置恰好落在電磁鐵吸盤上。回轉時發送的脈沖保證凸球接近電磁鐵吸盤，然后放松電機力，再對電磁鐵通電，依賴電磁鐵吸盤的電磁吸附力來固緊回轉機構，實現重復限定位置，穩定測量系統。避免電機力鎖定時電機抖動引入的測量數據不穩定。測量完成后，斷電釋放電磁力，利用電機旋轉臂回到初始位置。控制機構用于接收位移傳感器的測量數據、發送電機旋轉的控制信號，放置在鋼模流水線的中央控制室。其中包括工控計算機、數據采集卡、電機控制卡。電機控制卡的脈沖輸出端口發送脈沖，脈沖數量確定回轉臂旋轉角度。兩個位移傳感器的測量數據傳輸至數據采集卡的模擬輸入端口。本發明提供的一種鋼模合模在線測量的方法包括的步驟1)標定測量裝置采用相對測量方案便于在大測量范圍內達到較高測量精度，并降低測量成本。由于位移傳感器測量范圍恒定，可根據被測鋼模的尺寸范圍相應安置測量裝置位置；或者需要測量新流水線鋼模型號時，都須標定四個測量裝置之間的基準位置。基準長度取值范圍與位移傳感器測量范圍相關。即長度、寬度由位移傳感器測量范圍之外，即可由四個固定測量裝置之間的位置確定。對于同一鋼模型號，裝置越互相靠近，基準值就越小，則位移傳感器需要測量量程越大。裝置相距越遠，基準尺寸越大，位移傳感器也可選取較小量程，便于實現高分辨率測量相對位移。首先利用激光跟蹤儀現場標定四個測量裝置之間相互的基準寬度w13、W24及基準長度112、I34，并自動保存在工控機中，只需要一次標定即可成為已知型號的鋼模流水線，此后直接進行測量步驟。2)相對測量(1)鋼模到位后，控制機構中工控計算機通過電機控制卡發送脈沖信號，控制電機帶動回轉臂，由初始位置向定位機構運動，輸送測量裝置末端的測量傳感器到內表面，直至觸碰上定位機構，定位機構發送高電平給數據采集卡，工控計算機停止發送控制電機運動的信號。(2)利用每個回轉臂末端的兩個互相垂直的測量傳感器，分別測量相鄰兩個面，得到長度方向的相對位移值Clil和寬度方向相對位移值diw，其中i = 1，2，3，4。然后進行如下測量數據處理加上預先標定好的基準寬度w13、W24，基準長度112、I34，得到寬度W13 = w13+dlw+d3w> W24 = w24+d2w+d4w，長度 L12 = I12Mi+Cl2^L34 = l34+d31+d41。通過這 4 個距離值與標準值比較， 即可得到合模情況，準確判斷四個側板平面位置是否到位，來控制每次鋼模的位置穩定性， 是否滿足小于制造鋼模的尺寸公差士 Imm要求。超過公差范圍時，利用測量傳感器采樣率為IkHz的高速率測量，可實時監控并指導操作者調整合模。如果由于其他意外情況，控制裝置發送信號，放行空模。
同時，根據寬度值可以自動判斷管片鋼模類型。為了滿足地鐵隧道轉彎的要求，管片形狀一般可分為直線段、左曲和右曲三種類型，其中左曲是左邊寬度大于右邊寬度W13 > W24，從而實現左轉彎。相反w13<wM則為右曲。利用這個明顯特征判斷鋼模類型，才能正確評價合模情況。當IW13-W24I < Imm最大允許誤差閾值時，可知寬度差別為誤差引起，鋼模為直線段。否則即為曲線段，根據W13，W24的比較即可判斷鋼模類型。(3)完成測量后，工控計算機控制電機反向旋轉，帶動回轉臂恢復到初始位置。確保鋼模運送出該工位，下一個鋼模進入，從而避免測量裝置和流水線鋼模之間的碰撞。完成通過自動循環實現流水線的初始位置、鋼模進入、回轉、測量、回到初始位置、鋼模送出的整個測量過程。本發明提供一種自動化、便捷、快速、在線測量系統及方法，作為鋼模流水線上的一個固定工位，可以單獨增設工位，也可以和別的工位合在一起。實現在線、寬度、長度方向的4個距離同時測量，既避免工廠環境變化的影響，耗時又短，可滿足流水線運動需求。有效利用鋼模的合模特點，高精度控制大范圍的鋼模合模精度，性價比高。
圖1為本發明結構框圖。圖2為本發明測量系統組成示意圖。圖3為本發明數據處理流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步詳述本發明技術方案整體結構框圖如圖1。建立四個測量裝置，即第一測量裝置1、第二測量裝置2、第三測量裝置3和第四測量裝置4，四個測量裝置分別安裝在鋼模外部四個角。測量系統組成如圖2。每個測量裝置包括支撐固定機構5 用于固定和支撐回轉運動機構和定位機構，保持測量裝置的坐標系穩定。可選用水泥墩、可移動三腳架(以便搬運到需要測量的位置固定)，利用螺栓固定回轉運動機構的電機基座、定位機構的電磁鐵吸盤12 ；可調整支撐機構的高度，使回轉運動機構中的回轉臂7在測量位置15時恰好在鋼模被測內表面位置處的上沿且保持一定的安全距離；回轉運動機構用于移動每個測量裝置的測量傳感器9和10，在初始位置14和測量位置15之間轉換。其組成包括電機6、回轉軸系、L型回轉臂7。回轉臂7采用殷鋼材料制作，減小溫度影響。通過電機基座將電機6剛性連接到支撐固定機構5上，輸出回轉軸連接L型回轉臂7，臂末端通過兩個萬向關節球軸承8剛性連接測量傳感器9和10，從而可根據不同型號的鋼模平面傾斜角度分別微量調整兩個測量傳感器的位移測量方向，至垂直于被測鋼模表面，保證傳感器的位移測量精度最高。測量傳感器可選用電感、光柵、激光位移傳感器。初始位置14下回轉臂7位于鋼模外側，測量位置15下測量傳感器進入鋼模內部， 測量完成后，回復到初始位置14。定位機構用于限位測量裝置運動重復性，包括回轉臂凸球11，電磁鐵吸盤12。電磁鐵吸盤通過螺栓等剛性連接基座方式固定在支撐機構上。回轉臂上連接一凸球11，在測
5量位置時，凸球位置恰好落在電磁鐵吸盤12上。回轉時發送的脈沖保證凸球11接近電磁鐵吸盤12，然后放松電機力，再對電磁鐵12通電，依賴電磁鐵吸盤12的電磁吸附力來固緊回轉機構，實現重復限定位置，穩定測量系統。避免電機力鎖定時電機抖動引入的測量數據不穩定。測量完成后，斷電釋放電磁力，利用電機6旋轉臂7回到初始位置14。控制機構12 用于接收位移傳感器的測量數據、發送電機旋轉的控制信號，放置在鋼模流水線的中央控制室。其中包括工控計算機、數據采集卡、電機控制卡(均為市售)。 電機控制卡的脈沖輸出端口發送脈沖，脈沖數量確定回轉臂旋轉角度。兩個位移傳感器的測量數據傳輸至數據采集卡的模擬輸入端口。本發明數據處理流程如圖3。采用相對測量方案，以便在大測量范圍內達到較高測量精度，并降低測量成本。由于位移傳感器測量范圍恒定，可根據鋼模尺寸范圍相應安置測量裝置位置；首先利用激光跟蹤儀現場標定第一測量裝置、第二測量裝置、第三測量裝置和第四測量裝置之間互相的基準寬度113、I24及基準長度112、I34，并自動保存在工控機中。鋼模到位后，控制室11中工控計算機通過電機控制卡發送脈沖信號，控制電機6 帶動回轉臂7，由初始位置14向測量位置15運動，輸送裝置末端的測量傳感器9、10到內表面，直至回轉臂凸球11即將觸碰上電磁鐵吸盤12，停止發送控制電機6運動的信號。通過電磁力吸附固緊回轉機構。利用互相垂直的末端兩個測量傳感器9和10，分別測量相鄰兩個面，得到長度方向的相對位移值Clil和寬度方向相對位移值2個位移值diw，其中i = 1,2, 3，4。然后進行如下測量數據處理加上預先標定好的基準寬度w13、W24，基準長度112、134，得到實際寬度W13 = Wi3+dlw+d3w> V24 = w24+d2w+d4w，實際長度 L12 = I1Jd1MpL34 = l34+d31+d41。先判斷被測鋼模類型。當|W13-W24| < Imm最大允許誤差閾值時，可知寬度差別為誤差引起，鋼模為直線段。否則即為曲線段，根據W13，Wm的比較即可判斷鋼模類型。即左曲形狀為W13 > W24，右曲形狀為W13 < W24O然后根據4個距離值與標準的比較，判斷4個平面位置是否到位，判斷合模情況是否滿足制造公差要求，來控制鋼模位置的重復定位。超過公差范圍時，提醒操作者調整合模，由于測量傳感器采樣率為1kHz。因此，在操作人員調整時，可在軟件界面上實時看到合模情況，有助于實時指導工人合模。如果由于其他意外情況，控制裝置發送信號，放行空模。完成測量后，工控計算機控制電機6反向旋轉，帶動回轉臂7恢復到初始位置14。 確保鋼模運送出該工位，下一個鋼模進入，從而避免測量裝置和流水線鋼模之間的碰撞。通過自動循環實現流水線“初始位置14——鋼模進入——回轉——測量位置15——回到初始位置14——鋼模送出”的測量過程。應用實施例某流水線為例，鋼模的長度在900-4148mm之間變化，而制造精度要求0. 4mm,因此測量精度設計為1/3-1/10，約0. 13mm。其中的標準塊鋼模為例，弧長3516. 86mm，公差要求0. 5mm。寬1200mm。在工控計算機13和16的控制下，往復回轉運動的重復定位精度為 10 μ m。采用相對測量方案，以便在大測量范圍內達到較高測量精度，并降低測量成本。由于激光位移傳感器測量范圍恒定，可根據弧長、寬度等范圍變化相應移動測量裝置位置；首先利用激光跟蹤儀現場標定第一測量裝置、第二測量裝置、第三測量裝置和第四測量裝置之間互相的基準寬度w13、^4及基準長度112、134，并自動保存在工控機中。基恩士激光測量傳感器LK-G30，量程變化30mm，精度0. 05mm,測量頻率IkHz。鋼模到位后，控制室11中工控計算機通過電機控制卡發送脈沖信號，控制電機6 帶動回轉臂7，由初始位置14向測量位置15運動，輸送裝置末端的測量傳感器9、10到內表面，直至回轉臂凸球11即將觸碰上電磁鐵吸盤12，停止發送控制電機6運動的信號。通過電磁力吸附固緊回轉機構。利用互相垂直的末端兩個測量傳感器9和10，分別測量相鄰兩個面，得到長度方向的相對位移值Clil和寬度方向相對位移值2個位移值diw，其中i = 1,2, 3，4。然后進行如下測量數據處理加上預先標定好的基準寬度112，得到實際寬度W13、W24以及實際長度L12、L34。得到合模情況，判斷4個平面位置是否到位，來控制鋼模位置的重復定位。完成測量后，工控計算機13控制電機6反向旋轉，帶動回轉臂恢復到初始位置15。確保鋼模運送出該工位，下一個鋼模進入，從而避免測量裝置和流水線鋼模之間的碰撞。通過自動循環實現流水線“初始位置14——鋼模進入——回轉——測量位置15——回到初始位置14——鋼模送出”的測量過程。可以保證一次完整測量不超過1分鐘，由于該工位停留6分鐘，因此可確保有充裕的時間指導操作人員調整鋼模。
權利要求
1.一種鋼模合模在線測量系統，其特征在于它包括四個測量裝置，分別安裝在鋼模外部四個角，每個測量裝置包括支撐固定機構利用螺栓固定回轉運動機構的電機基座、定位機構的電磁鐵吸盤；回轉運動機構包括電機、回轉軸系、L型回轉臂，通過電機基座將電機剛性連接到支撐固定機構上，輸出回轉軸連接L型回轉臂，臂末端通過2個萬向關節球軸承剛性連接測量傳感器；定位機構包括回轉臂凸球，電磁鐵吸盤，電磁鐵吸盤通過螺栓剛性連接基座方式固定在支撐機構上；回轉臂上連接一凸球，對電磁鐵通電，依賴電磁鐵吸盤的電磁吸附力來固緊回轉機構，實現重復限定位置，穩定測量系統；測量完成后，斷電釋放電磁力，利用電機旋轉臂回到等待狀態；控制機構放置在鋼模流水線的中央控制室，包括工控計算機、數據采集卡、電機控制卡；電機控制卡的脈沖輸出端口發送脈沖，脈沖數量確定回轉臂旋轉角度，兩個位移傳感器的測量數據傳輸至數據采集卡的模擬輸入端口。
2.—種權利要求1所述的鋼模合模在線測量系統的在線測量方法，其特征在于它包括如下步驟1)標定測量裝置首先利用激光跟蹤儀現場標定四個測量裝置之間相互的基準寬度 w13>w24及基準長度112、I34 ；2)相對測量(1)鋼模到位后，控制機構中工控計算機通過電機控制卡發送脈沖信號，控制電機帶動回轉臂，由初始位置向定位機構運動，輸送測量裝置末端的測量傳感器到內表面，直至觸碰上定位機構，定位機構發送高電平給數據采集卡，工控計算機停止發送控制電機運動的信號；(2)利用每個回轉臂末端的兩個互相垂直的測量傳感器，分別測量相鄰兩個面，得到長度方向的相對位移值Clil和寬度方向相對位移值2個位移值diw，其中i = 1，2，3，4;然后進行如下測量數據處理加上預先標定好的基準寬度w13、w24，基準長度112、134，得到寬度W13 = W13+dlw+d3w、W24 = w24+d2w+d4w，長度 L12 = 1 !2+^1+4^ L34 = l34+d31+d41 ；當|W13-W24| < 1匪最大允許誤差閾值時，鋼模為直線段；否則即為曲線段，根據W13，W24 的比較即可判斷鋼模類型；然后判斷合模情況是否滿足小于制造鋼模的尺寸公差士 Imm要求，超過公差范圍時， 利用測量傳感器采樣率為IkHz的高速度測量，可實時監控并指導操作者調整合模。如果由于其他意外情況，控制裝置發送信號，放行空模；(3)完成測量后，工控計算機控制電機反向旋轉，帶動回轉臂恢復到初始位置，確保鋼模運送出該工位，下一個鋼模進入，從而避免測量裝置和流水線鋼模之間的碰撞，完成通過自動循環實現流水線的初始位置、鋼模進入、回轉、測量、回到初始位置、鋼模送出的整個測量過程。
全文摘要
本發明涉及一種鋼模合模的在線測量系統和方法。利用4套測量裝置相對測量位移值，再加入事先標定的4套裝置之間相互的基準距離，得到4個側板之間的實際寬度和弦長。通過該測量值與標準形狀的比較，自動判斷鋼模的類型及其合模精度，指導操作人員合模。每套測量裝置包括支撐機構、回轉運動機構、定位機構和控制機構。利用回轉機構運送位移傳感器至鋼模內表面進行位移測量，避免了流水線的干擾。利用電磁吸盤定位機構實現傳感器的穩定。實現在線自動化快速測量，提高流水線效率，減少返工率，降低勞動強度，提高管片生產產品合格率，避免成本高的測量儀器，為大型在線測量難題的廉價解決提供有效思路。
文檔編號G01B21/02GK102426002SQ20111025431
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者張福民, 曲興華 申請人:天津大學