基于視覺測量的大型型鋼折彎機結構設計

高兵濤，馬子領

(華北水利水電大學 機械學院，鄭州 450045)

0 引言

目前，國家將重心轉到制造業，制造業的發展勢必離不開高精度機床，可以說機床的發展水平體現著一個國家的工業水平。折彎機又稱為彎曲機，作為一種特定的機床(工作母機)被廣泛應用于隧道工程、房屋建設、鐵路工程及橋梁工程等方面[1-2]。型鋼折彎機是用來彎曲不同半徑的型鋼，目前國內型鋼彎曲度的測量方式繁瑣復雜、測量準確性低，其中大多數還采用傳統手工測量的方式。國內對型鋼彎曲度檢測裝置結構設計及測量方法的研究較少，型鋼折彎機的應用前景光明，具有較大的發展空間，因此提高型鋼彎曲度檢測裝置的自動化、智能化程度非常有必要。

1 傳統型鋼折彎機介紹

傳統型鋼折彎機[3]由工作臺、左右驅動裝置、支撐限位裝置、頂推裝置、電控箱等部分組成，其主要機械結構如圖1所示。傳統型鋼折彎機的工作臺左端為上游方向，右端為下游方向。傳統型鋼折彎機在工作臺左右方向的中部位置設有頂推裝置，用于在垂直型鋼運動方向上對型鋼施加彎曲力。驅動裝置和支撐限位裝置在工作臺上依次沿弧線間隔設置。工作臺左右兩側以頂推裝置的中心線對稱設置有結構相同的左驅動裝置、右驅動裝置，均通過主動輪的摩擦力帶動型鋼運動；左右驅動裝置的兩側均設有支撐限位裝置。

1. 型鋼；2. 支撐限位裝置；3. 左驅動裝置；4. 工作臺；5. 頂推裝置；6. 電控箱；7. 右驅動裝置圖1 傳統型鋼折彎機三維結構圖

傳統型鋼折彎機的優點是驅動裝置少、成本低。缺點是在彎曲型鋼時會受到三個約束力，分別是頂推裝置提供的彎曲力、左驅動裝置和右驅動裝置提供的約束力，使得型鋼在頂推裝置左右兩側均受力，在彎曲較小半徑和大型型鋼時容易造成型鋼中間橫板處發生不可控變形[4]；進料端的型鋼會向與彎曲力相反的方向擺動，導致進料口部分型鋼的擺動范圍過大，以及型鋼進入型鋼折彎機的路線不固定，難以與型鋼智能生產線配合，造成空間浪費；不能夠對彎曲后的型鋼進行反向操作(矯直)；型鋼彎曲由于非線性回彈特性的存在，傳統型鋼折彎機在工作時能夠一次把型鋼折彎成目標彎曲半徑是非常困難的，往往需要使型鋼在折彎機上經過反復前進和后退，反復頂壓折彎，最終才能夠使型鋼達到預定彎曲度，既降低了作業效率，又增加了能耗[5]。

2 基于視覺測量的新型型鋼折彎機設計

基于視覺測量的新型型鋼折彎機裝置的結構設計主要包括兩大部分，新型型鋼折彎機的機械結構設計和基于視覺測量的型鋼彎曲度檢測系統的結構設計，其三維結構圖如圖2和圖3所示。

1. 殼體；2.窗戶圖2 裝置整體三維結構圖(帶殼體)

1. 支撐限位裝置；2. 工作臺；3. 夾緊限位裝置；4. 油缸；5. 頂推裝置；6. 電控箱；7. 光源；8. 可伸縮支架；9. 相機；10. 橫桿；11. 出料端；12. 下支撐軸；13. 上限位軸；14. 驅動裝置；15. 型鋼；16. 進料端圖3 裝置整體三維結構圖(無殼體)

通過在新型型鋼折彎機進料端處設置多個支撐限位裝置和夾緊限位裝置，可以保證型鋼的進料路線和方向確定，可使型鋼焊接點的位置固定，有利于將焊接自動化設備集成到生產線中；通過在新型折彎機出料口處設置型鋼彎曲度視覺測量裝置，可以實現型鋼彎曲度無接觸式實時測量，并把檢測結果傳遞給電控裝置實現型鋼的一次彎曲成型。

2.1 新型型鋼折彎機結構設計

新型型鋼折彎機是通過改進傳統折彎機得到，主要包括支撐限位裝置、驅動裝置、夾緊限位裝置和頂推裝置，其機械結構如圖3所示。

工作臺的左端和右端分別為型鋼的進料端和出料端。在工作臺上設置了五組支撐限位裝置，其主要結構如圖4所示。各支撐限位裝置的結構相同，在進料端向出料端的方向上沿直線分布，均包括支撐架和上下間隔設置在支撐架上的上限位軸和下支撐軸。下支撐軸通過軸承直接與固定座相連，固定座與支撐架固定相連。上限位軸通過軸承、套筒與調節絲杠相連，調節絲杠上方設有旋轉把手。下支撐軸是為了支撐型鋼，上限位軸是為了防止型鋼在折彎過程中在上下方向上發生擺動。上限位軸和下支撐軸中間的空間稱為支撐限位空間，通過旋轉把手可以調節上限位軸和下支撐軸之間的間距使其恰好為目標型鋼的厚度。

1. 套筒；2. 固定座；3. 支撐架；4. 下支撐軸；5. 上限位軸；6. 旋轉把手；7. 調節絲杠圖4 支撐限位裝置

夾緊限位裝置包括夾緊液壓缸，其結構如圖5所示。夾緊液壓缸位于工作臺上半部分，液壓缸通過安裝座固定連接在工作臺，液壓桿前端在頂輪箱內部設有用于頂壓型鋼的頂輪，頂輪箱通過滑軌滑動連接于工作臺。各個夾緊液壓缸在工作臺上由進料端向出料端的方向沿直線均勻分布，夾緊液壓缸與驅動裝置配合防止型鋼在工作臺前后方向上發生偏移，也能夠保證新型折彎機對彎曲后的型鋼起到矯直的作用。所有驅動裝置結構相同，包括正反轉電機和驅動輪。各個驅動裝置利用驅動輪的摩擦力驅動型鋼前進或后退。三個驅動裝置在工作臺上沿直線分布，前兩個驅動裝置沿夾緊液壓缸的軸線豎向安裝，第三個驅動裝置位于頂推裝置和第三個夾緊液壓缸之間位置。

1. 夾緊液壓缸；2. 安裝座；3. 液壓桿；4. 滑軌； 5. 頂輪箱；6. 頂輪；7. 驅動輪；8. 正反轉電機圖5 夾緊限位裝置

頂推裝置位于工作臺末端，且其安裝方向和方式與夾緊液壓缸相同。工作臺出料端設有油缸和電控裝置，油缸用于儲存液壓油，保證各個液壓缸的正常工作。

電控裝置用于控制照明燈、相機、各型鋼驅動裝置的正反轉電機及頂推裝置。

2.2 型鋼彎曲度視覺測量系統設計

型鋼彎曲度視覺測量系統是實現型鋼彎曲半徑實時矯正的核心部分，型鋼彎曲度視覺測量系統所用的相機和光源及其安裝方式如圖3所示。

相機機構包括可伸縮支架、橫桿和相機，其主要機械結構安裝位置如圖3所示。相機機構橫跨于新型折彎機出料口方向的型鋼路徑上，橫桿固定在可伸縮支架上方，頂部的橫桿上設有相機，相機位于型鋼的正上方其拍攝方向朝向下方，這樣的設置使相機拍攝的圖像為正對型鋼的俯視圖，用于拍攝具有最小變形量的圖像。由于本文針對大型型鋼，因此要求相機的分辨率較高。型鋼折彎過程屬于冷變形，在型鋼彎曲的過程中速度不能過快，型鋼行進的速度保持在0.03～0.1 m·s-1。綜合考慮采用型號為MV-CH120-10GM的CMOS工業面陣相機，其攝像頭分辨率為4 096×3 000，全幀重復率9.4 fps。

光源的選擇是照明機構設計的關鍵環節，針對型鋼彎曲度檢測選擇線光源[6]，各照明裝置分散布置于出料口方向上型鋼路徑的兩側。各照明機構結構相同，均包括照明支架和照明燈，其結構如圖6所示。照明支架的高度可調，照明燈通過斜連接件固定在照明支架頂部，在實際檢測的時候照明燈的高度低于型鋼的上表面10～30 cm時效果最佳。

1. 照明支架；2. 斜連接件；3. 照明燈圖6 照明機構三維圖

為了減少外界因素對該系統工作環境的影響，采用殼體將型鋼折彎裝置、彎曲度檢測裝置罩在內部。殼體的窄口處為型鋼的進料口，殼體的斜切口處為型鋼的出料口，在實際應用時進料口和出料口處分別設有布簾或塑料簾用來阻擋外界光線的干擾，布簾或塑料簾上設有用于型鋼通過的開口。殼體上兩側設有窗戶用于觀察該裝置的工作情況；在垂直于控制柜方向上設有門，用于操作電控裝置與外接工控機和顯示屏。

3 基于視覺測量的型鋼折彎機工作原理

采用上料設備將型鋼由進料口送入殼體并依次穿過各型鋼支撐限位裝置，直到型鋼前部與頂推裝置中的頂推輪恰好接觸，通過旋轉把手調節上限位軸和下支撐軸之間的空間使上限位軸恰好與型鋼接觸，調整頂緊液壓缸中液壓桿的伸縮量，使型鋼兩個側面與各驅動裝置和夾緊液壓缸中的頂推輪接觸。同時啟動各個驅動裝置帶動型鋼向出料端移動，當型鋼初始位置經過頂推裝置時，根據設置好的參數設置頂推裝置中液壓桿的伸縮量對型鋼進行擠壓彎曲，在彎曲后的型鋼被送出工作臺后，攝像機對折彎后型鋼進行圖像采集，把采集到的圖像傳輸到上位機中，利用上位機中的圖像處理軟件對采集到的圖像進行灰度化、二值化、濾波、形態學運算和邊緣檢測等預處理，獲得型鋼邊界輪廓信息，利用相機標定參數和最小二乘法對型鋼的外邊界進行曲線擬合，從而獲得型鋼彎曲后的曲率半徑，通過圖像處理軟件和下位機之間的通信鏈接把檢測的信息反饋給下位機，下位機再通過對上位機反饋信息的判斷，在允許誤差范圍內及時調節頂推裝置中液壓桿的伸縮量。當檢測得到的半徑精度超出誤差允許范圍時，會對頂推裝置中液壓桿的伸縮量立即進行反向調節，保證彎曲型鋼的誤差一直保持在允許范圍內，使頂推裝置中液壓桿的伸縮量與型鋼受壓折彎后經非線性回彈的彎曲半徑相匹配，從而實現不需要反復進退型鋼，使型鋼通過型鋼折彎機一次彎曲變形，即可使其曲率半徑達到預定值。

4 結論

與傳統折彎機相比，基于視覺測量的大型型鋼折彎機具有以下優點：

1)型鋼的進料路線固定，便于集成到型鋼彎曲生產線上，為生產線的焊接工藝提供了便利；

2)型鋼在彎曲過程中只有一側受力，可以很大程度上避免型鋼不可控變形，保證了工件的質量；

3)在型鋼折彎過程中可實現對型鋼彎曲度的實時矯正，使得型鋼在一次受壓彎曲后經非線性回彈即可直接達到預定彎曲度。