馮義浩+等

摘 要：介紹了可在管材擠出線上測(cè)量管材壁厚的裝置。該裝置具有1套Х射線成像裝置、1套光學(xué)外徑測(cè)量裝置和1套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。其中，Х射線成像裝置包含Х射線管和Х射線圖像傳感器；光學(xué)外徑測(cè)量裝置包含可見(jiàn)光源、光學(xué)準(zhǔn)直器和光學(xué)圖成像傳感器；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包含伺服系統(tǒng)和齒輪傳動(dòng)裝置。整套裝置可直接測(cè)量管材壁最薄處的厚度和位置，有助于快速定位和糾正管材的偏心問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：Х射線圖像傳感器；光學(xué)圖像傳感器；伺服系統(tǒng)；偏心度

中圖分類號(hào)：TH878.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.014

在汽車、化工等很多行業(yè)，都要用到橡膠或塑料管材。這些材料可通過(guò)以下方法生產(chǎn)：固態(tài)的原材料在擠出機(jī)的螺桿推送下進(jìn)入螺筒，在螺筒的熱環(huán)境中變成黏稠狀流體，并在螺桿的擠壓作用下，流體從機(jī)頭出口擠出，形成管材。管材的壁厚可通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)頭出口的間隙控制。在完成擠出后，管材截面應(yīng)具有理想的形狀，即外圓和內(nèi)圓的直徑應(yīng)控制在公差范圍內(nèi)，同時(shí)，兩個(gè)圓心應(yīng)重合。實(shí)際上，管材尺寸總會(huì)存在公差，外圓與內(nèi)圓的圓心會(huì)存在一定的偏離，即一定存在一定的偏心度。

管壁厚和偏心度是管材生產(chǎn)中很重要的質(zhì)量參數(shù)，需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。為了測(cè)定壁厚，可利用Х射線測(cè)量的方法。利用Х射線照射管材截面，可得到管材的截面圖像，通過(guò)分析該圖像可得到管材的壁厚。該測(cè)量方法的前提是Х射線管和管材的距離保持不變，但在生產(chǎn)中，該距離常發(fā)生變化。如圖1所示，由于管材的位置改變，導(dǎo)致左邊的測(cè)量結(jié)果壁厚1a、壁厚1b與右圖測(cè)量結(jié)果壁厚2a、壁厚2b不同，進(jìn)而產(chǎn)生了測(cè)量誤差。

為了確保管材與射線管的距離發(fā)生變化后不影響測(cè)量精度，應(yīng)測(cè)得管材的偏心度，可在相互垂直的兩個(gè)方向上各安裝1套此裝置。在測(cè)量管材位置的同時(shí)，可利用管材上4個(gè)點(diǎn)的壁厚信息，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算推導(dǎo)出管材的偏心。因此，應(yīng)將2套Х射線成像裝置安裝在相互垂直的2個(gè)方向上，比如SIKORA公司的X-RAY 2000系列產(chǎn)品即可采用這種方案，具體如圖2所示。但是數(shù)學(xué)推導(dǎo)出來(lái)的偏心度與真實(shí)的偏心度仍存在差異。在極端情況下，該差異會(huì)超過(guò)測(cè)量公差的允許范圍。此外，該方案的成本比單套Х射線成像方案高1倍。

為了完善上述類型的裝置，本裝置采用了1套Х射線裝置，

并在與Х射線光路平行且靠近的平面上放置了1套光學(xué)外徑測(cè)量裝置確保測(cè)量距離發(fā)生變化后不影響測(cè)量精度。此外，通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位和測(cè)量管材壁厚最薄處和最厚處，不需要采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式就能直接得到管材壁厚的偏心度，且成本比采用兩套Х射線的測(cè)量方案低很多。

導(dǎo)致壁厚測(cè)量的差異

1 測(cè)量裝置組成

如圖3所示，本裝置具有1套Х射線成像裝置（圖3中左側(cè)），該裝置包括1個(gè)Х射線發(fā)射管和1個(gè)Х射線圖像傳感器。采用Х射線照射管材可將管材的截面圖像顯示在Х射線圖像傳感器上。為了解決因測(cè)量距離改變而影響測(cè)量準(zhǔn)確度的問(wèn)題，在與Х射線光路平行且接近重合的平面上放置了1套光學(xué)外徑測(cè)量裝置（圖3中右側(cè)，近似認(rèn)為該裝置與Х射線測(cè)量裝置測(cè)量管材在同一個(gè)截面），其由可見(jiàn)光源（一般為激光二極管）、光學(xué)準(zhǔn)直器和光學(xué)圖像器件組成?？梢?jiàn)光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直器后變成平行光，平行光經(jīng)過(guò)管材后會(huì)被遮擋一部分，

未被遮擋的部分照射在光學(xué)成像器件上會(huì)顯示管材外徑的輪廓圖像，該輪廓的尺寸便是管材外徑。該裝置可測(cè)量管材外徑，且測(cè)量結(jié)果不受管材位置的影響。通過(guò)測(cè)量管材外徑值，可標(biāo)定管壁厚度的測(cè)量結(jié)果，從而得到管壁厚度的準(zhǔn)確值，且該結(jié)果與管材位置無(wú)關(guān)。

為了直接測(cè)量管材壁厚偏心的大小，本裝置為上述壁厚偏心測(cè)量裝置安裝了1套旋轉(zhuǎn)裝置（圖3中未給出，僅示意該裝置的旋轉(zhuǎn)軸）。該旋轉(zhuǎn)裝置可使測(cè)量裝置在±90°的范圍內(nèi)繞著旋轉(zhuǎn)軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)。該角度范圍可覆蓋管材最薄處，從而直接測(cè)得管材的偏心度。旋轉(zhuǎn)裝置由伺服和齒輪傳動(dòng)系組成。

2 檢測(cè)原理

圖4為Х射線圖像傳感器上獲取壁厚信息的方法和光學(xué)外徑測(cè)量的方法。圖4中左側(cè)圖像中的橫坐標(biāo)是以像素為單位的位置坐標(biāo)，縱坐標(biāo)是Х射線的光強(qiáng)。選擇Х射線中的3條特征光線a，b，c分析。其中，光線a與管材外壁相切，光線b與管材內(nèi)壁相切，光線c通過(guò)管材中心，且a，b，c近似平行。未穿過(guò)管材的光線直接照射在Х射線圖像傳感器上，可測(cè)得其光強(qiáng)為I0；穿過(guò)管材的射線在Х射線圖像傳感器上測(cè)得的光強(qiáng)

I=I0e-μT. （1）

式（1）中：μ為線吸收系數(shù)；T為Х射線穿過(guò)管材路徑的長(zhǎng)度。

由此可見(jiàn)，T越大則I越小。在圖4中可以看到，光線a的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)著管材截面圖像中I0開(kāi)始減小的突變點(diǎn)，其位置坐標(biāo)為P4.從光線a到光線b之間的光線穿過(guò)管材的路徑越來(lái)越長(zhǎng)，光強(qiáng)越來(lái)越小，呈現(xiàn)出單調(diào)減的趨勢(shì)。光線b穿過(guò)管材的路徑為最大值L1，因此，光線b的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)著管材截面圖像中的最小光強(qiáng)Imin，其位置坐標(biāo)為P3.從光線b到光線c之間的光線穿過(guò)管材的路徑越來(lái)越短，因此，光強(qiáng)越來(lái)越大，呈現(xiàn)出單調(diào)增的趨勢(shì)。光線c穿過(guò)管材的路徑為L(zhǎng)2+L3，其光強(qiáng)介于Imin與I0之間，在圖像的中間區(qū)域中呈現(xiàn)出一個(gè)極大值。光線c左側(cè)的光線及其右側(cè)的光線在圖像上呈現(xiàn)出對(duì)稱的關(guān)系，因此，通過(guò)相同的方法可找到P2和P1點(diǎn)。圖4中的位置坐標(biāo)P4與P3的差值便是管材右側(cè)的壁厚信息，而位置坐標(biāo)P2與P1的差值便是管材左側(cè)的壁厚信息。壁厚信息需要乘以系數(shù)才能得到真實(shí)壁厚，而本裝置利用如下公式計(jì)算管材右側(cè)的真實(shí)壁厚：

. （2）

式（2）中：P4-P3和P4-P1分別為管材的壁厚和外徑信息；t和D分別為管材的真實(shí)壁厚和外徑。

外徑D是通過(guò)圖4右側(cè)圖像中光學(xué)圖像傳感器測(cè)得的P6和P5點(diǎn)的位置得到的，具體公式為：

. （3）

式（3）中：p為光學(xué)傳感器的像素。

因此，可將上述公式變換為如下公式便可得到管材的真實(shí)壁厚，該結(jié)果與管材到Х射線圖像傳感器的距離沒(méi)有關(guān)系：

. （4）

對(duì)于偏心度這項(xiàng)重要指標(biāo)，必須通過(guò)測(cè)量截面的某個(gè)角度管壁厚數(shù)據(jù)才能得到。引入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)后，測(cè)量裝置旋轉(zhuǎn)到某一角度時(shí)，可測(cè)量管壁最薄處和最厚處的大小。測(cè)得此數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算就可直接得到管材壁厚的偏心度。測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)>± 90°。測(cè)量裝置位于圖5中左側(cè)圖像所示的角度時(shí)，Х射線圖像中得到的壁厚信息分別為P2-P1和P4-P3.測(cè)量裝置在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其測(cè)得此兩處壁厚信息會(huì)發(fā)生變化，前者會(huì)逐漸增大，后者會(huì)逐漸減小。當(dāng)測(cè)量腔15順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到某個(gè)角度時(shí)，測(cè)量的壁厚信息P2-P1為最大值，而P4-P3為最小值，即在這個(gè)角度測(cè)量到的為管材9最厚處和最薄處的大小。因此，根據(jù)此兩值可得到管材的偏心度。相比于采用2套Х射線成像系統(tǒng)的固定式測(cè)量裝置，本裝置測(cè)量得到的偏心度結(jié)果更為直接和準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

X-ray Tube Wall Thickness Eccentricity Measurement Platform

Feng Yihao， Xu Xingjian， Gong Jie， Liu Dajiang

Abstract： This article introduces a platform to measure the wall thickness， eccentricity of rubber tubes on tubing extrusion lines. A platform consists of an X-ray imaging system， an optical outer diameter measuring instrument， and a turning mechanism. The X-ray imaging system comprises an X-ray tube and an X-ray image detector； the optical outer diameter measuring system comprises a visible light source， a collimator， and an image sensor； and the turning mechanism is composed of a servo system and a spur gear drive. This platform can be used to directly measure the location and thickness of the thinnest position of a tube， thus facilitates locating and correcting pipe eccentricity.

Key words： X-ray image sensor； optical image sensor； servo system； eccentricity

文章編號(hào)：2095-6835（2015）19-0016-02