光電位置傳感器在海綿復(fù)卷糾偏控制中的應(yīng)用

馬問問，何金龍，王 寬

（中國計量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

在自動化流水線上，例如:在冷軋帶鋼廠中，帶鋼在某些工藝如連續(xù)酸洗、退火、鍍錫等過程中易產(chǎn)生“跑偏”現(xiàn)象;在輕工、印刷、紡織等行業(yè)中，要進(jìn)行薄型物料（如塑料薄膜和紙張、布匹等可繞行帶材）的線位自動探測和跟蹤。特別是自動化競爭激烈的產(chǎn)品生產(chǎn)行業(yè)中，在制造包裝產(chǎn)品時，只有將帶材準(zhǔn)確輸送到剪切點位才能將材料包裝剪切成規(guī)定的尺寸，以滿足后續(xù)的生產(chǎn)要求，同時減輕能源的不必要消耗。從較薄的塑料薄膜到較厚的鋼板，從較窄的卷材［1］到較寬的卷筒，無論是在放卷、收卷，還是在行進(jìn)過程糾偏中，卷材由于受到不可控制力的作用，會不可避免地產(chǎn)生幅寬中心偏離基準(zhǔn)中心線的現(xiàn)象，從而造成卷材的跑偏。卷材跑偏輕則造成對材料的浪費，重則會毀壞傳送機(jī)構(gòu)。因此，需要對“跑偏”現(xiàn)象進(jìn)行糾正，使其沿著規(guī)定的中心線行走。本文使用步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用圖像傳感器的自動跟蹤檢測設(shè)計一種自動糾偏控制［2］系統(tǒng)。

1 海綿復(fù)卷跑偏原因分析

在實際生產(chǎn)中，導(dǎo)致偏差產(chǎn)生的因素有很多，主要原因有:

1）輥子在長期運送過程中會單邊磨損，形成錐形。錐形輥使海綿布張力分布不均勻就會跑偏，跑偏量與錐形大小有關(guān)系。

2）帶材斷面不均勻或兩邊厚薄不一，形成鐮刀彎狀。此類帶材上的各點都趨向于棍子中心線成直角，運送時就會產(chǎn)生跑偏。跑偏量與鐮刀彎的程度、帶材張力大小和2個運送輥之間的距離有關(guān)。

3）2 個運送輥軸向不平行，就會使帶材張力不均勻，但帶材總要和輥子成直角趨勢就會產(chǎn)生跑偏，跑偏量與兩輥之間的間距和角度有關(guān)。

4）輥子表面粗糙程度不均和光電位置檢測傳感器的安裝誤差也會引起帶材跑偏。

2 海綿復(fù)卷糾偏控制原理圖

圖1為系統(tǒng)控制原理簡圖。

圖1 海綿復(fù)卷糾偏控制原理簡圖Fig 1 Principle diagram of sponge rewinding deviation correction control

通過位置傳感器［3，4］檢測出海綿布的邊緣位置，然后通過控制器計算出海綿布邊緣位置的偏移量，并判斷偏移量是否超過允許的正常偏移區(qū)域（盲區(qū)），如果偏移量超過允許的正常偏移區(qū)域，通過驅(qū)動模塊使傳動系統(tǒng)驅(qū)使收放卷輥朝著與跑偏方向相反方向橫向運動，直至偏移量停留在允許的正常范圍之內(nèi)。

圖2所示為本系統(tǒng)所使用的一種光電檢測裝置［5］。

圖2 光電位置傳感器的邊緣位置檢測裝置Fig 2 Edge position detection device of photoelectric position sensor

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分組成。

首先光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1被聚集成平行光束投向透鏡2，被聚集在光敏電阻器R1上，在平行光束到達(dá)透鏡2的途中，有一部分光線受到海綿布的遮擋，從而使到達(dá)光敏電阻器的光通量減少。

3 系統(tǒng)檢測點的選擇

許多自動化流水線糾偏控制中、光電位置檢測傳感器的安裝位置選擇都是根據(jù)經(jīng)驗確定的，并沒有一套具體的理論作為支撐。理論上，光電位置檢測器發(fā)出信號至擺動輥開始動作的時間應(yīng)該等于海綿卷的位置檢測器運行到擺動輥位置的時間，即T=T1，T1=L/v，其中，L是檢測器到達(dá)擺動輥之間的距離，v為海綿布運行速度。根據(jù)幾次調(diào)節(jié)可以固定位置檢測傳感器。

4 糾偏實驗測試

以75 mm標(biāo)準(zhǔn)寬度海綿布為被控對象，布帶運行速度為1．5 m/s，糾偏基準(zhǔn)設(shè)定為圖像傳感器的中心位置，坐標(biāo)偏移量為8 mm，并且采用智能PID算法［6，7］進(jìn)行糾偏效果測試。表1為實驗結(jié)果數(shù)據(jù)。

表1 給定海綿復(fù)卷偏移量和實驗測量尺寸Tab 1 Given sponge rewinding offset and dimensions of experimental measurements

從表1數(shù)據(jù)看出:海綿復(fù)卷的絕對誤差（即跑偏量）的最大值為0．6 mm，平均值為0．26 mm，完全滿足自動化流水線生產(chǎn)上海綿復(fù)卷跑偏量的控制要求（小于0．5 mm）。

5 結(jié)束語

本文具體闡述和分析了位置檢測傳感器的基本工作原理和在海綿復(fù)卷糾偏控制中起到的重要作用。同時也解決了自動化流水線上由于跑偏造成的巨大浪費，大大提高了生產(chǎn)成本和效率。具體實現(xiàn)了糾偏精度為0．5 mm，在極大程度上符合了海綿復(fù)卷的要求，該系統(tǒng)可以在其他帶材裝置上得到應(yīng)用和延伸。

［1］ 楊婭君．運動帶材邊線跑偏的智能控制［J］．基礎(chǔ)自動化，2000（6）:4，5．

［2］ Ahn K K，Truong D Q．Online tuning fuzzy PID controller using robust extended Kalman filter［J］．Journal of Process Control，2008，19（6）:1011 －1023．

［3］ 朱 偉，韓服善．光電傳感器在自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用［J］．電子工程師，2004，30（8）:72，73．

［4］ 生凱章，趙曉燕．新型數(shù)字式光電糾偏系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］．機(jī)床與液壓，2006（7）:173，174．

［5］ 梁 森，王侃夫，黃杭美．自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［6］ 王志輝，喬海洋，陳宏娟．纖維帶纏繞智能糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2005，34（11）:30 －32．

［7］ 高 翔，孔麗英，孫貴芳．電液伺服系統(tǒng)的仿真與自校正PID控制器的設(shè)計［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報，2001，13（5）:33 －37．