CN201094009Y

CN201094009Y - 全自动往复式宽幅x射线薄膜测厚仪

Info

Publication number: CN201094009Y
Application number: CNU2007201517097U
Authority: CN
Inventors: 靳其兵
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2017-06-22

Abstract

一种用于宽幅薄膜厚度在线动态测量的测厚仪器，采用X射线作为发射源，通过接收端接收，PLC采集接收信号用于处理。上位机显示薄膜厚度变化的实时曲线通过模头控制器在线实时调整螺栓加热功率，实现薄膜厚度趋于平均。该测厚仪响应速度快，精度高，且安全可靠。

Description

全自动往复式宽幅X射线薄膜测厚仪

技术领域

本实用新型是用于宽幅薄膜生产的实时动态在线厚度测量及控制装置。

背景技术

薄膜厚度的均匀性是双向拉伸塑料薄膜的一个极其重要的质量指标。随着塑料薄膜产业的快速发展，对产品的质量要求越来越高，薄膜厚度控制情况显得尤为重要。而目前的薄膜测厚仪器普遍存在着结构复杂、精度不高等缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有的薄膜测厚仪结构复杂、精度不高等缺陷，提供一种价格低廉，精度较高，功能完善，安全可靠的在线测量和控制装置。

测量原理：根据χ射线管发出的χ射线在经过被测物质前后能量发生变化来达到检测被测物厚度的目的。本发明选用的χ射线发射和接收装置将能量变化转化为电压信号，使系统能够通过测量模拟电压来计算薄膜的厚度。

χ射线穿过测量物后的强度V与薄膜厚度x之间的关系见表达式(1)

V＝Ae^-μx (1)

其中，V为检测电压，A为常数，将上式两边取对数可得：

x＝C-KlnV (2)

其中，C＝(lnA)/μ，K＝1/μ。

由于在标样过程中都采用相同的材料，任一标样的μ值都是固定的。将每一对标样厚度为X₁，X₂带入(2)可以得到：

X₁＝C-KlnV₁

X₂＝C-KlnV₂ (3)

求解上述方程组可以得到：

C = \frac{X_{2} \ln V_{1} - X_{1} \ln V_{2}}{\ln [V_{1} / V_{2}]} - - - (4)

K = \frac{X_{1} - X_{2}}{\ln [V_{2} / V_{1}]} - - - (5)

得出C，K值后将其存储，在测厚仪正常运行过程中就可以利用公式(2)计算厚度X，然后利用标定系数E换算为薄膜厚度值。

本实用新型的测厚仪由下列各部分组成：扫描上探头、扫描下探头、机架、机械传动装置、现场控制柜、PLC、操作面板、上位机、模头控制器。

所述的扫描下探头中主要放置χ射线光管、高压发生装置、西门子PLC200CPU、模拟量采集模块以及电压分配板。

所述的扫描上探头中主要放置χ射线探测器、西门子PLC200CPU、模拟量采集模块以及电压分配板。

所述的扫描下探头中的高压发生装置用来激励χ射线光管发射χ射线。选用西门子S7-200系列产品作为数据采集单元，主要负责采集χ射线光管的工作状态以及上探头内部配件的温度。采集的模拟信号包括高压发生装置温度、χ射线光管温度、高压电压、高压电流、灯丝电流以及χ射线发射强度等。上述信号都是由PLC200传送到控制柜中的PLC300，然后再由PLC300传送到主控制室中的上位机进行存储和显示。对上述数据进行存储的目的是为了方便设备维护人员对χ射线光管工作状态进行监控。PLC200CPU会对采集到的温度值进行判断，当温度超出设定范围时，系统会通过打开或关闭探头内的制冷元件(安装在χ射线光管的外屏和高压发生装置的高压模块上)，来保证χ射线光管和高压发生装置的温度恒定在一定的范围内。其中，高压电压值、高压电流值、灯丝电流值必须稳定在工作点上才能保证χ射线光管的正常工作。

扫描上探头中选用的牛津公司的χ射线探测器，由闪烁晶体、光电倍增管、分压电阻器以及前置放大电路以及外屏组成。选用了西门子S7-200系列产品，包括CPU222、EM231作为数据采集单元。采集的模拟电压值包括χ射线探测器温度和χ射线接收强度。χ射线探测器安装在上探头的中部，S7-200CPU及模拟量采集模块安装在探头内靠近探头壁的地方。其中温度信号由PLC200传送到控制柜中的PLC300，然后再由PLC300传送到主控制室中的上位机进行存储和显示。同时，PLC200CPU会对采集到的温度值进行判断，当温度超出设定范围时，系统会通过打开或关闭探头内的制冷元件(安装在χ射线探测器的外屏上)保证χ射线探测器在较低的温度范围内工作。PLC300接收到扫描探头传送的χ射线发射强度电压信号和χ射线接收强度电压信号，根据前文所述的厚度计算方法来进行薄膜厚度的计算。

所述的机架：是安装测厚仪的基础，本设计采用“O”型剖面机架。横幅宽度为4500mm。

所述的机械传动装置：根据来自PLC的控制信号，通过伺服电机带动测厚仪在机架上做往复式运动，达到横向测量薄膜厚度的目的。

机架和机械传动装置的结构示意图见图2。

图中1-状态信号指示灯，能够指示正常运行、故障，χ射线源的状态；2-伺服电机；3-可拆卸的传动轴；4-皮带；5-滚轮；6-扫描探头；7-导轨；

所述的状态信号指示灯有黄色，白色，红色三种，由控制柜中的PLC300的开关量输出模块来控制，代表测厚仪的运行状态。伺服电机的转轴与机架上的可拆卸传动轴相连，传动轴的上下两端分别通过齿轮连接皮带。扫描探头的上下探头分别通过滚轮与机架上的皮带相连。当伺服电机转动时，可以通过传动轴、皮带以及滚轮拖动上下扫描探头在机架的导轨上运动。

机架极为坚硬，不易扭曲，上下梁之间保持平行，来自框架的稳定空气循环使其温度不变，从而可避免不均匀的伸缩。两梁外侧设有可装卸外罩，可以方便拆卸机械结构和上下探头，快速检修。而传动轴又配有联轴节，可使上下扫描探头滑移或卸出，探头快速横向对齐，这种联轴设计可以给维护带来方便。

扫描探头与薄膜的运动关系见附图3。

图中1-上探头，2-下探头，3-探头运动方法，4-薄膜运动方向。

现场控制柜是连接现场测厚仪和主控制室中上位机的中间站，安装在距离生产线三米远的地方。现场控制柜中的主要设备包括PLC、伺服功率驱动器、直流电源、控制开关等。

本实用新型设计了以西门子PLC为核心的电气控制系统，结构框图见附图4。

控制柜中的PLC选用西门子S7-300系列CPU，配置有开关量输入模块、开关量输出模块、轴定位模块。

其中开关量输入模块采集的信号为：就地/远程切换、急停信号、探头运动信号、破膜检测信号以及限位信号。

其中，就地/远程切换：是安装在控制柜门外的切换开关，当开关打向“就地”时，用户可以通过控制柜门上的操作面板对测厚仪扫描探头的运动、停止以及运动方向进行控制，而控制室中的上位机不能对扫描探头进行操作；当开关打向“远程”时，用户可以在控制室中，利用上位机的操作界面对扫描探头的运动、停止以及运动方向进行控制，而此时控制柜的操作面板不能对扫描探头进行操作。一般情况下该开关打向“就地”，这样操作工人可以根据生产的状况对测厚仪进行就近操作，保证测厚系统的正常运行。

急停信号：由安装在机架两端的急停按钮提供，当用户按下急停按钮时，扫描探头会立即停止运动，按钮复位后用户可以通过操作面板对扫描探头的运动状态进行控制。

探头运动信号由轴定位模块提供，此信号检测伺服定位系统是否能正常工作。如不能正常工作，PLC300将会输出系统故障信号，故障状态指示等亮。

破膜检测信号：当出现薄膜断裂不能成产品时，系统采集到该信号，会使测厚仪探头立即停止扫描，避免薄膜刮蹭扫描探头。

限位信号：安装在机架两端的检测信号，当信号有效时，扫描探头会立即停止运动，这样能够保证扫描探头不会与机架两端发生碰撞。

控制柜中PLC300的开关量输出模块输出的信号是控制机架上的状态信号指示灯，分别有三种状态，正常运行指示，故障指示，χ射线源开/管状态指示。

为了得到厚度均匀的薄膜，必须要实现厚度测量值和测量位置精确定位。控制柜中的轴定位模块、伺服功率驱动器以及PLC300CPU构成了测厚仪的伺服定位系统。

图5为伺服定位系统的原理框图。伺服电机转轴的末端配有增量式编码器来提供探头运行位置信号，编码信号直接连接到伺服功率驱动器的编码口，在经过处理之后以增量编码的形式将位置信号传送给轴定位模块的位置反馈编码器接口。轴定位模块接收到位置反馈信号，经过模块内部的处理得到的控制量通过模拟驱动接口送入伺服功率驱动器。功率驱动器接收到驱动信号来控制伺服电机的转动。电动机的运动位置又通过编码器反馈给轴定位模块，轴定位模块利用此信息再重新修正输出的模拟驱动电压值，最终实现整个系统的精确定位。当PLC300接收到准确的位置信号后，将位置信号和该位置测量的薄膜厚度值传送到上位机由上位机进行处理。

本实用新型在控制柜门外设计了操作面板，见图6。利用操作面板，现场操作工可以对测厚仪进行基本的运动控制，例如停止、扫描、机械校正、校零等。这样既可以方便操作工人根据生产线的生产状况对扫描探头进行操作，又能够提高工作效率；测厚仪操作面板在测厚仪正常扫描的过程中会显示当前测量的厚度值，工人可以根据显示值对生产情况有一个大致的了解。

上位机放在生产车间的主控制室中，主要完成采集数据、数据存储、实时曲线显示以及模头控制等功能。

本发明所述的测厚仪系统上位机监控画面选用了组态王进行上位机软件的设计和开发，界面直观，操作简单，主要实现了下面几个功能：薄膜横向厚度实时显示、系统配置、产品配方管理、设备维护、历史趋势查询、远程控制以及用户操作权限设置等。

本发明设计的模头控制器适用于24(或小于24)个螺栓加热功率变化的调整。使用了6块研华ADAM-4021模拟量输出模块(每模块可控制4路螺栓加热)，上位机通过RS485通讯方式与ADAM系列模块进行通讯，上位机根据薄膜测量值和该值所对应的位置值调整对应模块的模拟量输出值，从而改变模头螺栓的加热功率达到调整薄膜厚度的目的。

附图说明

图1测厚仪系统组成框图。

图2机架与机械传动装置结构示意图。

图3扫描探头与薄膜运动关系示意图。

图4测厚仪电气控制系统结构框图。

图5伺服定位系统的原理框图。

图6操作面板布置图。

图7系统通讯网络结构图。

具体实施方式

本实用新型的χ射线源选用了英国牛津公司的1000系列χ光管，由阴极、阳极、铍窗口、玻璃壳等组成。其配套的接收装置为χ射线探测器，主要由闪烁晶体、光电倍增管、分压器电阻、前置电子电路以及外屏组成。分别安装在扫描探头的下探头和上探头内。χ光管发射χ射线穿过被测物后由χ射线探测器接收并转化为模拟电压信号。安装在上探头内的S7-200模拟量采集模块采集到接收电压值，同时χ光管发射的χ射线强度由下探头内的S7-200模拟量采集模块采集，上下探头的S7-200CPU将电压值传送到控制柜中的S7-300PLC中，用于薄膜厚度的测量。

本发明的机架是采用的“O”型剖面，见附图2，横幅宽度为4500mm。伺服电机的转轴与机架上的可拆卸传动轴相连，传动轴的上下两端分别通过齿轮连接皮带。扫描探头的上下探头分别通过滚轮与机架上的皮带相连。当伺服电机转动时，可以通过传动轴、皮带以及滚轮拖动上下扫描探头在机架的导轨上运动。

现场控制柜安装在距离生产线三米远的地方，是连接现场测厚仪和主控制室中上位机的中间站。控制柜中放置主要的控制设备，包括PLC、伺服功率驱动器、直流电源、控制开关。

本实用新型设计开发了以西门子PLC为核心的电气控制系统，结构简图见附图4。

图中扫描上探头内选用西门子S7-200CPU222，模拟量采集模块采用S7-200EM231，采集的模拟电压值包括：χ射线探测器温度和χ射线接收强度，都将传送到控制柜的PLC300中。

扫描下探头内的配备西门子S7-200CPU222，模拟量采集模块为S7-200EM231，采集的模拟量信号包括：高压发生装置温度、χ射线光管温度、高压电压、高压电流、灯丝电流以及χ射线发射强度等。这些模拟量都由PLC200传送到PLC300中。PLC300会利用接收到的χ射线发射强度和接收强度的电压信号进行薄膜厚度计算。

控制柜中的PLC选用西门子S7-300系列，配置有开关量输入模块、开关量输出模块、轴定位模块。

就地/远程切换：是安装在控制柜门上的按钮开关，通过开关可以使测厚仪处于上位机远程操作模式或者现场控制柜操作面板控制模式。

急停信号：安装在扫描探头的机架两端。其作用都是在紧急情况下停止测厚仪探头的扫描工作。比如，当出现破膜时，如果破膜检测元件没有起作用，这时就需要操作工按下急停按钮，避免生产线上的破膜刮蹭测厚仪，等生产恢复正常后，只需将此按钮复位，即可使测厚仪正常工作。

探头运动信号：由伺服功率驱动器输出的，表示伺服定位系统的工作状态。

破膜检测信号：在测厚仪前端有一个破膜检测开关(开关量)，当出现薄膜断裂不能成产品时，系统采集到该开关信号，会使测厚仪探头立即停止扫描。

限位开关：安装在机架的两端，是测厚仪运动到极限位置的检测信号。当检测信号有效时，探头会立即停止运动，保证探头不会撞到机架上。

本发明开发了高精度的伺服定位系统，能够保证薄膜测量点的精确定位，从而达到对薄膜产品厚度调整的目的。

控制柜中的轴定位模块、伺服功率驱动器以及PLC300CPU构成了测厚仪的伺服定位系统。

设计中所采用的伺服系统由KOLLMORGEN公司的6SM27伺服电机、Digifas7200系列数字伺服功率驱动器以及西门子FM354轴定位模块组成，其结构简图见图5。

伺服电机转轴的末端配有增量式编码器来提供探头运行位置信号，编码信号直接连接到伺服功率驱动器的编码口，在经过处理之后以增量编码的形式将位置信号传送给轴定位模块的位置反馈编码器接口(X3)。轴定位模块接收到位置反馈信号，经过模块内部的处理得到的控制量通过模拟驱动接口(X2，+/-10V)送入伺服功率驱动器。功率驱动器接收到驱动信号来控制伺服电机的转动。电动机的运动位置又通过编码器反馈给轴定位模块，轴定位模块利用此信息再重新修正输出的模拟驱动电压值，最终实现整个系统的精确定位。

上位机放在生产车间的主控制室中，主要完成采集数据、存储数据、实时曲线显示以及模头控制等功能。

本发明的测厚仪系统上位机选用了组态王进行上位机软件的设计和开发，界面直观，操作简单，主要实现以下功能：薄膜横向厚度实时显示、系统配置、产品配方管理、设备维护、历史趋势查询、远程控制以及用户操作权限更改等。

本发明设计的模头控制适用于24(或小于24)个螺栓加热功率变化的调整。使用了6块研华ADAM-4021模拟量输出模块，每模块可控制4路螺栓加热。上位机通过RS485通讯方式与ADAM系列模块进行通讯，上位机根据薄膜测量值和该值所对应的位置值调整对应模块的模拟量输出值，从而改变模头螺栓的加热功率达到调整薄膜厚度的目的。

整个系统的通讯网络见附图7。PLC200、PLC300、操作面板以及上位机都是通过MPI通讯协议传输数据。上位机与模头控制器之间通过RS485协议进行数据通讯。

Claims

1.一种全自动往复式宽幅X射线薄膜测厚仪，其特征在于，由下列各部分组成：扫描上探头、扫描下探头、机架、机械传动装置、PLC系统、现场控制柜、操作面板、上位机、模头控制器；

所述的机架是安装测厚仪的基础，扫描上探头和扫描下探头安装于其上；

所述的机械传动装置，根据来自PLC控制信号，通过伺服电机带动测厚仪在机架上做往复式运动；

所述的扫描下探头中主要放置x射线光管、高压发生装置、PLC200、模拟量采集模块以及电压分配板；其作用是发射x射线，并通过模拟量采集模块采集x射线光管的工作状态以及上探头内部配件的温度，并由PLC200传送到控制柜中的PLC300，然后再由PLC300传送到主控制室中的上位机进行存储和显示；

所述的扫描上探头中主要放置x射线探测器、PLC200CPU、模拟量采集模块以及电压分配板；通过模拟量采集模块采集x射线探测器温度和x射线接收强度，其中温度信号由PLC200CPU传送到控制柜中的PLC300，然后再由PLC300传送到主控制室中的上位机进行存储和显示；PLC300接收到扫描探头传送的x射线发射强度电压信号和x射线接收强度电压信号，根据厚度计算方法计算薄膜的厚度；

所述的PLC系统包括上下扫描探头中PLC200CPU及模拟量采集模块和控制柜中的PLC300CPU、开关量输入/输出模块和轴定位模块；

所述的现场控制柜中主要放置PLC、伺服功率驱动器、直流电源、控制开关；

所述的控制柜中的轴定位模块、伺服功率驱动器以及PLC构成了测厚仪的伺服定位系统；

所述的操作面板用于在现场对测厚仪进行基本的运动控制；

所述的上位机完成数据采集、存储、实时曲线显示以及模头控制的功能；

所述的模头控制器接受上位机发出的控制信号调整模拟量输出值，改变模头螺栓的加热功率，从而调整薄膜厚度。