專利名稱：雷射測定硬管管厚的控制方法
一般傳統塑膠硬管生產，采用注射機全線定速生產，原料于模具內因熱融流不穩定性，常造成成品厚度有上下平均差異，不但生產的管厚無法一致，并且導致原料用量無形耗費，有鑒于此問題影響到經營競爭力，為此生產廠商乃思由控制管厚一致著手尋求改善對策；目前已知硬管管厚測定方式有接觸式與非接觸式兩類，其中接觸式類型有下列一種，茲將其功能特性說明如下習知推擠式線性可調差接變壓器(LVDT)控制系統；如
圖1所示，此系統是藉由硬管管壁直接推擠線性可調差接變壓器，產生工業用微量變動信號，再經轉換器處理最終獲得量值，取此量值與全線基本速度信號作加法器比較修正，最終獲取修正后的全線生產速度信號，進行生產線速度升降變動控制管厚，此控制系統控制方框圖如圖1所示，其動作流程說明如下由線性可調差接變壓器檢出測頭12取得硬管11管徑變動信號，經比例、積分、微分(PID)控制器13轉換為4～20mA厚度信號A，再透過可調式比例放大轉換器14，將此信號轉換為0～10V厚度信號B，此信號與全線基本速度信號C透過加法器17處理后，取得0～10V全線生產速度信號E，修正全線生產速度，以控制硬管管徑厚度；亦可直接由手動速度信號D與全線基本速度信號C透過加法器17處理，獲得0～10V全線生產速度信號E，但采用手動控制全線生產速度，無法控制管厚一致。習知的推擠式線性可調差接變壓器測厚控制在使用上仍具有下列缺陷(1)機構安裝不易，拆修調整繁瑣費時。
(2)是由硬管管壁直接推擠，產生工業用量變動信號，故其機構不耐外力碰撞壓迫。
(3)由硬管直接推擠機構結構以獲取變動信號，其機械結構隨著管徑厚薄偏移，有動作壽命短的缺點，且機構容易老化故障。
(4)需在現場安裝氣壓升降機構，以利現場注射機換模作業，氣壓管路橫立，造成換模作業不便。
(5)投資費用雖然低廉，但因零件配件數量多，不利日后保養維護。
非接觸式類型有下列二種(A)習知旋轉式超音波厚度控制系統如圖2所示，此系統是藉由機構將超音波厚度檢出測頭置于硬管管壁上(不接觸)，經由馬達旋轉帶動檢出測頭沿硬管圓周360°管壁上來回旋轉測量；根據自動模頭加熱區段劃分，將硬管測量圓周劃分為同等相對區段，分別取得各區段工業用微量變動信號，再經轉換器處理最終獲得量值，此量值信號與原模具上相對應的加熱區段生產溫度信號作加法器數值比較，以即時回授反應溫度信號控制各區段加熱器，達到管厚控制的需求，此控制系統控制方框圖如圖2所示，其動作流程說明如下由超音波檢出測頭22取得硬管21圓周各區段管徑變動信號，透過超音波厚度控制器23轉換為0～10V厚度信號A，再透過電壓轉電流轉換器24將其轉換為4～20mA厚度信號B，將此未經處理的波動厚度信號，透過比例、積分、微分控制器25處理，取得4～20mA穩定厚度信號C，經由加法器28將此信號與取自各區段測溫體熱電偶26經電壓轉電流轉換器274～20mA溫度回授信號D加法比較，獲得4～20mA溫度修正信號E，透過各區段溫度控制器29，獲得4～20mA修正后的溫度生產信號F，進而回授控制各區段加熱器，修正各區段加熱器溫度增減，以控制硬管管厚。習知的旋轉式超音波測厚控制在使用上具下列缺陷(1)機構安裝不易，拆修調整繁瑣費時。
(2)檢出測頭是經馬達帶動旋轉，馬達回旋耗費能源，并因而增加故障機會。
(3)此類測厚機構，需與自動模頭加熱設備配合使用，因自動模頭加熱設備通常采用4，6，8或更多區段設計，無形的能源耗費及有形的設備投資費用增加，均為其不完善之處。
(4)使用超音波測厚需靠水或液體為媒介，方能取得管徑或管壁厚薄信號，造成現場需增加附屬設備為其缺陷。
(B)習知旋轉式加瑪r反射式量測厚度控制系統如圖3所示，此系統是根據“康普吞效應”，利用放射性同位素，發射出加瑪r射線或光子撞擊原子序較低的物質時，藉由光子量正比于其前面的材料質量(或單位面積重量)，然后再由閃爍檢出儀及其它電子配件將光子換算成工程單位；此系統也一樣藉由機構將加瑪r反射式檢出測頭裝置于硬管管壁上(不接觸)，經由馬達旋轉帶動檢出測頭沿硬管圓周360°管壁上來回旋轉測量；根據自動模頭加熱區段劃分，將硬管測量圓周劃分為同等相對區段，分別取得各區段工業用微量變動信號，再經轉換器處理最終獲得量值，再與原模具上相對應的加熱區段生產溫度信號作加法器數值比較，以即時回授反應溫度信號控制各區段加熱器，達到管厚控制的需求，此控制系統控制方框圖如圖3所示，其動作流程說明如下由加瑪r反射式檢出測頭32取得硬管31圓周各區段管徑變動信號，透過加瑪反射式厚度控制器33轉換為0～10厚度信號A，再透過電壓轉電流轉換器34將信號轉為4～20mA厚度信號B，將此未經處理的波動信號透過比例、積分、微分控制器35處理，取得4～20mA穩定厚度信號C，經由加法器38將此信號與取自各區段測溫體熱電偶36，經電壓轉電流轉換器374～20mA溫度回授信號D作加法比較，產生4～20mA溫度修正信號E，透過各區段溫度控制器39獲得修正后的4～20mA生產溫度信號F，進而回授控制各區段加熱器，修正各區段加熱器溫度增減，以控制硬管管厚。習知的旋轉式加瑪r反射式量測厚度控制系統使用上具有下列缺陷(1)加瑪r射線屬輻射性劑量射線，對人體多少有影響，雖然輻射性劑量少，但因為長年暴露于此作業環境，對身體仍較不適宜。
(2)旋轉式加瑪r射線測厚是經馬達帶動旋轉，馬達回旋耗費能源并因此增加故障機會。
(3)旋轉式加瑪r射線測厚機構，需與自動模頭加熱設備配合使用，而自動模頭加熱設備通常采用4，6，8或更多區段設計，無形的能源耗費及有形的設備投資費用增加，均為其不完善之處。
經由以上的分析說明可知，目前習知測厚技術尚存有不少缺陷，為能排除上述弊端，本發明人精心研究探討，發明出此套雷射測定硬管管厚的控制方法，藉以改善目前使用缺陷，并經由實際運用于生產線上控制管厚，獲得相當良好的管厚控制效果。
本發明的目的在于提供一種雷射測定硬管管厚的控制方法，使其雷射測厚為非接觸式，機構安裝容易，拆修調整方便；量測范圍寬廣，大小口徑硬管皆可量測。
本發明的目的是由以下技術方案實現的。一種雷射測定硬管管厚的控制方法，其特征在于，是利用雷射光束量測被測物外徑，并取其量測信號由閉回路即時回授控制生產線速度，以控制硬管管厚一致，主要由一組雷射控制系統、一組雷射固定架臺機構及一組操作箱裝置而達成硬管管厚的控制；其中該雷射控制系統是由雷射控制器、雷射掃瞄器(含發射及接受)、比例、積分、微分控制器、加法器及速度設定可變電阻器所組成，本控制系統以雷射控制器為中心，透過雷射掃瞄器將硬管外徑信號測得，并將外徑值直接顯示于雷射控制器上；將此測得的信號透過轉換器及比例、積分、微分控制器將信號處理后，與基本速度信號作加法器比較，產生速度修正信號，控制引取機生產速度，進而控制硬管管厚一致；前述控制系統的雷射控制器信號，可透過電腦連線將連續生產資料記錄或列印；該雷射固定架臺機構是由主支撐架、架臺升降手輪、第一旋轉軸鎖緊機構、升降鎖緊機構、第二旋轉軸鎖緊機構、雷射掃瞄器(發射部與接受部)、雷射掃瞄器固定支撐架組成，設于注射機模具出料處以達成即時回授控制管厚，此是采用軸式設計，于模具更換時將其移往空間較大的真空水槽傳動側，欲量測時再移入模具后側的量測空間，其中固定調整是首先調整架臺升降手輪至生產高度，由升降鎖緊機構，將其升降固定定位，經由第一旋轉軸鎖緊機構，將測厚方向固定，再透過第二旋轉軸鎖緊機構，將雷射掃瞄器固定支撐架偏移固定定位，如此即可由雷射掃瞄器測得被測物(硬管)外徑；該操作箱裝置是由指示燈組、引取機轉速表、引取機電流表、雷射控制器、比例、積分、微分控制器、手動/自動選擇開關、引取機啟動按鈕開關、引取機停止按鈕開關、設定資料保持ON/OFF選擇開關、引取機速度調整旋鈕等元件組成，透過簡易的操作設定，可直接操作引取機啟動停止及速度調整，并可直接由操作面板上的雷射控制器得知欲量測的硬管管徑，并可經面板選擇手動(未經雷射測厚)及自動(經雷射測厚)功能，選擇是否欲作測厚控制。
本發明與現有技術相比具有明顯優點及積極效果。
(1)雷射測厚為非接觸式，無機械式有動作壽命缺點，機構安裝容易，拆修調整方便。
(2)雷射測厚可直接顯示被測物外徑，且量測精度達±5μ，并可透過電腦連線將連續生產資料記錄或列印。
(3)量測范圍寬廣，大小口徑硬管皆可量測，機構采用模組化增設拆卸維護容易，投資成本低廉，量測控制效果佳。
本發明的具體結構由以下實施例及其附圖詳細給出。
圖1是線性變位檢出變壓器控制系統流程圖。
圖2是旋轉式超音波厚度控制系統流程圖。
圖3是旋轉式加瑪r反射式量測厚度控制系統流程圖。
圖4是本發明雷射測定厚度的控制系統流程圖。
圖5是本發明雷射測定厚度控制框圖。
圖6是雷射固定架臺機構及雷射掃瞄器示意圖。
圖7是本發明操作箱裝置的操作箱俯視圖。
圖8是本發明操作箱裝置的7B操作箱正視圖。
圖9是本發明操作箱裝置的7C操作箱側視圖。
(A)本發明控制原理說明(1)硬管雷射測厚控制系統，是利用雷射掃瞄器內半導體雷射光產生器，將產生出來的雷射光透過馬達旋轉的多重鏡面發射，再經由瞄準透鏡將雷射光線發散射出，部份雷射光線會被被測物(硬管)遮擋，剩余的雷射光線則于接收處，透過聚集透鏡將光線聚集，經由光二極管將信號收集，最后經波形分割器將方波轉換成“HI”及“LO”信號(“0”及“1”)，取此“HI”及“LO”信號計數值，轉換成硬管外徑值顯示于雷射控制器上，并將其產生的信號送至操作箱內與控制電路比較，獲取生產線速的修正信號，進行全線速度控制。
(2)雷射控制器管徑設定值(S.V)與經雷射掃瞄器取得的實際值(P.V)作比較，取其偏差值(D.V)，將此偏差值透過比例積分微分轉換控制器(P.I.D)，此值再與主機速度信號作加法修正，驅動引取機速度快慢，以達到控制硬管管厚功能。
(B)本發明控制方法技術內容說明此系統是藉由雷射固定架臺機構將雷射掃瞄器安裝于其上頭(水平安裝)，連續生產的硬管經過此雷射掃瞄器(含發射器及接收器)間，藉由發射器發射的雷射光束，受到連續生產硬管遮擋后，于接收器處接收到雷射光束剩余量，取此工業用微量變動信號經轉換器處理后，最終獲得量值，此信號再與全線生產速度信號作加法器比較，獲得全線生產速度信號，以進行生產線速度升降變動控制管厚，此控制系統控制方框圖如圖4所示，其動作流程說明如下由雷射掃瞄器42取得硬管41管徑變動信號，經雷射控制器43轉換為±10V厚度信號A，再透過電壓轉電流轉換器44將信號轉為4～20mA厚度信號B，此未經處理的波動信號透過比例、積分、微分，控制器45處理取得4～20mA厚度信號C，再經由電流轉電壓轉換器46轉換為0～10V厚度信號D，經加法器49處理的0～10V全線生產速度信號G修正全線生產速度，進而控制硬管管厚。
其中加法器49的輸入信號，是由一組可變電阻47參考電位E信號，與來自自動信號D或手動可變電阻48參考電位F信號組成，以下為其信號彼此關連*當手動時G＝F+E；*當自動時G＝D+E。E為全線基本速度參考信號；F為手動速度信號。
(C)本發明各裝置組件說明(1)雷射控制系統框圖如圖5所示，本圖的控制是藉由雷射掃瞄器發射部52內部半導體雷射光產生器，將產生出來的雷射光透過馬達旋轉的多重鏡面發射，再透過瞄準透鏡將雷射光線發散射出，經被測物(硬管)51遮擋后，剩余雷射光線經雷射掃瞄器接受部53內聚集透鏡將光線聚集，經由光二極管將信號收集，最后經波形分割器將方波轉換成“HI”及“LO”信號(“0”及“1”)，取其“HI”及“LO”信號計數值，轉換成硬管外徑值顯示于雷射控制器54上，并將其產生的±10V信號送至轉換加法器55及比例、積分、微分控制器56與0～10V全線基本速度信號A比較，獲取生產線速度的修正信號B，進行全線速度控制，以控制硬管管厚。
(2)雷射固定架臺機構如圖6所示，本機構是因考慮到測厚安裝位置近模頭模具處，鑒于生產規格因排程需求，需經常更換模具，故將機構設計成兩段式旋轉機構，以避開換模時作業不便，茲將其操作方式說明如下
雷射固定架臺主支撐架61，使用擴張螺絲將其固定于地面上，再行調整架臺升降手輪62至生產高度，由升降鎖緊機構64，將其高度固定定位，再由第一旋轉軸鎖緊機構63，將測厚方向固定，再透過第二旋轉軸鎖緊機構65將雷射掃瞄器固定支撐架68偏移方向固定定位，如此即可由雷射掃瞄器66測得被測物(硬管)67管厚。
(3)操作箱體如圖7、圖8、圖9所示，本操作箱體安裝于雷射固定架臺旁，當雷射固定架臺調整完成后，首先由操作箱體俯視圖(圖7)上面面板選擇手動/自動選擇開關76于手動模式，可由指示燈組71顯示手動動作模式，壓下引取機啟動按鈕開關77，啟動引取機運轉，藉由引取機轉速表72，可得知目前生產線速度，透過引取機速度調整旋鈕7A，可改變生產線速度升速或降速，藉由引取機電流表73，可得知目前生產設備的負載狀況，引取機運轉亦可經由壓下引取機停止按鈕開關78，將運轉中的引取機停止；接著設定雷射控制器74的生產管徑資料及比例、積分、微分控制器75測定類別，即可由選擇手動/自動選擇開關76于自動模式，即進入測定管厚控制作業，當生產中若欲更改生產資料時，可經選擇設定資料保持ON/OFF選擇開關79于ON模式，即可修改生產資料，而先前設定的生產資料不會改變，待將設定資料保持ON/OFF選擇開關79選于OFF模式，即可將新的設定資料更換舊有資料。
(D)本發明管厚控制實際運用效益(1)實際運用雷射測厚控制系統，于測試2＂(52mmE)型硬管，測試效果尚可(標準公差達0.167％)，不經雷射測厚控制時(即手動)標準公差為0.293％，經分析研究后，確定是機臺本身生產條件穩定度不佳造成，此注射機臺于生產中測得齒輪箱振動值為MAX1.2mm/sec；馬達振動值為MAX6.7mm/sec，其生產的振動值過大，造成經由模具注射出的硬管也跟隨著振動，故標準公差僅能達到0.167％。
(2)另安排測試2＂(50mm)W硬管，測試效果良好，測得標準公差達0.0529％，而不經雷射測厚控制時(即手動)標準公差為0.229％，此注射機臺于生產中測得齒輪箱振動值為MAX1.4mm/sec；馬達振動值為MAX3.7mm/sec，至此已可確定采用雷射測厚控制硬管厚度是可行的，但機臺的生產穩定性影響到測厚效果頗巨。
(3)管徑量測標準是依據下列公式作為驗證依據。
平均公差數學式如下＝其中a表平均重量n1表第1取樣數n2表第2取樣數n3表第3取樣數nm表第m取樣數m表取樣總數平均重量取樣總數重量的總合/取樣數最大重量取樣數中重量最大者最小重量取樣數中重量最小者標準重量技術課提供的生產成品重量平均用料％＝平均重量/標準重量×100％最大重量取樣數中重量重量變化率％＝最大重量-最小重量/平均重量×100％(4)經測試2＂(50mm)W管，取樣100pcs硬管重量，其透過雷射測厚控制(自動)與不經測厚控制(手動)的硬管重量曲線如下圖
本圖的橫座標為硬管取樣數(支)，縱座標為硬管重量(克)，而上半部為不經雷射測厚控制(手動)的生產重量變化曲線；下半部為經雷射測厚控制(自動)的生產重量曲線變化；由手動曲線得知100pc最重與最輕的重量差達43.9克；而自動曲線得知100pc最重與最輕的重量差達10.2克，兩控制模式比較可知，采用雷射測厚控制者比未經雷射測厚控制者節省原料使用量達4倍。
權利要求
1.一種雷射測定硬管管厚的控制方法，其特征在于，是利用雷射光束量測被測物外徑，并取其量測信號由閉回路即時回授控制生產線速度，以控制硬管管厚一致，主要由一組雷射控制系統、一組雷射固定架臺機構及一組操作箱裝置而達成硬管管厚的控制；其中該雷射控制系統是由雷射控制器、雷射掃瞄器(含發射及接受)、比例、積分、微分控制器、加法器及速度設定可變電阻器所組成，本控制系統以雷射控制器為中心，透過雷射掃瞄器將硬管外徑信號測得，并將外徑值直接顯示于雷射控制器上；將此測得的信號透過轉換器及比例、積分、微分控制器將信號處理后，與基本速度信號作加法器比較，產生速度修正信號，控制引取機生產速度，進而控制硬管管厚一致；前述控制系統的雷射控制器信號，可透過電腦連線將連續生產資料記錄或列印；該雷射固定架臺機構是由主支撐架、架臺升降手輪、第一旋轉軸鎖緊機構、升降鎖緊機構、第二旋轉軸鎖緊機構、雷射掃瞄器(發射部與接受部)、雷射掃瞄器固定支撐架組成，設于注射機模具出料處以達成即時回授控制管厚，此是采用軸式設計，于模具更換時將其移往空間較大的真空水槽傳動側，欲量測時再移入模具后側的量測空間，其中固定調整是首先調整架臺升降手輪至生產高度，由升降鎖緊機構，將其升降固定定位，經由第一旋轉軸鎖緊機構，將測厚方向固定，再透過第二旋轉軸鎖緊機構，將雷射掃瞄器固定支撐架偏移固定定位，如此即可由雷射掃瞄器測得被測物(硬管)外徑；該操作箱裝置是由指示燈組、引取機轉速表、引取機電流表、雷射控制器、比例、積分、微分控制器、手動/自動選擇開關、引取機啟動按鈕開關、引取機停止按鈕開關、設定資料保持ON/OFF選擇開關、引取機速度調整旋鈕等元件組成，透過簡易的操作設定，可直接操作引取機啟動停止及速度調整，并可直接由操作面板上的雷射控制器得知欲量測的硬管管徑，并可經面板選擇手動(未經雷射測厚)及自動(經雷射測厚)功能，選擇是否欲作測厚控制。
全文摘要
本發明是由雷射固定架臺、雷射掃瞄器、雷射控制器、操作箱組成;是利用雷射掃瞄器內半導體雷射光產生器將產生出的雷射光透過馬達旋轉的多重鏡面發射,再經瞄準透鏡將雷射光線發散射出,部分雷射光線會被被測物遮擋,剩余的雷射光線則于接收處,透過聚集透鏡將光線聚集,經由光二極管將信號收集,經波形分割器將方波轉換成“BI”及“LO”信號,再轉換成硬管外徑值顯示于雷射控制器上,其產生的信號送至操作箱內與控制電路比較,獲取生產線速的修正信號,進行全線速度控制。
文檔編號G05D5/00GK1175683SQ97116378
公開日1998年3月11日 申請日期1997年8月18日 優先權日1997年8月18日
發明者張新發 申請人:南亞塑膠工業股份有限公司