基于激光测距的脱粒滚筒焊接质量在线检测方法

荣　耀，苑严伟，赵化平，张俊宁，董　鑫

(1.中国农业机械化科学研究院，北京　100083；2.土壤植物机器系统国家重点实验室，北京　100083)



基于激光测距的脱粒滚筒焊接质量在线检测方法

荣耀1,2，苑严伟1,2，赵化平1,2，张俊宁1,2，董鑫1,2

(1.中国农业机械化科学研究院，北京100083；2.土壤植物机器系统国家重点实验室，北京100083)

摘要：针对稻麦收获机脱粒滚筒焊接质量人工检测误差大、效率低的现状，提出了一种基于激光测距的在线检测方法。同时，由工控机和运动控制卡驱动伺服电机以实现对脱粒滚筒和激光传感器的控制，进而完成距离信息的采集，再通过信号处理和数据分析，得出脱粒滚筒圆柱度和垂直度的检测结果。试验结果表明：脱粒滚筒圆柱度检测最大误差为2.15%，垂直度检测最大误差为1.42%，满足脱粒滚筒焊接质量快速、准确的检测要求。

关键词：脱粒滚筒；焊接质量；在线检测；控制

0引言

脱粒滚筒是稻麦收获机的核心部件，其加工手段以焊接为主，焊接质量直接影响着收获机械的作业性能。国内对焊接工件的检测手段还较为落后，目前脱粒滚筒的焊接基本靠手工完成，既没有焊接质量的检测手段，又没有焊接变形的校正手段，脱粒滚筒圆柱度无法保证。特别是脱粒滚筒外辐盘垂直度低，导致脱粒滚筒径向跳动大，脱粒滚筒和凹板间隙不一致，严重制约脱粒效果和清选效果，影响了脱粒滚筒的寿命，增大了脱粒滚筒的故障率[1-5]。在线检测技术能提高检测的精度和降低工人劳动强度，为了紧跟全球农业机械发展的步伐，对脱粒滚筒的圆柱度与外辐盘垂直度进行在线检测势在必行[6-8]。

目前，国内外在形位误差测量方面使用的仪器有三坐标测量机、圆度仪和形状测量仪等，这些仪器价格昂贵，对检测环境要求比较高，测量范围限于中小尺寸的零件，且检测项目较为单一，更不能用于大尺寸零件形位误差的测量，约束性较大[9-13]。

为此，提出了一种基于运动控制卡和激光位移传感器的在线检测方法，开发出脱粒滚筒焊接质量在线检测系统，以快速和精确地完成对脱粒滚筒焊接质量的检测。

1在线检测系统的组成

稻麦收获机脱粒滚筒焊接质量在线检测系统分为硬件和软件两部分。其中，硬件部分由试验台、工控机、运动控制卡、伺服电机及激光位移传感器组成；软件部分由速度选择模块、电机控制模块、圆柱度数据采集模块、垂直度数据采集模块、数据处理模块及质量判断模块组成，如图1所示。

图1　检测系统组成

1.1检测系统硬件组成

检测系统硬件组成示意图如图2所示。通过在试验台上加装各种硬件组成完整的检测系统。所使用的运动控制卡为阿尔泰PCI1010轴运动控制卡，将其插入到工控机的PCI插槽中，两者共同组成检测系统的上位单元，上位单元是此检测系统的核心。通过上位单元向交流伺服电机发出脉冲来控制电机的转动。运动控制卡的X轴控制电机1，Y轴控制电机2。电机1通过一个减速比为15的行星减速机和丝杠相连，丝杠上安装滑块，两个激光位移传感器固定在滑块上。其中，激光位移传感器1向滚筒表面发射激光脉冲，用来采集圆柱度距离信息；激光位移传感器2向滚筒外辐盘发射激光脉冲，用来采集垂直度距离信息。电机2通过一个减速比为25的行星减速机和皮带轮相连，皮带轮的减速比为5，皮带轮再通过主轴箱上的三爪卡盘来带动脱粒滚筒转动。

1.带轮　2.主轴箱　3.三角卡盘　4.激光传感器　5.脱粒滚筒

1.2检测系统软件组成

脱粒滚筒在线检测系统的软件部分由6部分组成：速度选择、电机控制、圆柱度数据采集、垂直度数据采集、数据处理和质量判断，如图3所示。

图3　检测系统界面

检测系统开始运行后，在“速度选择”方框中，首先选择滚筒和滑块的速度，点击“启动”按钮，两个交流伺服电机同时开始工作，脱粒滚筒开始做匀速转动。在“圆柱度数据采集”方框中，选择串口号和波特率后，固定在滑块上的激光位移传感器1开始采集圆柱度数据，待采集数据完成以后，滚筒停止转动，滑块在伺服电机的带动下返回初始位置。以类似的步骤进行垂直度数据采集。数据采集完成后，点击系统界面上的“计算”按钮，程序对所采集的数据进行计算，得出圆柱度与垂直度值，并显示在文本框中。在“质量判断”方框中，首先选择圆柱度和垂直度的误差评判标准，点击系统界面上的“判断”按钮，检测结果将以指示灯和文字的形式给出：若圆柱度和垂直度均合格，指示灯显示为绿色，Label标签中显示圆柱度及垂直度均合格。只要圆柱度和垂直度有一个不合格，指示灯显示红色，Label标签中提示哪一个不合格。点击“圆柱度仿真”与“垂直度仿真”，采集到的圆柱度与垂直度数据将以折线图的形式显示出来，通过折线图能直观看出滚筒的哪一部分焊接质量存在问题。最后点击“结束”按钮，退出程序，完成本次检测。

2检测方法

检测方法如图4所示。整个检测系统以试验台为主体支架，通过在试验台上安装各种检测装置组成。上位机由工控机和运动控制卡组成，通过上位机来控制两个交流伺服电机的运动。系统开始运行后，PCI1010两轴运动控制卡分别向两个交流伺服电机的控制单元发射脉冲：交流伺服电机1接收到脉冲指令后，驱动丝杠运动，丝杠带动固定在丝杠滑块上的激光位移传感器运动；交流伺服电机2接收到脉冲指令后，驱动脱粒滚筒以一定的转速运动。

在进行圆柱度数据采集时，脱粒滚筒以一定的速度转动，同时激光位移传感器1从起始位置开始向另一侧运动，运动到滚筒末端停止，完成一次数据采集，并将数据保存至硬盘上相应位置。圆柱度数据采集完成后，滚筒停止转动，滑块返回至初始位置，开始进行垂直度数据采集，脱粒滚筒同样以一定的速度转动，丝杠驱动带动滑块运动，将激光位移传感器2移动至外辐盘一侧后停止；脱粒滚筒继续转动，激光位移传感器2向外辐盘发射脉冲，采集垂直度数据，并将数据保存至硬盘上相应位置。数据采集完成后，由程序对采集到的数据进行后续处理。若圆柱度与垂直度值均在在误差范围内则认为合格，只要有一个超出了误差范围则认为不合格，由此最终判断脱离滚筒的焊接质量是否合格。

图4　检测方法示意图

3试验与数据分析

脱粒滚筒焊接质量在线检测系统启动后，点击在线检测系统界面上的按钮，通过激光位移传感器分别对外圆柱面与外辐距离信息进行采集，将数据保存在指定位置；再对数据进行分析处理，给出检测结果，完成一次在线检测。如图5所示，若选择圆柱度与垂直度的最大允许误差为10mm，对采集的数据进行分析，计算出的脱粒滚筒圆柱度值为2.76mm，垂直度值为1.61mm，二者均在最大误差允许范围内，指示灯显示为绿色，Label标签中显示“圆柱度、垂直度均合格！”

选择不同的误差评判标准，对同一工件的检测会得出不同的检测结果，可满足不同精度要求的在线检测。

单次测量得出的检测结果具有偶然性，多次测量有助于减小误差。为了进一步分析该在线检测的测量误差，对同一脱粒滚筒的圆柱度与垂直度距离信息进行10次采集，分别计算出每一次的圆柱度值与垂直度值，计算出相对偏差，再进一步分析每组数据的方差。

图5　实验结果

(1)

(2)

由此得出的实验结果如表1与表2所示。

表1　圆柱度实验结果

表2　垂直度实验结果

根据表1与表2中的数据绘制圆柱度拟合直线与垂直度直线分别如图6与图7所示。

由图6与图7可以看出：检测系统得到的圆柱度值与垂直度值均在拟合直线附近，说明系统运行稳定。用s1表示圆柱度值的方差，用s2表示垂直度值的方差，有

(3)

(4)

图6　圆柱度值拟合直线

图7　垂直度拟合直线

4结论

1)提出了基于激光测距的在线检测方法，实现了稻麦收获机脱粒滚筒圆柱度与垂直度的在线检测。

2)开发出了脱粒滚筒焊接质量在线检测系统。试验表明：该检测系统能快速自动完成对稻麦收获机脱粒滚筒圆柱度与垂直度的在线检测，并能对不同焊接精度要求的工件进行检测，应用十分广泛。

3)圆柱度检测最大误差为2.15%，垂直度的检测最大误差为1.42%，满足脱粒滚筒焊接质量快速、准确的检测要求。

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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

文章编号：1003-188X(2016)01-0217-05

中图分类号：S237

文献标识码：A

作者简介：荣耀(1987-)，男，湖北洪湖人，硕士研究生，(E-mail)rycaams369@163. com。通讯作者：苑严伟(1980-)，男，河南周口人，研究员，博士，(E-mail)yyw215@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAF07B01)

收稿日期：2014-12-22