電飯煲內膽不粘涂層厚度在線檢測系統(tǒng)設計

(廣東海洋大學 機械與動力工程學院，湛江 524088)

0 引言

企業(yè)針對于電飯煲內膽涂層厚度的檢測仍然是通過手工品抽檢的方式進行人工檢測，這樣子的效率比較低，且不能保證每一個出廠產品都是合格的產品。而電飯煲內膽不粘涂層可以防止米飯粘鍋，涂層厚度是需要控制的工藝參數(shù)之一，目前企業(yè)采用的是抽檢的方式手工檢測不粘鍋涂層厚度，這種方法會帶來不少弊端，且效率不高。因此對于電飯煲內膽不粘涂層厚度的在線檢測顯得尤為重要。

而現(xiàn)下，渦流無損檢測技術在涂層檢測方面具有良好的研究效果[1]。在厚度檢測方面， YANG等[2]針對磁性材料利用脈沖渦流無損檢測技術對涂層材料厚度(25～400 μm)進行檢測。高寬厚等[3]針對涂層厚度是否均勻對基體材料的物理性能產生重要影響，提出一種雙層導電涂層厚度的電磁無損檢測方法。本文將上面所述的渦流檢測厚度技術研究應用于本文對電飯煲內膽不粘涂層厚度的電渦流檢測原理，實現(xiàn)針對于直徑為22 mm、24 mm、26 mm和28 mm的電飯煲內膽涂層厚度的在線自動檢測。

1 系統(tǒng)總體方案

在電飯煲內膽涂層的檢測過程中，采用的是渦流檢測方法進行檢測，在檢測工位上，將渦流傳感器伸入到內膽內壁探測，這一過程需要考慮到的是檢測工位的節(jié)拍和渦流傳感器與內膽之間的定位精度等問題。由于本文設計的定位夾緊工位是與渦流傳感器檢測同步進行的，用同一電機驅動氣缸運動，檢測氣缸通過杠桿與渦流傳感器連接，對檢測節(jié)拍的控制做了相應的計算分析。而渦流傳感器探測內膽內薄壁的涂層厚度時，由于它們之間空隙距離的大小決定了傳感器與內膽之間的定位精度的誤差，為了修正彌補誤差，提高定位精度，將檢測探頭做了相應的設計，使它檢測時更加靈敏。

2 涂層厚度在線檢測系統(tǒng)組成原理

整個系統(tǒng)由電機驅動環(huán)節(jié)、上下料環(huán)節(jié)、工作臺轉位環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)和計算機處理環(huán)節(jié)等部分組成。其中檢測環(huán)節(jié)部分采用非接觸式電渦流傳感器[4-5]進行測量。系統(tǒng)的整體操作控制采用單片機軟件來控制，對數(shù)據(jù)進行采集、判斷及氣缸運動的控制，實現(xiàn)自動分類。其基本組成的系統(tǒng)機械結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)機械結構

3 機械結構部分設計

3.1 電機的選擇

該機械系統(tǒng)的電機驅動環(huán)節(jié)是采用步進電機來驅動該裝置，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的[6]。根據(jù)步進電機的優(yōu)點，輸出轉角(步距角)無長期積累誤差，每轉一圈積累誤差會自動消失。啟動、停止、反轉及其他運行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內完成并且具有定位轉矩。

3.1.1 步距角選擇

步距角的選著決定了工作臺的精度，由于用了齒輪減速，其減速比i=4。當一個脈沖過來的時候，電機轉一個角度，而傳到工作臺則為這個角度的四分之一。

由轉臺定位精度Error=1°，Error/i≦θb。代入數(shù)據(jù)，取步進電機的步距角θb=0.72°。

3.1.2 輸出轉矩的選擇

選擇步進電機的最基本的參數(shù)是步進電機的最大靜轉矩Mjmax；它是步進電機的定位轉矩(靜止狀態(tài))。由于摩擦力矩很小，此處忽略不計。則步進電機啟動轉矩可按下式計算：

Mkq=Mα+Tr

其中：Mα是運動部件由靜止上升到最大快進速度時，折算到電機上的力矩，單位為N·m。Tr是轉臺外部阻力矩單位為N·m。

由轉動定律可得工作臺的加速度力矩：

Mα=JLε=0.0219×50π=4.396 N·m

所以步進電機啟動轉矩可按下式計算：

Mkq=Mα+Tr=4.396+20=24.396 N·m

3.1.3 電機型號

電機選用常州寶馬集團的電機。根據(jù)最大靜轉矩和步距角在下表中選型號130BYG5502。

選取步進步進電機為五相五拍式，步距角為0.72°。

3.2 氣缸的選擇

系統(tǒng)的上下料環(huán)節(jié)和檢測環(huán)節(jié)中所用到的氣缸為上下料氣缸、夾緊氣缸、檢測氣缸這3種氣缸組成，其中上下料氣缸要想氣缸能成功的將電飯煲內膽從分度盤送入送出傳送帶，氣缸的行程必須比電飯煲內膽的最大直徑還要大。對于目前企業(yè)生產的電飯煲來說，最大的直徑為，因此行程要大于，選擇DNC-32-320型。夾緊氣缸選取的型號為DPZ-10-25-P-A，該氣缸是小行程氣缸，活塞桿空間大，負載能力高，且可以通過標準螺栓和鎖定螺母可實現(xiàn)

表1 永磁感應步進電動機技術參數(shù)

氣缸由于結構原因，推進是的受力面積將會比返回是的大，在相同氣體流量時，推進時的速度將會比返回時的速度慢。所以，只要推進能滿足時間要求，返回也同樣能完成時間要求。

3.2.1 推進時氣缸移動速度

其中：S為氣缸的行程(mm),t為氣缸運動時間(s), 代入公式得：v=160 mm/s

3.2.2 氣缸最大耗氣量計算公式：

式中，Qmax為最大耗氣量(L/min)，D為缸徑(cm)，S為氣缸行程(cm)，t為氣缸一次夾緊(或松開)動作時間(sec)，(夾緊和松開的時間一般認為相等)，p為工作壓力(MPa)，工作壓力選擇1 bar，即0.1 MPa。

代入已知數(shù)據(jù)：

3.008 (L/min)

3.2.3 平均耗氣量

贛南燈彩文化是我國燈彩文化中最具特色且最為久遠的文化之一。在產業(yè)文化理念下，贛南燈彩文化的發(fā)展策略應做出適當?shù)恼{整。實現(xiàn)資源的充分開發(fā)和利用，并實現(xiàn)燈彩藝術與當代文化的結合，使燈彩文化能夠適應現(xiàn)代旅游需求，促進其發(fā)展。

雙作用氣缸耗氣量：

Q平均=2*t*Qmax/T

式中，T為循環(huán)周期(sec)。

代入已知數(shù)據(jù)：

3.3 傳感器的選擇

渦流傳感器選用德國米銥(北京)測試技術有限公司的NCDT3010型傳感器，在多探頭設置中，可以同步多個通道信號。測量系統(tǒng)被調校為適合測量標準被測材料-鋁(非鐵磁性材料)或德標St37鋼(鐵磁性材料)[7-8]。通過三點線性化，用戶可以在現(xiàn)場將其調校為適合其他材料測量。3010系列探頭的溫度補償功能，使其可以在很寬的溫度范圍內使用。3010系列采用的專利溫度補償方法，使其具有極高的溫度穩(wěn)定性。選擇。探頭外殼材料不銹鋼和塑料，在多次測量時不用于損壞，且量程符合要求。

表2 3010系列參數(shù)

探頭型號EPU05EPS08EPU1EPS2密封方式非屏蔽屏蔽非屏蔽屏蔽量程0.5mm0.8mm1mm2 mm零點0.01mm0.02mm0.5mm0.1mm絕對誤差≤±1.25mm≤±2μm≤±2.5μm≤±5μm分辨率0.025μm≤0.04μm≤0.05μm0.1μm溫度穩(wěn)定性(量程中點)≤±0.25μm≤±0.4μm≤±0.5μm≤±1μm最高溫度100℃100℃100℃100℃防護等級IP67IP67IP67IP67集成電纜長度3m3m3m/9m3m/9m探頭電纜溫度100℃100℃100℃100℃探頭外殼材料不銹鋼和陶瓷不銹鋼和塑料不銹鋼和塑料不銹鋼和塑料

3.4 分度盤

電機是分度盤的動力來源，動力從電機出來以后傳入外齒輪，在經過內齒輪傳給分度盤。考慮本分度盤比較大，為了運行平穩(wěn)，將會使用一個比較大的軸承，這樣子成本將會增加不少。為了降低成本，使用了8個滾輪為支撐，代替了推力軸承。為了讓分度盤繞自己的軸心轉，在分度盤的中間連接了一個法蘭，由于連接軸承，限制分度盤的徑向運動。如圖2所示。

圖2 分度盤示意圖

相關參數(shù)如下：

傳動齒輪模數(shù)為m=4；齒數(shù)Z1=30，Z2=120；壓力角α=20°；傳動比i=4；對于圓柱直齒輪傳動的效率為0.9～0.99，取ηw=0.95；轉臺最大轉速nmax=0.5 r/s轉臺半徑R0=400 mm；轉臺總質量Mass=20 kg；轉臺定位精度Error=1°；工件處半徑R=386 mm；工件個數(shù)n=4個；工件質量M=1.5 kg；轉臺外部阻力矩Tr= 20 N·m。

3.5 檢測環(huán)節(jié)的節(jié)拍計算

由于生產線檢測的時間節(jié)拍為3 s，為了能達到時間上的要求，對于氣缸的時間為推進0.5 s，返回也為0.5 s?，F(xiàn)在計算至少需要的氣體流量，為供氣設計部分做好相應的設計，也為了進一步驗算方案的可行性，相應的氣缸參數(shù)由查閱資料所得。氣缸由于結構原因，推進是的受力面積將會比返回的大，在相同氣體流量時，推進時的速度將會比返回時的速度慢。所以，只要推進能滿足時間要求，返回也同樣能完成時間要求。

(1)推進時氣缸移動速度：

其中：S為氣缸的行程(mm);t為氣缸運動時間(s)。

代入公式得：v=160 mm/s

(2)氣缸最大耗氣量計算公式：

式中，Qmax為最大耗氣量(L/min)；D為缸徑(cm)；S為氣缸行程(cm)；t為氣缸一次夾緊(或松開)動作時間(sec)，(夾緊和松開的時間一般認為相等)；p為工作壓力(MPa)，工作壓力選擇1bar，即0.1 MPa。代入已知數(shù)據(jù)：

=3.008 (L/min)

(3)平均耗氣量：

雙作用氣缸耗氣量：

Q平均=2*t*Qmax/T

式中，T為循環(huán)周期(sec)

代入已知數(shù)據(jù)：

由上面的公式計算結果分析得到，氣缸的平均耗氣量小于氣缸最大的耗氣量，從而氣缸推進能滿足時間節(jié)拍的控制要求。

3.6 檢測的定位誤差計算

為了讓探頭能夠適應檢測要求，且在檢測時能夠自動的彌補定位誤差，在探頭的前端加入了一個活動塊，在探頭的后端加入了一個彈簧，并且用螺釘固定住。當工件定位有誤差時，探頭會通過自己的伸縮能力，自動適應與工件的距離。當探頭的軸線與工件接觸面不垂直時，探頭將會縮回，并且自動擺一個角度。探頭的設計如圖3所示。

圖3 探頭組件

(1)誤差分析。

步進電機步距角為0.72°，考慮齒輪間隙已經得到調整，如果步進電機丟一步的話，轉臺定位誤差則為0.18°。結合實際情況，步進電機動力傳輸出來以后要經過平鍵將動力傳遞給齒輪，再經過內外齒嚙合，帶動工作臺運動，最終綜合各類因數(shù)，將轉臺的定位精度設為0.5°。再考慮轉臺平面的定位精度，在安裝過程中要保證其水平，將誤差保證在2°以內。在更換電飯煲型號時，要對限位塊進行調整，采用的是人工手工調整，保證其徑向誤差為±1 mm。

下面對內膽傾斜時的探頭檢測部分進行分析。

圖4 內膽傾斜時探頭受力分析

探頭主要受到3個力，重量、彈力、反作用力和電纜的作用力。如果內膽不傾斜，F(xiàn)2將會與F1處以一條直線上，當傾斜一個角度時，F(xiàn)2分為水平分力F2X和垂直分力F2Y。如果此時水平和垂直方向的力已經平衡，可以看出對于重心是不能處于靜止狀態(tài)的。如果F2的作用方向經過重心則傳感器探頭將會處于平衡狀態(tài)。為了讓F2的力能使探頭向下轉動，傳感器及其組件的重心應該滿足一定的關系。由于工作臺誤差為2°，探頭的直徑為5 mm，則探頭重心到傳感器接觸測量面的距離d為：

d=2.5/tan2°=57.3mm

這也就是說如果d小于57 mm就可以讓傳感器自己轉動一個角度。這樣的話，系統(tǒng)的測量誤差就只剩下傳感器自身的測量誤差則傳感器的誤差±2 μm。如果不能保證d小于57 mm,將會帶來誤差，誤差值為2.5×tan2°=0.087 mm=87 μm。一直傳感器的長度才21 mm，且屬于頭重腳輕的地步，很容易滿足其要求。

為了滿足轉動需求，在尾端應該用相應的運動位置，其中在檢測動桿里面的長為13 mm，考慮伸長部分，取有效長度為16 mm，則位置的間隙x=16=0.559 mm。

圖5 轉角示意圖

電飯鍋半徑越小，轉臺轉角誤差帶來的誤差越大。轉臺定位精度為0.5°時，電飯煲內膽為22 mm，探頭的轉角可用SolidWorks求出，為1.32°。其中在檢測動桿里面的長為13 mm，考慮伸長部分，取有效長度為16 mm，則位置的間隙x=16 =0.369 mm。蓋板孔為R2.5滿足要求。系統(tǒng)的測量誤差為±2 μm。

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 步進電機驅動電路

步進電機一般驅動的模板是控制器發(fā)出脈沖型號和方向信號，經過環(huán)形分配器將脈沖分配到各個相，再對型號的功率進行放大，達到足以驅動步進電機轉動一個角度。單片機發(fā)出的信號功率比較微弱，不能負載做相應的動作，因此要加入功率放大電路。當單片機輸出低電平時，光電耦合器導通，進而驅動負載線圈。為了保護晶體管VT1,需要并聯(lián)一個續(xù)流二極管，在信號由高電平轉為低電平時防止晶體管被擊穿。具體連線如圖6所示。

圖6 驅動電路

4.2 數(shù)據(jù)采樣電路

系統(tǒng)檢測時傳感器輸出電壓是一個交流信號，測量出輸出電壓的幅值，就能間接求出涂層厚度。在圖7中，第一個運算放大器同相端輸入，第2個運算放大器接成跟隨器。當UK瞬間接高電平時，場效應管VF導通，電容C放電。當UK接低電平，VF截止。在二極管VD1和VD2的作用下，電容C的電壓將會是輸入電壓的正峰值，并且由跟隨器輸出。這樣就實現(xiàn)了傳感器信號的采樣。

圖7 數(shù)據(jù)采樣電路

4.3 顯示電路

為了更好的監(jiān)測檢測系統(tǒng)，更好的電飯煲涂層厚度的監(jiān)控，采用三位八段數(shù)碼管對測量數(shù)據(jù)進行顯示，并且用LED燈顯示檢測電飯煲涂層合格與不合格的狀態(tài)和系統(tǒng)的狀態(tài)。本設計采用的是軟件消抖的方法，在檢測到按鍵的信號時，延長一段時間再進行檢測，其中延長的時間應該大于抖動時間。如果兩次的檢測狀態(tài)一樣則表示信號有效，否則將判斷為無效信號，作為無按鍵按下處理。

4.4 系統(tǒng)軟件設計

在軟件運行時首先讓系統(tǒng)初始化，接著進行系統(tǒng)參數(shù)是否設置完畢然后開始檢測，上料氣缸傳感器檢測到內膽信號將其推送到工作臺的上料工位，單片機接收到上料工位發(fā)送的信號控制工作臺進行轉位到檢測工位，檢測工位的夾緊氣缸接收到信號并夾緊內膽，同時推動固定在檢測氣缸一端的傳感器進行內膽涂層厚度檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機進行數(shù)據(jù)處理，檢測完后夾緊氣缸和檢測氣缸返回原位置，單片機接收到檢測完畢信號，通過控制工作臺轉位到下料工位的下料氣缸對內膽進行下料處理。最后，判斷檢測是否完成，結束檢測。在單片機控制部分中，控制系統(tǒng)將要控制一個步進電機、上下料氣缸、一個夾緊氣缸、一個檢測氣缸、LED動態(tài)數(shù)據(jù)的顯示、16鍵的鍵盤輸入、渦流傳感器的數(shù)據(jù)采集與運算等部分。如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)程序圖

由單片機軟件編程控制電路圖9仿真驗證，該系統(tǒng)能夠較好控制各個輸入輸出模塊，結合本文的結構設計采用分度盤將部分時間重疊解決節(jié)拍問題；用可調的限位塊適應各種不同尺寸的電飯煲內膽；采用氣缸一次性帶動3個探頭進行檢測減小誤差；用浮動的探頭進行對定位誤差的補償，總體實現(xiàn)電飯煲內膽涂層厚度的在線檢測性能。

圖9 控制電路圖

5 結束語

本文采用渦流無損檢測方法對電飯煲內膽涂層厚度進行檢測，通過設計的定位夾緊工位與渦流傳感器檢測同步進行，對檢測節(jié)拍的控制做了相應的計算分析。而渦流傳感器探測內膽內薄壁的涂層厚度時，由于它們之間空隙距離的大小決定了傳感器與內膽之間的定位精度的誤差，為了修正彌補誤差，提高定位精度，將檢測探頭做了相應的設計，使它檢測時更加靈敏。設計了基于STC89C52單片機的步進電機控制上下料工位、工作臺轉位以及檢測裝置的結構設計并通過軟件編程仿真實現(xiàn)了電飯煲內膽涂層厚度的在線檢測功能。該系統(tǒng)具有結構簡單、價格低廉、運行平穩(wěn)、通用性強等特點，可廣泛用于電飯煲生產線的檢測領域，具有一定的使用價值。