1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 激光传感器测厚方法及测厚装置的设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 对于工业生产而言，采用各种先进的检测技术对生产全过程进行检查、检测，对确保安全生产，保证产品质量，提高产品合格率， 降低能源和原材料的消耗，提高企业的劳动生产率和经济效益是必不可少的。 在工业生产中，为了确保生产过程能高效、正常、经济地运行，必须对生产过程中的某些重要参数 (如温度、压力、厚度等 )进行实时监测与优化控制。本文基于这一问题展开研究，在 对各种测厚方法以及各种测厚传感器工作原理的综合评价和研究后。 通过对复合板
2、材厚度偏差控制要求的分析，确定了以激光传感器和 CCD扫描技术相结合的测试技术为基础，以计算机控制技术为核心的复合板材厚度检测系统设计方案。 本文详细介绍了系统组成部分的硬件结构、控制系统和软件平台，分析了系统 误差产生的原因及主要影响因素，并提出了解决方法。 本系统的设计可以提高制造业的自动化、信息化水平和劳动生产率，提高板材的加工质量，满足复合板材生产发展的需要。 关键词： 复合板，激光，传感器，测厚 II The thickness measurement methods of the laser sensor and the thickness measurement device d
3、esign Abstract As to industrial production, adopt various of the advanced odetection techniques to check, monitor in producing the whole course, to guaranteeing the safety in production, guarantee product quality, improve the percent of pass, reduce the energy and materials consumption, it is essent
4、ial to improve the labor productivit of enterprise and economic benefits. In industrial production, in order to guarantee production process to be normal, efficient and economical operation in the manufacturing process, must be some important parameters (such as temperature, pressure, thickness, etc
5、.) for real-time monitoring and optimization control. Based on the problem of various launched research, in thickness method and various thickness sensor principle of work after comprehensive evaluation and research. Composite plate thickness deviation by the analysis of the control requirements, es
6、tablished the foudation of the testing technology combines with laser sensor and CCD scaning technology, the computer control technology as the core of the composite plate thickness detection system design scheme. This paper describes the hardware structure of system components, control system and s
7、oftware platform in detail, analysis the causes of systematic error and the main factors, and proposed solutions. The system is designed to enhance manufacturing automation, information technology standards and labor productivity, improve the quality of plate metal processing, Satisfies the compound
8、 plate production need to develop. Keywords: Compound plate,Laser,Sensor, thickness measuring III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的背景 . 1 1.2 国内外发展现状 . 1 1.3 课题研究的目的 . 2 1.4 课题研究的主要内容 . 2 1.5 文章构架 . 3 第 2 章 测厚装置的总体方案设计 . 4 2.1 设计的要求和原则 . 4 2.2 测厚装置的结构框图 . 5 2.3 测厚装置的硬件结构及工作原理 . 5 第 3 章
9、测厚装置的硬件设计 . 7 3.1 机械运动控制系统设计 . 7 3.2 测厚方法选择 . 7 3.3 传感器选择 . 7 3.3.1. 几种典型传感器比较 . 8 3.3.2. 激光接收器件 . 8 3.3.3. 激光 -CCD 传感器的工作原理 . 9 3.3.4. 激光传感器的型号选择 . 10 3.4 板材厚度参数的选取方式 . 11 3.4.1 多探头定点测量 . 11 3.4.2 单探头扫描测量 . 12 3.5 滚珠螺旋传动机构 . 13 3.6 步进电机 . 13 3.7 F 型工作台设计 . 14 第 4 章 测厚装置的控制系统与软件平台 . 15 4.1 测厚装置控制系统
10、. 15 4.1.1 PLC 控制步进电机 . 15 4.1.2 PLC 的 M 功能 . 16 4.1.3 信号调理 . 16 4.1.4 A/D 转换模块 . 16 4.2 计算机软件系统 . 16 IV 4.2.1 数据采集模块 . 17 4.2.2 系统设置模块 . 17 4.2.3 数据存取模块 . 18 4.2.4 超差警报系统 . 18 第 5 章 误差分析 . 19 5.1 误差分析 . 19 5.2 误差产生原因 . 19 5.3 误差分类 . 19 5.4 温度误差 . 20 5.4.1 温度误差产生原因 . 20 5.4.2 温度误差补偿 . 20 结论 . 22 致谢
11、. 错误 !未定义书签。 参考文献 . 23 激光传感器测厚方法及测厚装置的设计 1 第 1章 绪论 1.1 课题的背景 随着现代工业的快速发展，单一的金属或合金已难以完全满足现代化生产对材料综合性能的需求 ,因此人们发展了复合材料。 不同 材料在性能上 互相 取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求 1。 20 世纪 60 年代，由于高性能纤维的研制成功，同时由于航天、航空空工业以及其他高科技领域，对各种综合性能优 异的复合材料需求增大，更加促进了先进复合材料的发展 2。其中金属基复合材料作为复合材料中的一个重要代表， 虽然 研究、生产及发展起步较晚 ，
12、 但是因其具有高耐热性、低热胀系数，在动力结构方面的高比模量、抗老化和耐 磨损等特点 ， 正越来越多地应用于 机械、冶金、 汽车 、建材、电力等领域 3。 在这个信息高速发展的时代，自动化控制技术和计算机技术迅猛 发展的同时金属基复合材料应用领域也急遽扩大，金属基复合材料的生产向自动化、智能化方向发展已成为必然趋势。 此外， 我国 加入世界贸易组织 后，随着国际化的经济往来，用户对于产品质量的要求越来越高。因此，在金属基复合板材的生产过程中对于复合板材质量的严格把关是迫切需要的。其中板材厚度偏差是反映金属基复合板材质量的关键技术指标之一，如何有效地控制复合板材厚度偏差在最小限度内是金属基复合板
13、材生产企业亟须解决的问题 4。 1.2 国内外发展现 状 在市场经济的蓬勃发展态势下，社会生产力水平大幅提高，现代测试技术应运而生。在厚度测量方面，从传统的手工测量到各种测厚装置的产生，表现为测量效率和精度的不断提高，测量方式的多样化。测量方式一般可分为接触式和非接触式，离线型和在线型测量 5。在目前的各种金属基复合板材生产线线上，根据不同的性能和功用，对金属基复合板材的材料厚度的要求也不同。因此，对金属基复合板材厚度的精确测量是很有必要的。传统的测厚方法，主要采用螺旋测微 仪、游标卡尺等测量工具进行手工测量，不可避免地存在着测量误差和人工误差，测量精度相对较低。随着生产力水平不断提高，工业生
14、产对金属基复合板材厚度的精度要求也不断提高，传统的测厚方式难以满足发展的需求，运用现代化测试技术的新型测厚系统必将取代传统测厚方式。 随着现代测厚技术的发展，越来越多的 传感器 应用到各种相应功能要求的测厚装置中。测厚传感器 可分为接触式和非接触式两类 。测厚 传感器 的测量通常 采激光传感器测厚方法及测厚装置的设计 2 用两个相同的位移传感器分别安装于被测材料的 上下两面 ，将两个传感器的测量值平均，以提高测量精度。接触式厚度传感器可测量移动速 度较低的材料 ，精度较高。接触式测厚方法对所测材料的成分不敏感，在测量过程中板材厚度与探头的气压、温度有关 6。非 接触式厚度 传感器 适 用 于连
15、续快速 的 测量 7。其中计算计算机信号分析及数据处理技术的引入，进一步促进了板材厚度在线检测技术的发展。 1.3 课题研究的目的 在当今高速发展的信息社会中，迫切需要对各种复杂信息进行实时采集、分析、处理，并达 到智能化控制的要求。传统的测厚装置主要依靠人工操作和观察，难以适应当代社会化大生产的要求。目前，金属基复合板材产业正处于向自动化、智能化生产方向发展的时期。但在国内中小型金属基复合板材企业的生产线上缺少有效地厚度监测系统，由于不能及时得到各工序中与厚度相关参数的反馈信息，导致不能及时解决复合板材在实际生产过程中遇到的问题，将对产品质量造成直接影响 8。 现针对我国多数中小型金属基复合
16、板企业缺乏有效的厚度监测系统这一问题 ，在充分考虑各个企业对生产线进行技术改造的经济能力基础上，对金属基复合板材厚度测量方式进行改良。本课题将结合现代化测试技术，运用计算机技术及国内外相关的、成熟的自动控制监测理论，提出新型的金属复合板厚度在线监测系统的设计研究 4。以确保金属基复合板材厚度偏差控制在 0.01mm误差范围围之内，提高产品质量，降低生产运作成本，有效地提高劳动生产率和产品的市场竞争力。 本文基于金属基复合板材厚度偏差在线监测这一问题展开研究， 讨论了金属基复合板材厚度的在线监测系统的设计和实现，详尽介绍了系统各组成部分的硬件结构和工作原理，着重阐述了监测系统的硬件装置设计。此外
17、对系统误差产生原因进行了分析，并提出了解决方案。 1.4 课题研究的主要内容 在充分了解本课题研究目的和掌握各种测厚传感器工作原理的基础上，讨论和比较各种测厚方法及其优缺点，结合某复合板材的特点及生产工况，选择合适的传感器，提出板材厚度在线测量方案，设计厚度检测装置。与以往的金属基复合板材生产线相比，现在更注重复合板材厚度的精度控制，因为它是确保产品质量的关键因素之一。 在当前的工 业机械领域或现场应用中，最常用的是激光位移传感器，这种传感器同时结合了分辨率高和测量范围广的特性 9。激光位移传感器一般采用激光激光传感器测厚方法及测厚装置的设计 3 三角法 测距：系统 用一束激光以某一角度 照射
18、 在被测物体表面，然后 从 另一角度反射在接收元件上 的激光光斑进行成像 。 激光照射点的高度位置不同，所接受反射光线的角度也不同 。利 用 CCD光电耦合器件 测出光斑像的位置，计算出主光线的角度，从而计算出 激光照射点和被测 物体表面 的距离 。当物体沿激光 光 线方向发生移 动时，测量 值 将发生改变，从而实现用激光 传感器 测量物体的 厚度 11。 根据激光传感器的工作原理 ,首先建立激光在线测厚装置的模型，使用两个激光传感器由 F 型工作台进行固定。由于激光三角法的原理限制了该测厚系统中的激光位移传感器的测量范围，在一般情况下传感器的精度越高测量范围越窄 12。 在实际测量过程中，若
19、要实现多点、连续、有效地测量，必 须保证测测厚系统中的两个激光位移传感器对于被测面的相对位置处在其有效的测量范围之内。同时，板材的曲面变化以及不同厚度、规格，都会使被测面超出测量范围。现采用激光扫描式监测装置进行测量，使用步进电机驱动的差动微位移机构动态地调节工作台，改变激光传感器在板材表面的测量位置，实现保证板材厚度测量的有效性和扩展系统测量范围的目的 13。但采用这种方案将带来两个问题：步进电机突然制动所引入的外来振动干扰引起厚度测量误差以及因环境温 度变化所导致的工作台变形引起厚度测量误差 2 。 扫描式测厚方法的特点有以下几点：非接触测量，使得该方法不仅适用于静态测量，而且更适用于在线
20、动态测量；测量精度高、范围广，对被测物表面的，可适用于具有镜面或漫反射面物体的厚度测量。 鉴于此，本文提出了一种激光 -CCD 传感器进行非接触在线扫描式厚度自动监测方法。 1.5 文章构架 本文共分为 5 章：第 1 章 主要介绍了本课题的选题背景，研究意义，以及与本课题相关的研究在国内外的发展概况，同时提出了研究的目的和主要内容；第 2 章 确立研究内容后，开始选定测量方法，并讨论比较不同 传感器的优缺点，并进行传感器的选择；第 3 章 确立检测方法，应配以相应的硬件装置，则需要进行测厚装置的总体方案设计；第 4 章 在确立总体方案设计之后，进行硬件选型和设计；第 5 章 测厚装置系统须由
21、计算机软件平台控制运行，则加以具体实现激光传感器测厚方法及测厚装置的设计 4 第 2章 测厚装置 的总体方案设计 2.1 设计的要求和原则 测厚装置系统是针对双飞公司生产流水线上精轧后的轴承板材厚度在线监测所设计的。检测系统的对象为其中的两条滑动轴承板材生产线，第一条生产线为 SF-l生产线，第二条为 JF生产线，两条生产线最主要的区别在于 SF-l生产线的板材在最后工序还要铺设聚 四氟乙烯 (PVC)。在设计方案中，两条生产线可采用完全相同的检测系统，现以第一条生产线为例进行分析，生产线上轴承板材结构可参考 图 2-1。 测厚装置的测点设定在精轧以后的光洁板材表面，因为基体铺铜粉后需要烧结再
22、镀 PVC，然后经过精轧后才能成为轴承板材成品。复合板材第一层基体为钢板，第二层为铜板层，第三层为 PVC薄膜层。 本设计的主要研究的要求： 1) 传感器选型。由于板材是多层板结构，既有多种金属层，又有非 金属镀层，因此传感器的选型以及信号获取分离是本项目的关键技术之一。本设计中传感器应根据精度高、操作方便、可靠性高、成本低等原则进行选型。 2) 机械结构。在板材宽度范围内，实现探头的多测点检测，保证系统的实用性与经济性 15。 3) 控制系统。确保机械结构运行的稳定性、可靠性以及操作的便利性，保证测点信号实时采集与传输。 4) 软件平台。主要是进行数据采集、处理、显示及数据管理系统。开发针对
23、无油轴承板材生产线的计算机检测与数据管理系统， 系统将集成数值显示、数据保存与分析、超差报警、表格打印等功能。 测厚系统设计的原则：本测厚装置采用成熟的高可靠性设备，进行智能仪器化的设计方法，使硬件模块化，软件结构化，系统封闭式。在设计中尽可能采用工业化标准的器件，同时兼顾高效、实用、经济等原则，使检测系统应用基体 铜粉 PVC 精轧后 图 2-1 生产板材结构图 滚轮 激光传感器测厚方法及测厚装置的设计 5 的更加灵活、方便，要求充分考虑系统的可维护性和扩展性。 2.2 测厚装置的结构框图 如 图 2-2 所示，测厚装置系统总设计中，传感器进行板材厚度测量，经 过信号调理后数据进行采集，并输
24、送到计算机控制软件中进行数据的处理。设计中运用现代测量技术理论，结合自动控制技术，计算机技术，信息处理技术，根据设计要求，进行实用、方便、可行性的设计。 2.3 测厚装置的硬件结构及工作原理 测厚装置的硬件结构如 图 2-3 所示，其主要结构有： PLC 控制器，步进电机、支架和滚轮、丝杠螺母行走机构， F 型工作台和激光传感器组成。 测量装置工作原理：当监测系统开始运行，首先要设置板材的基本 参数信息， PLC 控制器控制行走机构做直线间断性往复运动，在行走机构稳定状态下，激光传感器进行厚度测量。数据采集模块自动采集测电信号并传输至计算机监金属复合板 传感器 信号调理 数据采集系统 计算机控制软件 图 2-2 测厚装置系统结构框图 丝杠 板材 步进电机 PLC 控制器 图 2-3 测厚装置硬件结构图 传感器 支架 滚轮
