分切機卷徑檢測技術研究及實現

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點，已經在包裝、紡織、印刷等工業領域得到了非常廣泛的應用。

關鍵詞：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，操作簡便的優點。

超聲波測距的方法依據其傳輸特性，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，分別為超聲波的發射和接收器。這種類型的傳感器主要應用于連續波相移法的測距，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為一體的傳感裝置，其借用在寬范圍內聲波傳播的速度與其自身頻率不相關這一性質，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，測定超聲波發射器、料軸表面之間的距離，隨后通過程序將結果換算成為卷徑，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，同時，發射、接收器窗口需要與料卷卷軸的中心相對。隨后，根據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的數字量，然后與卷徑大小一一對應列表，進而得出相應的線性關系。通過線性比例計算出當前實時卷徑。

（2）比率計算方式

將計數用旋轉編碼器安裝在輸送輥上，設每旋轉一周所產生的脈沖數為m個，卷軸上的基準信號使用接近開關，設每旋轉一周所產生的脈沖數為n個，輸送輥上材料卷徑為D（mm）。系統對于輸出值的計算采用計數器進行，材料在一次基準脈沖中移動πD/n（mm），1mm傳送距離所產生的計數脈沖為m/πD個。

此時，基準脈沖n、計數脈沖量N的關系式為：

D=■N （3-2）

根據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。由于運轉開始卷徑是未知量，所以需設定卷徑的初始值。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，使用接近開關檢測卷軸旋轉角。把卷軸上安裝的螺栓頭作為檢測體，使用計數器檢測接近開關發出的脈沖數，使用此累計數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，并以檢測結果為依據構建張力閉環系統，也就是對比給定張力與實測值，系統再根據二者的偏差完成相應的控制操作，使實際張力值重新回到給定水平。根據使用的傳感器結構不同，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，檢測活套量，從而構成活套反饋控制系統，系統控制活套量恒定來保證產品生產過程中張力恒定。這種張力控制方法主要應用于高精度、高速的張力控制條件下，具有控制精度高、實時性強等優勢。

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

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，繞卷機構的特性是產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，進而導致速度的變化，所以在分切機的張力控制系統中，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

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

根據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，更直接的反應被測對象的實際數值，滿足張力控制模式中，對動靜態補償的計算提供了足夠的精度需求。

（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，并保障超聲波的發射方向對準料卷卷徑變化方向，就可以精確的完成傳感器與帶卷表面距離的測定，經過一系列的換算，即可獲取帶卷的實時直徑值。

（3）設計合理的算法

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，空氣濕度不會產生巨大的變化，所以測量結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生，并且測量方向與氣流方向垂直，故空氣壓力在實際應用中，對測量結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的選擇。

在進行本課題設計時，選用德國的霍尼威爾公司（Honeywell）生產的超聲波傳感器檢測FSD分切機生產過程中的收/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，其對應數字量值為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，待將結果轉為十六進制后，填入相應的表格當中（進行十六進制轉換的原因是線性比例指令要求所有數據必須為十六進制），結果如表3-1所示。

分析表中數據，通過擬合的方法繪制兩者關系曲線，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系，測量值準確，滿足精度要求。

4 結束語

對于實時卷徑的測量通過超聲波進行，由于測量結果的精確度較高，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[J].設備管理與維修，2004，5：41.

[2]杜海軍，錢治磊.分切機控制系統設計[J].十堰職業技術學院學報，2012（2），25（1）：104-105.

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

[4]上山實.對應CPP，CPE材質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，空氣濕度不會產生巨大的變化，所以測量結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生，并且測量方向與氣流方向垂直，故空氣壓力在實際應用中，對測量結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的選擇。

在進行本課題設計時，選用德國的霍尼威爾公司（Honeywell）生產的超聲波傳感器檢測FSD分切機生產過程中的收/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，其對應數字量值為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，待將結果轉為十六進制后，填入相應的表格當中（進行十六進制轉換的原因是線性比例指令要求所有數據必須為十六進制），結果如表3-1所示。

分析表中數據，通過擬合的方法繪制兩者關系曲線，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系，測量值準確，滿足精度要求。

4 結束語

對于實時卷徑的測量通過超聲波進行，由于測量結果的精確度較高，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[J].設備管理與維修，2004，5：41.

[2]杜海軍，錢治磊.分切機控制系統設計[J].十堰職業技術學院學報，2012（2），25（1）：104-105.

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

[4]上山實.對應CPP，CPE材質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，空氣濕度不會產生巨大的變化，所以測量結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生，并且測量方向與氣流方向垂直，故空氣壓力在實際應用中，對測量結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的選擇。

在進行本課題設計時，選用德國的霍尼威爾公司（Honeywell）生產的超聲波傳感器檢測FSD分切機生產過程中的收/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，其對應數字量值為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，待將結果轉為十六進制后，填入相應的表格當中（進行十六進制轉換的原因是線性比例指令要求所有數據必須為十六進制），結果如表3-1所示。

分析表中數據，通過擬合的方法繪制兩者關系曲線，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系，測量值準確，滿足精度要求。

4 結束語

對于實時卷徑的測量通過超聲波進行，由于測量結果的精確度較高，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[J].設備管理與維修，2004，5：41.

[2]杜海軍，錢治磊.分切機控制系統設計[J].十堰職業技術學院學報，2012（2），25（1）：104-105.

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

[4]上山實.對應CPP，CPE材質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.