高精度激光板厚测量仪的振动误差研究

1、中南大学硕士学位论文高精度激光板厚测量仪的振动误差研究姓名：姜俊申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：谭建平20040101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

2、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第一章文献综述§课题来源本学位论文课题来源于国家高技术研究发展计划（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：钆）§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

3、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“。根据铝行业国家标准（厚度为衄铝箔的厚度允许偏差为±衄、厚度为哪铝箔的厚度允许偏差为±衄、厚度为衄铝薄板的厚度允许偏差为±衄），厚度检测装置的检测精度要达到±衄，才能实现高精度铝薄板加工及板凸度的精确控制“。在铝薄板的板厚度检测领域，目前主要应

4、用射线测厚装置。国外在这一技术领域已经比较成熟，例如美国公司、德国公司的射线测厚仪己达到很高精度。国内也曾致力于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咖的铝板。，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、

5、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±±。在铝板冷轧测厚中，奥原公司的激光测厚仪精度以达到。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型或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

6、低于射线源和同位素射线源。一套测量精度达到朋的进口激光传感器价格在人民币万元左右，而同样精度的同位素射线测量系统则需要万元以上，而射线测量系统价格更高。而且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。§振动抑制技术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。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

7、下三类【】：减小扰动：减小和消除振动源的激励：防止共振：防止和减小设备、结构对振动的响应；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

8、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。

9、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。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

10、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。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。一般可以隔离以上的外界振动。例

11、如美国实验室的一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的外界振动，隔振后轴承部件的相当振动仅。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

12、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【：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：误差补偿精度较高。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。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。实旌非实时误差补偿只能补偿系统

13、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

14、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：硕士学位论文文献综述有较高的动态性能，补偿值可随工作状态的变化而即时变化，即具有柔性。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。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，删减小至，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超精密车床的圆度误差减

15、小了，圆柱度误差减小了。§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

16、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（秒）级，而人脑中每个神经细胞的反应时间只有毫秒（。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步，范德曼（）称之为步程序长度。显然，任何现代串行计算机决不可能在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】。人工神经网络（简称）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

17、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：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。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

18、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。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。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。§课题研究的意义与目的我国是铝材生

19、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射线测厚仪，价格十分昂贵（每台约万美金）；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）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，

20、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。§课题研究的内容和结

21、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

22、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！壁蔓！垒！塑第二章测厚仪结构方案与振动试验研究§高精度板凸度在线检测装置结构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所示，采用由伺服电机驱动滚珠丝杠的驱动方式，推动型移动机构进行移动，型移动机构的激光测量器对铝薄板进行扫描，来测量铝

23、薄板的厚度。图型激光测厚仪结构图激光测量传感器简介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，其性能指标如表所示。性能分类测量范围线性中点哪线性度指标一分辨率一频响辅助光勒克斯硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究光斑直经光源半导体激光器脚红色激光等级保护等级传感器控制器工作温度存储温度输出（数字）电源耐震耐冲击一（一），“表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，由厚度测量公式矿（一）上下两激光头之间的固定距离为，上激光头与铝板上表面的距离为，下激光头与铝板下表面的距离为，铝板厚度测量值为。假定对铝板进行静态测量，即铝板并不运

24、动。如果值固定不变，且、的值在激光头测量的线性范围之内，无论，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、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。§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

25、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，但小于舷的振动严重影响测量精度。所以较低频率振幅应控制在，朋以下，而较高频率振幅应控制在删以下例。在一般情况下，对精密测量构成的威胁的微振动，其振动加速度应为研以下，振幅为微米以下，频率在把之间的情况较多，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【：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。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。自然界振动包括地震

26、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

27、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。§激光测厚仪振动状况的试验研究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。试验目的测试工业现场地基振动，得到环境振动数据。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。测试测厚仪的振动模态，确定测厚仪的固有频率。测试测厚仪扫描运动中产生的

28、振动。试验仪器频谱分析仪一台；高精度加速度传感器个；一型加速度校准仪一台：型架结构扫描式激光测厚仪试验样机。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，横坐标表示振动强度的分贝值。时域图中纵坐标表示时间，纵坐标表示加速度值。对地基取个测点的数据进行分析，地基测点分布如下图所示。取测点的功率谱图分别如下图、所示，所取测点为地基上随意点。，图中的采样频率为，中采用频率为。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，取该测点为点，其时域图

29、和功率谱峰值的列表视图如下图，其中最大峰值为为电噪声，故对以及其较近的倍数的频率不予考虑。从时域图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。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、形架上的振动进行对比比较，如图，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形架内侧的测点的振动。可见对以上的频率的振动，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。导轨图加速度传感器测点布置俯视图围地基振动测试功率谱图（，测点）硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图地

30、基振动测试功率谱图（，测点）图地基振动测试功率谱图（，测点）硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图地基振动时域谱图（测点）图地基振动功率谱图（测点）堡主堂堡笙奎型壁堡堕塑互茎兰篓塑堕壁塑塑图一地基（上）、导轨（中）、型架（下）功率谱对比图工业现场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，如图为导轨振动的一组自功率谱图。测试中取采样频率。图一中舵通道为地基导轨振动，通道为上激光头振动。可见外部振动在高于频率下对型架所造成的激励已经很小，可以忽略。也就激光测厚仪型架对较高的频率有良好的振动隔离能力，相反在低频部分以下的振动型架上的振动反而较地基

31、振动较大，即较低频率的振动在低频相反被放大。图一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！婴图静态状况下地基与型架功率谱图模态频谱分析对于型架的振动模态分析，采样冲击锤法进行分析。如下频谱图，为下激光头的振动测试通道，为上激光头的振动测试通道。由于激励为直接对型架施加，因此可以推断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、等。下激光头的主要固有频率依次为、等。从图中可见型架上下梁振动模态相似，而且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

32、频率较低的固有频率。硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图锤击法模态分析功率谱图扫描运动中上下激光头的振动状况分析当型架以删速度扫描时，见图，图中通道表示上激光头附近振动的测试通道、表示下激光头附近振动的测试通道。可见相同振动主要有、；上激光头还有一个低频下激光头不大明显。当型架分别以速度删、删速度扫描时，它们的功率谱圈分别见图、。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、。这是由于较高的频率被测厚仪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型架结构固有频率相近，有被放大的趋势。高于的频率由加速度振动值换算成位移振动值已很小，所以虽然型架结

33、构也有高于的固有频率，本文也只取频率在以下的振动进行研究。硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图一速度扫描下型架功率谱图图一速度扫描下型架功率谱图暑硕士学位论文测厚仪结构方案与振动试验研究图一速度扫描下型架功率谱图图速度扫描下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幅频圈一芎上气荔蕊¨地胁试验结论试验型架试验装置在频率范围的固有频率为、，其中、为对型架影响较大频率。当试验型架受到与它固有频率相同的振动时，位移振动最大幅度的是，其后依次是、。当受到非固有频率的简谐振动时，主要影响测量精度的频率范围主要在其扫频放大倍数较大的附近和低频段。根据宽频随机振动激振的结果，下的振

34、动都会对型架试验装置产生对测量精度的不良影响，应尽量抑制。其中影响精度最大的值是、附近。这些影响测量精度的频率的主要特点是型架试验装置对这些频率的振动的放大系数大，而且从频域图上看响应的频率范围宽。硕士学位论文振动抑制和补偿方案确定隔振能够有较好的低频隔振性能，所以外界环境振动的隔离采用以空气弹簧支撑的振动隔离形式。对于测厚仪内部的振动，即由于型扫描装置内部的振动，采用加速度补偿显然比位移补偿在结构上复杂很多，而且对上激光头进行激振的激振器没有合理的安装位置；所以内部振动的消除采用基于神经网络自学习的位移补偿方式进行。§本章小结本章根据对第二章的工业现场以及试验室的试验测试研究，对实

35、际系统的隔振策略进行了理论分析和方案对比，根据现场振动和测厚仪内部振动的特点，确定了空气弹簧隔离外部环境振动、误差补偿抵消内部振动的振动误差处理方案。堡主堂垡堕壅皇墨壅篁堕塑丛墨墨垫堕！堑塑阻一【（）当然如果倾角的值不足以造成激光测厚精度影响的话，就可以考虑不需要水平保持系统。即当没有控制力矩即。时式（）变成了如下形式：，等柚警庐。叫，为激光头平移造成偏心力矩：铲中为整个激光头平移部分的质量，是激光头平移部分离平衡位置的距离，故有：，等口警屹码芦（）这是一个关于倾角击的二阶常微分方程。§空气弹簧系统模拟仿真水平保持系统的数学模型仿真首先通过计算，可以先对测厚仪基座转动惯量，空气弹簧刚

36、度系毛，粘性阻尼系数进行合理的取值。测厚仪基座的转动惯量通过转动惯量公式估算而得，现在取得转动惯量，只是一个初步得估值，根据结果可以通过改变它得取值来得到比较好得效果，从而进一步改进基座的设计。目前取七。由于测厚仪下的空气弹簧曾受的横向载荷不大，故空气弹簧可以采取直筒约束膜式空气弹簧，这种弹簧的优点是设计简单。空气弹簧刚度系毛可由公式（）中的置叫见）等堡主堂堡垒奎窒皇登差堕壹丛墨堡塾！塑估算而得，其中气源压力取×，儿×胛，然后对空气弹簧有效面积爿，有效体积取不同值，因为空气弹簧在此种情况下属恒温过程，多变指数取，有效面积么可由测厚仪总重估算可得：州体积根据不同型号空气弹簧取

37、值，计算中先取矿。空气弹簧的阻尼系数也可以由公式（）得到：胄趔（）（）式中为单个空气弹簧阻尼值，单位培硎，为流量阻尼系数单删，为空气重度，有如下公式：胄爵（）（）州圳等式中哦为节流孔直径，可以有不同的取值。先取最佳阻尼孔：硪：埠号社弋（），纠掣弹簧，然后根据结果在进行调整。根据以上的公式和取值，可以通过计算取得一组值：碚吲，式中主附气室容积比七值先取，肘，即计算得直径矾的空气丑，在根据形架的重量珊，底座长度三胁可列出系统的数学模型：皇箬“譬，妒，：）次破（）硕士学位论文空气弹簧隔离外界振动的研究公式中，（）是一个周期序列函数，它的频率与形架扫描的速度是相关的，这里我们取形架扫描速度，故（，）的

38、频率为阳。由于我们考虑砂为微量，取工小，故（）转换为：等譬庐：吣）西出（）。在未加入任何控制反馈的情况下，用模拟系统的对重心偏移的响应，如图（）：。熙一匮国：斋剥蠢耐图水平位置同步仿真最后得出系统仿真结果如图：图×口，研导轨水平度变化曲线图可见平台最大倾斜角接近弧度，系统响应时间很短。这时会对激光测厚造成。铆误差。但是空气弹簧的布置位置对系统的数学模型是有影响的，实际上如果弹簧隔的越近，模型中的，值越短，其它值不变，取，即空气弹簧之间力臂缩短，可得：。等堋警州，倒，唧）嘣，硕士学位论文空气弹簧隔离外界振动的研究图×甜，导轨水平度变化曲线图由图也可见系统响应时间也很短，而且最

39、大值也和系统稳定后最大值相差不远，在弧度左右。根据计算，弧度的角度会给系统带来脚误差。再考虑选取不同的空气弹簧时的情况，减小气源压力至×，可得在，处的仿真曲线如图：图×甜，册导轨水平度变化曲线图再考虑将空气弹簧的体积缩小，将其高度降低至矗聊，可得特性曲线图：图一缩小空气弹簧体积后导轨水平度变化曲线图由上面的分析可初步确定空气弹簧在形架平移时不会产生不同步的现象只需设计空气弹簧间距为，角度误差对测厚的影响就可忽略。故可以硕士学位论文空气弹簧隔离外界振动的研究略去空气弹簧自找水平部分的控制设计。空气弹簧对地基振动的隔离空气弹簧的参数取平台倾斜的仿真中用的空气弹簧参数即：，培扩根

40、据式（），（）仿真不同频率下空气弹簧隔振率瓦和相位角妒。图中横坐标为频率的常用对数，纵坐标为系统的传递率，仿真中主附气室之比取，可得如下曲线一“。由图中可见空气弹簧对以下的振动没有什么隔振效果，对以上的振动有很好的隔振效果。谐振峰值出现在，左右，即此时空气弹簧隔振系统的固有频率应在左右。其他参数取式气源压力为×计中的值。其相位角一的曲线为图，可以看到空气弹簧相位滞后的峰值出现在左右。§善一一弋、嵋摄动糖串脚图一气源压力×甜容积比为空气弹簧对不同频率的隔振系数图堡主兰垡笙苎§数据补偿系统的硬件设计。系统的组成原理垄垡堡苎塑塑盐堡墨笙堕旦壅！塞立数据补偿系统

41、的硬件结构如图一，系统的工作思路是：通过加速度传感器测量上下横梁的的振动信号，经过放大器的信号放大、滤波器的低通滤波处理再进行模数转换，然后将数据送入计算机，计算机根据事先构建好的神经网络对振动数据进行运算得出板厚误差，再根据激光传感器所得板厚数据得出补偿之后的铝板厚度数据。硬件系统介绍传感器传感器是控制系统的关键环节，由它来测量振动信号，由于测厚仪振动信号弱小，而且频响集中在低频，因此要达到较好的控制精度，就要对传感器提出较高的要求，主要是纵向灵敏度要高、横行灵敏度要小、频响范围要集中在低频、时滞要小，零漂要小、动态范围要大，尤其要求有良好的低频响应性能。压电式传感器采用电晶体的压电效应来实

42、现信号转换。压电式加速度传感器因其优异的综合性能常常被用来作为拾振器”。放大器考虑到传感器到放大器之间的距离比较近，有可能会引入一定的电噪声，而电荷放大器可以近似忽略电噪声。因此，系统放大器选择电荷放大器。放大器首先将传感器输出的电荷量转换为电压量，然后再进行电压放大。电荷放大器主要由电荷放大极，高低通滤波器，归一化电压放大极以及过载保护电路组成。滤波器为了防止高频噪声的干扰以及信号失真，系统采用低通滤波器。巴特沃斯在通带类最大平坦，阻带内衰减较快，可用作振动测试的基本环节【。本系统选用阶巴特沃斯低通滤波器。§数据补偿系统的软件设计数据补偿系统结构与功能数据补偿系统直接根据预先自学习

43、的知识对现场所测得的含有振动造成误误差的板厚数据在线补偿，所以数据补偿系统包括两个部分：数据离线学习部分和数据现场补偿部分。数据补偿部分又包括板厚测量部分和神经网络补偿部分。数据现场补偿系统的模块软件结构图如下图：堡±堂垡笙奎堑塑！堡墨竺盟基兰垫墼堑塑第六章数据补偿系统仿真与试验研究§数据补偿系统仿真数据仿真方案在数据补偿系统调试之前，模拟试验和数据仿真是必不可少而又极其重要的，数据补偿系统的仿真试验的目的有三个：采集数据样本，用于神经网络的训练。仿真各种训练条件下，神经网络的输出性能，通过对比结果，以及网络学习参数的自修正，最终确立合理的网络结构。分析仿真结果，为实际的数

44、据补偿提供一些有意义的结论。在数据补偿仿真试验中，需要采集的数据有：系统输入，即激光测厚仪上不横梁的振动；系统输出，即激光测厚仪的厚度测量误差。数据采集可以有两种方法进行采集，一种是在工业现场对扫描过程中的测厚仪试验装置的振动以及测量铝板造成的误差进行采集，这种方法存在的问题是由于铝板本身有板形变化，很难确定激光测厚仪的误差来自振动还是板形变化，所以这种方式在理论上行不通。第二种方法是在工业现场对激光测厚仪试验装置上的振动和与激光测厚仪下横梁刚性连接在一起的量块进行测量，由于板厚的测量误差实际来源于激光测厚仪型架上下横梁间距的变化，因此可以用一量块固定于型架下横梁上，通过测量扫描过程中型架上下

45、横梁问的距离变换来确定板厚测量误差，但必须保证量块在激光头的线性范围以内并且量块的固定方式不至于影响到激光测厚仪的振动模态。所以本文采用固定量块的方式来获取样本数据。本章所采用数据样本采集于华北铝业集团超薄快速铸轧车间铸轧现场。采集数据所用到的仪器设备有：高精度激光测厚仪试验样机、高精度低频小振幅加速度传感器、工业监控计算机等仪器设备。仿真步骤数据样本采集数据采集时现场轧机停止工作。首先将毫米标准量块用量块架固定于激光测厚仪试验样机上，并且使量块处于型架上横梁上激光传感器的测量线性范围之内。在激光测厚仪的扫描测量控制程序中设定激光测厚仪以标准工作状态下的速度进行扫描，激光测厚仪咀工作频率进行采

46、样。同时振动信号通过振动传感器、放大、滤波处理后输入监控计算机。对激光测厚仪来回扫描一组的情况进行厚度数据采集和振动数据采集，使激光测厚仪的一个工作周期被覆盖，堡主兰垡堡奎茎塑盐堡墨竺堕塞兰堕墼至！塑从而能以最少的数据最大程度的覆盖了整个工况。从而使网络性能达到最优。数据样本标准化将测得的振动数据和误差数据按照节提到的办法进行数据标准化，并将标准化后的样本进行保存。网络自学习设置参数、结构不同的神经自学习网络，迸行网络学习。然后根据比较各种不同参数、结构的网络训练结果，优化网络结构和参数，最终确定合理的网络模型。仿真自学习过程如下图。设置运行参数激光测厚仪斗静詈河¨暑采特垢劫涮暑暮嫦

47、，目且”广数据标准化一网络学习卜高显币结果图数据误差补偿系统过程图仿真结果本文数据样本集都采集自华北铝业集团超薄快速铸轧车间。本文根据对不同结构、参数神经网络的训练对比，来选择最优的神经网络。样本数据测量的方法是首先设定扫描仪以工作速度居扫描一个周期，将量块固定于测厚仪型架下横梁上，并保证上下激光传感器都在测量范围之内。将两个压电加速度传感器分别垂直方向固定于型架上下横梁上，设置板厚数据的采样频率和振动数据的采样频率一致，为，并设置采样时间足够长。测试完毕后从测得的厚度数据和振动数据随机选取个输入输出数据对。根据对本文神经网络结构的分析，确定神经网络为如下图结构，输入层对应个节，点即上下横梁的

48、振动数据各取阶数为；第一隐层个节点，第二隐层个节点，输出层一个节点，其结构图如下图所示。图第一隐层节点神经网络结构图硕士学位论文数据补偿系统仿真与试验研究先选取期望误差，学习速率，遗忘因子，最大动量梯度，性能最大增量，采用固定步长学习方式，如下图：图神经网络训练参数图可见其训练结果如下图茵里日州田石¨言上日口口图第一隐层节点神经网络训练过程图改变神经网络结构，选取第二隐层节点数为，其它设置不变，其网络结构图如下图：硕士学位论文数据补偿系统仿真与试验研究日石图第一隐层节点神经网络结构图其训练结果如下图：心日阿日咖口口口心叩口叩！叨锄口叩口口图第一隐层节点神经网络训练过程图可见第一隐层选取个节点足够冗余。由于本文的神经网络学习为离线学习，并不要求网络学习的时间，而且选取个隐层节点和个隐层节点的训练步数分别为和相差不大，因此可以选择较多的节点以保证系统