鋁板板形測量裝置研制

周志春

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

1 引言

鋁板板形I值是衡量鋁板加工質量的重要指標，表征因殘余應力而導致板帶材型面波浪彎曲的程度。當前，板形檢測的發(fā)展還處于起步階段，板形的檢測大多還需要人工完成[1][2]。鋁板板形的人工測量采用平尺、階梯尺和鋼直尺進行。由階梯尺測量波高，鋼直尺測量波距，根據(jù)板形的計算公式計算出板材的I值。由于平尺，階梯尺和鋼直尺本身的誤差很大，再加上接觸測量帶來的人為誤差的影響，導致鋁板板形的測量精度很差，無法滿足企業(yè)對板材板形的苛刻要求。同時，手動測量的效率低，勞動強度大，自動化程度低難以適應現(xiàn)代高端制造業(yè)的發(fā)展要求。文中融合直線模組、伺服電機、激光位移傳感器、運動控制卡等技術研制出一套鋁板板形（I值）的非接觸、高精度、全自動測量裝置。

2 板形I值計算方法

圖1 鋁板板形表示圖

鋁板板形（I值）的計算方法：

（1）相對長度差法

通常，在鋁板帶加工中板形就是取板材樣品橫向上最長和最短縱條之間的長度差和板材樣品長度的比值乘以105作為板形單位，稱為I單位[2]。

（2）波高波距法

一般情況下，金屬帶材的扭曲波浪沿著金屬帶材長度方向重復出現(xiàn)，大致為正弦波結構，因此金屬樣品長度的I單位板形還可以依據(jù)該樣品扭曲波浪的波高和波距近似計算[2]。

在生產現(xiàn)場，將鋁板樣品平放在高精度金屬或大理石平臺上，用平尺、階梯尺和鋼直尺來測量該樣品的波高和波距，代入公式（2），計算板形I值。

3 裝置組成

研制完成的鋁板板形測量裝置由2000mm×1800mm的大理石平臺、長度為1250mm的縱橫向直線模組、伺服電機、激光位移傳感器和運動控制卡組成。激光位移傳感器安裝在移動導軌上，用來采集高度方向的位移。上位機編制控制軟件，發(fā)出運動指令，運動控制卡收到指令并驅動伺服電機連續(xù)運動到指定位置，并反饋實際的縱橫向位移。測量裝置運動時，激光位移傳感器同步采集垂直方向的位移數(shù)據(jù)即可得到鋁板斷面的波形數(shù)據(jù)。測量裝置見圖2。

圖2 鋁板板形測量裝置

4 數(shù)據(jù)分析處理軟件

數(shù)據(jù)分析處理軟件用Labview開發(fā)平臺編制，Labview屬于圖形化編程語言（G語言），編程簡單無需大量寫代碼。數(shù)據(jù)分析處理軟件實現(xiàn)了測量裝置運動控制，測量數(shù)據(jù)、測量結果和斷面曲線實時顯示。并用相對長度差和波高波距兩種算法實現(xiàn)鋁板板形的準確計算。運動控制和數(shù)據(jù)處理軟件主界面見圖3。

圖3 系統(tǒng)主界面

數(shù)據(jù)采集之前，將縱橫向導軌移動到初始位置，設置好采樣參數(shù)，運行采集命令，X向導軌開始啟動，同步采集激光位移傳感器的高度位移數(shù)據(jù)和X方向伺服電機位移數(shù)據(jù)。根據(jù)位移數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)繪制斷面曲線。第一個斷面采集完成后，X方向導軌移動到起始位置，Y方向移動導軌至下一個斷面，繼續(xù)下一個斷面測量，直至完成所有斷面的測量。

運動控制和數(shù)據(jù)分析處理軟件可實現(xiàn)電控位移臺的運動控制、數(shù)據(jù)處理和檢測報告的輸出。系統(tǒng)運行流程圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)運行流程圖

5 試驗測試

數(shù)據(jù)分析處理軟件實現(xiàn)了相對長度差法和波高波距法計算鋁板板形I值。首先對采集的原始斷面曲線進行B樣條函數(shù)擬合，B樣條函數(shù)擬合既消除了原始數(shù)據(jù)中噪聲和粗差，也最大程度擬合出斷面曲線的總體趨勢。計算擬合后的斷面曲線長度，計算曲線與直線的長度差，按公式（1）計算I值，此為相對長度差法計算鋁板I值。同時，找出擬合后曲線的各極大值點和極小值點，根據(jù)相鄰極大值點和極小值點逐個計算每一個完整波形的波高和波距，根據(jù)波高和波距計算每個波的I值，取其中最大I值為此斷面的I值測量結果，此為波高波距法計算鋁板的I值。

截取一塊長度為1200mm，寬度為1000mm，厚度為0.22mm的鋁板帶，放置在測量裝置大理石平臺上，通過大理石平臺導氣槽將鋁板中間的空氣排出。設置好斷面長度和斷面數(shù)，進行數(shù)據(jù)采集，重復測量同一個斷面。重復測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 相對長度差法和波高波距法測量重復性 單位：I

由以上數(shù)據(jù)得到相對長度差法10次測量平均值為8.92I，測量結果重復性為3.06I，波高波距法10次測量平均值為4.68I，測量結果重復性為0.05I。兩種算法I值測量平均值之差為4.24I，這種差異的產生主要由算法之間的差異所致，斷面曲線中存在的波浪越多，這種差異會越大。波高波距法計算得到I值的重復性遠好于相對長度差法。同時，用傳統(tǒng)的平尺，階梯尺和鋼直尺法對此鋁板進行測量，測量結果與波高波距法測量結果較為一致。實際測量時建議以波高波距法測量結果為準。

6 結論

融合直線模組、伺服電機、激光位移傳感器、運動控制卡等技術研制出一套用于鋁板板形（I值）的自動測量裝置，該裝置測量精度高，自動化程度高，數(shù)據(jù)處理簡單。用相對長度差法和波高波距法分別計算得到鋁板I值，經試驗數(shù)據(jù)驗證，該裝置測量結果準確，重復性好，測量效率較高，可滿足生產企業(yè)對鋁板板形的測量要求。由于平臺的大小限制，該裝置的測量量程還不夠大，如果要繼續(xù)擴大測量量程，直線模組由于長度變長，變形增大，導軌直線度將不能滿足要求，后續(xù)將考慮用大理石導軌代替直線模組，減小導軌變形。