基于激光測(cè)距的脫粒滾筒焊接質(zhì)量在線檢測(cè)方法

榮　耀，苑嚴(yán)偉，趙化平，張俊寧，董　鑫

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京　100083；2.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083)

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基于激光測(cè)距的脫粒滾筒焊接質(zhì)量在線檢測(cè)方法

榮耀1,2，苑嚴(yán)偉1,2，趙化平1,2，張俊寧1,2，董鑫1,2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083；2.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

摘要：針對(duì)稻麥?zhǔn)斋@機(jī)脫粒滾筒焊接質(zhì)量人工檢測(cè)誤差大、效率低的現(xiàn)狀，提出了一種基于激光測(cè)距的在線檢測(cè)方法。同時(shí)，由工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)對(duì)脫粒滾筒和激光傳感器的控制，進(jìn)而完成距離信息的采集，再通過(guò)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析，得出脫粒滾筒圓柱度和垂直度的檢測(cè)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：脫粒滾筒圓柱度檢測(cè)最大誤差為2.15%，垂直度檢測(cè)最大誤差為1.42%，滿足脫粒滾筒焊接質(zhì)量快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)要求。

關(guān)鍵詞：脫粒滾筒；焊接質(zhì)量；在線檢測(cè)；控制

0引言

脫粒滾筒是稻麥?zhǔn)斋@機(jī)的核心部件，其加工手段以焊接為主，焊接質(zhì)量直接影響著收獲機(jī)械的作業(yè)性能。國(guó)內(nèi)對(duì)焊接工件的檢測(cè)手段還較為落后，目前脫粒滾筒的焊接基本靠手工完成，既沒有焊接質(zhì)量的檢測(cè)手段，又沒有焊接變形的校正手段，脫粒滾筒圓柱度無(wú)法保證。特別是脫粒滾筒外輻盤垂直度低，導(dǎo)致脫粒滾筒徑向跳動(dòng)大，脫粒滾筒和凹板間隙不一致，嚴(yán)重制約脫粒效果和清選效果，影響了脫粒滾筒的壽命，增大了脫粒滾筒的故障率[1-5]。在線檢測(cè)技術(shù)能提高檢測(cè)的精度和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，為了緊跟全球農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的步伐，對(duì)脫粒滾筒的圓柱度與外輻盤垂直度進(jìn)行在線檢測(cè)勢(shì)在必行[6-8]。

目前，國(guó)內(nèi)外在形位誤差測(cè)量方面使用的儀器有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、圓度儀和形狀測(cè)量?jī)x等，這些儀器價(jià)格昂貴，對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求比較高，測(cè)量范圍限于中小尺寸的零件，且檢測(cè)項(xiàng)目較為單一，更不能用于大尺寸零件形位誤差的測(cè)量，約束性較大[9-13]。

為此，提出了一種基于運(yùn)動(dòng)控制卡和激光位移傳感器的在線檢測(cè)方法，開發(fā)出脫粒滾筒焊接質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)，以快速和精確地完成對(duì)脫粒滾筒焊接質(zhì)量的檢測(cè)。

1在線檢測(cè)系統(tǒng)的組成

稻麥?zhǔn)斋@機(jī)脫粒滾筒焊接質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。其中，硬件部分由試驗(yàn)臺(tái)、工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)及激光位移傳感器組成；軟件部分由速度選擇模塊、電機(jī)控制模塊、圓柱度數(shù)據(jù)采集模塊、垂直度數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及質(zhì)量判斷模塊組成，如圖1所示。

圖1　檢測(cè)系統(tǒng)組成

1.1檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成

檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖2所示。通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)上加裝各種硬件組成完整的檢測(cè)系統(tǒng)。所使用的運(yùn)動(dòng)控制卡為阿爾泰PCI1010軸運(yùn)動(dòng)控制卡，將其插入到工控機(jī)的PCI插槽中，兩者共同組成檢測(cè)系統(tǒng)的上位單元，上位單元是此檢測(cè)系統(tǒng)的核心。通過(guò)上位單元向交流伺服電機(jī)發(fā)出脈沖來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制卡的X軸控制電機(jī)1，Y軸控制電機(jī)2。電機(jī)1通過(guò)一個(gè)減速比為15的行星減速機(jī)和絲杠相連，絲杠上安裝滑塊，兩個(gè)激光位移傳感器固定在滑塊上。其中，激光位移傳感器1向滾筒表面發(fā)射激光脈沖，用來(lái)采集圓柱度距離信息；激光位移傳感器2向滾筒外輻盤發(fā)射激光脈沖，用來(lái)采集垂直度距離信息。電機(jī)2通過(guò)一個(gè)減速比為25的行星減速機(jī)和皮帶輪相連，皮帶輪的減速比為5，皮帶輪再通過(guò)主軸箱上的三爪卡盤來(lái)帶動(dòng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.帶輪　2.主軸箱　3.三角卡盤　4.激光傳感器　5.脫粒滾筒

1.2檢測(cè)系統(tǒng)軟件組成

脫粒滾筒在線檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分由6部分組成：速度選擇、電機(jī)控制、圓柱度數(shù)據(jù)采集、垂直度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量判斷，如圖3所示。

圖3　檢測(cè)系統(tǒng)界面

檢測(cè)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，在“速度選擇”方框中，首先選擇滾筒和滑塊的速度，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，兩個(gè)交流伺服電機(jī)同時(shí)開始工作，脫粒滾筒開始做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。在“圓柱度數(shù)據(jù)采集”方框中，選擇串口號(hào)和波特率后，固定在滑塊上的激光位移傳感器1開始采集圓柱度數(shù)據(jù)，待采集數(shù)據(jù)完成以后，滾筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下返回初始位置。以類似的步驟進(jìn)行垂直度數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完成后，點(diǎn)擊系統(tǒng)界面上的“計(jì)算”按鈕，程序?qū)λ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出圓柱度與垂直度值，并顯示在文本框中。在“質(zhì)量判斷”方框中，首先選擇圓柱度和垂直度的誤差評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)擊系統(tǒng)界面上的“判斷”按鈕，檢測(cè)結(jié)果將以指示燈和文字的形式給出：若圓柱度和垂直度均合格，指示燈顯示為綠色，Label標(biāo)簽中顯示圓柱度及垂直度均合格。只要圓柱度和垂直度有一個(gè)不合格，指示燈顯示紅色，Label標(biāo)簽中提示哪一個(gè)不合格。點(diǎn)擊“圓柱度仿真”與“垂直度仿真”，采集到的圓柱度與垂直度數(shù)據(jù)將以折線圖的形式顯示出來(lái)，通過(guò)折線圖能直觀看出滾筒的哪一部分焊接質(zhì)量存在問(wèn)題。最后點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕，退出程序，完成本次檢測(cè)。

2檢測(cè)方法

檢測(cè)方法如圖4所示。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)以試驗(yàn)臺(tái)為主體支架，通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)上安裝各種檢測(cè)裝置組成。上位機(jī)由工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡組成，通過(guò)上位機(jī)來(lái)控制兩個(gè)交流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，PCI1010兩軸運(yùn)動(dòng)控制卡分別向兩個(gè)交流伺服電機(jī)的控制單元發(fā)射脈沖：交流伺服電機(jī)1接收到脈沖指令后，驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)固定在絲杠滑塊上的激光位移傳感器運(yùn)動(dòng)；交流伺服電機(jī)2接收到脈沖指令后，驅(qū)動(dòng)脫粒滾筒以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)。

在進(jìn)行圓柱度數(shù)據(jù)采集時(shí)，脫粒滾筒以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)激光位移傳感器1從起始位置開始向另一側(cè)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到滾筒末端停止，完成一次數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)保存至硬盤上相應(yīng)位置。圓柱度數(shù)據(jù)采集完成后，滾筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊返回至初始位置，開始進(jìn)行垂直度數(shù)據(jù)采集，脫粒滾筒同樣以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，將激光位移傳感器2移動(dòng)至外輻盤一側(cè)后停止；脫粒滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光位移傳感器2向外輻盤發(fā)射脈沖，采集垂直度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存至硬盤上相應(yīng)位置。數(shù)據(jù)采集完成后，由程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。若圓柱度與垂直度值均在在誤差范圍內(nèi)則認(rèn)為合格，只要有一個(gè)超出了誤差范圍則認(rèn)為不合格，由此最終判斷脫離滾筒的焊接質(zhì)量是否合格。

圖4　檢測(cè)方法示意圖

3試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

脫粒滾筒焊接質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，點(diǎn)擊在線檢測(cè)系統(tǒng)界面上的按鈕，通過(guò)激光位移傳感器分別對(duì)外圓柱面與外輻距離信息進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)保存在指定位置；再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，給出檢測(cè)結(jié)果，完成一次在線檢測(cè)。如圖5所示，若選擇圓柱度與垂直度的最大允許誤差為10mm，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出的脫粒滾筒圓柱度值為2.76mm，垂直度值為1.61mm，二者均在最大誤差允許范圍內(nèi)，指示燈顯示為綠色，Label標(biāo)簽中顯示“圓柱度、垂直度均合格！”

選擇不同的誤差評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)同一工件的檢測(cè)會(huì)得出不同的檢測(cè)結(jié)果，可滿足不同精度要求的在線檢測(cè)。

單次測(cè)量得出的檢測(cè)結(jié)果具有偶然性，多次測(cè)量有助于減小誤差。為了進(jìn)一步分析該在線檢測(cè)的測(cè)量誤差，對(duì)同一脫粒滾筒的圓柱度與垂直度距離信息進(jìn)行10次采集，分別計(jì)算出每一次的圓柱度值與垂直度值，計(jì)算出相對(duì)偏差，再進(jìn)一步分析每組數(shù)據(jù)的方差。

圖5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)

(2)

由此得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1與表2所示。

表1　圓柱度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2　垂直度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1與表2中的數(shù)據(jù)繪制圓柱度擬合直線與垂直度直線分別如圖6與圖7所示。

由圖6與圖7可以看出：檢測(cè)系統(tǒng)得到的圓柱度值與垂直度值均在擬合直線附近，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。用s1表示圓柱度值的方差，用s2表示垂直度值的方差，有

(3)

(4)

圖6　圓柱度值擬合直線

圖7　垂直度擬合直線

4結(jié)論

1)提出了基于激光測(cè)距的在線檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了稻麥?zhǔn)斋@機(jī)脫粒滾筒圓柱度與垂直度的在線檢測(cè)。

2)開發(fā)出了脫粒滾筒焊接質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)表明：該檢測(cè)系統(tǒng)能快速自動(dòng)完成對(duì)稻麥?zhǔn)斋@機(jī)脫粒滾筒圓柱度與垂直度的在線檢測(cè)，并能對(duì)不同焊接精度要求的工件進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用十分廣泛。

3)圓柱度檢測(cè)最大誤差為2.15%，垂直度的檢測(cè)最大誤差為1.42%，滿足脫粒滾筒焊接質(zhì)量快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)要求。

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A Method about Threshing Drum Welding Quality Detection Based on Laser Ranging

Rong Yao1, 2, Yuan Yanwei1, 2, Zhao Huaping1, 2, Zhang Junning1, 2, Dong Xin1, 2

(1.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China; 2.State Key Lab of Soil Plant Machinery System Technology, Beijing 100083, China)

Abstract：In view of the situation of great error and low efficiency in artificial test of rice and wheat harvester threshing drum welding quality, this paper proposes an on-line detection method based on laser ranging. The servo motors are driven by industrial PC and motion control card, so as to control the threshing cylinder and laser sensors, and then finish the distance information collection, we can calculate cylindrical degree and vertical degree value of threshing drum through signal processing and data analysis. Experimental results show that, the maximum error of cylindrical degree detection is 2.15%, the maximum error of vertical degree detection is 1.42%. The method meets rapid and accurate detection requirements.

Key words：threshing drum; welding quality; on-line detection; control

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0217-05

中圖分類號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：榮耀(1987-)，男，湖北洪湖人，碩士研究生，(E-mail)rycaams369@163. com。通訊作者：苑嚴(yán)偉(1980-)，男，河南周口人，研究員，博士，(E-mail)yyw215@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAF07B01)

收稿日期：2014-12-22