CN101629809A

CN101629809A - 巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测方法及装置

Info

Publication number: CN101629809A
Application number: CN200910044182A
Authority: CN
Inventors: 谭建平; 陈晖�; 彭玉凤; 全凌云
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2029-08-24
Also published as: CN101629809B

Abstract

本发明提供一种巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测方法，利用两个高速CCD图像传感器拍摄位于巨型模锻液压机活动横梁两顶角处的检测标志物，根据实时拍摄的检测标志物图像及横梁基准位置时的检测标志物图像，通过嵌入式图像处理模块运用图像处理算法进行数字图像处理，求得巨型模锻液压机活动横梁两个顶角的二维偏移值，再得到活动横梁中心的二维偏移量及活动横梁的角度偏转，最后通过PLC控制器及上位计算机***实现活动横梁非工作方向偏移的状态监控。本发明通过实时有效的对液压机活动横梁横向偏移进行检测，大大提高产品加工质量及设备使用的安全性、可靠性、使用和维护效率，延长巨型模锻液压机的使用寿命。

Description

巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测方法及装置

技术领域

本发明属于机械与电子技术领域，涉及巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测方法及装置。

背景技术

巨型模锻液压机是目前宇航、航空、原子能、汽车、船舶等工业中必不可少的关键设备，也是重型机械制造业的重要设备，它对于一个国家的国防工业及重型机械制造业等领域的技术水平与生产率有着关键的作用，是一个国家工业化程度和经济、国防实力的重要标志之一。

巨型模锻液压机本体一般由机架、液压缸、活动部件及其导向装置组成。工作时液压缸产生压力推动活动部件沿导向装置运动，完成液压机的锻压过程。活动部件沿导向装置来回运动的方向为其工作方向，其它方向的运动则称为液压机活动部件非工作方向的偏移。液压机长时间运行后会造成活动部件与导向装置的摩擦磨损严重，再加上工作过程巨大载荷下的剧烈振动、冲击的影响，活动部件很容易发生非工作方向的偏移。

液压机活动部件非工作方向的偏移将影响液压机的正常工作。对于巨型模锻液压机而言，它将影响模具合模精度，影响锻件质量，并产生载荷奇异传递和巨大的偏载附加内力，直接影响大型构件受力状况和水压机的强度、刚度，造成机体磨损不均匀，缩短机体寿命，严重时损坏产品、压坏模具，甚至损坏液压机本体，给国家和企业造成重大损失。

目前，国内对于大型锻造液压机活动部件非工作方向偏移缺乏有效的检测手段，该方面的研究工作也未见任何公开报导。其活动部件非工作方向偏移检测及调整大多以人工为主，这种检测方法工作量大、精度低、缺乏科学性。国外，对于巨型液压机的研究开发均作为技术秘密未予公开。由于缺少活动横梁横向偏移的在线检测数据资料，对于研究大惯量多约束活动横梁空间受控运动规律、避免水压机活动横梁横向偏移而产生巨大的偏心载荷、优化水压机锻造工艺过程、提高产品质量带来了困难。因此，活动横梁横向偏移二维位置检测***的开发与研究是非常必要的。然而，巨型模锻液压机具有结构巨大，现场环境恶劣，干扰严重，活动部件行程长，冲击、振动剧烈，信号传输线路长，控制***的布线受到诸多限制等特点，常规的检测方法及手段难以适应其特殊的工作环境，因此，为实现巨型模锻液压机特殊环境下的活动横梁非工作方向偏移检测功能，有必要开发一种高可靠性、高灵活性的液压机活动横梁非工作方向偏移检测***。

发明内容

本发明的目的在于针对巨型模锻液压机特殊工作环境，克服现有技术之不足而提供一种巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测方法及装置，该装置安装操作简便，可靠性、灵活性高，实用性强。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测方法，其特征在于，在巨型模锻液压机活动横梁的2个顶点处设置用于图像检测的2个检测标志物：第1检测标志物和第2检测标志物，通过与所述检测标志物在竖直方向上保持位移不变的2个CCD图像传感器分别检测所述2个检测标志物的水平偏移量；最后根据所述的2个检测标志物的水平偏移量计算巨型模锻液压机活动横梁中心位置的水平偏移量，即得巨型模锻液压机活动横梁非工作方向的偏移量。

所述的巨型模锻液压机活动横梁中心位置非工作方向的偏移量为：横向偏移量Δx，纵向偏移量Δy，绕中心位置的角度偏转为β，计算公式为：

β = arctg \frac{y_{b} - y_{a}}{L + x_{b} - x_{a}}

Δx = \frac{x_{a} + x_{b}}{2} - \frac{H \times (y_{b} - y_{a})}{2 (L + x_{b} - x_{a})};

式中x_a，y_a分别为第1检测标志物的横坐标和纵坐

Δy = y_{a} + y_{b} + \frac{H \times (x_{b} - x_{a} - L)}{2 L}

标，x_b，y_b分别为第2检测标志物的横坐标和纵坐标，L，H分别为巨型模锻液压机活动横梁的长和宽的长度。

一种巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测装置，其特征在于，在巨型模锻液压机活动横梁的2个顶角处各设置一套单点偏移量检测装置，每一套单点偏移量检测装置包括设置在巨型模锻液压机活动横梁上的连接支架、设置在连接支架上的检测标志物、竖直方向设置的导轨、可沿所述导轨滑动的滑块，所述的滑块上设置有CCD图像传感器；所述的滑块与连接支架连接；所述的CCD图像传感器在所述的检测标志物的正上方。

所述的滑块与连接支架通过滚珠弹簧缓冲装置连接。

图1描述了本发明——一种巨型模锻液压机活动部件非工作方向偏移检测装置的结构，其特征在于：在活动横梁两个顶角测点处装有沿竖直方向运动的导轨滑块装置，活动横梁1通过联接支架3与滑块7相联接，且其联接处设有滚珠弹簧缓冲装置6；CCD图像传感器、嵌入式图像处理模块、无线传输模块封装于一体，所述封装盒10固定于滑块7上；拍摄镜头9安装在封装盒10(即图像检测模块)上，且镜头朝下安装；检测标志物8固定于活动横梁联接支架上，且位于拍摄镜头9的正下方。

本发明所采用的技术方案如下：利用两个高速CCD图像传感器拍摄位于巨型模锻液压机活动横梁两顶角处的检测标志物，根据实时拍摄的检测标志物图像及横梁基准位置时的检测标志物图像，通过嵌入式图像处理模块运用图像处理算法进行数字图像处理，求得巨型模锻液压机活动横梁两个顶角相对于基准位置的二维偏移值，再通过中心位置数学模型得到活动横梁中心的二维偏移量及活动横梁的角度偏转，并由无线网络传输模块完成检测信号的远距离全数字化无线网络通信，最后通过PLC控制器及上位计算机***实现活动横梁非工作方向偏移的状态监控。

本发明——一种巨型模锻液压机活动部件非工作方向偏移检测方法及装置，所述的嵌入式图像处理模块为DSP处理器。

本发明——一种巨型模锻液压机活动部件非工作方向偏移检测方法及装置，所述的无线传输技术采用半双工、实时收发技术。

本发明——一种巨型模锻液压机活动部件非工作方向偏移检测方法及装置，所述的PLC控制器通过自由口通讯模式实现与无线接收模块的数据通信。

本发明——一种巨型模锻液压机活动部件非工作方向偏移检测方法及装置，所述的上位计算机与PLC控制器通过Profibus-DP工业现场总线实现数据通信。

本发明——一种巨型模锻液压机活动部件非工作方向偏移检测方法及装置，所述的中心位置数学模型基于三角形几何定位原理。

本发明——一种巨型模锻液压机活动部件非工作方向偏移检测方法及装置，所述PLC及上位机***具有活动横梁非工作方向偏移超限报警功能。

本发明具有的有益效果：

本发明提出了一种巨型模锻液压机活动横梁横向二维偏移检测方法及装置，基于机器视觉原理检测活动横梁工作时的水平偏移；基于无线传输技术，实现数据的数字化无线传输。***构成简单，抗干扰能力强，可靠性高。通过实时有效的对液压机活动横梁横向偏移情况进行检测，提高设备的维护效率和产品加工精度，避免因液压机工作时活动横梁偏移过大而带来的荷奇异传递、构件超常附加应力、液压机机体磨损不均匀等情况发生，提高液压机设备的安全性、可靠性、延长设备的使用寿命。

附图说明

附图1为本发明实施例中传感器安装结构；

附图2为本发明实施例中传感器测点布置图【此图为横梁仰视图】；

附图3为本发明实施例中机器视觉检测原理图；

附图4为本发明实施例中活动横梁中心偏移检测中心几何模型；【U为活动横梁基准位置，V为活动横梁偏移位置】

附图5为本发明实施例中***的构成。

其中，附图1中：1-活动横梁，2-照射光源，3-联接支架，4-保护罩，5-导轨，6-滚珠弹簧缓冲装置，7-滑块，8-检测标志物，9-拍摄镜头，10-封装盒。

附图2中：11-第一传感器测点，12-第二传感器测点，13-立柱。

附图3中：15-CCD图像传感器光敏面，16-镜头，17-检测标志物。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测***包括导轨滑块装置、高速CCD图像传感器、拍摄镜头、嵌入式图像处理模块、无线传输模块、PLC及上位计算机。

图1描述了本发明——一种巨型模锻液压机活动部件非工作方向偏移检测装置的结构：在活动横梁两个顶角测点处装有沿竖直方向运动的导轨滑块装置，导轨5安装在巨型模锻液压机的下固定横梁上，活动横梁1通过联接支架3与滑块7相接，为了消除水压机工作时活动横梁的冲击和振动对检测***的影响，在活动横梁与滑块的联接处设有滚珠弹簧缓冲装置6；CCD图像传感器、嵌入式图像处理模块、无线传输模块封装于一体，所述封装盒10固定于滑块上；拍摄镜头9安装在封装盒10上，且镜头朝下安装，用于完成检测标志物的图像拍摄与图像识别处理；检测标志物8固定于活动横梁联接支架上，且位于拍摄镜头的正下方；照射光源2安装在目标物附近，其照射光直射到检测标志物8上。活动横梁上下运动时，活动横梁1通过联接支架3带动滑块6上下运动，因而CCD图像传感器与检测标志物之间的竖直距离保持不变，即摄像***的物距不变。而活动横梁二维偏移引起的检测标志物的二维位移可由摄像***通过图像拍摄和图像识别检测得到。

图2为本发明实施例中传感器测点布置图；对于巨型模锻液压机而言，由于其机体结构特征，其活动横梁中心偏移不能被直接检测到，而检测活动横梁顶角的二维偏移相对较容易，所以，本发明将第一传感器测点11和第二传感器测点12布置在活动横梁的同侧的两个顶角上，通过检测活动横梁两个顶角的二维偏移，再利用中心位置数据模型间接得到活动横梁中心的二维偏移及活动横梁角度偏移。

图3为本发明实施例中机器视觉检测原理图；将一白色的圆形标志物置于黑色背景中，作为摄像***的检测标志物17，16为镜头、15为CCD图像传感器光敏面。摄像***工作时，检测标志物通过透镜会在CCD图像传感器光敏面上成一个像(圆形光斑)。光敏面为一像素矩阵，当检测标志物相对于透镜移动一定距离时，其在CCD图像传感器光敏面上所成的像也会移过相应的像素值.设检测标志物在笛卡尔平面坐标中相对于基准位置移动的距离为L_x，L_y，检测标志物在CCD图像器光敏面上所成像的中心移过的像素值为D_x，D_y，根据几何光学知识可得L_x与D_x、L_y与D_y的光系为：

L_x＝R_x×D_x

L_y＝R_y×D_y

R_x和R_y是标定系数，单位为mm/pixel(像素值)，其值大小通过摄像***的实验标定后得到。

D_x＝x-x₀，D_y＝y-y₀

x，y为实时拍摄的标志物图像的中心位置像素值，x₀，y₀为横梁处于基准位置时标志物图像中心位置像素值。拍摄的图像通过图像滤波，图像增强等预处理后可以得到一个黑底的的白色圆形光斑图像，可通过图像处理算法——重心法方便的求得圆形光斑图像的中心位置像素值，假设光敏面像素矩阵由s个像素组成。引用重心法计算公式，每个像素都对应确定的空间坐标(x，y)及灰度P_i(x_i，y_i)，根据重心法的计算公式，则该光斑图像的中心位置像素坐标为：

x = \frac{Σ_{i = 1}^{s} x_{i} P_{i} (x_{i}, y_{i})}{Σ_{i = 1}^{s} P_{i} (x_{i}, y_{i})}

y = \frac{Σ_{i = 1}^{s} y_{i} P_{i} (x_{i}, y_{i})}{Σ_{i = 1}^{s} P_{i} (x_{i}, y_{i})}

代入得：

L_{x} = R_{x} \times (\frac{Σ_{i = 1}^{s} x_{i} P_{i} (x_{i}, y_{i})}{Σ_{i = 1}^{s} P_{i} (x_{i}, y_{i})} - x_{0})

L_{y} = R_{y} \times (\frac{Σ_{i = 1}^{s} y_{i} P_{i} (x_{i}, y_{i})}{Σ_{i = 1}^{s} P_{i} (x_{i}, y_{i})} - y_{0})

这样只需要利用图像处理技术对摄像***拍摄的检测标志物图像进行处理即可得到检测标志物(横梁顶角)的实际偏移值。

图4为本发明实施例中活动横梁中心偏移检测三角形几何定位原理。以活动横梁处于基准位置时的中心O点为原点建立绝对坐标系XOY，以该时该活动横梁的顶点A为原点建立绝对坐标系X_aO_aY_a，顶点B为原点建立绝对坐标系X_bO_bY_b。将A点、B点、O点三点连接构成一等腰三角形ΔABO。当活动横梁发生非工作方向偏移时，ΔABO的位置偏移到ΔA1B1O1。由于在平面XOY内ΔABO≌ΔA1B1O1，所以通过得到A点与B点的偏移值，通过几何关系，即可换算得到活动横梁中心位置的二维水平偏移值及绕中心位置的角度偏转为(β)，其数学表达式如下：

β = arctg \frac{y_{b} - y_{a}}{L + x_{b} - x_{a}}

Δx = \frac{x_{a} + x_{b}}{2} - \frac{H \times (y_{b} - y_{a})}{2 (L + x_{b} - x_{a})}

Δy = y_{a} + y_{b} + \frac{H \times (x_{b} - x_{a} - L)}{2 L}

图5为本发明实施例中检测***构成。***硬件主要由检测标志物、照明光源、图像检测模块、无线传输模块、PLC***、上位计算机，各部分功能简述如下：

检测标志物：检测标志物为一白色的圆形标志物置于黑色背景中，它固定在活动横梁上，随着活动横梁的移动而移动，它的作用是在摄像***拍摄的图像中形成一成像光斑，在图像处理计算中便于图像目标辨识。

照明光源：照射光源将照射光直射到目标物上，以增加摄像机图像采集后的亮度，以避免环境自然光线或外界灯光对其工作状态的影响，提高计算机图像目标辨识的能力。

图像检测模块：包括CCD图像传感器、DSP图像处理模块、信号无线传输模块。***工作时，CCD图像传感器以每秒25帧的高频率拍摄检测标志物的图像信息，DSP图像处理模块通过图像预处理(图像去噪、图像增强)、检测标志物中心提取得到活动横梁的横向偏移值，并将检测信号通过无线传输模块发送出去。

无线传输模块：分无线发送模块和无线接收模块，无线发送模块与CCD图像传感器、DSP图像处理模块通过多层电路板结构集成于一体，共同构成图像检测模块；无线接收模块接收图像检测模块传输的检测信号，并将信号通过RS485总线传送至PLC***，PLC通过自由口通讯的方式读取无线模块的数据。无线模块的数据收发采用半双工、实时收发技术。

PLC***：PLC***接收无线模块得来的检测标志物位置信息(x，y坐标)，完成横梁中心位置偏移及活动横梁角度偏转的计算，并由PROFIBUS-DP通讯网络将数据传送至上位机中。偏移超限时，PLC***发出警报信号。

上位机***硬件采用研华系列工控机，软件采用西门子WinCC监控软件。上位机***完成水压机活动横梁非工作方向领衔监测***的动态画面监控、数据归档、参数设置、数据管理等功能。

Claims

1.一种巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测方法，其特征在于，在巨型模锻液压机活动横梁的2个顶点处设置用于图像检测的2个检测标志物：第1检测标志物和第2检测标志物，通过与所述检测标志物在竖直方向上保持位移不变的2个CCD图像传感器分别检测所述2个检测标志物的水平偏移量；最后根据所述的2个检测标志物的水平偏移量计算巨型模锻液压机活动横梁中心位置的水平偏移量，即得巨型模锻液压机活动横梁非工作方向的偏移量。

2.根据权利要求1所述的巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测方法，其特征在于，所述的巨型模锻液压机活动横梁中心位置非工作方向的偏移量为：横向偏移量Δx，纵向偏移量Δy，绕中心位置的角度偏转为β，计算公式为：

β = arctg \frac{y_{b} - y_{a}}{L + x_{b} - x_{a}}

Δx = \frac{x_{a} + x_{b}}{2} - \frac{H \times (y_{b} - y_{a})}{2 (L + x_{b} - x_{a})};

式中x_a，y_a分别为第1检测标志物的横坐标和纵坐

Δy = y_{a} + y_{b} + \frac{H \times (x_{b} - x_{a} - L)}{2 L}

3.一种巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测装置，其特征在于，在巨型模锻液压机活动横梁的2个顶角处各设置一套单点偏移量检测装置，每一套单点偏移量检测装置包括设置在巨型模锻液压机活动横梁上的连接支架、设置在连接支架上的检测标志物、竖直方向设置的导轨、可沿所述导轨滑动的滑块，所述的滑块上设置有CCD图像传感器；所述的滑块与连接支架连接；所述的CCD图像传感器在所述的检测标志物的正上方。

4.根据权利要求3所述的巨型模锻液压机活动横梁非工作方向偏移检测装置，其特征在于，所述的滑块与连接支架通过滚珠弹簧缓冲装置连接。