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，然后詳細地介紹便攜式智能板厚凸度測量儀的機械部分與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，并進行現(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、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、并且無法實現(xiàn)連續(xù)測量，經(jīng)常導(dǎo)致關(guān)鍵特征點被遺漏。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)實意義。

1 板凸度測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀

從20世紀60年代，國外一些研究機構(gòu)就已經(jīng)開始進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)板帶鋼軋機上配置的板凸度儀幾乎完全依賴進口，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)鍵特征點被遺漏，不利于板帶材的尺寸參數(shù)精準(zhǔn)控制和檢測，進而影響產(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)合研究與實踐而開發(fā)成功的。它可以實現(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、凸度、楔形等幾何參數(shù)，并對測量結(jié)果進行智能化處理，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進行分析處理，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)計與實現(xiàn)

3.1機械部分設(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-編碼測長機構(gòu)        9-測長結(jié)構(gòu)固定螺

10-測長機構(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。主控模塊主要負責(zé)人機交互功能以提供直觀的操作界面、負責(zé)實測數(shù)據(jù)的管理和顯示、負責(zé)提供管理配置功能；測量模塊主要負責(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測得的數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果誤差＜0.003mm，完全達到板凸度測量系統(tǒng)要求的精度。為了考查該儀器的實用性，進行現(xiàn)場測量使用，實現(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。