板式換熱器板片質(zhì)量在線自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王宇翔，馮作全

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司高端裝備集成研發(fā)中心，蘭州 730314）

0 引言

換熱器換熱板片是專門用于介質(zhì)隔離和熱交換的產(chǎn)品，是板式換熱器的重要組成部分。其主要材質(zhì)有不銹鋼（AISI 304、316）、鈦及鈦鈀（Ti、Ti－Pd）、合金（C276）、銅（H68）等，因其經(jīng)常發(fā)生穿孔、減薄、泄漏等失效[1]，直接影響到板式換熱器的整體性能和運(yùn)行狀況。目前國內(nèi)換熱器板片生產(chǎn)企業(yè)，其板片質(zhì)量檢測大部分依靠人工檢測，檢測手段包括肉眼觀察、百分表測量、滲透探傷、手持式超聲波檢測，檢測效率低、工作量大。同時(shí)，對檢測人員的經(jīng)驗(yàn)和能力要求高，人為因素大，且易發(fā)生漏檢，尤其對于大板片的精細(xì)檢測，需將板片進(jìn)行分解后進(jìn)行檢測，檢測過程材料損耗大，成本高。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，換熱器板片的質(zhì)量缺陷重點(diǎn)表現(xiàn)為減?。s頸）和裂紋，而對于減薄質(zhì)量問題，人工無法做到整張板的逐點(diǎn)檢測，采用抽樣檢測。針對上述問題本文設(shè)計(jì)了換熱器板片質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)，通過高精度、高動態(tài)響應(yīng)的雙激光位移傳感器測量板片各點(diǎn)厚度，通過數(shù)據(jù)比對分析，計(jì)算各點(diǎn)的減薄量，從而判斷板片質(zhì)量是否合格。經(jīng)實(shí)際測試驗(yàn)證，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同波紋形狀減薄量和波紋深度的檢測，能夠?qū)Π迤w質(zhì)量進(jìn)行性能評估，顯著減少現(xiàn)場檢測人員勞動強(qiáng)度，提高板片檢測效率，推動板片生產(chǎn)企業(yè)板片檢測智能化水平。

1 采樣技術(shù)原理

板式換熱器板片的制作方式是將金屬板片放入帶波紋模具的壓機(jī)中一次沖壓成型的，成型后的板片凹凸不平，類似波紋狀[2]。換熱器板片波紋按幾何形狀區(qū)分，有水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋、鋸齒形波紋等不規(guī)則形狀，因而需要在板片的上下兩側(cè)對稱位置設(shè)置至少一組傳感器實(shí)現(xiàn)同時(shí)測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的同步采集傳輸工作。其測厚原理如圖1所示。圖中，1、2為激光位移傳感器；3為C型架；4為待測樣板，L1、L2分別為上、下傳感器的測量得到的距離；L為兩傳感器間隔距離。

圖1 測厚示意圖

當(dāng)被測板片由傳送機(jī)構(gòu)送至指定位置，傳感器開始實(shí)施等間距同步采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將結(jié)果存儲于邏輯控制器中；在測量過程中，保證所設(shè)傳感器的運(yùn)動完全同步是系統(tǒng)保證測量精度的必要條件。因此，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過設(shè)定其中一只傳感器為主機(jī)，另一只傳感器為從機(jī)，由主機(jī)給從機(jī)傳感器發(fā)送相應(yīng)的循環(huán)脈沖信號，借此來保證兩個傳感器的同步工作和測量精度。由于傳感器1、2安裝以后的位置是固定的，且其分別處于板片兩側(cè)的同一垂直方向上，測量得到板片位移值是相對值。其板材輪廓擬合如圖2所示。

圖2 板片輪廓擬合

板片在線采樣檢測基本流程：（1）將激光位移傳感器置于穩(wěn)定的C形架上，確保所設(shè)傳感器處于板材上下兩側(cè)對稱位置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與控制器相連接；（2）采用VS編程應(yīng)用軟件進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，借助于工業(yè)以太網(wǎng)與邏輯控制器實(shí)現(xiàn)通信連接；（3）由邏輯控制器發(fā)送指令，經(jīng)伺服電機(jī)驅(qū)動兩側(cè)激光測距傳感器置位，同時(shí)板片由傳送機(jī)構(gòu)送至零點(diǎn)位置；其次，傳感器在控制器的作用下開始等間距掃描采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲于邏輯控制器中，最后板片移動預(yù)定距離，傳感器再次取點(diǎn)，如此反復(fù)進(jìn)行；（4）通過算法分段擬合得到輪廓表面自由曲線，進(jìn)而獲得每點(diǎn)處的法相矢量，結(jié)合上下兩條自由曲線信息和幾何求解算法，間接得到每一點(diǎn)處的厚度值；（5）將計(jì)算所得的結(jié)果同標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，獲取缺陷點(diǎn)的坐標(biāo)值，并加以實(shí)時(shí)顯示于監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)定位。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)板片在線自動測量，本系統(tǒng)原理樣機(jī)設(shè)計(jì)可分為檢測裝置、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析軟件3個部分。檢測裝置主要由支架、直驅(qū)電機(jī)、中軸、直線電機(jī)模組及支撐、卡盤等組成；電氣控制系統(tǒng)主要有1套直線電機(jī)伺服系統(tǒng)、1套直驅(qū)伺服系統(tǒng)、激光傳感控制器、西門子S7系列控制器、位控模塊、觸摸屏等組成[3]；數(shù)據(jù)采集分析軟件主要包括激光位移傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集軟件和上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件組成。系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)

原理樣機(jī)要實(shí)現(xiàn)對主軸直驅(qū)伺服系統(tǒng)的速度控制、直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的位置/速度控制；旋轉(zhuǎn)相關(guān)設(shè)備動力電流或信號傳輸；上位軟件客戶端從傳感器控制器中數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)時(shí)讀取。系統(tǒng)硬件架構(gòu)從以下方面進(jìn)行說明。

（1）直線電機(jī)。傳感器固定底座部件選配成套模組，是將底座與馬達(dá)定子整合，其重復(fù)精度2μm，直線度20μm。采用無鐵心式線性馬達(dá)為驅(qū)動元件，低速仍能實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)行具有高剛度，結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)樣機(jī)板片螺旋掃描半徑為390～750 mm，需要直線電機(jī)有效行程為360 mm。充分考慮到直線電機(jī)動子、所載傳感器等附件質(zhì)量總計(jì)約為2 kg，在額定轉(zhuǎn)速下需要直線電機(jī)提供80 N的連續(xù)推力。根據(jù)上述要求選用直得公司PB系列的直線電機(jī)。

（2）直驅(qū)電機(jī)。直驅(qū)電機(jī)帶動中軸旋轉(zhuǎn)，其絕對定位精度為±10"，重復(fù)定位精度±1"。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、動力傳動無間隙的特點(diǎn)，電機(jī)中心可提供電氣通道。根據(jù)裝置支撐件及直線電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，上下兩組為26.5 kg·m2，機(jī)構(gòu)角加速度為1 rad/s2，轉(zhuǎn)動慣量30 kg·m2，驅(qū)動扭矩約為30 N·m，選用日機(jī)伺服直驅(qū)DD250系列電機(jī)

（3）電流滑環(huán)。為將旋轉(zhuǎn)激光傳感器所采集的數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)為傳感器提供動力信號，選用SNH070系列過孔式滑環(huán)，過孔直徑70 mm，外徑140 mm。

板片質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)總體要實(shí)現(xiàn)在不同采集要求下的速度調(diào)節(jié)及定位控制，精確實(shí)現(xiàn)C型架激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和平移，整個系統(tǒng)采用伺服控制，可精確實(shí)現(xiàn)速度和位置的調(diào)控。

3 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集分析算法

板片空間曲面復(fù)雜，而每組激光傳感器在板片上所測數(shù)據(jù)并非板厚，僅在波峰和波谷時(shí)才等于板厚，在波紋的兩側(cè)，需要計(jì)算法線方向的值，尤其是波紋交叉處尖角面各點(diǎn)的處理、兩組人字形波紋之間過渡區(qū)域面各點(diǎn)的處理成為數(shù)據(jù)處理分析得難點(diǎn)。板片數(shù)據(jù)采集要求在保證采樣效率的同時(shí)，采樣間隔應(yīng)設(shè)置的盡可能小，確保在一些曲率較大處擬合所得到的小平面更貼近于細(xì)分的小曲面，以此來提高擬合精度，采用空間三角形網(wǎng)格構(gòu)建小平面，并尋找擬合面的最佳匹配點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集分析算法的基本思想：將板片細(xì)分，局部以平代曲（即采用三角網(wǎng)格小平面來近似擬合細(xì)分的曲面），在保證采樣效率的同時(shí)，采樣間隔應(yīng)設(shè)置的盡可能小，確保在一些曲率較大處擬合所得到的小平面更貼近于細(xì)分的小曲面，以此來提高擬合精度；等速螺旋線的極坐標(biāo)方程的求解；極坐標(biāo)系與平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。其數(shù)據(jù)分析算法步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：將上下位移傳感器獲取到的位移信息解析為坐標(biāo)點(diǎn)信息，（在采集過程中，應(yīng)先對傳感器1、2實(shí)施校正，確保其光斑在同一直線上）。

（2）分別判斷傳感器1、2測量的上下相對點(diǎn)坐標(biāo)值，如果測量的相對點(diǎn)坐標(biāo)值變化大于某一值，可以判斷板片在該點(diǎn)處破裂或穿孔。

（3）空間局部小平面擬合——三角形網(wǎng)格構(gòu)建。

（4）三角形小平面擬合——采用最小二乘法進(jìn)行局部小平面擬合[4]，三角形小平面擬合方程為：

式中：aT為待定系數(shù)；x、y為測量值。

所以，下表面與之對應(yīng)的三角形平面方程為：

（5）板片厚度求解如下。

依據(jù)平面外一點(diǎn)到該平面的向量法距離求解公式：

設(shè)平面Π的方程為：

（A，B，C）為Π的法向量，平面外一點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1，z1)，點(diǎn)(x1，y1，z1)到平面Π(Ax+By+Cz+D=0)的距離：

可得上表面所獲取的掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)(xTi，yTi，zTi)到下表面所擬合得到的三角形小平面的距離為：

4 測試驗(yàn)證

將預(yù)先壓制好的板片放置在在檢測裝置卡板卡槽內(nèi)，板片尺寸為710 mm×260 mm；觀察安裝在直線電機(jī)模組動子上兩組激光位移傳感器是否對中，實(shí)驗(yàn)過程中傳感器對中靠肉眼觀察，存在對中偏差；調(diào)整直驅(qū)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，確定直線電機(jī)的移動方向和速度；直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為12 r/min，直線電機(jī)移動速度設(shè)為6 mm/min；數(shù)據(jù)采集頻率為1 kHz。采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 兩組傳感器采集部分?jǐn)?shù)據(jù)（第一組）

從第一組數(shù)據(jù)仿真分析結(jié)果可知：（1）采用螺旋進(jìn)給方式檢測板片成型面，其采集數(shù)據(jù)擬合曲面如圖5所示，相鄰數(shù)組構(gòu)成的曲面過渡平滑，在傾角處不存在奇異點(diǎn)；（2）板片檢測裝置運(yùn)行平穩(wěn)，測試的數(shù)據(jù)一致性較好，能夠?yàn)樗惴?yàn)證提供可靠的數(shù)據(jù)支持；（3）可擬合板片不同成型曲面，在不同曲面過渡處無數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)。

圖5 局部擬合曲面（第一組數(shù)據(jù)）

如圖6所示，第二組數(shù)據(jù)仿真分析結(jié)果可知：（1）第一組數(shù)據(jù)與第二組數(shù)據(jù)擬合的曲面都過渡平滑，能反映不同的成型結(jié)構(gòu)，采集的數(shù)據(jù)一致性較好；（2）從圖7分析結(jié)果可知，在箭頭所指的地方板片成型存在缺陷，能夠清晰地反映。

圖6 兩組傳感器采集部分?jǐn)?shù)據(jù)（第二組）

圖7 局部擬合曲面（第二組數(shù)據(jù)）

相關(guān)測試驗(yàn)證結(jié)果表明本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同波紋形狀減薄量和波紋深度的檢測，采樣數(shù)據(jù)可擬合整張板型，能夠替代人工，大幅度提高檢測精度，其檢測精度可達(dá)0.01 mm，符合板式換熱器板片檢測要求[5]。

5 結(jié)束語

本文以板片生產(chǎn)檢測過程中存在的實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)板片壓型幾何特征及監(jiān)測要求，對其采樣原理進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了板片在線自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉陌迤卣鲾?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可實(shí)現(xiàn)不同波紋形狀減薄量和波紋深度的檢測，能夠替代人工，大幅度提高檢測精度，可應(yīng)用于實(shí)際板片生產(chǎn)制造現(xiàn)場。