鋁板板形測(cè)量裝置研制

周志春

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

1 引言

鋁板板形I值是衡量鋁板加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，表征因殘余應(yīng)力而導(dǎo)致板帶材型面波浪彎曲的程度。當(dāng)前，板形檢測(cè)的發(fā)展還處于起步階段，板形的檢測(cè)大多還需要人工完成[1][2]。鋁板板形的人工測(cè)量采用平尺、階梯尺和鋼直尺進(jìn)行。由階梯尺測(cè)量波高，鋼直尺測(cè)量波距，根據(jù)板形的計(jì)算公式計(jì)算出板材的I值。由于平尺，階梯尺和鋼直尺本身的誤差很大，再加上接觸測(cè)量帶來(lái)的人為誤差的影響，導(dǎo)致鋁板板形的測(cè)量精度很差，無(wú)法滿足企業(yè)對(duì)板材板形的苛刻要求。同時(shí)，手動(dòng)測(cè)量的效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化程度低難以適應(yīng)現(xiàn)代高端制造業(yè)的發(fā)展要求。文中融合直線模組、伺服電機(jī)、激光位移傳感器、運(yùn)動(dòng)控制卡等技術(shù)研制出一套鋁板板形（I值）的非接觸、高精度、全自動(dòng)測(cè)量裝置。

2 板形I值計(jì)算方法

圖1 鋁板板形表示圖

鋁板板形（I值）的計(jì)算方法：

（1）相對(duì)長(zhǎng)度差法

通常，在鋁板帶加工中板形就是取板材樣品橫向上最長(zhǎng)和最短縱條之間的長(zhǎng)度差和板材樣品長(zhǎng)度的比值乘以105作為板形單位，稱(chēng)為I單位[2]。

（2）波高波距法

一般情況下，金屬帶材的扭曲波浪沿著金屬帶材長(zhǎng)度方向重復(fù)出現(xiàn)，大致為正弦波結(jié)構(gòu)，因此金屬樣品長(zhǎng)度的I單位板形還可以依據(jù)該樣品扭曲波浪的波高和波距近似計(jì)算[2]。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，將鋁板樣品平放在高精度金屬或大理石平臺(tái)上，用平尺、階梯尺和鋼直尺來(lái)測(cè)量該樣品的波高和波距，代入公式（2），計(jì)算板形I值。

3 裝置組成

研制完成的鋁板板形測(cè)量裝置由2000mm×1800mm的大理石平臺(tái)、長(zhǎng)度為1250mm的縱橫向直線模組、伺服電機(jī)、激光位移傳感器和運(yùn)動(dòng)控制卡組成。激光位移傳感器安裝在移動(dòng)導(dǎo)軌上，用來(lái)采集高度方向的位移。上位機(jī)編制控制軟件，發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，運(yùn)動(dòng)控制卡收到指令并驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)到指定位置，并反饋實(shí)際的縱橫向位移。測(cè)量裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，激光位移傳感器同步采集垂直方向的位移數(shù)據(jù)即可得到鋁板斷面的波形數(shù)據(jù)。測(cè)量裝置見(jiàn)圖2。

圖2 鋁板板形測(cè)量裝置

4 數(shù)據(jù)分析處理軟件

數(shù)據(jù)分析處理軟件用Labview開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制，Labview屬于圖形化編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言），編程簡(jiǎn)單無(wú)需大量寫(xiě)代碼。數(shù)據(jù)分析處理軟件實(shí)現(xiàn)了測(cè)量裝置運(yùn)動(dòng)控制，測(cè)量數(shù)據(jù)、測(cè)量結(jié)果和斷面曲線實(shí)時(shí)顯示。并用相對(duì)長(zhǎng)度差和波高波距兩種算法實(shí)現(xiàn)鋁板板形的準(zhǔn)確計(jì)算。運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理軟件主界面見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)主界面

數(shù)據(jù)采集之前，將縱橫向?qū)к壱苿?dòng)到初始位置，設(shè)置好采樣參數(shù)，運(yùn)行采集命令，X向?qū)к夐_(kāi)始啟動(dòng)，同步采集激光位移傳感器的高度位移數(shù)據(jù)和X方向伺服電機(jī)位移數(shù)據(jù)。根據(jù)位移數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)繪制斷面曲線。第一個(gè)斷面采集完成后，X方向?qū)к壱苿?dòng)到起始位置，Y方向移動(dòng)導(dǎo)軌至下一個(gè)斷面，繼續(xù)下一個(gè)斷面測(cè)量，直至完成所有斷面的測(cè)量。

運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)分析處理軟件可實(shí)現(xiàn)電控位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理和檢測(cè)報(bào)告的輸出。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

5 試驗(yàn)測(cè)試

數(shù)據(jù)分析處理軟件實(shí)現(xiàn)了相對(duì)長(zhǎng)度差法和波高波距法計(jì)算鋁板板形I值。首先對(duì)采集的原始斷面曲線進(jìn)行B樣條函數(shù)擬合，B樣條函數(shù)擬合既消除了原始數(shù)據(jù)中噪聲和粗差，也最大程度擬合出斷面曲線的總體趨勢(shì)。計(jì)算擬合后的斷面曲線長(zhǎng)度，計(jì)算曲線與直線的長(zhǎng)度差，按公式（1）計(jì)算I值，此為相對(duì)長(zhǎng)度差法計(jì)算鋁板I值。同時(shí)，找出擬合后曲線的各極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，根據(jù)相鄰極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)逐個(gè)計(jì)算每一個(gè)完整波形的波高和波距，根據(jù)波高和波距計(jì)算每個(gè)波的I值，取其中最大I值為此斷面的I值測(cè)量結(jié)果，此為波高波距法計(jì)算鋁板的I值。

截取一塊長(zhǎng)度為1200mm，寬度為1000mm，厚度為0.22mm的鋁板帶，放置在測(cè)量裝置大理石平臺(tái)上，通過(guò)大理石平臺(tái)導(dǎo)氣槽將鋁板中間的空氣排出。設(shè)置好斷面長(zhǎng)度和斷面數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，重復(fù)測(cè)量同一個(gè)斷面。重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 相對(duì)長(zhǎng)度差法和波高波距法測(cè)量重復(fù)性 單位：I

由以上數(shù)據(jù)得到相對(duì)長(zhǎng)度差法10次測(cè)量平均值為8.92I，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性為3.06I，波高波距法10次測(cè)量平均值為4.68I，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性為0.05I。兩種算法I值測(cè)量平均值之差為4.24I，這種差異的產(chǎn)生主要由算法之間的差異所致，斷面曲線中存在的波浪越多，這種差異會(huì)越大。波高波距法計(jì)算得到I值的重復(fù)性遠(yuǎn)好于相對(duì)長(zhǎng)度差法。同時(shí)，用傳統(tǒng)的平尺，階梯尺和鋼直尺法對(duì)此鋁板進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與波高波距法測(cè)量結(jié)果較為一致。實(shí)際測(cè)量時(shí)建議以波高波距法測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)。

6 結(jié)論

融合直線模組、伺服電機(jī)、激光位移傳感器、運(yùn)動(dòng)控制卡等技術(shù)研制出一套用于鋁板板形（I值）的自動(dòng)測(cè)量裝置，該裝置測(cè)量精度高，自動(dòng)化程度高，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單。用相對(duì)長(zhǎng)度差法和波高波距法分別計(jì)算得到鋁板I值，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該裝置測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，重復(fù)性好，測(cè)量效率較高，可滿足生產(chǎn)企業(yè)對(duì)鋁板板形的測(cè)量要求。由于平臺(tái)的大小限制，該裝置的測(cè)量量程還不夠大，如果要繼續(xù)擴(kuò)大測(cè)量量程，直線模組由于長(zhǎng)度變長(zhǎng)，變形增大，導(dǎo)軌直線度將不能滿足要求，后續(xù)將考慮用大理石導(dǎo)軌代替直線模組，減小導(dǎo)軌變形。