浮法玻璃气电测厚部件的研究与设计

　　1　引言

　　浮法玻璃生产线是目前平板玻璃生产最先进的工艺,它能够保证玻璃的平面度及均匀的厚度,过去一直采用离线静态测厚或人工跟随玻璃移动测厚。随着现代化大生产的发展,已不能适应在线自动控制的要求,因此迫切需要研制在线测厚系统。

　　由于在线检测的环境比较恶劣,因此,在线扫描检测系统必须具有很强的抗干扰能力。国内曾经有人尝试过X射线法、激光法、电容式、电感式、γ射线法,前三种均以失败告终,γ射线法虽然已有样机,但因其有放射性污染未能推广。只有西安交通大学研制的电感式气冷测厚实验装置能稳定地工作在工业现场。但因电感式仍属模拟量测量,时间一长容易产生漂移。为此,又提出了新的方案,即气电测厚方案。该测厚部件使用两支波纹管,上波纹管使测头抬起落下,起粗调和保护作用,下波纹管作为测力弹簧,测量原理如图1所示。

　　气电测厚部件是在线扫描测厚系统的核心部件,根据要求:测量过程中,测头应有足够的测量力,以适应平板玻璃行进过程中的上下抖动和其它冲击;当出现意外事故时,测头要能迅速抬起,具有自保护功能。在分析了各种测厚方法利弊的基础上,该气电测厚部件有希望做成功。但因还处于研制阶段,所以仍存在一些不足之处,文中就此运用控制论的方法分析,发现问题,从而达到完善该部件设什的目的。

　　2　气电测厚部件动态数学模型的建立

　　原气电测厚部件测量过程中,上波纹管内加以很高的压力,使滑套顶在挡块上,保持不动。这样测量环节由弹性部分(下波纹管和光栅测头弹簧)和气垫两部分组成。为简化分析,把气垫头等效成一个作用于测头中心的气垫,其原理如图2所示。输入为被测玻璃表面与气垫之间的距离h(即气垫厚度),输出为气垫浮力Fh.气垫气腔中背压与气垫厚度之间传递函数如下:

　　气垫气腔中背压的大小直接影响气垫对测头浮力的大小,由于气垫层中压力分布比较复杂,在这里只考虑平均效应。设气垫的有效支撑面积为Ah,则有:Fh=PhAh,所以气垫间隙h与气垫浮力Fh之间传递函数为

　　另一方面,对测头及测杆组成的部件进行受力分析如图3所示,设气垫对测头浮力Fh为输入,光栅位移yg为输出。

式中:Pd、Ad为下波纹管中气腔空气压力及有效作用面积;m为测杆、测头等组成的运动部件的质量;Kg、Kd分别为光栅传感器内弹簧和下波纹管的弹性系数。平衡态时,下波纹管中气腔压力Pd等于大气压力Pa,下波纹管的伸长使得下波纹管中气腔气压已减小,使得空气从测杆与轴承间隙以及球头间隙中流入,设其流量为Qd,气阻为Rd,则其流量动态微分方程为: