塑胶管材壁厚偏心及外径的在线测量与控制

Mon Sep 16 10:07:58 CST 2019 塑问君

一、引言

随着人们环保意识的提高以及“绿色”塑料制品的发展，各类铁管材传统市场将大量地被塑料管材占领。近年来塑料管材的生产线及制品的数量增长十分迅速。市场竞争也将不断增强。质量竞争的重点之一:管材尺寸的精确性和一致性。管材外径的壁厚超差不仅给安装带来困难，而且会造成严重的材料浪费。壁厚偏心超差将影响管材而耐压强度及使用安全性。所以外及壁厚偏心尺寸的在线测理及控制是十分重要的。本文拟对管材生产过程在测量外及壁厚偏心的原理、产品、选用方法作-简介, 希望能对提高塑料管材产品质量、材降耗, 增强企业竞争能力起到推动作用。

二、非接触壁厚扁心测量仪测量地原理、设备组成及选用方法

2.1功能要求

据我们调研目前管材生产过程因管材壁厚不-致(偏心意及厚度超差带来的经济损失十分严重。而目前国内管材生产线水平已有很多带有计算机控制系统的设备都能通过牵引|或挤出速度的控制实现平均壁厚控制。但是,因没有壁厚测量信息无法实现控制。所以从四(六、八个方向测量管材壁厚，据各方向壁厚的平均值来控制牵引速度或挤出速度实现平均壁厚控制，这样不仅对保证质量而且对节材十分有价值。为此希望能从不同方向测管材壁厚将测量供生产线计算机系统实现平均壁厚的自动控制。由于偏心调整大多是人工调整挤出头对中螺丝，所以可利用壁则量仪实现自动测量、显示指导人工调整, 也可将对中螺丝改手动为电动，与计算机接口实现动纠偏。

2.2原理

目前市场上的测厚设备主要采用两种方法:射线测厚;超声测厚。其它如电容测厚、电感测厚、电感光电测厚。因为对制造使用要求过高产品数量较少，未能形成主流产品。

(1)射线壁厚测量法:

主要是利用X射线类似医学CT扫描。对管材透视成像。-套设备不含税价达一百抬万元。每形成-个断面图像的时间约12 - 20秒。测量时间长，价格昂贵，安装较复杂，目前很难大范围推广。由于其在塑胶管材的测量应用有限，本文不作介绍。

(2)超声壁厚测量法

以水作介质，发出一超声尖脉冲，类似“雷达”的原理(参看图1)当声脉冲遇到不连续层面就会产生回波。当超声尖脉冲遇到第一层面时产生第一脉冲反射波，第三层面产生第二脉冲反射波.... ，测量脉冲反射的时间间隔乘上该材料的声速即得到相应的厚度:

ha=K (t2- t1)

式中: K-该材料声速

t1, t2-第一、第二回波的时间

超声测量头若呈90度排布，用4个超声测量头即可从四个方向测出壁厚及偏心状态。同理可以均匀地按6个测头，6个测头，8个测量头排布，从6个或8个方向测出壁厚及偏心状态。使用测头数量多，壁厚测量全面。但成本费用也会增加。

一般选择测头的数量与模具的调节螺丝的数量和对应位置一致，有利于在线人工或自动调整时观察调整结果。

如果塑机制造厂能将调节螺丝改成电控调整，今后就可与壁厚扁心测量仪的计算机联接实现壁厚偏心自动测量、自动控制，使我们的挤塑设备提高档次和价值。大提高塑管的质量。

2.3设备组成

JDC- P系列在线壁享测量仪是我们于2001年开发成功并推向市场的。这种设备是于津市重点攻关项目的产业化成果。2001年3月通过正式成果鉴定并经技术监督局授权给予“计量仪器制许可证"。超声壁厚偏心测量仪主要由三部分组成:测量传感头、测量主机、可调中心高的循环水槽。结构布局简图如图2。

(1)测量传感头:含专用定位装置，确保被测物稳定地经过超声测量头。四个超声测量头排布在互呈90度方向上。此超声测量头的位置与挤塑机的模具头的四个调节螺钉相对应。分别将该方向的反射脉冲厚度信号送到测量主机。测量传感头有一类是全水浸式，主要用= < 0250mm的塑测量。还有-类是喷水式，即超声测量与被测物之间的水藕合方式是利用喷出的水柱实现的。这类主要用在>0250mm的管材壁享测量。

无论国内外，对所利用的水介质都要求无杂质，无气泡，否影响测量精度。

(2)测量主机:对从测量传感头传来的四个(六个或八个)超声测头的信号进行处理，按设定的声速计算出各方向壁厚。并用CRT显示断面壁厚及纵向壁享波动状况。显示画面如图3所示。主机有两类,一类为单生产线(4路输入) 一类为双生产线(2 * 4路输入)。常规使用前者。对于两条临近的生产线(生产线中心距= < 3M)测量点相近的情况下,我们可以使用一台主机同时配两组测量传感头测控两条生产线，使用户节省70%以上的投资实现生产线的改造。目前国外产品没有这咱工作方式，我们专为节省用户投资而开发的。

测量主机的功量比较多。它除了实时显示各方向管材壁厚的数据及模拟截面图形(见图3)外,还有对所测结果的分析、显示及报警等功能;各方向测量结果与标称厚度的差值;平均壁厚;最大最小壁厚差值以及各方向壁厚随时间(长度)的波动值。所有相关资料如操作工代号、产品规格、各种测量结果的存储均可事先设置,根据设置的要求自动记录在硬盘上供随时调用。这些记录既可作质量档案也可供工艺分析。用户可在数月至半年内按生产时间调用以上资料:有近时序的测量数字结果，同时显示方向的时间壁厚波动(详见图3)使用十分方便。图3只给出测量结果显示内容。另有历史数据查询界面:可显示某一历史时段各方厚波动畋及测量结果似图3 (b) 。还有初始条有入等功能。

(3)循环水槽:将测头置于此水槽中。水槽利用循环供水装置供给清洁水。被测管材经过置于水槽中超声测量头实现测量。此水槽要保证超声测头与被测物表面有良好的水介质藉合，并保证水流有一足够的存储和进、出所使用的水质必须无气泡洁净。

2.4选用注意事项

(1)因为超声测厚与被测物材料种类、厚度有关。一般来说，被测材质硬的或比较薄的选用高频率探头较好。被测材质软的或比较厚的选用低频率探头较好。所以首先要向仪器供应商说被测材料，厚度范围，以便选择合适的工作频率和测量探头。

(2)按被测客径范围选择合适的测量头夹具，不同的外径范围要配不同的测量头夹具，根据生产性况外径范围可适当留10%左右余量，范围过大浪费，过小则无法测量。

(3)选择水槽种类:一种是生产厂供水充足可外加循环供水，一种是自带泵循环供水。二者均要求水质洁净不含颗粒状杂质。对于供水充足的现场建议不外加循环供水。

(4)控制方式

JDC- P系列壁享偏心测量仪有专[ ]的测量数据输出接口。用户可将其连接到生产线的计算机控制系统之中通过其控制软件对牵引速度或挤出速度联朵实时控制实现标准壁厚自动化生产。这种方式已证明十分有效。

2.5使用效益分析

壁厚偏心测量仪对于连续撞挤出百米长的管材，如地热管,确保产品质量实时监测厚是十分有用的。对于大型厚壁管材，如壁厚> 10mm,外径> 100mm的情况下,实现壁厚下偏差均匀生产不可缺少的。据浙江某工厂生产线0160; H= 10的管材统计。使用JDC一P节材达10%左右。大型管材生产线-条线的塑料年耗量呆> 1000T。节材可达100T左右。加上减少废次品的返I损失用不了半年即回投资。所以使用壁享偏心测量仪可带来较大的质量级节材效益。对于煤气管道秤质量与节材效益更加显著,所以对塑管生产线这是十分有效益的设备。

三、外径测量设备的要求、原理、组成及选用方法

3.1功能要求

对于塑胶管生产过程的外径测量一般可分为外径测量及周长 (平均外径)测量两种。对于外径测量常分为单轴向、双轴向两种。周长测量可采用旋转测径(求平均直径)方法。所有的测量结果均可反馈给控制系统过处理(比如模糊控制等)对挤出时或牵弓|速度的控制实现对外径的控制。

3. 2原理

国内外非接触外径测量技术主要有激光扫描及光电摄相法两大类。其特点述如下:

(1)激光扫描法

由吗达带动在发射透镜焦点上的旋转棱镜将激光束反射到发射透镜上形成-平行扫描的光带。被测物的直径(或宽度)在此光带上遮挡平行扫描光束，将遮挡时间乘平行光带的扫描速度就呆求出被测物的外径(宽度)。这种方法的优点是静态精度可以作到UM级,体积可作得很小。但主要缺点是动态特性差。因为这种靠电机旋转的机械扫描国际上最高速度约300次/秒。一般仅几十次 /秒。若被测物横向抖动光束遮挡时间将会被玉缩或扩展这样就会引入较大的误差。对于高速生产线很难满足测量误差要求。另外因转镜长期处于高速旋转状态,轴的磨损会造成反射光束的变化测量误差随使用时间延长将会增大。有的连续工作两年就因误过大而要更换核心部件-扫描装置，维修费用过高。

(2)光电摄相法

由光学系统形成-束平行光通过接收镜头在线阵CCD上形成电子图像。经图象处理求出遮挡此平行光束对应的物体外尺寸。这种测量方法的优点是无机械运动部件。不存在磨损造成的误差。它是用电子摄像拍同一时刻物体遮挡光束阴影。所以横向抖动的误差远小于激光扫描法。拍摄速度可达一千幅/秒。甚至更高。采用专门的高速电子快i ]拍摄时间可达万分之-秒, 这对没量高速运动物体的外轮廓尺十分有利!

光电摄像法与激光扫描相比动态测量精度高。使用寿命长是其主要优点。但体积均比激光扫描测径仪大是个缺陷。

由于仪器基本原理是测量物体投影宽度，所以不仅可测物体外径也可测量宽度。利用光电测量头的不同组膈可得到不同测量范围的直径或宽度的量程。

3.3设备组成

由于激光扫描法的寿命短动态误差大,我们建议选用光电摄像设备。这类仪器最基础组成都是单轴向测径仪。即由单向测量头、支架组成在线"光卡尺“实现测量功能。参看图6所示。这类测径仪大量用于线缆铝塑复合管、塑料管材等生产线。也有互呈90度的两轴向测径形式如图7所示(供钢铁在线测量分选轴承钢棒材)。及高速线材生产线专用的8 - 12测量头的多轴测径仪(下略)。

下面主要介绍单轴方式JDC - J系列测径仪主机及配件功能:

主机:由U形测量头形成光尺“完成在线测量外径功能。其中含特种长寿命平行光源，高速电子摄相朵。微机处理终端、控制面板、LED显示、 RS 一232或RS - 422等上们机接口及上位器显示、存贮、查询报警接口;并行打印机接口。

支架:支撑主机可在生产线上直接打地脚螺丝安装。高低可调，使主机测量区中心高在(900 - 1100)mm。

以上两件为基本配置。用它们可完成在线测量,超差内报警。

为扩展主机功能有以下选购件供用户选购。

(1).上位机显示接口软件: 软件装入PC机后可通过COM1串口接收并存贮、处理、显示、查询JDC -J测径仪的测量数据及指定时间的外径平均值及波动图等多种统计处理功能，也可以仅在接收数据不要处理及显示软件。

(2) 声、光外报警器:插入相应插口可在测量结果上、下限超差时发出声光报警。

(3)挤出机挤出速度控制模块:由专用插头及电缆与挤出机相连。提供安装调试的技术服务。

(4)远程显示控制箱:可以在< 100m距离显示主机测量结果，并进行开环、闭环控制。

(5)测量断面外径偏差及周长的专用旋转装置及测量软件: (专利产品此专用支架控制电路及软件改造现有JDC - J)单轴外径测量为螺旋断面的平均周长及不园度测量。

3.4选用方法

暂时不用的功能不要选用。避免功能积压浪费。

选购仪器第一步是选定合适的量程。根据生产线产吕的最大外径加上安装误差，抖动范围比如铝塑复合管生产线若生产< = 032的可选< = 40mm量程的仪器，< = 063的可选< = 70mm的测径仪。一般用户仅测单方向的个径就只须选合适量程的主机即可。

第二步:确定是否要断面尺寸参数。有的产品周长要求严格。如铝塑复合管安装使用时周行超差将造成接头困难。因为铝塑管线速度很慢( < 20m/ min)作断面轮廓、周长、不园度测量可以加”专用旋转装置及测量软件"，扩展仪器功能。这样既可以比两维测径得到更全面的轮廓测量,又比两维测径减少很多投资。

第三步选定外径误差控制功能。即确定是滞要加外径尺寸自动控制。对于延时小或外径波动慢的情况下方可选用。

第四步选定其它辅助功能。测径仪的住处可用三种方式向外传送(1)供上们机应用(2)供外报警(3)拉到端去显示和"闭环控制:。这些功能均不影响测量主体功能。用户可据现场的实际需要选定。

3.5使用效果分析

对于有真空定径装置的生产线其外径及不园度的变化都比较小，外径测量的必要性似乎不大，在实际生产线的工作过程发现即使经过真空定径的塑客在经过水冷和牵引之后，外径和园度的变化对有的生产线仍然较严重，所以对外(或周长)要求较严格的生产线即使经过真空定径仍然需要测径或测周长。比如铝塑复合管和个径，波纹管的周长等测量。对于不经过真空定径的塑管生产线，外径测量就对保证成品率影响较大。

四、结束语

在线测量、控制管材的外径和壁厚应根据生产线实际情况和需要选择必要的功能组合以达到投资省、效益高的目的。在线测量并控制管材外径壁厚，确保产品的准确一致，无疑对提高产品竞争性节约原料提高经济十分有效。

文章来源： PE聚乙烯产业链

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