金屬板厚度及平面度自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì)

1、金屬板厚度及平面度自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì)基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：B20091703）。 作者簡介：吳曉(1972-)，男，副教授，博士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、微塑性加工技術(shù)。 通訊地址：武漢市洪山區(qū)紡織路號(hào)武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，郵編：430074 E-mail: wuxiao0697, Tel 曉1，薛春娥2，何呂濤3，(1.武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430074；2.長江職業(yè)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074；3. 武漢洛特福汽車排放技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430058)摘要：利用渦流感應(yīng)技術(shù)，研發(fā)了一

2、種金屬薄板厚度及平面度檢測裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)對金屬薄板類零件厚度及平面度的在線自動(dòng)檢測，具有檢測精度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、無需對被測件精確定位等一系列優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)應(yīng)用中產(chǎn)生了很高的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：金屬薄板;厚度;平面度; 自動(dòng)檢測裝置; 渦流感應(yīng)中圖分類號(hào):TH711 Design of equipment for automatically measuring the thickness and flatness of sheet metalsWu Xiao1, Xue Chun-e2, He Lv-tao3 (1Department of Mechanical Engineering

3、 and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan 430074, 2Mechanical & Electrical College, ChangJiang Institute of Technology, Wuhan 430074; 3Wuhan Infit Intelligent Equipment Co., LTD, Wuhan 430058 )Abstract: A intelligent equipment was developed for measuring the thickness and flatness of shee

4、t metal by using eddy current induction technology. The device can automatically on-line measure the thickness and flatness of sheet metal parts, and has a series of advantages, such as high accuracy, simple structure, convenient operation and do not need the measured part to be precise located. Ver

5、y high economic benefits were created in the productive application. Keywords: Sheet metal; Thickness; Flatness; Automatic measuring equipment; Induction of eddy currents.61 引言金屬鋸片等平板類零件的厚度和平面度是重要的技術(shù)指標(biāo)，需要對其進(jìn)行精確測量和控制。近年來，人們對平面度測量技術(shù)以及測量裝置進(jìn)行了大量研究工作1-4，目前生產(chǎn)企業(yè)常采用的厚度及平面度檢測裝置主要有激光測試儀、三維座標(biāo)測試儀或千分尺5。激光式測量儀價(jià)格昂

6、貴；三維座標(biāo)測試儀操作復(fù)雜，一般無法進(jìn)行全自動(dòng)檢測，測試速度極慢，成本高，難以普及；人工測試法的人為誤差較大，而且千分尺本身測量的運(yùn)行區(qū)域有很大限制，難以對大尺寸零件中心區(qū)域進(jìn)行測量，再者人工測量只能檢測零件的厚度，不能檢測平面度6。上述的厚度及平面度檢測裝置在檢測時(shí)一般都要求被測件表面整潔，并要求具有較高精度的定位基準(zhǔn)7。本文利用渦流感應(yīng)技術(shù)，研發(fā)了一種厚度及平面度自動(dòng)檢測裝置，該裝置能有效排除被測件上水分及其它非金屬雜物的干擾，檢測時(shí)無需對被測零件進(jìn)行精確定位，操作簡單，檢測結(jié)果精準(zhǔn)。2 技術(shù)基礎(chǔ)如圖1(a)所示，高頻交流信號(hào)在線圈中產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板表面薄層，并在這薄層中產(chǎn)生渦流

7、I2，該渦流產(chǎn)生交變磁通2，并使得線圈中的磁通1發(fā)生變化而引起自感量變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。電感將隨渦流的強(qiáng)弱而變，而渦流強(qiáng)度又隨線圈與金屬板間的距離x而變化，因此可以用高頻反射式渦流傳感器來測量位移x的變化8。 (a) 渦流傳感器原理 (b)測厚示意圖圖1 渦流傳感器原理及測厚示意圖利用渦流傳感器原理測量金屬板厚度的方法如圖1(b)所示，在金屬板兩側(cè)分別設(shè)置線圈探測頭，測量上、下檢測頭到金屬板的距離x1和x2，則被測金屬板的厚度h=D-(x1+x2)。測量值不受金屬板表面平整度或移動(dòng)過程中上下波動(dòng)的影響。本文正是利用該理論來設(shè)計(jì)金屬薄板厚度及平面度檢測裝置。3 整體方案設(shè)計(jì)3.1 總體要

8、求要求檢測裝置對金屬板類零件的厚度及平面度進(jìn)行自動(dòng)在線檢測，具有非接觸測量、精度高、速度快等特點(diǎn)；機(jī)床堅(jiān)固結(jié)實(shí)，外形美觀大方，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作簡單，防護(hù)裝置齊全可靠。3.2 總體方案概述本文設(shè)計(jì)的金屬薄板厚度及平面度自動(dòng)檢測裝置主要包括有機(jī)架、送料機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)以及控制電路五大部分，如圖2所示。機(jī)架用來支撐送/出料機(jī)構(gòu)、檢測平臺(tái)以及操作顯示屏等。送/出料機(jī)構(gòu)是將被測零件輸送到檢測平臺(tái)，待檢測完畢后，又將零件從檢測平臺(tái)上移走，完成一個(gè)檢測循環(huán)。檢測機(jī)構(gòu)包括檢測平臺(tái)、探頭等，檢測平臺(tái)主要用來放置被測零件，并在檢測時(shí)以一定的速度橫向移動(dòng)，與探頭的縱向運(yùn)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)零件平面的檢測。控

9、制電路用來保證檢測裝置各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測功能。.送料機(jī)構(gòu);.檢測機(jī)構(gòu);.機(jī)架;.出料機(jī)構(gòu)圖2.檢測裝置總體方案圖4機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 送、出料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)送料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括：送料氣缸、輸入料盤、輸入料盤軸、料盤架、支座等。輸入料盤固定在料盤軸上，而料盤軸可在料盤架的導(dǎo)滑槽內(nèi)滑動(dòng)，以帶動(dòng)料盤實(shí)現(xiàn)送料動(dòng)作。送料氣缸固定在支座上，與料盤架相連，可以帶動(dòng)料盤架上下移動(dòng)。出料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與送料機(jī)構(gòu)基本相同，這里不再贅述。送、出料機(jī)構(gòu)的工作原理：將被測件放在輸入料盤上，送料氣缸帶動(dòng)料盤架及料盤上升，使被測件處于高位(高于檢測橫梁)；然后料盤軸在料盤架內(nèi)滑動(dòng)，將被測件送到檢測橫

10、梁的上方；此時(shí)，送料氣缸下降，被測件安放在檢測橫梁上進(jìn)行檢測，同時(shí)料盤軸帶動(dòng)輸入料盤向左復(fù)位，等待下一工作循環(huán)。檢測完畢后，輸出料盤移動(dòng)到被測件的下方，出料氣缸上升，通過輸出料盤托起被測件，在輸出料盤軸的帶動(dòng)下向右移動(dòng)，取走被測件，完成一個(gè)檢測循環(huán)。345627送料機(jī)構(gòu)出料機(jī)構(gòu)11 被測件； 2輸入料盤軸；3 輸入料盤 4 料盤架； 5 送料氣缸； 6 支座；7檢測橫梁圖3. 送、出料機(jī)構(gòu)示意圖4.2 檢測平臺(tái)和機(jī)架設(shè)計(jì)檢測平臺(tái)的基本機(jī)構(gòu)如圖4所示，包括檢測橫梁、檢測橫梁導(dǎo)軌、檢測平臺(tái)底座、檢測平臺(tái)導(dǎo)軌、檢測架、電機(jī)、軸方向的絲杠副、上測試探頭、下測試探頭及Y軸方向滾珠絲杠機(jī)構(gòu)。檢測平臺(tái)上沿X

11、軸方向設(shè)置有兩根平行的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上沿Y軸方向配置有兩根相互平行的檢測橫梁，兩根檢測橫梁的距離可以根據(jù)被測零件外形尺寸的大小進(jìn)行調(diào)整。檢測架上設(shè)置帶有上測試探頭的懸臂，在絲杠副的作用下帶動(dòng)上測試探頭沿X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。下測試探頭固定在檢測橫梁下方的檢測架上，上、下測試探頭分別與測量電路相連，檢測平臺(tái)底座的下面設(shè)置沿Y軸方向的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)檢測架平臺(tái)帶動(dòng)被測零件沿Y軸方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1 檢測橫梁導(dǎo)軌； 2 檢測橫梁； 3 檢測平臺(tái)底座； 4 待測鋸片； 5檢測架； 6 探頭；7電機(jī)；8 探頭絲杠副； 9 底座絲杠副； 10 檢測平臺(tái)導(dǎo)軌 圖4. 檢測平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖由于本檢測裝置的機(jī)架與機(jī)殼聯(lián)為一體

12、，考慮到使用要求、受力狀態(tài)和制造成本，該裝置的機(jī)架采用冷扎型鋼拼焊，然后經(jīng)過適當(dāng)機(jī)加工；機(jī)殼采用薄鋼板經(jīng)沖壓加工得到，將整個(gè)檢測機(jī)構(gòu)包裝起來。其上設(shè)置數(shù)字顯示屏，以便人工操作和檢測結(jié)果顯示。5控制電路設(shè)計(jì)本裝置利用渦流傳感器原理進(jìn)行非接觸式檢測，上、下測試探頭（分別位于待測零件兩側(cè)）與測量電路相連。測量電路如圖5所示，由五部分組成，即模擬量輸入板；數(shù)字量輸入板：馬達(dá)控制板； CPLD擴(kuò)展板和主控板。其中模擬量輸入板由兩路輸入通道組成，分別對應(yīng)上、下測試探頭， 選用12位精度的A/D芯片TLC2543作為釆樣芯片，測試精度可以達(dá)到1/1024mm，約1µm；數(shù)字量輸入板由20路輸入回路

13、組成，每路都由具有隔離作用的光耦和硬件濾波電路組成，并且進(jìn)入CPLD后還具有數(shù)字濾波功能，以便有效地防止設(shè)備抖動(dòng)的影響；馬達(dá)控制板控制4路步進(jìn)電機(jī)及一路伺服電機(jī)，產(chǎn)品用到了伺服電機(jī)及其中的3路步進(jìn)電機(jī)，另一路步進(jìn)電機(jī)預(yù)留，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分均由光耦隔離；CPLD擴(kuò)展板主要進(jìn)行數(shù)字電路輸入及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字運(yùn)算，LED顯示及鍵盤掃描等；主控板由LCD驅(qū)動(dòng)電路，非易失存貯器，電源，RS232及主控制芯片組成。主控芯片為C8051F系列，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。測距原理：測試探頭至被測件表面的距離影響探頭內(nèi)磁場的強(qiáng)弱程度，進(jìn)而改變探頭的輸出電壓，測量電路將輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入CPU，由CPU進(jìn)行一

14、定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，分別得到上下探頭相應(yīng)各點(diǎn)至被測件表面的距離。被測件的厚度即等于兩探頭之間的距離減去上下兩個(gè)測量距離之和；而被測件的平面度為同一面多個(gè)測試點(diǎn)（本設(shè)計(jì)使用的是196個(gè)點(diǎn)）的最大與最小距離間的差。為了測試結(jié)果盡可能地逼近真實(shí)值，上探頭的運(yùn)行軌跡為“S”字型，以使測試點(diǎn)均勻的分布于被測件表面。圖5 測量電路圖 6應(yīng)用實(shí)例該裝置已經(jīng)在某大型鋸片生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用，用于對鋸片厚度及平面度的在線檢測，圖6(a)是檢測裝置實(shí)物外形照片，外形尺寸為：長L=2310 mm，寬B=1240mm，高=1800 mm；圖6(b)是測量機(jī)構(gòu)實(shí)物照片。經(jīng)過生產(chǎn)一線的實(shí)際應(yīng)用證明，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測方便、精

15、度高、性能穩(wěn)定以及非接觸式在線自動(dòng)檢測等一系列優(yōu)點(diǎn)。7 結(jié)束語該裝置利用渦流感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)金屬薄板厚度及平面度的檢測，能有效去除被測件上的水分及其它非金屬雜物的干擾，檢測時(shí)無需對被測件進(jìn)行精確定位，并能進(jìn)行在線自動(dòng)檢測。充分利用了機(jī)電一體化技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，操作和維護(hù)方便，稍加改進(jìn)(a)(b)圖6(a)檢測裝置實(shí)物外形;(b)測量機(jī)構(gòu)實(shí)物照片就可用于其它金屬薄板外形尺寸的檢測，易于推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 Jiao Guo-Hua, Li Yu-Lin. Development of Laser Alignment System with PSD used for Shaft CalibrationJ.SPIE,2005,6150: 150H1-6150H5.2董晶晶,仲原.平面度檢測氣動(dòng)測頭的設(shè)計(jì)J. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2010,20(1):68-71. 3 王雪妮, 施展. 超精密平面度在線檢測方法研究J. 精密制造與自動(dòng)化,2009,3:22-25. 4 馬旺宇，劉棟，趙文博.