金屬板厚度及平面度自動檢測裝置設計

吳 曉，薛春娥，何呂濤

(1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430074；2.長江職業學院 機電學院，武漢 430074；3.武漢洛特福汽車排放技術有限公司，武漢 430058)

0 引言

金屬鋸片等平板類零件的厚度和平面度是重要的技術指標，需要對其進行精確測量和控制。近年來，人們對平面度測量技術以及測量裝置進行了大量研究工作[1～4]，目前生產企業常采用的厚度及平面度檢測裝置主要有激光測試儀、三維座標測試儀或千分尺[5]。激光式測量儀價格昂貴；三維座標測試儀操作復雜，一般無法進行全自動檢測，測試速度極慢，成本高，難以普及；人工測試法的人為誤差較大，而且千分尺本身測量的運行區域有很大限制，難以對大尺寸零件中心區域進行測量，再者人工測量只能檢測零件的厚度，不能檢測平面度[6]。上述的厚度及平面度檢測裝置在檢測時一般都要求被測件表面整潔，并要求具有較高精度的定位基準[7]。

本文利用渦流感應技術，研發了一種厚度及平面度自動檢測裝置，該裝置能有效排除被測件上水分及其它非金屬雜物的干擾，檢測時無需對被測零件進行精確定位，操作簡單，檢測結果精準。

1 技術基礎

如圖1(a)所示，高頻交流信號在線圈中產生的高頻磁場作用于金屬板表面薄層，并在這薄層中產生渦流I2，該渦流產生交變磁通Ф2，并使得線圈中的磁通Ф1發生變化而引起自感量變化，在線圈中產生感應電勢。電感將隨渦流的強弱而變，而渦流強度又隨線圈與金屬板間的距離x而變化，因此可以用高頻反射式渦流傳感器來測量位移x的變化[8]。

圖1 渦流傳感器原理及測厚示意圖

利用渦流傳感器原理測量金屬板厚度的方法如圖1(b)所示，在金屬板兩側分別設置線圈探測頭，測量上、下檢測頭到金屬板的距離x1和x2，則被測金屬板的厚度h=D-(x1+x2)。測量值不受金屬板表面平整度或移動過程中上下波動的影響。本文正是利用該理論來設計金屬薄板厚度及平面度檢測裝置。

2 整體方案設計

2.1 總體要求

要求檢測裝置對金屬板類零件的厚度及平面度進行自動在線檢測，具有非接觸測量、精度高、速度快等特點；機床堅固結實，外形美觀大方，結構設計合理，操作簡單，防護裝置齊全可靠。

2.2 總體方案概述

本文設計的金屬薄板厚度及平面度自動檢測裝置主要包括有機架、送料機構、出料機構、檢測機構以及控制電路五大部分，如圖2所示。

機架用來支撐送/出料機構、檢測平臺以及操作顯示屏等。送/出料機構是將被測零件輸送到檢測平臺，待檢測完畢后，又將零件從檢測平臺上移走，完成一個檢測循環。檢測機構包括檢測平臺、探頭等，檢測平臺主要用來放置被測零件，并在檢測時以一定的速度橫向移動，與探頭的縱向運動配合，實現對整個零件平面的檢測。控制電路用來保證檢測裝置各個機構之間的協調運動，以實現自動檢測功能。

圖2 檢測裝置總體方案圖

3 機械結構設計

3.1 送、出料機構設計

送料機構的結構如圖3所示，主要包括：送料氣缸、輸入料盤、輸入料盤軸、料盤架、支座等。輸入料盤固定在料盤軸上，而料盤軸可在料盤架的導滑槽內滑動，以帶動料盤實現送料動作。送料氣缸固定在支座上，與料盤架相連，可以帶動料盤架上下移動。出料機構的結構與送料機構基本相同，這里不再贅述。

送、出料機構的工作原理：將被測件放在輸入料盤上，送料氣缸帶動料盤架及料盤上升，使被測件處于高位(高于檢測橫梁)；然后料盤軸在料盤架內滑動，將被測件送到檢測橫梁的上方；此時，送料氣缸下降，被測件安放在檢測橫梁上進行檢測，同時料盤軸帶動輸入料盤向左復位，等待下一工作循環。檢測完畢后，輸出料盤移動到被測件的下方，出料氣缸上升，通過輸出料盤托起被測件，在輸出料盤軸的帶動下向右移動，取走被測件，完成一個檢測循環。

圖3 送、出料機構示意圖

3.2 檢測平臺和機架設計

檢測平臺的基本機構如圖4所示，包括檢測橫梁、檢測橫梁導軌、檢測平臺底座、檢測平臺導軌、檢測架、電機、X軸方向的絲杠副、上測試探頭、下測試探頭及Y軸方向滾珠絲杠機構。檢測平臺上沿X軸方向設置有兩根平行的導軌，導軌上沿Y軸方向配置有兩根相互平行的檢測橫梁，兩根檢測橫梁的距離可以根據被測零件外形尺寸的大小進行調整。檢測架上設置帶有上測試探頭的懸臂，在絲杠副的作用下帶動上測試探頭沿X方向往復運動。下測試探頭固定在檢測橫梁下方的檢測架上，上、下測試探頭分別與測量電路相連，檢測平臺底座的下面設置沿Y軸方向的滾珠絲杠機構，以實現檢測架平臺帶動被測零件沿Y軸方向作往復運動。

圖4 檢測平臺結構圖

由于本檢測裝置的機架與機殼聯為一體，考慮到使用要求、受力狀態和制造成本，該裝置的機架采用冷扎型鋼拼焊，然后經過適當機加工；機殼采用薄鋼板經沖壓加工得到，將整個檢測機構包裝起來。其上設置數字顯示屏，以便人工操作和檢測結果顯示。

4 控制電路設計

本裝置利用渦流傳感器原理進行非接觸式檢測，上、下測試探頭（分別位于待測零件兩側）與測量電路相連。測量電路如圖5所示，由五部分組成，即模擬量輸入板；數字量輸入板：馬達控制板； CPLD擴展板和主控板。其中模擬量輸入板由兩路輸入通道組成，分別對應上、下測試探頭， 選用12位精度的A/D芯片TLC2543作為采樣芯片，測試精度可以達到1/1024mm，約1 m；數字量輸入板由20路輸入回路組成，每路都由具有隔離作用的光耦和硬件濾波電路組成，并且進入CPLD后還具有數字濾波功能，以便有效地防止設備抖動的影響；馬達控制板控制4路步進電機及一路伺服電機，產品用到了伺服電機及其中的3路步進電機，另一路步進電機預留，電機驅動部分均由光耦隔離；CPLD擴展板主要進行數字電路輸入及電機驅動的數字運算，LED顯示及鍵盤掃描等；主控板由LCD驅動電路，非易失存貯器，電源，RS232及主控制芯片組成。主控芯片為C8051F系列，是整個系統的核心控制部分。

圖5 測量電路圖

測距原理：測試探頭至被測件表面的距離影響探頭內磁場的強弱程度，進而改變探頭的輸出電壓，測量電路將輸出電壓轉換為數字信號后進入CPU，由CPU進行一定的數學運算，分別得到上下探頭相應各點至被測件表面的距離。被測件的厚度即等于兩探頭之間的距離減去上下兩個測量距離之和；而被測件的平面度為同一面多個測試點（本設計使用的是196個點）的最大與最小距離間的差。為了測試結果盡可能地逼近真實值，上探頭的運行軌跡為“S”字型，以使測試點均勻的分布于被測件表面。

5 應用實例

該裝置已經在某大型鋸片生產企業得到應用，用于對鋸片厚度及平面度的在線檢測，圖6是檢測裝置實物外形照片，外形尺寸為：長L=2310 mm，寬B=1240mm，高H=1800mm；圖7是測量機構實物照片。經過生產一線的實際應用證明，該裝置具有結構簡單、檢測方便、精度高、性能穩定以及非接觸式在線自動檢測等一系列優點。

圖6 檢測裝置實物外形 圖7 測量機構實物照片

6 結束語

該裝置利用渦流感應原理來實現金屬薄板厚度及平面度的檢測，能有效去除被測件上的水分及其它非金屬雜物的干擾，檢測時無需對被測件進行精確定位，并能進行在線自動檢測。充分利用了機電一體化技術的特點，結構簡單，操作和維護方便，稍加改進就可用于其它金屬薄板外形尺寸的檢測，易于推廣應用。

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