基于視覺(jué)測(cè)量的大型型鋼折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高兵濤，馬子領(lǐng)

(華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450045)

0 引言

目前，國(guó)家將重心轉(zhuǎn)到制造業(yè)，制造業(yè)的發(fā)展勢(shì)必離不開(kāi)高精度機(jī)床，可以說(shuō)機(jī)床的發(fā)展水平體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。折彎?rùn)C(jī)又稱(chēng)為彎曲機(jī)，作為一種特定的機(jī)床(工作母機(jī))被廣泛應(yīng)用于隧道工程、房屋建設(shè)、鐵路工程及橋梁工程等方面[1-2]。型鋼折彎?rùn)C(jī)是用來(lái)彎曲不同半徑的型鋼，目前國(guó)內(nèi)型鋼彎曲度的測(cè)量方式繁瑣復(fù)雜、測(cè)量準(zhǔn)確性低，其中大多數(shù)還采用傳統(tǒng)手工測(cè)量的方式。國(guó)內(nèi)對(duì)型鋼彎曲度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)量方法的研究較少，型鋼折彎?rùn)C(jī)的應(yīng)用前景光明，具有較大的發(fā)展空間，因此提高型鋼彎曲度檢測(cè)裝置的自動(dòng)化、智能化程度非常有必要。

1 傳統(tǒng)型鋼折彎?rùn)C(jī)介紹

傳統(tǒng)型鋼折彎?rùn)C(jī)[3]由工作臺(tái)、左右驅(qū)動(dòng)裝置、支撐限位裝置、頂推裝置、電控箱等部分組成，其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳統(tǒng)型鋼折彎?rùn)C(jī)的工作臺(tái)左端為上游方向，右端為下游方向。傳統(tǒng)型鋼折彎?rùn)C(jī)在工作臺(tái)左右方向的中部位置設(shè)有頂推裝置，用于在垂直型鋼運(yùn)動(dòng)方向上對(duì)型鋼施加彎曲力。驅(qū)動(dòng)裝置和支撐限位裝置在工作臺(tái)上依次沿弧線間隔設(shè)置。工作臺(tái)左右兩側(cè)以頂推裝置的中心線對(duì)稱(chēng)設(shè)置有結(jié)構(gòu)相同的左驅(qū)動(dòng)裝置、右驅(qū)動(dòng)裝置，均通過(guò)主動(dòng)輪的摩擦力帶動(dòng)型鋼運(yùn)動(dòng)；左右驅(qū)動(dòng)裝置的兩側(cè)均設(shè)有支撐限位裝置。

1. 型鋼；2. 支撐限位裝置；3. 左驅(qū)動(dòng)裝置；4. 工作臺(tái)；5. 頂推裝置；6. 電控箱；7. 右驅(qū)動(dòng)裝置圖1 傳統(tǒng)型鋼折彎?rùn)C(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)型鋼折彎?rùn)C(jī)的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)裝置少、成本低。缺點(diǎn)是在彎曲型鋼時(shí)會(huì)受到三個(gè)約束力，分別是頂推裝置提供的彎曲力、左驅(qū)動(dòng)裝置和右驅(qū)動(dòng)裝置提供的約束力，使得型鋼在頂推裝置左右兩側(cè)均受力，在彎曲較小半徑和大型型鋼時(shí)容易造成型鋼中間橫板處發(fā)生不可控變形[4]；進(jìn)料端的型鋼會(huì)向與彎曲力相反的方向擺動(dòng)，導(dǎo)致進(jìn)料口部分型鋼的擺動(dòng)范圍過(guò)大，以及型鋼進(jìn)入型鋼折彎?rùn)C(jī)的路線不固定，難以與型鋼智能生產(chǎn)線配合，造成空間浪費(fèi)；不能夠?qū)澢蟮男弯撨M(jìn)行反向操作(矯直)；型鋼彎曲由于非線性回彈特性的存在，傳統(tǒng)型鋼折彎?rùn)C(jī)在工作時(shí)能夠一次把型鋼折彎成目標(biāo)彎曲半徑是非常困難的，往往需要使型鋼在折彎?rùn)C(jī)上經(jīng)過(guò)反復(fù)前進(jìn)和后退，反復(fù)頂壓折彎，最終才能夠使型鋼達(dá)到預(yù)定彎曲度，既降低了作業(yè)效率，又增加了能耗[5]。

2 基于視覺(jué)測(cè)量的新型型鋼折彎?rùn)C(jī)設(shè)計(jì)

基于視覺(jué)測(cè)量的新型型鋼折彎?rùn)C(jī)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括兩大部分，新型型鋼折彎?rùn)C(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于視覺(jué)測(cè)量的型鋼彎曲度檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示。

1. 殼體；2.窗戶(hù)圖2 裝置整體三維結(jié)構(gòu)圖(帶殼體)

1. 支撐限位裝置；2. 工作臺(tái)；3. 夾緊限位裝置；4. 油缸；5. 頂推裝置；6. 電控箱；7. 光源；8. 可伸縮支架；9. 相機(jī)；10. 橫桿；11. 出料端；12. 下支撐軸；13. 上限位軸；14. 驅(qū)動(dòng)裝置；15. 型鋼；16. 進(jìn)料端圖3 裝置整體三維結(jié)構(gòu)圖(無(wú)殼體)

通過(guò)在新型型鋼折彎?rùn)C(jī)進(jìn)料端處設(shè)置多個(gè)支撐限位裝置和夾緊限位裝置，可以保證型鋼的進(jìn)料路線和方向確定，可使型鋼焊接點(diǎn)的位置固定，有利于將焊接自動(dòng)化設(shè)備集成到生產(chǎn)線中；通過(guò)在新型折彎?rùn)C(jī)出料口處設(shè)置型鋼彎曲度視覺(jué)測(cè)量裝置，可以實(shí)現(xiàn)型鋼彎曲度無(wú)接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量，并把檢測(cè)結(jié)果傳遞給電控裝置實(shí)現(xiàn)型鋼的一次彎曲成型。

2.1 新型型鋼折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型型鋼折彎?rùn)C(jī)是通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)折彎?rùn)C(jī)得到，主要包括支撐限位裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、夾緊限位裝置和頂推裝置，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

工作臺(tái)的左端和右端分別為型鋼的進(jìn)料端和出料端。在工作臺(tái)上設(shè)置了五組支撐限位裝置，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。各支撐限位裝置的結(jié)構(gòu)相同，在進(jìn)料端向出料端的方向上沿直線分布，均包括支撐架和上下間隔設(shè)置在支撐架上的上限位軸和下支撐軸。下支撐軸通過(guò)軸承直接與固定座相連，固定座與支撐架固定相連。上限位軸通過(guò)軸承、套筒與調(diào)節(jié)絲杠相連，調(diào)節(jié)絲杠上方設(shè)有旋轉(zhuǎn)把手。下支撐軸是為了支撐型鋼，上限位軸是為了防止型鋼在折彎過(guò)程中在上下方向上發(fā)生擺動(dòng)。上限位軸和下支撐軸中間的空間稱(chēng)為支撐限位空間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)把手可以調(diào)節(jié)上限位軸和下支撐軸之間的間距使其恰好為目標(biāo)型鋼的厚度。

1. 套筒；2. 固定座；3. 支撐架；4. 下支撐軸；5. 上限位軸；6. 旋轉(zhuǎn)把手；7. 調(diào)節(jié)絲杠圖4 支撐限位裝置

夾緊限位裝置包括夾緊液壓缸，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。夾緊液壓缸位于工作臺(tái)上半部分，液壓缸通過(guò)安裝座固定連接在工作臺(tái)，液壓桿前端在頂輪箱內(nèi)部設(shè)有用于頂壓型鋼的頂輪，頂輪箱通過(guò)滑軌滑動(dòng)連接于工作臺(tái)。各個(gè)夾緊液壓缸在工作臺(tái)上由進(jìn)料端向出料端的方向沿直線均勻分布，夾緊液壓缸與驅(qū)動(dòng)裝置配合防止型鋼在工作臺(tái)前后方向上發(fā)生偏移，也能夠保證新型折彎?rùn)C(jī)對(duì)彎曲后的型鋼起到矯直的作用。所有驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相同，包括正反轉(zhuǎn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪。各個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置利用驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力驅(qū)動(dòng)型鋼前進(jìn)或后退。三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置在工作臺(tái)上沿直線分布，前兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置沿夾緊液壓缸的軸線豎向安裝，第三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置位于頂推裝置和第三個(gè)夾緊液壓缸之間位置。

1. 夾緊液壓缸；2. 安裝座；3. 液壓桿；4. 滑軌； 5. 頂輪箱；6. 頂輪；7. 驅(qū)動(dòng)輪；8. 正反轉(zhuǎn)電機(jī)圖5 夾緊限位裝置

頂推裝置位于工作臺(tái)末端，且其安裝方向和方式與夾緊液壓缸相同。工作臺(tái)出料端設(shè)有油缸和電控裝置，油缸用于儲(chǔ)存液壓油，保證各個(gè)液壓缸的正常工作。

電控裝置用于控制照明燈、相機(jī)、各型鋼驅(qū)動(dòng)裝置的正反轉(zhuǎn)電機(jī)及頂推裝置。

2.2 型鋼彎曲度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

型鋼彎曲度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)型鋼彎曲半徑實(shí)時(shí)矯正的核心部分，型鋼彎曲度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)所用的相機(jī)和光源及其安裝方式如圖3所示。

相機(jī)機(jī)構(gòu)包括可伸縮支架、橫桿和相機(jī)，其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝位置如圖3所示。相機(jī)機(jī)構(gòu)橫跨于新型折彎?rùn)C(jī)出料口方向的型鋼路徑上，橫桿固定在可伸縮支架上方，頂部的橫桿上設(shè)有相機(jī)，相機(jī)位于型鋼的正上方其拍攝方向朝向下方，這樣的設(shè)置使相機(jī)拍攝的圖像為正對(duì)型鋼的俯視圖，用于拍攝具有最小變形量的圖像。由于本文針對(duì)大型型鋼，因此要求相機(jī)的分辨率較高。型鋼折彎過(guò)程屬于冷變形，在型鋼彎曲的過(guò)程中速度不能過(guò)快，型鋼行進(jìn)的速度保持在0.03～0.1 m·s-1。綜合考慮采用型號(hào)為MV-CH120-10GM的CMOS工業(yè)面陣相機(jī)，其攝像頭分辨率為4 096×3 000，全幀重復(fù)率9.4 fps。

光源的選擇是照明機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)型鋼彎曲度檢測(cè)選擇線光源[6]，各照明裝置分散布置于出料口方向上型鋼路徑的兩側(cè)。各照明機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，均包括照明支架和照明燈，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。照明支架的高度可調(diào)，照明燈通過(guò)斜連接件固定在照明支架頂部，在實(shí)際檢測(cè)的時(shí)候照明燈的高度低于型鋼的上表面10～30 cm時(shí)效果最佳。

1. 照明支架；2. 斜連接件；3. 照明燈圖6 照明機(jī)構(gòu)三維圖

為了減少外界因素對(duì)該系統(tǒng)工作環(huán)境的影響，采用殼體將型鋼折彎裝置、彎曲度檢測(cè)裝置罩在內(nèi)部。殼體的窄口處為型鋼的進(jìn)料口，殼體的斜切口處為型鋼的出料口，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)進(jìn)料口和出料口處分別設(shè)有布簾或塑料簾用來(lái)阻擋外界光線的干擾，布簾或塑料簾上設(shè)有用于型鋼通過(guò)的開(kāi)口。殼體上兩側(cè)設(shè)有窗戶(hù)用于觀察該裝置的工作情況；在垂直于控制柜方向上設(shè)有門(mén)，用于操作電控裝置與外接工控機(jī)和顯示屏。

3 基于視覺(jué)測(cè)量的型鋼折彎?rùn)C(jī)工作原理

采用上料設(shè)備將型鋼由進(jìn)料口送入殼體并依次穿過(guò)各型鋼支撐限位裝置，直到型鋼前部與頂推裝置中的頂推輪恰好接觸，通過(guò)旋轉(zhuǎn)把手調(diào)節(jié)上限位軸和下支撐軸之間的空間使上限位軸恰好與型鋼接觸，調(diào)整頂緊液壓缸中液壓桿的伸縮量，使型鋼兩個(gè)側(cè)面與各驅(qū)動(dòng)裝置和夾緊液壓缸中的頂推輪接觸。同時(shí)啟動(dòng)各個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)型鋼向出料端移動(dòng)，當(dāng)型鋼初始位置經(jīng)過(guò)頂推裝置時(shí)，根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)設(shè)置頂推裝置中液壓桿的伸縮量對(duì)型鋼進(jìn)行擠壓彎曲，在彎曲后的型鋼被送出工作臺(tái)后，攝像機(jī)對(duì)折彎后型鋼進(jìn)行圖像采集，把采集到的圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，利用上位機(jī)中的圖像處理軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行灰度化、二值化、濾波、形態(tài)學(xué)運(yùn)算和邊緣檢測(cè)等預(yù)處理，獲得型鋼邊界輪廓信息，利用相機(jī)標(biāo)定參數(shù)和最小二乘法對(duì)型鋼的外邊界進(jìn)行曲線擬合，從而獲得型鋼彎曲后的曲率半徑，通過(guò)圖像處理軟件和下位機(jī)之間的通信鏈接把檢測(cè)的信息反饋給下位機(jī)，下位機(jī)再通過(guò)對(duì)上位機(jī)反饋信息的判斷，在允許誤差范圍內(nèi)及時(shí)調(diào)節(jié)頂推裝置中液壓桿的伸縮量。當(dāng)檢測(cè)得到的半徑精度超出誤差允許范圍時(shí)，會(huì)對(duì)頂推裝置中液壓桿的伸縮量立即進(jìn)行反向調(diào)節(jié)，保證彎曲型鋼的誤差一直保持在允許范圍內(nèi)，使頂推裝置中液壓桿的伸縮量與型鋼受壓折彎后經(jīng)非線性回彈的彎曲半徑相匹配，從而實(shí)現(xiàn)不需要反復(fù)進(jìn)退型鋼，使型鋼通過(guò)型鋼折彎?rùn)C(jī)一次彎曲變形，即可使其曲率半徑達(dá)到預(yù)定值。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)折彎?rùn)C(jī)相比，基于視覺(jué)測(cè)量的大型型鋼折彎?rùn)C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)型鋼的進(jìn)料路線固定，便于集成到型鋼彎曲生產(chǎn)線上，為生產(chǎn)線的焊接工藝提供了便利；

2)型鋼在彎曲過(guò)程中只有一側(cè)受力，可以很大程度上避免型鋼不可控變形，保證了工件的質(zhì)量；

3)在型鋼折彎過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)型鋼彎曲度的實(shí)時(shí)矯正，使得型鋼在一次受壓彎曲后經(jīng)非線性回彈即可直接達(dá)到預(yù)定彎曲度。