基于激光测量的型钢弯曲方法
阅读说明：本技术 基于激光测量的型钢弯曲方法 (Laser measurement-based section steel bending method ) 是由 马子领 刘一阳 张海林 张利 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于激光测量的型钢弯曲方法,使用型钢弯曲机进行,对应于下游型钢路径设有多组激光测距仪,通过激光测距得到多组型钢模拟点的坐标,再通过最小二乘法获取半径R,再根据自动控制顶推装置的伸出杆的进退量,使得型钢在一次受压弯曲后经非线性回弹直接达到预定弯曲度,避免反复进退并顶压型钢,大幅提高了型钢折弯的工作效率,节约了反复进退并顶压时消耗的能耗,整体上大幅降低了型钢折弯所需的能耗,节能提效的作用十分明显。激光测距的方式具有较强的抗干扰能力,适用于复杂的使用场合。(The invention discloses a section steel bending method based on laser measurement, which is carried out by using a section steel bending machine, wherein a plurality of groups of laser range finders are arranged corresponding to the path of downstream section steel, the coordinates of a plurality of groups of section steel simulation points are obtained through laser range finding, the radius R is obtained through a least square method, and the radius R is obtained according to the coordinates The advancing and retreating amount of the extension rod of the automatic control pushing device enables the section steel to directly reach the preset curvature through nonlinear resilience after being bent under one-time pressing, repeated advancing and retreating and jacking of the section steel are avoided, the working efficiency of section steel bending is greatly improved, the energy consumption consumed during repeated advancing and retreating and jacking is saved, the energy consumption required by section steel bending is greatly reduced on the whole, and the energy-saving effect-improving effect is very obvious. Laser ranging methodHas stronger anti-interference capability and is suitable for complex use occasions.)
技术领域
本发明涉及一种机械加工技术领域，尤其涉及型钢弯曲技术。
背景技术
型钢是当前隧道工程、桥梁工程以及铁路工程等各种施工场景常用的施工材料，各种施工场合对型钢弯曲度的需求也各种各样，通常是通过型钢弯曲机将型钢弯折成各种不同的形状和弯曲度。弯曲度是指长条轧件(型、棒、管材)在长度方向上的弯曲程度，每米长度上弯曲的弦高为每米弯曲度；总长度弯曲的总弦高同总长度的比为总弯曲度。弯曲度取决于弧线所在圆的半径，可以使用弧线半径来指代弯曲度，本发明就是使用控制型钢非线性回弹后的半径来控制型钢弯曲度。
现有的型钢弯曲机包括工作台，以型钢前进的方向为下游方向，工作台上沿由上游向下游的方向间隔设有驱动装置和若干型钢支撑装置，工作台上还设有用于顶压弯折型钢的工作液压缸(即工作油缸)。使用时把型钢放在弯曲机上并由型钢支撑装置支撑，工作油缸顶紧型钢，启动驱动装置使型钢向下游方向移动，在移动过程中型钢受到工作油缸的顶紧力而弯曲至预定的弯曲度。
工作油缸推进，将型钢顶紧并在未发生弯曲变形时开始计算弯曲度，油缸推进的长度进程为每次10mm－15mm(毫米)，使驱动装置正转或反转，带动型钢工作前进或后退，反复操作，直到型钢达到所需半径为止。在整体上，型钢由工作台上游端进入，由下游端送出。
型钢弯曲由于非线性回弹特性的存在，一次弯曲即达到预定弯曲度的情况非常罕见，通常需要弯曲多次，才能将型钢的弯曲度控制到预定目标。现有技术中缺少一次弯曲即保证达到预定弯曲度的技术，使型钢在型钢弯曲机上反复前进和后退从而反复顶压折弯，虽然最终能够使型钢达到预定弯曲度，但工作效率低，反复前进、后退以及顶压显然提高了能耗。
在测量H型钢、工字钢以及槽钢等型钢弯曲度偏差值时，传统的测量方式需要使用一根足够长的线绳，由两名工人分别按压在同一侧型钢的两端，并用力拉，尽可能保证线绳张紧，使线绳作为型钢的弦；同时第三名操作人员使用钢板尺通过目测的方法来决定测量弯曲度最大的位置，同时目视整支型钢弯曲的类型(侧向弯曲、“S”型弯曲以及端部局部弯曲等)，测量后并记录该数值，作为该支型钢的最大弯曲度数值。
传统的测量工具及方式存在测量方式复杂、测量数据准确性差、测量工具精度低、人为因素影响程度大、测量效率低且需要的人工多等缺点，测量的偏差值误差较大，不能适用于现代型钢生产线的质量控制要求。
专利“型钢弯曲机用弯曲度测量装置”(申请号：201821917879.6)和专利“一种型钢弯曲机弯曲角度测量装置”(申请号：202021048808.4)提出了解决方案。
专利“型钢弯曲机用弯曲度测量装置”(申请号：201821917879.6)提出的解决方案能实时测量型钢的弯曲度，但是该装置的使用寿命较短，由于该装置的测量杆顶部是直接与型钢表面直接接触，两者之间会产生较大的摩擦力，该摩擦会对测量杆造成不可逆的损害，经过一段时间的使用会造成测量杆的磨损，从而影响测量结果的准确性，无法保证长时间测量结果的准确性；若是经常对该装置进行替换，则势必会增加成本，并且还会造成时间的浪费。
专利“一种型钢弯曲机弯曲角度测量装置”(申请号：202021048808.4)提出的解决方案也能解决传统测量弯曲度方法中遇到的问题，但是该设备在测量弯曲度的时候也会出现测量装置与型钢直接接触的现象，这样也会出现磨损现象，减少测量装置的寿命；该专利在测量过程中依靠人工读取刻度尺上的数值进行人工计算，该过程会出现人工读数误差影响结果的精度；而且人工计算慢，不可能做到实时测量型钢的弯曲度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光测量的型钢弯曲方法，通过调节顶推装置的伸出杆的伸缩量，使型钢在一次受压弯曲后经非线性回弹直接达到预定弯曲度。
为实现上述目的，本发明的基于激光测量的型钢弯曲方法使用型钢弯曲机进行，型钢弯曲机包括工作台，工作台上设有壳体，以型钢前进的方向为下游方向，按以下步骤进行：
第一是上料；将型钢由进口送入壳体并穿过各对支撑输送轮的支撑输送空间；
第二是前进和顶压；同步启动各正反转电机，作为主动轮的各后轮在滚动摩擦力的作用下驱动型钢向下游方向运动，型钢的上游端部进入下游型钢路径；
通过电控装置控制顶推装置对型钢施加预定的顶压长度从而弯曲型钢；
第三是在第二步骤的进行过程中调节顶推装置的伸出杆的伸出量；
具体是启动各激光测距仪并使各激光测距仪保持开启状态，电控装置持续识别型钢弯曲度，在型钢弯曲度与预定弯曲度不一致时实时调节顶推装置的伸出杆的伸出量，使型钢的弯曲度一次成型达到预定的弯曲度；
最后是持续进行第二步骤和第三步骤，使型钢一次顶压并回弹至预定弯曲度，持续进行型钢弯曲作业。
型钢弯曲机的工作台上由上游向下游的方向沿直线布置有若干对支撑输送轮，该直线方向为型钢的进料方向；
各支撑输送轮的轴线均沿竖向设置，每对支撑输送轮均包括前轮和后轮，前轮和后轮竖向方向的中部均径向凹陷形成支撑输送槽，支撑输送槽的高度与型钢输送状态下的高度相匹配；
前轮的支撑输送槽的槽底与后轮的支撑输送槽的槽底之间的距离与型钢输送状态下的前后宽度相匹配；
一对支撑输送轮中，前轮的支撑输送槽与后轮的支撑输送槽之间围成型钢的支撑输送空间，工作时型钢由上游方向向下游方向穿过各对支撑输送轮的支撑输送空间并与各支撑输送轮滚动压接配合；
各后轮一一对应连接有正反转电机并由正反转电机驱动，各正反转电机均设置于相对应的后轮正下方的工作台内；
各对支撑输送轮下游方的工作台上固定连接有顶推装置，顶推装置具有伸出杆，伸出杆的端部安装有压轴，压轴用于顶压弯曲型钢；伸出杆的伸缩方向垂直于型钢的进料方向，顶推装置为工作液压缸或工作电动推杆或工作气缸；
工作台下游方向设有弯曲度测量机构，弯曲度测量机构包括支撑于地面的支撑板，支撑板上均匀间隔向上连接有多组支撑杆，各支撑杆顶部分别安装有激光测距仪，各激光测距仪在同一直线上等间距排列，该直线平行于型钢的进料方向；
将工作台下游侧的型钢前进路径称为下游型钢路径，各激光测距仪均与下游型钢路径同高并朝向下游型钢路径；
各激光测距仪、正反转电机以及顶推装置分别通过线路连接有电控装置，电控装置连接有显示屏。
壳体将工作台、正反转电机、各各支撑输送轮、顶推装置以及弯曲度测量机构罩设在内；
壳体上游端设有用于型钢进入的进口，壳体下游端设有用于型钢送出的出口；支撑杆和激光测距仪一一对应设有十组以上。
第三步骤中，调节顶推装置的伸出杆的伸出量的方法是：
电控装置内预存有各激光测距仪之间的间距信息；
第一是获取10组型钢模拟点的坐标；
电控装置获取各激光测距仪的距离信号，以各激光测距仪所在直线作为Y轴，将各激光测距仪按其间距信息排列在Y轴上；
以各激光测距仪的Y轴坐标为型钢模拟点的Y轴坐标；
以各激光测距仪测得的距离信息为型钢模拟点的X轴坐标；
10组激光测距仪的Y轴坐标及相应测得的距离信息分别对应10组型钢模拟点的坐标；
第二是通过最小二乘法获取半径R；
电控装置以最小二乘法模拟出10组型钢模拟点所形成的型钢模拟弧线，从而得到型钢模拟弧线的半径R；
第三是电控装置控制顶推装置的伸出杆的进退量；
具体是电控装置根据半径与进退量关系公式计算得到顶推装置的伸出杆的进退量，并控制顶推装置的伸出杆伸缩至符合所述进退量；
半径与进退量关系公式是：
其中，dT即计算得到的顶推装置的伸出杆应有的进退量；R为激光测量获得的型钢弯曲形成的圆弧曲线的半径R，r为顶推装置伸出杆端部安装的压轴的半径；将最下游一对支撑输送轮的轴线的中心连线称为限位线，L为压轴的轴线中心与限位线之间的距离；dR是R减去预定的型钢弯曲半径得到的差值。
本发明具有如下的优点：
激光测距进而求出型钢弯曲后的半径，相比拍照图像识别求出钢弯曲后的半径，具有抗干扰能力强的优点，对于光线环境的要求较低，当然其相应具有成本相对较高的特点。
各激光测距仪等间距排列在同一高度，可以省略激光测距仪排列方向距离的检测，减少电控装置的运算量。
型钢与压轴为滚动配合，可以避免在紧压力的作用下滑动摩擦损坏顶推装置的伸出杆。
支撑输送槽能够使得型钢在折弯过程中不会上下运动和翻转，保证折弯效果不受型钢上下翻转或运动的影响，提高折弯质量。
顶推装置在下游顶压的方式，使得顶推装置下游方向的型钢没有约束，型钢在折弯过程中受到三个约束力：
1、顶推装置提供的折弯力，是最下游的约束力；
2、最下游一对支撑输送轮的支撑输送槽，是上下游方向居中的约束力；
3、其他几对支撑输送轮的支撑输送槽；如果没有这几对支撑输送轮的约束，在型钢受到顶推装置的顶压力时，型钢上游端会向顶推装置的顶压力的反向方向翘起。
顶推装置下游方向的型钢没有约束的结构具有以下特点：优点是型钢上游端不会摆动，使得型钢焊接点的位置是固定的(型钢长度有限，型钢全部送入工作台之前，需要在工作台上游处焊接下一段型钢，从而连续生产)，更有利于自动焊接；其缺点是结构复杂，支撑输送轮数量多，成本较高；
顶推装置在在两个(主动)轮之间的方式，使得顶推装置下游方向的型钢具有约束，型钢在折弯过程中受到三个约束力：
1、顶推装置提供的折弯力。
2、顶推装置下游方向的主动轮。
3、顶推装置上游方向的主动轮。
这种方式具有以下特点：
优点是结构简单，轮子少，成本较低；缺点是型钢上游端会向顶推装置顶推力的反向摆动，导致焊接位置不固定，难以实现自动焊接；如果在顶推装置上游方向的主动轮的上游方向再增加支撑输送轮来约束型钢上游部分的摆动，则型钢在折弯中将受到四个约束力，导致型钢S型受力，这将使型钢自身的物理强度特性受到不利影响。
本发明选择的工艺路线是适当增加成本以换取更好的性能(激光测距仪相较摄像头具有更好的抗干扰力但成本较高，顶推装置下游方向的型钢没有约束使得本发明可以在不降低型钢物理强度的条件下限制型钢上游部分的摆动从而有利于型钢焊接)，因而选择的是顶推装置下游方向的型钢没有约束的方式。
壳体具有保护其内各种设备的作用，防止工作场合的杂物落到型钢弯曲机和激光测距仪上。
采用本发明的弯曲方法，能够实现在型钢弯曲加工过程中实时测量非线性回弹后型钢的弯曲度，并根据输入条件与顶推装置的伸出杆的伸出量之间的关系来调节顶推装置的伸出杆的伸出量，使得型钢在一次受压弯曲后经非线性回弹直接达到预定弯曲度，避免反复进退并顶压型钢，大幅提高了型钢折弯的工作效率，节约了反复进退并顶压型钢时消耗的能耗，整体上大幅降低了型钢折弯所需的能耗，节能提效的作用十分明显。所述输入条件是指型钢弯曲机特性(压轴的半径以及压轴的轴线与限位线之间的距离)、当前经非线性回弹后的型钢弯曲度(圆弧半径)以及预定的型钢弯曲度。
具体地，本发明通过半径与进退量关系公式，电控装置在通过激光测量得到型钢弯曲形成的圆弧的半径R后即可实时计算出顶推装置的伸出杆应有的进退量，从而相应控制顶推装置的伸出杆的伸缩。由于本发明能够自动根据激光测量的结果控制顶推装置的伸出杆的伸缩量，使顶推装置的伸出杆的伸缩量与型钢受压回弹后的曲率半径相匹配，从而实现不需要反复进退型钢，使型钢一次受压通过型钢弯曲机后，自然回弹后得到的曲率半径正好是预定的曲率半径，从而大大提高了工作效率，并避免了反复顶压同一段型钢带来的能耗浪费，具有非常明显的节能作用和提高加工效率的作用。
附图说明
图1是型钢弯曲机去掉壳体后的立体结构示意图；
图2是型钢弯曲机去掉壳体后的俯视图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的基于激光测量的型钢弯曲方法使用型钢弯曲机进行，型钢弯曲机包括工作台1，以型钢2前进的方向为下游方向。
工作台1上由上游向下游的方向沿直线布置(优选均匀间隔设置)有若干对(优选为4对)支撑输送轮，该直线方向指向下游的方向为型钢2的进料方向；
各支撑输送轮的轴线均沿竖向设置，每对支撑输送轮均包括前轮3和后轮4。前轮3优选安装在轮架内，轮架优选由安装在工作台上的顶紧液压缸驱动。轮架和顶紧液压缸均为现有技术，图未示轮架和顶紧液压缸。
前轮3和后轮4竖向方向的中部均径向凹陷形成支撑输送槽5，支撑输送槽5的高度与型钢2输送状态下的高度相匹配；
前轮3的支撑输送槽5的槽底与后轮4的支撑输送槽5的槽底之间的距离与型钢2输送状态下的前后宽度相匹配；
一对支撑输送轮中，前轮3的支撑输送槽5与后轮4的支撑输送槽5之间围成型钢2的支撑输送空间，工作时型钢2由上游方向向下游方向穿过各对支撑输送轮的支撑输送空间并与各支撑输送轮滚动压接配合；
各后轮4一一对应连接有正反转电机14并由正反转电机14驱动，各后轮4均用于依靠摩擦力驱动型钢前进或后退。正反转电机是现有技术，各正反转电机均设置于相对应的后轮正下方的工作台1内，故图未示各正反转电机。
各对支撑输送轮下游方的工作台1上固定连接有顶推装置7，顶推装置7具有伸出杆8，伸出杆8的端部安装有压轴9，压轴9用于顶压弯曲型钢2；伸出杆8的伸缩方向垂直于型钢2的进料方向，顶推装置7为工作液压缸或工作电动推杆或工作气缸；
工作台1下游方向设有弯曲度测量机构，弯曲度测量机构包括支撑于地面的支撑板10，支撑板10上均匀间隔向上连接有多组支撑杆11，各支撑杆11顶部分别安装有激光测距仪12，各激光测距仪12在同一直线上等间距排列，该直线平行于型钢2的进料方向。
各激光测距仪等间距排列在同一高度，可以省略激光测距仪排列方向距离的检测，减少电控装置11的运算量。
将工作台1下游侧的型钢2前进路径称为下游型钢路径，各激光测距仪12均与下游型钢路径同高并朝向下游型钢路径；
各激光测距仪12、正反转电机14以及顶推装置7分别通过线路连接有电控装置13，电控装置连接有显示屏。显示屏为常规装置，图未示。电控装置13为PLC或工控计算机。
型钢2与压轴9为滚动配合，可以避免在紧压力的作用下滑动摩擦损坏顶推装置7的伸出杆8。
支撑输送槽5能够使得型钢2在折弯过程中不会上下运动和翻转，保证折弯效果不受型钢2上下翻转或运动的影响，提高折弯质量。
还包括有壳体，壳体将工作台1、正反转电机14、各支撑输送轮、顶推装置7以及弯曲度测量机构罩设在内；
壳体上游端设有用于型钢2进入的进口，壳体下游端设有用于型钢2送出的出口，支撑杆11和激光测距仪12一一对应设有十组以上。激光测距仪数量越多，测量精度相应也会越高，10组已经能够妥善解决问题，经费足够可以设置更多组激光测距仪。本实施例以10组为例(10组能妥善解决问题且费用相对更多组要少，因而预计10组激光测距仪的方案也将是使用较多的方案)介绍本发明的技术方案，不代表必须设置10组激光测距仪。
壳体具有保护其内各种设备的作用，防止工作场合的杂物落到型钢弯曲机和激光测距仪上。壳体对应于电控装置13设有活动门，壳体对应于各激光测距仪设有观察窗。壳体及其进口、出口、活动门和观察窗均为常规技术，图未示。图1和图2中的箭头所示方向为型钢2的进料方向。
本发明还公开了使用上述型钢弯曲机进行的弯曲方法，按以下步骤进行：
第一是上料；将型钢2由进口送入壳体并穿过各对支撑输送轮的支撑输送空间；
第二是前进和顶压；
启动各正反转电机14，作为主动轮的各后轮4在滚动摩擦力的作用下驱动型钢2向下游方向运动，型钢2的上游端部进入下游型钢路径；
通过电控装置13控制顶推装置7对型钢2施加预定的顶压长度从而弯曲型钢2；
第三是在第二步骤的进行过程中调节顶推装置7的伸出杆8的伸出量；
具体是启动各激光测距仪12并使各激光测距仪12保持开启状态，电控装置13持续识别型钢2弯曲度；
电控装置在型钢2弯曲度与预定弯曲度不一致时实时调节顶推装置7的伸出杆8的伸出量，使型钢2的弯曲度一次成型达到预定的弯曲度；这里的“实时调节”实际是指由于电控装置计算过程非常快且自动进行，因而由发现不一致到调节顶推装置7的时延可以忽略不计。
最后是持续进行第二步骤和第三步骤，使型钢2无须后退，一次顶压并回弹至预定弯曲度，持续进行型钢2弯曲作业。
第三步骤中，调节顶推装置7的伸出杆8的伸出量的方法是：
电控装置13内预存有各激光测距仪12之间的间距信息；
第一是获取10组型钢模拟点的坐标；
电控装置13获取各激光测距仪12的距离信号，以各激光测距仪12所在直线作为Y轴，将各激光测距仪12按其间距信息排列在Y轴上；
以各激光测距仪12的Y轴坐标为型钢模拟点的Y轴坐标；
以各激光测距仪12测得的距离信息为型钢模拟点的X轴坐标；
10组激光测距仪12的Y轴坐标及相应测得的距离信息分别对应10组型钢模拟点的坐标；
第二是通过最小二乘法获取半径R；
电控装置13以最小二乘法模拟出10组型钢模拟点所形成的型钢模拟弧线，从而得到型钢模拟弧线的半径R；最小二乘法是常规方法，在得到10组型钢模拟点的坐标后，本领域技术人员均可通过最小二乘法模拟弧线并求得模拟弧线的半径。
第三是电控装置13控制顶推装置7的伸出杆8的进退量；
具体是电控装置13根据半径与进退量关系公式计算得到顶推装置7的伸出杆8的进退量，并控制顶推装置7的伸出杆8伸缩至符合所述进退量；
半径与进退量关系公式是：
其中，dT即计算得到的顶推装置7的伸出杆8应有的进退量；R为激光测量获得的型钢2弯曲形成的圆弧曲线(即型钢模拟弧线)的半径R，r为顶推装置7伸出杆8端部安装的压轴9的半径；将最下游一对支撑输送轮的轴线的中心连线称为限位线，L为压轴9的轴线中心与限位线之间的距离；dR是R减去预定的型钢2弯曲半径(即型钢2弯曲半径的目标值)得到的差值；
理想状态下dR的值为零，在型钢2经非线性反弹后的最终弯曲半径有波动的情况下，本发明通过实时调节顶推装置7的伸出杆8的进退量，将型钢2的最终弯曲半径控制在工艺允许的波动范围之内，实现一次顶压弯曲成型。
通过半径与进退量关系公式，电控装置13在通过激光测量得到型钢2弯曲形成的圆弧的半径R后即可实时计算出顶推装置7的伸出杆8应有的进退量，从而相应控制顶推装置7的伸出杆8的伸缩。由于本发明能够自动根据激光测量的结果控制顶推装置7的伸出杆8的伸缩量，使顶推装置7的伸出杆8的伸缩量与型钢2受压回弹后的曲率半径相匹配，从而实现不需要反复进退型钢2，使型钢2一次受压通过型钢弯曲机后，自然回弹后得到的曲率半径正好是预定的曲率半径，从而大大提高了工作效率，并避免了反复顶压同一段型钢2带来的能耗浪费，具有非常明显的节能作用和提高加工效率的作用。
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