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(cè)系統(tǒng)適應(yīng)非平穩(wěn)傳動(dòng)板材的測(cè)量，同時(shí)，避免測(cè)量系統(tǒng)對(duì)板材表面造成劃痕，對(duì)板材厚度在線測(cè)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(dòng)測(cè)頭的結(jié)構(gòu)減小了測(cè)頭與板材表面的摩擦力及粘滯作用，保證測(cè)頭在不劃傷板材表面的前提下對(duì)板材進(jìn)行厚度測(cè)量。對(duì)測(cè)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(cè) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP274.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(cè)量?jī)x按照測(cè)量方式分為接觸式和非接觸式。目前，非接觸式測(cè)量?jī)x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(cè)目標(biāo)時(shí)，被測(cè)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(cè)物體的材質(zhì)，可以得到被測(cè)物體的厚度。射線式測(cè)厚儀主要用于被測(cè)物體成分一定的情況，且容易受溫度影響。渦流式對(duì)測(cè)量環(huán)境要求高、測(cè)量精度容易受外界因素影響、不能測(cè)量高溫物體。激光式是利用被測(cè)物體表面對(duì)激光的漫反射能量來(lái)確定被測(cè)物體的厚度，其對(duì)被測(cè)物體的表面光線反射率敏感，因此，激光式對(duì)于上下成分不確定的板材難以準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)于復(fù)合板材的厚度測(cè)量，由于板材的物質(zhì)組成不單一且比例不確定，上述測(cè)量方式都難以滿足復(fù)合板材的測(cè)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(cè)物體的上下兩個(gè)表面，通過(guò)測(cè)量頭的位移來(lái)測(cè)量被測(cè)物體的厚度，因此，機(jī)械接觸式適用于測(cè)量成分不單一的板材。基于上述因素，我院曾研制過(guò)一種復(fù)合板材厚度在線檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合板材的在線連續(xù)測(cè)量。但是，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一些不足，針對(duì)系統(tǒng)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使測(cè)量系統(tǒng)適應(yīng)非平穩(wěn)傳動(dòng)板材的測(cè)量、避免板材表面出現(xiàn)劃痕。對(duì)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(cè)量要求。

1 板材厚度在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介（圖1）

上測(cè)頭和下測(cè)頭的結(jié)構(gòu)相同，對(duì)稱安裝，工作時(shí)上、下測(cè)頭的外圓重合。運(yùn)動(dòng)板材由上、下測(cè)頭夾緊，板材在兩測(cè)頭間以不超過(guò)2 m/min的速度平移。上、下測(cè)頭分別固定在上、下測(cè)桿上，上、下測(cè)桿通過(guò)軸承固定在軸上，并通過(guò)軸承實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，上、下測(cè)頭偏轉(zhuǎn)的位移量通過(guò)上、下測(cè)桿傳遞到傳感器測(cè)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(dòng)板材的測(cè)量，需要對(duì)原測(cè)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(cè)量中跳動(dòng)較大，原刀口支撐的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，易受破壞，難以適應(yīng)復(fù)雜的測(cè)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(cè)桿之間由軸承連接，可實(shí)現(xiàn)軸與測(cè)桿時(shí)間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。該支撐結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，安裝后力封閉，磨損小，且隨動(dòng)范圍大。

1.2 測(cè)頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

考慮到原測(cè)頭結(jié)構(gòu)為測(cè)量球頭，測(cè)量時(shí)與板材間為滑動(dòng)摩擦，易對(duì)板材產(chǎn)生劃痕。為了避免板材表面出現(xiàn)劃痕，需要對(duì)測(cè)頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。新測(cè)頭選擇外球面軸承來(lái)替代，外球面軸承通過(guò)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(duì)外球面軸承進(jìn)行固定，通過(guò)膨脹螺套與螺絲的過(guò)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(cè)頭與板材間的摩擦力，測(cè)頭又可通過(guò)U型架的調(diào)整孔在軸向上進(jìn)行調(diào)整，方便上、下測(cè)頭中線重合，解決了原測(cè)頭易對(duì)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(jí)分辨率和測(cè)量精度，需要對(duì)測(cè)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(duì)標(biāo)定后的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，滿足系統(tǒng)的測(cè)量要求。

2.1 測(cè)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(guò)程中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生零件裝配累計(jì)誤差，因此需要對(duì)測(cè)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(cè)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(guò)量塊的尺寸與傳感器的示值確定臂比值。（表1）

2.2 現(xiàn)場(chǎng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了板材厚度在線測(cè)量檢測(cè)，得到如圖2所示的測(cè)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(cè)量值，每格為3 um。

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

3 結(jié)論

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)測(cè)頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了測(cè)頭與板材表面的摩擦力及粘滯作用，保證測(cè)頭在不劃傷板材表面的前提下對(duì)板材進(jìn)行厚度測(cè)量。通過(guò)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，保證了系統(tǒng)即使在板材震動(dòng)等復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，仍能對(duì)板材進(jìn)行厚度檢測(cè)。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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.