基于接觸式測距的耐火磚自動化 檢測系統的設計

班 蔣 蕾 班耀濤

（1.遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧 錦州 121000； 2.營口弗瑞達智能科技有限公司，遼寧 營口 115000）

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統是用于水泥回轉窯中各種規格的耐火磚幾何尺寸的測量。該系統是全自動控制，無需人工干預，大大減輕了操作工人的體力勞動，提高了產品出廠合格率[1]，降低了揀選成本，使產品全檢的愿望終于變為現實。

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統完全覆蓋了水泥回轉窯耐火磚的尺寸范圍，幾乎所有產品都可實現機撿。耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統具有很高的在線檢測精度，實現了全尺寸檢測。所有產品的幾何尺寸都可存儲，為產品跟蹤，質量分析，過程控制打下重要基礎。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統結構及原理

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統組成包括定位環節、測量環節及剔廢環節三個部分。

定位機構主要用作初始化耐火磚測量位置。為了確保被測耐火磚在進入測量位時偏差較小，因此需要進行初始定位。測量環節作為系統的核心環節，主要包括測量定位模塊、防翹模塊和測量單元模塊。系統選取接觸式測距為測量手段，其中接觸式測距以光柵尺為主要傳感元件[2]。光柵尺通過主光柵和指示光柵的相對位移，通過莫爾條紋產生正弦信號，經過處理電路以方波或者正弦的形式輸出到表顯示，并可直供24V PLC 接收數字脈沖信號。

1）定位模塊

為使得測量誤差最大化可控，保證系統的可靠性，測量定位模塊用于被測耐火磚的二次定位。

2）防翹模塊

用于防止被測耐火磚在二次定位的同時產生翹腳現象，而影響測量結果的準確率。

3）測量單元模塊

滑軌滑塊作為運動部件所組成的獨立測量模塊。測量單元模塊接口以1∶2∶2 的比例分配給耐火磚的長度、寬度以及厚度尺寸。同時為了防止耐火磚在燒制過程中產生翹曲，可通過測量數據，計算得出6 組落差，以進一步確保耐火磚的合格率。

剔廢機構用于次品的分流。當被測耐火磚經過測量后，分成了正品和次品兩個類別：正品經過貼紙板，卡線，噴碼后，打包碼垛，次品則由剔廢機構，進入次品通道中。

控制系統是由人機和PLC 組成主控系統[3]，控制步進電機控制器，分別驅動由步進電機構成的驅動系統；控制電磁閥，分別驅動各氣動元件，使機械機構執行設計動作；接收識別測量單元傳送的信號，完成測量目標。控制系統結構原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構原理圖

1.2 系統性能指標

系統性能指標見表1。

表1 系統性能指標表

技術指標：

1）測量精度±0.10mm，重復精度±0.06mm。

2）測量數據可存儲或打印。

3）公差范圍可自行確定。

4）帶自標定功能，測量頭磨損可自行補償。

5）可根據不同檢測結果，輸出到各自的出口。

6）耐火磚表面溫度60℃以下。

2 硬件設計

2.1 控制系統配置設計

該檢測系統中，除通常的I/O 點外，還需要10路200K 的高數計數輸入用以接收10 組測量單元的輸入信號，5 路200K 的高數計數輸出用以控制5 臺步進電機控制器。

臺達PLC DVP-EH 系列每臺有4 路200K 的高速輸入及2 路200K 的高速輸出，采用1 臺人機和3臺PLC 組成主控系統[4]。

PLC 連接需符合主從結構配置，任選1 臺做主站，其余兩臺作從站。可選用EASY PLC LINK。

2.2 數據采集及通信

系統工作過程中所采集的數據，不僅作為判別產品是否合格的依據，還應完整有效的保存，以便用戶隨時查看分析。考慮到數據龐大的特點，采用U 盤作為存貯介質，保存數據。

PLC LINK 以MODBUS 通信協議為基礎來通信[5]。主站以RS485 接口連接時，與所有聯機的從站接口設備波特率及通信格式須相同。主從站站號設置是先設置主站站號，再設置從站站號。

主控系統的通信方式：任選1 臺PLC 做主站，站號設為1，兩臺做從站，站號分別設為2 和3。主站和從站站號不能重復。波特率及通信協議的格式必須一致。采用MODBUS 協議，PLC 主站1 與從站2 和從站3 之間通過RS485 接口進行通信。人機與PLC 主站之間通過RS232 接口進行通信。

2.3 尺寸測量

1）差式方式測量

耐火磚的測量采用了差式測量方式。差式測量方式即以兩個光柵尺測得的相對位移量取代單邊固定位移量的測取方式。設標準磚尺寸為l，接觸頭無磨損時光柵尺距離L表達式

式中，at,bt為系統標定時光柵尺讀數的約定真值。以上式計算所得L為基準，測量任一隨機未知產品尺寸x時，雙邊執行機構同時動作，光柵尺讀數分別為art,brt。則任一隨機產品尺寸表達式為

式中，rtrt,a b為測量任一隨機產品時光柵尺讀數的約定真值。這種測量方式的優點是對被測耐火磚的寬度定位要求不高，只要是在測量范圍內，均可得到精準的測量結果。

2）測量頭的磨損補償控制

若測量接觸頭發生磨損，設兩側測量接觸頭磨損量為x1，x2，光柵尺讀數為a′，b′。此時讀數偏大，表達式為

磨損后進行二次標定，此時光柵尺距離表達式為

產生磨損量后的任一隨機產品尺寸表達式為

由式（5）可知，此時rx′為消除了磨損量干擾的真實值，即xr。以上方法稱之為系統標定，即通過更新L，使其自動包含磨損量達到磨損補償的目的。

2.4 執行機構的設計

為了降低磨損，延長檢測系統的使用壽命，以及提高測量精度，對耐火磚產品采用了靜態測量，設計了托磚機構。

首先觸發定位機構的光電傳感器，定位托磚機構將磚托起，脫離傳送帶，控制左右扶正氣缸動作。扶正結束后，將磚放回傳送帶。到達測量機構后，觸發測量信號，此時測量托磚機構將磚托起，離開傳送帶，氣缸起動，夾緊被測耐火磚。當被測耐火磚被夾穩后，2 組長度測量單元起動，驅動2 條長度測量單元起動，測量長度；4 組厚度組缸起動，測量厚度；4 條寬度測量單元起動，測量寬度。測量完成后，對被測磚進行分類，正品傳送到正品通道中，次品傳送到剔廢通道內，完成測量分類。

3 控制程序設計

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統的控制系統中PLC 采用 Delta_WPLSoft 編程平臺，人機采用ScrEdit 編程平臺進行編程控制[6]。PLC 主站與從站之間的通信采用MODBUS 協議，通過Delta_WPLSoft編程平臺分別編程，進行通信，并進行數據傳送，從而得到測量結果。

4 試驗結果及分析

4.1 系統穩定性測試

系統隨機抽取一塊耐火磚產品進行10 次測量，其長度測量數據分別為（198.07，198.08，198.08，198.06，198.07，198.09，198.08，198.07，198.09，198.08），經計算得知，極差r=0.03，方差s=9×10-5，系統波動小，工作狀態穩定。

4.2 系統性能測試與分析

實際生產應用中待測數據量龐大，目前只能以抽檢形式檢驗產品。考慮到人工檢測能力有限，本文只選取10 組樣本進行實驗。經分析計算，對比結果見表2。

表2 實驗結果分析表

5 結論

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統的應用，改變了上百年的檢選模式，把人們從繁重的體力勞動中解放出來，降低了檢選成本。其測量結果儲存功能為數字化生產、質量控制打下了基礎，將促進耐火磚檢選過程的產業升級。產品適當改動后，完全能應用于其他行業耐火磚的檢選，具有廣闊的應用前景。

[1] 李思營,馮國英,江超.5000t/d 新型干法水泥廠耐火材料的使用經驗[J].新世紀水泥導報,2011,17(5): 41-46.

[2] 殷慶縱,劉杰.雙光柵尺在高速高精度位移測量中的應用[J].機床與液壓,2012,40(17): 107-111.

[3] 韓雪嶺,李成貴.基于機器視覺的發動機噴嘴檢測系統的設計[J].計算機測量與控制,2012,20(6): 1455-1457.

[4] 張國平.淺析臺達PLC 在各企業機床電氣改造上的應用[J].科技資訊,2012(15): 21.

[5] 康曉偉.Modbus 通信協議在DCS 與PLC 通信中的應用[J].機電信息,2014,47(6): 103-104.

[6] 吳玉香,郭建勛,周建香.嵌入式軟PLC 編程系統的設計[J].控制工程,2010,17(3): 363-366.