一种在线厚度检测双伺服系统及方法
阅读说明：本技术 一种在线厚度检测双伺服系统及方法 (Online thickness detection double-servo system and method ) 是由 郑建 胡美琴 蔡强 陈杰 于 2021-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在线厚度检测双伺服系统及方法,包括：控制模块、导向机构和一对相互配合的探头,所述的导向机构包括平行设置的主移动架和从移动架,一对探头分别固定在主移动架和从移动架上；主移动架和从移动架分别由带有驱动器的伺服电机驱动；控制模块输出脉冲至驱动器,驱动器控制伺服电机使主移动架和从移动架同步行走；同时伺服电机反馈编码信号至控制模块,用于实时监测主移动架和从移动架的位置；所述导向机构上还分别固定有用于一对探头复位的零点信号传感器。本发明减少了双探头检测扫描系统中机械同步传动的部件,提升了该类检测扫描设备的安装灵活度；采用双伺服电机控制同步精度,提升了在线厚度检测系统的检测精度。(The invention discloses an online thickness detection double-servo system and method, which comprises the following steps: the probe comprises a control module, a guide mechanism and a pair of mutually matched probes, wherein the guide mechanism comprises a main moving frame and a secondary moving frame which are arranged in parallel, and the pair of probes are respectively fixed on the main moving frame and the secondary moving frame; the main moving frame and the auxiliary moving frame are respectively driven by a servo motor with a driver; the control module outputs pulses to the driver, and the driver controls the servo motor to enable the main moving frame and the auxiliary moving frame to synchronously move; meanwhile, the servo motor feeds back a coding signal to the control module for monitoring the positions of the main moving frame and the auxiliary moving frame in real time; and zero signal sensors for resetting the pair of probes are respectively fixed on the guide mechanisms. The invention reduces the mechanical synchronous transmission parts in the double-probe detection scanning system and improves the installation flexibility of the detection scanning equipment; the synchronous precision is controlled by adopting the double servo motors, so that the detection precision of the online thickness detection system is improved.)
技术领域
本发明涉及工业检测技术领域，特别是一种在线厚度检测双伺服系统及方法。
背景技术
在线厚度检测的原理是根据X射线穿透被测物时的能量衰减来进行转换测量厚度，即测量被测件所吸收的X射线量，根据该X射线的能量值，确定被测件的厚度。由X射线探头将接收到的能量信号转换为电信号，经过前置放大器放大，再由专用测厚仪处理系统转换为显示给人们以直观的实际厚度信号。
目前，在线厚度检测仪中应用最普遍的是O型扫描架结构，O型扫描架结构通常使用的是上下两根梁与两侧墙板焊接而成。导轨分别安装在上下梁上，带动上下两个探头作同步往复扫描运动。为了保证上下探头行走过程中的一致性，不可避免的会有一套主轴机构，将电机动力分别传输到上下运动机构上，同时为了保证运动精度，通常整个架体会做的异常扎实，总体结构较复杂，体积较大。
公开号为CN206724911U的说明书公开了一种低成本短制造周期型的X射线测厚仪，包括机架和设置在机架上的电控箱、上探头、下探头、驱动组件、配合上探头滑动的上滑动模组以及配合下探头滑动的下滑动模组，所述机架包括两根立柱、设置在两根立柱之间的上支撑横梁和下支撑横梁，上探头安装在上支撑横梁上，下探头安装在下支撑横梁上，所述立柱、上支撑横梁和下支撑横梁均为拼装铝型材，所述上支撑横梁和下支撑横梁的两端均拼接在两根立柱上。该实用新型采用拼装铝型材的立柱和横梁来替换原先的钢结构机架，制作成本低对现场安装空间要求比较苛刻，存在某些场合无法安装的缺点。
公开号为CN102564361A的说明书公开了一种射线式测厚仪及其校正方法，测厚仪包括射线源、射线探测器、前置放大电路板、控制柜、终端显示与操作装置、C 型架；射线源设置在C 型架的喉隙下部，射线探测器设置在C型架的喉隙上部，被测金属带材从C 型架喉隙处通过，前置放大电路板连接控制柜，控制柜连接终端显示与操作装置，用于进行厚度计算和显示以及接受操作人员的指令。该发明主要为轧机厚度控制系统提供厚度测量值，从而可以提高轧机的生产效率，保证所轧制金属带材的公差要求。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种在线厚度检测双伺服系统及方法，克服在线厚度检测系统中双探头机械联动扫描存在的问题，通过双探头独立控制，优化检测扫描系统结构，提高射线测厚的精确度。
一种在线厚度检测双伺服系统，包括：控制模块、导向机构和一对相互配合的探头，所述的导向机构包括平行设置的主移动架和从移动架，一对探头分别固定在主移动架和从移动架上；主移动架和从移动架分别由带有驱动器的伺服电机驱动；控制模块输出脉冲至驱动器，驱动器控制伺服电机使主移动架和从移动架同步行走；同时伺服电机反馈编码信号至控制模块，用于实时监测主移动架和从移动架的位置；所述导向机构上还分别固定有用于一对探头复位的零点信号传感器。
当被测物进行厚度测量时，被测物从一对探头之间通过，由于主移动架和从移动架的行走相互独立，故由控制模块保证主移动架和从移动架同时行走，即保证固定于主移动架和从移动架上的一对探头同时行走。测量被测物厚度时，所述主移动架和从移动架分别由伺服电机驱动，控制模块输出脉冲至分别至控制伺服电机的驱动器，使得伺服电机驱动主移动架和从移动架同步行走；同时伺服电机反馈编码信号至控制模块，确保主移动架和从移动架同步行走在规定的误差范围内。
所述导向机构为一对平行设置的直线导轨机构；主移动架滑动设置在主导轨上，从移动架滑动设置在从导轨上，所述主导轨和从导轨分别固定有零点信号传感器。采用直线导轨机构使得扫描系统运动精度和灵敏度高，摩擦系数小。
所述主导轨和从导轨均固定有反限位光电传感器和正限位光电传感器。所述反限位光电传感器和正限位光电传感器的设置限制了一对探头运行时的位置极限，防止探头超行程导致的撞击。
所述主导轨的零点信号传感器和反限位光电传感器之间的距离小于从导轨的零点信号传感器和反限位光电传感器之间的距离，保证一对探头有完全相互交错的距离。
本发明还提供了基于所述在线厚度检测双伺服系统所采用的方法，包括以下步骤：
（1）控制模块通过主驱动器和从驱动器驱动主伺服电机和从伺服电机运行，使得主移动架和从移动架反向行走到达零位；
（2）保持从驱动器停止，主驱动器运行使主伺服电机驱动主移动架正向行走，使主移动架和从移动架的位置相互交错；
（3）主驱动器运行，使主伺服电机驱动主移动架反向行走至零位，控制模块对探头输出的信号进行实时采集，同时收集主伺服电机反馈的编码位置信号；
（4）控制模块计算主移动架和从移动架对应的零位的偏差距离，通过驱动主驱动器，使主伺服电机移动主移动架的位置，对偏差距离进行补偿；
（5）被测物从一对探头之间通过，控制模块通过主驱动器和从驱动器同时驱动主伺服电机和从伺服电机运行，使主移动架和从移动架同步进行正向或反向行走，控制模块实时收集探头输出的信号对被测物的厚度进行测量。
所述步骤（1）中，控制模块通过输出脉冲信号分别控制主驱动器和从驱动器，通过零点信号传感器检测到主移动架和从移动架分别到达零位后，停止对应的脉冲信号输出，使主伺服电机和从伺服电机停止。
所述步骤（3）中，控制模块通过其AD模块将探头反馈的电流信号转换为16位数字值存入临时缓冲；同时收集主伺服电机反馈的正交AB相编码脉冲信号，每变动一个脉冲信号更新对应的系统位置值，采用中值滤波处理两个脉冲之间临时缓冲保存的多个电流信号数字值。
所述步骤（4）中，控制模块将步骤（3）中处理后的电流信号数字值存入Y轴内存数组，实时的系统位置值存入X轴内存数组，形成一条二维曲线，直至主移动架回到零位，控制模块计算出探头输出信号最大值对应的位置，继而得到偏差距离。
所述X轴内存数组保存的是主伺服电机和从伺服电机启动到停止过程的连续变化的位置值；Y轴内存数组保存的是对应X轴的电流信号数字值。
优选地，以X轴个连续数组取出对应的Y轴数组数据，则个连续数组的变化量为：
其中，为X轴第个数组对应的Y轴数组数据，为X轴个连续数组的Y轴数组数据平均值；
再依次累加X轴数组数据，得出当前连续数组的变化量；最后分别得出X轴数组数据的上升段和下降段中变化量最大的两个X轴数组数据，则一对探头的偏差距离为所述变化量最大的两个X轴数组的数据中间值。
所述步骤（5）中，控制模块监控主伺服电机和从伺服电机的反馈编码脉冲信号，当两个脉冲值相差超过设定的差值，扫描系统停止运行并报警。
本发明相比现有技术，其优点在于：
1、本发明减少了双探头检测扫描系统中机械同步传动的部件，极大地提升了该类检测扫描设备的安装灵活度，不再受限于现场安装空间的局限性。
2、本发明采用双伺服电机控制同步精度，适应性强，大大提升了在线厚度检测系统的检测精度。
附图说明
图1是本发明实施例中导向机构竖直方向安装的结构示意图；
图2是本发明实施例中导向机构水平方向安装的结构示意图；
图3是本发明实施例对比例常规O型扫描架结构的结构示意图；
图4是图1所示双伺服的扫描架的横向扫描曲线图；
图5是图3所示常规O型扫描架结构的横向扫描曲线图。
具体实施方式
如图1和图2所示，在线厚度检测双伺服系统，包括：控制模块、导向机构和一对相互配合的探头1，一对探头1采用X射线探头，其中一探头为X射线发射探头11，另一探头为X射线接收探头12。
导向机构包括平行设置的主移动架21和从移动架31，X射线接收探头12和X射线发射探头11分别固定在主移动架21和从移动架31上；主移动架21和从移动架31分别由带有驱动器的伺服电机驱动；伺服电机包括主伺服电机22和从伺服电机32，控制模块通过输出脉冲至主驱动器和从驱动器（图中未示出）分别驱动主伺服电机22和从伺服电机32。主伺服电机22和从伺服电机32运行，驱动主移动架21和从移动架31行走；同时伺服电机反馈编码信号至控制模块，用于实时监测主移动架21和从移动架31的位置；导向机构上还分别固定有用于X射线发射探头11和 X射线接收探头12复位的零点信号传感器。
导向机构为一对平行设置的直线导轨机构，包括主直线导轨机构2和从直线导轨机构3；主直线导轨机构2包括主导轨23，主移动架21滑动设置在主导轨23上；从直线导轨机构3包括从导轨33，从移动架31滑动设置在从导轨33上，主导轨23和从导轨33分别固定有零点信号传感器。
如图1所示，主直线导轨机构2和从直线导轨机构3上下并排安装，以适应检测件水平运动时的测厚要求。
如图2所示，主直线导轨机构2和从直线导轨机构3水平并排安装，以适应检测件垂直运动时的测厚要求。
主导轨23和从导轨33的两端均固定有反限位光电传感器和正限位光电传感器。
主导轨23的零点信号传感器和反限位光电传感器之间的距离要小于从导轨33的零点信号传感器和反限位光电传感器之间的距离。
基于实施例中在线厚度检测双伺服系统所采用的方法，包括以下步骤：
（1）控制模块通过主驱动器和从驱动器驱动主伺服电机22和从伺服电机32运行，使得主移动架21和从移动架31反向行走到达零位；
（2）保持从驱动器停止，主驱动器运行使主伺服电机22驱动主移动架21正向行走，使主移动架21和从移动架31的位置相互交错；
（3）主驱动器运行，使主伺服电机22驱动主移动架21反向行走至零位，控制模块对X射线接收探头12输出的信号进行实时采集，同时收集主伺服电机22反馈的编码位置信号；
（4）控制模块计算主移动架21和从移动架31对应的零位的偏差距离，通过驱动主驱动器，使主伺服电机22移动主移动架21的位置，对偏差距离进行补偿；
（5）被测物从X射线发射探头11和X射线接收探头12之间通过，控制模块通过主驱动器和从驱动器同时驱动主伺服电机22和从伺服电机32运行，使主移动架21和从移动架31同步进行正向或反向行走，控制模块实时收集X射线接收探头12输出的信号对被测物的厚度进行测量。
如图1为例的扫描系统的扫描方法，包括以下步骤：
进行步骤（1），控制模块通过输出脉冲信号分别控制主驱动器和从驱动器，通过零点信号传感器检测主移动架21和从移动架31分别到达零位后，停止对应的脉冲信号输出，使得主驱动器和从驱动器分别控制的主伺服电机22和从伺服电机32停止。
进行步骤（2），保持从驱动器停止，主驱动器运行使主伺服电机22驱动主移动架21正向行走，使主移动架21和从移动架31的位置相互交错。
进行步骤（3），控制模块通过其AD模块将X射线接收探头12反馈的电流信号转换为16位数字值存入临时缓冲；同时收集主伺服电机22反馈的正交AB相编码脉冲信号，每变动一个脉冲信号更新对应的系统位置值，采用中值滤波处理两个脉冲之间临时缓冲保存的多个电流信号数字值。
进行步骤（4），控制模块将步骤3中处理后的电流信号数字值存入Y轴内存数组，实时的系统位置值存入X轴内存数组，形成一条二维曲线，直至主移动架21回到零位，控制模块计算出X射线接收探头12输出信号最大值对应的位置，继而得到偏差距离。
X轴内存数组保存的是主伺服电机22和从伺服电机32启动到停止过程的连续变化的位置值；Y轴内存数组保存的是对应X轴的电流信号数字值。
以X轴0号数组到4号数组五个位置长度取出对应的Y轴数组数据，则5个连续数组的变化量为：
其中，为X轴第个数组对应的Y轴数组数据，为X轴5个连续数组的Y轴数组数据平均值；
再依次累加X轴数组数据，得出当前连续数组的变化量；最后分别得出X轴数组数据的上升段和下降段中变化量最大的两个X轴数组数据，则X射线发射探头11和X射线接收探头12的偏差距离为变化量最大的两个X轴数组的数据中间值。
进行步骤（5），被测物从X射线发射探头11和X射线接收探头12之间通过，控制模块通过主驱动器和从驱动器同时驱动主伺服电机22和从伺服电机32运行，使主移动架21和从移动架31同步进行正向或反向行走。
X射线发射探头11内置X射线源，X射线源发出射线通过被测物后，射线射入设有电离室及放大板的X射线接收探头12，X射线接收探头12通过电离室将射线能量线性地转换为电流信号输入放大板，通过放大板的采样电阻和运放电路产生一个0-5V的电压信号输出至控制模块。
控制模块内部的AD模块将输入电压信号转成16位的数字存入内存。控制模块实时收集X射线接收探头12输出的电压信号对被测物的厚度进行测量。
其中，电离室为电流型电离室，由不同电位的电极和电极间的介质组成。
当空载时，X射线源输出射线通过出射孔向下照射，此时射线仅穿透空气到达电离室，电离室和放大板将射线能量转换为空载电压信号。
当连续检测过程中，被测物通过X射线源和电离室之间，射线照射贯穿被测物，穿透过程中射线将被被测物吸收掉一部分射线能量，射线强度将减弱；此时，电离室和放大板转换输出测量电压，连续扫描检测过程中因被测物面密度的不同而产生变化。
由于与面密度存在显著相关性，则被测物的面密度测量值为：
其中，为吸收系数，为平移系数；和均由对已知面密度的被测物进行标定得出。
控制模块监控主伺服电机22和从伺服电机32的反馈编码脉冲信号，当两个脉冲值相差超过设定的差值，扫描系统停止运行并报警。
对在线厚度检测双伺服系统和常规O型扫描架结构进行系统精度对比：
测试相对静止的被测物，可以验证系统本身的精度特性。连续扫描正向和反向一次，正反行偏差越小，说明在线厚度检测双伺服系统的正反行的重复性好，精度越高。横向偏差为单方向扫描的数据的波动性，该值越小则波动越小，即横向扫描数据的稳定性好，如果波动大的话，那该点的测量值产生的误差大。
以54.2g左右的铜箔为例，对其进行厚度检测。采用在线厚度检测双伺服系统，将铜箔放置于X射线发射探头11和X射线接收探头12之间，连续扫描正向和反向一次分区取50组数据，测得6组数据，如表1所示。通过50组数据的正行和反行分别各取一个平均值，两个平均值的差值为正反行偏差即正向扫描和反向扫描的差值。
表1 在线厚度检测双伺服系统连续扫描厚度数据
将同一铜箔置于同规格的常规O型扫描架结构的一对探头1之间，进行比较测试，连续扫描正向和反向一次分区取50组数据，测得6组数据如表2所示。其中，常规O型扫描架结构如图3所示，常规O型扫描架结构包括导轨4，以及通过移动架5在导轨4上作同步往复扫描运动一对探头1，一对探头1包括X射线发射探头11和X射线接收探头12，其中X射线发射探头11和X射线接收探头12的同步往复扫描运动是通过主轴机构6同步驱动移动架5实现的。
表2 常规O型扫描架结构连续扫描厚度数据
厚度检测系统的正反行偏差精度采用正反行偏差值与定量克重之比，经测量得到在线厚度检测双伺服系统的正反行偏差值，如表3所示，计算得到采用在线厚度检测双伺服系统的正反行偏差精度为0.000802%；经测量得到常规O型扫描架结构的正反行偏差值，如表4所示，计算得到采用常规O型扫描架结构的偏差精度为0.0223274%，故在线厚度检测双伺服系统的正反行精度明显得到提高。
表3 在线厚度检测双伺服系统精度计算表
表4 常规O型扫描架结构精度计算表
横向偏差精度为横向偏差与定量克重之比，如表3和表4所示，计算得到采用双伺服的扫描架计算出的横向偏差精度为0.05596%；采用常规O型扫描架计算得到横向偏差精度为0.13729%，故在线厚度检测双伺服系统的横向偏差精度明显得到提高。
如图4和如图5所示，双伺服的扫描架和常规O型扫描架结构的6组横向扫描曲线中可得，在线厚度检测双伺服系统的重复性高于常规O型扫描架。
以下基于生箔机在线厚度检测为例，进行说明：
在线厚度检测双伺服系统设于生箔机起箔装置和夹送辊之间，将一对相互平行的主直线导轨机构2和从直线导轨机构3分别通过安装架固定于生箔机的上梁和下梁，线厚度检测双伺服系统在检测铜箔厚度前，先进行复位：控制模块通过主驱动器和从驱动器驱动主伺服电机22和从伺服电机32运行，使得主移动架21和从移动架31反向行走到达零位；保持从驱动器停止，主驱动器运行使主伺服电机22驱动主移动架21正向行走，使主移动架21和从移动架31的位置相互交错；主驱动器运行，使主伺服电机22驱动主移动架21反向行走至零位，控制模块对X射线接收探头12输出的信号进行实时采集，同时收集主伺服电机22反馈的编码位置信号；控制模块计算主移动架21和从移动架31对应的零位的偏差距离，通过驱动主驱动器，使主伺服电机22移动主移动架21的位置，对偏差距离进行补偿。
当铜箔从起箔装置输出时，夹送辊拉动铜箔在X射线发射探头11和X射线接收探头12之间通过，由于主移动架21和从移动架31的行走相互独立，故由控制模块保证主移动架21和从移动架31同时行走，控制模块通过主驱动器和从驱动器同时驱动主伺服电机22和从伺服电机32运行，使主移动架21和从移动架31同步进行正向或反向行走，控制模块实时收集X射线接收探头12输出的信号对被测物的厚度进行测量；同时控制模块监控主伺服电机22和从伺服电机32的反馈编码脉冲信号，确保主移动架21和从移动架31的同步性。
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