劉迪1 劉根社1 董長征2
(1.商丘魁斗計量測控有限公司，商丘 476000)
(2.武漢鋼鐵股份有限公司CSP廠，武漢 430080)
摘要：本文首先簡要闡述板帶鋼生產(chǎn)過程中，板凸度測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀，然后詳細(xì)地介紹便攜式智能板厚凸度測量儀的機(jī)械部分與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，并進(jìn)行現(xiàn)場測量驗證，最終證明本儀器可作為離線板凸度曲線測量的專用工具使用。
0 前言
板帶鋼軋制過程中,板帶材厚度的測量是生產(chǎn)工藝過程中的重要環(huán)節(jié),它對指導(dǎo)操作控制、保證產(chǎn)品質(zhì)量等起到重要的作用。隨著AGG系統(tǒng)在板帶軋機(jī)上的普遍應(yīng)用，板帶材的縱向厚度精度得到了顯著提高；而板帶材的橫向厚度問題卻日益突出，板帶軋制時，冷熱軋板來料（或成品厚度）、局部高點(diǎn)、凸度、楔形等幾何參數(shù)直接影響產(chǎn)品最終質(zhì)量。目前現(xiàn)場離線測量這幾項指標(biāo)，主要依靠千分尺手工測量，效率低、誤差大、并且無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，經(jīng)常導(dǎo)致關(guān)鍵特征點(diǎn)被遺漏。因此，開發(fā)一種能快速、準(zhǔn)確離線測量板厚凸度的儀器具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 板凸度測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀
從20世紀(jì)60年代，國外一些研究機(jī)構(gòu)就已經(jīng)開始進(jìn)入板帶凸度儀的開發(fā)研究工作，美國DMC公司（現(xiàn)美國熱電瑞美測量公司）、德國IMS公司等都相繼開發(fā)出了各自的系列產(chǎn)品，已經(jīng)在板帶鋼生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
我國在板帶凸度測量方面的研究起步較晚，相對比較落后。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)板帶鋼軋機(jī)上配置的板凸度儀幾乎完全依賴進(jìn)口，現(xiàn)場離線測量主要依靠千分尺手工測量，經(jīng)常導(dǎo)致關(guān)鍵特征點(diǎn)被遺漏，不利于板帶材的尺寸參數(shù)精準(zhǔn)控制和檢測，進(jìn)而影響產(chǎn)品市場綜合競爭力。
本文提供一種便攜智能板厚凸度測量儀，是在本單位（商丘魁斗計量測控有限公司）與首鋼技術(shù)研究院聯(lián)合開發(fā)的離線板厚凸度測量儀的基礎(chǔ)上，又經(jīng)過多年與武漢鋼鐵股份有限公司的聯(lián)合研究與實(shí)踐而開發(fā)成功的。它可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高效離線檢測冷熱軋板來料（或成品厚度）、局部高點(diǎn)、凸度、楔形等幾何參數(shù)，并對測量結(jié)果進(jìn)行智能化處理，可直接顯示被測板厚板凸度曲線，可大量存儲已測板材凸度的測量數(shù)據(jù)，也可將已測的板材數(shù)據(jù)通過U盤傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C(jī)進(jìn)行分析處理，為生產(chǎn)現(xiàn)場改善板帶產(chǎn)品的尺寸精度及優(yōu)化控制工藝提供數(shù)據(jù)支持。
2 板厚凸度主要技術(shù)參數(shù)
l 測量范圍：測量長度0-2000mm（根據(jù)用戶要求≤10m）
l 厚度：0.5-10mm（根據(jù)用戶要求可設(shè)計0.5-50mm）
l 儀器分辨率：1mm
l 示值誤差：＜3mm
l 測量步距：1-100mm可根據(jù)需要設(shè)置
l 重量：6kg
3 儀器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
3.1機(jī)械部分設(shè)計
圖1 測量儀器的主視圖
圖2 測量儀器的左視剖面圖
1-被測板 2-測量架體 3-精密圓直線導(dǎo)軌 4-直線導(dǎo)軌固定螺絲 5-滾輪機(jī)構(gòu)（3套）
6-測微傳感器緊定螺 7-測量定位桿緊定螺 8-編碼測長機(jī)構(gòu) 9-測長結(jié)構(gòu)固定螺
10-測長機(jī)構(gòu)連線插頭 11-精密直線軸承 12-測量定位桿 13-U型測量臂
14-傳感器測量頭 15-精密測微傳感器 16-傳感器插頭
圖1和圖2所示為測量儀器的連接關(guān)系，它的工作原理是被測板放置于測量平臺上且測量部位外露2-3厘米，將儀器放置在被測板上且三個滾輪同時與被測板上平面接觸。調(diào)整測量定位桿12使其端部與被測板接觸且保證與被測板垂直時，旋緊定螺7將測量定位桿12固定。調(diào)整傳感器15至測量頭14與被測板的下平面接觸并壓縮（在傳感器測量范圍內(nèi)），旋緊定螺6將傳感器固定。推動整體儀器在被測板上移動（被測板尺寸較長時）或儀器不動推測量臂移動（測量小尺寸和邊部尺寸），由于測量桿、傳感器等重力和測長結(jié)構(gòu)的彈力共同作用，使測量臂及其上部件獲得繞直線導(dǎo)軌3的扭力，使得測量定位桿的下端部始終與被測板接觸，當(dāng)被測板厚度變化時，測微傳感器15的測量桿伸縮，其伸縮量被電腦及處理電箱17采集，與其同時儀器或測量臂的移動量也被電腦及處理電箱17采集，經(jīng)處理被測板的厚度及凸度值即可在顯示屏19上顯示并繪制出測量曲線。
3.2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計
便攜式板厚凸度測量儀配置有專用嵌入式系統(tǒng)，使得該儀器具有“可人機(jī)對話”、“輸入被測板帶各種參數(shù)”、“自動采集被測板帶厚度和長度數(shù)據(jù)”、“自動處理數(shù)據(jù)并生成曲線”、“自動存儲測量結(jié)果”和“傳輸和顯示各種數(shù)據(jù)及曲線”的功能。
3.2.1嵌入式系統(tǒng)外觀設(shè)計
17-電腦及處理電箱 18-儀器功能操作鍵 19-儀器顯示屏
20-測長機(jī)構(gòu)插座 21-測微傳感器插座 22-充電器插座
圖3 嵌入式系統(tǒng)外觀設(shè)計圖
3.2.2嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計
由于外圍控制電路比較復(fù)雜，我們把其分為主控模塊和測量模塊，分別由SAMSUNG的EXYNOS4412芯片和AVR芯片控制。主控模塊主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互功能以提供直觀的操作界面、負(fù)責(zé)實(shí)測數(shù)據(jù)的管理和顯示、負(fù)責(zé)提供管理配置功能；測量模塊主要負(fù)責(zé)采集測長接口電路的脈沖信號和經(jīng)過16位AD芯片轉(zhuǎn)換的2路位移傳感器接口電路的數(shù)據(jù)，并把處理后的數(shù)據(jù)先緩存到外部SRAM存儲器中，最終的實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊；為了開發(fā)過程中調(diào)試方便，主控模塊和測量模塊都預(yù)留用于調(diào)試的外部串行接口。嵌入式系統(tǒng)硬件原理框圖如圖4所示：
圖4 嵌入式系統(tǒng)硬件原理框圖
3.2.3 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計
嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括驅(qū)動層、通信層和應(yīng)用層的設(shè)計；驅(qū)動層是開發(fā)模塊相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動程序，包括LCD驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動、AD芯片驅(qū)動、USB驅(qū)動等；通信層主要完成主控模塊和測量模塊之間的通信，它們必須滿足測量通信協(xié)議；應(yīng)用層主要完成儀器的工作流程及對應(yīng)的LCD顯示和傳感器數(shù)據(jù)采集處理，軟件總體流程圖如圖5所示：
圖5 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用層軟件總體流程圖
3.3 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計
該儀器配套有BHT-便攜板厚凸度測量儀數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)管理功能；其中數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能又分為U盤數(shù)據(jù)導(dǎo)入和備份數(shù)據(jù)導(dǎo)入，數(shù)據(jù)管理功能主要包括測量數(shù)據(jù)的查找、刪除，顯示測試曲線和打印測試曲線的功能。其數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能圖如圖6所示：
圖6 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能圖
4 測量儀器的驗證
為了驗證板凸度測量儀的正確性與精度，把用該儀器測量得到的數(shù)據(jù)與高精度測量儀器逐點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果誤差＜0.003mm，完全達(dá)到板凸度測量系統(tǒng)要求的精度。為了考查該儀器的實(shí)用性，進(jìn)行現(xiàn)場測量使用，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)測量板材凸度數(shù)據(jù)的目標(biāo)，且儀器攜帶方便易于操作，取得了較為滿意的效果。因此，我們認(rèn)為該儀器可作為離線板凸度曲線測量的專用工具使用。
圖7 現(xiàn)場測量板厚板凸度及結(jié)果顯示
5 結(jié)束語
目前國內(nèi)外的鋼鐵形勢都處在最冰冷的嚴(yán)冬期，行業(yè)虧損和去產(chǎn)能化使鋼鐵企業(yè)間的競爭更為白熱化，如何在激烈的競爭中生存并立于不敗之地，是企業(yè)必須考慮的重中之重的問題。企業(yè)要生存，則必須在低成本下生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品并被市場購買以實(shí)現(xiàn)利潤最大化。
本文介紹的便攜智能板厚凸度測量儀經(jīng)驗證，分辨率0.001mm，示值誤差＜0.003mm，可以滿足板帶鋼廠對板厚凸度數(shù)據(jù)曲線的測量。該儀器測量方式簡單，使用方便，環(huán)保安全，是一種極有推廣應(yīng)用價值的便攜式的高精度測量儀器；對板帶鋼生產(chǎn)企業(yè)的軋制操作控制、保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本都具有重要的指導(dǎo)意義。