韦 涛 李振强 董伟群
(莱芜钢铁集团 自动化部 山东 莱芜 271104)
中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1671-7597(2011)0220061-01
1 概述
该测量系统采用单探头移动式测量的方法，实现对钢板厚度参数自动地|、连续地提取，达到对钢板厚度进行整体精确测量的目的。系统通过滚珠丝杠把步进电动机的转动转化为导轨上工作台的平动，传感器安装在工作台的L型悬臂梁上。行走机构停止时传感器开始采集厚度参数，数据采集卡把采集到得传感器电压信号传送给计算机，通过计算机对数据进行处理便可得到钢板实际厚度与标准厚度的绝对偏差，绝对偏差值和标准厚度值的代数和便是钢板的实际厚度。
2 系统的设计要求
2.1 技术指标
1)测量的范围：能测量在标准厚度的基础上0-5mm的厚度偏差。
2)测量精度：10um。
2.2 的功能要求
1)自动测量，不需要人工参与。
2)连续测量，不需要生产的停顿。
3)高精度的非接触测量。
3 系统的结构设计
本系统主要由行走机构和测量部分组成。
3.1 行走机构的设计
行走机构主要由步进电机、滚珠丝杠副、滑动导轨组成，采用的是丝杠转动螺母移动的方法。步进电机的转轴通过联轴器和丝杠直接连接，丝杠跟随电机一起转动，从而把电机的转动转化为螺母的移动。螺母上固定有螺母座，而螺母座又与安装在导轨滑块上的工作台底板连接，最终把电机的转动转化为工作台在导轨上的平动，实现传感器的位置移动。
3.1.1 步进电机的驱动
系统行走机构的驱动是以步进电机作为主动元件的，如何控制步进电机的运动是现厚度实时测量的一个重要内容，传感器相对于被测钢板的运动是通过步进电机有规律的转动实现的，为了完成钢板厚度参数的采集，步进电机的驱动系统应该具有下列功能：步进电机能够启动和停止;能够实现正转和反转;步进电机能够在任何位置锁定。
在测量过程中，为了提高运动精度，步进电机以三相六拍方式工作。
本系统采用配套的步进电机驱动器进行控制。其特点是：驱动器性能对电机的依赖性极小，不同参数电机均可获得优异性能;具有多种细分模式;具有脱机控制信号;电机位置掉电记忆;静止时半自动电流锁定;输入输出信号光电隔离。
3.1.2 滚珠丝杠的选择
根据估算工作台、支架和测杆等上部组件的重量，假定压在滚珠丝杠上的重量为w=1500N，工作台的设计行走行程为800mm
由于电机转轴由连轴器直接连接，所以传动比为i=1
1）估算滚珠丝杠副的底径
3）确定额定动载荷
把以上计算所得数据与FFZD3205-3型滚珠丝杠的各项参数比较，可知该型号丝杠完全满足设计要求。
3.2 测量部分的设计
测量部分是通过测量钢板的实际厚度和标准厚度的偏差来进行厚度测量的。测量前先用标准量块代替标准钢板对传感器进行零点调节，具体的做法是先调节测头到钢板的距离，使其在传感器的测量范围内，然后通过传感器的控制器对传感器进行复位，此时传感器的模拟输出电压值为零。测量时，若钢板的实际厚度与标准厚度存在偏差，即钢板上表面相对于传感器发生位移变化，传感器便输出一定量的模拟电压。模拟电压输出值与厚度偏差值存在固定的线形关系，我们由这个线形关系便可推算出钢板的实际厚度。
3.2.1 传感器的选择。电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且具有非接触测量的优点，因此广泛应用于工业生产的各个领域。本系统采用的便是基士恩公司生产的EX-200系列中的EX-416圆柱形涡电流位移传感器，它具有如下的优点：微小位移的精确模拟输出，EX-200系列以F.S.的0.04%的解析度来测量目标物，有两种模拟输出(电压/电流)可供连接到外部设备;EX-200系列使用内置线性化电路，可以精确的输出绝对位移值;高反应速度，EX-200系列提供最高达18KHZ反应频率，可以测量快速移动的物体;自动归零键按下自动归零键就可以把当前的电压输出设定为0V，只要按下归零键即可完成参考目标物的零值调节，在产品更换时可以容易而快速度地设定传感器。本传感器的解析度为F.S的0.04%，测量范围为5mm，所以分辨率为2um，能够满足设计的要求。
3.2.2 数据采集系统的设计。在智能化测量系统中，为了实现对外界各种模拟信号的测量，必须通过数据采集系统将信号送入控制系统中，数据采集系统是外部信号进入计算机的必经之路。一般的数据采集系统由前置放大器A、采样保持放大器SHA、模数转换器ADC组成，其中前置放大器A的作用是将信号放大到ADC可以接受的范围，采样保持器的作用是保持输入信号在ADC转换期间不变，而ADC的作用就是把模拟量转化为数字量
目前，随着大规模集成电路工艺的发展，市场上已经出现了各种专用的数据采集芯片。这种芯片集高速度高精度SH、ADC、基准时钟源及数字接口与一体，可以达到很高的水平，本系统便采用了数据采集卡进行数据采集.该采集卡属于TDEC ISA系列，型号为TOP-10016，它是四通道同步并行数据采集模块，采用16Bit高精度A/D，每通道最高采样频率可同时达到100Kps，同时配有最高8M字节/通道的大容量SDRAM板载缓存，可实现多通道低速动态信号的实时记录。它具有高速、大容量、并行采集、同步扩展的特点。将采集卡插入PC机的插槽内工作，传感器将被测信号变为模拟电压信号，经屏蔽电缆与采集卡上的信号输入插槽直接连接，在配套TOPView2000虚拟仪器软件的控制下，可实现对模拟信号的采集和储存并可在PC机上进一步完成数据的上是实时处理和后处理。
3.2.3 厚度数据的处理。为了对钢板整体厚度进行精确的测量，本系统采用了多点采集厚度参数然后进行整体处理的方法。传感器采集的信息经过数据采集后送计算机储存，当达到要求的测量次数时对储存的数据进行处理，以达到对钢板厚度进行整体测量的目的，所有的数据处理都是通过软件编程实现的。
4 结束语
针对目前国内钢板生产设备由于缺乏有效的厚度实时测量手段，而影响产品质量和企业效益这一实际问题，本系统提供了系统的研究方法，提了以电涡流传感器为基础、以计算机控制技术为核心的系统设计方案，在测量系统的各关键部分的设计中，充分利用了现代设计理论和设计方法，在总体上达到了系统设计的要求。
参考文献：
[1]庞振基、黄其圣主编，精密机械设计，北京：机械工业出版社，2003.
[2]万福君、潘松峰主编，单片微机原理系统设计与应用，合肥：中国科技大学出版社，2001
[3]王晓明主编，电动机的单片机控制，北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[4]何道清主编，传感器与传感器技术，北京：科学技术出版社，2004.
作者简介：
韦涛，男，就职于莱芜钢铁集团自动化部，主要研究方向：自动化系统的设计与维护。
