CN111574052B - 氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制装置及方法。所述厚度控制装置包括放料单元、成型单元、牵引单元、检测单元和控制单元。放料单元由铂金出料管及其温度控制系统组成。成型单元由模具底板、左右侧板、后挡板及盖板组成。牵引单元由传送带、辊轮及变频电机组成。检测单元由激光测距仪及其安装支架组成。控制单元由可编程控制器、变频器组成。控制方法为，激光测距仪垂直或倾斜安装在成型单元上方，实时监测玻璃液表面高度变化，将检测的距离数据传送到可编程控制器，换算成表征成型厚度变化的有效数据，并与预定数据进行比较，采用PID调节控制，对变频器的输出频率进行修正，从而实现玻璃条料成型厚度的精准控制。
Description
技术领域
本发明涉及光学玻璃条料成型厚度控制技术领域，尤其涉及一种氟磷酸盐光学玻璃条料的厚度控制装置及方法。
背景技术
氟磷酸盐光学玻璃是一种低色散、低折射的新型优良光学材料，目前广泛应用于数码相机、手机和高清安防系统等。由于含氟，氟磷酸盐光学玻璃条料在成型时，玻璃液表面如直接暴露在空气中，将造成高温玻璃液组分的严重挥发，造成大量的表面条纹，严重影响产品的良品率。另外，由于成型模具的材质采用球墨铸铁，在高温条件下极易被氟磷酸盐玻璃腐蚀。所以，氟磷酸盐光学玻璃条料的成型模具一般设计成相对密封结构，并从盖板上充入惰性气体，对模具内的玻璃液表面进行保护和冷却，从而控制玻璃液表面的挥发量和改善玻璃条料的表面条纹。另外，由于氟磷酸盐玻璃普遍具有软化点低，粘度随温度的变化大的特点，所以尽管出料铂金管的管径设计较细，但出料量还是波动较大，导致玻璃条料的厚度较难控制。
普通光学玻璃条料成型的厚度控制，最常用的方法是人工实时目测，根据玻璃液表面的高度变化手动调节牵引机构的速度，虽然效果欠佳，但简单易行。自动控制方法，如专利号为ZL2015 1 0633834.0的中国专利所提供的一种玻璃条料的厚度控制系统和方法，其中的检测装置通过一滚筒与成型后的玻璃表面相接触，从而检测和控制玻璃条料厚度。由于氟磷酸盐玻璃条料成型过程中玻璃液粘度不易控制，如采用人工手动控制，尽管加大控制频度，但控制效果依然很差。受成型区域相对密封的环境条件影响，而且在高温条件下氟磷酸盐玻璃液及其挥发物具有较强的腐蚀性，上述自动控制装置也无法有效实施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，如何实现氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度的精准控制。
本发明控制装置的技术解决方案是，一种氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制装置，包括放料单元、成型单元、牵引单元，所述放料单元由焊接在熔炉工作锅底部的铂金出料管及其温度控制系统组成，所述成型单元由模具底板、模具左右侧板、模具后挡板及模具盖板组成，模具盖板是一个U型的中空焊接件，包括顶板和前后封板，安装在模具上方，使模具成型区域形成一个相对密封结构，所述牵引单元由金属传送网带、驱动和从动辊轮及变频电机组成，其特征在于，所述装置包括：
检测单元，由激光测距仪及其安装支架组成，用于通过测量通孔对所述位于盖板内成型模具中出料管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化进行检测；
控制单元，由可编程控制器、变频器组成，与所述激光测距仪和所述变频电机分别连接，用于基于从所述激光测距仪获取的检测值，与预定值对比，对变频器的输出频率进行修正，从而调整金属传送网带的线速度，最终实现光学玻璃条料成型过程中的厚度精准控制。
上述方案中，所述的激光测距仪的测量对象为不透明物体，测量量程为1000mm-5000mm，测量精度为0.01mm，正常使用时，投射在测量对象表面的测量光斑（7）为边长8mm-12mm的正方形。
上述方案中，所述的可编程控制器包括人机数据交互平台、标准MODBUS通讯组件、模拟量输出组件；所述变频器设置成对应的模拟量输入控制模式。
上述方案中，所述所述的激光测距仪根据现场环境或工艺要求，垂直安装在成型单元上方，在盖板上设置测量通孔，通过通讯数据线与可编程控制器的标准MODBUS通讯组件相连，可编程控制器的模拟量输出组件通过输出信号线与变频器的模拟量控制端子相连，变频器的电源输出端通过电源线与变频电机相连。
上述方案中，所述的激光测距仪根据现场环境或工艺要求，倾斜安装在成型单元上方，通过通讯数据线与可编程控制器的标准MODBUS通讯组件相连，可编程控制器的模拟量输出组件通过输出信号线与变频器的模拟量控制端子相连，变频器的电源输出端通过电源线与变频电机相连。
本发明控制方法的技术解决方案是，一种氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制方法，其特征在于，包括放料单元、成型单元、牵引单元、检测单元和控制单元；所述放料单元由铂金出料管及其温度控制系统组成；所述成型单元由模具底板、左右侧板、后挡板及盖板组成；所述牵引单元由金属传送网带、驱动和从动辊轮及变频电机组成；所述检测单元由激光测距仪及其安装支架、设置在盖板上的测量通孔组成；所述控制单元由可编程控制器、变频器组成，与所述激光测距仪和所述变频电机分别连接；
激光测距仪通过测量通孔实时监测所述位于盖板内成型模具中出料管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化；
基于从所述激光测距仪获取的检测值，与预定值对比，对变频器的输出频率进行修正，从而调整金属传送网带的线速度，最终实现光学玻璃条料成型过程中的厚度精准控制。
上述方案中，所述的激光测距仪的测量对象为不透明物体，测量量程为1000mm-5000mm，测量精度为0.01mm，正常使用时，投射在测量对象表面的测量光斑（7）为边长8mm-12mm的正方形；所述的可编程控制器包括人机数据交互平台、标准MODBUS通讯组件、模拟量输出组件；所述变频器设置成对应的模拟量输入控制模式；
激光测距仪通过测量通孔实时监测所述位于盖板内成型模具中出料管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化，将检测的距离数据通过MODBUS通讯的方式传送到控制单元中的可编程控制器；
基于从所述激光测距仪获取的距离数据，可编程控制器经过系统运算，换算出表征玻璃条料成型厚度变化的有效数据，并根据该有效数据与预定数据的对比关系，采用PID调节控制，向变频器输入一个控制其频率输出大小的4mA-20mA模拟信号，对变频器的输出频率进行修正，从而金属传送网带的线速度，最终实现光学玻璃条料成型过程中的厚度精准控制。
上述方案中，所述激光测距仪垂直安装在成型模具正上方，测量光斑通过设置在模具盖板上的测量通孔投射在成型玻璃液表面，受玻璃折射率的影响，测量所得的测距仪视窗底面与模具底板上表面的距离数值大于真实值，可编程控制器采用以下公式对玻璃条料的成型厚度值进行换算，直接得出表征成型厚度的数值量，该数值量采用以下公式表示：
S = (L -δ) + λ·δ
δ= （S - L）/ (λ- 1)
其中，S为激光测距仪视窗底面到成型模具底板上表面的距离测量值；
L为从激光测距仪视窗底面到成型模具底板上表面的距离真实值；
λ为光学玻璃对应的折射率；
δ为光学玻璃条料的成型厚度换算值。
上述方案中，所述激光测距仪倾斜安装在成型模具侧部上方，测量光斑绕过成型模具的密封区域投射在玻璃液与模具后挡板的交线上，受透明玻璃液的折射作用，成型厚度变化时，落在模具后挡板上的有效光斑面积变化，激光测距仪的输出检测值也随之变化，根据此测量原理，可编程控制器间接得出参与控制的表征成型厚度的数值量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的成型厚度控制装置的整体结构图。
图2为本发明实施例提供的成型厚度测量方法的具体结构图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。
为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
如图1、图2所示，所述的氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制装置，包括放料单元、成型单元、牵引单元、检测单元和控制单元。
其中，所述放料单元由焊接在熔炉工作锅底部的铂金出料管1及其温度控制系统组成，为现有技术。温度控制系统经温度检测元件、电力调整元件与铂金出料管相连，通过控制铂金料管各段的温度来控制管内玻璃液的粘度，并使其保持在成型工艺所要求的范围内。
所述成型单元由模具底板24、模具左侧板21、模具右侧板22、模具后挡板23及模具盖板组成。为便于成型，模具后挡板23与模具底板24的工作面成一特定数值（一般为120度-150度）的夹角。模具盖板是一个U型的中空焊接件，包括顶板31、前封板32及后封板34，安装在模具上方，使模具成型区域形成一个相对密封结构。模具顶板内表面设置有出气孔，向成型玻璃液表面充入用于保护和冷却的惰性气体。为了便于成型厚度在垂直方向进行检测，顶板31上按需要在相应位置设置测量通孔33。
所述牵引单元主要由金属传送网带51、驱动和从动辊轮52及变频电机53组成。其作用是将成型后的玻璃条料4连续牵引至退火区和下料区。在铂金出料管1内的玻璃液粘度保持在工艺范围内时，玻璃条料4成型厚度决定于金属传送网带51牵引的线速度。
所述检测单元由倾斜安装在成型单元上方的激光测距仪6或垂直安装在成型单元上方的激光测距仪61及其安装支架组成。激光测距仪6、61的测量对象为不透明物体，测量量程为1000 mm -5000mm，测量精度为0.01mm，正常使用时，投射在测量对象表面的测量光斑7为边长8 mm -12mm的正方形。
所述控制单元由可编程控制器8、变频器9组成。可编程控制器8具备人机数据交互、标准MODBUS通讯、模拟量输出等功能。变频器9设置成对应的模拟量输入控制模式。
所述检测单元中的激光测距仪6、61根据现场环境或工艺要求，垂直或倾斜安装在成型单元上方，通过通讯数据线与控制单元中的可编程控制器8的通讯组件相连。可编程控制器8的模拟量输出组件通过输出信号线与变频器9的模拟量控制端子相连，变频器9的电源输出端通过电源线与牵引单元中的变频电机53相连。
本发明还提供了一种氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制方法，所述的厚度控制装置包括放料单元、成型单元、牵引单元、检测单元和控制单元，其特征在于，控制方法包括，激光测距仪6或61实时监测成型模具上、出料管1管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化，将检测的距离数据通过MODBUS通讯的方式传送到控制单元中的可编程控制器8，可编程控制器8经过系统运算，换算出表征玻璃条料4厚度变化的有效数据，并根据该有效数据与预定数据的对比关系，采用PID调节控制，向变频器9输入一个控制其频率输出大小的4mA-20mA模拟信号，对变频器9的输出频率进行修正，从而调整牵引单元中传送带51的线速度，最终实现光学玻璃条料4成型过程中的厚度精准控制。
如图2或图1所示，针对不同牌号光学玻璃成型的工艺要求和环境条件，激光测距仪6或61可选用不同的安装方法，根据随之产生的测量原理的不同，本发明可采取不同的实施方式。
实施方式一，激光测距仪61垂直安装在成型模具正上方，测量光斑71通过设置在模具盖板上的测量通孔33投射在成型玻璃液表面。由于玻璃液是透明介质，故光斑会透过玻璃液垂直投射到模具底板24上，再从模具底板24上表面反射回激光测距仪61的视觉窗口，受玻璃折射率这一物理参数的影响，光束在通过玻璃介质时速度会比空气中慢，造成光束从发出到返回的时间有所增加，从而使测量所得的测距仪61与模具底板24的距离数值大于真实值。该测量值由激光测距仪61通过MODBUS通讯的方式传送给控制单元中的可编程控制器8，可编程控制器8采用以下公式对玻璃条料的成型厚度值进行换算：
S = (L -δ) + λ·δ
δ= （S - L）/ (λ- 1)
其中，S为激光测距仪61上显示并传送到可编程控制器的，从激光测距仪61视窗底面到成型模具底板24上表面的距离测量值。
L为从激光测距仪61视窗底面到成型模具底板24上表面的距离真实值，可借助测量器具事先获取精确数据。
λ为光学玻璃对应的折射率参数，可从产品手册中查得数据。
δ为光学玻璃条料的成型厚度换算值。
可编程控制器8将玻璃成型厚度换算值与预设值进行比较，并进行PID调节控制，将调节指令对应的数字信号转换成4-20mA的模拟信号，以此控制变频器9的输出频率和牵引网带51的线速度，使成型厚度维持在特定数值，从而实现玻璃条料4成型过程的厚度控制。
[1]上述控制方式应用于牌号为H-FK61的光学玻璃的成型控制中，产品厚度控制精度由人工控制方式的12 +1.5mm提升至12+0.5mm。该实施方式的优点是，成型厚度的测量方式和控制方式较为直接，控制过程稳定，控制调节的线性度和延伸性较好。
[2]实施方式二，激光测距仪6倾斜安装在成型模具侧部上方，测量光斑7绕过成型模具的密封区域投射在玻璃液与模具后挡板的交线上。受透明玻璃液的折射作用，落在玻璃液表面的那部分光斑并没有反射回激光测距仪，只有落在模具后挡板上的那部分光斑才是有效测量光斑。成型厚度增加时，玻璃液表面高度升高，其与模具后档板的交线也随之升高，同时落在玻璃液表面的光斑面积增大，落在模具后挡板上的有效光斑面积减小。由于激光测距仪测量的距离量是光斑区域内测量距离的平均值，所以当有效光斑面积减小时，测量平均值即测距仪的检测显示值也随之减小。与此测量原理相对应，可编程控制器8从激光测距仪6处实时接收到距离检测值后，将该检测值与预设的标准值进行比较，同样通过PID调节控制，输出相应的模拟调节信号，控制变频器9的输出频率和牵引网带51的线速度，使成型玻璃液表面高度维持在特定的数值，从而控制玻璃条料4的成型厚度。
上述控制方式应用于牌号为H-FK95的光学玻璃成型控制中，产品厚度控制精度由人工控制方式的12+3mm提升至12+1mm。该实施方式的优点是，测量过程对模具成型区域的封闭式结构无影响，激光测距仪可安装在成型区的侧方，避免受到高温和腐蚀性气体的损伤、破坏。
本发明的有益效果是，针对氟磷酸盐光学玻璃在成型过程中粘度变化大、易挥发和挥发物具有腐蚀性的特点，通过非接触的方式直接或间接检测成型厚度的变化，在此基础上进行条料牵引速度的自动调整，最终实现玻璃条料成型厚度的精准控制。
本方案及实施例所提供的厚度控制装置及方法不仅适用于氟磷酸盐光学玻璃条料的成型控制，经过适当改型，同样适用于其它普通光学玻璃条料的生产过程控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制装置，包括放料单元、成型单元、牵引单元，所述放料单元由铂金出料管及其温度控制系统组成，所述成型单元由模具底板、左右侧板、后挡板及盖板组成，所述牵引单元由金属传送网带、驱动和从动辊轮及变频电机组成，其特征在于，所述装置包括：
检测单元，由激光测距仪及其安装支架组成，根据现场环境或工艺要求，垂直安装在成型单元上方，正常使用时，投射在测量对象表面的测量光斑（7）为边长8-12mm的正方形，用于通过测量通孔对位于盖板内成型模具中出料管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化进行检测；
控制单元，由可编程控制器、变频器组成，与所述激光测距仪和所述变频电机分别连接，用于基于从所述激光测距仪获取的检测值，与预定值对比，对变频器的输出频率进行修正，从而调整金属传送网带的线速度，最终实现光学玻璃条料成型过程中的厚度精准控制；
所述激光测距仪的测量光斑通过设置在模具盖板上的测量通孔投射在成型玻璃液表面，受玻璃折射率的影响，测量所得的测距仪视窗底面与模具底板上表面的距离数值大于真实值，可编程控制器采用以下公式对玻璃条料的成型厚度值进行换算，直接得出表征成型厚度的数值量，该数值量采用以下公式表示：
S = (L -δ) + λ·δ
δ= （S - L）/ (λ- 1)
其中，S为激光测距仪视窗底面到成型模具底板上表面的距离测量值；
L为从激光测距仪视窗底面到成型模具底板上表面的距离真实值；
λ为光学玻璃对应的折射率；
δ为光学玻璃条料的成型厚度换算值。
2.一种氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制装置，包括放料单元、成型单元、牵引单元，所述放料单元由铂金出料管及其温度控制系统组成，所述成型单元由模具底板、左右侧板、后挡板及盖板组成，所述牵引单元由金属传送网带、驱动和从动辊轮及变频电机组成，其特征在于，所述装置包括：
检测单元，由激光测距仪及其安装支架组成，根据现场环境或工艺要求，倾斜安装在成型单元上方，正常使用时，投射在测量对象表面的测量光斑（7）为边长8-12mm的正方形，用于通过测量投射在玻璃液与模具后挡板交线上的有效光斑面积对位于盖板内成型模具中出料管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化进行检测；
控制单元，由可编程控制器、变频器组成，与所述激光测距仪和所述变频电机分别连接，用于基于从所述激光测距仪获取的检测值，与预定值对比，对变频器的输出频率进行修正，从而调整金属传送网带的线速度，最终实现光学玻璃条料成型过程中的厚度精准控制。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述的激光测距仪的测量量程为1000-5000mm，测量精度为0.01mm。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述的可编程控制器包括人机数据交互平台、标准MODBUS通讯组件、模拟量输出组件；所述变频器设置成对应的模拟量输入控制模式。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述的激光测距仪通过通讯数据线与可编程控制器的标准MODBUS通讯组件相连，可编程控制器的模拟量输出组件通过输出信号线与变频器的模拟量控制端子相连，变频器的电源输出端通过电源线与变频电机相连。
6.一种氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制方法，其特征在于，包括放料单元、成型单元、牵引单元、检测单元和控制单元；所述放料单元由铂金出料管及其温度控制系统组成；所述成型单元由模具底板、左右侧板、后挡板及盖板组成；所述牵引单元由金属传送网带、驱动和从动辊轮及变频电机组成；所述检测单元由激光测距仪及其安装支架、设置在盖板上的测量通孔组成，激光测距仪垂直安装在成型模具正上方，正常使用时，投射在测量对象表面的测量光斑（7）为边长8-12mm的正方形；所述控制单元由可编程控制器、变频器组成，与所述激光测距仪和所述变频电机分别连接；
激光测距仪实时监测位于盖板内成型模具中出料管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化；
基于从所述激光测距仪获取的检测值，与预定值对比，对变频器的输出频率进行修正，从而调整金属传送网带的线速度，最终实现光学玻璃条料成型过程中的厚度精准控制；
所述激光测距仪的测量光斑通过设置在模具盖板上的测量通孔投射在成型玻璃液表面，受玻璃折射率的影响，测量所得的测距仪视窗底面与模具底板上表面的距离数值大于真实值，可编程控制器采用以下公式对玻璃条料的成型厚度值进行换算，直接得出表征成型厚度的数值量，该数值量采用以下公式表示：
S = (L -δ) + λ·δ
δ= （S - L）/ (λ- 1)
其中，S为激光测距仪视窗底面到成型模具底板上表面的距离测量值；
L为从激光测距仪视窗底面到成型模具底板上表面的距离真实值；
λ为光学玻璃对应的折射率；
δ为光学玻璃条料的成型厚度换算值。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述的激光测距仪的测量对象为不透明物体，测量量程为1000-5000mm，测量精度为0.01mm；激光测距仪通过测量通孔实时监测所述位于盖板内成型模具中出料管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化，将检测的距离数据通过MODBUS通讯的方式传送到控制单元中的可编程控制器；
基于从所述激光测距仪获取的距离数据，可编程控制器经过系统运算，换算出表征玻璃条料成型厚度变化的有效数据，并根据该有效数据与预定数据的对比关系，采用PID调节控制，向变频器输入一个控制其频率输出大小的4-20mA模拟信号，对变频器的输出频率进行修正，从而金属传送网带的线速度，最终实现光学玻璃条料成型过程中的厚度精准控制。
8.一种氟磷酸盐光学玻璃条料成型厚度控制方法，其特征在于，包括放料单元、成型单元、牵引单元、检测单元和控制单元；所述放料单元由铂金出料管及其温度控制系统组成；所述成型单元由模具底板、左右侧板、后挡板及盖板组成；所述牵引单元由金属传送网带、驱动和从动辊轮及变频电机组成；所述检测单元由激光测距仪及其安装支架、设置在盖板上的测量通孔组成，激光测距仪倾斜安装在成型模具侧部上方，测量光斑绕过成型模具的密封区域投射在玻璃液与模具后挡板的交线上，正常使用时，投射在测量对象表面的测量光斑（7）为边长8-12mm的正方形；所述控制单元由可编程控制器、变频器组成，与所述激光测距仪和所述变频电机分别连接；
激光测距仪实时监测位于盖板内成型模具中出料管口附近的熔融态玻璃液面高度的变化；
基于从所述激光测距仪获取的检测值，与预定值对比，对变频器的输出频率进行修正，从而调整金属传送网带的线速度，最终实现光学玻璃条料成型过程中的厚度精准控制。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述激光测距仪的测量量程为1000-5000mm，测量精度为0.01mm，测量光斑受透明玻璃液的折射作用，成型厚度变化时，落在模具后挡板上的有效光斑面积变化，激光测距仪的输出检测值也随之变化，根据此测量原理，可编程控制器间接得出参与控制的表征成型厚度的数值量。
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