机械课程设计板料厚度测量仪设计_上料机械手课程设计
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摘 要
根据超声波脉冲反射来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此测量。按此设计的可对各种板材和各种加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域 仪器采用最新的高性能、低功耗微处理器技术，基于超声波测量原理，可以测量金属及其它多种材料的厚度，并可以对材料的声速进行测量。本机利用单片机技术应用液晶显示测量厚度值,并同时显示声速,自动校准实现了已知声速测量厚度及已知厚度测量声速两大功能.操作简单,稳定可靠,是无损检测工作者的理想检测工具.【关键词】超声波脉冲反射；电涡流传感器；数据采集系统；CCD输出信号。
Abstract
Thickne measurement, according to the ultrasonic pulse reflection when the launch of the ultrasonic pulse probe through the material object to be tested interface, the pulse is reflected back to the probe, through the accurate measurement of ultrasonic wave propagation in the material time to determine the thickne of the material being tested.Those that make the ultrasonic wave at a constant speed in its internal communications can adopt the measure of various materials.According to this design can accurately measure about all kinds of plates and all kinds of machining parts, can be all kinds of pipeline and preure veel in the production equipment to monitor, monitor them in the proce of using the degree of corrosion after thinning.Can be widely used in petroleum, chemical industry, metallurgy, shipbuilding, aviation, aerospace and other fields，Equipment using the latest high performance and low power consumption microproceor technology, based on ultrasonic measuring principle, can measure the thickne of the metal and other a variety of materials, and can be conducted on the material of the sound velocity measurement.The machine using the single chip microcomputer technology application of measuring the thickne of the liquid crystal display(LCD)value, and at the same time shows that sound velocity, implements the automatic calibration known sound velocity measuring thickne and thickne measuring sound velocity known two big functions.The operation is simple, stable and reliable, and is an ideal testing tools to nondes
【key words】 ultrasonic pulse reflection;The eddy current sensor;Data acquisition system;The CCD output signal.目录
板料厚度测量仪设计
质量，降低了劳动强度。激光测厚仪使用两年多以来，具不完全统计，因板厚误差造成的废品率下降了50%以上，创经济效益近千万元，受到各级部门和工作人员的肯定与赞赏。
1.2国内外研究现状
光电法测厚的基础理论研究及测量仪器的研制在国外是比较早的，而且比较完善，如在日本、美国、英国、德国等国家，尤其是在日本、德国，由于一向注重于光电子技术的应用，因而在这一方面的发展更为瞩目，从光源到光电检测元件最为齐全，光电检测技术应用也比较普光遍。从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。为此，工业发达国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。利用CCD 技术对产品表面质量进行实时检测、动态测量，具有结构简单、非接触、精度高、测量速度快、性能稳定可靠等优点。摄像头的主要传感部件是CCD，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点。目前应用较多的是CCD技术，在现代板材生产中，不论是轧制过程中还是最终产品的调整中，为获得较高的板材命中率和最佳的轧制过程及剪切效果，板材尺寸测量系统已成为生产线上不可缺少的设备之一。宽度偏差每减少1mm，成材率就可以提高0．1％左右，因此尺寸控制技术可显著提高经济效益和产品竞争力。目前，先进的钢铁企业已较为普遍地采用在线自动测量技术对钢板板材的长度、宽度进行测量与剪切。其中，除了采用激光扫描、超声检测、射线测量等技术外，近几年来也正在应用CCD摄像机进行图像尺寸测量方面的科研和技术改造，但达到实际应用的系统并不多。国内目前钢板测宽仪,其结构复杂,控制繁琐,需要标定，以及及时维护,实时操作性差。而本文所要研究的，是在原有的钢板在线测宽仪的基础上，提出了一种改良型的系统。系统中采用经济的线阵CCD 成像系统,应用CPLD 与单片机结合采集与处理测量数据，和边缘细化技术提高测量精度。整套系统结构简洁,成本低廉,抗干扰性能好，调试方便。
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轴,2 探头之间的距离D固定不变,并且和被测工件垂直,被测件和标准件的材质相同,这样它们的厚度和距离之间有以下关系式：
（2.5）
式中
标准件和被测件的厚度
标准件和被测件到探头1和2的距离
图2.2测量原理图
由于T0可以预先测量，所以，只要测得D1，D2和D3，D4就可以求出Tx，即可以用测量2个探头到被测件的距离的方法测出其厚度这里必要的条件为：要保证测得的数据和实际距离之间的线性关系；2个探头应有相同的灵敏度；对标准件和被测件的2次测量之间不应该有零点的漂移。
实际上,在自然的条件下很难同时满足以上3个条件,应针对情况分别进行处理。
a.对于线性不好的探头要预先进行标定测量，根据测量结果设计插值函数软件或查表软件对数据，进行处理，不能使用曲线非单调性的探头。b.对于2个灵敏度不同的探头要分别进行插值运算。
c.为解决随时间的漂移问题，应进行即时标定测量，并紧接着对被测件进行测量。
除此之外，机械系统应保证足够的精度和具有稳定的可操作性。2.1.3 线阵CCD 用于光学三角法测量金属板厚
我们分三种情况来讨论：（1）是金属板不动的情况。这时较简单，如图2.3 所示，设基准平面的位置在Z0，已知金属板的位置在Z1位置，把待测金属板紧贴着
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已知金属板的平面，它的另一平面的位置在Z2。用前述办法测量出Z1、Z2 到Z0的距离d1、d2，则金属板厚为：
（2.6）
（2.7）
图 2.3 测量金属板厚的实验装置
(2)是当被测板的面积太大时，这时得采用两套CCD装置，让它们有共同的起始位置Z0，再分别测量出金属板两端面的位置d1和d2，则金属的板厚仍可按(2.6)式计算。
（3）如果待测的金属板是在轧制过程中，设板轧制的前进方向是沿着X，但是在 Z方向也会有一定的移动。如果移动的方向与Z方向有一定的偏离，则必需把此偏角ε测量出来，按下式对所测量的金属板厚度进行修正
（2.8）
我们知道激光束并非一条线而是有横截面的，在横截面上的光强分布是高斯分布，当金属板的反射率有变化时，或者激光光强发生变化时，高斯分布的高度和宽度都会发生变化，二值化后得到的矩形脉冲的宽度也会随之而变化，如图 2.4所示，光强减小时脉宽也变狭，即t2
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图2.4光斑光强变化时，CCD二值化输出的矩形脉冲的宽度也发生变化 经过比较以上三种方案的比较，板料厚度测量仪设计
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CCD像敏面I钢板镜头LXlxfuv
图3.1 镜头成像原理图
3.2机械结构设计
3.2.1 行走机构的设计
行走机构主要由步进电机、滚珠丝杠副、滑动导轨组成，采用的是丝杠转动螺母移动的方法。步进电机的转轴通过联轴器和丝杠直接连接，丝杠跟随电机一起转动，从而把电机的转动转化为螺母的移动。螺母上固定有螺母座，而螺母座又与安装在导轨滑块上的工作台底板连接，最终把电机的转动转化为工作台在导轨上的平动，实现传感器的位置移动。1.系统步进电机的驱动
行走机构的驱动是以步进电机作为主动元件的，如何控制步进电机的运动是现厚度实时测量的一个重要内容，传感器相对于被测钢板的运动是通过步进电机有规律的转动实现的，为了完成钢板厚度参数的采集，步进电机的驱动系统应该具有下列功能：步进电机能够启动和停止；能够实现正转和反转；步进电机能够在任何位置锁定。
在测量过程中，为了提高运动精度，步进电机以三相六拍方式工作。本系统采用配套的步进电机驱动器进行控制。其特点是：驱动器性能对电机的依赖性极小，不同参数电机均可获得优异性能；具有多种细分模式；
具有脱机控制信号；电机位置掉电记忆；静止时半自动电流锁定；输入输出信号光电隔离。2.滚珠丝杠的选择
根据估算工作台、支架和测杆等上部组件的重量，假定压在滚珠丝杠上的重
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量为w=1500N，工作台的设计行走行程为800mm。
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把以上计算所得数据与FFZD3205-3型滚珠丝杠的各项参数比较，可知该型号丝杠完全满足设计要求。
3.2.2 测量部分的设计
测量部分是通过测量钢板的实际厚度和标准厚度的偏差来进行厚度测量的。测量前先用标准量块代替标准钢板对传感器进行零点调节，具体的做法是先调节测头到钢板的距离，使其在传感器的测量范围内，然后通过传感器的控制器对传感器进行复位，此时传感器的模拟输出电压值为零。测量时，若钢板的实际厚度与标准厚度存在偏差，即钢板上表面相对于传感器发生位移变化，传感器便输出一定量的模拟电压。模拟电压输出值与厚度偏差值存在固定的线形关系，我们由这个线形关系便可推算出钢板的实际厚度。1.传感器的选择。
电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且具有非接触测量的优点，因此广泛应用于工业生产的各个领域。本系统采用的便是基士恩公司生产的EX-200系列中的EX-416圆柱形涡电流位移传感器，它具有如下的优点：微小位移的精确模拟输出，EX-200系列以F.S.的0.04％的解析度来测量目标物，有两种模拟输出（电压/电流）可供连接到外部设备；EX-200系列使用内置线性化电路，可以精确的输出绝对位移值；高反应速度，EX-200系列提供最高达18KHZ反应频率，可以测量快速移动的物体；自动归零键，按下自动归零键就可以把当前的电压输出设定为0V，只要按下归零键即可 完成参考目标物的零值调节，在产品更换时可以容易而快速度地设定传感器。本传感器的解析度为F.S的0.04％，测量范围为5mm，所以分辨率为2um，能够满足设计的要求。
2.数据采集系统的设计。
测量系统中，为了实现对外界各种模拟信号的测量，必须通过数据采集系统将信号送入控制系统中，数据采集系统是外部信号进入计算机的必经之路。一般的数据采集系统由前置放大器A、采样保持放大器SHA、模数转换器ADC组成，其中前置放大器A的作用是将信号放大到ADC可以接受的范围，采样保持器的作用是保持输入信号在ADC转换期间不变，而ADC的作用就是把模拟量转化为数字量。目前，随着大规模集成电路工艺的发展，市场上已经出现了各种专用的数据采集芯
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片。这种芯片集高速度高精度SH、ADC、基准时钟源及数字接口与一体，可以达到很高的水平，本系统便采用了数据采集卡进行数据采集.该采集卡属于TDEC ISA系列，型号为TOP-10016，它是四通道同步并行数据采集模块，采用16Bit高精度A/D，每通道最高采样频率可同时达到100Kps，同时配有最高8M字节/通道的大容量SDRAM板载缓存，可实现多通道低速动态信号的实时记录。它具有高速、大容量、并行采集、同步扩展的特点。将采集卡插入PC机的插槽内工作，传感器将被测信号变为模拟电压信号，经屏蔽电缆与采集卡上的信号输入插槽直接连接，在配套TOPView2000虚拟仪器软件的控制下，可实现对模拟信号的采集和储存，并可在PC机上进一步完成数据的上是实时处理和后处理。3.厚度数据的处理。
为了对钢板整体厚度进行精确的测量，本系统采用了多点采集厚度参数然后进行整体处理的方法。传感器采集的信息经过数据采集后送计算机储存，当达到要求的测量次数时对储存的数据进行处理，以达到对钢板厚度进行整体测量的目的，所有的数据处理都是通过软件编程实现的。
3.3电路系统设计
CCD的输出信号是脉冲信号，其中既包含被测尺寸的信息，又含有大量的复位噪声和电子系统的白噪声，使得有用信号难以提取。由于CCD本身的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性，CCD本身的光敏不均匀性、转移损失以及光源在通过待测目标边缘时的衍射现象等原因，使得CCD输出不会是理想的0/1信号，其包络的边缘必然带有明显的梯度，或者说，目标尺寸的两个边缘在CCD上成像的具体位置不可能十分确定。导致CCD输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区，而且这一过渡区随着轮廓在视场中位置的变化而变化，这一变化直接影响捕捉真正代表物体边缘的特征点，进而影响测量精度。因此，除了减少外界干扰外，如何从CCD的输出信号中提取出真正代表物体边缘的特征信息，是测量的难点所在。真正表示物体的边缘点处，CCD输出信号的微分最大。由于被测物体的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大，该点就是滤波后的视频信号电压函数u=u(t)在过渡区内的拐点，由高等数学的知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。电路便于寻找为零的点。基于此，可设计微分法处理电路提取测量信号。
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图3.3.1未放工件输出信号
图3.3.2放出工件输出信号
观察CCD的输出波形，发现原始信号上附加有许多细小的“毛刺”，即各种噪声信号，有器件本身的噪声（如散粒噪声、热噪声、1/f噪声等)，也有转移过程中附加的噪声(如复位噪声等)。为了准确地从中提取出有用的信号成分，必须尽可能地抑制或消除各种噪声干扰。归纳起来主要有以下几种方法：1）低通滤波法(LFS)2）双斜率积分法(DSI)3）嵌位切除法(CCS)4）相关双取样(CDS)另外CCD的输出信号幅值为2V～3V，可以直接进行信号处理，不需要放大环节。信号处理原理图如图3.3.3所示：
图 3.3.3 信号提取电路示意图
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检测精度越高。另外实验时两块挡板平行才能模拟钢板，但人为因素造成摆放挡板不能绝对平行，这一点可以通过测量挡板间多点间距求平均值作为实际测量值来修正。
(3)软件算法引起的误差
虽然在系统设计时考虑到采用硬件电路对信号进行处理会引入更多误差，但是每一种软件算法都有其自身的局限性。本系统使用单片机作为微处理器，单片机计算速度比较慢，片上资源有限，这些都制约了我们软件算法设计时，只能选择实现简单，耗时少的滤波及二值化算法，这些算法固有的局限性都会使最终计算结果产生误差。
设计过程中的误差分配指定一个合理的误差量（根据仪器设计精度δ）分配给上述电器产生的随机误差项，特别是分配给光源，以便获得光源的选择参数和稳定性参数，同时可以适当地分配给CCD传感器，电路，数据采集等环节。（1）光源不稳定引起的误差（2）CCD感光单元灵敏度不均匀误差（3）单片机硬件计数存在误差（4）环境造成的影响
随机误差ΔΣ系统即为上述1）～4）项的误差和，也可以采用绝对值累加，也可以采用平方和开平方进行累加，本系统中采用开平方累加。
由分析可以得到如下系统误差：1）光源发散角引起的误差Δll，2）成像镜头引起的误差Δes，3）被测工件倾斜引起的系统测量误差Δmt，4）被测工件不均匀性引起的误差Δmm。（1）光源发散角引起的误差（2）成像镜头引起的误差
（3）被测工件倾斜引起的系统测量误差（4）被测工件不均匀性引起的误差
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仪器的总误差来源为：
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参考文献
[1] 张克敏,王世耕.测厚仪在板带轧制中的应用[J].中国仪器仪表,2006,7:80-82.[2] 陈阳，王慕坤.光学式非接触厚度-微位移测量仪的研制[D].哈尔滨理工大学.2004(02).[3] 赵世强，王玉田.CCD光电式测厚仪及其系统研究[D].燕山大学.2003(02).[4] 费业泰.误差理论与数据处理[M].北京：机械工业出版社，1998 [5] 崔遇功,海潮智.铝及铝合金中厚板在线激光测厚新技术[J].轻合金加工技术,1997,27(1):21-24.[6] 杨齐民,王翊,钟丽云,宫爱玲,佘灿麟,张文碧.CCD用于光学三角法测量金属板厚[J].激光杂志.作者：
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致谢
在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了X老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！
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