成品鋁箔板形值離線自動檢測應用研究*

唐 焱，王 超，劉昌豹，龍芋宏

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004 )

0 引言

各類超薄、超寬優質鋁箔產品是工業電力元器件、新能源電池等產品的重要基材，在現代制造業存在極大的需求，其板形值是評價鋁箔品質最重要的指標之一。當前國內外鋁箔生產廣泛采用鑄軋法工藝，由于生產線終端箔材線速度高達532～600m/min[1]，因此難于直接、精確實現產品板形值的在線檢測。隨著市場對鋁箔品質需求的提升，鋁箔大量生產過程的離線板形值抽檢法研究和裝備開發成為企業及用戶關注的問題。

目前行業中鋁箔離線檢測板形值是依據直接裁條法、幾何形狀法、張力差法等原理，通過采集板形數據并進行相關計算獲得[2]。為提高檢測效率和精度，雖借助靜態激光掃描測距儀完成數據采集和處理，但檢測過程主要由人為操作，難以獲得準確的板形值統計數據。應用激光側距、計算機處理和PLC技術，在成品鋁卷恒張力開卷的前提下，對其板形值進行抽檢，實現了噸級成品鋁卷板形值抽檢過程的自動控制和檢測。

1 鋁箔樣條曲線擬合理論研究

1.1 三次樣條插值求解鋁箔樣條曲線

成品鋁箔內部存在殘余應力，致使各條元之間受力不均，鋁箔樣條呈現出不規則的曲線形狀。多個采樣點將檢測范圍內的鋁箔樣條曲線分割成若干個曲線段，每個曲線段在內應力的作用下都會產生微小的撓曲變形，利用三次樣條插值可求出樣條曲線各小區間的撓度函數表達式[3]。

在鋁箔縱向取1000mm的區間[a,b]，a=X0

(1)

式中,Aj、Bj為任意常數。可根據插值條件求得。Z(X)在區間[Xj-1，Xj]和[Xj，Xj+1]上Xj點處左右一階導數相等，因此：

αjMj-1+2Mj+βjMj+1=Dj(j=1，2，…124)

(2)

由公式(2)可以得到124個方程，但若想得到鋁箔完整的樣條曲線方程需要解出126個端點的二階導數值。因此需要加上鋁箔樣條曲線的邊界條件。采用三次自然樣條插值，鋁箔樣條曲線兩端點的二階導數值[5]：M0=M125= 0;可得到線性方程組：

(3)

方程組為對角占優矩陣，存在唯一解可以用追趕法進行求解，將解代入公式(1)便可得到采樣小區間內鋁箔樣條的函數表達式。

1.2 離線檢測板形值MATLAB算法設計

根據上述三次樣條插值求解鋁箔樣條曲線的過程，鋁箔板形值在MATLAB中的計算步驟為[6]：

(1)導入126個插值點結點，其中a=X0

(2)計算△Xj=Xj+1-Xj=8(j=0，1，…124)；

(4)計算D0和D125的值，自然邊界條件下D0=2M0，D125=2M125；

(5)用追趕法求解方程組[7](3)；

(6)得出個小區間的Zj(X)的表達式。

(7)根據弧長積分公式

(8)用二分查找法對結果進行排序，取最大值前10項的算數平均值為最終檢測結果，依據靜態檢測板形值計算公式[9]I=(L2-L1)/L1×105,存儲并輸出各組鋁箔板形值。

2 基于統計原理的板形值動態檢測法

2.1 現行工藝產品板形值測量統計分析

通過對國內不同企業各類生產線超薄、超寬鋁箔產品板形值統計分析表明：①成品板形值因不同生產條件呈周期性變化；②箔寬度超1000mm時橫向板形數據變化較大，長度周期約等于精軋輥周長470mm；③對單卷重量1t左右鋁箔，若末端47m長度上板形值合格，可判斷整卷板形值達標。

2.2 動態檢測原理及配套裝備

成品鋁箔以一定線速度運動，開發3～5頭激光組合測距器，對穩定運動的鋁箔在取樣長度內進行局部空間數據采集；設定時間驅動激光組合測距器沿寬度方向迅速平移，定位后進行相鄰局部鋁箔板形數據采集；以此類推，自動完成箔卷末段長約50m全寬度范圍，且符合統計規律的板形數據采集，經后期數據處理獲得準確板形值。配套設備工作原理及硬件組成見圖1。

圖1 自動檢測設備工作原理圖

成品鋁箔板形值離線自動檢測系統具體設計方案如下：

(1)按本生產線板形值變化周期，確定被抽檢箔卷并安裝于開卷機主軸。

(2)控制開卷機主軸轉速可根據需要設定鋁箔運動線速度；利用其相對送箔機械牽引輥牽引線速度的速差，在鋁箔內形成穩定張力；鋁箔在通過精密機械傳輸輥組時，可保證鋁箔被檢測段的動態穩定。

(3)多頭組合激光測距裝置安裝于沿鋁箔寬度方向的橫向精密導軌，所有激光測距頭并列，且光軸與鋁箔運動平面垂直，分組采集激光測距探頭到箔面的空間距離。

(4)測距裝置靜止時，鋁箔相對檢測頭運動，按設定的取樣長度采集與激光檢測頭數相同的多組鋁箔縱向局部不平度數據；測距裝置沿導軌平移，再次定位后，采集相鄰區域鋁箔縱向不平度數據，以此類推。

(5)設激光測距頭數n，通過伺服電機驅動組合激光測距裝置橫向間歇運動靜動比4:1，縱向取樣長度1000mm，則在縱向長度63.75m范圍內，完成自動采集縱向板形數據51n組。

(6)運用計算機數據處理軟件進行鋁箔樣條曲線擬合及樣條曲線的長度求解，運算獲得符合統計規律的板形值。

2.3 鋁箔動態開卷恒張力PID控制

寬薄鋁箔的動態開卷穩定性是激光檢測系統完成板形值數據采集的基礎，其主要影響因素包括機械傳輸輥組精度和牽引輥拉力適度兩個方面，由于寬薄鋁箔自身力學性能的差異及外界隨機因素的影響，牽引輥施加的張力應實時變化，保證箔面上張力恒定。測試表明，伺服系統常規單軸扭矩控制輸出控制方式難以達到預期目標，實用中必須對輸出扭矩予以修正。

在恒扭矩控制上采用目標值濾波型二自由度PID控制，可同時提高目標值響應性能和抗外部干擾相應性能，恒扭矩控制模塊中，扭矩傳感器提供實際扭矩輸出值T3，上位機設定的標準扭矩值T2作為期望值進行計算，伺服電機轉速N為被控對象。將偏差的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制。其運算公式為：

式中，Kp、Ki、Kd通過運動控制器進行自動調諧，當實際轉矩達到期望值時，調諧結束并將計算出的值寫到NVM中。鋁箔動態開卷恒扭矩控制過程見圖2所示。

圖2 鋁箔動態開卷恒扭矩控制示意圖

圖4 成品鋁箔板形值離線檢測系統顯示界面

2.4 組合激光測距裝置應用和驅動

(1)鋁箔縱向不平度激光測距硬件基本技術參數：單頭測量寬度范圍20±1mm，光點直徑70μm，靜態分辨率0.008μm，檢測周期為1.6ms。

(2)n件傳感頭等間隔并列，靜態檢測時間2s，運動時間0.5s，運動間距20n。

(3)通過Ethercat總線將存儲在激光傳感器控制器中的csv數據文件傳給上位機。上位機控制軟件在PC機上通過MFC實現，主要完成伺服電機的運動控制，讀取回傳數據和處理數據工作，如圖3所示。

圖3 激光檢測系統應用軟件程序圖

3 應用實例

在正常運行的生產線上，從寬1000mm，厚0.008mm的大批產品中進行抽樣；構建滿足相關檢測技術要的離線自動檢測硬、軟件系統，在配套設備上完成離線板形值自動檢測。實驗數據見表1、表2所示。

表1 板形值變化周期150min的產品檢測抽樣

表2 實驗參數設置

本系統激光測距裝置頭數3，最大掃描區域寬度60mm；取橫向平移量60mm，即1000mm寬度完成17次掃描，同時采集縱向板形原始數據51組；本實驗規劃檢測周期為2.5s，完成17次測量后鋁箔運動的縱向長度為21.25m；實驗全過程激光測距裝置橫向往返1.5次，覆蓋的檢測區域為21.25×3=63.75m，有效檢測區總長為51m。獲得原始數據共計153組,其中三組為無效數據需舍棄。

實驗數據及處理結果在系統終端通過PC機屏幕輸出，顯示界面見圖4。圖中參數設置區是對鋁箔動態開卷張力進行設定。其中K1、K2、K3對應Kp、Ki、Kd，供操作人員進行扭矩控制手動調諧；V為鋁箔開卷速度上限值；W為箔面寬度；D為箔面厚度。參數顯示區中，T3為扭矩傳感器返回值；F為箔面張實時力值；P為箔面橫截面應力；L′為檢測范圍內最長鋁箔條元長度；L為最短條元長度；I為抽檢箔面范圍內實測板形值。

對上述6件抽樣成品箔卷末段有效區域45.9m進行自動檢測獲得板形值見表3所示。

表3 鋁箔樣品板形值檢測結果

對比等同條件下人工直接裁條法測量計算結果數據表明，本研究實施的自動離線板形值測量結果符合傳統檢測結果規律，且檢測效率、自動化程度遠優于傳統檢測方式；由于測量覆蓋面積和原始數據采集量的大幅增加，其檢測結果的不確定度更為可靠。

4 結束語

在遵循統計原理的基礎上，通過精密機械傳輸形成鋁箔運動的穩定狀態，確保了組合激光測距裝置在鋁箔動態下原始數據采集的準確性；運用MATLAB樣條插值算法進行數據處理，最終獲得的離線檢測板形值結論準確可靠，適用于超薄、超寬不同生產線鋁箔成品板形值離線動態開卷檢測。