金属板厚度及平面度自动检测装置设计

1、金属板厚度及平面度自动检测装置设计基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目（项目编号：B20091703）。 作者简介：吴晓(1972-)，男，副教授，博士，研究方向：机械设计与制造、微塑性加工技术。 通讯地址：武汉市洪山区纺织路号武汉纺织大学机械工程与自动化学院，邮编：430074 E-mail: wuxiao0697, Tel 晓1，薛春娥2，何吕涛3，(1.武汉纺织大学机械工程与自动化学院,湖北 武汉 430074；2.长江职业学院 机电学院，湖北 武汉 430074；3. 武汉洛特福汽车排放技术有限公司，湖北 武汉 430058)摘要：利用涡流感应技术，研发了一

2、种金属薄板厚度及平面度检测装置。该装置可以实现对金属薄板类零件厚度及平面度的在线自动检测，具有检测精度高、结构简单、操作方便、无需对被测件精确定位等一系列优点。在生产应用中产生了很高的经济效益。关键词：金属薄板;厚度;平面度; 自动检测装置; 涡流感应中图分类号:TH711 Design of equipment for automatically measuring the thickness and flatness of sheet metalsWu Xiao1, Xue Chun-e2, He Lv-tao3 (1Department of Mechanical Engineering

3、 and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan 430074, 2Mechanical & Electrical College, ChangJiang Institute of Technology, Wuhan 430074; 3Wuhan Infit Intelligent Equipment Co., LTD, Wuhan 430058 )Abstract: A intelligent equipment was developed for measuring the thickness and flatness of shee

4、t metal by using eddy current induction technology. The device can automatically on-line measure the thickness and flatness of sheet metal parts, and has a series of advantages, such as high accuracy, simple structure, convenient operation and do not need the measured part to be precise located. Ver

5、y high economic benefits were created in the productive application. Keywords: Sheet metal; Thickness; Flatness; Automatic measuring equipment; Induction of eddy currents.61 引言金属锯片等平板类零件的厚度和平面度是重要的技术指标，需要对其进行精确测量和控制。近年来，人们对平面度测量技术以及测量装置进行了大量研究工作1-4，目前生产企业常采用的厚度及平面度检测装置主要有激光测试仪、三维座标测试仪或千分尺5。激光式测量仪价格昂

6、贵；三维座标测试仪操作复杂，一般无法进行全自动检测，测试速度极慢，成本高，难以普及；人工测试法的人为误差较大，而且千分尺本身测量的运行区域有很大限制，难以对大尺寸零件中心区域进行测量，再者人工测量只能检测零件的厚度，不能检测平面度6。上述的厚度及平面度检测装置在检测时一般都要求被测件表面整洁，并要求具有较高精度的定位基准7。本文利用涡流感应技术，研发了一种厚度及平面度自动检测装置，该装置能有效排除被测件上水分及其它非金属杂物的干扰，检测时无需对被测零件进行精确定位，操作简单，检测结果精准。2 技术基础如图1(a)所示，高频交流信号在线圈中产生的高频磁场作用于金属板表面薄层，并在这薄层中产生涡流

7、I2，该涡流产生交变磁通2，并使得线圈中的磁通1发生变化而引起自感量变化，在线圈中产生感应电势。电感将随涡流的强弱而变，而涡流强度又随线圈与金属板间的距离x而变化，因此可以用高频反射式涡流传感器来测量位移x的变化8。 (a) 涡流传感器原理 (b)测厚示意图图1 涡流传感器原理及测厚示意图利用涡流传感器原理测量金属板厚度的方法如图1(b)所示，在金属板两侧分别设置线圈探测头，测量上、下检测头到金属板的距离x1和x2，则被测金属板的厚度h=D-(x1+x2)。测量值不受金属板表面平整度或移动过程中上下波动的影响。本文正是利用该理论来设计金属薄板厚度及平面度检测装置。3 整体方案设计3.1 总体要

8、求要求检测装置对金属板类零件的厚度及平面度进行自动在线检测，具有非接触测量、精度高、速度快等特点；机床坚固结实，外形美观大方，结构设计合理，操作简单，防护装置齐全可靠。3.2 总体方案概述本文设计的金属薄板厚度及平面度自动检测装置主要包括有机架、送料机构、出料机构、检测机构以及控制电路五大部分，如图2所示。机架用来支撑送/出料机构、检测平台以及操作显示屏等。送/出料机构是将被测零件输送到检测平台，待检测完毕后，又将零件从检测平台上移走，完成一个检测循环。检测机构包括检测平台、探头等，检测平台主要用来放置被测零件，并在检测时以一定的速度横向移动，与探头的纵向运动配合，实现对整个零件平面的检测。控

9、制电路用来保证检测装置各个机构之间的协调运动，以实现自动检测功能。.送料机构;.检测机构;.机架;.出料机构图2.检测装置总体方案图4机械结构设计4.1 送、出料机构设计送料机构的结构如图3所示，主要包括：送料气缸、输入料盘、输入料盘轴、料盘架、支座等。输入料盘固定在料盘轴上，而料盘轴可在料盘架的导滑槽内滑动，以带动料盘实现送料动作。送料气缸固定在支座上，与料盘架相连，可以带动料盘架上下移动。出料机构的结构与送料机构基本相同，这里不再赘述。送、出料机构的工作原理：将被测件放在输入料盘上，送料气缸带动料盘架及料盘上升，使被测件处于高位(高于检测横梁)；然后料盘轴在料盘架内滑动，将被测件送到检测横

10、梁的上方；此时，送料气缸下降，被测件安放在检测横梁上进行检测，同时料盘轴带动输入料盘向左复位，等待下一工作循环。检测完毕后，输出料盘移动到被测件的下方，出料气缸上升，通过输出料盘托起被测件，在输出料盘轴的带动下向右移动，取走被测件，完成一个检测循环。345627送料机构出料机构11 被测件； 2输入料盘轴；3 输入料盘 4 料盘架； 5 送料气缸； 6 支座；7检测横梁图3. 送、出料机构示意图4.2 检测平台和机架设计检测平台的基本机构如图4所示，包括检测横梁、检测横梁导轨、检测平台底座、检测平台导轨、检测架、电机、轴方向的丝杠副、上测试探头、下测试探头及Y轴方向滚珠丝杠机构。检测平台上沿X

11、轴方向设置有两根平行的导轨，导轨上沿Y轴方向配置有两根相互平行的检测横梁，两根检测横梁的距离可以根据被测零件外形尺寸的大小进行调整。检测架上设置带有上测试探头的悬臂，在丝杠副的作用下带动上测试探头沿X方向往复运动。下测试探头固定在检测横梁下方的检测架上，上、下测试探头分别与测量电路相连，检测平台底座的下面设置沿Y轴方向的滚珠丝杠机构，以实现检测架平台带动被测零件沿Y轴方向作往复运动。1 检测横梁导轨； 2 检测横梁； 3 检测平台底座； 4 待测锯片； 5检测架； 6 探头；7电机；8 探头丝杠副； 9 底座丝杠副； 10 检测平台导轨 图4. 检测平台结构图由于本检测装置的机架与机壳联为一体

12、，考虑到使用要求、受力状态和制造成本，该装置的机架采用冷扎型钢拼焊，然后经过适当机加工；机壳采用薄钢板经冲压加工得到，将整个检测机构包装起来。其上设置数字显示屏，以便人工操作和检测结果显示。5控制电路设计本装置利用涡流传感器原理进行非接触式检测，上、下测试探头（分别位于待测零件两侧）与测量电路相连。测量电路如图5所示，由五部分组成，即模拟量输入板；数字量输入板：马达控制板； CPLD扩展板和主控板。其中模拟量输入板由两路输入通道组成，分别对应上、下测试探头， 选用12位精度的A/D芯片TLC2543作为釆样芯片，测试精度可以达到1/1024mm，约1µm；数字量输入板由20路输入回路

13、组成，每路都由具有隔离作用的光耦和硬件滤波电路组成，并且进入CPLD后还具有数字滤波功能，以便有效地防止设备抖动的影响；马达控制板控制4路步进电机及一路伺服电机，产品用到了伺服电机及其中的3路步进电机，另一路步进电机预留，电机驱动部分均由光耦隔离；CPLD扩展板主要进行数字电路输入及电机驱动的数字运算，LED显示及键盘扫描等；主控板由LCD驱动电路，非易失存贮器，电源，RS232及主控制芯片组成。主控芯片为C8051F系列，是整个系统的核心控制部分。测距原理：测试探头至被测件表面的距离影响探头内磁场的强弱程度，进而改变探头的输出电压，测量电路将输出电压转换为数字信号后进入CPU，由CPU进行一

14、定的数学运算，分别得到上下探头相应各点至被测件表面的距离。被测件的厚度即等于两探头之间的距离减去上下两个测量距离之和；而被测件的平面度为同一面多个测试点（本设计使用的是196个点）的最大与最小距离间的差。为了测试结果尽可能地逼近真实值，上探头的运行轨迹为“S”字型，以使测试点均匀的分布于被测件表面。图5 测量电路图 6应用实例该装置已经在某大型锯片生产企业得到应用，用于对锯片厚度及平面度的在线检测，图6(a)是检测装置实物外形照片，外形尺寸为：长L=2310 mm，宽B=1240mm，高=1800 mm；图6(b)是测量机构实物照片。经过生产一线的实际应用证明，该装置具有结构简单、检测方便、精

15、度高、性能稳定以及非接触式在线自动检测等一系列优点。7 结束语该装置利用涡流感应原理来实现金属薄板厚度及平面度的检测，能有效去除被测件上的水分及其它非金属杂物的干扰，检测时无需对被测件进行精确定位，并能进行在线自动检测。充分利用了机电一体化技术的特点，结构简单，操作和维护方便，稍加改进(a)(b)图6(a)检测装置实物外形;(b)测量机构实物照片就可用于其它金属薄板外形尺寸的检测，易于推广应用。参考文献1 Jiao Guo-Hua, Li Yu-Lin. Development of Laser Alignment System with PSD used for Shaft CalibrationJ.SPIE,2005,6150: 150H1-6150H5.2董晶晶,仲原.平面度检测气动测头的设计J. 黑龙江科技学院学报,2010,20(1):68-71. 3 王雪妮, 施展. 超精密平面度在线检测方法研究J. 精密制造与自动化,2009,3:22-25. 4 马旺宇，刘栋，赵文博.