（机械电子工程专业论文）高精度激光板厚测量仪的振动误差研究.pdf

摘要 高精度板厚测量仪是实现高精度铝薄板加工及板凸度的精确控制的关键设备。 板厚测量仪通过测量生产过程中的横向板厚差， 为铝薄板带材生产过程控制提供更加全面的信息。 高精度激光测厚仪以其高精度、 低成本成为了在线板型监测技术研究的一个重要方向。 在高精度激光测厚中， 振动是影响测量精度的关键因素之一。 由于测厚仪的结构和现场振动状况都很复杂， 难以建立测厚仪测量误差与振动因素的数学模型。 本文通过对铝薄板铸轧加工现场的振动测试以 及高精度激光仪内部的振动分析测试， 设计了基于空气弹簧的被动隔振系统以及基于神经网络的数据误差补偿系统， 对高精度激光板厚测量仪的振动消除做了以下研究: 1 .在测试和分析了工业现场高激光测厚仪的振动状况和振动原因的基础上，得出了高精度激光测厚仪振动抑制的策略。 2 .根据工业现场振动环境的特点以及激光测厚对外界振动的响应试验， 设计了空气弹簧消极隔振系统， 并对空气弹簧隔振系统的关键参数进行了模拟仿真设计。 3 .根据高精度激光测厚仪自 身结构和内部振动的特点， 设计了基于神经网络的高精度数据误差补偿系统，并开发了数据补偿软件。 4 .设计了高精度数据补偿系统的模拟仿真试验， 并利用在华北铝业集团超薄快速铸轧车间的高精度激光测厚仪试验样机上测试的数据进行了仿真。 并根据仿真建立的数据补偿系统对测厚仪试验样机进行了试验。关键词:激 光测厚， 振动隔离， 空 气弹簧， 神经网 络， 误差补偿t h e s t u d y o f t h e e r r o r c a u s e d b y v i b r a t i on i nh i g h - a c c u r a c yla s e r m e a s u r e me n t i n s t r u me n t f o r th i c k n e s s o f p l a t eabs tract t h e h i g h - a c c u r a c y l a s e r m e as u r e m e n t i n s t r u m e n t f o r t h e t h i c k n e s s o fp l a t e i s a k e y t o r e a l i z e t h e h i g h - a c c u r a c y p r o c e s s i n a lu m i n u m t h i n p l a t ea n d t h e fl a t c o n t r o l . me a s u r i n g t h e t r a n s v e r s e e r r o r o f t h i c k n e s s o f p l a t e ,i t o ff e r s v e ry c o m p r e h e n s i v e i n f o r m a t i o n f o r t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o fa l u m i n u m s h e e t p r o d u c t s .t h e h i g h a c c u r a c y l a s e r m e as u r e m e n ti n s t r u m e n t f o r t h e t h i c k n e s s o f p l a t e b e c o m e s a n i m p o r t a n t a s p e c t i n t h efl a t c o n t r o l b e c a u s e o f l o w - c o s t a n d h i g h - a c c u r a c y . v i b r a t i o n i s o n e o ft h e m o s t i m p o r t a n t r e a s o n s t h a t t h e a c c u r a c y i s w e a k e n e d . b e c a u s e t h eh i g h - a c c u r a c y l a s e r m e a s u r e m e n t i n s tr u m e n t i s b a r o q u e a n d t h e v i b r a t i o ni n p r o d u c t i o n s c e n e i s c o m p l e x , a n d t h e m a t h e m a t i c m o d e l i s d i f f i c u l t t ob u i l d . b a s e d t h e t e s t o f v i b r a t i o n i n t h e t w i n r o l l c o n t i n u o u s c a s t i n g s c e n ea n d t h e a n a l y s i s f o r v i b r a t i o n o f t h e h i g h - a c c u r a c y l a s e r m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t , t h e a i r s p r i n g v i b r a t i o n i s o l a t i o n s y s t e m a n d t h e e r r o re q u a l i z a t i o n s y s t e m b a s e d n e u r al n e t w o r k a r e d e s i g n e d . t h e m a i nr e s e a r c h a b o u t t h e h i g h - a c c u r a c y l a s e r m e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t f o r t h et h i c k n e s s o f p l a t e i n t h i s p a p e r as f o l l o w i n g : 1 . a f t e r t h e s t a t u s a n d r e a s o n o f v i b r a t i o n i n p r o d u c t i o n s c e n e w ast e s t e d a n d a n al y z e d , t h e p o l i c y o f e l im i n a t i n g t h e e r r o r c a u s e d b yv i b r a t i o n in h i g h - a c c u r a c y l a s e r m e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t i s d e s i g n e d . 2 . t h e a i r s p r i n g v i b r a t i o n i s o l a t i o n s y s t e m i s d e s i g n e d f o rc h a r a c t e r i s t i c v i b r a t i o n i n p r o d u c t i o n s c e n e . a n d t h e p i v o t al p a r a m e t e r o ft h e a i r s p r i n g v i b r a t i o n i s o l a t i o n s y s t e m i s s i m u l a t e d a n d d e s i g n e d . 3 . t h e e x p e r i m e n t a t i o n i s d e s i g n e d f o r t h e h i g h - a c c u r a c y l a s e rm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t , a n d t h e s o ft w a r e i s d e s i g n e d . 4 . t h e s i m u l a t e d e x p e r im e n t a t i o n o f t h e e r r o r e q u a l i z a t i o n s y s t e m i sd e s i g n e d . t h e d a t a u s e d g a t h e re d fr o m t h e p l a n t o f t h e t w i n r o l lc o n t i n u o u s c as t i n g i n n o r t h c h i n a a l u m i n u m c o . i s d e s i g n e d .t h ee x p e r i m e n t a t i o n h as b e e n c o m p l e t e d i n b a s e o f t h e e r r o r e q u a l i z a t i o ns y s t e m.key w ords:l a s e r m e a s u r e m e n t s y s t e m f o r t h i c k n e s s o f p l a t e ,v i b r a t i o n e l i mi n a t i o n ,a i r s p ri n g ，n e u r a l n e t w o r k , e r r o r e q u a l i z a t i o ni n原创性声明本人声明，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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：日期：年月日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：导师签名日期：年一月一日堡主堂垡鲨塞苎坚签堕1 1 课题来源第一章文献综述本学位论文课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题一“铝薄板高精度板凸度在线检测装置”中对影响测量铝板厚度的振动进行抑制的研究。( 课题编号：2 0 0 2 钆2 3 1 9 0 )1 2 高精度板凸度在线检测装置技术发展与现状随着世界经济和科学技术的发展，人们对高质量铝材及其制品的需求不断增加，板材横向板凸度是板带轧制生产中重要的控制指标，该参数一方面反映了轧件在生产过程中的横向板厚差，另一方面直接影响到轧件的板型状态和辊型调控目标，对生产过程稳定和产品质量控制有决定性的作用。目前在板带轧制生产线上没有直接测量横向板厚( 板廓) 的手段，一般的过程监测都是采用测厚仪定点检测板带中点厚度，通过板型辊检测带材张力变化间接测量板型与板凸度参数。因此，全断面铝薄带厚度在线检测装置将铝薄板带材生产过程控制提供更全面的信息( 板厚、板凸度、板型) 和手段“1 。根据铝行业国家标准( 厚度为0 1 衄铝箔的厚度允许偏差为0 0 0 8 衄、厚度为0 1 2 哪铝箔的厚度允许偏差为0 0 1 衄、厚度为0 3 衄铝薄板的厚度允许偏差为o 0 4 衄) ，厚度检测装置的检测精度要达到0 0 0 1 衄，才能实现高精度铝薄板加工及板凸度的精确控制“1 。在铝薄板的板厚度检测领域，目前主要应用x 射线测厚装置。国外在这一技术领域已经比较成熟，例如美国m e a s u r e x 公司、德国f i s c h e r 公司的x 射线测厚仪己达到很高精度。国内也曾致力于x 射线测厚仪的研制与开发，由于射线源技术一直得不到很好的解决，在这一领域韵研究进展缓慢，在铝加工行业尚未进入到实际应用阶段。目前，国内板材厚度检测技术的研究主要有放射性同位素测量技术和激光测量技术。，射线被广泛使用于钢材轧制过程的厚度检测，但是由于铝板对，射线的吸收远小于钢板对，射线的吸收；射线难于穿透厚度大于4 咖的铝板。1 ，故射线多用于铝箔的测厚。因此，放射性同位素的测量装置基本上没有涉足铝加工业。随着激光应用技术的进步，激光测厚技术在近几年取得了迅速发展。信息产业部电子第二十七研究所、西安市逵盛测试设备有限公司、安徽光学精密机械研究所以及大连工学院等多家单位都研制出了激光测厚仪，在钢铁热轧生产线上得到了广泛应用，在铝中厚板热轧生产线上也有应用的硕士学位论文文献综述例子。测量精度一般为o 1 o 0 5 m m 。在铝板冷轧测厚中，奥原公司的激光测厚仪精度以达到o 0 3 m m 。激光测厚技术为一种非接触厚度测量系统，它能非接触、无磨损在线厚度测量金属、塑料、橡胶、木材、纸张或者其它材料的带宽、薄膜、薄带、平板等a测量目的，或在生产线直接监控和确保产品质量。或者调节和控制生产过程。激光传感器被固定在一个c 型或o 型结构的固定机架上，或者安装在一个横梁机构上。可监控被测体长度和宽度参数。激光传感器在价格上远低于x 射线源和同位素射线源。一套测量精度达到1 朋的进口激光传感器价格在人民币6 万元左右，而同样精度的同位素射线测量系统则需要l o o 万元以上，而x 射线测量系统价格更高。而且x 射线和同位素射线都存在电离辐射，人若长期接触会有害健康；而激光测厚传感器的辐射基本对人体无害。1 3 振动抑制技术1 3 1 振动抑制技术概述在激光铝薄板的板厚度在线检测装置中，振动是对测量精度影响较大的一个因素，对振动的抑制也是激光在线检测装置是否能达到高精度的关键。振动抑制技术包括两个方面，振动隔离技术和对振动数据的实时在线补偿技术。1 3 2 隔振技术概述现代工程技术中对振动这一严重影响加工和测量精度的现象有不少行之有效的减小和控制振动的方法，大致分为如下三类【4 】：1 减小扰动：减小和消除振动源的激励：2 防止共振：防止和减小设备、结构对振动的响应；3 采取隔振措施：减小或隔离振动的传递。根据减振装置是否要求该隔振系统以外的设备提供能量支持它工作，隔振系统可以分为两类：被动隔振和主动隔振。被动隔振也叫无源隔振，它不需要系统之外的设备提供能量支持减振装置工作；主动隔振也叫有源隔振，它需要系统之外的设备提供能量支持减振装置的工作。实际工作中，经常是将上述两种隔振系统结合工作，实现对振动的隔离和衰减。一般振动的隔离分为两种情况，即积极隔振和消极隔振。积极隔振是指2堡圭堂垡笙茎壅堕簦垄隔除机器和仪器设备运行时造成的振动对地基的影响，以避免机器和仪器本身的振动对其它仪器和设备以及人员造成不利的影响。积极隔振的振源是设备本身。消极隔振是指隔除地基或外界的振动对机器和仪器的影响，以提高精度或避免振动对设备造成破坏。消极隔振的振源来自外界，一般不止一个。激光测厚仪的隔振属于后者。振动从其控制形式来说也主要可以划分为被动隔振与主动隔振两种。被动隔振一般为比较传统的隔振方法，它一般采取无源隔振的形式，采用该方式的隔振系统不需要系统以外的能源装置提供能量来支持系统的工作。传统的隔振系统都是又具有一定的刚度和阻尼的隔振元件或隔振材料组成被动隔振系统。它的隔振原理是依靠系统的阻尼来消耗振动的能量。如车辆悬挂系统和充气轮胎为车架隔振，发动机舱壁粘贴高阻尼弹性材料使其消振。近年来也涌现出了不少用于隔振的新材料。如复合纤维、复合橡胶等pj 。主动隔振一般采取有源隔振的形式。这种隔振技术需要系统以外的能源装置提供能量来支持隔振系统工作。其原理是在无源隔振的基础上，通过传感器，将所要消除的振动信号精确的检测出来，然后经过信号放大器将所测得的信号进行合理的放大，输入控制器中完成一定的算法，再输出控制信号到执行元件，通过执行元件的动作主动地削弱振源对需要隔振的装置的激励，从而达到减振的目的。近年来由于控制技术的发展，相继出现了采用电气伺服、气动、液压、压电材料等进行主动隔振的研究。另外，还有一种隔振可以被称为半主动隔振，它介于两者之间，与主动隔振相比，结构简单，不需要专用的能源装置，也没有复杂的电子线路，通过采用阻尼系数可调的主动式阻尼器，使半主动隔振的效果可以接近与主动隔振。但目前技术不太成熟，只有国外有过少量研究，而且多用于车辆的隔振峥j 。被动隔振不需要系统外的能源，结构简单，技术成熟，经济性很好。主动隔振结构复杂，但它有更好的隔振性能。对于高频振动的隔离，传统的被动隔振有行好的效果；但对于低频的隔振，效果一般较差。主动隔振却有很好的低频隔振效果。随着超精密加工和测量的发展，仪器设备对振动环境的要求也越来越高，这也对隔振提出了更高的要求。现代用于超精密机床和精密测量平台的被动隔振大都采用能自动找水平的空气隔振垫，它属于半主动隔振技术。一般可以隔离2 h z 以上的外界振动。例如美国l l l 实验室的d t m 一3 大型超精密机床使用空气弹簧隔振垫后，可以隔离频硕士学位论文文献综述率大于1 5 2 h z 的外界振动，隔振后轴承部件的相当振动仅2 m l w 。1 3 。3 误差补偿技术除去振动隔离技术之外，对高精密测量中的振动也可以采用在线数据补偿来达到消除测量数据中振动因素造成的误差。在机械加工和测量中出现的误差采用修正、抵消、均化、“钝化”等措施使误差减小或消除，就是误差补偿的概念。误差修正、误差校正通常是误差补偿的同义词，这是从误差补偿这一术语的广义角度来论述的。但从狭义的角度来分析，误差修正( 校正) 是指对测量、计算、预测所得的误差进行修正( 校正) ；误差分离是指从综合测量所得的误差中分离出所需的单项误差；误差抵消是指两个或更多个误差的相互抵消；而误差补偿应该是指对一定尺寸、形状、位置相差程度( 差值) 的补足，这里所论述的误差补偿主要是误差的修正。误差补偿可根据不同的特征来分类【7 j ：实时与非实时误差补偿在加工和测量过程中，实时进行误差检测，并随后紧接着进行误差补偿，就是实时误差补偿，也就是在线检测误差补偿，又称为动态误差补偿。其特点是：1 误差补偿精度较高。2 不仅可以补偿系统误差，而且可以补偿随机误差。因为在动态过程中误差值变化迅速，补偿在时间上总有滞后，对于随时间变化的变值系统误差( 不能用数学模型表达的) 和随机误差，不能全部补偿。3 实现补偿的技术复杂，实旎环境有限制，甚至有些情况不能进行实时误差补偿。4 实旌非实时误差补偿只能补偿系统误差，又称之为静态误差补偿。软件与硬件误差补偿计算机技术的发展使得误差补偿可采用软件的形式来进行。例如在数控机床的随动进给系统中，所采用的滚动丝杠尽管有消除间隙结构，但总会有相反方向间隙( 死区) ，如果其数值是稳定的，可通过增加脉冲数来进行补偿，以提高随动进给系统的精度。在闭环数控系统中，迸给运动的移动量是由检测装置以脉冲计数方式反馈到数控装置的比较器中，与原来的指令脉冲数进行比较，当两者相等时，进给运动停止。这些都是软件补偿的实例，可见它是通过计算机对所建立的数学模型进行运算后，发出运动指令，由数控随动系统完成误差补偿动作。前述的丝杠车床母丝杠螺距误差补偿，采用校正尺来修正，是一种硬件补偿。因此，软件补偿与硬件补偿的区分是看补偿信息是由软件还是由硬件产生的，软件补偿的特点如下：4硕士学位论文文献综述1 有较高的动态性能，补偿值可随工作状态的变化而即时变化，即具有柔性。2 补偿信息通过计算机对所建立的数学模型进行运算后产生，因此要有计算机控制系统，一般都是数控系统。3 补偿系统机械结构简单、经济、工作方便可靠。误差补偿技术已广泛被应用于精密机械加工和测量。美国w i s c o n s i n 大学进行外圆磨床主轴径向跳动误差补偿控制系统的试验，使被补偿工件的圆度误差由0 7 4 ，删减小至o 3 7 5 ，册，同时在对数控立铣工件平面度的补偿控制系统试验中，平面度误差也减小了8 0 左右。哈尔滨工业大学开发的车削工件圆度和圆柱度补偿系统也使国产s 1 2 2 5 超精密车床的圆度误差减小了4 0 ，圆柱度误差减小了2 3 。1 4 人工神经网络人脑是宇宙中已知最复杂、最完善和最有效的信息处理系统，是生物进化的最高产物，是人类智能、思维和情绪等高级精神话动的物质基础，也是人类认识较少的领域之一。长期以来，人们不断地通过神经学、生物学、心理学、认知学、数学、电子学和计算机科学等一系列学科，对神经网络进行分析和研究，企图揭示人脑的工作机理，了解神经系统进行信息处理的本质，并通辽对人脑结构及其信息处理方式的研究，利用大脑神经网络的一些特性，设计出具有类似大脑某些功能的智能系统来处理各种信息，解决不同问题。用机器代替人脑的部分劳动是当今科学技术发展的重要标志。计算机就是采用电子元件的组合来完成人脑的某些记忆、计算和判断功能的系统。现代计算机中每个电子元件的计算速度为纳秒( 1 0 1 秒) 级，而人脑中每个神经细胞的反应时间只有毫秒( 1 0 。6 秒) 级。然而在进行诸如记忆回溯、语言理解、直党报理、图像识别等决策过程中，人脑往往只需要秒钟左右的时间就可以完成复杂的处理。换句话说，脑神经细胞做出决定需要的运算不超过1 0 0 步，范德曼( j a f e l d m a n ) 称之为1 0 0 步程序长度。显然，任何现代串行计算机决不可能在1 0 0 步运算中完成类似上述的一些任务。由此人们希望去追求一种新型的信号处理系统，它既有超越人的计算能力，又有类似于人的识别、判断、联想和决策的能力i g 】。人工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 简称a n n ) 正是在人类对其大脑神经网络识理解的基础上人工构造的能够实现某种功能的神经网络。它是理论化的人脑神经网络的数学模型，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系统。它实际上是由大量简单元件相互连接而成的复硕士学位论文文献综述杂网络，具有高度的非线性，能够进行复杂的逻辑操作和非线性关系实现的系统。人工神经网络吸取了生物神经网络的许多优点因而有其固有的特点一j ：1 高度的并行性人工神经网络是由许多相同的简单处理单元并联组合而成，虽然每个单元的功能简单，但大量简单处理单元的并行活动，使其对信息的处理能力与效果惊人。2 高度的非线性全局作用人工神经网络每个神经元接受大量其它神经元的输入，并通过并行网络产生输出，影响其他神经元。网络之间的这种互相制约和互相影响，实现了从输入状态到输出状态空间的非线性映射。从全局的观点来看，网络整体性能不是网络局部性能的简单迭加，而表现出某种集体性的行为。3 良好的容错性与联想记忆功能人工神经网络通过自身的网络结构能够实现对信息的记忆神经元之间的权值中。从单个仅值中看不出所储存的信息内容，神经元之间的权值中。从单个仅值中看不出所储存的信息内容，因而是分布式的存储方式。这使得网络具有良好的容错性，并能进行聚类分析、特征提取、缺损模式复原等模式信息处理工作；又宜于做模式分类、模式联想等模式识别工作。4 十分强的自适应、自学习功能人工神经网络可以通过训练和学习来获得网络的权值与结构力相对环境的自适应能力。1 5 课题研究的意义与目的我国是铝材生产大国，存在着以下问题：经济性：现已安装的高精度厚度测量装置几乎全部是从国外进口的x 射线测厚仪，价格十分昂贵( 每台约2 2 万美金) ；由于国内研制的板型辊仍只停留在实验室阶段，只有极少数轧机上配备有进口板型测控系统，并且价格更为昂贵。功能特性：射线厚度检测装置的检测原理是通过一定面积板材( 如：直径巾1 0 0 ) 对射线的吸收量来计算确定所测板厚，对于板带边部的厚度无法准确测得，而这对于板凸度与板型控制又是必需的；现有激光测厚装置多为定点测量，不能满足实时横向板厚分布的厚度测量，且测量精度也不能满足铝薄板生产的要求。因此，研究与开发一套基于激光检测技术的低成本、高精度( 微米级) 、稳定性好的铝薄板的板凸度在线检测装置，对于提高我国铝带材的产品质量，增强市场竞争力具有重要的意义。微米级的铝薄板的板凸度在线检测装硕士学位论文文献综述置振动是直接影响铝板厚度测量的最主要因素之一。同时振动的抑制在精密加工和测量领域都是无法回避的问题，所以本文对于高精度激光测厚仪振动抑制的研究有重要的学术意义和工程意义。为此，本文研究的主要目的，就是分析在激光测厚中影响板厚测量的振动因素，研究和探讨在激光测厚中对振动的抑制方法，建立激光测厚仪对振动的响应模型，并且编制板厚测量的控制和补偿软件，进行试验和模拟仿真分析研究，最终将振动对高精度测厚的影响控制在允许范围之内，为进一步提高激光测厚的精度做出贡献。1 6 课题研究的内容和结构本论文将根据“铝薄板高精度板凸度在线检测装置”中对测量精度要求，分析现场和测厚仪自身工作造成的振动对测量精度的影响，结合智能控制和补偿理论，做如下研究：第一章：文献综述。根据对“铝薄板高精度板凸度在线检测装置”中振动控制和补偿的综述，提出本文的研究目的。第二章：测厚仪结构方案与振动试验研究。对工业现场振动的测试和测厚仪所产生的振动以及振动对测厚结果造成的影响进行试验测试分析；并在实验室激振台上完成振动频率对激光测厚精度影响试验。第三章：振动抑制方案确定。根据测试结果和理论分析，提出振动抑制方案。第四章：空气弹簧隔离外界振动的研究。阐述空气弹簧原理，并对其隔振和水平度平衡进行仿真，根据仿真结果确定其关键参数。第五章：在线误差数据补偿系统的研究与设计。阐述神经网络原理，设计基于神经网络的数据补偿系统的软件和硬件系统。第六章：数据补偿系统的模拟仿真和现场试验。根据从工业现场获得的数据，对神经网络进行仿真学习，并根据学习结果进行试验。第七章：总结全文。堡主堂堡笙塞型壁堡箜塑查壅! i i 壁蔓! 垒! ! 塑第二章测厚仪结构方案与振动试验研究2 1 高精度板凸度在线检测装置结构2 1 1c 型结构激光测厚仪的结构经过“铝薄板高精度板凸度在线检测装置”课题组综合各方面的考虑，激光测厚仪的结构示意图如下图2 1 所示，采用由伺服电机驱动滚珠丝杠的驱动方式，推动c 型移动机构进行移动，c 型移动机构的激光测量器对铝薄板进行扫描，来测量铝薄板的厚度。2 1 2 激光测量传感器简介图2 1c 型激光测厚仪结构图本装置采用德国米铱一体化的激光位移传感器作为敏感元件，其性能指标如表2 2 所示。性能分类指标测量范围2线性中点哪2 51线性度um+ 一o 0 5 o 1分辨率u m+ 一0 0 0 5 频响1 0 k h z辅助光3 0 勒克斯8硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究光斑直经um8 0 1 4 0光源半导体激光器1 脚6 7 0 m 红色激光等级2d i ne n 6 0 8 2 5 1 a 11 2 9 9 i e c 8 2 5 1 a l 1 2 9 9 f d a保护等级传感器i p 6 5控制器i p 6 0工作温度0 5 0存储温度一2 0 7 0输出( 数字)r s 4 8 5 6 8 7 5 k b电源2 4 v d c ( + 一1 5 ) ，m “5 0 0 i i l a耐震2g耐冲击1 5g表2 2 激光传感器性能指标该激光器是基于三角激光位移法的差动厚度测量系统，激光测量厚度的基本原理如图2 3 ，由厚度测量公式矿= d d i d 2( 2 一1 )上下两激光头之间的固定距离为d ，上激光头与铝板上表面的距离为d 1 ，下激光头与铝板下表面的距离为d 2 ，铝板厚度测量值为w 。假定对铝板进行静态测量，即铝板并不运动。如果d 值固定不变，且d 1 、d 2 的值在激光头测量的线性范围之内，无论d 1 ，d 2 如何变化，铝板的厚度测量值是不会变化的，即说明如果上下激光头的振动大小相等且同步，不会对测量精9堡主堂堡垒奎型壁堡堕塑查塞皇堑型婴塑度产生影响。同样对铝板进行动态测量，即被测铝板运动。铝板运动时不可避免会带来铝板自身的振动，这会使上下激光传感器的与铝板的距离d l 、d 2 产生变化，但这两个距离的和不会有变化，也就是铝板自身的上下振动对激光测厚不会有影响。2 2激光测厚仪振动状况分析由于高精度激光测厚仪的测量精度要求高，因此对振动的限制也很严格。这是因为工艺系统内部的和外部的振动干扰会使测量出现多余的相对运动而影响测量精度。高精度测量不仅与振动干扰的幅值有关系，而且与振动干扰的频率有关。较高频率的振动能被工艺系统滤出一部分，但小于7 0 舷的振动严重影响测量精度。所以较低频率振幅应控制在o 1 2 5 ，朋以下，而较高频率振幅应控制在o 2 5 删以下例。在一般情况下，对精密测量构成的威胁的微振动，其振动加速度应为o 0 2 研5 2 以下，振幅为5 微米以下，频率在o 5 7 0 把之间的情况较多，这种微小振动是属于所谓的暗振动，即“时常振动”的范围，这些振动在铝板轧制现场都存在。这些振动主要来自于【9 j ：1 室内振动包括人员的走动产生的振动；设备振动产生的振动；物料搬运产生的振动；辅助设备产生的振动。2 室外振动包括交通运输产生的振动；工厂生产产生的振动；设备施工产生的振动：辅助设备产生的振动。3 自然界振动包括地震产生的振动；潮汐产生的振动；刮风产生的振动等。这些微振动源通过不同的传播途径传播到高精度激光测厚仪的测量区内产生不利影响。所以必须在搞清主要振动源的基础上，分析它们可能传播的途径，采用积极的预防措施和隔离措旌，以消除振动干扰的影响，保证高精度激光测厚的对振动环境的要求。激光测厚仪工作在铝板超薄快速铸轧现场，现场振动较高频的主要来自于铝板轧机振动，例如轧机电机的振动、轧辊的振动等等。低频振动振动主要来自于铝板卷取过程中的中的振动、吊车运行时造成的振动、人员操作造成的振动等等。激光测厚仪对铝板进行扫描测量是依靠伺服电机和滚珠丝杠进行推动的，伺服电机和滚珠丝杠运行时也会造成振动从而影响测量精度，因此必须采用高精度伺服电机和滚珠丝杠，尽量避免造成过大的内部振动。外部环境的振动有很大的偶然性和随机性，一般无法预见。内部振动由于在l o堡主堂垡迨塞型星垡坌塑查塞皇塑垫望堕堕墨激光测厚仪内部产生，因此无法采用一般的隔离方法来对其进行隔振。2 3 激光测厚仪振动状况的试验研究2 3 1 试验介绍本文中现场测试数据都是在华北铝业集团超薄快速铸轧车间工业现场采集而得。本文研究的激光测厚仪样机安装于铝板铸轧现场。2 3 2 试验目的1 测试工业现场地基振动，得到环境振动数据。2 对比测厚仪样机上振动与地基环境振动，确定对测厚样机上振动影响较大的地基环境振动的频率范围。3 测试测厚仪的振动模态，确定测厚仪的固有频率。4 测试测厚仪扫描运动中产生的振动。2 3 4 试验仪器0 n os o k k i 频谱分析仪一台；c a _ y d 1 5 9 高精度加速度传感器4 个；j x 一1 型加速度校准仪一台：c 型架结构扫描式激光测厚仪试验样机。2 3 5 工业现场地基振动测试由于测试的数据图表都截取于频谱分析仪，而传感器所反应的单位为电荷电量，经放大器后变为电压信号，所以下面的数据图表中的数据反应的都是电压信号。在功率谱图中，纵坐标表示频率值h z ，横坐标表示振动强度的分贝值d b 。时域图中纵坐标表示时间s ，纵坐标表示加速度值m s 2 。对地基取1 8 个测点的数据进行分析，地基测点分布如下图2 4 所示。取测点的功率谱图分别如下图2 5 、2 6 、2 7 所示，所取测点为地基上随意点。25 ，2 6 图中的采样频率为2 k h z ，2 7 中采用频率为1 0 0 0 h z 。可见各点的振动状况基本相似。对一个测点所测得的数据进行分析，取该测点为4 点，其时域图2 8 和功率谱峰值的列表视图如下图2 9 ，其中最大峰值为5 0 h z 为电噪声，故对5 0 h z以及其较近的倍数的频率不予考虑。从时域图2 8 中可见环境的振动有较大的随机性。振动加速度最大幅值可换算为0 1 m s 2 。硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究再对地基、导轨、c 形架上的振动进行对比比较，如图2 1 0 ，图中最上部分是地基的振动，中间是在导轨上测量的振动，最下面是临近上激光头的c形架内侧的测点的振动。可见对3 0 0 h z 以上的频率的振动，c 形架自身的结构对其有较好的隔离作用，低频振动会对测厚仪的精度影响较大。针对这个比较，在对测厚仪有影响的应只考虑较低频率的振动。图2 4 加速度传感器测点布置俯视图围2 5 地基振动测试功率谱图( 4 ，7 ，1 8 测点)1 2导轨硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图2 6 地基振动测试功率谱图( 1 ，7 ，1 1 测点)图2 7 地基振动测试功率谱图( 3 ，1 3 ，1 6 测点)硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图2 8 地基振动时域谱图( 5 测点)图2 9 地基振动功率谱图( 5 测点)1 4堡主堂堡笙奎型壁堡堕塑互茎兰篓塑堕壁塑塑图2 一l o 地基( 上) 、导轨( 中) 、c 型架( 下) 功率谱对比图2 3 3 工业现场c 型架静态振动测试从测得地基导轨的在测厚仪静止的振动数据，即测厚仪不扫描状态下组振动状况分析，如图2 1 1 为导轨振动的一组自功率谱图。测试中取采样频率2 k h z 。图2 一1 2 中c 舵通道为地基导轨振动，c h 4 通道为上激光头振动。可见外部振动在高于5 0 0 h z 频率下对c 型架所造成的激励已经很小，可以忽略。也就激光测厚仪c 型架对较高的频率有良好的振动隔离能力，相反在低频部分1 0 0 h z 以下的振动c 型架上的振动反而较地基振动较大，即较低频率的振动在低频相反被放大。图2 一l l 激光测厚仪地基上的振动功率谱图堡主堂垡笙兰型壁丛生塑立塞皇堡垫蔓! 婴2 3 4 模态频谱分析图2 1 2 静态状况下地基与c 型架功率谱图对于c 型架的振动模态分析，采样冲击锤法进行分析。如下频谱图2 1 3 ，c h 2 为下激光头的振动测试通道，c h 4 为上激光头的振动测试通道。由于激励为直接对c 型架施加，因此可以推断c 型架的几个主要固有频率。上激光头的较主要固有频率依次为4 2 5 、9 2 5 、8 0 2 5 、7 4 2 5 h z 等。下激光头的主要固有频率依次为9 2 5 、4 2 5 、7 4 2 5 、8 0 2 5 h z 等。从图中可见c 型架上下梁振动模态相似，而且c 型架上横梁振动幅值明显大于下横梁振动幅值。由于测试的振动值为加速度振动信号，而实际激光测厚的值为位移信号，位移信号大小与频率的平方大小成反比，所以在本文中关心的是频率较低的固有频率。1 6硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图2 1 3 锤击法模态分析功率谱图2 3 5 扫描运动中上下激光头的振动状况分析当c 型架以1 0 删s 速度扫描时，见图2 1 4 ，图中c h 4 通道表示上激光头附近振动的测试通道、c h 2 表示下激光头附近振动的测试通道。可见相同振动主要有9 6 2 5 h z 、1 0 1 2 5 h z 、4 7 5 h z ；上激光头还有一个低频8 7 5 h z 下激光头不大明显。当c 型架分别以速度5 0 删s 、1 0 0 i h i s 、1 5 0 删s 速度扫描时，它们的功率谱圈分别见图2 1 5 、2 1 6 、2 1 7 。由图中可见他们的振动频率大致相似，随着速度的增加振动幅值变大，但最大幅值都出现在9 6 2 5 、4 7 5 h z 。这是由于较高的频率被测厚仪c 型悬架结构阻尼消减到较小的值，而低频部分的振动因为与c 型架结构固有频率相近，有被放大的趋势。高于5 0 0 h z 的频率由加速度振动值换算成位移振动值已很小，所以虽然c型架结构也有高于5 0 0 h z 的固有频率，本文也只取频率在5 0 0 h z 以下的振动进行研究。1 7硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图2 一1 41 0 m s 速度扫描下c 型架功率谱图图2 一1 55 0 m m s 速度扫描下c 型架功率谱图l 暑硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图2 一1 61 0 0 m m s 速度扫描下c 型架功率谱图图2 1 71 5 0 m m s 速度扫描下c 型架功率谱图硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究2 . 3 . 6 试验结论 根据对现场振动的测试，可得出如下结论:1 、现场振动呈现较大随机性， 频率在6 0 0 h z 以 下的振动丰富， 环境对测厚仪影 响较大的为低频振动。2 、现场c 型架测厚仪的振动模态复杂， 特征频率较多。 根据模态试验， 其主要 固有频率为9 2 . 5 , 4 2 . 5 , 7 4 2 . 5 , 8 0 2 . 5 h z 。 又因为后两个固有频率7 4 2 . 5 h z , 8 0 2 . 5 h z 的 振动频率较高， 而且幅值不是很大， 换算成位移振动幅值很微小， 不足以影响测量精度， 在现场振动中不是主要影响精度的固有频率。 c 型架 在扫描中较大的振动频率为9 6 . 2 5 , 4 7 . 5 h z ，也与c 型架振动模态有关。3 、现场地基振动相对与c 型车扫描造成的振动要小很多。 现场振动随机因素很 多，当现场进行检修工作时，现场振动明显大于在正常工作状态下的振动。4 , c 2 . 4型扫描装置运动造成的振动有几个固定的频率值，呈一定周期性。振动频率对激光测厚精度影响试验2 . 4 . 1 试验介绍 根据论文研究的测厚仪结构， 设计了c 型架结构试验装置。 结合工业现场振动状况测试， 在国防科技大学可靠性实验室高精度激振台上对c 型架结构试验装置进行激振试验。2 . 4 .2试验目的1 .对c型架试验装置进行扫频5 -1 0 0 0 h z 的扫频，以确定c 型架试验装置 的振动模态。2 ，对c型架试验装置施加与其多阶固有振动频率相符的振动.同时监测在 测厚激光头附近的振动响应。以确定对 c型架试验装置影响最大的共振 振动频率。3 .对 c型架试验装置施加随机宽带振动，同时监测激光头上的响应。以确 定对测厚仪测厚影响最大的频率范围。2 . 4 . 3试验设备1 、工 m v v e 一 6 0 0 0高精度振动试验台及振动测试设备 一套 ( 激振力输出:4 9 k n最大加速度:9 8 0 m / s 2 ) 。硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究2 , b k -4 3 8 3 高精度低频加速度传感器 ( 4 个)3 、工控机 ( 一台)4 , c 型架试验装置5 、米铱激光传感器i l d 2 2 0 0 - 2 2 套2 .4 . 4 试验步橄1 .先将 c型架试验装置固定于激振台上，然后将加速度传感器根据试验 c 型架的模态试验的结果可知c 型架主要固有频率。2 .在振动试验台上分别施加 c型架的各阶固有频率，振动幅值选取 0 . 5 m / s z ，分别观察激光头数据变化。3 .在振动试验台上对 c型架施加几组非固有频率振动，振动幅值选取 0 . 5 m / s 2 ， 观察激光头的响应。4 . 在 振 动 试 验台 上 施 加5 - 3 0 0 h z ， 功 率 谱 密 度 为0 .0 2 g 2 加 的 宽 带 随 机 振 动，同时观察激光头数据变化。同步观测 c型架的响应。记录下每组施 加随机宽带振动时激光头上振动的响应值以及与其同一时刻激光头所测 得的厚度值文件。每组采样时间初步定为 6 0 s ，厚度数据采样频率为 1 0 0 0 h z .2 .4 .5试验数据分析 首先对测试 c型架试验装置进行扫频以确定其振动模态，对其施以频率为5 - 1 0 0 0 h z 的0 . 3 m / s ， 的扫频振动，扫频时间为5 m i n 。可得c 型架模态图2 -1 8如下:硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究肇矍馨蘸薰 夔蘸1 暴羹摹擎馨彝翼馨蘸瓢蘸鬓 蘸蘸薰i鬓 蓄馨矍 髓豁握 攀 婴粼薰鬓 夔 攀 黔鬓鬓薰鬓爆 矍 薰 一羹 攀 纂 翼鬓 羹 鬓 骥瓢蘸蘸 鬓馨礁 燕渺 卜黑琶 撇撇巍羹 瓣鑫 矍 鑫暴羹 羹 襄 纂蘸 粼熬蘸撇蘸蘸嘴李 群 摸1 熬 _罐 鬃 攀 舞 霍 寒 窿黝撇撇嘎酱;拼介纂撇姗巍 鑫 摧 )缨瞿 摹黝鬓瞿 矍 黝纂鬓 耀鄂粼耀 鬓 鑫雕 蘸蘸耀馨r 壑鬓攀黔 耀 靡疾丝队)夔 履 鑫蓦霜纂塑濒靡蘸赢翼肇囊蒸夔薰 摹 瞿l 蒸 筹纂舞蒙寒 熊 韶 潇 徽 筹羚 舞 熟靡矜 黔 鲜 弊装簇 黝 撮牛鹅 燕 魏瓢 麒受 4 1 瀚幼 导 器 -1 篡 矍 蒸 蒸 蒙 霎裘 蒸 貌粥裸 骤于 骤 黔骥 黯麒巍蒸黝蒸 黝缨鬓 薰 霸-爵鄂薰薰 蘸蒸撇馨誉纂 纂_ i馨鬓 勤 蘸 纂淤季芝奎 聚 终份燕 葵姜 邃 墨舞 琪 蒸 鬓 雌彰 叙缀鬓葬 舞翼琳; 摹巍 窦蒸熊契鬓 r 1驴 毅 墨豁瀚署 - 1 1藻 熏 鑫溉戮攘 聚 苦 稀藻寡 接黝鬓 摹蒸 藻1攀 蒸 黝鬓 馨瓤;1湘雍 巍 夔蘸蘸薰 巍蘸遴 稚 撇翼 鬓薰 舞 1羹 i 蜷 彝礴崖巍鬓-f熟 姗鑫 馨夔 奎 纂凳 臀成燕彩 二笑毅熬嘿蘸纂蘸曝 撇 蘸 靡.撇 蘸 靡_ 氰 !耀缨 熬哪靡翼曝i-翼缪l刻翼 嘿 鹦 鬓窿嘿翼 鹭塑彝 l v翼j鬃 翼灌翼 馨蘸 蘸 鬓 薄蘸鬓黝篡 黔霎蘸嘿纂纂 翼 肇鬓 鬓 夔 】 !蘸薰蘸 薪 翱 嘿 濒蘸蘸翼覆藻矍鬓黔1夔 鬓鬓 毅赢 鬓髓纂纂纂 黔肇袒 i(暴 冬 瓢r -:-y 蘸蘸鬓鬓矍曝靡粼榷. .f;馨 缨 羹 摹 龚 簇 鬓 囊 镰瓤蒙 羹 渗 羹 瓢熟毅鉴 攀 矍翼i蘸肇暴 蘸 蒸 黔舞攀翼鬓 霏 耀嘎 摹 于 篆绷嘿1蘸曝鬓鬓鬓!蘸赢鑫 粪 矍夔 缨 薰馨耀纂鬓 鬓 鬓i耀戮黝撇夔篡黔噢彝蘸 黔 瞿酬 嘿 黔酬黔哪髓耀 翼 馨臀 黔矍黝腿黔鑫 摹 羹夕 惑券霎 肇鬓: 图2 -1 8 c 型架试验装置振动模态图 根据工业现场振动测试分析，本文对c 型架上超过3 0 0 h z 的振动不予考虑，故可在 0 -3 0 0 h z上确定 c型架的各阶固有频率。图 2 -1 8中横轴为扫描频率( h z ) ， 纵轴为激光头附近c 型架上的振动( m / s ) ， 且振动数值的放大系数为3 . 3 ,即c 型架上的振动幅值真好表现为振动的放大系数。 可得c 型架固有振动频率依次为:2 0 , 4 9 , 1 0 2 , 1 2 7 , 1 6 3 h z 。 其中c 型架在1 2 7 h z 时振动最大，1 2 7 h z 为c型架最主要固有频率。 与此同时对激光头所测得厚度