IMS X_ray測厚儀自動校準(zhǔn)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蔡 光，吳 謹(jǐn)，李富年

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430080）

0 引言

在鋼鐵工業(yè)中，鋼板厚度的精度決定了鋼板的好壞。為了精確控制鋼板軋制的厚度，大多數(shù)企業(yè)采用德國IMS X_ray測厚儀。它是一種以X射線為載體的非接觸式厚度測量系統(tǒng)，在不接觸和無破壞的條件下完成對帶鋼的厚度測量，并且測量精度能達(dá)到1‰[1]，是目前較為先進(jìn)的測量系統(tǒng)，其為工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)能提供有力保證[2]。

IMS X_ray測量系統(tǒng)設(shè)備有2個X射線管、64個X射線測量通道、2個激光射源和1個攝像頭，由1個單獨的水冷柜進(jìn)行水循環(huán)，以保持C型架和X射線管的正常工作溫度。

由于測厚儀工作時X射線管會發(fā)射大量X射線，在周期對測厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)時內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)板的更換工作都是由人工操作完成，長時間在X射線環(huán)境下工作對人體會造成較大傷害。因此，每次在更換或添加標(biāo)準(zhǔn)板前都需將測厚儀斷電，待X射線消散后再進(jìn)行后續(xù)操作，這種校準(zhǔn)方式耗時長、操作效率低、對設(shè)備損害嚴(yán)重。而日常周期檢修設(shè)備的時間有限，不能影響鋼鐵的產(chǎn)量。做一次全量程、所有通道的標(biāo)定需要16個小時以上（以CSP為例：64通道、標(biāo)定2mm～22mm共11塊，每4個通道進(jìn)行一次校準(zhǔn)，理論校準(zhǔn)最大值為共計需要32752次），因此只能在年修時完成。平時周期校驗時只能選取部分通道進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣就會影響設(shè)備的測量精度和使用壽命。因此本文提出了一種自動校準(zhǔn)控制系統(tǒng)來解決上述問題。經(jīng)過實踐證明，該系統(tǒng)能夠取代手工校準(zhǔn)，提高校準(zhǔn)效率。

1 系統(tǒng)功能

IMS X_ray測厚儀自動校準(zhǔn)是基于對己知厚度的標(biāo)準(zhǔn)塊的測量值進(jìn)行數(shù)學(xué)計算來完成。標(biāo)準(zhǔn)板在X射線束下自動定位，記錄每個校準(zhǔn)周期的數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)，確定厚度系統(tǒng)的復(fù)線性和函數(shù)關(guān)系，確保分析數(shù)據(jù)的可靠性。

目前IMS X_ray測厚系統(tǒng)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)板庫只有兩塊標(biāo)準(zhǔn)板，分別為2mm和14mm，能在使用過程中自動完成對設(shè)備的全標(biāo)定。而目最先進(jìn)的東芝測厚儀其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)庫也只有8塊標(biāo)準(zhǔn)板。本文設(shè)計自動校準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)板庫擴展為11塊標(biāo)準(zhǔn)板，其厚度為2mm～22mm，并能夠完成11塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動校準(zhǔn)。

結(jié)合IMS X_ray測厚儀的構(gòu)造以及現(xiàn)場機械的布局設(shè)計了自動校準(zhǔn)裝置的硬件模型，如圖1所示。

自動標(biāo)定裝置的工藝及動作要求：

1）手工將11塊標(biāo)準(zhǔn)板放置在標(biāo)準(zhǔn)板成列箱。

2）啟動自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。

3）取板和放板保證標(biāo)準(zhǔn)板平穩(wěn)。

圖1 自動校準(zhǔn)裝置的硬件構(gòu)造圖

4）如在取板或是回板過程中遇到異常，發(fā)送緊急信號，可編程控制器控制所有電機停止運轉(zhuǎn)。待排除異常，啟動運轉(zhuǎn)。

5）系統(tǒng)自動按照程序完成第一塊標(biāo)準(zhǔn)板的校準(zhǔn)，完成后將標(biāo)準(zhǔn)板放回標(biāo)準(zhǔn)板成列箱，然后進(jìn)行第二塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動校準(zhǔn)，以此類推，直至完成十一塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動校準(zhǔn)。

6）系統(tǒng)復(fù)位。

在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的工作流程圖，如圖2所示。

圖2 自動標(biāo)定裝置的工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件選型

在系統(tǒng)的硬件模型中可以看出，自動標(biāo)定裝置完成一塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動標(biāo)定需要四軸協(xié)同運動來完成。設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)板陳列箱放置的不同厚度的11塊標(biāo)準(zhǔn)板間距均為2mm，所以系統(tǒng)的控制精度要求為0.1mm。

在工業(yè)控制中，PLC以其可靠性高、抗干擾能力強而被廣泛應(yīng)用。三菱FX3U系列PLC可以同時輸出控制3軸脈沖串，處理速度能夠達(dá)到0.065μs/基本指令，并且可以兼容擴展FX-2N系列模塊[2]。所以選擇FX3U-80MT/ES晶體管型PLC和FX2N-1PG-E定位模塊來實現(xiàn)四軸的位置控制。

每軸的運動定位由電機帶動滾珠絲桿和電機的啟停實現(xiàn)；精確定位對電機性能要求較高，本項目的取板精度為0.1mm，在生產(chǎn)上屬于精密工藝。由于伺服電機的控制精度較高，通用17位伺服電機的理論控制精度能夠達(dá)到1μm，滿足項目要求，同時伺服電機在低速時不會出現(xiàn)震動現(xiàn)象，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速的時間更快，更適合快速啟停的控制場合[3]。本項目采用臺達(dá)伺服電機ECMA-C20602SS和與之匹配的驅(qū)動器ASD-B2-0221-B進(jìn)行電機定位。

3 軟件設(shè)計

依據(jù)自動校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)的機械構(gòu)造，整個系統(tǒng)協(xié)同運作需要四臺伺服電機，分別稱為：控制拖盤上下運動的電機、控制取板器左右水平運動的電機、控制吸取標(biāo)準(zhǔn)板上下運動的抓臂電機以及控制運載標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)的電機。

四臺電機協(xié)同運動，因此本文采取SFC編程，更加利于程序的模塊化。現(xiàn)將各個電機的不同狀態(tài)現(xiàn)列于圖3所示。

圖3 四臺電機的狀態(tài)列表

結(jié)合硬件選型，圖4是為PLC的輸入輸出端口的分配表；自動標(biāo)定裝置的各軸都裝有左右限位開關(guān)和原點開關(guān)以及伺服驅(qū)動器反饋的零點信號，既可以防止伺服電機在運動過程中與周邊裝置發(fā)生干涉，又可以隨時原點檢查保持高精度避免誤差累計。PLC通過控制電磁閥的動作操作真空吸盤，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)板的抓取和釋放。

圖4 PLC的輸入輸出點數(shù)分配

圖5 SFC程序流程圖

自動校準(zhǔn)裝置并不是簡單的重復(fù)運動，當(dāng)按照設(shè)計要求完成11塊標(biāo)準(zhǔn)板的校準(zhǔn)后，將組合不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)板來繼續(xù)校準(zhǔn)。目前設(shè)計的PLC程序能夠?qū)崿F(xiàn)11塊標(biāo)準(zhǔn)板的自動校準(zhǔn)，在以后的系統(tǒng)改進(jìn)要求能夠?qū)崿F(xiàn)多塊標(biāo)準(zhǔn)板的同時校準(zhǔn)。在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提條件下，加快取板回板速度，使自動校準(zhǔn)裝置效率更高。另外，在手工編寫程序時必須單步過程模塊化，便于故障的排除以及程序的編寫。同時PLC的端口要有冗余，為防止端口損壞和后續(xù)增加模塊做準(zhǔn)備[4]。主程序要根據(jù)現(xiàn)有的條件實現(xiàn)相應(yīng)的動作流程。本PLC控制程序自動標(biāo)定動作下的主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論

自動校準(zhǔn)裝置是為了解決鋼鐵工業(yè)中IMS X_ray測厚儀的手工校準(zhǔn)效率低，不能夠在每次周期檢修時完成全通道的校準(zhǔn)和校準(zhǔn)過程中測厚儀發(fā)射的X射線對人體危害較大等問題而設(shè)計的。經(jīng)實際現(xiàn)場證明，較之前人工換板完成IMX X_ray測厚儀所有通道校準(zhǔn)所需的16小時，該自動校準(zhǔn)裝置測量時間僅需2小時，并且能夠取代現(xiàn)場人工選板、換板操作，大大提高了校準(zhǔn)效率，使IMS X_ray測厚儀的全通道標(biāo)定在每次周期校驗時就能完成，保證了帶鋼軋制厚度的精度，使測厚儀在最佳特性下工作；同時在同類型的測厚儀下可以很好的推廣應(yīng)用。

[1]萬勝茲.IMS X射線測厚儀在天津鞍鋼天鐵1750mm軋機上的應(yīng)用[J].天津冶金,2012,3:50-51.

[2]任波偉,李樂榕,等.IMS公司測厚儀在寶鋼1420軋機上的應(yīng)用[J].自動化儀表,2007,9:97-99.

[3]FX3G.FX3U.FX3GC.FX3UC系列微型可編程控制器，編程手冊[Z].2012.

[4]臺達(dá)ASDA-B2系列伺服驅(qū)動器及ECMA系列伺服馬達(dá)使用手冊[Z].2012.

[5]謝建新,王豪,徐文艷.基于PLC的自動收板機的研制[J].制造業(yè)自動化,2013,35(6),114-117.