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差動微位移機構在激光板厚測量中的應用
發布時間：2017-09-01
引言
板材的厚度是衡量板材質量的重要指標之一。通過檢測板材的橫向、縱向厚度分布,可以進一步獲得板材的凸度、板形信息。板材厚度的測量有多種方式,其中對于差動式激光板厚檢測方式而言,其原理是基于激光三角測距的差動式厚度檢測[1]。如圖1所示,系統由兩個激光位移傳感器構成,計算機由傳感器獲得被測板材的上下表面位置H1和H2,通過計算可以得到板材的厚度H。由于激光三角法的原理決定了該類系統中的位移傳感器都具有一定的測量范圍限制。而且,一般情況下,傳感器的精度越高,其測量范圍越窄。因而,在實際測量中,要實現連續、有效地測量,必須保證測厚系統中的兩個激光傳感器對于被測面的相對位置處于其有效的測量范圍之內[2]。而實際中,板帶的曲面變化以及不同厚度規格的板材,都會使被測面超出測量范圍之外。為此,需要在測量中自適應地調節兩個激光傳感器的相對位置,適應被測板材表面位置的變化,保證檢測的有效性。同時調節的精度要保證厚度測量的精度。
本研究中采用將光學發射、接收系統集成在一起的集成化的激光三角法位移傳感器,傳感器采用最新的CCD元件,傳感器線性中點距離為25mm,測量范圍為2mm,分辨率達到0?1μm。頻響達到10kHz,同時分辨率可達到滿量程的0?005%。激光板厚測量系統要求厚度測量范圍為0 ~8mm,測量精度達到±0?005mm。
由以上分析,應用該傳感器測量時,必須使被測表面處于其有效測量范圍之內,即使激光傳感器到被測表面的距離處于25±1mm范圍內。系統中傳感器位置調節過程。為保證精度,確定位置調節結構的調節精度需達到0?0025mm。
微位移機構是實現高精度位置調節的方法之一[3]。微位移機構的實現有多種方法。其中,機械微位移機構是一種較早出現的機構,在精密機械和儀器中應用較廣,其結構形式比較多,主要有螺旋機構、杠桿結構、楔塊凸輪機構、彈性結構以及它們的組合結構。機械微位移機構具有如下特點:
(1)具有高的分辨力,能達到很高的靈敏度;
(2)能夠滿足調節精度; (3)結構簡單,性能可靠。
1系統結構
1?1總體結構
差動式螺旋機構是一種典型的機械式微位移機構。根據系統調節精度要求以及經濟性的考慮。本研究采用步進電機驅動的差動式螺旋機構來實現激光板厚測量系統中傳感器位置的調節和定位。
如圖3所示,為差動微位移機構:激光傳感器1被固定在安裝板2上,安裝板又被固聯在滑板3上,滑板可在導軌6上滑動。滑動時傳動方式為螺旋傳動,即將步進電機12驅動軸輸出的旋轉運動轉化成滑板的直線運動。螺母7與滑板固連,螺桿9為差動螺桿,大導程端與支撐板15上螺母旋合,小導程端與螺母7旋合,兩端螺旋旋向相反。則傳感器的運動可看作2個運動的合成:即隨螺桿一起相對于15向前運動和相對于螺桿低導程端向后旋,前旋與后旋的位移不相等,差值就是微位移值。其實際等效導程為兩導程差值。4為調整鑲條,用于調整滑板與導軌接觸的松緊。另外, 10為齒輪減速對, 11為聯軸器,13為電機安裝架,用于安裝電機且將之托起,安裝架被固定安裝在托架14上,托架固定在導軌6上。制動器16完成調節到位時的制動鎖緊功能。重力平衡裝置17用于平衡掉一部分重力負載且可防逆轉。
圖3所示結構為調節裝置中上、下兩部分的上部分,下部分與之對稱,安裝時保證兩傳感器初始位置相距50mm。
該種機構中的關鍵是利用差動機構,即差動螺桿,通過差動機構將兩個運動合成為一個運動以實現微調、增力、均衡或補償目的。調節時傳感器移動的位移S為:
式中: P1、P2分別為差動螺桿兩段螺旋的導程(單線程螺紋的導程=螺距);φ為螺桿轉角;當旋向相同時取“-”,當旋向相反時取“+”。
式中: p為等效導程。當p減小時,其靈敏度、分辨力均提高。
差動螺旋桿由于是傳動部件,宜采用梯形螺紋為宜,其牙形角取α=30°。且單線程螺紋具有良好的自鎖性,通過標準材料及外觀綜合因素考慮,差動螺桿的設計主要以減小導程、提高靈敏度為設計選取目標。
1?2輔助系統
(1)制動鎖死機構的設計
調節系統到達目標位置時,必須保持其位置。為此,設計制動鎖死機構。如圖4所示,采用電磁摩擦離合器,當其螺線線圈通電時產生磁場,磁力向右吸引銜鐵使兩摩擦錐盤分離,當線圈掉電時彈簧將銜鐵向右彈開而將內錐盤楔入外錐盤內。
其摩擦盤采用圓錐型,主要利用了楔形增壓原理,為便于離合器兩制動錐盤分離,應使錐頂角半角α≥arctanu (u為摩擦系數)。
摩擦副材料為金屬-金屬時,取α≥6°~7°;皮革-金屬時,取α≥12°。
本研究中選取α=15°。
材料的選取:制動外錐盤為50Mn,制動內錐盤為45高頻淬火鋼。
(2)重力平衡機構的設計
因為本調節機構是垂直工作的,需平衡掉相應的重力。為使系統結構更簡單,重力平衡機構采用兩根彈簧來平衡重力,其彈簧的原長度必須經過估計計算,并選擇合適的型號:由設計可知,其滑動部分的總質量M約等于3kg,即負載G=Mg=30N。由于滑動部分在滑動,則彈簧的平衡力必然圍繞G作變化,為使此變化較小,選擇彈性系數K值較小的彈簧。取K=1kN/m =1N/mm。彈簧壓縮量Δl=G /2k=15mm。則彈簧原長l=15+27=43 (mm)。材料為碳素彈簧鋼。
2控制系統及其硬件構成
如圖5所示,為由控制計算機、運動控制卡、驅動器、步進電機及微位移機構所組成的控制系統。本系統中采用PC機作為控制器,完成人機交互,參數的輸入以及結果的顯示。并根據激光傳感器的位置狀態計算兩個傳感器的位移量。根據要求的位移量,計算出驅動步進電機所需要的脈沖數并確定脈沖的方向,將其傳給運動控制板卡。
本系統中運動控制板卡采用臺灣研華公司的PCI-1240型步進/脈沖型伺服電機控制卡,用以實現整個位置控制系統中的低層控制,包括驅動脈沖和方向信號的輸出。PCI-1240為高速4軸運動PCI控制卡,專門應用于常規的精確運動。使用該卡可以簡化步進運動控制,顯著提高電機的運動性能。本系統通過該板卡同時驅動2個步進電機。
系統采用的Kinco公司生產的2S42Q-03848型兩相步進電機,及2M412型兩相混合式步進電機細分驅動器。該驅動器中控制信號的輸入電路采用光耦器件隔離,降低了外部噪聲的干擾,采用專用驅動芯片,具有最高可達64的細分功能,保證提供最好的運行平穩性能,并具有電機靜態鎖緊狀態下的自動半流功能,可大大降低電機的發熱。步進電機的步距角為1?8°。步進電機在保持不失步的情況下,具有很高的運動準確性。
3精度分析
位置調節機構中采用的差動螺旋桿結構參數為:螺旋桿低導程端螺紋的結構尺寸參數:導程P2=1?5mm;公稱直徑d=10mm;中徑d2=9?250mm;大徑d1=10?300mm;小徑d3=10?300mm。螺旋桿高導程端螺紋的結構尺寸參數:導程P1=2?0mm;公稱直徑d=12mm;中徑d2=11?000mm;大徑d1=12?500mm;小徑d3=9?500mm。且兩段螺旋的旋向相同。
由選定的參數知,差動螺旋桿等效導程P為P=P1-P2=2?0-1?5=0?5 (mm)。
另外,已知步進電機的步距角為1?8°。則由式
(1)可計算出驅動系統的脈沖當量δ為:
可知,調節機構的調節精度可以完全滿足激光板厚測量的精度要求。如果步進電機采用細分驅動的話,其調節系統的精度將更高。
摘自：中國計量測控網
