激光测厚仪在中板生产线上的应用

摘要：本文主要介绍了应用于中厚板厂的激光测厚仪的主要工作原理及其结构，并介绍了激光测厚仪应用于生产线中的优点。

关键词：测厚仪；激光；伺服电机

1、引言

在热轧中厚板生产过程中，目前国内厂家普遍采用人工测量和控制板材的厚度。用人工方法测量和控制存在着精度差、成材率低等缺点，并且工人劳动强度大、工作环境恶劣、测量速度慢，使生产效率受到影响。因此热轧钢板生产中的实时在线厚度测量和控制是非常重要的。

激光自动测厚装置是用于热轧中厚板生产线在线连续测量板材厚度的非接触式精密测量控制设备，它克服了常规测量控制方式的缺陷，具有安全可靠、测量准确、实用性强、无辐射危害等独特的优点，可有效地改善测控环境。提高生产效率、提高成材率和产品质量。

2.1、设备组成简述

激光测厚仪主要由C型测量车、计算机终端、动力控制箱等组成。下面分别介绍各个部分的组成。

2.1.1、C型测量车

C型测量车是激光测厚仪的测量主体。C型车内主要安装有激光发射系统、光学接收系系统、信号处理系统、冷却水循环系统、机械传动系统、伺服电机和光电编码器等。

2.1.2、计算机控制终端简述

计算机控制终端是激光测厚仪的中枢控制部分。所有的测量数据和控制信号都是通过它进行处理和发送的。它主要包括工业控制计算机、激光测厚仪数据采集接口板、模拟量/数字量控制信号接口板、开关量接口板、网卡和光电编码器接口板等。

2.1.3、动力控制箱

伺服控制部分：包括计算机内的模拟量板、开关量板、码盘接口板和动力控制箱、伺服电机。

它是控制C型测量车移动的动力装置。内装有伺服电机驱动器，C型车的移动必须由计算机来指定是现场操作还是操作台控制或者是计算机自己控制。

2.2、设备组成关系图

图1描述了系统各组成部分的关系。

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2.3、设备工作原理简述

工作原理包括激光测厚仪工作原理、控制原理等。下面分别介绍各自的工作原理。

3.1、激光测厚仪工作原理简述

激光测厚仪的工作原理是基于三角测量的原理。上下两组激光发射系统将光斑分别投射到钢板的上下表面。接收系统将照射光斑的散射光成像于光电转换器件CCD上。计算机根据转换后的电信号计算出钢板上下表面的实时位置，然后将上下表面位置求差值即可测量的钢板瞬时厚度测量值。激光测厚仪的测量原理如图2所示：

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激光测厚仪测量车包括激光发射系统、光学信号接收系统、信号处理系统等部分组成。

激光测厚仪的测量车在测量过程中进入辊道内。上下发射、接收系统位于辊道上下。当钢板通过测量位置时，上下发射系统的激光束分别照射被测钢板的上下表面，接收系统将接收到的信号经过处理后传送给电路进行预处理。最后通过通讯接口将测量信号输入计算机终端处理和显示测量结果。

激光测厚仪发射系统完成激光束的发射和形成测量用的激光线。激光器发出的激光束经过准直形成测量光束，并投射在被测钢板的表面上，形成激光照射点。发射窗片是用石英光学玻璃制成，确保钢板的热辐射不能损坏它。接收系统将接收到的系统光信号转换处理后，经信号处理系统传送给计算机终端。计算机根据信号计算出钢板的实时厚度。

3.2、测量电路工作原理简述

电路处理过程主要包括三个方面。第一是CCD器件的驱动电路。第二是CCD输出信号的处理过程。第三是计算机接口电路。

本信号处理板为测厚仪而设计，能驱动CCD板并能以A/D转换方式或电平切割方式处理信号，包括时钟电路、信号处理电路、A/D变换电路、数据采集电路、通讯电路和温度信号处理电路等部分，其中数字电路部分由单片机统一控制，并配有看门狗电路和电路工作状态指示灯及检测信号输出端口，能保证电路连续可靠工作及方便调试和维修。

CCD器件是一种电荷耦合器件，它的正常工作需要相应的驱动信号。CCD器件的驱动电路就是通过电路产生CCD工作所需要的各种工作信号和正确的工作信号时序。时钟电路板是用来产生CCD正常工作所需要的各种驱动信号。ψSH是系统的采样频率。由于系统采用的CCD器件在信号饱和时是非对称溢出的，因此接收信号过强会导致的CCD原始输出信号饱和，同测厚仪一样会带来较大的系统测量误差。因此在调试过程中要求CCD原始输出信号不饱和。使CCD信号改变就是通过改变系统的采样频率。改变系统采样频率的方法是改变时钟板上分频器后的插拔位置。改变插拔位置是整倍改变系统的采样频率。采样频率的微调是通过改变ψSH产生电路中拨码开关的设置来调整。

3.3、工作原理

首先，时钟电路产生CCD工作所需的各种脉冲，由X1、X2输出到CCD板上，CCD光电转换的信号经过预处理后再由X1、X2一路输入到采样电路，然后信号经过放大，再根据一定的切割电平整形为方波，最后经过计数电路将方波信号前后沿值转换成数字量并保存在寄存器中，供A/D转换计算时作中间参数使用；另一路输入信号经钳位放大，再由A/D转换器转换成数字量，然后根据一定的算法计算出方波中心值，再由通讯电路上传到计算机进行下一步处理。下图3是处理测厚信号时的方框图：

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3.4、动力控制原理

（1）伺服驱动器和伺服电机：伺服电机的驱动和控制信号完全由伺服驱动器提供，只需按要求接线即可。伺服驱动器要求输入电压为三相200V，因此要将三相380V电源经过调压器调节再接入伺服驱动器。伺服驱动器设置为速度控制方式，由一位开关量控制停止/运行状态，一路模拟电压控制运行速度和方向，正电压为前进，负电压为后退。另外还有输出电机状态信号和码盘信号，输入限位开关信号和报警解除开关量信号。

（2）模拟量板：开关量板：计算机控制C车进退时，开关量板切换为自动控制状态，并将模拟电压经过切换送入伺服驱动器，电压可正、可负，从而控制前进、后退，测量车为现场控制时，开关量板切换为手动控制状态，并将模拟电压1（正电压)送到动力箱“进”按钮上，模拟电压2 （负电压)，送到动力箱“退”按钮上，从而在动力箱上可进退测量车。另外，定点控制和操作台控制原理与计算机控制相同，计算机控制C车时，动力箱“进” “退”按钮不起作用。

（3）码盘接口板：电机后侧安装有光电编码器，电机轴毎旋转一周，输出一定的脉冲数，因此可用来计算C车进退的距离，电机码盘输出的脉冲经过伺服驱动器分频后送入码盘接口板，码盘接口板据此信号分辨出C车的运行方向和运行一段距离共输出的脉冲数。码盘因子是每个计算脉冲对应到毫米的换算系数，因此，脉冲数乘以码盘因子即为C车运行的距离。码盘因子一般根据C车的总行程和码盘接口板的总计数能力确定，并修改伺服驱动的相应参数，因此不能随意改变。

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4.1、设备的操作

激光测厚仪的操作主要包括操作台上的生产数据输入操作、设备测量数据的标校、数据库的访问和打印输出等操作。下面分别描述各个部分的操作方法。以上操作均通过测量软件来实现。

4.2、操作台的参数输入

计算机开机后会自动运行到测量软件主画面状态。

如需输入各种参数，可用鼠标直接点击即可打开设置状态栏，再用鼠标点击相应的参数栏，输入新参数，点击确认即可完成。

要求：更换班次时，应及时修改班次和块号清零；更换规格和公差时，及时修改标准值和公差。

如果未及时修改标准值，不会影响测量值的显示，但会影响曲线的显示，同时会有状态报警。

4.3、测量车的移动

4.3.1、C型车的移动方式有三种，均有计算机选择确定方可执行。

计算机控制进退：选择计算机控制方式时，同时应选择前进或后退，点击确定，C行车立即前进或后退。如需停止，应选择停止，点击确定，C行车停止运动；手动控制：由计算机选择手动控制进退，点击确定；定点控制：点击控制车，在定点位置栏输入需移动的参数，点击确定。

4.3.2、驱动电机报警的处理

当三相380V电压断电、或C型车运动过程中有障碍、或电机接线有错误时，电机驱动器会输出报警信号，并有信息显示在计算机屏幕上，此时应检査轨道或査明故障原因，排除障碍后，在“控制测量车”菜单内点击“解除报警”后即可恢复正常。

5、结论

激光测厚仪测量数据快速、准确，大大降低了人工卡量次数，提高生产节奏。同时还提高了产品的质量和成材率。

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