分切機卷徑檢測技術(shù)研究及實現(xiàn)

曹志潔

摘 要：超聲波檢測是一種高精度的非接觸式卷徑檢測方法，其由于對光、粉塵、以及電磁波等外界因素的干擾抑制能力強，且可以無損害的完成物件的檢測等優(yōu)點，已經(jīng)在包裝、紡織、印刷等工業(yè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：卷徑檢測；超聲波檢測

1 卷徑檢測方法

大體來說，對于卷徑的檢測包括直接、間接兩種類型，比較常用的檢測方式包括電位計檢測、超聲波檢測、累計厚度檢測方式、張力偏差遞推法、比率計算方式等。

（1）超聲波法測量卷徑

超聲波的傳播為直線式，頻率越高，繞射能力越差，但反射能力越強。無論在測量精度還是在距離上，超聲波式傳感器都能夠完全滿足分切機所提出的要求，而且具有成本低，操作簡便的優(yōu)點。

超聲波測距的方法依據(jù)其傳輸特性，可以采用反射式和直接式兩種方法。如圖3-1所示為直接式，該種方式的傳感器可分為兩部分組成，分別為超聲波的發(fā)射和接收器。這種類型的傳感器主要應(yīng)用于連續(xù)波相移法的測距，由于該測距方法的范圍僅有一個波長，而空氣中超聲域頻率范圍為20赫茲～106千赫，一個波長約為（1.7cm×10-5cm），所以無論在適用場所還是在檢測范圍方面都存在著不小的限制。

圖3-2為反射式，其特點是發(fā)射、接收器處在同一平面，在測量范圍相對較大的情況下，可以忽略反射角a的影響。目前的超聲波傳感器大多采用收與發(fā)為一體的傳感裝置，其借用在寬范圍內(nèi)聲波傳播的速度與其自身頻率不相關(guān)這一性質(zhì)，來檢測超聲波傳感器與被測體的間距：

s=■c×t （3-1）

其中，c為超聲波的傳播速度，其值大多為344m/s；t為聲波發(fā)出到接受的時間差值。

超聲波傳感器對于卷徑的測量流程如下：首先，測定超聲波發(fā)射器、料軸表面之間的距離，隨后通過程序?qū)⒔Y(jié)果換算成為卷徑，在測量時，將傳感器指向被測目標，并保障傳感器的位置始終處于使用范圍以內(nèi)，同時，發(fā)射、接收器窗口需要與料卷卷軸的中心相對。隨后，根據(jù)要求將卷徑不同的料卷裝配在料軸上，在計算機或人機界面上觀察超聲波傳感器輸出的不同卷徑對應(yīng)的數(shù)字量，然后與卷徑大小一一對應(yīng)列表，進而得出相應(yīng)的線性關(guān)系。通過線性比例計算出當前實時卷徑。

（2）比率計算方式

將計數(shù)用旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在輸送輥上，設(shè)每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)為m個，卷軸上的基準信號使用接近開關(guān)，設(shè)每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)為n個，輸送輥上材料卷徑為D（mm）。系統(tǒng)對于輸出值的計算采用計數(shù)器進行，材料在一次基準脈沖中移動πD/n（mm），1mm傳送距離所產(chǎn)生的計數(shù)脈沖為m/πD個。

此時，基準脈沖n、計數(shù)脈沖量N的關(guān)系式為：

D=■N （3-2）

根據(jù)3-2式的計算，即使不知道檢測材料的厚度，也能計算出卷徑。由于運轉(zhuǎn)開始卷徑是未知量，所以需設(shè)定卷徑的初始值。比率計的測量原理參見圖3-3。

（3）累計厚度檢測

如圖3-4所示，使用接近開關(guān)檢測卷軸旋轉(zhuǎn)角。把卷軸上安裝的螺栓頭作為檢測體，使用計數(shù)器檢測接近開關(guān)發(fā)出的脈沖數(shù)，使用此累計數(shù)N與初始半徑D0/2，按3-3的公式計算出當前半徑D/2（mm），關(guān)系式如下：

■=■■■t×10■（其中，收卷為+，放卷為-） （3-3）

2 卷徑檢測誤差對張力控制的影響

對于張力變化的控制方式主要有兩種類型，即直接和間接控制：

直接張力控制法又稱反饋控制，又可以分為兩種。一種是利用傳感器對實時張力進行檢測，并以檢測結(jié)果為依據(jù)構(gòu)建張力閉環(huán)系統(tǒng)，也就是對比給定張力與實測值，系統(tǒng)再根據(jù)二者的偏差完成相應(yīng)的控制操作，使實際張力值重新回到給定水平。根據(jù)使用的傳感器結(jié)構(gòu)不同，還可劃分為位置式控制和反饋式控制兩種；另一種是采用活套建立料膜張力的檢測機構(gòu)，檢測活套量，從而構(gòu)成活套反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制活套量恒定來保證產(chǎn)品生產(chǎn)過程中張力恒定。這種張力控制方法主要應(yīng)用于高精度、高速的張力控制條件下，具有控制精度高、實時性強等優(yōu)勢。

間接張力控制法又被稱為補償控制，它通過調(diào)節(jié)對影響張力穩(wěn)定性的參數(shù)的補償調(diào)節(jié)來使張力始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，即不通過對張力實時值的檢測，僅通過給定參數(shù)實現(xiàn)對張力的開環(huán)控制。間接張力控制法通過對驅(qū)動電機的勵磁電流或電流的控制實現(xiàn)自身恒定控制張力的功能，在這種控制的影響下，電動機所產(chǎn)生的力矩維持在恒定狀態(tài)，進而確保被卷取產(chǎn)品張力的恒定性。

在制動力矩恒定的情況下，分切機的放卷直徑會逐漸減少，張力則逐漸增大，因此卷徑的測量對張力控制起到很大作用。對于收卷側(cè)而言，若收卷力矩恒定，則隨著收卷直徑的降低，張力會不斷增加，繞卷機構(gòu)的特性是產(chǎn)生這種情況的根本原因。無論是直接還是間接的張力控制方法，其控制功能的實現(xiàn)都是基于線速度跟蹤。由于卷徑的變化會引起料膜張力變化，進而導(dǎo)致速度的變化，所以在分切機的張力控制系統(tǒng)中，采用什么方法精確檢測計算卷徑是非常重要的。

3 卷徑檢測方式選擇依據(jù)

在張力控制的過程中，無論是計算動態(tài)補償力矩還是給定張力，都需要實時卷徑的數(shù)據(jù)支持，因此對于張力控制而言，卷徑檢測無疑是重要的一環(huán)。

根據(jù)以下幾個方面選擇合適的卷徑檢測方式：

（1）控制模式精度要求

超聲波檢測可以通過線性比例指令計算出當前實時卷徑，相比于間接計算值，在精度上避免了計算中累計誤差的影響，更直接的反應(yīng)被測對象的實際數(shù)值，滿足張力控制模式中，對動靜態(tài)補償?shù)挠嬎闾峁┝俗銐虻木刃枨蟆?/p>

（2）機械安裝要求

相比于激光測距儀、電位計測距而言，超聲波傳感器只要安裝位置合適，并保障超聲波的發(fā)射方向?qū)柿暇砭韽阶兓较?，就可以精確的完成傳感器與帶卷表面距離的測定，經(jīng)過一系列的換算，即可獲取帶卷的實時直徑值。

（3）設(shè)計合理的算法

超聲波測距傳感器由兩部分組成，即超聲波的發(fā)射和接收器。超聲波與被測目標之間的距離計算方法見式3-1。

（4）排除外界對檢測信號的干擾

環(huán)境對超聲波傳感器檢測的影響因素如下：

①空氣溫度對傳感器的影響

根據(jù)超聲波特性，聲波全程運行時間受空氣溫度影響程度較大。40攝氏度時的聲波速度相對于20攝氏度時變化了3.4%，測量距離與速度成正比，因此檢測到的距離也會變化約3.4%。因此，設(shè)計時，一般會選用有溫度補償功能的超聲波傳感器，使用該功能，可將此影響減至很小。

②空氣濕度對傳感器的影響

聲速在干燥、飽和濕度空氣條件下的速度差異最多可達2%，所以，測量距離在空氣濕度不同條件下的差異最多不會超過2%。由于在實際工況下，空氣濕度不會產(chǎn)生巨大的變化，所以測量結(jié)果受到的影響基本不會超過1%。

③空氣壓力對傳感器的影響

在測試點固定的情況下，氣壓的波動范圍為±5%，聲速由此產(chǎn)生的波動范圍為±0.6%。若風速>50km/h，則聲波的速度與方向變化會超過3%。在實際工況下，氣流>20km/h的情況只有在臨近帶材表面幾厘米的位置才有可能發(fā)生，并且測量方向與氣流方向垂直，故空氣壓力在實際應(yīng)用中，對測量結(jié)果的影響是完全可以忽略掉的。

由以上幾點分析可以看出，超聲波傳感器測量卷徑是目前最優(yōu)的選擇。

在進行本課題設(shè)計時，選用德國的霍尼威爾公司（Honeywell）生產(chǎn)的超聲波傳感器檢測FSD分切機生產(chǎn)過程中的收/放卷直徑，該傳感器的型號為：943-F4V-2D-1C0-330E。由于其對收、放卷直徑的測量方法基本一致，所以本課題僅對收卷直徑的檢測進行詳細說明，此項操作的原理如圖3-5所示。檢測中使用的PLC采用西門子CPU315-2DP，超聲波傳感器連接至第一個模擬輸入通道，地址為MW101，通過線性比例指令，可以對實時卷徑值進行直接計算，在超聲波模擬量輸出值的范圍在0-10V時，其對應(yīng)數(shù)字量值為0-4000。

在收料軸上分別安裝96mm、252mm、458mm、600mm四個直徑不同的料卷，同時，對人機界面反映的超聲波實測值進行依次記錄，待將結(jié)果轉(zhuǎn)為十六進制后，填入相應(yīng)的表格當中（進行十六進制轉(zhuǎn)換的原因是線性比例指令要求所有數(shù)據(jù)必須為十六進制），結(jié)果如表3-1所示。

分析表中數(shù)據(jù)，通過擬合的方法繪制兩者關(guān)系曲線，如圖3 6所示。

從圖中可以看出，超聲波實測值與料卷直徑成線性關(guān)系，測量值準確，滿足精度要求。

4 結(jié)束語

對于實時卷徑的測量通過超聲波進行，由于測量結(jié)果的精確度較高，所以換算出的實時速度給定與理論值非常接近，完全可以滿足張力控制對于1%精度的要求。

參考文獻：

[1]黃永丘.薄膜小切機分切最高速度限制的實現(xiàn)[J].設(shè)備管理與維修，2004，5：41.

[2]杜海軍，錢治磊.分切機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].十堰職業(yè)技術(shù)學院學報，2012（2），25（1）：104-105.

[3]陳德傳.基于快速驅(qū)動的磁粉制動器放卷張力自鎮(zhèn)定控制[J] 機電工程，2007，24（3）：19-21.

[4]上山實.對應(yīng)CPP，CPE材質(zhì)薄膜的低張力分切機的最佳卷取控制及接觸輥壓力控制[J].塑料包裝，2004，14（4）：13-17.

（3）設(shè)計合理的算法

超聲波測距傳感器由兩部分組成，即超聲波的發(fā)射和接收器。超聲波與被測目標之間的距離計算方法見式3-1。

（4）排除外界對檢測信號的干擾

環(huán)境對超聲波傳感器檢測的影響因素如下：

①空氣溫度對傳感器的影響

根據(jù)超聲波特性，聲波全程運行時間受空氣溫度影響程度較大。40攝氏度時的聲波速度相對于20攝氏度時變化了3.4%，測量距離與速度成正比，因此檢測到的距離也會變化約3.4%。因此，設(shè)計時，一般會選用有溫度補償功能的超聲波傳感器，使用該功能，可將此影響減至很小。

②空氣濕度對傳感器的影響

聲速在干燥、飽和濕度空氣條件下的速度差異最多可達2%，所以，測量距離在空氣濕度不同條件下的差異最多不會超過2%。由于在實際工況下，空氣濕度不會產(chǎn)生巨大的變化，所以測量結(jié)果受到的影響基本不會超過1%。

③空氣壓力對傳感器的影響

在測試點固定的情況下，氣壓的波動范圍為±5%，聲速由此產(chǎn)生的波動范圍為±0.6%。若風速>50km/h，則聲波的速度與方向變化會超過3%。在實際工況下，氣流>20km/h的情況只有在臨近帶材表面幾厘米的位置才有可能發(fā)生，并且測量方向與氣流方向垂直，故空氣壓力在實際應(yīng)用中，對測量結(jié)果的影響是完全可以忽略掉的。

由以上幾點分析可以看出，超聲波傳感器測量卷徑是目前最優(yōu)的選擇。

在進行本課題設(shè)計時，選用德國的霍尼威爾公司（Honeywell）生產(chǎn)的超聲波傳感器檢測FSD分切機生產(chǎn)過程中的收/放卷直徑，該傳感器的型號為：943-F4V-2D-1C0-330E。由于其對收、放卷直徑的測量方法基本一致，所以本課題僅對收卷直徑的檢測進行詳細說明，此項操作的原理如圖3-5所示。檢測中使用的PLC采用西門子CPU315-2DP，超聲波傳感器連接至第一個模擬輸入通道，地址為MW101，通過線性比例指令，可以對實時卷徑值進行直接計算，在超聲波模擬量輸出值的范圍在0-10V時，其對應(yīng)數(shù)字量值為0-4000。

在收料軸上分別安裝96mm、252mm、458mm、600mm四個直徑不同的料卷，同時，對人機界面反映的超聲波實測值進行依次記錄，待將結(jié)果轉(zhuǎn)為十六進制后，填入相應(yīng)的表格當中（進行十六進制轉(zhuǎn)換的原因是線性比例指令要求所有數(shù)據(jù)必須為十六進制），結(jié)果如表3-1所示。

分析表中數(shù)據(jù)，通過擬合的方法繪制兩者關(guān)系曲線，如圖3 6所示。

從圖中可以看出，超聲波實測值與料卷直徑成線性關(guān)系，測量值準確，滿足精度要求。

4 結(jié)束語

對于實時卷徑的測量通過超聲波進行，由于測量結(jié)果的精確度較高，所以換算出的實時速度給定與理論值非常接近，完全可以滿足張力控制對于1%精度的要求。

參考文獻：

[1]黃永丘.薄膜小切機分切最高速度限制的實現(xiàn)[J].設(shè)備管理與維修，2004，5：41.

[2]杜海軍，錢治磊.分切機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].十堰職業(yè)技術(shù)學院學報，2012（2），25（1）：104-105.

[3]陳德傳.基于快速驅(qū)動的磁粉制動器放卷張力自鎮(zhèn)定控制[J] 機電工程，2007，24（3）：19-21.

[4]上山實.對應(yīng)CPP，CPE材質(zhì)薄膜的低張力分切機的最佳卷取控制及接觸輥壓力控制[J].塑料包裝，2004，14（4）：13-17.

（3）設(shè)計合理的算法

超聲波測距傳感器由兩部分組成，即超聲波的發(fā)射和接收器。超聲波與被測目標之間的距離計算方法見式3-1。

（4）排除外界對檢測信號的干擾

環(huán)境對超聲波傳感器檢測的影響因素如下：

①空氣溫度對傳感器的影響

根據(jù)超聲波特性，聲波全程運行時間受空氣溫度影響程度較大。40攝氏度時的聲波速度相對于20攝氏度時變化了3.4%，測量距離與速度成正比，因此檢測到的距離也會變化約3.4%。因此，設(shè)計時，一般會選用有溫度補償功能的超聲波傳感器，使用該功能，可將此影響減至很小。

②空氣濕度對傳感器的影響

聲速在干燥、飽和濕度空氣條件下的速度差異最多可達2%，所以，測量距離在空氣濕度不同條件下的差異最多不會超過2%。由于在實際工況下，空氣濕度不會產(chǎn)生巨大的變化，所以測量結(jié)果受到的影響基本不會超過1%。

③空氣壓力對傳感器的影響

在測試點固定的情況下，氣壓的波動范圍為±5%，聲速由此產(chǎn)生的波動范圍為±0.6%。若風速>50km/h，則聲波的速度與方向變化會超過3%。在實際工況下，氣流>20km/h的情況只有在臨近帶材表面幾厘米的位置才有可能發(fā)生，并且測量方向與氣流方向垂直，故空氣壓力在實際應(yīng)用中，對測量結(jié)果的影響是完全可以忽略掉的。

由以上幾點分析可以看出，超聲波傳感器測量卷徑是目前最優(yōu)的選擇。

在進行本課題設(shè)計時，選用德國的霍尼威爾公司（Honeywell）生產(chǎn)的超聲波傳感器檢測FSD分切機生產(chǎn)過程中的收/放卷直徑，該傳感器的型號為：943-F4V-2D-1C0-330E。由于其對收、放卷直徑的測量方法基本一致，所以本課題僅對收卷直徑的檢測進行詳細說明，此項操作的原理如圖3-5所示。檢測中使用的PLC采用西門子CPU315-2DP，超聲波傳感器連接至第一個模擬輸入通道，地址為MW101，通過線性比例指令，可以對實時卷徑值進行直接計算，在超聲波模擬量輸出值的范圍在0-10V時，其對應(yīng)數(shù)字量值為0-4000。

在收料軸上分別安裝96mm、252mm、458mm、600mm四個直徑不同的料卷，同時，對人機界面反映的超聲波實測值進行依次記錄，待將結(jié)果轉(zhuǎn)為十六進制后，填入相應(yīng)的表格當中（進行十六進制轉(zhuǎn)換的原因是線性比例指令要求所有數(shù)據(jù)必須為十六進制），結(jié)果如表3-1所示。

分析表中數(shù)據(jù)，通過擬合的方法繪制兩者關(guān)系曲線，如圖3 6所示。

從圖中可以看出，超聲波實測值與料卷直徑成線性關(guān)系，測量值準確，滿足精度要求。

4 結(jié)束語

對于實時卷徑的測量通過超聲波進行，由于測量結(jié)果的精確度較高，所以換算出的實時速度給定與理論值非常接近，完全可以滿足張力控制對于1%精度的要求。

參考文獻：

[1]黃永丘.薄膜小切機分切最高速度限制的實現(xiàn)[J].設(shè)備管理與維修，2004，5：41.

[2]杜海軍，錢治磊.分切機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].十堰職業(yè)技術(shù)學院學報，2012（2），25（1）：104-105.

[3]陳德傳.基于快速驅(qū)動的磁粉制動器放卷張力自鎮(zhèn)定控制[J] 機電工程，2007，24（3）：19-21.

[4]上山實.對應(yīng)CPP，CPE材質(zhì)薄膜的低張力分切機的最佳卷取控制及接觸輥壓力控制[J].塑料包裝，2004，14（4）：13-17.