冷端應(yīng)力、厚度在線測(cè)量系統(tǒng)

續(xù)芯如 陳兆民 馮建業(yè) 陳福

（1.秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001；2.河北省玻璃節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新中心 秦皇島 066001；3.河北省企業(yè)技術(shù)中心 秦皇島 066001）

0 引言

平板玻璃的生產(chǎn)需要對(duì)原料的熔化、澄清、冷卻、成形、退火、裁切等的全過(guò)程進(jìn)行生產(chǎn)控制。為保證成品玻璃的質(zhì)量，實(shí)時(shí)獲取從退火窯拉引出來(lái)的玻璃的厚度和應(yīng)力數(shù)值，并快速反饋至生產(chǎn)控制系統(tǒng)使其能針對(duì)性地調(diào)整玻璃成形工藝，生產(chǎn)線冷端玻璃應(yīng)力和厚度的在線檢測(cè)非常必要。

為了保證玻璃使用時(shí)的安全，其殘余內(nèi)應(yīng)力和厚度偏差要控制在合理范圍內(nèi)。基于此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了玻璃生產(chǎn)線冷端玻璃應(yīng)力與厚度在線檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。

1 冷端應(yīng)力與厚度在線測(cè)量系統(tǒng)組成及功能分析

玻璃生產(chǎn)線冷端應(yīng)力與厚度在線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種連續(xù)自動(dòng)測(cè)量玻璃厚度、應(yīng)力及其分布的方法，該測(cè)量系統(tǒng)是一種無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由應(yīng)力監(jiān)測(cè)單元，厚度檢測(cè)單元，傳動(dòng)單元，控制單元組成。

利用Senarmont法測(cè)量應(yīng)力，數(shù)據(jù)反饋給退火窯，便于快速調(diào)整參數(shù)，減少玻璃炸裂帶來(lái)的成品率下降。厚度測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給錫槽成形控制單元，能夠快速調(diào)整成形參數(shù)，以減少不符合厚度要求產(chǎn)品，提升成品率，提高生產(chǎn)效率。智能綜合處理系統(tǒng)將各類(lèi)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)骄C合處理系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算驗(yàn)證、對(duì)比，并將數(shù)據(jù)傳輸反饋給成形、退火工段，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整，同時(shí)將穩(wěn)定生產(chǎn)的厚度、應(yīng)力、板寬、速度、溫度等信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)整單元傳輸?shù)街醒肟刂剖?，并在中控室進(jìn)行顯示，以調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，滿(mǎn)足其整體性參數(shù)控制要求。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 應(yīng)力、厚度在線測(cè)量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

測(cè)量裝備距離退火窯出口0.5～2 m，既能盡快反應(yīng)厚度數(shù)據(jù)，又能使裝置附近的溫度不至于過(guò)高，影響測(cè)量裝置的精度，同時(shí)測(cè)量支架還需要有一定的強(qiáng)度和小的彎曲度，保證應(yīng)力和厚度測(cè)量裝置的水平，使測(cè)量裝置和玻璃帶處于平行狀態(tài)，減少裝置對(duì)測(cè)量的影響。

2 工作原理

2.1 在線應(yīng)力測(cè)量原理

玻璃板在退火時(shí)由于溫度差異會(huì)存在應(yīng)力，設(shè)置與檢測(cè)光源一致的參考光源，通過(guò)測(cè)定透射一定厚度玻璃帶的單色光束偏振面的旋轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃應(yīng)力的測(cè)量。將測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)處理后，獲得測(cè)量信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位差，將相位差轉(zhuǎn)化為電壓值，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換，所采集的值由顯示器和數(shù)字表顯示，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中，這就是所要測(cè)量玻璃的綜合應(yīng)力。在冷卻區(qū)板寬方向上存在著溫度差，這一溫差使玻璃產(chǎn)生暫時(shí)應(yīng)力。使用高分辨率快速反應(yīng)的紅外測(cè)溫儀連續(xù)測(cè)出板寬方向上的溫度變化，根據(jù)熱彈性原理即可計(jì)算出玻璃的暫時(shí)熱應(yīng)力。將測(cè)得的數(shù)據(jù)反饋給退火窯，調(diào)整參數(shù)，減少玻璃炸裂。應(yīng)力值顯示可分為數(shù)字表數(shù)字顯示和計(jì)算機(jī)屏幕曲線顯示。應(yīng)力測(cè)量原理見(jiàn)圖2。

圖2 應(yīng)力測(cè)量原理

2.2 厚度測(cè)量原理

彩色共焦位移傳感器發(fā)射一束白光，經(jīng)過(guò)光筆上的棱鏡，生成沿著Z軸連續(xù)的不同顏色的單色光，其中一個(gè)特定波長(zhǎng)的單色光聚焦在物體表面，這束單色光通過(guò)針孔濾波光譜儀反射回傳感器，分析這束光的波長(zhǎng)，從而計(jì)算目標(biāo)所在的位置，如圖3所示。

圖3 厚度測(cè)量原理

彩色共焦成像基于兩個(gè)原則：共焦成像，光軸的色差編碼。

（1）共焦裝置是光學(xué)系統(tǒng)在物體表面生成點(diǎn)源S的像S'的一種光學(xué)裝置。背散射的光由相同的光學(xué)系統(tǒng)收集，將光斑成像在一個(gè)針孔S''上。針孔被放置在光電探測(cè)器的前面。它過(guò)濾能到達(dá)光電探測(cè)器的光線，因此也被稱(chēng)為“空間過(guò)濾器”。共焦裝置的特點(diǎn)是具有特殊的信噪比。對(duì)于CCI，光學(xué)系統(tǒng)是彩色光筆，光電探測(cè)器是分光計(jì)。

（2）光軸的色差編碼意味著光學(xué)系統(tǒng)具有軸向色差：每個(gè)波長(zhǎng)沿著該軸聚焦在不同的點(diǎn)上。假設(shè)一個(gè)樣品存在于色差編碼范圍內(nèi)，使得波長(zhǎng)l0聚焦在它的表面上。當(dāng)反射（或背散射）光束到達(dá)針孔平面時(shí)，波長(zhǎng)上的光線聚焦在針孔上，穿過(guò)針孔到達(dá)分光計(jì)的敏感區(qū)。其他波長(zhǎng)被成像為大斑點(diǎn)，因此被針孔阻擋。光譜儀通過(guò)識(shí)別波長(zhǎng)l0來(lái)“解碼”樣品位置。

該系統(tǒng)跟隨傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的平板玻璃上方做定時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。厚度測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給錫槽成形，快速調(diào)整成形參數(shù)，減少不符合厚度要求產(chǎn)品，提升成品率，提高生產(chǎn)效率。玻璃厚度及參數(shù)可在計(jì)算機(jī)屏幕曲線顯示。

3 冷端應(yīng)力與厚度測(cè)量對(duì)玻璃質(zhì)量的影響

3.1 應(yīng)力對(duì)玻璃質(zhì)量的影響

玻璃的強(qiáng)度受到玻璃應(yīng)力的直接影響，如：以熱鋼化或化學(xué)鋼化增加玻璃的表面壓應(yīng)力，從而使玻璃的強(qiáng)度增加。但熱應(yīng)力過(guò)大引起玻璃的熱炸裂；玻璃受到機(jī)械沖擊力或撞擊力而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力過(guò)大使玻璃受擊破裂；玻璃內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致玻璃自爆。玻璃的應(yīng)力與強(qiáng)度有著密不可分的關(guān)系。

①平面應(yīng)力：由退火窯橫向溫度不均引起，各種在線應(yīng)力儀均可測(cè)出。其大小與玻璃帶降溫速度（退火窯長(zhǎng)度）無(wú)關(guān)，僅取決于玻璃板橫向溫度分布。平面應(yīng)力對(duì)玻璃帶掰斷、掰邊影響很大。掰斷去邊之后，平面應(yīng)力大部分消失，對(duì)玻璃進(jìn)一步加工影響很小。相對(duì)于厚玻璃而言，由平面應(yīng)力引起的主要問(wèn)題是多缺角以及劈邊、白渣等。

②厚度應(yīng)力：即端面應(yīng)力，由玻璃表面與板芯在冷卻時(shí)產(chǎn)生的溫度差引起。其大小由退火窯長(zhǎng)度決定，在退火窯長(zhǎng)度一定時(shí)，各區(qū)的進(jìn)出口溫度即冷卻速度直接決定了應(yīng)力的大小。厚度應(yīng)力不但對(duì)玻璃一次生產(chǎn)有影響，而且對(duì)后續(xù)深加工也有很大影響，是玻璃產(chǎn)品出廠質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。厚度應(yīng)力對(duì)厚玻璃生產(chǎn)的影響主要是糖狀物；對(duì)深加工的影響主要有不易切割、鋼化炸爐等。

3.2 厚度測(cè)量對(duì)玻璃質(zhì)量的影響

傳統(tǒng)應(yīng)力與厚度測(cè)量是采用人工測(cè)量的方式，該方法會(huì)由于人為因素造成測(cè)量偏差，無(wú)法固化控制制度，不僅費(fèi)用高，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力?，F(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)力常用的補(bǔ)償法需要測(cè)量偏振旋轉(zhuǎn)角度或補(bǔ)償器移動(dòng)距離，可靠性差、測(cè)量精度低。厚度采用玻璃徹底冷卻后再檢測(cè)的方法，導(dǎo)致玻璃厚度測(cè)量反饋信號(hào)滯后玻璃厚度控制系統(tǒng)至少40 min甚至更長(zhǎng)時(shí)間，造成生產(chǎn)損失。

3.3 冷端應(yīng)力與厚度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比

應(yīng)力測(cè)量范圍：±90°應(yīng)力角，玻璃帶最大板速1000 m/h，測(cè)量其原板寬3850 mm，玻璃厚度：1.0 mm，玻璃表面溫度90 ℃左右，玻璃綜合應(yīng)力范圍為±4 MPa，產(chǎn)品應(yīng)力指標(biāo)符合平板玻璃標(biāo)準(zhǔn)要求。

厚度測(cè)量范圍：0.2～19 mm，測(cè)量精度：±0.03 mm，玻璃原板寬度范圍：1000～5200 mm，某電子玻璃生產(chǎn)線實(shí)際測(cè)量厚度1.1 mm，測(cè)量精度±0.015 mm，滿(mǎn)足平板玻璃檢測(cè)要求。不同厚度應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)用前后應(yīng)力厚度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

冷端應(yīng)力與厚度測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用更好地為玻璃生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能減排工作提供新的技術(shù)支撐，減少了生產(chǎn)損失，提升了玻璃成品率。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和調(diào)整的智能化，為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本，對(duì)企業(yè)的自動(dòng)化和精細(xì)化管理能力均有提升，技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，設(shè)備運(yùn)行安全可靠。對(duì)優(yōu)化平板玻璃產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)浮法玻璃、太陽(yáng)能光伏玻璃、硼硅玻璃行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。