（测试计量技术及仪器专业论文）板材厚度在线测控软件的设计.pdf

板材厚度在线测控软件的设计 摘要 板材厚度尺寸精度直接关系到产品的质量与企业的市场竞争能力和经济效 益，而板材厚度测控系统是决定板材厚度尺寸精度的关键，是板材轧制领域里 的一项关键技术。随着信息技术的发展，传统的板材生产向着能够反应整个生 产过程的在线测控技术方向迈进。论文围绕板厚控制系统的自动化程度提高开 展研究，将计算机技术、自动化技术以及现代测试技术与板材生产过程结合起 来，实现生产过程的智能化测控。 论文选题来源于企业委托项目，项目研制无油轴承板材生产过程中厚度在 线测控系统，论文重点研究测控软件设计。项目采用磁栅传感器实现板材横向 截面三个点的厚度信号的拾取，通过数据采集卡，传给计算机软件，软件实现 数据采集、显示和处理。同时根据测量得到的板材厚度尺寸，软件通过厚度控 制逻辑和电机控制卡输出脉冲信号，驱动步进电机，调节轧机两轧辊的间隙， 实现板材厚度控制。软件实现了采样数据平滑处理、测量结果动态显示、后台 测量数据保存和实时统计、生产信息输入和测量信息输出等测量功能，并且能 够根据板材厚度测量结果，实时调整板材轧制间隙，实现了板材生产过程中的 厚度自动控制。归纳起来，论文的主要研究内容及成果如下： l 、根据委托方提出软件设计要求，测控软件要求具有w i n d o w s 软件的交 互方式和外观。软件开发基于微软v c + + 6 0 平台，利用微软定义的基础类库 ( m f c ) ，结合数据采集卡和电机控制卡供应商提供的软件开发包实现开发。 软件具有操作简便、显示醒目，交互介面简洁的特点。软件完整地实现了项目 所要求的板材自动测量和手动测量、自动控制和手动控制功能，实现了标定过 程、超差报警等一系列与板材厚度测量和厚度控制等相关功能。 2 、由于系统采用接触式测量方法，为了避免测量力划伤被测板材，采用滚 动轴承测头，由此测量数据中引入了滚动轴承的径向跳动误差，软件采用移动 平滑的数据处理模式有效地剔除了滚动轴承的径向跳动误差对测量数据的影 响，另外考虑到测量现场的环境温度较高，测控软件利用微软提供的串口通信 控件获取测头温度信息，实现测量过程中的温度误差修正，保证了板材厚度的 高精度测量。 3 、论文根据板材生产过程，重点考虑了被控对象的滞后、机械结构的间隙、 控制系统安全性等因素，规划了板材厚度控制策略，结合板材控制模型，实现 了轧机轧辊的间隙调整，完整实现了厚度控制功能。 关键词：无油轴承；在线测控系统；w i n d o w s 应用软件；平板厚度 t h es o f t w a r ed e s i g no ft h eo n l i n em e a s u r e m e n t & c o n t r o lf o r t h ep l a t et h i c k n e s s a b s t r a c t t h ed i m e n s i o na c c u r a c yo ft h ep l a t et h i c k n e s sd i r e c t l yr e l a t e st ot h eq u a l i t yo f p r o d u c t s ，t h em a r k e tc o m p e t i t i o na b i l i t y a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h e c o m p a n i e s t h eo n l i n em e a s u r e m e m t & c o n t r o ls y s t e mw h i c hi s ak e yt e c h n o l o g y a n df a c i l i t i e si nt h ef i e l do fp l a t er o l l i n gd e t e r m i n e st h ed i m e n s i o na c c u r a c yo ft h e p l a t et h i c k n e s s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h et r a d i t i o n a l p l a t e sp r o d u c t i o ni si nt h ed i r e c t i o no fo n l i n em e a s u r e m e m t & c o n t r o lt e c h n o l o g y w h i c hc a nr e f l e c te n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s s a r o u n dt h em e a s u r e m e m t & c o n t r o lo f t h ep l a t et h i c k n e s s ，t h et h e s i sc o m b i n e st h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ea u t o m a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h em o d e r nm e a s u r i n gt e c h n o l o g yw i t hp a l t e sp r o d u c t i o np r o c e s s a c h i e v e st h ei n t e l l i g e n tc o n t i n u o u sc o n t r o li nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n t h et h e s i si sb a s e do nac o m m i s s i o n e dp r o je c tf r o mb u s i n e s s ，c o n c e r n i n gw i t h t h ed e v e l o p m e n ta no n l i n et h i c k n e s sm e a s u r e m e n t c o n t r o ls y s t e mf o ran o n - o i l b e a r i n gp l a t e t h ei m p o r t a n tp a r to ft h e t h e s i si st h es o f t w a r e d e s i g no f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h ep l a t e ，t h em a g n e t i c s e n s o r sp i c hu pt h et h r e ev e r t i c a lc r o s s - s e c t i o nt h i c k n e s ss i g n a l sa n dad a t a a c q u i s i t i o nc a r dd o e st h ed a t aa c q u i s i t i o n t h ec o m p u t e rs o f t w a r ed e s i g n e dd i s p l a y s a n dp r o c e s s e st h ed a t a a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h ec o n t r o ll o g i co ft h i c k n e s s a n dt h em e a s u r e dt h i c k n e s ss i z e ，t h es o f t w a r eo u t p u tt h ep u l s es i g n a lt ot h em o t o r c o n t r o lc a r d ，t h em o t o r sd r i v e d ，a n dt h e nt h et w or o l lm i l lg a pa d ju s t e dt oa c h i e v e t h i c k n e s sc o n t r o lo fp l a t e t h es o f t w a r eh a sm a n yp r o p e r t i e ss u c ha st h es a m p l i n g d a t as m o o t h i n g ，t h em e a s u r e m e n tr e s u l td y n a m i cd i s p l a y ，a n dt h ea c q u i s i t i o nd a t a c o n s e r v a t i o n ，r e a l - t i m es t a t i s t i c s ，p r o d u c t i o ni n f o r m a t i o ni n p u ta n dm e a s u r e m e n t i n f o r m a t i o no u t p u t ，e t c i na d d i t i o n ，i tc a na d j u s tr e a l - t i m et h ep l a t er o l l i n gg a pa n d a c h i e v ea u t o c o n t r o lo fap l a t et h i c k n e s si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa c c o r d i n gt o t h i c k n e s sm e a s u r e m e n td a t a t os u mu p ，t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h et h e s i s a r ea sf e l l o w s ： f i r s t ，a c c o r d i n gt oc o m m i s s i o n sp r o p o s a lo ns o f t w a r ed e s i g n ，m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls o f t w a r es h o u l dh a v et h ew i n d o w si n t e r a c t i v ew a ya n da p p e a r a n c e t h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sb a s e do nm i c r o s o f tv c + + 6 0p l a t f r o ma n dt h em i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s sd e f i n i t i o n ( m f c ) ，a n dc o m b i n i n gw i t ht h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t k i tp r o v i d e db yt h es u p p l i e r so ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dt h em o t o rc o n t r o lc a r d t h es o f t w a r ew i n d o w sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e n e s s ，d i s p l a ys t r i k i n ga n d i n t e r a c t i v ei n t e r f a c ec o n c i s i o n t h es o f t w a r eh a sm e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o je c t c o m p l e t e l y ，a n dh a das e r i e so ff u n c t i o n ss u c ha st h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n d m a n u a lm e a s u r e m e n t ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o la n dm a n u a lc o n t r o l ，t h ec a l i b r a t i o na n d t h ee x c e p t i o na l a r m ，e t c s e c o n d ，d u et ot h ec o m p a r i s o nm e a s u r e m e n tm e t h o du s e di nt h es y s t e m ，i n o r d e rt oa v o i dt h em e a s u r e m e n tf o r c es c r a t c h i n gt h em e a s u r e dp l a t e ，t h er o l l i n g p r o b e sa r eu s e d t h e r e f o r e ，t h er a d i a lr u n o u te r r o r so ft h eb e a r i n ga r et a k e ni n t o t h em e a s u r e m e n td a t a i nt h es o f t w a r e ，t h es m o o t h e dd a t ap r o c e s s i n gm o d ei su s e dt o e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei m p a c to ft h ee r r o r so nt h em e a s u r e m e n td a t a i na d d i t i o n ， c o n s i d e r a t i o no ft h eh i g ht e m p e r a t u r eo ft h em e a s u r e m e n te n v i r o n m e n t ，t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o v i d e db ym i c r o s o f ti su s e dt oo b t a i nt h et e m p e r a t u r e i n f o r m a t i o no fp r o b e s ，w h i c hm a k e st h e i m p l e m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e e r r o r c o r r e c t i o ni nt h em e a s u r e m e n ta n dt h ea c h i e v e m e n th i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n to f p l a t et h i c k n e s sp o s s i b l e t h i r d ，a c c o r d i n gt op l a t ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h et h i c k n e s sc o n t r o ls t r a t e g yi s e d u c e df o c u s i n go nt h et i m el a go ft h ec o n t r o l l e do b je c t ，t h eg a po ft h em e c h a n i c a l s t r u c t u r e a n da n dt h es e c u r i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m s ，e t c c o m b i n a t i o no fp l a t e c o n t r o lm o d e l ，t h es o f t w a r ec a ni m p l e m e n tar o l l i n gm i l lg a pa d j u s t m e n t ，a n df u l l y r e a l i z et h ep l a t et h i c k n e s sc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：n o n o i lb e a r i n g ；o n l i n em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m ；w i n d o w s a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ；p l a t et h i c k n e s s 插图清单 图2 1 复合板材生成流程图4 图2 2 系统总体框架图6 图2 3 动控制原理图6 图2 - 4d g l 0 b p m 型位移传感器技术参数图8 图2 5p t l 0 0 型铂电阻温度传感器9 图2 6 测控系统现场1 0 图2 71 1 0 b y g 五项混合式步进电机的实物图1 2 图2 8 五相混合式步进电机驱动器s h 5 0 8 0 6 b 1 3 图2 - 9 板材厚度测控系统1 5 图3 1 类之间的关系1 6 图3 2 界面信息图l7 图3 3 软件交互面板18 图3 4 类视图1 9 图3 5 系统信息1 9 图3 - 6 测量结果输出2 l 图3 7 超差报表2 2 图3 8 标定过程2 4 图3 - 9 计数硬件参数2 5 图3 1 0 输入模式宏定义。2 5 图3 1 1 锁存模式宏定义2 6 图3 1 2 单脉冲模式输出波形2 8 图3 1 3 正负输出波形2 8 图3 1 4 电机控制过程2 8 图3 15 定义动态显示面板3 0 图3 1 6 动态显示面板3 0 图3 1 7 测量过程流程图3 2 图4 1 滚动轴承与滑动测头测量曲线比对3 4 图4 2 数据采集和显示流程3 5 图4 3 数据文件的信息3 6 图4 4 向数据文件写流程3 7 图4 5 测量数据统计流程3 8 图4 6 统计数据输出3 8 图4 7 三字节定点数据格式3 9 图4 8 温度数据采集流程4 0 图4 - 9 手动控制操作键4 1 图4 1 0 自动控制模型图。4 3 图4 1 l 横向位置参数定义4 3 图4 1 2 控制参数配置4 4 图4 1 3 厚度自动控制流程4 5 列表清单 表2 1 步进电动机的主要优缺点1 2 表2 2 技术数据1 3 表2 3 五相混合式步进电机驱动器s h 一5 0 8 0 6 b 性能指标1 4 表3 1 输出信号和方向引脚2 7 表4 1 串口属性设置4 0 表4 2 虚键码4 2 创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 繇j 司喻黼期涮删删日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金理王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁工些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 籼司谕 u 签字日期：和f c 7 年华月矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名刍。忸父 签字日期：舢年9 月日 电话： 邮编： 致谢 论文是在我的导师刘文文副教授的悉心指导下完成的。在过去两年多的时 间里，刘老师给我提供了良好的学习和科研环境。从课程学习到项目研究和论 文的修订，刘老师都给予了极大的帮助，倾注了大量的心血，使得课题的研究 取得了良好的成果，论文也顺利完成，同时我的专业水平和科研能力也得到提 高。刘老师渊博的知识、敏捷的思维、严谨的治学态度、诲人不倦的精神以及 宽阔的研究视野，将对我以后的工作和学习产生重要的影响。在论文完成之际， 谨向我尊敬的导师表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 感谢余晓芬老师和周李兵同学，在课题研究的很多地方对我提出过很好的 建议和指导，以及在其它各方面都给予了很大的帮助。 感谢余武志、刘东、李永杰、李勋涛、邹庆尊、芮会会和范慧敏等同学， 在我的学习、科研和生活中，他( 她) 们给予我很大的支持，并给我的生活增 添了很多的乐趣。 最后，感谢我的家人特别是我的父母对我的支持，感谢一切曾经在我的学 习和生活中给予过我鼓励、支持和帮助过的人，衷心的谢谢大家! 作者：周瑜 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 本论文研究背景及意义 板材质量的主要衡量指标之一就是板材厚度精度。在工业生产中，精度的 高低直接影响着产品的质量以及企业的经济效益。随着计算机技术以及自动控 制理论的快速发展，基于在线检测的板厚测控技术得到了越来越多科研人员和 企业的关注。目前，厚度自动检测已成为板材生产过程中必不可少的组成部分。 而且在当今国内外竞争激烈的情况下，提高板材的生产质量就显得更加重要 h i 2 1 。 论文根据无油轴承板材生产企业提出的要求，解决复合板材生产过程中的 板材厚度连续检测和自动控制问题。目前无油轴承板材生产多集中于中小企业， 常规的板材厚度检测方法还局限于传统的人工测量，将人工测量得到的厚度值 与标准值比对后再进行人工调整，效率非常低。随着产品市场竞争的不断加剧， 特别是出口产品要求生产过程中质量过程控制的高要求的落实，传统的人工测 量方式在速度、精度和人力成本方面的劣势越来越明显，这些企业急需研发板 材厚度在线测控系统【3 1 。 1 2 国内外常用在线厚度检测的技术 近几年我国板材生产行业的生产技术和装备得到了飞速发展，尤其是钢铁 行业已经成为世界上产量最多的国家之一。但是我国目前冶金生产的技术水平 与国际先进水平相比还有相当大的差距，一些高精尖的设备与轧制技术还依赖 于引进，轧制产品的一些主要技术指标，如尺寸精度、形状、组织性能等，与 国际先进水平相比仍有较大的距离 4 1 ，尤其作为在线检测仪表与国际差距较大。 这些检测设备目前需要大量引进。作为板带产品重要技术指标的厚度在线检测 一直没有得到很好的解决，厚度在线检测成为急需解决的问题。 测厚仪作为一种特殊仪表，它是一个典型的光、机、电、计算机相结合的 高技术产品，研制和生产测厚仪不仅需要充分的理论研究，而且需要丰富的工 程实践经验。 工业测厚仪按照测量方式共分为接触式、非接触式两大类。目前国内和国 外各种生产线上使用的测厚仪主要包括y 射线测厚仪、x 射线测厚仪、涡流测 厚仪、激光测厚仪、接触式测厚仪等几种 5 1 。 ( 一) 机械接触式测厚仪 机械接触式测厚仪的工作原理是采用上下两个压头分别压在被测目标的上 下两个表面上，然后通过测量压头的位移或者旋转角度来测量被测目标的厚度。 ( 二) 超声测厚仪 超声波测厚仪是利用超声波在被测目标中的传播和反射的原理进行厚度测 量。超声波测厚仪的工作原理可以用下式( 1 1 ) 来表达【5 1 ： 日= v f 2( 1 1 ) 其中，h 是被测目标厚度，y 是声波在被测目标中的传播速度，r 是声波在 被测目标中的传播时间。 ( 三) 7 射线测厚仪 射线是从原子核内部放出的不带电的光子流，穿透力极强。如果放射线源 的半衰期足够长，在单位时间内放射出的射线盘是一定的，即射线的发射强度 恒定。当y 射线穿透被测目标时，被测目标本身吸收了一定的射线能量，被吸 收能盘的多少取决于被测目标的厚度和材质等因索。如果我们能够测量被吸收 后的射线强度，就可以知道被测目标的厚度。 ( 四) x 射线测厚仪 x 射线测厚仪的工作原理与y 射线测厚仪的工作原理基本相同，不同之处 在于所采用的放射源不同。y 射线测厚仪采用天然放射性元素，x 射线测厚仪 采用人造x 射线管作为射线源。 ( 五) 高频涡流测厚仪 高频涡流测厚仪主要应用于测量金属板带的厚度。传感器感受的是被测物 表面到传感器间距离的变化。为克服被测物表面不平整或者上下振动对测量的 影响，通常在被测目标的两侧分别对称安装两个特性相同的电涡流传感器。 ( 六) 激光三角法测厚仪 三角法是一种成像法，测量精度很高，测量重复性好，可达1o p m 左右。 该方法的特点高精度、测量点小、适用范围广，不受被测材料的限制，对大多 数不透明的物体都可以适用，近年来该方法用于测量位移、厚度，在国内受到 广泛的重视。 其测量原理是用一束激光照射到被测物面上，由物体表面散射光成像，通 过光电传感器c c d ( 电荷耦合器件) 将像信号转换为电信号测出其像点位置。 物面移动时，因像点相应移动，由此即可求出位移量。在厚度检测中，在被测 厚度上下表面使用两个激光三角法测头，能够准确地测量运动物体的厚度f 6 】。 1 3 板厚控制系统研究趋势 目前国内外在有关板厚控制方面的研究工作主要在以下两个方面： 1 ) 由于板厚自动控制方式多样，每种板厚自动控制技术之间相互关联， 相互渗透，每种技术之间存在着最优组合方案，目前世界上许多该领 域的学者在积极研究该课题【7 1 。 2 ) 随着人工智能系统在工业生产领域运用的普及，一些板厚控制系统也 渐渐采用人工智能控制，主要选择的是p i d 控制器。而对于不稳定的 2 轧制状态( 譬如头、尾板厚控制) 多采用的是自适应神经网络p i d 和 模糊p i d 控制【8 1 1 l 。一个自适应p i d 神经网络控制器能达到迅速地降低 出口厚度偏差的目的 1 2 l ，当p i d 参数在线自适应调整的同时，头尾厚 度精度也被有效地提高了，不合格的带长可减少7 3 t l 。 1 4 本论文研究的目的及主要内容 板带厚度精度是板带材的重要质量指标之一，板带厚度控制是板带轧制领 域里的两大关键技术之一。近年来我国从发达国家弓l 进的一些大型现代化板带 轧机，其关键技术在高精度的板带厚度控制和板形控制。板带厚度精度关系到 金属的节约、构件的重量以及强度等使用性能，为了获得高精度的产品厚度， 厚度控制系统必须具有高精度的控制系统支持。由于板带材的质量要求轧机自 动化控制水平越来越高，对轧压厚度控制系统的控制要求也越来越高。在实际 轧制过程中，影响轧后带材厚度精度的因素很多0 4 1 。 本论文以企业委托项目“板材厚度测控系统研制”为背景，对无油轴承板材 厚度的测控软件进行研究设计。论文完成的主要工作包括以下几点： 1 ) 采用v c + + 60 实现测控软件开发，所开发的测控软件界面简单、醒目， 便于操作，符合用户的操作习惯。软件实现功能有：板材厚度纵向实时动态测 量曲线显示以及数据定时统计显示、横向手动测量曲线显示及其统计数据显示、 板材生产过程中厚度的手动控制和自动控制、自动标定、温度测量及误差补偿、 超差自动报警、测量数据实时存储、浏览、分段统计以及超差报表自动生成等 功能。 2 ) 面对测量数据中引入了滚动轴承的径向跳动误差，软件采用移动平滑的 数据处理模式有效地剔除了滚动轴承的径向跳动误差对测量数据的影响；考虑 到测量现场的环境温度较高，测控软件利用微软提供的串v i 通信控件获取测头 温度信息，为实现测量过程中的温度误差修正提供依据。 3 ) 建立了板材轧制过程中的厚度控制模型。实时测量板材厚度尺寸，根据 厚度偏差的状况判断是否要进行轧制间隙的调整以及调整量的大小，基于控制 算法，输出反馈信号来驱动伺服电机运动，控制轧辊回转中心的位置，调整轧 辊间隙，使板材轧制厚度趋近理想值。 本项目经企业验收以后，指标和功能符合企业要求。 1 5 本章小结 本章提出了论文研究的意义及背景，介绍了板材厚度监测技术发展状况、 目前国内外常用的在线厚度检测技术和板厚控制系统研究趋势；最后提出了本 论文研究的目的及主要内容。 第二章系统硬件框架的搭建 2 1 测控系统分析及总体框架构建 在汽车工业中大量使用无油轴承，它具有成本低廉的优点。它的制造工艺 就是在普通板材上涂抹特殊材料，经过高温烧结、压制成为复合板材，再经过 裁剪、卷曲成为用于各种场合尺寸不同的滑动轴承。目前这类产品的生产企业 多为中小企业，由于缺乏必要的检测手段，无油轴承的质量一直达不到国外汽 车厂家的要求。论文来源于无油轴承中小企业的委托，研制无油轴承板材厚度 在线测控系统。 2 1 1 板材生产线现场状况 由于项目研究是面向生产现场的测控系统研制，在此，有必要对现场环境 作初步的介绍。无油轴承板材的生产是在普通钢板上涂抹特殊粉末，经过烧结 和精轧而成，具体过程如下【1 5 1 ： 铺铜粉：在近2 0 c m 宽的镀铜钢板上铺撒铜球粉，铜球粉的厚度大约在 2 5 0 p , m 3 0 0 9 m ，板材结构分三层( 镀铜、钢板、铜球粉) ，铜粉比较松散，有 可能出现较大的空隙，大约在1 0 0 1 4 0 目。而板材两边基本无倾斜，前后高度 也基本保持水平。镀铜面有油污块，颜色比较明显。 铺p t e f ：板材作直线水平运动，在粗糙的铜粉表面用轧机结合上p t e f ， 表面相对光滑，且有一定硬度。 烧结：铺好铜球粉的钢板进入电炉进行烧结，出来时的稳温度在2 0 0 ， 前后变化在2 0 9 m 2 0 0 9 m 。 轧制：通过控制压辊的轴的中心位置来控制板材的厚度。如图2 1 所示： 铺球形铜粉 h 烧结叫铺改性册 一烘干卜 图2 一i 复合板材生成流程图 根据生产现场的空间状况，板材厚度测控系统位于板材轧压之后，测控系 统与轧机之间的距离约1 米，而轧机位于烘干炉之后1 米处，可见，板材厚度 控制系统工作环境的温度相当高，所以温度对系统测量精度的影响是系统设计 中应该考虑的问题。同时针对不同的板厚，板材的走带速度、尺寸公差及轧机 工作状态等一系列参数将发生改变，在板材生产开始阶段，需要“手动控制”快 速调节轧辊轴向的初始间隙，在板材的生产过程中，需要根据板材实时测量数 4 据的超差情况“自动控制”板材厚度。 被测板材在生产线上走带速度较慢，一般在每分钟6 7 0 1 4 7 0 m m 之间，最 快不会超过每分钟2 0 0 0 m m 。由于板材基板厚度的不均匀，在材料延展性的作 用下，轧制后板材表面并不平整，有明显的波动，由此引起的测量局部的上下 跳动，跳动量在1 0 m m 以内，同时板材也会在左右方向上有微小的偏移量，一 般在5 m m 以内，测量时需要考虑到这一情况。 据此，委托方提出的项目要求： _ 测量范围：宽度为15 0 - - 2 4 0m m 、厚度为0 7 5 - 3 m m 的板材 一板材运行速度小于2 米分 - 加工中在板材长度方向三点( 中间1 点、距边10 毫米处2 点) 连续测 量 一板材静止时测量板材横截面厚度曲线 传感器测量范围0 1 0 m m ，精度为- 4 - 1 i t m 测量力可调，保证在不划伤表面的情况下可靠接触 _ 测量系统可在加工系统不停机的情况下随时标定 测量环境温度为o 5 0 有定位辅助系统 2 1 2 板材厚度在线测控系统的总体布局 板材生产中，板材经过轧机轧制后到达测量位置，使用双杠杆机构同时感 受上下两个表面的厚度变化，利用三个传感器将测量数据转化为电信号，通过 采集卡送入计算机，测控软件接收测量数据进行实时数据分析处理，即时显示 出板材厚度变化曲线和厚度偏差值。考虑到板材生产环境温度较高，系统采用 温度传感器拾取测头上下温度，送入温度巡回检查仪，转换为温度信号，通过 串口，进入计算机，实现测量过程中的温度温差修正。同时测控软件还根据厚 度偏差判断是否要进行轧制量的调整以及调整量的大小，发出反馈控制信号， 送给轧机上的电机控制器，驱动伺服电机，再通过蜗轮减速器驱动轧辊的轴心 位置，调整轧辊间隙，使板材轧制厚度趋近理想值。由此循环往复，通过板材 厚度的自动检测与轧制参数的反馈调整，实现板材生产的厚度自动化控制。系 统总体框架图如图2 2 所示。 国2 - 2 系统总体框架嘲 板材厚度控制原理即是通过传感器对带钢实际轧制厚度连续地进行测量， 根据实测值与给定值相比较后的偏差信号，借助于控制模型和控制装置以及计 算机软件，输出控制信号，控制电机调节轧辊下压位置，把板带厚度控制在允 许公差范围之内。自动控制原理图框图如图2 - 3 所示。 圈2 - 2 自动控制原理圈 从控制原理上看该系统是个三输入两输出闭环控制系统。输入信号来 自于三传感器对板材厚度测量数据，软件通过控制模型，输出两路控制信号分 别调整轧辊轴的左右位嚣，以此调整两轧辊之间的左右间隙。另外，该控制系 统测量的是板材轧制以后的厚度，那么轧辊间隙调整毗后的效果要等待一段时 阃( 轧机与测控装置之间的距离，走带速度) 方可从测量结果中反映出来，因此， 被控对象是一个大滞后对象，这对控制系统设计而言，控制策略和控制模型是 项目研究关键问题。 2 2 确定测量方法及测量器件的选择 2 2 1 测量方法的确定 板材生产过程中厚度误差关系到板材质量，多数板材生产线都有一个特定 的环节实现厚度测量。超声厚度测量或激光三角法测量是常用的方法。 ( 一) 超声厚度测量 属于非接触式测量。超声波测量根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量 的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回 探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能 使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。按此原 理设计的测厚仪可对各种板材和各种加工零件做精确测量，也可以对生产设备 中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度 1 6 1 。可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。但超声 波测厚仪示值受到以下因素的影响： 1 ) 工件表面粗糙度过大，造成探头与接触面耦合效果差，反射回波低，甚 至无法接收到回波信号。 2 ) 检测面与底面不平行，声波遇到底面产生散射，探头无法接受到底波信 号。 3 ) 铸件、奥氏体钢因组织不均匀或晶粒粗大，超声波在其中穿过时产生严 重的散射衰减，被散射的超声波沿着复杂的路径传播，有可能使回波湮没，造 成不显示。 4 ) 探头接触面有一定磨损。 5 ) 被测物背面有大量腐蚀坑。 6 ) 被测物体内有沉积物。 7 ) 材料内部存在缺陷( 如夹杂、夹层等) 。 8 ) 温度的影响。 用于板材测控系统工作环境温度较高，同时被测板材为复合板材，这对超 声波特性的稳定性产生较大影响，故系统没有采用该测量方法。 ( 二) 激光三角法测量 激光三角法测量价格昂贵，多用于高精尖的测量场合，考虑到在对板材进 行测量的过程中会产生局部跳动，由于激光三角测量法测量范围有限，项目不 宜采用这种测量方法。 考虑到接触式测量有测量可靠的优点，项目采用接触式测量方式。同时考 虑到测量过程中由于材料张力的影响，板材将有强烈的跳动，为了避免这一跳 7 动对测量精度的影响，要求传感器具有较好的频响特性和较大的测量范围。为 了保证测量可靠，结合传感器的选择，项目决定使用比较测量模式，这意味着 每更换新板材时，首先使用标准量确定传感器零位，在此，这一过程称为标定 过程。 2 2 2 测量器件选择 传感器是一种在一定的精确度下把测量量转换为与之有确定对应关系的、 便于应用的某种物理量的测量装置【 】。传感器一般包括敏感元件、转换元件、 基本转换电路三部分，其精度决定了系统的测量精度，同时考虑到系统工作环 境温度较高，需要引入温度测量环节对测量位置的温度进行测量，为温度误差 修正提供必要手段。系统设计涉及两种传感器：位移传感器和温度传感器。 ( 一) 位移传感器的选择 由于本论文采用接触式测量方案，所以我们选择了s o n y 公司研制的 d g i o b p m 型磁栅式位移传感器。其精度为2 “m ，符合委托方要求的传感器精 m o a 婚l i t e m o g l o b h md q l o b n ed g o b p 啪d a 1 0 b p eo g 0 8 8 md a o b 8 e m 钧s u m g 博n 矽 o t 0 1 0 t 阿矿o t o o 4 ” r o $ o l u t i o n0 0 0 0 5 ，0 0 0 1 0 0 0 2 ，0 0 0 6 ，o 0 1m m a c c u r a c yd 0 0 2 删0 0 0 0 0 9 ” m a x i m u r n 1 盯移8 r a 3 p o n o e 喜p o 删 m e a s u r i n gl d r o e o o w n w a r d0 e o 3 5 n h o r i z o n t 砒0 6 0 3 n5 0 n o r 陶| i i u p w a r d 0 3 0 2 5 n f o d o rp r o 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