一種基于激光超聲的板材厚度在線檢測(cè)及調(diào)整系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于板材加工制造領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光超聲的板材厚度檢測(cè)及調(diào) 整系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在高溫、強(qiáng)腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下在線測(cè)量板材的厚度，并能夠自 動(dòng)消除板材厚度生產(chǎn)偏差，保證板材厚度的均勻性。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，板材厚度的均勻性是一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接關(guān)系到后續(xù)加工 量大小，影響產(chǎn)品最終成材率及整體加工成本。能否快速、精確的在線檢測(cè)板材厚度值、能 否及時(shí)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)工藝流程做出調(diào)整，對(duì)于板材的厚度均勻性而言非常重要。由于工 業(yè)生產(chǎn)板材往往為表面粗糙、高低不平、溫度不定的情況，且工作環(huán)境通常為高溫、強(qiáng)腐蝕、 高輻射等極端環(huán)境，而一般的測(cè)厚裝置并不適合在高溫、強(qiáng)腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下工 作，所以一般的測(cè)厚裝置并不適合于工業(yè)板材的厚度在線檢測(cè)，因此研宄一種適合工業(yè)板 材的厚度在線檢測(cè)系統(tǒng)很有必要。同時(shí)，在一般的工業(yè)板材生產(chǎn)過程中，板材厚度控制一般 需要工藝人員在板材冷卻后對(duì)其厚度進(jìn)行測(cè)量，再手動(dòng)調(diào)節(jié)上輥輪相對(duì)下輥輪的距離以調(diào) 整板材厚度值。顯然，這個(gè)調(diào)整過程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且調(diào)節(jié)精度低，不利于工廠的連續(xù)化生 產(chǎn)。
[0003] 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有板材測(cè)厚方式大體分為兩類：接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè) 量因?yàn)閷?duì)板材有一定損傷、在線測(cè)量難度大等劣勢(shì)基本已被非接觸式測(cè)量所取代，接觸式 測(cè)量對(duì)板材有一定損傷是因?yàn)椋海?)傳感器在板材表面直接接觸作用可能損傷板材表面， (2)耦合劑為有機(jī)物質(zhì)，可能對(duì)塑料等有機(jī)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生腐蝕等作用。目前常用的非接觸式 測(cè)量方法主要有：超聲測(cè)厚、放射性射線測(cè)厚、激光測(cè)厚等。其中，放射性射線測(cè)厚因?yàn)閷?duì)環(huán) 境、人體具有較大損傷已逐步淡出企業(yè)視野。當(dāng)前用的較多的是超聲測(cè)厚以及激光測(cè)厚方 法，然而，由于在高溫、強(qiáng)腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下，超聲測(cè)厚所使用的耦合劑會(huì)出現(xiàn)失效 問題，因而導(dǎo)致超聲測(cè)厚儀無法在高溫、強(qiáng)腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下使用，于是，激光測(cè)厚 方法慢慢進(jìn)入企業(yè)選用范圍。激光測(cè)厚也分為兩種模式：利用光學(xué)原理測(cè)厚以及利用激光 超聲學(xué)原理測(cè)厚。
[0004] 公告號(hào)CN2349537Y，名稱"激光在線測(cè)厚儀"，公告號(hào)CN203203562U，名稱"激光測(cè) 厚裝置"，公告號(hào)CN203605912U，名稱"一種激光測(cè)厚裝置"等為代表的是利用光學(xué)原理測(cè) 厚，公告號(hào)CN101543844B，名稱"一種金屬及合金板帶熱軋機(jī)在線測(cè)量厚度與控制的方法" 的專利還對(duì)生產(chǎn)的金屬板厚度進(jìn)行了反饋控制。這些專利的主要原理是板材厚度變化引起 反射激光角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過激光接收器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等裝置將位移變化轉(zhuǎn)換為厚度變化 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)板材厚度的測(cè)量。無疑，利用光學(xué)原理測(cè)厚，理論上講其精度很高，在板材表面 絕對(duì)平整情況下理想測(cè)量厚度值甚至可以達(dá)到微米級(jí)，然而，工業(yè)生產(chǎn)板材往往都是表面 極為粗糙、高低不平、溫度不定的情況，所以，入射激光在板材表面往往遵循漫反射定律而 不是反射定律，此類情況下，激光反射角度幾乎就是在一定角度內(nèi)隨機(jī)分布，而不是遵循類 似光滑表面時(shí)反射角等于入射角的Snell規(guī)律。此類情況下，利用激光接收器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器 等尋找反射激光角的偏差值從而獲取板材厚度值變化就存在較大誤差，或許該方法在光學(xué) 元件測(cè)厚領(lǐng)域適用，但由于工業(yè)生產(chǎn)板材往往都是表面粗糙、高低不平、溫度不定的情況， 因此該方法對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)板材測(cè)厚而言誤差較大，因此不是合理選擇。而且，該類裝置基 本組成部分包含激光發(fā)射器、激光接收器、光電信號(hào)轉(zhuǎn)化器等設(shè)備，該三種設(shè)備成本都比較 高，整體設(shè)備造價(jià)也是不容樂觀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供一種基于激光超聲的板材厚度在線檢測(cè) 及調(diào)整系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光超聲學(xué)原理測(cè)量板材厚度，并利用該測(cè)得厚度值與PLC控制 系統(tǒng)的厚度預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整上輥輪相對(duì)下輥輪的間距以自動(dòng)改變后續(xù) 生產(chǎn)板材的厚度值，使生產(chǎn)板材厚度值能與PLC控制系統(tǒng)的厚度預(yù)設(shè)值一致，從而保證生 產(chǎn)板材的厚度均勻性，該系統(tǒng)能適應(yīng)高溫、強(qiáng)腐蝕、高輻射等極端環(huán)境，并且厚度測(cè)量準(zhǔn)確、 誤差小、整體造價(jià)不高。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：
[0007] -種基于激光超聲的板材厚度在線檢測(cè)及調(diào)整系統(tǒng)，包括板材輥壓機(jī)構(gòu)與板材厚 度在線檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述板材輥壓機(jī)構(gòu)包括上輥輪、下輥輪、上下輥輪間距調(diào)整機(jī)構(gòu)、以及PLC 控制系統(tǒng)，所述板材厚度在線檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括光路系統(tǒng)集成、高溫檢測(cè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集 成、以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成；
[0008] 所述上下輥輪間距調(diào)整機(jī)構(gòu)包括左支架、右支架，左支架和右支架上分別豎向設(shè) 置有第一絲桿，左側(cè)的第一絲桿通過軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在左支架上，右側(cè)的第一絲桿通過 軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在右支架上，左側(cè)的第一絲桿的兩側(cè)分別設(shè)置有豎向布置的第一導(dǎo)向 桿，右側(cè)的第一絲桿的兩側(cè)也分別設(shè)置有豎向布置的第一導(dǎo)向桿，所述左支架和右支架上 分別設(shè)置有第一電機(jī)安裝室，第一電機(jī)安裝室內(nèi)設(shè)置有可驅(qū)動(dòng)第一絲桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的伺服 電機(jī)，伺服電機(jī)的輸出端連接減速器，減速器的輸出端連接所述第一絲桿，左邊的第一絲桿 螺紋連接有可豎向移動(dòng)的第一移動(dòng)平臺(tái)，右側(cè)的第一絲桿也螺紋連接有可豎向移動(dòng)的第一 移動(dòng)平臺(tái)，第一移動(dòng)平臺(tái)的中部設(shè)置有與第一絲桿嚙合的第一螺紋孔，左側(cè)的第一移動(dòng)平 臺(tái)套在左側(cè)的第一導(dǎo)向桿上以平穩(wěn)地上下移動(dòng)，右側(cè)的第一移動(dòng)平臺(tái)套在右側(cè)的第一導(dǎo)向 桿上以平穩(wěn)地上下移動(dòng)，第一電機(jī)安裝室的外部還設(shè)置有可粗調(diào)第一移動(dòng)平臺(tái)豎向位置的 第一手動(dòng)旋鈕；左側(cè)的第一移動(dòng)平臺(tái)和右側(cè)的第一移動(dòng)平臺(tái)之間連接有水平布置的上輥 輪，上輥輪的兩端通過軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在左側(cè)和右側(cè)的第一移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)，所述下輥輪的 兩端通過軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在左支架和右支架內(nèi)，板材在上輥輪和下輥輪之間的間距內(nèi)輥 壓穿過，板材的厚度與上輥輪和下輥輪之間的間距配合，板材在上輥輪和下輥輪的同步轉(zhuǎn) 動(dòng)作用下水平地移動(dòng)；非工作狀態(tài)下，通過第一手動(dòng)旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)使第一絲桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，第 一移動(dòng)平臺(tái)由于第一螺紋孔與第一絲桿的嚙合實(shí)現(xiàn)豎直方向的運(yùn)動(dòng)，以初步調(diào)節(jié)上輥輪和 下輥輪之間的間距，工作狀態(tài)下，所述伺服電機(jī)接受由PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，通過減速 器帶動(dòng)第一絲杠正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，第一移動(dòng)平臺(tái)由于第一螺紋孔與第一絲桿的嚙合實(shí)現(xiàn)豎直方 向的運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)第一移動(dòng)平臺(tái)的豎向位置，也即調(diào)整上輥輪的豎向位置，從而改變上輥 輪和下輥輪之間的間距進(jìn)而調(diào)節(jié)板材厚度值；
[0009] 所述光路系統(tǒng)集成包括U型接地架、豎向移動(dòng)臺(tái)、以及集成有激光發(fā)射器、光路調(diào) 節(jié)系統(tǒng)和掃描振鏡的控制柜，所述控制柜通過螺栓固接在豎向移動(dòng)臺(tái)的第二移動(dòng)平臺(tái)上以 實(shí)現(xiàn)控制柜沿豎向的移動(dòng)，所述豎向移動(dòng)臺(tái)通過螺栓固接在U型接地架上方，U型接地架的 開口水平布置，板材由輸送機(jī)構(gòu)輸送水平地通過U型接地架的開口；所述光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)包 括分光鏡、凸透鏡、反射鏡，所述激光發(fā)射器發(fā)射出的激光經(jīng)過分光鏡分成第一激光束和第 二激光束，第一激光束自分光鏡豎直向下射出并通過觸發(fā)電路形成觸發(fā)信號(hào)作用于數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)集成的高速數(shù)據(jù)采集卡的使能口，第二激光束自分光鏡水平射出并射入凸透鏡的中 心以縮小第二激光束的激光光斑面積從而使得激發(fā)出的激光超聲波頻率滿足數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)集成的電容式位移傳感器對(duì)應(yīng)的位移采集精度，經(jīng)過凸透鏡聚焦后的第二激光束射向反 射鏡，反射鏡將第二激光束運(yùn)動(dòng)方向自水平改為豎直向下，使得第二激光束直接入射到掃 描振鏡的中心位置，掃描振鏡控制第二激光束以一定速度在板材上表面一定范圍內(nèi)進(jìn)行掃 描入射，掃描入射的第二激光束射在板材的位于上輥輪和下輥輪的輸出側(cè)，掃描入射的第 二激光束在板材上表面激發(fā)激光超聲波，該激光超聲波包括只能在板材上表面?zhèn)鞑サ谋砻?波、以及可以透射入板材內(nèi)以球面波形式傳播的縱波和橫波，與掃描振鏡中心的水平距離 為L(zhǎng)處的電容式位移傳感器的正下方對(duì)應(yīng)板材上表面的O點(diǎn)，因?yàn)榭v波速度大于表面波速 度，表面波速度大于橫波速度，因此首先會(huì)因?yàn)閺陌宀纳媳砻嬷苯觽鞑サ僵桙c(diǎn)的縱波、表面 波、橫波的依次作用而使得O點(diǎn)產(chǎn)生三次上下位移變化，其次，以球面波形式在板材內(nèi)部傳 播的縱波、橫波會(huì)首先以一定角度入射到板材下表面，之后從板材下表面反射回板材上表 面，其中，一定入射角度的縱波和橫波會(huì)經(jīng)下表面一次反射再次傳播到板材上表面的〇點(diǎn)， 而引起〇點(diǎn)位移上下變化，因?yàn)榘宀膬?nèi)部的縱波和橫波是以球面形式傳播，所以不僅有上 述經(jīng)過下表面一次反射到達(dá)O點(diǎn)的縱波和橫波，還有經(jīng)過下表面和上表面之間的多次反射 也即經(jīng)過下表面兩次、三次等多次反射才到達(dá)O點(diǎn)的縱波和橫波，這些到達(dá)O點(diǎn)的縱波和橫 波使得O點(diǎn)位移發(fā)生上下變化；當(dāng)作用的激光超聲波離開O點(diǎn)時(shí)，板材上表面O點(diǎn)恢復(fù)初始 狀態(tài)，在激光超聲波傳播過程中，板材的厚度不發(fā)生變化；由于激光超聲波在板材內(nèi)傳播會(huì) 有能量衰減，因此縱波和橫波前兩次到達(dá)板材上表面O點(diǎn)時(shí)所攜帶的能量最大，可激發(fā)O點(diǎn) 的位移最大，因此利用縱波和橫波前兩次到達(dá)板材上表面O點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后所獲 得信號(hào)的峰值越清晰，所以取縱波和橫波前兩次到達(dá)板材上表面O點(diǎn)的時(shí)間計(jì)算板材的厚 度值，這樣可以提高板材厚度的計(jì)算準(zhǔn)確度；
[0010] 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成包括電容式位移傳感器、前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集卡，電 容式位移傳感器設(shè)置在板材上表面上方第一距離處與板材為非接觸式測(cè)量關(guān)系，如前所 述，電容式位移傳感器的中心點(diǎn)距離所述掃描振鏡的水平距離為L(zhǎng)，該L是已知量，可以在 掃描振鏡及電容式位移傳感器放置好后直接測(cè)量得到，板材水平地在電容式位移傳感器下 方經(jīng)過，因此可實(shí)時(shí)測(cè)量板材與電容式位移傳感器對(duì)應(yīng)的各處厚度值以衡量板材的厚度均 勻性；板材構(gòu)成電容式位移傳感器的第一極板，電容式位移傳感器的第二極板由振動(dòng)膜構(gòu) 成，振動(dòng)膜由高彈、耐高溫、抗輻射材料制成因此可在高溫、強(qiáng)腐蝕、高輻射的極端環(huán)境下正 常工作，當(dāng)激光超聲波到達(dá)板材上表面0點(diǎn)時(shí)，0點(diǎn)因?yàn)椴ǖ淖饔卯a(chǎn)生上下位移變化，電容 式位移傳感器的第一極板和第二極板在對(duì)應(yīng)0點(diǎn)處的距離發(fā)生變化，因此電容式位移傳感 器在對(duì)應(yīng)0點(diǎn)處的電容發(fā)生變化并使得電容式位移傳感器在對(duì)應(yīng)0點(diǎn)處的輸出電壓發(fā)生