袁 峰

（江西瑞林裝備有限公司，江西 南昌 330032）

隨著我國銅冶煉行業(yè)的蓬勃發(fā)展，21世紀(jì)的中國已成為世界銅礦產(chǎn)量第二，煉銅產(chǎn)量第一的大國，永久陰極電解法（簡稱ISA法）工藝和銅濕法電積（電解）已廣泛應(yīng)用，不銹鋼陰極板在銅電解生產(chǎn)中也隨之大量使用，但在銅電解生產(chǎn)過程中，有多種原因會(huì)導(dǎo)致不銹鋼陰極板變形，如不銹鋼陰極板反復(fù)收到機(jī)械裝置的擠壓導(dǎo)致反復(fù)彎曲、工人在裝夾邊條的不當(dāng)操作、不銹鋼陰極板在行車吊裝等過程中，隨著時(shí)間的積累，不銹鋼陰極板的垂直度會(huì)超出工藝技術(shù)要求，而陰極板的垂直度對(duì)保持電流的均勻分布及電流效率作用極為重要。陰極板的平直不容易發(fā)生短路，故可采用較小的極距和較高的電流密度，從而提高生產(chǎn)效率嘲；而垂直度差的陰極板則會(huì)導(dǎo)致電流分布不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流短路和析出陰極銅的質(zhì)量缺陷，不但影響陰極銅質(zhì)量，而且易與陽極板接觸出現(xiàn)短路，從而造成經(jīng)濟(jì)損失和能源損耗。因此，在陰極板脫銅后，對(duì)其平整度進(jìn)行檢測，在下一電解流程之前，將平整度不夠的陰極板剔除，保證進(jìn)入電解槽所有極板的平整度均達(dá)標(biāo)，這一過程十分重要[1]。目前檢查不銹鋼陰極板垂直度好壞的問題，大部分都是靠人工經(jīng)驗(yàn)看或通過測量工具來人工測量；為了保證陰極銅的質(zhì)量和良好的電解技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，能準(zhǔn)確快速和便的檢測出垂直度差的不銹鋼陰極板，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)用三維空間模型的思路（三維誤差空間模型的陰極板垂直度檢測方法），避免檢測過程中陰極板的各種運(yùn)動(dòng)因數(shù)的影響。

1 控制對(duì)象系統(tǒng)分析

目前，國內(nèi)外對(duì)板面平整度的檢測主要分為兩大類：接觸式檢測和非接觸式檢測。對(duì)于接觸式檢測，使用金屬探針接觸板面進(jìn)行檢測；對(duì)于非接觸式檢測，運(yùn)用光的反射原理進(jìn)行檢測。這兩種檢測方法存在以下問題：

（1）當(dāng)采用接觸式檢測時(shí)，待檢測的陰極板在完成脫銅后并不是靜止不動(dòng)的，采用金屬探針接觸時(shí)，容易對(duì)板面造成刮傷，降低陰極板的使用壽命，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的陰極板容易將金屬探針損壞。

（2）當(dāng)采用非接觸式檢測時(shí)，運(yùn)用光的反射原理判斷陰極板平整度，當(dāng)極板處在晃動(dòng)狀態(tài)，光學(xué)探頭對(duì)反射光的接收存在偏差，雖然可以避免接觸式檢測的問題，但檢測誤差很大，無法達(dá)到檢測要求[2]。

現(xiàn)在的研究是基于三維誤差空間模型的陰極板板面平整度檢測的方法，其特征在于采用非接觸式檢測手段，通過9個(gè)超聲波傳感器檢測待測板面，且使9個(gè)檢測點(diǎn)均勻的分布于整個(gè)檢測面；選取所測數(shù)據(jù)中三個(gè)不共線的點(diǎn)，確定一個(gè)恰好能使待測面在所得面一側(cè)的面，根據(jù)設(shè)定的平整度允許最大值，通過空間坐標(biāo)運(yùn)算求得另一平面，因此，夾在所得的兩個(gè)面之間的區(qū)域即為該檢測板面的平整度誤差空間；通過所得的兩個(gè)面可以求得其余6個(gè)點(diǎn)允許的測量值范圍，通過判斷實(shí)際測量值是否在允許的范圍內(nèi)即可判斷該板面是否符合平整度的要求[3]。該方式的優(yōu)點(diǎn)是：采用非接觸式檢測手段，不會(huì)對(duì)檢測板面造成不必要的損傷、采用超聲波傳感器進(jìn)行測量，其很好的穿透性能夠有效的避免檢測環(huán)境對(duì)最終檢測精度的影響、采樣陰極板在運(yùn)動(dòng)中某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)確定誤差空間模型，然后判斷該時(shí)刻的數(shù)據(jù)是否滿足要求。這樣無論陰極板如何晃動(dòng)或者晃動(dòng)的幅度和頻度多大，均可達(dá)到精確判斷的效果。

2 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)及其模型

針對(duì)三維誤差空間模型的陰極板板面平整度檢測的硬件配置，控制面板、CPU處理器，超聲波等，采集、數(shù)據(jù)的濾波等都是通過CPU處理器實(shí)現(xiàn)的，其組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 控制硬件示意圖

該系統(tǒng)采用9個(gè)超聲波傳感器，如圖2所示，等距均勻的安裝在恰好能覆蓋待檢測陰極板板面的XOY平面上。

圖2 控制硬件示意圖

新型原理框如圖3，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元（1），由機(jī)械安裝尺寸可知其X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)采集單元（1）的9個(gè)采樣數(shù)據(jù)，即為在檢測板面上檢測點(diǎn)的Z坐標(biāo)值，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選單元（2），選出其中Z坐標(biāo)值最小且不共線的三個(gè)點(diǎn)。

圖3 新型原理框圖

由上述描述的這三個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過空間坐標(biāo)運(yùn)算，確定過這三個(gè)點(diǎn)的平面P，即三維誤差空間模型的最靠近傳感器一側(cè)的邊界面，如附圖4，該平面恰好使檢測板面處于其右側(cè)（只是相交于選出的3個(gè)點(diǎn)）；根據(jù)平整度參數(shù)的設(shè)定和上述邊界面P，可以確定另一邊界面Q。邊界面Q的特點(diǎn)為：平行于邊界面P，且沿Z軸正方向與邊界面P之間的距離為所設(shè)平整度允許值。因此，三維誤差空間模型的邊界面已確定。最后將其余的6個(gè)點(diǎn)的X,Y值分別代入邊界面P、Q的方程中，確定每個(gè)點(diǎn)Z值的允許范圍，最后判斷實(shí)際的測量值是否在相應(yīng)的區(qū)間范圍內(nèi)，作出最終平整度的判斷。本實(shí)用新型通用性強(qiáng)，無論陰極板如何晃動(dòng)，或者檢測時(shí)未能與傳感器安裝面平行等各種復(fù)雜情況下均可準(zhǔn)確判斷檢測極板的平整度是否滿足要求。

圖4 三維誤差空間模型

3 三維誤差空間模型的設(shè)計(jì)

為此，本實(shí)用新型提出一種基于三維誤差空間模型的極板平整度檢測方法。該方法采用9個(gè)超聲波測距傳感器，分別檢測陰極板距傳感器的距離，然后建立直角坐標(biāo)系，通過三維空間坐標(biāo)運(yùn)算，根據(jù)板面平整度的范圍要求，定位某一瞬間待檢測陰極板平整度的誤差空間，最后通過判斷實(shí)際檢測到的數(shù)據(jù)是否處于該誤差空間來判定陰極板平整度是否達(dá)標(biāo)。

如圖2，為檢測區(qū)域示意圖，當(dāng)安裝位置確定后，9個(gè)傳感器在直角坐標(biāo)系中的X，Y值可以根據(jù)機(jī)械安裝尺寸得知。當(dāng)陰極板運(yùn)動(dòng)到檢測區(qū)域時(shí)，傳感器測量陰極板某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的9個(gè)值，因此，9個(gè)檢測點(diǎn)的在直角坐標(biāo)系中的Z值也已知。所以，可以得到9個(gè)檢測點(diǎn)在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

在這9個(gè)點(diǎn)中，選取Z值最小的3個(gè)點(diǎn)(此三點(diǎn)在XOY平面不共線)，確定一平面P，可得出其平面方程為：AX+BY+CZ+D1=0。則該平面為在檢測板面一側(cè)，且恰好與檢測板面相交的面（結(jié)合處為點(diǎn)，并非交叉相交），將這個(gè)面作為誤差空間模型的邊界面之一；假如允許的極板平整度最大為d，則可以認(rèn)為，誤差空間模型的另一邊界為沿Z軸正方向，平行于平面P，且距離為d的平面，設(shè)為Q。則可以根據(jù)以上條件計(jì)算出平面Q的方程為：AX+BY+CZ+D2=0。這樣就確定了誤差空間的模型 ，如圖4。

將剩下的6個(gè)點(diǎn)的X值與Y值代入誤差空間模型的兩個(gè)邊界面方程可以得到每個(gè)檢測點(diǎn)z值的允許范圍，最后判斷實(shí)際測量的每個(gè)z值是否在相應(yīng)的z值允許范圍內(nèi)，若在，則板面合格；反之，不合格。

具體實(shí)施方式：

（1）將板面多點(diǎn)檢測裝置（本實(shí)例中為9個(gè)點(diǎn)，分別是板面的左上、左中、左下、正上、正中、正下、右上、右中、右下，此處分別給其下定義A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9點(diǎn)）安裝在需要檢測裝載板的工位一側(cè)（此處以B面為例），確保多點(diǎn)檢測裝置的每一點(diǎn)均能正確檢測到板面的相應(yīng)位置[4-6]。如圖5所示。

（2）安裝后，以板面多點(diǎn)檢測裝置上的某一個(gè)點(diǎn)為原點(diǎn)（不要以檢測點(diǎn)作為原點(diǎn)），做空間三維坐標(biāo)XYZ軸。本方案中，以與板面平行的面做平面XY軸，以與板面垂直的面做三維空間Z軸，其中：設(shè)定X軸為橫向水平，正向方向?yàn)槊嫦駻面朝右；設(shè)定Y軸為縱向垂直，正向方向?yàn)榇怪毕蛏?；設(shè)定檢測裝置往板面位置方向?yàn)閆軸正向。測量出每一個(gè)檢測點(diǎn)的XY軸坐標(biāo)，并記錄下相應(yīng)點(diǎn)的XY軸坐標(biāo)值。如圖6所示。

圖6 多點(diǎn)檢測裝置檢測點(diǎn)

（3）找一塊參照裝載板，放在檢測的工位上，按照多點(diǎn)檢測裝置中每一個(gè)檢測點(diǎn)的位置，將此參照裝載板的每一個(gè)檢測點(diǎn)的垂直度數(shù)值人工檢測出來，垂直度檢測的面需與板面多點(diǎn)檢測裝置在同一側(cè)，然后記錄下對(duì)應(yīng)點(diǎn)的測量值。

（4）通過工業(yè)可編程控制器讀出通過超聲波傳感器測出的此參照裝載板每一個(gè)檢測點(diǎn)的值，并記錄下來對(duì)應(yīng)點(diǎn)的測量值。根據(jù)（3）中的人工測量出來的垂直度值進(jìn)行比較和糾差，例如人工測量標(biāo)準(zhǔn)值為15mm，A1點(diǎn)人工測量值為13.2mm，則，A1點(diǎn)的參考傳感器測量值則在實(shí)際傳感器的測量值的基礎(chǔ)上加上（13.2mm～15mm）的糾正值。以此為例，依次記錄下計(jì)算后的每一個(gè)檢測點(diǎn)參考傳感器測量值。如圖1所示。

（5）檢測工位放上一塊實(shí)際使用裝載板，將實(shí)際使用裝載板的實(shí)際檢測值減去（4）中記錄下來的參考傳感器測量值，得出實(shí)際使用裝載板的相對(duì)傳感器測量值，此值即為實(shí)際使用裝載板的Z軸值。如圖5所示。

圖5 板面多點(diǎn)檢測裝置

（6）將每一個(gè)測量點(diǎn)的三維空間Z軸值，在PLC中通過冒泡法從小到大排序，取Z軸值最小的三個(gè)測量點(diǎn)，假設(shè)為M1(X1，Y1，Z1)，M2(X2，Y2，Z2)，M3(X3，Y3，Z3)。判 斷 此三個(gè)點(diǎn)是否成一條線，若成線，則取測量值第一，第二，第四小的三個(gè)測量點(diǎn)。將此三個(gè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值確定一個(gè)三維空間數(shù)學(xué)面，公式如下：

AX+BY+CZ+D=0

其中：

A=Y2Z3-Y2Z1-Y1Z3-Y3Z2+Y3Z1+Y1Z2

B=X3Z2-X1Z2-X3Z1-X2Z3+X2Z1+X1Z3

Z=X2Y3-X2Y1-X1Y3-X3Y2+X3Y1+X1Y2

D=X1Y3Z2-X1Y2Z3+X2Y1Z3-X2Y3Z1+X3Y2Z1-X3Y1Z2

以此面為基準(zhǔn)面去判斷其余6個(gè)點(diǎn)距離這個(gè)數(shù)學(xué)面的垂直距離，公式如下：

其中Xm，Ym，Zm表示第m個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，只要存在一個(gè)點(diǎn)的垂直距離d大于設(shè)定值，則說明此實(shí)際使用裝載板垂直度不符合要求。

此方法可成功排除掉人工安裝導(dǎo)致的傳感器放位不準(zhǔn)，檢測工位放板位置不準(zhǔn)和參考板并不標(biāo)準(zhǔn)等外在因素。對(duì)于設(shè)備安裝要求大大降低，符合實(shí)際工程施工環(huán)境，同時(shí)大大提高測量精準(zhǔn)度和普及度。