王宇翔，馮作全

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司高端裝備集成研發(fā)中心，蘭州 730314）

0 引言

換熱器換熱板片是專門用于介質隔離和熱交換的產(chǎn)品，是板式換熱器的重要組成部分。其主要材質有不銹鋼（AISI 304、316）、鈦及鈦鈀（Ti、Ti－Pd）、合金（C276）、銅（H68）等，因其經(jīng)常發(fā)生穿孔、減薄、泄漏等失效[1]，直接影響到板式換熱器的整體性能和運行狀況。目前國內換熱器板片生產(chǎn)企業(yè)，其板片質量檢測大部分依靠人工檢測，檢測手段包括肉眼觀察、百分表測量、滲透探傷、手持式超聲波檢測，檢測效率低、工作量大。同時，對檢測人員的經(jīng)驗和能力要求高，人為因素大，且易發(fā)生漏檢，尤其對于大板片的精細檢測，需將板片進行分解后進行檢測，檢測過程材料損耗大，成本高。在實際生產(chǎn)過程中，換熱器板片的質量缺陷重點表現(xiàn)為減?。s頸）和裂紋，而對于減薄質量問題，人工無法做到整張板的逐點檢測，采用抽樣檢測。針對上述問題本文設計了換熱器板片質量自動檢測系統(tǒng)，通過高精度、高動態(tài)響應的雙激光位移傳感器測量板片各點厚度，通過數(shù)據(jù)比對分析，計算各點的減薄量，從而判斷板片質量是否合格。經(jīng)實際測試驗證，系統(tǒng)可實現(xiàn)不同波紋形狀減薄量和波紋深度的檢測，能夠對板片整體質量進行性能評估，顯著減少現(xiàn)場檢測人員勞動強度，提高板片檢測效率，推動板片生產(chǎn)企業(yè)板片檢測智能化水平。

1 采樣技術原理

板式換熱器板片的制作方式是將金屬板片放入帶波紋模具的壓機中一次沖壓成型的，成型后的板片凹凸不平，類似波紋狀[2]。換熱器板片波紋按幾何形狀區(qū)分，有水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋、鋸齒形波紋等不規(guī)則形狀，因而需要在板片的上下兩側對稱位置設置至少一組傳感器實現(xiàn)同時測量，并進行數(shù)據(jù)信息的同步采集傳輸工作。其測厚原理如圖1所示。圖中，1、2為激光位移傳感器；3為C型架；4為待測樣板，L1、L2分別為上、下傳感器的測量得到的距離；L為兩傳感器間隔距離。

圖1 測厚示意圖

當被測板片由傳送機構送至指定位置，傳感器開始實施等間距同步采集數(shù)據(jù)點，并將結果存儲于邏輯控制器中；在測量過程中，保證所設傳感器的運動完全同步是系統(tǒng)保證測量精度的必要條件。因此，在本系統(tǒng)設計中，通過設定其中一只傳感器為主機，另一只傳感器為從機，由主機給從機傳感器發(fā)送相應的循環(huán)脈沖信號，借此來保證兩個傳感器的同步工作和測量精度。由于傳感器1、2安裝以后的位置是固定的，且其分別處于板片兩側的同一垂直方向上，測量得到板片位移值是相對值。其板材輪廓擬合如圖2所示。

圖2 板片輪廓擬合

板片在線采樣檢測基本流程：（1）將激光位移傳感器置于穩(wěn)定的C形架上，確保所設傳感器處于板材上下兩側對稱位置，同時實現(xiàn)與控制器相連接；（2）采用VS編程應用軟件進行上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計，借助于工業(yè)以太網(wǎng)與邏輯控制器實現(xiàn)通信連接；（3）由邏輯控制器發(fā)送指令，經(jīng)伺服電機驅動兩側激光測距傳感器置位，同時板片由傳送機構送至零點位置；其次，傳感器在控制器的作用下開始等間距掃描采集數(shù)據(jù)點，并將采集到的數(shù)據(jù)點存儲于邏輯控制器中，最后板片移動預定距離，傳感器再次取點，如此反復進行；（4）通過算法分段擬合得到輪廓表面自由曲線，進而獲得每點處的法相矢量，結合上下兩條自由曲線信息和幾何求解算法，間接得到每一點處的厚度值；（5）將計算所得的結果同標準值進行比較，獲取缺陷點的坐標值，并加以實時顯示于監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)高效精準定位。

2 系統(tǒng)總體設計

為實現(xiàn)板片在線自動測量，本系統(tǒng)原理樣機設計可分為檢測裝置、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析軟件3個部分。檢測裝置主要由支架、直驅電機、中軸、直線電機模組及支撐、卡盤等組成；電氣控制系統(tǒng)主要有1套直線電機伺服系統(tǒng)、1套直驅伺服系統(tǒng)、激光傳感控制器、西門子S7系列控制器、位控模塊、觸摸屏等組成[3]；數(shù)據(jù)采集分析軟件主要包括激光位移傳感器數(shù)據(jù)實時采集軟件和上位機數(shù)據(jù)分析軟件組成。系統(tǒng)總體硬件架構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體硬件架構

原理樣機要實現(xiàn)對主軸直驅伺服系統(tǒng)的速度控制、直線電機伺服系統(tǒng)的位置/速度控制；旋轉相關設備動力電流或信號傳輸；上位軟件客戶端從傳感器控制器中數(shù)據(jù)點的實時讀取。系統(tǒng)硬件架構從以下方面進行說明。

（1）直線電機。傳感器固定底座部件選配成套模組，是將底座與馬達定子整合，其重復精度2μm，直線度20μm。采用無鐵心式線性馬達為驅動元件，低速仍能實現(xiàn)平滑運行具有高剛度，結構緊湊。根據(jù)樣機板片螺旋掃描半徑為390～750 mm，需要直線電機有效行程為360 mm。充分考慮到直線電機動子、所載傳感器等附件質量總計約為2 kg，在額定轉速下需要直線電機提供80 N的連續(xù)推力。根據(jù)上述要求選用直得公司PB系列的直線電機。

（2）直驅電機。直驅電機帶動中軸旋轉，其絕對定位精度為±10"，重復定位精度±1"。其具有結構緊湊、動力傳動無間隙的特點，電機中心可提供電氣通道。根據(jù)裝置支撐件及直線電機轉動慣量，上下兩組為26.5 kg·m2，機構角加速度為1 rad/s2，轉動慣量30 kg·m2，驅動扭矩約為30 N·m，選用日機伺服直驅DD250系列電機

（3）電流滑環(huán)。為將旋轉激光傳感器所采集的數(shù)據(jù)上傳，同時為傳感器提供動力信號，選用SNH070系列過孔式滑環(huán)，過孔直徑70 mm，外徑140 mm。

板片質量在線檢測系統(tǒng)總體要實現(xiàn)在不同采集要求下的速度調節(jié)及定位控制，精確實現(xiàn)C型架激光位移傳感器旋轉運動和平移，整個系統(tǒng)采用伺服控制，可精確實現(xiàn)速度和位置的調控。

3 上位機數(shù)據(jù)采集分析算法

板片空間曲面復雜，而每組激光傳感器在板片上所測數(shù)據(jù)并非板厚，僅在波峰和波谷時才等于板厚，在波紋的兩側，需要計算法線方向的值，尤其是波紋交叉處尖角面各點的處理、兩組人字形波紋之間過渡區(qū)域面各點的處理成為數(shù)據(jù)處理分析得難點。板片數(shù)據(jù)采集要求在保證采樣效率的同時，采樣間隔應設置的盡可能小，確保在一些曲率較大處擬合所得到的小平面更貼近于細分的小曲面，以此來提高擬合精度，采用空間三角形網(wǎng)格構建小平面，并尋找擬合面的最佳匹配點。

數(shù)據(jù)采集分析算法的基本思想：將板片細分，局部以平代曲（即采用三角網(wǎng)格小平面來近似擬合細分的曲面），在保證采樣效率的同時，采樣間隔應設置的盡可能小，確保在一些曲率較大處擬合所得到的小平面更貼近于細分的小曲面，以此來提高擬合精度；等速螺旋線的極坐標方程的求解；極坐標系與平面直角坐標系轉換。其數(shù)據(jù)分析算法步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)預處理：將上下位移傳感器獲取到的位移信息解析為坐標點信息，（在采集過程中，應先對傳感器1、2實施校正，確保其光斑在同一直線上）。

（2）分別判斷傳感器1、2測量的上下相對點坐標值，如果測量的相對點坐標值變化大于某一值，可以判斷板片在該點處破裂或穿孔。

（3）空間局部小平面擬合——三角形網(wǎng)格構建。

（4）三角形小平面擬合——采用最小二乘法進行局部小平面擬合[4]，三角形小平面擬合方程為：

式中：aT為待定系數(shù)；x、y為測量值。

所以，下表面與之對應的三角形平面方程為：

（5）板片厚度求解如下。

依據(jù)平面外一點到該平面的向量法距離求解公式：

設平面Π的方程為：

（A，B，C）為Π的法向量，平面外一點坐標為(x1，y1，z1)，點(x1，y1，z1)到平面Π(Ax+By+Cz+D=0)的距離：

可得上表面所獲取的掃描數(shù)據(jù)點(xTi，yTi，zTi)到下表面所擬合得到的三角形小平面的距離為：

4 測試驗證

將預先壓制好的板片放置在在檢測裝置卡板卡槽內，板片尺寸為710 mm×260 mm；觀察安裝在直線電機模組動子上兩組激光位移傳感器是否對中，實驗過程中傳感器對中靠肉眼觀察，存在對中偏差；調整直驅電機旋轉方向和轉速，確定直線電機的移動方向和速度；直驅電機轉速設為12 r/min，直線電機移動速度設為6 mm/min；數(shù)據(jù)采集頻率為1 kHz。采集的部分數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 兩組傳感器采集部分數(shù)據(jù)（第一組）

從第一組數(shù)據(jù)仿真分析結果可知：（1）采用螺旋進給方式檢測板片成型面，其采集數(shù)據(jù)擬合曲面如圖5所示，相鄰數(shù)組構成的曲面過渡平滑，在傾角處不存在奇異點；（2）板片檢測裝置運行平穩(wěn)，測試的數(shù)據(jù)一致性較好，能夠為算法驗證提供可靠的數(shù)據(jù)支持；（3）可擬合板片不同成型曲面，在不同曲面過渡處無數(shù)據(jù)奇異點。

圖5 局部擬合曲面（第一組數(shù)據(jù)）

如圖6所示，第二組數(shù)據(jù)仿真分析結果可知：（1）第一組數(shù)據(jù)與第二組數(shù)據(jù)擬合的曲面都過渡平滑，能反映不同的成型結構，采集的數(shù)據(jù)一致性較好；（2）從圖7分析結果可知，在箭頭所指的地方板片成型存在缺陷，能夠清晰地反映。

圖6 兩組傳感器采集部分數(shù)據(jù)（第二組）

圖7 局部擬合曲面（第二組數(shù)據(jù)）

相關測試驗證結果表明本系統(tǒng)可實現(xiàn)不同波紋形狀減薄量和波紋深度的檢測，采樣數(shù)據(jù)可擬合整張板型，能夠替代人工，大幅度提高檢測精度，其檢測精度可達0.01 mm，符合板式換熱器板片檢測要求[5]。

5 結束語

本文以板片生產(chǎn)檢測過程中存在的實際問題為出發(fā)點，根據(jù)板片壓型幾何特征及監(jiān)測要求，對其采樣原理進行了分析，設計了板片在線自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠對采集的板片特征數(shù)據(jù)進行分析處理，可實現(xiàn)不同波紋形狀減薄量和波紋深度的檢測，能夠替代人工，大幅度提高檢測精度，可應用于實際板片生產(chǎn)制造現(xiàn)場。