（机械工程专业论文）轧辊在线非接触检测系统的研究和设计.pdf

摘要 随着制造业的不断发展，汽车、家电等行业对金属薄板的需求日益增加。金 属薄板的质量直接影响产品的性能、品质和外观。金属薄板是由一对或一组轧 辊滚动时产生的压力来轧制而成，因此轧辊的辊型精度直接影响金属薄板的加 工质量。轧辊磨床在线测量( o n j i n ep r o f j l em e a s u r e m e n t ，简称o p m ) 是指磨 床在磨制轧辊的过程中，对轧辊表面精度进行测量，并将测量数据反馈给轧辊磨 床。轧辊磨床可以根据反馈的测量数据，对磨制中的轧辊进行准确的在线辊型 磨削量控制，对提高辊型的加工质量和避免废件产生起到关键作用。 本论文分析了目前轧辊加工企业使用的轧辊辊型检测方式，主要以在线接触 式测量为主。该测量方法虽拥有测量精度高、成本低的优点，但会在轧辊表面 留下测量划痕影响轧辊的辊型精度，甚至造成轧辊废品产生。目前的非接触检 测方式的研究核心为传感器的设计，比如超声波检测法、光纤检测法、c c d 检 测法和激光检测法，然而这些检测方法都存在不同程度的缺点，如易于受环境 干扰、测量结果不稳定、结构和操作复杂、成本高等，不利于检测装置的推广 使用。此外，如果单独使用高精度的非接触传感器测量轧辊辊型，虽然可以保 证测量精度高的优点，但由于传感器测量范围有限而被限制应用于凹凸量较大 的曲辊辊型检测中。 针对非接触传感器测量范围窄的缺点，本论文提出“非接触传感器+ 滚珠丝 杆+ 光栅尺”检测机构与恒间距检测原理结合的方式测量轧辊辊型。通过标定试 验和偏心轮实验，验证了检测系统的性能。实验结果表明：当使用线性度为 士0 5 f s 的位移传感器时，轧辊在线检测系统的线性度可达到土o 0 7 f s ；经多 次测量，当标定平台在3 5 m m 的线性范围内移动时，轧辊在线检测系统的测量 误差在土2 5 u m 之内；此外，根据实验可以证明，轧辊在线非接触检测系统可跟 随被测物自动调整传感器的位置，验证了恒间距检测原理的可行性。 本论文提出轧辊在线非接触检测系统实现了在线非接触式测量、测量范围 广、测量精度高、灵敏度高、非接触的特点，具有较好的开发实用前景。 关键字：轧辊辊型在线非接触检测 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gi n d u s n ma u t o m o b i l e ，h o m e e l e c t r i c a la p p l i a n c e si n d u s t r y ，m e t a ls h e e td e m a n di si n c r e a s i n g t h eq u a l i t yo ft h e s h e e tm e t a ld i r e c t l ya 行i e c t st h ep r o d u c t sp e r f o n n a n c e ，q u a l i 够a n da p p e a r a n c e m e t a i s h e e ti sr o l l e db yag r o u po fr o l i ，s ot h ep r e c i s i o no fr o l lp r o f i l ed i r e c t l yi n n u e n c et h e q u a “t yo f s h e e tm e t a l o n - l i n ep r o f i l em e a s u r e m e n tm e a n sm e a s u r er o l lp r o f i l ei nt h ep m c e s so f g r i n d i n gr o l l 伊i n d e r ，a n dt h em e a s u r e m e n td a t af e e d b a c kt or o l l 铲i n d i n gm a c h i n e r o l l 铲i n d i n gm a c h i n ec 粕c o n 廿o lt h eg r i n d i n gq u a l 时f o rr o l la c c o r d i n gt o t 1 1 e f e e d b a c kd a 胁i ti sv e 巧i m p o r t 锄tt oi m p r o v et h ep r o c e s s i n gq u a l i 够o fr o no ra v o i d 、a s t e t h i sp a p e r 锄a l y z e st h er o l l e rt e s t i n gw a yu s e db yr o l lp r o c e s s i n ge n t e 印“s ea t p r e s e n t m o s to f r o l lp r o c e s s i n ge m e 印r i s ea r eu s i n go n l i n ec o n t a c t i n gm e a s u r e m e n t t h o u g ht h em e a s u r 咖e n tm e t h o dh a sh i g ha c c u r a c y ，l o wc o s ta d v a n t a g e s ，b u ti tw i l l b el e rs c r a t c h e so nt h er o l l e rp r 0 6 l ea n di n f l u e n c et h ep r e c i s i o no fr o l l e r ，e v e nc a u s e w a s t ep r o d u c e t h ec o r eo fc u n e n tn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tm e t h o d sh o l da t t e n t i o no nt h e r e s e a r c ho ft h es e n s o r ，s u c ha su l t r a s o n i ct e s tm e t h o d ，0 p t i c a lf i b e rt e s tm e t h o d ，t e s t m e t h o do fc c da n dl a s e rt e s t h o w e v e rt h e s et e s tm e t h o d se x i s td i f j f e r e n tl e v e l s h o r t c o m i n g s ，s u c ha se a s yt 0s u a 研e n v i r o n m e n t a li n t e 疏r e n c e ，m e a s u r e m e n tr e s u l t s i n s t a b i l i 劬s t m c t u r ea n do p e r a t i o nc o m p l e x ，h i g hc o s t ，a r en o tc o n d u c i v et 0p r o m o t e t h eu s eo ft h e s ed e t e c t i o nd e v i c e i na d d i t i o n ，i fu s i n gt h eh i g ha c c u r a c yn o n - c o n t a c t s e n s o rm e a s u r i n gr 0 i l e rp r o n l ea i o n e ，t h o u g hi tc a ng u a r a n t e et h ea d v a n t a g eo fh i g h m e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，b u tb e c a u s es e n s o r sm e a s u r i n gr a n g ei si i m i t e da n db el i m i t e d a p p l i c a t i o ni nl a 唱eq u a n t i t i e so fc o n v e xr o l l e rp r 0 6 1 et e s t i n g a c c o r d i n gt ot h el i m i t e dm e a s u r i n gr a n g eo fc o n t a c ts e n s o r ，t h i sp a p e ru s et h e m e a s u r e m e n tw a yw i t hc o m b i n a t i o no f ”n o n - c o n t a c ts e n s o r + b a i is c r e w + o p t i c a l i i i 伊a t i n g s c a l e d e t e c t i o ni n s t i t u t i o n sa n dc o n s 伽1 td i s t a n c e m e a s u r i n gp r i n c i p l e t h r o u g h t h ec a l i b r a t i o nt e s t 锄de c c e n t r i cw h e e le x p e r i m e n t ss h o wo n l i n en o n - c o n t a c t d e t e c t i o np e r f o n n a n c eo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ：w h e nu s i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rw i t hl i n e a rd e g r e e so f 士o 5 f st h el i n e a r i t ) ，o f m e a s u r e m e n ts y s t e mc a na c h i e v e 士0 0 7 f s ；a r e rr e p e a t e dm e a s u r e m e n t ，i n3 5m m w h e nc a l i b r a t i o n p l a t f o n n m o b i i ew i t h i n 3 5 m m ， m e a s u r e m e n ts y s t e mh a s m e a s u r e m e n te r r o rw i t h i n 士2 5 p m ；i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，i ti sc a n b ep r o v e n ，m e a s u r e m e n ts y s t e mc a nb em e a s u r e dw i t i lt 1 1 i n g sa n da d j u s tt h es e n s o r p o s i t i o na u t o m a t i c a l l yw h i c h v e r i n e dt h ef e a s i b i l i t yo fc o n s t a n td e t e c t i o np r i n c i p l e t h i sp a p e rp r e s e n t sn l em e a s u r e m e n tp r i n c i p i eo fc o n s t a n td i s t a n c em e a s u r i n g p r i n c i p l ea n dr o np r o f i l eo n l i n en o n c o n t a c tm e a s u r c m e n ts y s t e mr e a l i z et h eo n l i n e n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，l o n gm e a s u r i n gr a n g e ，h i 曲a c c u r a c y ，h i g hs e n s i t i v i 哆 w h i c h p r 0 v e t h a tt 1 1 em e a s u r e m e n ts y s t e mh a sag o o dd e v e l o p m e n t p r a c t i c a lp r o s p e c t k e y w o r d ：r o l lp r o n l e ；o n l i n en o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t 1 1 概论 第一章绪论 薄板是制造汽车、家电以及相关产品的重要材料，薄板的质量直接影响产品 的性能、品质和外观。薄板的主要性能指标是指其几何尺寸和形状精度，比如板 的厚度差、板厚的均匀性、平整性及表面缺陷等【l 】。薄板是由一对或一组轧辊滚 动时产生的压力来轧制而成。故薄板的这些质量指标能否达到要求与轧辊辊型是 否符合要求有密切关系。轧辊按辊身形状分为圆柱形和非圆柱形，前者主要用于 板材、带材、型材和线材生产，后者主要用于管材生产。有时为了满足对板形控 制的工艺要求，轧辊辊面母线需按照不同的工艺要求，加工成具有复杂母线形状 的轧辊，如圆柱面，凸凹面、正弦曲线、圆弧面、c v c 、梯形等曲线辊面。这要 求轧辊磨床不仅要能够磨削轧辊，还要根据实际需求控制磨削精度、效率、完成 辊面形状较为复杂的轧辊加工【2 1 。 轧辊磨床在线测量( o n 1 i n ep r o f i l em e a s u r e m e n t ，简称o p m ) 是指磨床在磨 制轧辊的时间间隙，对轧辊表面形状进行测量。轧辊磨床根据在线测量的轧辊辊 型曲线，对磨制中的轧辊进行准确的在线辊型修磨，将对提高轧辊辊型的加工精 度，避免废件的产生，起到关键作用【3 1 。 1 2 轧辊辊型的测量现状 轧辊辊型检测包括：轧辊的总长；辊身长度与直径；轧辊轴颈的长度、锥度 与直径；轧辊两端轴头的各台阶长度与直径；轧辊辊身与轧辊轴颈及各台阶圆柱 的同轴度等，是认识轧辊辊型精度和几何形状的基本手段。它可以判断轧辊辊型 是否符合精度要求，并根据测量值计算误差值，分析产生误差的原因，进而决定 是否需要采取措施改善轧辊辊型精度或改进轧辊磨削工艺。 对于正在磨削的轧辊( 本文论述的重点) ，需要实时测量轧辊磨损量，确保 轧辊加工质量。对于磨削中的轧辊重点测量：轧辊辊型、辊身直径、轧辊同轴度 l 等【4 1 。 1 2 1 国际辊型测量工具 目前国际主要的轧辊加t 企业为r o i l t e s to y 公司和s b a 公司。r o i l t e s to y 公司是北欧最大的轧辊测量仪器和轧辊控制系统牛产厂，拥有5 0 多种专业的接 触式轧辊测量仪器，并配有专门的控制系统。r o l l c a l t m2 为r o l l t e s to y 公司中 销量最好的产品，其运用多点测量的原理，测量轧辊表面的各项参数。r o i l c a l t m 2 除可测量轧辊的圆度误差、同轴度外，还可分析轧辊磨床的机床误差等，是一 款多功能轧辊检测装置1 5 1 。 s b a 公司主要生产便携式和特殊用途式的两种轧辊检测装置，前者精度较 高但须手动检测效率低，后者精度相对较低但可适用于对检测空间有限制的场 合。 s b a 公司生产的便携式轧辊检测装置，如图1 1 所示，被广泛应用于轧辊测 量中，其鞍状设计，测量传感器始终保持居中，测量精度高于固定式测量装置。 仪器可与p c 机相结合使用，运用p c 图形软件w m s 2 o o 可以分析轧辊数据、打 印数据报告和对理论的轧辊外形数据存档1 6 j 。 图1 1s b a 公司生产的便携式轧辊检测装置 s b a 公司生产的i m m d 特殊用途轧辊检测装置，由铝和钢组合而成，拥有 高精度圆柱辊轮和碳纤维的测量臂，可在非常狭小的空间使用。仪器通过蓝牙与 p c 机进行数据传输，通过p c 机的图形软件w m s 2 0 0 可实现四个单独的显示层 2 簋= 童绪论 川 o 1 2 2 国内辊型测量工具 ( 1 ) 接触式检测 接触式检测，测量头与被测物表面接触，通过测量轧辊与测量头之间的靠压 力或测量磨辊接触压力的变化来确定辊型的方法。这种方法是一种粗略地间接测 量工作轧辊磨损量与辊型的方法，具有抗干扰能力强、测量精度相对高、成本低 的优点，但测量效率低，且容易在被测表面留下划痕影响轧辊表面精度。目前市 面上主要应用的接触式检测装置有：千分尺、马鞍式辊型测量仪和z d c 系列轧 辊多参数测量仪等。 千分尺测量 千分尺测量辊型需单点多次测量，测量的是离散点，操作简便。千分尺主要 有弓形架、固定测量砧和测微螺旋读数装置组成。生产工艺简单，测量设备成本 低，测量范围常在l 0 0 0 m m 以下，测量精度最高可达0 0 1 m m 。但千分尺测量不 仅速度慢、精度低，且无法实现动态测量，其测量结果也常因操作人员不同而不 同。 马鞍式辊型测量装置 马鞍式辊型测量装置( 马鞍仪) 测量轧辊辊型是一种比较传统的接触式测量 方法，如图1 2 所示，测量范围为3 0 0 m m 2 3 0 0 m m ，测量精度最高可达o 0 0 l m m 。 仪器放置在被测轧辊的正上方，鞍座上的四滚轮都与被测轧辊的辊面接触，其中 定位重锤固定不动。当仪器沿轧辊轴向移动时，测量表变化的数值，即为轧辊直 径变化值。这种仪器测量，需要使用者拥有较高的使用技能，成本较高，对于曲 线轧辊( c v c 轧辊) 则无法测量。生产工艺相对复杂，需使用专用设备，成本 较高【8 】 匿 厶翌亟：量堂位监塞 图1 2 马鞍式辊型测量装置 z d c 系列轧辊多参数测量装置 z d c 系列轧辊多参数测量装置适用于动、静态情况下轧辊辊型的测量，能准 确迅速测量轧辊的多种参数，如锥度测量、凸凹度测量、辊型曲线测量、椭圆度 测量等。它大小可根据被测件而定，能适应被测直径变化范围为q 1 8 2 0 0 0 m m 的轧辊，合成总误差士6 6 “m 。目前已有上百家轧辊加工企业使用该仪器。 芏曩重芷祝由 图1 3z d c 系列轧辊多参数测量装置 接触式位移传感器测最辊型 这种辊型检测装置的检测方法是将一个接触式位移传器安装在一个与轧辊 平行的基准粱卜，传感器沿轧辊轴向移动，传感器与轧辊接触，其读数直接反映 轧辊辊型。这种榆测方式为接触式测量，抗j f ：扰性好，成本低，但其精度较低， 4 因而目前只是一项专利技术，未实际应用。2 0 0 8 年上海大学闫利文提出一种针 对大型轴类零件的在位测量方法，采用接触式方法用三个光栅位移传感器和一个 涡流探伤传感器获取轧辊表面信息，能将轧辊安装偏心、机床主轴误差和机床导 轨误差用两点误差分离法分离掉，获得了较好的效果f 9 】o 轧辊多参数测量装置 该系列测量仪的测架体为整体铸造的弓型架，其大小根据被测件而定，结构 与马鞍式辊型测量仪类似，分为左右测量臂，上端安装有测量表( 也可安装电测 量传感器，配置计算机，可实现数据处理、显示辊型曲线、打印和数据存储功能) ， 测量臂内部的导向传动杆与测量头相连。测量臂安装在测架体上中部的圆孔内， 根据被测件的大小可上下调整。轧辊多参数测量仪是一种专利产品，测量速度快， 可部分替代千分尺，经济实用，但却不适用于曲辊( c v c 轧辊) 检测【l o 】。 框架式结构自适应表面形貌装置 该仪器由一块组装平台和三根以上立柱组成框架，并由x y z 三个方向 的直线运动模块组成的三轴工作台，z 轴上装有微位移传感器，及控制该传感器 在框架的三维空间里作任意曲线移动的计算机及存贮在其中的自适应测量程序。 它也是一种专利产品，体积小、重量轻，适用于对轧辊等大型或超大型部件的二 维、三维表面形貌的检测【1 1 】。 ( 2 ) 非接触式检测 非接触式检测是指测量头不与被测物体接触的前提下，以光电、电磁等技术 为基础，得到被测物表面精度的检测方法。非接触检测，因检测头不与被测物表 面接触，可防止在线检测过程中的轧辊振动以及辊型变化对传感器造成损坏，且 不会在检测过程中留下划痕影响轧辊的表面精度。在磨制过程中的轧辊，其表面 温度较高且分布不均匀使得辊面电磁特性不稳定，采用电磁方式的检测精度较 差，因此目前对轧辊检测的研究主要集中在光电技术方面。 超声波检测 超声波检测是一种传统的非接触测量方法，是一种能在气体、液体、固体中 传播的机械波，利用超声波在介质中传播遇到声阻抗有差异的界面时产生反射的 丐 现象实现超声波检测。超声波检测不受光及电磁场、粉尘等外界因素的影响，适 用于恶劣环境。超声波测距公式为： j = w 2 ( 1 1 ) 式中：j 距离； y 一水中声速： f 一收发信号的时间差。 发射信号被测轧辊反射后由被换能器接收，根据声波传输的速度和收发信号的时 间差，即可算出探头到辊面的距离，测量原理如图1 4 所示。 图1 4 超声波检测原理图 水 水 传感器安装在磨轮的内部，采用高压喷水法，超声波在高压水中发射出去， 确保了辊面和传感器之间介质的均一化，有效地解决了高温和耦合的问题，且超 声波在水中的衰减小于空气中的衰减，降低了对发射强度的要求。 这种检测方式首先由日本三菱重工开发研制，其原理是沿轧辊轴向排列多个 超声波测距仪，传感器可在一定范围内作轴向移动，通过测量辊面与传感器之间 的距离来反映辊型。为了使辊面与传感器之间的介质均一化，提高检测精度，采 用了喷水方式，然而此检测装置并未考虑到轧辊震动对检测精度的影响【1 2 】。 1 9 9 9 年，燕山大学的尚丽平提出采用两个不同频率的超声波测量轧辊表面精 度的方法。该方法只使用第一次回波，可以消除由于介质吸收造成的多次反射回 波在时域上的差异对刚量精度的影响，以达到高精度测量的目的，系统综合误差 为士3 0 u m 【1 3 】，此外，2 0 0 1 年，燕山大学的胡艳玲利用超声波测距的原理对轧辊 6 辊型进行检测，对采集到的数据进行非线性滤波，提高了检测系统的实时性、可 靠性和精度1 1 4 】。2 0 0 2 年，燕山大学王文生做了超声波辊型检测系统的研究，使 用面向对象的编程语言v b 6 o 设计系统的软面板，并使用v b 的m s c o m m 控件 实现上位机与单片机的串行通信，其系统分辨率达到士l m ，静态测试情况下最 大静态误差为7 m 【1 5 1 。 激光检测 激光检测是一种目前正处于研究开发阶段的轧辊磨损度在线检测技术，尚无 应用实例。它的主要优点是：不受电磁场干扰，检测精度高，工作间隙大，无论 被测体是否导磁、是否导电都能测。它的主要缺点为：激光的产生装置相对比较 复杂且体积较大，因此对激光位移传感器的应用范围要求较苛刻。 电耦合器件c c d 检测 其检测原理是利用沿轧辊轴向排列的电荷耦合器件c c d ，借助反光式与遮光 式相结合的方法，利用图像进行调制，测出辊面到c c d 屏的距离来反映辊型， 检测原理如图1 5 所示。燕山大学的郭景峰利用激光照射到轧辊表面，再用透镜 将轧辊表面成像到c c d 屏上，通过观察c c d 屏上产生的暗区，来判断轧辊辊 型【1 6 】。西安建筑科技大学的彭云同样利用c c d 成像的原理检测轧辊辊型，用激 光器照射辊轴，透过放大镜使辊轴轮廓的像放大并呈现在c c d 光敏面上，受到 光照的光敏元件输出高电平，未受光照的光敏元件则输出低电平。于是c c d 输 出信号端可得到与辊轴平行度成比例的光电脉冲信号，通过计算脉冲的个数就可 得出测量结果【1 7 1 。根据c c d 成像原理测量轧辊辊型的主要优点是：不受周围电 磁场的干扰、检测精度高、工作间隙大。它的主要缺点是受温度变化及水、汽等 介质的影响较大，现场存在的水蒸气和氧化铁皮等也会影响摄像的效果，且需要 占用较大的测量空间。 7 图1 5c c d 检测原理图 测物理量的变换而变换，测出这些变化，就可以求得被侧物理量的大小( 1 8 1 。与 【1 9 】。燕山大学郭媛等，提出用光纤传感器检测轧辊辊型的方法，通过对轧辊表 抗电磁干扰性好和易与计算机连接实现智能化等优点【2 0 1 。 幸镤n 丰= 兹 电涡流检测法 德国赫施钢铁公司设计并制造了应用电涡流传感器组成的检测系统，应用该 系统对热连轧机精轧辊的辊型进行测量，其精度达到士2 0 p m ，但目前对于该系统 的报道还较少。电涡流式轧辊磨损度测定仪的主要优点是：长期工作可靠性好、 测量范围广、灵敏度高、分辨率高，对恶劣环境有较强的适应性，冷却水、汽等 介质对其影响较小，非接触测量，测试电路较简单等。其主要缺点是：受周围电 磁场、环境温度的干扰较大，氧化铁皮等介质对其精度产生影响，工作间隙小， 必须与辊面靠的很近才能拥有较高的测量精度。 综上所述，轧辊非接触检测装置除要求检测装置具有较高检测精度的同时， 还要求其对环境有很强的抗干扰能力。 1 2 3 轧辊磨床在线检测技术的发展趋势 随着新技术的发展，对轧辊的表面精度提出了越来越高的要求，然而通过上 面的信息，可以发现目前市面上的轧辊辊型检测装置以在线接触式检测为主。对 于接触式检测，检测过程中存在不足因素很多，如对轧辊加工表面造成划痕。为 解决这一问题，越来越多的研究机构正致力于研究在线非接触式检测，如超声波 检测法、光纤检测法、c c d 检测法和激光检测法，然而这些检测方法都不同程 度的存在缺点，如易于被环境干扰、测量结果不稳定、结构和操作复杂、成本高 等，不利于检测装置的推广使用。基于以上原因，本课题提出了一种新的在线非 接触轧辊辊型检测系统，拥有测量范围广、测量精度高、结构简单、操作容易和 成本低的特点。 1 3 课题背景 随着目前汽车、制造行业的不断发展，对曲辊的辊型精度和凹凸度要求越来 越高。曲辊的辊型精度和凹凸度能否达到要求是保证轧制产品质量的重要因素。 目前轧辊加工企业主要采用接触式探头检测法，即将探头与轧辊相接触的测 量方法检测轧辊的加工质量。测量时，测量仪器会与轧辊表面相接触，测量结束 9 后往往会在轧辊表面留下划痕，严重影响轧辊的辊型精度。 在生产轧辊时，其生产过程是首先对轧辊坯料进行磨制，先磨去2 m m 厚度 的坯料，然后将检测装置放置于轧辊上进行表面精度测量，将测量结果记录下来， 再根据测量结果决定下一步的磨削量，这种测量轧辊表面精度的方式会在轧辊表 面留下划痕。避免影响轧辊加工质量的方法，是在最后一次轧辊磨削加工后不对 轧辊表面进行精度测量。然而这样就无法确定最后轧辊的加工质量是否符合要 求。 某企业因业务要求需要加工凹凸量为4 m m 的曲辊，为保证加工质量，企业 决定采用非接触式检测，然而4 m m 的变化量超过目前大多数的非接触式传感器 的测量量程。为解决这一问题，本课题提出一种利用非接触式传感器与滚珠丝杆 和光栅尺相结合的方式，解决非接触传感器测量范围窄的缺点。检测装置与控制 系统相结合，实现在线分析轧辊辊型。本课题为轧辊辊型的在线检测提供新的手 段和方法，同时也为今后进一步推进在线非接触式检测打下基础。 1 4 本课题研究的意义 轧辊磨床上实际使用的测量装置都使用接触式检测方式，即检测头与轧辊表 面相接触的检测方式。该方法测量精度高，对环境的抗干扰能力强，但该测量方 法同时存在很多缺点，首先多次测量后，测量头会磨损影响测量结果；此外测量 头在与轧辊表面接触的过程中，会再轧辊表面留下测量划痕，影响轧辊的加工质 量。为防止以上问题，应采用非接触式传感器进行检测。 其次，轧辊磨床在线测量，是指磨床在磨制轧辊的时间间隙，对轧辊表面精 度进行测量。相较于离线测量方法，在线测量方法可以实时测量轧辊辊型，并将 测量结果反馈到轧辊磨床中，测量效率高、节约人力物力，且可以及时控制轧辊 磨床的磨削量，提高轧辊的加工质量。 此外，目前研究中的轧辊在线检测方法，都处于理论研究阶段，没有在轧辊 磨床中应用的实例。在1 2 章节讨论的多种检测方法中，超声波传检测法和光纤 检测法都具有抗干扰能力差、测量精度低的缺点，需要进行多种补偿才能获得较 1 0 高精度。c c d 检测法除对测量环境要求高以外，其还需要占用较大的测量空间 安放c c d 检测屏。以上几种测量方法都不利于今后在轧辊磨床中的推广使用。 如解决测量头磨损、测量划痕和抗干扰能力差这三个主要问题，最好的办法 就是开放出一套在线的非接触式测量系统，与轧辊磨床的控制系统相结合，在磨 床磨制轧辊的过程中，实现对轧辊辊型的监控。检测系统应具有以下几个优点： ( 1 ) 测量精度高，测量范围广： ( 2 ) 采用在线非接触测量方式，不会在轧辊表面留下划痕影响加工精度； ( 3 ) 结构简单易于应用在轧辊磨床中； ( 4 ) 测试系统模块化，可以嵌入到轧辊磨床的控制系统中，独立完成测量工作。 相信该检测系统会更容易被轧辊加工企业所接受，应用于轧辊的实际加工检 测过程中。 1 5 本课题的主要工作 本论文以作者攻读硕士学位期间承担的课题工作为基础，研究内容主要包 括： ( 1 ) 轧辊辊型在线检测方案研究现状； ( 2 ) 设计检测方案； ( 3 ) 设计一套轧辊辊型在线非接触检测模型实验平台( 主要包括硬件设计和软 件设计) ； ( 4 ) 在模拟实验平台上进行实验，验证检测方案的可行性。 1 6 本章小结 本章总结了轧辊辊型的检测现状以及轧辊磨床在线检测技术的发展趋势，并 阐述了轧辊在线检测系统的课题来源、研究背景，在此基础上，给出本论文主要 的研究工作。 2 1 概论 第二章轧辊在线非接触检测系统的方案设计 轧辊通过压力来轧制薄板，轧辊的表面精度直接影响被加工薄板的质量。传 统的轧辊辊型离线检测方式效率低下，测量精度低。轧辊在线检测是在轧辊磨床 磨制轧辊的过程中，将检测结果反馈到轧辊磨床控制系统中，控制系统通过分析 反馈结果来决定是否修改加工轨迹，对提高轧辊加工质量具有重要意义。接下来 主要说明轧辊在线非接触检测系统的方案设计。 2 2 检测方案设计 2 2 1 辊型参数 以某企业加工的轧辊为模型，本课题研究为实现具有以下辊型参数的轧辊奠 定理论基础。 ( 1 ) 轧辊主要参数： 直径：8 0 0 m m p l 6 0 0 m m ： 圆度：o 0 0 1 5 0 0 0 4 m m ； 辊身长度：3 0 0 p 5 0 0 0 m m ： 最大凹凸量：4 m m 。 ( 2 ) 轧辊精度要求： 圆度：o 0 0 1 5 m m 0 0 0 4 m m ； 圆柱度：0 o o l 5 o 0 0 4 m m 1 0 0 0 m m ； 表面粗糙度：r a 0 1 o 2 p m 。 2 2 2 检测方案 目前对高精度非接触位移传感器的研究广泛，比如激光位移传感器、电涡流 位移传感器、光纤位移传感器、电容位移传感器等。其中测量精度较高的是激光 位移传感器、电涡流传感器和电容位移传感器，并成为实现高精度测量的研究热 点。然而激光位移传感器和电容位移传感器存在对环境的抗干扰能力差、测量范 围窄、结构复杂等缺点，不利于应用在实际轧辊辊型检测系统中【2 1 ，2 2 1 。电涡流传 感器可静态和动态地用非接触式方式测量金属导体( 必须是金属导体) 距探头表 面的距离。它的优点是对被测物表面无磨损，结构简单、灵敏度高、测量精度高， 对环境适应性强，即便在有水、油、灰尘及电磁场的干扰下，仍然能够准确测量 【2 3 ，2 4 】 o 轧辊在磨制的过程中，生产现场存在铁屑、粉尘等干扰，环境干扰大，加之 辊形测量精度要求高，于是电涡流传感器成为本课题研究的首选，然而电涡流传 感器只能在较窄的测量范围内，维持高精度测量结果。 鉴于非接触传感器测量范围小的缺点，本课题提出“非接触传感器+ 滚珠丝 杆+ 光栅尺”的检测方法，利用高精度的非接触传感器测量轧辊表面精度，通过 滚珠丝杆间接增加传感器的测量范围，光栅尺作为丝杆移动量的反馈器件，测量 滚珠丝杆的真实移动量，测量系统通过将传感器和光栅尺的测量数据相结合的方 法得到轧辊的辊型精度。光栅尺作为反馈器件可将电机、丝杆产生的误差排除在 测量系统之外，与传感器构成一个全闭环测量系统，保证检测系统的测量精度。 2 2 - 3 检测原理 目前轧辊磨床测量装置主要可以分为双点测量和单点测量两大类，其中双点 测量居多。在本论文中，以双点测量为例，分析检测系统【2 5 1 。 在实际轧辊检测中，两个位移传感器分别相对于轧辊轴线对称安装于轧辊两 侧，如图2 1 所示。轧辊在磨床的带动下匀速运转，两个位移传感器实时采集轧 辊某截面圆信息，并建立动态两点圆度误差分离方程，实现对轧辊圆度和机床主 轴运动误差的在线测量。此外，两测量仪还可沿与轧辊轴线相平行的方向匀速移 动，测量轧辊表面的素线信息。最后将测量的，1 个截面信息拟合成被测轧辊的三 维图形，获得轧辊的圆柱度误差。 1 4 2 2 4 恒间距测量原理 图2 1 轧辊辊型测量原理图 恒间距测量法，即在测量过程中，轧辊在线非接触检测系统的测量头与被测 轧辊表面保持恒定的测量范围。当被测轧辊表面到传感器距离变化量为x 时，传 感器在径向方向同时移动距离x ，使传感器距离被测轧辊表面的距离保持恒定测 量范围。传感器的移动量x 即为被测轧辊辊型变化量。 图2 2 轧辊在线检测系统测量原理图 轧辊在线非接触式检测系统结构如图2 2 所示，分别由传感器、光栅尺、滚 珠丝杆和电机组成，其中光栅尺分为读数头和标尺。在机构设计时，为防止粉尘 掉入尺身内损坏光栅尺，将读数头安装在测量台上，尺身和非接触式传感器并联 安装在滚珠丝杆上。滚珠丝杆与电机通过联轴器连接起来，则电机的旋转运动转 化为滑台的直线运动。假设非接触式传感器的测量量程为工，则传感器的测量 1 5 量程可表示为： 三= 厶觚一厶i n = 牡拗 式中：厶懈一传感器的最大量程； k i n 传感器的最小量程； ( 2 1 ) 厶l i i d 一传感器的一半量程。 非接触式传感器与被测轧辊表面的距离保持恒定测量距离值d ，其值可根据 需求改变。轧辊在线非接触检测系统中，设传感器距离轧辊表面的距离d 值等于 传感器量程的中间值，即 d 2 ( 2 2 ) 当被测轧辊表面相对传感器的距离变化量为x 时，p c 控制系统会控制电机 运转，带动传感器移动使其距被测轧辊表面距离重新变为d 值。假设光栅尺测量 传感器移动的距离为，则有等式： x = d + & ( 2 3 ) 在实际测量中，为减少机构的往返多次运动而带来的部件磨损，将恒定测量 距离值d 改为允许的测量范围。则当被测表面的变化量石在允许测量范围内时， 电机将不带动滑台移动。反之，当变化量x 超过允许测量范围时，电机将带动传 感器回到d 处。轧辊在线非接触检测系统的测量过程为： ( 1 ) 在运行程序前，控制系统会调整非接触式传感器回到允许测量范围内； ( 2 ) 如果测量距离变化，控制系统会判断变化量是否超过允许测量范围： ( 3 ) 如果距离变化量超过允许测量范围，电机带动传感器使其重新回到允许测 量范围内。反之，电机将不会带动传感器移动； ( 4 ) 当传感器停止移动后，光栅尺的测量值等于被测轧辊的辊型变化量。 2 3 本章小结 本章针对非接触传感器测量范围窄，不适合测量凹凸量较大的轧辊，这一缺 1 6 点，提出“非接触传感器+ 滚珠丝杆+ 光栅尺”检测机构与恒间距检测原理结合 的方式测量轧辊辊型，并细阐述了检测装置的结构特征和检测原理以及测量过 程，为之后的检测平台的搭建提供理论支持。 第三章轧辊在线非接触检测系统的硬件平台设计 3 1 轧辊在线非接触检测系统的主要硬件选择 轧辊在线非接触检测系统主要由光栅尺和传感器、信号调理器、执行机构、 驱动电路和计算机主机组成，如图3 1 所示。 图3 1 轧辊在线检测系统原理图 在该系统中，传感器负责测量轧辊的表面精度，光栅尺负责测量滚珠丝杆的 真实转动量。 信号调理器的作用是将传感器和光栅尺输出的电信号进行加工和处理，转换 成便于输送、显示和记录的电信号。在该系统中，传感器和光栅尺的信号通过数 据采集卡加工和处理后输送给计算机。 执行机构是接受计算机发出的控制信号，并将其转换成执行机构的动作，使 被控对象按预先规定的方式运动。在该系统中，电机作为执行机构带动传感器等 移动。 驱动电路为执行机构提供其必须的驱动信号，以带动其正常运动。计算机主 机为整个控制系统的核心，它根据预先设计好的程序，自动地进行信息处理、分 析和计算，并作出相应的控制决策或调节，及时的发出控制命令。 1 9 3 1 1 位移传感器的选用 位移传感器的种类很多，按测量方式可分为接触式测量和非接触式测量；按 位移传感器的材质划分可将其分为电感式、光电式、金属膜式、导电塑料式、金 属玻璃铀式和磁致伸缩位移传感器等。常见的非接触式位移传感器包括：激光位 移传感器、电涡流位移传感器、电容式位移传感器、光纤位移传感器等。 为在验证原理可行性阶段降低成本，本课题采用测量精度和成本相对低的激 光位移传感器，主要原因有三点： 首先，涡流传感器的成本较高，不适合试验验证阶段。 其次，相对于其它的位移传感器，激光三角传感器具有测量范围长、操作简 单、精度高、抗干扰能力强，价格低的特点。 最后，在实验室环境中，不会有磨削、冷却液等环境因素干扰激光位移传感 器的测量结果。 综上所述，在试验验证阶段，本课题采用激光位移传感器验证恒间距检测原 理。 ( 1 ) 激光位移传感器原理 激光位移传感器是一种利用激光技术进行测量的光电式传感器。它由激光 器、激光检测器和测量电路组成，其主要优点包括可实现非接触式远距离测量， 测量速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等，常见的如激光三角传感 器。激光三角传感器是采用激光三角原理和回波分析原理，进行非接触式位置、 位移测量的精密传感器。激光传感器由激光器、会聚透镜、接收透镜、位置探测 器( 如p s d 、c c d ) 组成。激光器发出光线，经会聚透镜聚焦后形成一个直径 极小的光束，垂直照射到被测物体表面上，光线经被测物反射后再经过接收透镜 照射到分辨率极高的位置探测器上【2 6 j 。激光三角因其结构简单、响应快、抗干 扰能力强、工作距离大、被广泛应用于车辆检测、板材厚度检测、木材尺寸检测 和工件检测中。山西农业大学的刘琪芳为用激光位移传感器测量圆度误差提出了 理论依据【2 7 】，测量原理如图3 2 所示。 2 0 图3 2 激光三角位移传感器原理图 当光线由点d 变化到点行时，屏幕上的点相应地由点d 移动到刀7 。 以6 f ，z 6 f ( 3 1 ) 刀6 = d 订s i n 9 ( 3 2 ) 甩6 7 = d 7 刀s i n 缈( 3 3 ) 根据以上三个公式，可以推导出物体的位移变化量为： y 2 面芒 ( 3 4 ) ( 2 ) 激光传感器的选用 在模型试验中选用的是型号为欧姆龙z 4 m - n 3 0 v 的正反射式激光三角位移 传感器，该型号的传感器采用的是正反射检测方式，可适用于检测有光泽的金属 表面。它还可用于多种高精度、短距离的测量场合。 雾晕 图3 7 正反射式激光三角位移传感器测量方式 表3 1 激光三角位移传感器z 4 m n 3 0 v 主要的技术指标 项目参数性能 分辨率4 岬( 1 m s 时) 0 4 岬( 1 0 0 m s 时) 测量距离 3 0 土2 m m 测量范围 士2 m m 测量中心距离 3 0 m m 电源电压 d c l 2 2 4 v 土l o ，脉动( p p ) 1 0 以下 消耗电流2 0 m a 以下 直线度 土0 5 f s 模 拟 输出形态4 3 0 n 认2 8 3 2 m m ，负载阻抗为3 0 0 q 以下 输 出 应答时间l m s 1 0 0 m s 切换 变位量 r、 一 应答时间 图3 3 传感器直线度示意图 应答时问 变位量 应答时间应答时间 图3 4 传感器应答时间示意图 3 1 2 光栅尺位移传感器选用 ( 1 ) 光栅尺原理 光栅尺位移传感器简称为光栅尺，常被用于机床、加工中心以及测量仪器等 方面，时常安装在机床导轨上用于测量平台的移动精度。 光栅尺位移传感器分为标尺光栅和光栅读数头两部分，其中读数头固定在床 身上，而标尺光栅一般固定在机床的工作台上，随机床走刀而动。在安装时要尽 可能注意使读数头安装在主尺下面，可避免切削、切削液及油液溅落到主尺里面 损坏光栅尺。 读数头是由光源、透镜、标尺光栅( 主光栅) 、指示光栅( 副光栅) ，光敏传 感器，光电信息处理系统组成，其中光栅尺的光源采用红外发光二极管。当标尺 光栅和指示光栅发生相对移动时，在干涉和衍射共同作用下会产生明暗相间的规 则条纹，经过光电转换，使明暗相间的条纹转化成电信号输出。因为光敏元件产 生的电压信号一般比较微弱，在长距离的传输过程中会被各种信号干扰造成传输 失真，故光栅尺信号的处理方法一般是光电转换、信号滤波放大、细分辨向、脉 冲计数四个部分，如图3 5 所示。 放 整 计 锁 大 形 数 存 电 器器器 路 图3 5 传统的光栅信号检测方法 经过长距离的信号传输，信号中存在失真现象，为保证计数的准确性，需要 首先对传输信号进行功率和电压放大，然后进行滤波去噪。辨向和细分是光栅尺 波形处理的第二步，其过程通常为：通过逻辑运算对波形相同但相差l 4 周期的 a b 信号进行处理，另一方面比较两组波形判断光栅尺运动方向【2 引。 ( 2 ) 光栅尺分类 光栅位移传感器：分为敞开式和封闭式两类。其中敞开式为高精度型，输出 波形为正弦波，主要用于精密仪器中，最高分辨率可达o 1 岬。封闭式光