复合板材厚度在线检测系统优化设计

复合板材厚度在线检测系统优化设计

摘要:为了使复合板材厚度在线检测系统适应非平稳传动板材的测量,同时,避免测量系统对板材表面造成划痕,对板材厚度在线测量系统进行了结构优化设计研究。轴承支撑结构提高了系统结构的稳定性,滚动测头的结构减小了测头与板材表面的摩擦力及粘滞作用,保证测头在不划伤板材表面的前提下对板材进行厚度测量。对测量系统进行了大量的重复实验及生产实践,实验及生产实践表明,系统具有良好的稳定性及可靠性,系统分辨率可达到1,系统精度为10。

关键词:板材厚度在线检测结构优化设计

在板材生产制造中,板材厚度精度是保证产品质量的重要指标,板材厚度控制是板材制造领域的一项重要技术。工业上,板材厚度测量仪按照测量方式分为接触式和非接触式。目前,非接触式测量仪主要包括射线式、涡流式、激光式。射线式主要是当射线穿透被测目标时,被测物体吸收一定的射线能量,根据吸收后的射线强度和被测物体的材质,可以得到被测物体的厚度。射线式测厚仪主要用于被测物体成分一定的情况,且容易受温度影响。涡流式对测量环境要求高、测量精度容易受外界因素影响、不能测量高温物体。激光式是利用被测物体表面对激光的漫反射能量来确定被测物体的厚度,其对被测物体的表面光线反射率敏感,因此,激光式对于上下成分不确定的板材难以准确测量。对于复合板材的厚度测量,由于板材的物质组成不单一且比例不确定,上述测量方式都难以满足复合板材的测量要求。机械接触

式的工作原理是采用上下两个压头分别压在被测物体的上下两个表面,通过测量头的位移来测量被测物体的厚度,因此,机械接触式适用于测量成分不单一的板材。基于上述因素,我院曾研制过一种复合板材厚度在线检测系统,可实现复合板材的在线连续测量。但是,经过实践检验发现了一些不足,针对系统要求,对结构进行了优化设计,使测量系统适应非平稳传动板材的测量、避免板材表面出现划痕。对优化后的结构进行了大量的重复实验及生产实践,结果表明系统具有良好的稳定性及可靠性,分辨率可达到1 um,系统精度为10 um,满足板材测量要求。

1 板材厚度在线检测系统结构简介(图1)

上测头和下测头的结构相同,对称安装,工作时上、下测头的外圆重合。运动板材由上、下测头夹紧,板材在两测头间以不超过2 m/min 的速度平移。上、下测头分别固定在上、下测杆上,上、下测杆通过轴承固定在轴上,并通过轴承实现相对转动,上、下测头偏转的位移量通过上、下测杆传递到传感器测量面上,转化为传感器的位移量[1]。为了使系统适应非平稳移动板材的测量,需要对原测量系统在几个方面进行优化设计。

1.1 支撑结构的优化

由于板材在实际测量中跳动较大,原刀口支撑的开放式结构,易受

破坏,难以适应复杂的测量环境,轴支撑结构可以克服原结构中稳定不住的现象。轴和测杆之间由轴承连接,可实现轴与测杆时间的相对转动。该支撑结构加工简单,安装后力封闭,磨损小,且随动范围大。

1.2 测头结构的优化

考虑到原测头结构为测量球头,测量时与板材间为滑动摩擦,易对板材产生划痕。为了避免板材表面出现划痕,需要对测头结构进行改进。新测头选择外球面轴承来替代,外球面轴承通过阶梯型膨胀螺套固定在U型架上,由膨胀螺套的阶梯轴在轴向上对外球面轴承进行固定,通过膨胀螺套与螺丝的过盈配合减小外球面轴承的径向游隙。该结构既减小了测头与板材间的摩擦力,测头又可通过U型架的调整孔在轴向上进行调整,方便上、下测头中线重合,解决了原测头易对板材造成划痕的缺陷。

2 系统的标定实验及实践检验

为了保证系统能够实现微米级分辨率和测量精度,需要对测量系统的设计指标进行标定实验[2];并对标定后的系统进行实践检验,满足系统的测量要求。

2.1 测杆臂比值实验

由于设计结构与实际结构存在加工尺寸偏差,且在装调的过程中,不可避免的会产生零件装配累计误差,因此需要对测杆的臂比值进行

标定实验,确定板材厚度与传感器输出值之间的关系。在臂比标定实验中,因实际板材厚度测量范围在0.75～3 mm,选择厚度在0.5～3 mm 的量块作为标准件,通过量块的尺寸与传感器的示值确定臂比值。(表

1)

2.2 现场实验

根据之前的标定实验得到的系统各参数。对系统进行了板材厚度在线测量检测,得到如图2所示的测量曲线,图2中横坐标为时间轴,每一格为36秒,纵坐标为板材厚度测量值,每格为3 um。

实际应用表明,系统对于非平稳运行的复合板材的在线测量具有很高的测量精度且稳定性较好,不会对板材造成划痕。

3 结论

系统通过对测头的优化设计,减小了测头与板材表面的摩擦力及粘滞作用,保证测头在不划伤板材表面的前提下对板材进行厚度测量。通过对支撑结构的优化,保证了系统即使在板材震动等复杂的现场环境,仍能对板材进行厚度检测。对测量系统的标定实验及现场实验表明,系统分辨率可达到1 um,系统精度为10 um,且系统具有良好的稳定性,满足复合板材的在线检测要求。

参考文献

[1] 庞振基,黄其圣.精密机械设计[M].北京:机械工业出版

社,2001.

[2] 费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社,2001.