薄壁筒形件旋壓制造外徑尺寸在線檢測系統(tǒng)*

黃 濤， 譚建平, 文 學， 李新和

(中南大學 機電工程學院 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410000)

設(shè)計與制造

薄壁筒形件旋壓制造外徑尺寸在線檢測系統(tǒng)*

黃 濤， 譚建平, 文 學， 李新和

(中南大學機電工程學院高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙410000)

為提高薄壁筒形件旋壓制造尺寸精度，針對當前旋壓制造無外徑尺寸在線檢測的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于位移傳感器和角度編碼器組合測量的在線檢測系統(tǒng)。通過建立直角坐標系，將采集的位移和角度信號換算得到筒形件輪廓坐標，根據(jù)坐標擬合圓，得到外徑尺寸。完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計和硬件系統(tǒng)搭建，并進行了實驗驗證，結(jié)果表明:系統(tǒng)測量分辨率小于0.05 μm，檢測精度可達2 μm，且重復性良好，是一種筒形件外徑尺寸在線檢測的可行方案。

薄壁筒形件； 旋壓； 在線檢測； 外徑測量

0 引 言

我國第三代核電技術(shù)自主創(chuàng)新的標志——CAP1400示范工程，其核主泵屏蔽套尺寸要求為直徑600 mm，壁厚僅0.76 mm，且對制造精度要求極高。目前，屏蔽套的高精度制造技術(shù)已成為制約核主泵國產(chǎn)化的重要因素之一[1]。而金屬旋壓成形技術(shù)屬于回轉(zhuǎn)成形范疇，在加工高精度薄壁筒形件方面有著無可比擬的優(yōu)勢，可生產(chǎn)出高強度、力學性能優(yōu)良的精密復雜零件。是制造高精度薄壁空心回轉(zhuǎn)體常用的最有效的方法之一[2]。

目前，薄壁筒形件旋壓的極限直徑/壁厚比(簡稱徑厚比)通常在400～750之間[3]，隨著生產(chǎn)要求提高，需要更大徑厚比能力和更高制造精度(外徑和壁厚)。當前旋壓精度主要依靠工藝參數(shù)設(shè)定和機床控制系統(tǒng)精度來保障[4]，為進一步提高旋壓制造尺寸精度，設(shè)計實現(xiàn)旋壓薄壁筒形件外徑尺寸在線檢測，將檢測的尺寸信息反饋至控制系統(tǒng)，結(jié)合工藝參數(shù)設(shè)計閉環(huán)控制。另一方面，在線檢測可替代現(xiàn)有人工離線檢測，提高生產(chǎn)效率。因此，旋壓制造的外徑在線檢測變得極為重要，目前該檢測技術(shù)在旋壓工藝中屬于工業(yè)空白。

結(jié)合旋壓制造工藝，以薄壁筒形件為檢測對象，設(shè)計了基于位移傳感器組合角度編碼器的薄壁筒形件外徑尺寸旋壓在線檢測系統(tǒng)，搭建了檢測裝置，基于LabVIEW編寫軟件系統(tǒng)，并通過實驗驗證了在線檢測系統(tǒng)的有效性。該外徑檢測方法不但適用于旋壓工藝，而且可推廣到其他加工制造方式的筒形件外徑檢測。

1 外徑尺寸在線測量原理

1.1 薄壁筒形件旋壓原理

針對薄壁筒形件，工藝上采用變薄旋壓。在變薄旋壓過程中，工件固定在芯模(旋轉(zhuǎn)主軸)上并隨之旋轉(zhuǎn)，旋輪通過軸向和徑向運動，使得工件壁厚減薄，長度伸長。根據(jù)材料的流動方向，變薄旋壓分為正旋和反旋，其原理如圖1所示[5]。結(jié)合旋壓工藝和旋壓機床結(jié)構(gòu)設(shè)計外徑尺寸在線檢測系統(tǒng)方案。

圖1 薄壁筒形件旋壓原理

1.2 外徑測量原理

外徑在線測量原理如圖2所示，以旋壓機床旋轉(zhuǎn)中心線為Z軸，旋輪進給方向為正，鉛錘方向為X軸，向下為正，水平方向為Y軸，沿徑向增大方向為正，建立平面直角坐標系，圖2為工件某一橫截面。在芯模上安裝角度編碼器測量主軸轉(zhuǎn)動角度，標定位移傳感器坐標C(e，a),設(shè)B0點為測量初始點，相距θ1為下一個測量點B1， 當工件旋轉(zhuǎn)過θ1時，測量點將從點B0(x0,y0)轉(zhuǎn)移到點B1(x1,y1)。

圖2 外徑測量原理

根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理[6]，將B1繞工件旋轉(zhuǎn)中心O，沿主軸旋轉(zhuǎn)相反方向轉(zhuǎn)過θi角，即得到工件輪廓對應點B(x,y)。根據(jù)繞原點轉(zhuǎn)動工件運動前后的坐標關(guān)系，得工件輪廓坐標

(1)

式中 旋轉(zhuǎn)矩陣

(2)

B0點坐標(x0，y0)可由圖2得出

(3)

式中s0為位移傳感器在測量點B0的測量值,有

(4)

即得被測件輪廓坐標為

(5)

根據(jù)獲得的測量點坐標(xi，yi)，i=1,2,3…m,用最小二乘法擬合圓，即可得到工件在該橫截面的理想圓心(u1，u2)和直徑D。當檢測裝置帶動位移傳感器沿軸向移動，便可檢測下一個截面的外徑。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

外徑在線檢測系統(tǒng)由旋壓加工系統(tǒng)、測量裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和上位機組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

角度編碼器安裝在旋壓機床芯模尾端，測量裝置安裝在旋壓機床導軌上，測量裝置上布置位移傳感器；角度編碼器和位移傳感器的信號送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)同步采集位移信號和角度信號，并傳輸至上位機。上位機一方面處理信號進行圓的擬合，另一方面與運動控制系統(tǒng)通信，運動控制系統(tǒng)可將電機步數(shù)反饋至上位機，實現(xiàn)檢測裝置軸向定位，而上位機可發(fā)送指令控制電機運動，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動電機帶動測量裝置沿軸向運動，完成多截面測量。

2.2 檢測裝置設(shè)計

檢測裝置設(shè)計如圖4所示，結(jié)合旋壓機床結(jié)構(gòu)和旋壓工藝，設(shè)計外置跟隨式檢測裝置。

圖4 檢測裝置設(shè)計

導軌安裝于旋壓機床上，十字滑臺通過電機驅(qū)動，沿機床導軌軸向運動，與旋壓刀架保持一定距離，避免運動干涉；傳感器安裝架安裝在十字滑臺上，可上下調(diào)節(jié)，保持與芯模同軸；傳感器安裝架設(shè)計多個安裝位，可同時安裝多只傳感器，實現(xiàn)多點同步采集(為后續(xù)多點采集研究預留接口)。加工過程中，安裝架停留在某一截面，傳感器完成該截面位移采集，之后移動至下一截面進行采集，順次可完成整個筒形件的多截面外徑檢測。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)基于LabVIEW編寫，主要由采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊3部分組成[7]，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件模塊框圖

采集模塊完成位移傳感器信號和角度編碼器信號的同步采集；數(shù)據(jù)處理模塊首先進行信號去噪，然后根據(jù)最小二乘法完成圓擬合，通過顯示功能將擬合結(jié)果實時顯示；控制模塊可讀取步進電機步數(shù)，用以檢測裝置軸向位置定位，同時可控制步進電機運動。

3 實 驗

3.1 實驗裝置

為驗證系統(tǒng)檢測精度及重復性，進行實驗驗證，實驗裝置如圖6所示。

圖6 實驗裝置

角度編碼器選用德國Sick公司的增量型編碼器SF60A，每轉(zhuǎn)動360°，發(fā)送65 536個脈沖信號。位移傳感器選用英國Solartron Metrology公司的orbit3傳感器，探頭為彈簧推標準式-DP，分辨率小于0.05 μm，采集模塊DP2S；編碼器輸入模塊(encoder input module,EIM)采集角度編碼器脈沖，采用USB接口模塊(USB interface module,USBIM)與上位機通信，DP2S，EIM，USBIM3模塊通過orbit協(xié)議通信，實現(xiàn)同步采集。利用系統(tǒng)測量公稱直徑為(200±0.05) mm的薄壁筒形件。

3.2 實驗結(jié)果

標定傳感器后對工件某一截面測量9圈，得到位移隨角度變化值，9圈的重復性對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 同一位置重復性

可以看出:該測量方法具有很好的重復性，9圈內(nèi)同一位置最大差值不超過2 μm。

對工件3個截面進行測量，每個截面測量5次，并擬合得外徑，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明:工件合格，該系統(tǒng)測量分辨率小于0.05 μm，檢測精度在2 μm以內(nèi)，且重復性良好，能完成薄壁筒形旋壓件外徑尺寸在線高精度檢測。

表1 外徑檢測結(jié)果 mm

4 結(jié)束語

針對薄壁筒形件旋壓制造外徑尺寸在線檢測的需求，基于單點位移傳感器組合角度編碼器的測量方式設(shè)計了在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)測量分辨率小于0.05 μm，檢測精度可達2 μm，且重復性良好。為提高旋壓制造尺寸精度提供了可靠的檢測數(shù)據(jù)，同時，在線檢測的實現(xiàn)有效提高了生產(chǎn)效率。目前，正在研究基于多只位移傳感器進行多點同步測量的檢測方法，以期進一步提高檢測精度。

[1] 李新和，劉燕平，嚴岳勝，等.大徑厚比超薄壁筒形件變薄旋壓鼓形[J].塑性工程學報，2012，19(3):64-70.

[2] 李新和，楊新泉，王艷芬，等.超薄壁大徑厚比屏蔽套反旋模擬分析[J].機械設(shè)計與研究，2010，26(5):94-97,108.

[3] 王曉麗,段春霞,周 陽.高精度非接觸式自動外徑測量方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(8):79-81.

[4] 張 劍.基于知識和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的筒形件強力旋壓工藝計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)研究[D].上海:上海交通大學,2007.

[5] Gut M，Thbsh J.Lastie flow instability under compressive loading during shear spinning process[J].Trans on ASME J Eng Ind，1982,104(l): 17-22.

[6] 陳 健.大型金屬件尺寸在線檢測技術(shù)及系統(tǒng)[D].武漢:武漢理工大學,2013.

[7] 郭飛飛,王寶光.高精度外徑激光自動測量系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(3):50-51.

Onlinedetectingsystemforouterdiameterofthin-walltubularpartsmanufacturedbyspinning*

HUANG Tao, TAN Jian-ping, WEN Xue, LI Xin-he

(StateKeyLaboratoryofHighPerformanceComplicatedManufacturing，SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，CentralSouthUniversity,Changsha410000,China)

In view that the current status of non spinning diameter online detection,an on line measuring system for the diameter of thin-wall tube spinning is designed to improve the precision of thin-wall tube spinning,in which the system based on a method of measuring by a displacement sensor and an angle encoder.Displacement and angle are acquired by sensor ,and a rectangular coordinate system is established to describe the coordinate of thin-wall contour of tube,while the diameter is calculated according to coordinate fitting circle.The system’s software and hardware are accomplished and tested on experiment table.Experimental results show that the system’s resolution and measurement precision are 0.05 μm and 2 μm,and the repeatability is good.The on line measuring system for the diameter of tube is a feasible method.

thin-wall tube; spinning; online detecting; outer diameter measurement

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0061—03

TH 124

A

1000—9787(2017)12—0061—03

2017—01—13

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2015CB057305)

黃 濤(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為信號采集與處理，E-mali:15386421895@163.com。譚建平(1963-)，男，教授，主要從事測控技術(shù)研究工作。