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高精度薄板带板凸度激光检测的误差分析与精度控制研究

周俊峰  
【摘要】: 随着世界经济和科学技术的发展,薄板带材的需求量不断增加,特别是在铝加工行业,为实现铝薄板加工生产过程中板材厚度、板形、板凸度的高精度控制,对在线检测装置的检测精度提出了更高的要求,并促进检测装置向智能化方向发展。但目前的检测设备在经济性以及功能性等方面均存在着不足。 本文以国家高技术研究发展计划(863计划)课题“铝薄板高精度板凸度在线检测装置”(课题编号:2002AA423190)为背景。开发了基于激光检测技术的铝薄板板凸度在线检测装置,通过理论分析和试验研究,深入研究了高精度板凸度激光检测装置整体及各子系统的误差规律,从误差避免和误差补偿的角度,综合运用有限元优化技术、小波信号分析与处理技术,解决了系统精度保证及精度控制的关键问题。在此基础上,结合薄板带的快速铸轧工业试验,对板凸度激光检测装置的性能进行了工业试验验证。表明该装置具有成本低、精度高、稳定性好的特点,对于提高我国铝带材的产品质量,增强市场竞争力具有重要的意义。同时文中所用理论和方法也适用于其它检测装置,本文的研究具有重要的理论意义和应用价值。 论文的主要研究内容和成果如下: 1.通过对高精度板凸度激光检测装置整体及各子系统深入的精度分析,在比较不同方案的基础上,根据项目要求的移动式、高精度的核心目标,设计了基于双束激光差动测量方法的扫描式激光板凸度检测方案,确定了以C型扫描框架为主体的装置的总体结构造型,实现了低成本、高精度的板厚、板凸度同时测量。 2.研究了板凸度激光检测装置实现智能化检测的自动测量策略,对双束激光差动测量系统中的传感器位置关系与测量有效性的规律进行了研究,建立了不同被测板材厚度条件下的最佳传感器位置调节目标。基于该目标,提出了板凸度激光检测的调节策略,仿真试验证明了自动调节策略的可行性。 3.研究了高精度板凸度激光检测系统的静态误差传递规律,分析机械装配精度等因素造成的系统中传感器平动位置误差、旋转角度误差等对系统精度的影响规律,建立了系统装置的机械加工及装配精度所致的误差分析模型,形成系统加工、装配精度的控制准则,为系统标定与静态误差修正提供理论依据。 4.基于试验研究,通过工业现场的环境振动测试试验,不同振动激励下框架的动力学性能试验,不同扫描检测状态下板凸度检测精度的影响规律试验,分析了不同振动参数、扫描参数对检测精度的影响规律,建立了系统装置的动态误差分析模型,为通过误差避免和误差补偿以保证检测精度奠定了基础。 5.在分析移动框架静态、动态变形以及不良振型对检测精度的影响规律的基础上,提出了通过对检测装置关键部件C型框架的进行模态优化实现精度控制的方法。在通用有限元软件ANSYS的基础上,利用APDL语言对框架力学性能分析与动态优化设计,包括静态(强度、刚度)优化分析,模态优化分析,动力学响应分析等,并进行了设计变量的灵敏度分析,提出了C型移动框架的优化设计结构。 6.研究了基于小波原理的板凸度激光检测信号振动误差抑制的方法,针对板凸度激光检测信号的多频特性,通过多分辨小波分析与处理方法,采用小波信号分解—重构,来剔除检测信号中的谐波性振动误差成分,确定了最佳小波基函数和小波分解层数。通过仿真试验和现场试验表明,本方法可以减少因振动和各种环境扰动等原因造成的误差,检测精度得到了明显的提高。 7.研究了板凸度激光扫描参数因素作用引起的误差补偿方法,针对该类误差多参数耦合、非线性的特点,采用神经网络的方法,建立扫描参数与动态误差之间的非线性神经网络模型,通过对动态误差的预测,实现动态误差的补偿。通过工业试验比表明,本方法有效地消除了由于扫描状态不同引起的随机误差,提高了检测精度。 8.进行了板凸度激光检测系统的技术集成,对该装置的硬件组成和软件系统进行了详细的分析研究。设计制造了我国首台扫描式铸轧板带板凸度激光检测装置样机。经现场应用表明,装置的检测精度、系统功能完全能够满足铸轧板凸度检测与控制的要求。


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