復(fù)合板材厚度在線檢測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)①

朱金枝 裴立明 劉媛媛

摘 要：為了使復(fù)合板材厚度在線檢測系統(tǒng)適應(yīng)非平穩(wěn)傳動板材的測量，同時(shí)，避免測量系統(tǒng)對板材表面造成劃痕，對板材厚度在線測量系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。軸承支撐結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，滾動測頭的結(jié)構(gòu)減小了測頭與板材表面的摩擦力及粘滯作用，保證測頭在不劃傷板材表面的前提下對板材進(jìn)行厚度測量。對測量系統(tǒng)進(jìn)行了大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性及可靠性，系統(tǒng)分辨率可達(dá)到1，系統(tǒng)精度為10。

關(guān)鍵詞：板材厚度 在線檢測 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP274.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0106-02

在板材生產(chǎn)制造中，板材厚度精度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，板材厚度控制是板材制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。工業(yè)上，板材厚度測量儀按照測量方式分為接觸式和非接觸式。目前，非接觸式測量儀主要包括射線式、渦流式、激光式。射線式主要是當(dāng)射線穿透被測目標(biāo)時(shí)，被測物體吸收一定的射線能量，根據(jù)吸收后的射線強(qiáng)度和被測物體的材質(zhì)，可以得到被測物體的厚度。射線式測厚儀主要用于被測物體成分一定的情況，且容易受溫度影響。渦流式對測量環(huán)境要求高、測量精度容易受外界因素影響、不能測量高溫物體。激光式是利用被測物體表面對激光的漫反射能量來確定被測物體的厚度，其對被測物體的表面光線反射率敏感，因此，激光式對于上下成分不確定的板材難以準(zhǔn)確測量。對于復(fù)合板材的厚度測量，由于板材的物質(zhì)組成不單一且比例不確定，上述測量方式都難以滿足復(fù)合板材的測量要求。機(jī)械接觸式的工作原理是采用上下兩個(gè)壓頭分別壓在被測物體的上下兩個(gè)表面，通過測量頭的位移來測量被測物體的厚度，因此，機(jī)械接觸式適用于測量成分不單一的板材?；谏鲜鲆蛩兀以涸兄七^一種復(fù)合板材厚度在線檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合板材的在線連續(xù)測量。但是，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一些不足，針對系統(tǒng)要求，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使測量系統(tǒng)適應(yīng)非平穩(wěn)傳動板材的測量、避免板材表面出現(xiàn)劃痕。對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐，結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性及可靠性，分辨率可達(dá)到1 um，系統(tǒng)精度為10 um，滿足板材測量要求。

1 板材厚度在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介（圖1）

上測頭和下測頭的結(jié)構(gòu)相同，對稱安裝，工作時(shí)上、下測頭的外圓重合。運(yùn)動板材由上、下測頭夾緊，板材在兩測頭間以不超過2 m/min的速度平移。上、下測頭分別固定在上、下測桿上，上、下測桿通過軸承固定在軸上，并通過軸承實(shí)現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，上、下測頭偏轉(zhuǎn)的位移量通過上、下測桿傳遞到傳感器測量面上，轉(zhuǎn)化為傳感器的位移量[1]。為了使系統(tǒng)適應(yīng)非平穩(wěn)移動板材的測量，需要對原測量系統(tǒng)在幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

由于板材在實(shí)際測量中跳動較大，原刀口支撐的開放式結(jié)構(gòu)，易受破壞，難以適應(yīng)復(fù)雜的測量環(huán)境，軸支撐結(jié)構(gòu)可以克服原結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定不住的現(xiàn)象。軸和測桿之間由軸承連接，可實(shí)現(xiàn)軸與測桿時(shí)間的相對轉(zhuǎn)動。該支撐結(jié)構(gòu)加工簡單，安裝后力封閉，磨損小，且隨動范圍大。

1.2 測頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

考慮到原測頭結(jié)構(gòu)為測量球頭，測量時(shí)與板材間為滑動摩擦，易對板材產(chǎn)生劃痕。為了避免板材表面出現(xiàn)劃痕，需要對測頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。新測頭選擇外球面軸承來替代，外球面軸承通過階梯型膨脹螺套固定在U型架上，由膨脹螺套的階梯軸在軸向上對外球面軸承進(jìn)行固定，通過膨脹螺套與螺絲的過盈配合減小外球面軸承的徑向游隙。該結(jié)構(gòu)既減小了測頭與板材間的摩擦力，測頭又可通過U型架的調(diào)整孔在軸向上進(jìn)行調(diào)整，方便上、下測頭中線重合，解決了原測頭易對板材造成劃痕的缺陷。

2 系統(tǒng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐檢驗(yàn)

為了保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微米級分辨率和測量精度，需要對測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)[2]；并對標(biāo)定后的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，滿足系統(tǒng)的測量要求。

2.1 測桿臂比值實(shí)驗(yàn)

由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在加工尺寸偏差，且在裝調(diào)的過程中，不可避免的會產(chǎn)生零件裝配累計(jì)誤差，因此需要對測桿的臂比值進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定板材厚度與傳感器輸出值之間的關(guān)系。在臂比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，因?qū)嶋H板材厚度測量范圍在0.75～3 mm，選擇厚度在0.5～3 mm的量塊作為標(biāo)準(zhǔn)件，通過量塊的尺寸與傳感器的示值確定臂比值。（表1）

2.2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

根據(jù)之前的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)各參數(shù)。對系統(tǒng)進(jìn)行了板材厚度在線測量檢測，得到如圖2所示的測量曲線，圖2中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，每一格為36秒，縱坐標(biāo)為板材厚度測量值，每格為3 um。

實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)對于非平穩(wěn)運(yùn)行的復(fù)合板材的在線測量具有很高的測量精度且穩(wěn)定性較好，不會對板材造成劃痕。

3 結(jié)論

系統(tǒng)通過對測頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了測頭與板材表面的摩擦力及粘滯作用，保證測頭在不劃傷板材表面的前提下對板材進(jìn)行厚度測量。通過對支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，保證了系統(tǒng)即使在板材震動等復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，仍能對板材進(jìn)行厚度檢測。對測量系統(tǒng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)分辨率可達(dá)到1 um，系統(tǒng)精度為10 um，且系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，滿足復(fù)合板材的在線檢測要求。

參考文獻(xiàn)

[1]龐振基，黃其圣.精密機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.