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差动微位移机构在激光板厚测量中的应用
发布时间：2017-09-01
引言
板材的厚度是衡量板材质量的重要指标之一。通过检测板材的横向、纵向厚度分布,可以进一步获得板材的凸度、板形信息。板材厚度的测量有多种方式,其中对于差动式激光板厚检测方式而言,其原理是基于激光三角测距的差动式厚度检测[1]。如图1所示,系统由两个激光位移传感器构成,计算机由传感器获得被测板材的上下表面位置H1和H2,通过计算可以得到板材的厚度H。由于激光三角法的原理决定了该类系统中的位移传感器都具有一定的测量范围限制。而且,一般情况下,传感器的精度越高,其测量范围越窄。因而,在实际测量中,要实现连续、有效地测量,必须保证测厚系统中的两个激光传感器对于被测面的相对位置处于其有效的测量范围之内[2]。而实际中,板带的曲面变化以及不同厚度规格的板材,都会使被测面超出测量范围之外。为此,需要在测量中自适应地调节两个激光传感器的相对位置,适应被测板材表面位置的变化,保证检测的有效性。同时调节的精度要保证厚度测量的精度。
本研究中采用将光学发射、接收系统集成在一起的集成化的激光三角法位移传感器,传感器采用最新的CCD元件,传感器线性中点距离为25mm,测量范围为2mm,分辨率达到0・1μm。频响达到10kHz,同时分辨率可达到满量程的0・005%。激光板厚测量系统要求厚度测量范围为0 ~8mm,测量精度达到±0・005mm。
由以上分析,应用该传感器测量时,必须使被测表面处于其有效测量范围之内,即使激光传感器到被测表面的距离处于25±1mm范围内。系统中传感器位置调节过程。为保证精度,确定位置调节结构的调节精度需达到0・0025mm。
微位移机构是实现高精度位置调节的方法之一[3]。微位移机构的实现有多种方法。其中,机械微位移机构是一种较早出现的机构,在精密机械和仪器中应用较广,其结构形式比较多,主要有螺旋机构、杠杆结构、楔块凸轮机构、弹性结构以及它们的组合结构。机械微位移机构具有如下特点:
(1)具有高的分辨力,能达到很高的灵敏度;
(2)能够满足调节精度; (3)结构简单,性能可靠。
1系统结构
1・1总体结构
差动式螺旋机构是一种典型的机械式微位移机构。根据系统调节精度要求以及经济性的考虑。本研究采用步进电机驱动的差动式螺旋机构来实现激光板厚测量系统中传感器位置的调节和定位。
如图3所示,为差动微位移机构:激光传感器1被固定在安装板2上,安装板又被固联在滑板3上,滑板可在导轨6上滑动。滑动时传动方式为螺旋传动,即将步进电机12驱动轴输出的旋转运动转化成滑板的直线运动。螺母7与滑板固连,螺杆9为差动螺杆,大导程端与支撑板15上螺母旋合,小导程端与螺母7旋合,两端螺旋旋向相反。则传感器的运动可看作2个运动的合成:即随螺杆一起相对于15向前运动和相对于螺杆低导程端向后旋,前旋与后旋的位移不相等,差值就是微位移值。其实际等效导程为两导程差值。4为调整镶条,用于调整滑板与导轨接触的松紧。另外, 10为齿轮减速对, 11为联轴器,13为电机安装架,用于安装电机且将之托起,安装架被固定安装在托架14上,托架固定在导轨6上。制动器16完成调节到位时的制动锁紧功能。重力平衡装置17用于平衡掉一部分重力负载且可防逆转。
图3所示结构为调节装置中上、下两部分的上部分,下部分与之对称,安装时保证两传感器初始位置相距50mm。
该种机构中的关键是利用差动机构,即差动螺杆,通过差动机构将两个运动合成为一个运动以实现微调、增力、均衡或补偿目的。调节时传感器移动的位移S为:
式中: P1、P2分别为差动螺杆两段螺旋的导程(单线程螺纹的导程=螺距);φ为螺杆转角;当旋向相同时取“-”,当旋向相反时取“+”。
式中: p为等效导程。当p减小时,其灵敏度、分辨力均提高。
差动螺旋杆由于是传动部件,宜采用梯形螺纹为宜,其牙形角取α=30°。且单线程螺纹具有良好的自锁性,通过标准材料及外观综合因素考虑,差动螺杆的设计主要以减小导程、提高灵敏度为设计选取目标。
1・2辅助系统
(1)制动锁死机构的设计
调节系统到达目标位置时,必须保持其位置。为此,设计制动锁死机构。如图4所示,采用电磁摩擦离合器,当其螺线线圈通电时产生磁场,磁力向右吸引衔铁使两摩擦锥盘分离,当线圈掉电时弹簧将衔铁向右弹开而将内锥盘楔入外锥盘内。
其摩擦盘采用圆锥型,主要利用了楔形增压原理,为便于离合器两制动锥盘分离,应使锥顶角半角α≥arctanu (u为摩擦系数)。
摩擦副材料为金属-金属时,取α≥6°~7°;皮革-金属时,取α≥12°。
本研究中选取α=15°。
材料的选取:制动外锥盘为50Mn,制动内锥盘为45高频淬火钢。
(2)重力平衡机构的设计
因为本调节机构是垂直工作的,需平衡掉相应的重力。为使系统结构更简单,重力平衡机构采用两根弹簧来平衡重力,其弹簧的原长度必须经过估计计算,并选择合适的型号:由设计可知,其滑动部分的总质量M约等于3kg,即负载G=Mg=30N。由于滑动部分在滑动,则弹簧的平衡力必然围绕G作变化,为使此变化较小,选择弹性系数K值较小的弹簧。取K=1kN/m =1N/mm。弹簧压缩量Δl=G /2k=15mm。则弹簧原长l=15+27=43 (mm)。材料为碳素弹簧钢。
2控制系统及其硬件构成
如图5所示,为由控制计算机、运动控制卡、驱动器、步进电机及微位移机构所组成的控制系统。本系统中采用PC机作为控制器,完成人机交互,参数的输入以及结果的显示。并根据激光传感器的位置状态计算两个传感器的位移量。根据要求的位移量,计算出驱动步进电机所需要的脉冲数并确定脉冲的方向,将其传给运动控制板卡。
本系统中运动控制板卡采用台湾研华公司的PCI-1240型步进/脉冲型伺服电机控制卡,用以实现整个位置控制系统中的低层控制,包括驱动脉冲和方向信号的输出。PCI-1240为高速4轴运动PCI控制卡,专门应用于常规的精确运动。使用该卡可以简化步进运动控制,显著提高电机的运动性能。本系统通过该板卡同时驱动2个步进电机。
系统采用的Kinco公司生产的2S42Q-03848型两相步进电机,及2M412型两相混合式步进电机细分驱动器。该驱动器中控制信号的输入电路采用光耦器件隔离,降低了外部噪声的干扰,采用专用驱动芯片,具有最高可达64的细分功能,保证提供最好的运行平稳性能,并具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能,可大大降低电机的发热。步进电机的步距角为1・8°。步进电机在保持不失步的情况下,具有很高的运动准确性。
3精度分析
位置调节机构中采用的差动螺旋杆结构参数为:螺旋杆低导程端螺纹的结构尺寸参数:导程P2=1・5mm;公称直径d=10mm;中径d2=9・250mm;大径d1=10・300mm;小径d3=10・300mm。螺旋杆高导程端螺纹的结构尺寸参数:导程P1=2・0mm;公称直径d=12mm;中径d2=11・000mm;大径d1=12・500mm;小径d3=9・500mm。且两段螺旋的旋向相同。
由选定的参数知,差动螺旋杆等效导程P为P=P1-P2=2・0-1・5=0・5 (mm)。
另外,已知步进电机的步距角为1・8°。则由式
(1)可计算出驱动系统的脉冲当量δ为:
可知,调节机构的调节精度可以完全满足激光板厚测量的精度要求。如果步进电机采用细分驱动的话,其调节系统的精度将更高。
摘自：中国计量测控网
