重軌截面精確檢測控制系統(tǒng)構建

張學通

摘 要：本文針對重軌檢測存在的問題，在消化吸收原有尺寸精度控制的基礎上，利用目前先進的激光數(shù)字化檢測技術，測量重軌外形的實際測量，得到重軌的實際外形數(shù)據(jù)，并且利用先進的分析軟件直接判斷重軌的外形是否合格。構建了重軌斷面精確檢測控制系統(tǒng)。

關鍵詞：重軌;截面;精確;檢測

中圖分類號：TG334.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0072-04

1 概述

攀鋼釩軌梁廠萬能軋機生產線是我國第一條100米長尺鋼軌生產線，由德國西馬克（SMS-MEER）提供機械設備和工藝，西門子（SIMENS）提供電氣和控制系統(tǒng)，設計年生產能力為100萬噸，其中重軌55萬噸，H型鋼及其它型鋼45萬噸，于2004年建成投產。經(jīng)過十幾年的生產實踐和不斷的技術改造，萬能線鋼軌產品年產量已超過80萬噸，產品質量不斷提升，可批量生產出滿足時速350公里高速鐵路技術條件的長尺鋼軌（合格率90%以上）。

但是，生產檢驗及用戶使用表明，攀鋼釩軌梁廠生產的熱軋鋼軌在幾何尺寸、平直度及表面質量上與日本、法國進口鋼軌相比存在較大差距，如通長斷面尺寸波動較大、頭尾尺寸變化、表面質量較差，成為制約攀鋼釩鋼軌產品質量及市場競爭力進一步提升的限制環(huán)節(jié)。

主要原因是：（1）無法對鋼軌全斷面形狀進行測定：現(xiàn)有檢測樣板僅能檢測標準中規(guī)定的部分尺寸，對樣板無法檢測的部分用戶又有要求，因此在用戶使用過程中容易出現(xiàn)質量異議，如鋼軌踏面圓弧充滿程度等。（2）對中間材的尺寸及形狀無法測量，影響工藝優(yōu)化，出現(xiàn)中間軋廢等對工藝優(yōu)化極為重要的條件時，因無法及時加工出檢測樣板而無法檢測，即使加工出檢測樣板也無法檢測出軋件圓弧充滿程度。對孔型優(yōu)化起不到提供良好基礎數(shù)據(jù)的作用。（3）不同人員檢測的結果可能不一致：不同人員使用同一檢測樣板，由于使用的方法和習慣不一樣，同一件工件出現(xiàn)檢測結果不同時，無法判斷檢測結果的正確性。（4）同一人員檢測結果由于方法不同可能存在不一致，同一人員使用同一檢測樣板，由于使用的力量和使用的位置不一致，同一件工件的檢測結果可能出現(xiàn)不同，并無法正確判斷產品的實際規(guī)格尺寸。（5）如果檢測出現(xiàn)不合格品時，無法為生產線提供調整的參考：目前使用的檢測樣板只能作出合格和不合格的判斷，但是不合格品出現(xiàn)時，究竟該調整多少，如何調整等，無法給生產線提供準確的參考價值。（6）軋輥孔型磨損情況無法預見：隨著每天重軌的繁重生產任務，重軌軋制期間軋輥孔型伴隨著生產逐步出現(xiàn)磨損，但是這種隨機的磨損通過傳統(tǒng)的檢測形式無法預知，只有在出現(xiàn)廢品時才會被發(fā)現(xiàn)，但是此時已經(jīng)造成了生產損失。（7）檢測樣板同樣也會磨損，同樣會影響產品品質：檢測樣板隨著使用也會出現(xiàn)磨損、精度改變的情況，同樣會影響產品品質。（8）所有檢測結果無實際數(shù)據(jù)，出現(xiàn)問題無法溯源。

2 精確測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)描述

上述問題正是無法提高目前重軌尺寸精度的一個重要誘因，為改善鋼軌質量，提高產品的國際競爭力，本系統(tǒng)是在消化吸收原有尺寸精度控制的基礎上，利用目前先進的檢測技術，對重軌界面進行實時監(jiān)控、分析及反饋，通過使用目前先進的激光數(shù)字化檢測技術，摒棄了傳統(tǒng)的樣板方法的對比參考法，對重軌外形的實際測量，得到重軌的實際外形數(shù)據(jù)，并且利用先進的分析軟件直接判斷重軌的外形是否合格。實現(xiàn)“實時全尺寸檢測監(jiān)控-反饋”為目標的重軌斷面尺寸精度檢測系統(tǒng)。

2.1.1 硬件部分

（1）RA7柔性關節(jié)臂。關節(jié)臂測量機專為車間現(xiàn)場使用而設計，可以在0℃至50℃的條件下進行質量監(jiān)控，主要組成部分包括臂身，轉動關節(jié)，編碼器以及電氣線路等，通過操作者手持的方式以不同形式的聯(lián)接測頭對工件進行接觸和非接觸測量。同時，內置的角度編碼器會實時記錄各個臂身的姿態(tài)，并計算出工件測量位置的坐標。

RA7系列柔性測量系統(tǒng)使得柔性測量的再次上升到一個新的高度，能夠完成各種測量、檢測任務以及逆向工程系統(tǒng)應用。該系統(tǒng)具備以下技術及設計特點：

1）主軸無限轉動技術，每個軸都可以進行無極旋轉;2）機器關節(jié)內置絕對編碼器，開機無需復位即可使用;3）設備使用WiFi無線通訊模塊，增加了設備的便攜性;4）有鋰電池，能夠在交流電源不具備的情況下完成完成現(xiàn)場測量任務;5）有新一代ZERO-G平衡桿系統(tǒng)：可平衡測量臂的大部分自重，實現(xiàn)單手操作;6）碳石墨纖維材料臂身，強度高，溫度穩(wěn)定性是鋁的25倍，使得系統(tǒng)對環(huán)境要求極低;7）測頭可快速更換，不需要重新校準。

（2）Perceptron激光掃描測頭。作為關節(jié)臂測量機非接觸測量的附件，Perceptron V3激光掃描測頭由激光發(fā)射器和CCD接收器組成，采用三角測量原理，將光線信號轉化成數(shù)字信號，從而快速而精確地產生關于一個物體的數(shù)字化表示。

激光所產生的文件是代表了物體表面和特性的點云，從而可完成逆向工程的應用、檢測、CAD模型比較、造型以及更多的應用。ScanWorks激光掃描系統(tǒng)，聚焦于精度、速度和靈活性，從而使得用戶能夠從最初的設計一直到最終檢測都能夠從中受益，主要參數(shù)如下：

每條激光線高達768點;

每秒鐘發(fā)出30條激光線;

工作距離144mm;

精度34μm，2sigma;

外型尺寸：105×52×90mm。

2.1.2 軟件部分

為方便的處理激光測頭所采集的海量數(shù)據(jù)，分析采用專業(yè)的點云軟件Geomagic Qualify軟件，以確保處理效率，精度以及處理的方便性。

Geomagic Qualify建立了CAD和CAM之間所缺乏的重要聯(lián)系紐帶，從而實現(xiàn)了完全數(shù)字化的制造環(huán)境。允許在CAD模型與實際構造部件之間進行快速、明了的圖形比較，Geomagic Qualify可用于首件檢驗、線上檢驗或車間檢驗、趨勢分析、2D和3D幾何測量以及自動報告等。

顯著節(jié)約了時間和資金，可以在數(shù)小時（而不是原來的數(shù)周）內完成檢驗和校準，因而可極大地縮短產品開發(fā)周期。

改進了流程控制，可以在內部進行質量控制。

提高了效率，Geomagic Qualify是一種為設計人員提供的易用和直觀的工具，設計人員不再需要分析報告表格，也不必將2D數(shù)據(jù)轉換為3D CAD模型。

改善了溝通，自動生成的、適用于Web的報告改進了制造過程中各部門之間的溝通。

提高了精確性，Geomagic Qualify允許用戶檢查由好幾萬個點定義的面的質量，而定義CMM面的點可能只有五到十個。

2.2 方案實施

2.2.1 測量目標

根據(jù)要求，在目前測量系統(tǒng)基礎上，除鋼軌高度，腰部厚度及底部厚度外還存在多種尺寸控制的要求，隨著數(shù)字化和現(xiàn)代化測量的需要，樣板測量的模式都受到了種種限制，因此需要使用通用測量設備的方式對工件進行質量監(jiān)控，提高測量準確度和可靠性。

測量內容：F1-F11。

2.2.2 檢測過程描述

（1）理論數(shù)據(jù)輸入。檢測前先導入通過UG、CATIA等專業(yè)的三維軟件設計出的重軌三維尺寸模型參考。

（2）工件數(shù)據(jù)采集。其中RA 7520m柔性關節(jié)臂測量機和三維激光掃描系統(tǒng)負責重軌截面原始數(shù)據(jù)的快速采集。

得到原始點云數(shù)據(jù)，得到點云數(shù)據(jù)后，導入Geomagic專用快速分析軟件。

（3）基準對齊。根據(jù)工藝基準情況進行基準對齊，可選擇使用加工面對齊或最佳擬合（無基準約束）對齊。

（4）2D尺寸分析。

1）軌高F3。

方法：在2維截面中選擇線到線的距離，為獲取最大高度點，包容方法為最外側。

2）頭寬F4。

方法：在2維截面中選擇線到線的距離，為獲取最大高度點。

3）底寬F5。

方法：在2維截面中選擇線到線的距離，為獲取最外側點，包容方法為最外側。

4）腰寬F6。

方法：在2維截面中選擇線到線的距離，為獲取最內側點，包容方法選擇為最內側。

5）軌底尖厚度F7。

方法：由底寬基準面分別偏置14mm和20mm創(chuàng)建兩個截面，分別計算偏置14mm和20mm截面處的軌底尖厚度。

6）對稱度F8。

方法：找到通過頂部的最大平面，偏置14.2mm，在頭寬側面提取平面，并計算兩個面的交線，使用3D距離求交線和平面的距離。

7）直線段間隙F9。

方法：在截面內選取直線段作為評價區(qū)域，分別選擇評價參考理論值和實際值之間的距離。

F9 D1=D43+D51=（0.315+0.374）mm=0.689mm

F9 D2=D50+D52=（0.546+0.375）mm=0.921mm

8）鋼軌軌頭最高點和理論值距離。

方法：在截面內分別選擇測量值和理論值的最外側，評價參考理論值和實際值之間的距離。

9）3D點分析。

方法：將點云和Cad模型進行3D比較，通過色差圖直觀的查看。

每一個位置的偏差，不同顏色反應點的偏差，綠色區(qū)域表示合格。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）因為使用的是同一檢測工具，且檢測工具的檢測結果是數(shù)字化的，所有的判定也是通過程序自動完成，不會因為人員的不同而出現(xiàn)不同的結果。測量精度0.05mm;能檢測所有鋼軌的不同孔型軋件斷面尺寸。（2）當重軌出現(xiàn)不合格時，可以通過報告顏色知道是哪部分不合格，超差了多少？并且通過具體的數(shù)據(jù)對生產線進行調整，并對調整后生產出的產品進行快速分析，觀察調整后的效果，直到產品全部合格。（3）當重軌全部合格時，可以知道整個軌型的那些部分的余量最小，并且通過具體的數(shù)據(jù)對生產線進行調整，并對調整后生產出的產品進行快速分析，觀察調整后的效果，直到產品各部分的余量最佳。（4）當重軌某一部分的尺寸出現(xiàn)逐漸偏大的情形時，可提前預知可能出現(xiàn)廢品的幾率，并且及時進行調整，避免廢品的產生。（5）所有的檢測結果都可以進行完整的保存，而這些原始數(shù)據(jù)都是進行工藝持續(xù)改進的重要參考。通過對檢測結果的持續(xù)性統(tǒng)計分析，可以幫助工廠分析軋輥孔型的大致?lián)p耗，生產線大致需要調整的時間等，為工廠的生產提前安排提供參考依據(jù)。（6）儀器使用方便，操作簡單易學。整機重量僅5kg，可以隨時移動，所有程序可定制，操作人員僅需半天的時間即可操作使用。

采用激光數(shù)字化檢測將能有效的對重軌尺寸進行精確的檢控，并且在出現(xiàn)不合格品時，也能為萬能軋機尺寸精度控制提供完善的調整參考。有利于提高整個產品的合格率。

參考文獻

[1] 祭程，朱苗勇.板坯連鑄機動態(tài)輕壓下過程控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].冶金自動化，2007（1）：13.

[2] 王國新，張家泉.大方坯連鑄動態(tài)二冷與動態(tài)輕壓下控制模型的開發(fā)與應用[J].系統(tǒng)仿真學報，2009（8）：36.

[3] 程常桂，茅洪祥，胡琳.輕壓下技術在連鑄中的應用[J].煉鋼，1998（5）：42-45.

[4] 楊素波，陳永，李桂軍.大方坯連鑄動態(tài)輕壓下應用研究[J].鋼鐵，2005，39（6）：180-183.