筒節(jié)外徑激光測距檢測系統(tǒng)

一、項目概況

 1.設備概況

筒節(jié)軋機用來將空心鍛造毛坯進行整形或擴徑軋制成具有一定機加余量的無縫重型筒節(jié)，明顯改善筒節(jié)鍛件的圓度、壁厚均勻性和表面平整度。

筒節(jié)軋機為可逆全液壓壓上臥式軋機（軋輥水平布置），開式輾擴結構。

1.1 設備組成

在機架窗口中安裝有兩根軋輥，位于上方一根為芯輥，筒形軋件內(nèi)孔穿入芯軸，下方一根為驅(qū)動輥，為保證芯輥穿入筒節(jié)，芯輥與驅(qū)動輥有直徑差。軋制時保持芯輥中心線不變，建立芯輥、抱輥、下驅(qū)動輥的成形模型，輥系的磨損和變化無需墊板進行調(diào)整。在芯輥和機架窗口之間通過油壓進行軋制力的**檢測。筒節(jié)軋機入出口側(cè)裝有抱輥裝置（定心裝置），由各自伺服液壓缸壓力和位置控制。

1.2 工作過程

將擴有芯孔加熱的筒坯吊入軋機，再插入芯輥后，通過液壓進給壓上缸（HGC）通過下驅(qū)動輥將筒體靠近接觸上芯輥，芯輥和驅(qū)動輥帶動工件沿圓周旋轉(zhuǎn)，隨著軋制過程筒節(jié)坯料隨即被輾擴變形，產(chǎn)生壁厚逐漸減小、直徑逐漸擴大、截面輪廓成形的塑性加工。當筒節(jié)外徑增大到需要的外徑，測量機構發(fā)信，進給停止再進行整形軋制后，軋制結束。驅(qū)動輥復位，并抽出芯輥，隨即將輾擴精整完畢的筒節(jié)從設備中取出。

2． 技術數(shù)據(jù)

2.1 鍛造空心毛坯限制尺寸范圍

① 毛坯外徑：φ3300-6000mm

② 毛坯內(nèi)徑：φ3000-5700 mm

③ 毛坯壁厚：150-650mm

④ 毛坯高度：根據(jù)軋后筒節(jié)尺寸確定（考慮寬展），具體根據(jù)軋后筒節(jié)尺寸確定。

2.2 軋制后筒節(jié)尺寸范圍

① 筒節(jié)外徑：φ3300~8000mm，外徑公差±20mm

② 筒節(jié)內(nèi)徑：φ3000~7700mm

③ 壁    厚：150~400mm

④ 筒節(jié)高度：2000~3750mm

2.3 軋制溫度

① 軋制溫度：800-1200℃

2.4大重量

① 大重量：250噸

3. 供電電源及工廠條件

3.1 供電電源

① 電壓：AC380V/220V ±10%

② 頻率：50Hz±1Hz

3.2 工廠條件

① 電氣室室內(nèi)溫度：   5-40℃

② 相對濕度：         大95%

③ 海拔高度：         小于2000m

4．技術要求

4.1 檢測內(nèi)容：

筒節(jié)外徑檢測裝置檢測內(nèi)容包括被檢測筒節(jié)外圓的下列數(shù)據(jù)

① 筒節(jié)前端橢圓半徑、真圓半徑、橢圓度

② 筒節(jié)后端橢圓半徑、真圓半徑、橢圓度

③ 筒節(jié)錐度（前后端橢圓真圓半徑差）

④ 筒節(jié)扭度（前后端橢圓旋轉(zhuǎn)角度差）

4.2 精度指標：

① 筒節(jié)外徑測量精度：≤±5mm

② 筒節(jié)扭度角度精度：≤0.2°

③ 數(shù)據(jù)刷新時間：       ≤20mS

二、方案設計及實施

   根據(jù)以上現(xiàn)場技術參數(shù)和激光測距的特點我公司技術人員進行了詳細的討論研究，制定了以下解決方案。

1．系統(tǒng)工作原理

該軋環(huán)外徑測量系統(tǒng)利用激光相位測量、空間標定、數(shù)據(jù)擬合等核心算法，通過架設在筒節(jié)周圍的高溫型激光測距傳感器對筒節(jié)的頭部和尾部實時檢測。測量開始前，需要對激光光路曲線進行三維標定，激光測光傳感器投射在筒節(jié)外表面上的三維坐標可以擬合出一個圓曲線，進而得出筒節(jié)的外徑、錐度、扭度等，由于筒節(jié)的表面溫度在1200℃左右，本系統(tǒng)選擇耐高溫型激光測距傳感器。

激光測距傳感器采集筒節(jié)位置三維信息通過采集模塊進入計算機，然后經(jīng)過系統(tǒng)的分析系統(tǒng)對筒節(jié)前后端的特征點當前三維坐標（X,Y,Z）進行定位、分析，測得三維坐標與原點坐標進行比較，計算出位移量，也就是X移動量，Y移動量，Z移動量，根據(jù)變化不斷擬合出新的圓形曲線，外徑測量系統(tǒng)就是把這一實時的曲線相關數(shù)據(jù)，按照預定的通訊協(xié)議（PROFIBUS-DP）發(fā)送給筒節(jié)軋機基礎自動化系統(tǒng)主PLC。進而實現(xiàn)軋制過程自動控制的目的。如圖1所示。

圖1 工作原理圖

2．工作過程

根據(jù)技術標書中的描述并結合我公司定位系統(tǒng)特性，計劃采用32套高溫型激光測距傳感器應用在該測徑系統(tǒng)中，其中16套用于筒節(jié)的前端部，前端部2側(cè)各用8臺；另外16套用于筒節(jié)的后端部，后端部2側(cè)各用8臺。所有的激光傳感器安裝一個穩(wěn)固可靠的支架上，支架分別位于筒節(jié)的2側(cè)，每個支架上部安裝有行走機構，2側(cè)分別安裝有伺服電機。筒節(jié)在軋制過程中的長度的變化，通過伺服電機調(diào)節(jié)激光組位置，可以實現(xiàn)不同長度筒節(jié)的參量要求。

如下圖文件中圖2中所示，當筒節(jié)到達指定軋制位置時，啟動筒節(jié)外徑測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)把測量結果通過協(xié)議實時傳送給軋機主PLC。在實際生產(chǎn)中，為大程度上避免筒節(jié)在軋制過程中引起的振動，除傳感器安裝支做抗振處理外，總的框架應盡量遠離振動源。

激光測距傳感器采用高溫型，高頻型。溫度高可承受在1300℃，測量頻率為100Hz。

現(xiàn)場工作示意圖如下：

圖2 現(xiàn)場工作示意圖

該系統(tǒng)工作過程快捷，單次測量20ms內(nèi)即可完成，測得筒節(jié)尺寸數(shù)據(jù)后實時傳送給筒節(jié)PLC。由于筒節(jié)的表面溫度較高，傳感器安裝現(xiàn)場采用風水冷保護套，以保證傳感器在一個正常的工作溫度。冷卻圖如下：

圖3 工作現(xiàn)場