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差動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)在激光板厚測(cè)量中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
引言
板材的厚度是衡量板材質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。通過(guò)檢測(cè)板材的橫向、縱向厚度分布,可以進(jìn)一步獲得板材的凸度、板形信息。板材厚度的測(cè)量有多種方式,其中對(duì)于差動(dòng)式激光板厚檢測(cè)方式而言,其原理是基于激光三角測(cè)距的差動(dòng)式厚度檢測(cè)[1]。如圖1所示,系統(tǒng)由兩個(gè)激光位移傳感器構(gòu)成,計(jì)算機(jī)由傳感器獲得被測(cè)板材的上下表面位置H1和H2,通過(guò)計(jì)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(lèi)系統(tǒng)中的位移傳感器都具有一定的測(cè)量范圍限制。而且,一般情況下,傳感器的精度越高,其測(cè)量范圍越窄。因而,在實(shí)際測(cè)量中,要實(shí)現(xiàn)連續(xù)、有效地測(cè)量,必須保證測(cè)厚系統(tǒng)中的兩個(gè)激光傳感器對(duì)于被測(cè)面的相對(duì)位置處于其有效的測(cè)量范圍之內(nèi)[2]。而實(shí)際中,板帶的曲面變化以及不同厚度規(guī)格的板材,都會(huì)使被測(cè)面超出測(cè)量范圍之外。為此,需要在測(cè)量中自適應(yīng)地調(diào)節(jié)兩個(gè)激光傳感器的相對(duì)位置,適應(yīng)被測(cè)板材表面位置的變化,保證檢測(cè)的有效性。同時(shí)調(diào)節(jié)的精度要保證厚度測(cè)量的精度。
本研究中采用將光學(xué)發(fā)射、接收系統(tǒng)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(xiàn)性中點(diǎn)距離為25mm,測(cè)量范圍為2mm,分辨率達(dá)到0?1μm。頻響達(dá)到10kHz,同時(shí)分辨率可達(dá)到滿(mǎn)量程的0?005%。激光板厚測(cè)量系統(tǒng)要求厚度測(cè)量范圍為0 ~8mm,測(cè)量精度達(dá)到±0?005mm。
由以上分析,應(yīng)用該傳感器測(cè)量時(shí),必須使被測(cè)表面處于其有效測(cè)量范圍之內(nèi),即使激光傳感器到被測(cè)表面的距離處于25±1mm范圍內(nèi)。系統(tǒng)中傳感器位置調(diào)節(jié)過(guò)程。為保證精度,確定位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度需達(dá)到0?0025mm。
微位移機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高精度位置調(diào)節(jié)的方法之一[3]。微位移機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)有多種方法。其中,機(jī)械微位移機(jī)構(gòu)是一種較早出現(xiàn)的機(jī)構(gòu),在精密機(jī)械和儀器中應(yīng)用較廣,其結(jié)構(gòu)形式比較多,主要有螺旋機(jī)構(gòu)、杠桿結(jié)構(gòu)、楔塊凸輪機(jī)構(gòu)、彈性結(jié)構(gòu)以及它們的組合結(jié)構(gòu)。機(jī)械微位移機(jī)構(gòu)具有如下特點(diǎn):
(1)具有高的分辨力,能達(dá)到很高的靈敏度;
(2)能夠滿(mǎn)足調(diào)節(jié)精度; (3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1?1總體結(jié)構(gòu)
差動(dòng)式螺旋機(jī)構(gòu)是一種典型的機(jī)械式微位移機(jī)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度要求以及經(jīng)濟(jì)性的考慮。本研究采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的差動(dòng)式螺旋機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光板厚測(cè)量系統(tǒng)中傳感器位置的調(diào)節(jié)和定位。
如圖3所示,為差動(dòng)微位移機(jī)構(gòu):激光傳感器1被固定在安裝板2上,安裝板又被固聯(lián)在滑板3上,滑板可在導(dǎo)軌6上滑動(dòng)。滑動(dòng)時(shí)傳動(dòng)方式為螺旋傳動(dòng),即將步進(jìn)電機(jī)12驅(qū)動(dòng)軸輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成滑板的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。螺母7與滑板固連,螺桿9為差動(dòng)螺桿,大導(dǎo)程端與支撐板15上螺母旋合,小導(dǎo)程端與螺母7旋合,兩端螺旋旋向相反。則傳感器的運(yùn)動(dòng)可看作2個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成:即隨螺桿一起相對(duì)于15向前運(yùn)動(dòng)和相對(duì)于螺桿低導(dǎo)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(shí)際等效導(dǎo)程為兩導(dǎo)程差值。4為調(diào)整鑲條,用于調(diào)整滑板與導(dǎo)軌接觸的松緊。另外, 10為齒輪減速對(duì), 11為聯(lián)軸器,13為電機(jī)安裝架,用于安裝電機(jī)且將之托起,安裝架被固定安裝在托架14上,托架固定在導(dǎo)軌6上。制動(dòng)器16完成調(diào)節(jié)到位時(shí)的制動(dòng)鎖緊功能。重力平衡裝置17用于平衡掉一部分重力負(fù)載且可防逆轉(zhuǎn)。
圖3所示結(jié)構(gòu)為調(diào)節(jié)裝置中上、下兩部分的上部分,下部分與之對(duì)稱(chēng),安裝時(shí)保證兩傳感器初始位置相距50mm。
該種機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵是利用差動(dòng)機(jī)構(gòu),即差動(dòng)螺桿,通過(guò)差動(dòng)機(jī)構(gòu)將兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成為一個(gè)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)微調(diào)、增力、均衡或補(bǔ)償目的。調(diào)節(jié)時(shí)傳感器移動(dòng)的位移S為:
式中: P1、P2分別為差動(dòng)螺桿兩段螺旋的導(dǎo)程(單線(xiàn)程螺紋的導(dǎo)程=螺距);φ為螺桿轉(zhuǎn)角;當(dāng)旋向相同時(shí)取“-”,當(dāng)旋向相反時(shí)取“+”。
式中: p為等效導(dǎo)程。當(dāng)p減小時(shí),其靈敏度、分辨力均提高。
差動(dòng)螺旋桿由于是傳動(dòng)部件,宜采用梯形螺紋為宜,其牙形角取α=30°。且單線(xiàn)程螺紋具有良好的自鎖性,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)材料及外觀(guān)綜合因素考慮,差動(dòng)螺桿的設(shè)計(jì)主要以減小導(dǎo)程、提高靈敏度為設(shè)計(jì)選取目標(biāo)。
1?2輔助系統(tǒng)
(1)制動(dòng)鎖死機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
調(diào)節(jié)系統(tǒng)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí),必須保持其位置。為此,設(shè)計(jì)制動(dòng)鎖死機(jī)構(gòu)。如圖4所示,采用電磁摩擦離合器,當(dāng)其螺線(xiàn)線(xiàn)圈通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),磁力向右吸引銜鐵使兩摩擦錐盤(pán)分離,當(dāng)線(xiàn)圈掉電時(shí)彈簧將銜鐵向右彈開(kāi)而將內(nèi)錐盤(pán)楔入外錐盤(pán)內(nèi)。
其摩擦盤(pán)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(dòng)錐盤(pán)分離,應(yīng)使錐頂角半角α≥arctanu (u為摩擦系數(shù))。
摩擦副材料為金屬-金屬時(shí),取α≥6°~7°;皮革-金屬時(shí),取α≥12°。
本研究中選取α=15°。
材料的選取:制動(dòng)外錐盤(pán)為50Mn,制動(dòng)內(nèi)錐盤(pán)為45高頻淬火鋼。
(2)重力平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
因?yàn)楸菊{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是垂直工作的,需平衡掉相應(yīng)的重力。為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,重力平衡機(jī)構(gòu)采用兩根彈簧來(lái)平衡重力,其彈簧的原長(zhǎng)度必須經(jīng)過(guò)估計(jì)計(jì)算,并選擇合適的型號(hào):由設(shè)計(jì)可知,其滑動(dòng)部分的總質(zhì)量M約等于3kg,即負(fù)載G=Mg=30N。由于滑動(dòng)部分在滑動(dòng),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(shù)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(zhǎng)l=15+27=43 (mm)。材料為碳素彈簧鋼。
2控制系統(tǒng)及其硬件構(gòu)成
如圖5所示,為由控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)及微位移機(jī)構(gòu)所組成的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)中采用PC機(jī)作為控制器,完成人機(jī)交互,參數(shù)的輸入以及結(jié)果的顯示。并根據(jù)激光傳感器的位置狀態(tài)計(jì)算兩個(gè)傳感器的位移量。根據(jù)要求的位移量,計(jì)算出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)所需要的脈沖數(shù)并確定脈沖的方向,將其傳給運(yùn)動(dòng)控制板卡。
本系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)控制板卡采用臺(tái)灣研華公司的PCI-1240型步進(jìn)/脈沖型伺服電機(jī)控制卡,用以實(shí)現(xiàn)整個(gè)位置控制系統(tǒng)中的低層控制,包括驅(qū)動(dòng)脈沖和方向信號(hào)的輸出。PCI-1240為高速4軸運(yùn)動(dòng)PCI控制卡,專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于常規(guī)的精確運(yùn)動(dòng)。使用該卡可以簡(jiǎn)化步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制,顯著提高電機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能。本系統(tǒng)通過(guò)該板卡同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)。
系統(tǒng)采用的Kinco公司生產(chǎn)的2S42Q-03848型兩相步進(jìn)電機(jī),及2M412型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器中控制信號(hào)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(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片,具有最高可達(dá)64的細(xì)分功能,保證提供最好的運(yùn)行平穩(wěn)性能,并具有電機(jī)靜態(tài)鎖緊狀態(tài)下的自動(dòng)半流功能,可大大降低電機(jī)的發(fā)熱。步進(jìn)電機(jī)的步距角為1?8°。步進(jìn)電機(jī)在保持不失步的情況下,具有很高的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性。
3精度分析
位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中采用的差動(dòng)螺旋桿結(jié)構(gòu)參數(shù)為:螺旋桿低導(dǎo)程端螺紋的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù):導(dǎo)程P2=1?5mm;公稱(chēng)直徑d=10mm;中徑d2=9?250mm;大徑d1=10?300mm;小徑d3=10?300mm。螺旋桿高導(dǎo)程端螺紋的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù):導(dǎo)程P1=2?0mm;公稱(chēng)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(shù)知,差動(dòng)螺旋桿等效導(dǎo)程P為P=P1-P2=2?0-1?5=0?5 (mm)。
另外,已知步進(jìn)電機(jī)的步距角為1?8°。則由式
(1)可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量δ為:
可知,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度可以完全滿(mǎn)足激光板厚測(cè)量的精度要求。如果步進(jìn)電機(jī)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)的話(huà),其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精度將更高。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
