吳 曉，薛春娥，何呂濤

(1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074；2.長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，武漢 430074；3.武漢洛特福汽車排放技術(shù)有限公司，武漢 430058)

0 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(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量和控制。近年來，人們對(duì)平面度測(cè)量技術(shù)以及測(cè)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(cè)裝置主要有激光測(cè)試儀、三維座標(biāo)測(cè)試儀或千分尺[5]。激光式測(cè)量?jī)x價(jià)格昂貴；三維座標(biāo)測(cè)試儀操作復(fù)雜，一般無法進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)，測(cè)試速度極慢，成本高，難以普及；人工測(cè)試法的人為誤差較大，而且千分尺本身測(cè)量的運(yùn)行區(qū)域有很大限制，難以對(duì)大尺寸零件中心區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，再者人工測(cè)量只能檢測(cè)零件的厚度，不能檢測(cè)平面度[6]。上述的厚度及平面度檢測(cè)裝置在檢測(cè)時(shí)一般都要求被測(cè)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(cè)裝置，該裝置能有效排除被測(cè)件上水分及其它非金屬雜物的干擾，檢測(cè)時(shí)無需對(duì)被測(cè)零件進(jìn)行精確定位，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)。

1 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(chǎng)作用于金屬板表面薄層，并在這薄層中產(chǎn)生渦流I2，該渦流產(chǎn)生交變磁通Ф2，并使得線圈中的磁通Ф1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(shì)。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(cè)量位移x的變化[8]。

圖1 渦流傳感器原理及測(cè)厚示意圖

利用渦流傳感器原理測(cè)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(cè)頭，測(cè)量上、下檢測(cè)頭到金屬板的距離x1和x2，則被測(cè)金屬板的厚度h=D-(x1+x2)。測(cè)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(cè)裝置。

2 整體方案設(shè)計(jì)

2.1 總體要求

要求檢測(cè)裝置對(duì)金屬板類零件的厚度及平面度進(jìn)行自動(dòng)在線檢測(cè)，具有非接觸測(cè)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(jiǎn)單，防護(hù)裝置齊全可靠。

2.2 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(cè)裝置主要包括有機(jī)架、送料機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)、檢測(cè)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(cè)平臺(tái)以及操作顯示屏等。送/出料機(jī)構(gòu)是將被測(cè)零件輸送到檢測(cè)平臺(tái)，待檢測(cè)完畢后，又將零件從檢測(cè)平臺(tái)上移走，完成一個(gè)檢測(cè)循環(huán)。檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括檢測(cè)平臺(tái)、探頭等，檢測(cè)平臺(tái)主要用來放置被測(cè)零件，并在檢測(cè)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(duì)整個(gè)零件平面的檢測(cè)?？刂齐娐酚脕肀ＷC檢測(cè)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(cè)功能。

圖2 檢測(cè)裝置總體方案圖

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 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(cè)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(cè)件處于高位(高于檢測(cè)橫梁)；然后料盤軸在料盤架內(nèi)滑動(dòng)，將被測(cè)件送到檢測(cè)橫梁的上方；此時(shí)，送料氣缸下降，被測(cè)件安放在檢測(cè)橫梁上進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)完畢后，輸出料盤移動(dòng)到被測(cè)件的下方，出料氣缸上升，通過輸出料盤托起被測(cè)件，在輸出料盤軸的帶動(dòng)下向右移動(dòng)，取走被測(cè)件，完成一個(gè)檢測(cè)循環(huán)。

圖3 送、出料機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 檢測(cè)平臺(tái)和機(jī)架設(shè)計(jì)

檢測(cè)平臺(tái)的基本機(jī)構(gòu)如圖4所示，包括檢測(cè)橫梁、檢測(cè)橫梁導(dǎo)軌、檢測(cè)平臺(tái)底座、檢測(cè)平臺(tái)導(dǎo)軌、檢測(cè)架、電機(jī)、X軸方向的絲杠副、上測(cè)試探頭、下測(cè)試探頭及Y軸方向滾珠絲杠機(jī)構(gòu)。檢測(cè)平臺(tái)上沿X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(cè)橫梁，兩根檢測(cè)橫梁的距離可以根據(jù)被測(cè)零件外形尺寸的大小進(jìn)行調(diào)整。檢測(cè)架上設(shè)置帶有上測(cè)試探頭的懸臂，在絲杠副的作用下帶動(dòng)上測(cè)試探頭沿X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。下測(cè)試探頭固定在檢測(cè)橫梁下方的檢測(cè)架上，上、下測(cè)試探頭分別與測(cè)量電路相連，檢測(cè)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(cè)架平臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)零件沿Y軸方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖4 檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

由于本檢測(cè)裝置的機(jī)架與機(jī)殼聯(lián)為一體，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(cè)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(cè)結(jié)果顯示。

4 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(cè)，上、下測(cè)試探頭（分別位于待測(cè)零件兩側(cè)）與測(cè)量電路相連。測(cè)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(duì)應(yīng)上、下測(cè)試探頭， 選用12位精度的A/D芯片TLC2543作為采樣芯片，測(cè)試精度可以達(dá)到1/1024mm，約1 m；數(shù)字量輸入板由20路輸入回路組成，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。

圖5 測(cè)量電路圖

測(cè)距原理：測(cè)試探頭至被測(cè)件表面的距離影響探頭內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱程度，進(jìn)而改變探頭的輸出電壓，測(cè)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(cè)件表面的距離。被測(cè)件的厚度即等于兩探頭之間的距離減去上下兩個(gè)測(cè)量距離之和；而被測(cè)件的平面度為同一面多個(gè)測(cè)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(cè)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(cè)試點(diǎn)均勻的分布于被測(cè)件表面。

5 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(duì)鋸片厚度及平面度的在線檢測(cè)，圖6是檢測(cè)裝置實(shí)物外形照片，外形尺寸為：長(zhǎng)L=2310 mm，寬B=1240mm，高H=1800mm；圖7是測(cè)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(jiǎn)單、檢測(cè)方便、精度高、性能穩(wěn)定以及非接觸式在線自動(dòng)檢測(cè)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

圖6 檢測(cè)裝置實(shí)物外形 圖7 測(cè)量機(jī)構(gòu)實(shí)物照片

6 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(cè)，能有效去除被測(cè)件上的水分及其它非金屬雜物的干擾，檢測(cè)時(shí)無需對(duì)被測(cè)件進(jìn)行精確定位，并能進(jìn)行在線自動(dòng)檢測(cè)。充分利用了機(jī)電一體化技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作和維護(hù)方便，稍加改進(jìn)就可用于其它金屬薄板外形尺寸的檢測(cè)，易于推廣應(yīng)用。

[1] Jiao Guo-Hua, Li Yu-Lin. Development of Laser Alignment System with PSD used for Shaft Calibration[J].SPIE,2005,6150: 150H1-6150H5.

[2] 董晶晶,仲原.平面度檢測(cè)氣動(dòng)測(cè)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(cè)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.應(yīng)用于鋼軌檢測(cè)的便攜式渦流探傷儀的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010,(2):88-90.

[5] 楊文志,景洪偉,曹學(xué)東,等.激光平面度儀的研究[J].紅外與激光工程,2008,37:144-146.

[6] 劉麗華,張琢,張善鍾.幾種大平面平面度測(cè)量方法比較[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),1998,18(6):39-42.

[7] 王玉霞,馮栓良,李全勝,等.平板類零件平面度平行度的測(cè)量[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2010,6:25-29.

[8] 陽鑫.基于PSD的鋼板測(cè)厚系統(tǒng)研究[D].天津:天津大學(xué),2009.