筒节外径激光测距检测系统
筒节外径激光测距检测系统
一、项目概况
1.设备概况
筒节轧机用来将空心锻造毛坯进行整形或扩径轧制成具有一定机加余量的无缝重型筒节，明显改善筒节锻件的圆度、壁厚均匀性和表面平整度。
筒节轧机为可逆全液压压上卧式轧机（轧辊水平布置），开式辗扩结构。
1.1 设备组成
在机架窗口中安装有两根轧辊，位于上方一根为芯辊，筒形轧件内孔穿入芯轴，下方一根为驱动辊，为保证芯辊穿入筒节，芯辊与驱动辊有直径差。轧制时保持芯辊中心线不变，建立芯辊、抱辊、下驱动辊的成形模型，辊系的磨损和变化无需垫板进行调整。在芯辊和机架窗口之间通过油压进行轧制力的**检测。筒节轧机入出口侧装有抱辊装置（定心装置），由各自伺服液压缸压力和位置控制。
1.2 工作过程
将扩有芯孔加热的筒坯吊入轧机，再插入芯辊后，通过液压进给压上缸（HGC）通过下驱动辊将筒体靠近接触上芯辊，芯辊和驱动辊带动工件沿圆周旋转，随着轧制过程筒节坯料随即被辗扩变形，产生壁厚逐渐减小、直径逐渐扩大、截面轮廓成形的塑性加工。当筒节外径增大到需要的外径，测量机构发信，进给停止再进行整形轧制后，轧制结束。驱动辊复位，并抽出芯辊，随即将辗扩精整完毕的筒节从设备中取出。
2． 技术数据
2.1 锻造空心毛坯限制尺寸范围
① 毛坯外径：φ3300-6000mm
② 毛坯内径：φ3000-5700 mm
③ 毛坯壁厚：150-650mm
④ 毛坯高度：根据轧后筒节尺寸确定（考虑宽展），具体根据轧后筒节尺寸确定。
2.2 轧制后筒节尺寸范围
① 筒节外径：φ3300~8000mm，外径公差±20mm
② 筒节内径：φ3000~7700mm
③ 壁 厚：150~400mm
④ 筒节高度：2000~3750mm
2.3 轧制温度
① 轧制温度：800-1200℃
2.4大重量
① 大重量：250吨
3. 供电电源及工厂条件
3.1 供电电源
① 电压：AC380V/220V ±10%
② 频率：50Hz±1Hz
3.2 工厂条件
① 电气室室内温度： 5-40℃
② 相对湿度： 大95%
③ 海拔高度： 小于2000m
4．技术要求
4.1 检测内容：
筒节外径检测装置检测内容包括被检测筒节外圆的下列数据
① 筒节前端椭圆半径、真圆半径、椭圆度
② 筒节后端椭圆半径、真圆半径、椭圆度
③ 筒节锥度（前后端椭圆真圆半径差）
④ 筒节扭度（前后端椭圆旋转角度差）
4.2 精度指标：
① 筒节外径测量精度：≤±5mm
② 筒节扭度角度精度：≤0.2°
③ 数据刷新时间： ≤20mS
二、方案设计及实施
根据以上现场技术参数和激光测距的特点我公司技术人员进行了详细的讨论研究，制定了以下解决方案。
1．系统工作原理
该轧环外径测量系统利用激光相位测量、空间标定、数据拟合等核心算法，通过架设在筒节周围的高温型激光测距传感器对筒节的头部和尾部实时检测。测量开始前，需要对激光光路曲线进行三维标定，激光测光传感器投射在筒节外表面上的三维坐标可以拟合出一个圆曲线，进而得出筒节的外径、锥度、扭度等，由于筒节的表面温度在1200℃左右，本系统选择耐高温型激光测距传感器。
激光测距传感器采集筒节位置三维信息通过采集模块进入计算机，然后经过系统的分析系统对筒节前后端的特征点当前三维坐标（X,Y,Z）进行定位、分析，测得三维坐标与原点坐标进行比较，计算出位移量，也就是X移动量，Y移动量，Z移动量，根据变化不断拟合出新的圆形曲线，外径测量系统就是把这一实时的曲线相关数据，按照预定的通讯协议（PROFIBUS-DP）发送给筒节轧机基础自动化系统主PLC。进而实现轧制过程自动控制的目的。如图1所示。
图1 工作原理图
2．工作过程
根据技术标书中的描述并结合我公司定位系统特性，计划采用32套高温型激光测距传感器应用在该测径系统中，其中16套用于筒节的前端部，前端部2侧各用8台；另外16套用于筒节的后端部，后端部2侧各用8台。所有的激光传感器安装一个稳固可靠的支架上，支架分别位于筒节的2侧，每个支架上部安装有行走机构，2侧分别安装有伺服电机。筒节在轧制过程中的长度的变化，通过伺服电机调节激光组位置，可以实现不同长度筒节的参量要求。
如下图文件中图2中所示，当筒节到达指定轧制位置时，启动筒节外径测量系统，测量系统把测量结果通过协议实时传送给轧机主PLC。在实际生产中，为大程度上避免筒节在轧制过程中引起的振动，除传感器安装支做抗振处理外，总的框架应尽量远离振动源。
激光测距传感器采用高温型，高频型。温度高可承受在1300℃，测量频率为100Hz。
现场工作示意图如下：
图2 现场工作示意图
该系统工作过程快捷，单次测量20ms内即可完成，测得筒节尺寸数据后实时传送给筒节PLC。由于筒节的表面温度较高，传感器安装现场采用风水冷保护套，以保证传感器在一个正常的工作温度。冷却图如下：
图3 工作现场