螺紋鋼線徑在線測量及其檢測系統(tǒng)的研究

李紹銘，楊帆，楊鵬，徐龍淞

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000)

0 前言

隨著軋制自動(dòng)化程度的提高，伴隨而來的是生產(chǎn)節(jié)奏的加快，同時(shí)，用戶對產(chǎn)品規(guī)格尺寸要求的提高，以及生產(chǎn)廠家對成本控制力度的加大，也為了進(jìn)一步降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)螺紋鋼線徑的在線實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控，是未來棒材生產(chǎn)的趨勢。在未來相當(dāng)長的時(shí)間里，棒材的生產(chǎn)和應(yīng)用都還有相當(dāng)大的發(fā)展空間和潛力，因此，對棒材線徑在線檢測的研究開發(fā)就顯得非常必要和緊迫，其研究成果也非常有價(jià)值和意義［1］。

本文作者采用一種電容感應(yīng)式螺紋鋼線徑在線監(jiān)測系統(tǒng)及其檢測方法。其目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中螺紋鋼的線徑在線監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測徑難度大高、測徑成本高的不足，提供一種電容感應(yīng)式螺紋鋼線徑在線監(jiān)測系統(tǒng)及其檢測方法。通過該項(xiàng)目構(gòu)建的電容式在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)螺紋鋼線徑的高精度在線監(jiān)測，從而提高螺紋鋼公差控制能力，且結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備維護(hù)成本低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 概述

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種電容式螺紋鋼線徑在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括圓筒件、集電環(huán)、電容模塊、濾波模塊、溫度補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，所述的圓筒件呈兩端開口的中空筒狀結(jié)構(gòu)，螺紋鋼從圓筒件的中心軸線位置穿過，從圓筒件一端的端部引出第一電容極;所述的集電環(huán)設(shè)置于軋機(jī)的出口處，并與螺紋鋼相接觸，從集電環(huán)引出第二電容極，所述的圓筒件和螺紋鋼組成圓柱形電容器;上述的第一電容極和第二電容極接入電容模塊，該電容模塊用于圓柱形電容器的電容值，所述的電容模塊依次與濾波模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊相連接。

文中的圓筒件為金屬件，并位于軋機(jī)的出口處，該圓筒件的外壁直徑為螺紋鋼直徑的3～10倍，該圓筒件的長度為50～100 cm。

1.2 系統(tǒng)框架與組成［3］

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種電容式螺紋鋼徑在線監(jiān)測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括圓筒檢測件3、集電環(huán)4、電容模塊5、濾波模塊6、溫度補(bǔ)償及數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊7和數(shù)據(jù)顯示模塊8，所述的圓筒件3呈兩端開口的中空筒狀結(jié)構(gòu)，螺紋鋼2從圓筒件3的中心軸線位置穿過，從圓筒件3一端的端部引出第一電容極;集電環(huán)4設(shè)置于軋機(jī)1的出口處，并與螺紋鋼2相接觸，從集電環(huán)4引出第二電容極，所述的圓筒件3和螺紋鋼2組成圓柱形電容器;上述的第一電容極和第二電容極接入電容模塊5，電容模塊5依次與濾波模塊6、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊7、數(shù)據(jù)顯示模塊8相連接，用于圓柱形電容器的電容值。

圖1 棒材線徑在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 在線線徑檢測方法與步驟

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種電容式螺紋鋼線徑在線檢測系統(tǒng)，其實(shí)施檢測的步驟為:

(1)研制改性陶瓷圓筒檢測件

通過改性陶瓷材料研發(fā)試制，研發(fā)可以燒制成電導(dǎo)率相當(dāng)于鎳銅合金 (50×10-8Ω·m)的陶瓷坯料，以及可以同時(shí)燒制成改性陶瓷坯料。然后研發(fā)合適的模具和燒制工藝，研制出陶瓷質(zhì)的圓筒檢測件(圓筒件和版圓筒件)，作為螺紋鋼線徑在線監(jiān)測的傳感檢測裝置。

(2)建立螺紋鋼標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫

將不同線徑規(guī)格Фi的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的螺紋鋼，在與實(shí)際生產(chǎn)相同的環(huán)境中離線狀態(tài)下穿過圓筒件，電容檢測模塊通過鎖相放大檢測方式，測量第一電容極和第二電容極之間的圓柱形電容器的電容量，并經(jīng)過濾波處理模塊得到相應(yīng)的電容值Ci，其中:Фi為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的螺紋鋼直徑，Ci為直徑為Фi的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的螺紋鋼對應(yīng)的電容值，從而得到 (Ci，Фi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對，其中 Фi的取值為常用螺紋鋼規(guī)格值6、8、10、12、16、18、20、22、25、32、40、50 mm等。數(shù)據(jù)庫規(guī)格越詳細(xì)，監(jiān)測數(shù)據(jù)就越精細(xì)準(zhǔn)確。

(3)檢測工況下電容值Cx獲取

當(dāng)待測的螺紋鋼穿過圓筒件時(shí)，電容檢測模塊通過第一電容極和第二電容極此時(shí)圓柱形電容器的電容值，并經(jīng)過濾波模塊得到相應(yīng)的電容值Cx，其中: Cx為待測直徑Фx的螺紋鋼對應(yīng)的電容值;

(4)數(shù)據(jù)處理及溫度補(bǔ)償

將步驟 (3)檢測得到的電容值Cx傳送至數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，進(jìn)行局部線性化、偏差估計(jì)運(yùn)算得待測螺紋鋼的直徑Фx和螺紋鋼直徑的偏差量ΔΦ，具體計(jì)算過程如下:

①根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)的螺紋鋼直徑Фm的規(guī)格，從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫 (Ci，Фi)中提取與生產(chǎn)的螺紋鋼直徑相接近的兩組數(shù)據(jù) (C1，Ф1)和 (C2，Ф2)，其中:C1為比當(dāng)前生產(chǎn)的螺紋鋼直徑規(guī)格Фm小一個(gè)規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)直徑，Ф1為準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫 (Ci，Фi)中C1對應(yīng)的電容值，C2為比當(dāng)前生產(chǎn)的螺紋鋼直徑規(guī)格Фm大一個(gè)規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)直徑，Ф2為準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫 (Ci，Фi)中C2對應(yīng)的電容值;如圖2所示電容值C與螺紋鋼直徑Ф的關(guān)系曲線。

②將(C1，Ф1)或(C2，Ф2)代入公式(1):

得:

即可計(jì)算得到b。其中:Фx為待測的螺紋鋼直徑，Cx為待測直徑Фx的螺紋鋼對應(yīng)的電容值，b為截距;

③將上述 (C1，Ф1)、(C2，Ф2)、截距b及檢測得到的電容值Cx代入公式 (1)，即可計(jì)算得到待測螺紋鋼的直徑Фx;

④將當(dāng)前生產(chǎn)的螺紋鋼規(guī)格直徑Фm和上述計(jì)算得到的待測螺紋鋼的直徑Фx代入公式 (2):

計(jì)算即可得到在軋螺紋鋼與相應(yīng)線徑規(guī)格的偏差量ΔΦ;

⑤通過實(shí)時(shí)檢測螺紋鋼的溫度，根據(jù)螺紋鋼材質(zhì)的溫度系數(shù)，將高溫下檢測出的螺紋鋼線徑，補(bǔ)償折算到冷態(tài)下的線徑值。也就是說，系統(tǒng)在線檢測并顯示出的線徑并不是在熱態(tài)下實(shí)際檢測的線徑，而是冷態(tài)下實(shí)際的線徑值［7］。

(5)數(shù)據(jù)顯示

將步驟 (4)中計(jì)算得到的待測螺紋鋼的直徑Фx和偏差量ΔΦ傳送至數(shù)據(jù)顯示模塊予以顯示。

該系統(tǒng)中所稱的螺紋鋼的直徑均指公稱直徑，公稱直徑范圍為6～50 mm，標(biāo)準(zhǔn)推薦的螺紋鋼公稱直徑為6、8、10、12、16、18、20、22、25、32、40、50 mm［3］。

圖2 電容值與螺紋鋼直徑的曲線圖

2.2 圓筒檢測件的制作［4］

圓筒檢測件的加工有兩種方式，一種是先采用薄的銅質(zhì)或鋁質(zhì)材料制作成合適規(guī)格的圓筒或半圓筒件，然后在其里外兩側(cè)各加工成陶瓷絕緣材料，引出電極，即構(gòu)成可以感應(yīng)電容的圓筒檢測件。這需要特定的加工工藝和加工材料;另一種方式是直接采用可以燒制成合金材料和陶瓷材料的兩種改性陶瓷材料，中間層采用薄的可以燒制成合金器件的橡皮泥材料，而兩側(cè)采用可以燒制成改性陶瓷的橡皮泥材料，從中間引出電極材料。制作好后通過兩次燒制，稍事加工，即可構(gòu)成感應(yīng)電容圓筒檢測件。

2.3 軋輥軋槽表面凹槽檢測的實(shí)現(xiàn)原理

另外，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以自動(dòng)檢測出軋機(jī)表面是否有凹槽。如圖1所示，如果軋輥1表面含有凹槽，當(dāng)螺紋鋼2從軋輥中擠壓出來時(shí)，螺紋鋼表面會產(chǎn)生周期性非正常凸起。當(dāng)螺紋鋼進(jìn)入圓筒檢測件3，由于螺紋鋼表面有周期性非正常凸起，在凸起部分減小了等效電容兩極板間的距離，從而就會使電容值增加，因此，系統(tǒng)檢測出的連續(xù)電容值就會出現(xiàn)周期性的變化。通過觀察電容值輸出非正常變化，可以判斷出螺紋鋼表面是否含有非正常的凸起，進(jìn)而就可以判斷軋輥軋槽表面是否有凹槽，從而可以及時(shí)更換軋輥，有效避免了鋼材的廢品進(jìn)一步增加。

3 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，大多數(shù)廠商采用的是人工卡尺測量螺紋鋼的線徑，其精確度不高、效率、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且不能實(shí)時(shí)檢測。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建的電容感應(yīng)式在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了螺紋鋼線徑的高精度在線監(jiān)測，從而提高螺紋鋼成材率，且結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備維護(hù)成本低，提高了產(chǎn)品質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品自動(dòng)化。同時(shí)，該系統(tǒng)可以檢測出軋機(jī)軋輥滾槽表面的凹槽缺陷，防止生產(chǎn)出來的螺紋鋼含有不必要的凸起。

［1］H44中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB1499-91鋼筋混凝土用熱扎帶肋鋼筋［S］.2012.

［2］劉志英，岳祖洲，陳文毅.螺紋鋼外形參量在線測量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M［J］.光電子·激光，1994，5(4):220-223.

［3］李紹銘，徐龍淞，楊帆，等.一種電容式螺紋鋼線徑在線測量系統(tǒng).中國專利，ZL:201210149770.3［P］.2013-12-11

［4］樊傳剛，張國棟，檀杰.一種可以燒成陶瓷和硬質(zhì)合金器件的橡皮泥及其制備方法.中國專利ZL:200410065255.2［P］.2005-04-27.

［5］吳旻修，許家銘，羅立偉.陶瓷電容.中國專利: CN202523553U［P］，2012-11-07.

［6］錢思明.熱軋螺紋鋼內(nèi)外徑的在線測量［J］.光學(xué)技術(shù)，1996，11(6):35-37.

［7］冷軋螺紋鋼筋生產(chǎn)技術(shù)［Z］.國家科技成果。

［8］李喜東，周建華，牛健.介質(zhì)溫度影響物位測量值得補(bǔ)償方法［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32(9):36-40.