基于綠激光器的大型鍛件外形尺寸在線測(cè)量

劉海瀾 張玉存 付獻(xiàn)斌

(1.中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司，黑龍江161042；2.燕山大學(xué)，河北066004)

我國(guó)的重型機(jī)械制造業(yè)，通常把在10 MN以上鍛造液壓機(jī)上自由鍛造的重型鍛件成為大鍛件。在鍛造過(guò)程中對(duì)熱態(tài)坯料和鍛件尺寸的測(cè)量是否準(zhǔn)確、便捷，是確保大鍛件成形質(zhì)量的主要技術(shù)關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外鍛造行業(yè)對(duì)此先后做了大量的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。日本制鋼采用懸絲法測(cè)量直徑[1]；韓國(guó)用兩條激光束代替繩索進(jìn)行測(cè)量[2]；神戶制鋼采用可動(dòng)的攝像頭檢測(cè)鍛件斷面棱邊；韓國(guó)斗山重工也采用類似的方法測(cè)量直徑[3]；斗山重工還用裝在同一導(dǎo)軌上的兩只激光器投射光束測(cè)量長(zhǎng)度；意大利、瑞士、美國(guó)采用脈沖掃描的方法測(cè)量直徑[4～6]。燕山大學(xué)和上海交通大學(xué)在鍛件尺寸測(cè)量方面進(jìn)行了大量的研究，曾進(jìn)行過(guò)用激光測(cè)量長(zhǎng)度和用CCD測(cè)量直徑的研究[7～9]，但是環(huán)境光與鍛件發(fā)出光產(chǎn)生的耦合干擾嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果，另外CCD熱噪聲處理目前有待于進(jìn)一步研究。

隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)的大鍛件企業(yè)從新世紀(jì)以來(lái)獲得了迅速發(fā)展，已成為世界大鍛件生產(chǎn)大國(guó)。但是和工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，除了關(guān)鍵鍛件工藝[10]落后之外，主要還反映在鍛造過(guò)程中，坯料和鍛件尺寸的測(cè)量仍依靠鍛工到熾熱的大鍛件旁進(jìn)行人工測(cè)量，即用大型卡鉗、量桿以鋼板尺為準(zhǔn)測(cè)量鍛件尺寸。落后的在線熱態(tài)坯料和鍛件的尺寸測(cè)量，已嚴(yán)重影響和制約了我國(guó)大鍛件生產(chǎn)的發(fā)展。

對(duì)此，中國(guó)一重與燕山大學(xué)檢測(cè)和鍛壓專業(yè)合作，對(duì)大鍛件生產(chǎn)的在線測(cè)量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。通過(guò)對(duì)激光測(cè)量技術(shù)的突破，現(xiàn)已研制成功符合我國(guó)國(guó)情的鍛件熱態(tài)尺寸在線激光測(cè)量裝置。

1 測(cè)量系統(tǒng)與原理

1.1 鍛件熱態(tài)尺寸測(cè)量系統(tǒng)

該測(cè)量系統(tǒng)主要由綠激光器，水平移動(dòng)裝置，垂直移動(dòng)裝置和數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)各部分功能如下：

(1)綠激光器

系統(tǒng)采用波長(zhǎng)為532 nm的綠激光器。由于測(cè)量時(shí)要用線激光束進(jìn)行測(cè)量，所以需將激光器發(fā)出的圓形光束進(jìn)行變束處理，變束光路如圖2所示，經(jīng)變束光路處理后成為2 mm寬的線光束。

激光器發(fā)出的圓形光束首先經(jīng)過(guò)線性棱鏡變成具有一定張角的線性光束，本文研制的測(cè)量裝置激光器的張角為30°，然后經(jīng)過(guò)偏振片使得線性光束的方向性變強(qiáng)，接著經(jīng)過(guò)兩個(gè)光闌后變成寬度合適的線性光束。本文研制的測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出的線性激光照在物體上的寬度為2.0 mm。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The sketch of measuring device

圖2 激光變束光路Figure 2 The sketch of laser beam treatment

(2)水平和垂直測(cè)量裝置

由垂直綠激光器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服控制裝置和導(dǎo)軌組成，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量。裝置最快能以40 m/min的速度運(yùn)動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌中裝有LM導(dǎo)向裝置，使得綠激光束不會(huì)由于高速驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)。垂直測(cè)量裝置除采用的是水平綠激光器外，其余和水平測(cè)量裝置一樣。

(3)測(cè)量過(guò)程

圖3為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖3 數(shù)據(jù)分析示意圖Figure 3 The sketch of data analysis

以水平測(cè)量裝置為例，首先PC機(jī)發(fā)出控制指令后，垂直綠激光器發(fā)出垂直于鍛件的一字線綠激光，伺服電機(jī)1通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水平綠激光器在軌道上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)編碼器讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，然后數(shù)據(jù)采集卡采集編碼器讀取的數(shù)據(jù)信息，最后通過(guò)PC機(jī)的處理經(jīng)顯示器顯示水平測(cè)量裝置的移動(dòng)信息(即鍛件的長(zhǎng)度信息)。本文研制的大鍛件外形尺寸在線激光測(cè)量裝置的軟件采用Visual Basic6.0編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。同理通過(guò)水平綠激光器可以測(cè)量鍛件的厚度或外徑大小。

1.2 鍛件熱態(tài)尺寸測(cè)量原理

該測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛件的長(zhǎng)度、厚度和直徑的測(cè)量，主要采用激光標(biāo)記的方法。操作工人只需在操作室操作手柄就可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱態(tài)工件進(jìn)行尺寸測(cè)量，不僅操作方法簡(jiǎn)單，而且可以保證工作人員的安全。具體測(cè)量過(guò)程如下：

(1)長(zhǎng)度測(cè)量

長(zhǎng)度測(cè)量示意圖如圖4所示。長(zhǎng)度的測(cè)量通過(guò)水平移動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先垂直激光器發(fā)出垂直一字線激光束，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平移動(dòng)裝置，使激光束正好移動(dòng)到待測(cè)鍛件的邊緣，記下此時(shí)的位置信息，接著電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊使激光束移動(dòng)到待測(cè)鍛件的另一邊緣，再記下此時(shí)位置的刻度，兩個(gè)位置信息相減即為所測(cè)鍛件的長(zhǎng)度。

圖4 長(zhǎng)度測(cè)量示意圖Figure 4 The sketch of length measurement

(2)厚度和直徑測(cè)量

厚度和直徑的測(cè)量過(guò)程和長(zhǎng)度的測(cè)量過(guò)程一樣。首先水平激光器發(fā)出水平一字線激光束，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直移動(dòng)裝置，使激光束正好移動(dòng)到待測(cè)鍛件的邊緣，記下此時(shí)的位置信息，接著電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊使激光束移動(dòng)到待測(cè)鍛件的另一邊緣，再記下此時(shí)位置信息，兩個(gè)位置信息相減即為所測(cè)鍛件的厚度或直徑。厚度和直徑測(cè)量示意圖如圖5所示。

圖5 厚度和直徑測(cè)量示意圖Figure 5 The sketch of thickness and diameter measurement

(3)溫度補(bǔ)償

由于測(cè)量的尺寸是在熱態(tài)下測(cè)量的，那么溫度勢(shì)必會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的影響，在這里應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。

設(shè)傳感器要測(cè)量的實(shí)際距離為x，環(huán)境溫度為t，鍛件的溫度為T(mén)，傳感器測(cè)量輸出的結(jié)果為y，則傳感器測(cè)距系統(tǒng)可以表示為y=f(x,t)，由于溫度的影響，使得f(*)呈現(xiàn)非線性特性。校正的目的是根據(jù)所測(cè)的y求未知的x，即x=g(y,t)。校正模型如圖6所示。

圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性誤差校正模型Figure 6 The nonlinear error correction model based on neural network

我們選取BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它具有強(qiáng)大的非線性映射能力和泛化功能，使任意連續(xù)的非線性函數(shù)和映射均可采用三層網(wǎng)絡(luò)建模來(lái)實(shí)現(xiàn)。

BP網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成，其中包括一個(gè)輸入層，一個(gè)或幾個(gè)隱層，一個(gè)輸出層，層與層之間采用全互連接，同層神經(jīng)元之間不存在相互的連接。BP網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 具有單隱層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Figure 7 The BP neural network with single hidden layer

BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程由前向傳播和反向傳播組成，在前向傳播過(guò)程中，輸入模式經(jīng)輸入層和隱層逐層處理，并傳向輸出層。如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播過(guò)程，將誤差值沿連接通路逐層反向傳送，并修正各層連接權(quán)值。對(duì)于給定的一組訓(xùn)練模式，不斷用一個(gè)訓(xùn)練模式訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)前向傳播和誤差反向傳播過(guò)程，直至網(wǎng)絡(luò)均方誤差小于給定值為止。BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練關(guān)系式如下：

節(jié)點(diǎn)輸出：

a0=P

ai=f(∑Wij·ai+bj)

式中：ai為節(jié)點(diǎn)輸出，Wij為節(jié)點(diǎn)連接權(quán)值，f為作用函數(shù)，bj為神經(jīng)元閾值。

權(quán)值修正：

ΔWij(n+1)=η·Ei·aj+h·Wij(n)

式中：η學(xué)習(xí)因子(根據(jù)輸出誤差動(dòng)態(tài)調(diào)整)，h動(dòng)量因子，Ei計(jì)算誤差。

誤差計(jì)算：

式中：tpi為節(jié)點(diǎn)的期望輸出值，api為節(jié)點(diǎn)i的計(jì)算輸出值。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的測(cè)量方法的可行性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)一個(gè)長(zhǎng)為500 mm的工件進(jìn)行十次測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)于本文傳感器逆模型的BP網(wǎng)絡(luò)模型，輸入為y和t，訓(xùn)練后的實(shí)際輸出為P，期望輸出為x。傳感器非線性校正逆模型采用單隱層BP網(wǎng)絡(luò)，輸入層2個(gè)節(jié)點(diǎn)，隱層10個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層1個(gè)節(jié)點(diǎn)，學(xué)習(xí)因子η為0.008 5，通過(guò)測(cè)量獲取50組數(shù)據(jù)集作訓(xùn)練樣本，將輸入量作歸一化處理后，按照上述的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，返回訓(xùn)練后的權(quán)值、循環(huán)訓(xùn)練的總數(shù)和最終誤差。

在測(cè)量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，需先將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好后得到的權(quán)值提取出來(lái)，存入到測(cè)量系統(tǒng)的處理器中，這時(shí)就可以根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和算法，在處理器中實(shí)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償和校正。在測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和校正后，系統(tǒng)的測(cè)距精度大大提高。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該方法測(cè)得的數(shù)據(jù)可以滿足要求，精度控制在3 mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了鍛件外形尺寸的在線測(cè)量。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 The test data

3 結(jié)論

本文提出的大型鍛件熱態(tài)外形尺寸在線測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)工件熱態(tài)尺寸的在線測(cè)量，具有操作方便，測(cè)量精度高，測(cè)量速度快和滿足在線測(cè)量要求的優(yōu)點(diǎn)，并且可以保證現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全。該測(cè)量裝置的應(yīng)用可以降低大型工件制造過(guò)程的能源消耗并減小加工余量，從而大大降低大型工件的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)大型鍛件的綠色鍛造。

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