甘 屹，趙 明

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

涂附磨具在工業(yè)制造和加工業(yè)中占有重要位置，涂附磨具技術(shù)的提高直接影響著世界制造工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和提升。而在涂附磨具生產(chǎn)線中，涂膠量的測(cè)量和控制是制約其生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提高的瓶頸，因此是否能準(zhǔn)確地測(cè)量和控制涂膠量成了決定涂附磨具產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[1,2]。我國(guó)現(xiàn)有的涂附磨具生產(chǎn)線絕大多數(shù)都是憑操作工人的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整上下兩膠輥的間距，來(lái)控制涂布在材質(zhì)表面的膠水層的厚度。必要時(shí)對(duì)產(chǎn)品割取樣品后用天平稱重計(jì)算，無(wú)法在生產(chǎn)線上直接讀取數(shù)據(jù)。這樣不同操作工人操作的產(chǎn)品和不同生產(chǎn)批次生產(chǎn)的產(chǎn)品，其質(zhì)量都會(huì)有明顯的差別，無(wú)法真正地穩(wěn)定涂附磨具的產(chǎn)品質(zhì)量。近期我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)了采用?射線穿透式測(cè)量涂布膠水厚度的設(shè)備，但其穩(wěn)定性、安全性和精確度也是不夠高，而且價(jià)格昂貴,維護(hù)保養(yǎng)和操作復(fù)雜，另外射線還對(duì)人體有輻射。

為此，本文提出了利用測(cè)量膠水用膠量的變化量,來(lái)獲得涂附磨具生產(chǎn)線涂膠量的測(cè)控方案，其測(cè)量精度及穩(wěn)定性、安全性均較以前測(cè)量系統(tǒng)有所提高，實(shí)現(xiàn)了涂膠量的在線測(cè)量控制和數(shù)字顯示，形成一套較完整的涂附磨具生產(chǎn)線涂膠量測(cè)控系統(tǒng)[3,4]。該測(cè)控系統(tǒng)與進(jìn)口的?射線涂膠測(cè)厚儀[5]相比，沒(méi)有射線對(duì)人體的影響，改造成本低廉，維護(hù)簡(jiǎn)單，更容易推廣應(yīng)用。

1 稱重法測(cè)控系統(tǒng)的原理

本文所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)由膠桶稱重傳感器、膠盆稱重傳感器、接線盒、工控計(jì)算機(jī)和顯示儀表等組成（測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示）。在膠桶底部安裝稱重傳感器測(cè)量膠桶重量。在膠盆底部安裝稱重傳感器測(cè)量膠盆重量。在膠輥上同軸安裝光電編碼器。膠輥每轉(zhuǎn)一周，光電編碼器發(fā)出600脈沖。利用計(jì)算機(jī)測(cè)量脈沖數(shù)可以算出砂布長(zhǎng)度尺寸，砂布長(zhǎng)度乘以砂布寬度可計(jì)算出砂布面積。

本系統(tǒng)測(cè)量采樣時(shí)間間隔內(nèi)膠桶重量的減少量，即為采樣時(shí)間間隔內(nèi)的用膠量，再除以砂布面積，計(jì)算出單位面積砂布的涂膠量，以Q表示，單位為g/m2。

在采樣時(shí)間間隔內(nèi),單位面積砂布的涂膠量可表示為公式（1）：

其中，A*表示綜合影響系數(shù)；Δm表示采樣時(shí)間間隔內(nèi)膠桶重量的瞬間減少量；n表示采樣時(shí)間間隔內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)；π表示圓周率；d表示膠輥的直徑；b表示砂布的有效寬度；表示采樣時(shí)間間隔內(nèi)砂布的走布面積，可簡(jiǎn)化表示為 ΔS。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

本稱重測(cè)控系統(tǒng)以膠桶稱重為主。膠桶稱重的測(cè)量數(shù)據(jù)用來(lái)計(jì)算單位面積砂布的涂膠量；膠盆稱重的測(cè)量數(shù)據(jù)主要用于監(jiān)測(cè)膠盆內(nèi)膠量的穩(wěn)定性，要求其基本保持不變，以保證產(chǎn)品質(zhì)量；溫度傳感器測(cè)量膠桶內(nèi)膠水的溫度，用于保障膠水粘度的穩(wěn)定性。

通過(guò)膠桶內(nèi)膠水的消耗量以及考慮膠盆內(nèi)膠水量的變化和溫度對(duì)膠水的影響，獲得單位時(shí)間內(nèi)的消耗膠量，再除以單位時(shí)間內(nèi)卷過(guò)的砂布面積，就能計(jì)算出單位面積砂布的涂膠量。按照預(yù)置設(shè)定值與實(shí)測(cè)值的比較，調(diào)節(jié)上下軋輥間隙，實(shí)現(xiàn)涂膠量自動(dòng)控制。

2 測(cè)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 關(guān)鍵硬件的選型安裝

本測(cè)控系統(tǒng)的硬件包括膠桶稱重傳感器、膠盆稱重傳感器、接線盒、工控計(jì)算機(jī)和顯示儀表等，其安裝如圖2至圖5所示。

膠桶傳感器安裝如圖2所示。膠桶盛滿膠水的重量大約為1500kg，根據(jù)工藝要求，本膠桶稱重系統(tǒng)選用三個(gè)額定量程為1000kg，綜合精度為0.03%FS的剪切式負(fù)荷稱重傳感器，該傳感器防護(hù)等級(jí)為IP65，可用過(guò)載負(fù)荷為150%額定量程，極限破壞負(fù)荷為350%額定量程。從圖2可看到膠桶底部安裝三個(gè)稱重傳感器，互成120°位置安裝。

安裝時(shí)，三個(gè)稱重傳感器必須都在同一水平面上，并且保證三只傳感器均勻受力，這樣輸出的數(shù)據(jù)才準(zhǔn)確可靠，才能滿足精度要求。

膠盆傳感器安裝如圖3所示。當(dāng)膠盆盛滿膠水時(shí),重量為600kg左右，根據(jù)工藝要求，擬選用四個(gè)額定量程為200kg，綜合精度為0.03%FS的圓柱型壓式負(fù)荷稱重傳感器，該傳感器防護(hù)等級(jí)為IP65，可用過(guò)載負(fù)荷為150%額定量程，極限破壞負(fù)荷為350%額定量程，從圖3可看到膠盆底部安裝的兩只秤重壓力傳感器，另外兩只在對(duì)稱位置安裝（圖中看不到），四只稱重傳感器亞必須都在安裝同一水平面上，并且保證四只傳感器均勻受力。

從圖4可以看出光電編碼器與膠輥同軸安裝。膠輥每轉(zhuǎn)一周，光電編碼器發(fā)出600脈沖，計(jì)算機(jī)測(cè)量脈沖數(shù)正比于砂布走布長(zhǎng)度，再乘以寬度，算出砂布面積。

二次儀表的儀表箱和接口盒現(xiàn)場(chǎng)安放如圖5所示。儀表箱內(nèi)安裝了一個(gè)稱重傳感器接口盒、一個(gè)數(shù)字溫度表、一個(gè)光電編碼器脈沖計(jì)數(shù)及速度表。該二次儀表的防護(hù)等級(jí)為IP65，采用8位LC D 數(shù)字顯示，具有稱量瞬時(shí)值顯示、清零/去皮、標(biāo)定和和外部數(shù)字量輸入/輸出、模擬量/數(shù)據(jù)輸出以及數(shù)據(jù)通訊等功能，配置有數(shù)字量輸入/輸出口、標(biāo)準(zhǔn)串行通訊接口(如RS232、RS422和電流環(huán)),還選擇配置了PROFIBUSDP通訊接口，通過(guò)它們可方便地與LabVIEW和監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊[6]。為滿足生產(chǎn)線測(cè)控邏輯的需要，涂膠量測(cè)控LabVIEW與二次儀表之間還通過(guò)數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)保持某些邏輯關(guān)系(如自動(dòng)清零、儀表準(zhǔn)備就緒、報(bào)警等信號(hào))。

圖2 膠桶傳感器安裝圖

圖3 膠盆傳感器安裝圖

圖4 光電編碼器安裝圖

圖5 儀表箱安裝圖

2.2 硬件的抗干擾設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)眾多的變頻器對(duì)本系統(tǒng)的稱重儀表及其它各種電子裝置的干擾相當(dāng)強(qiáng)烈[7,8]，往往使測(cè)控系統(tǒng)不能正常工作。

本系統(tǒng)采取的抗干擾措施是：

1）在每臺(tái)變頻器的主回路進(jìn)線端接入進(jìn)線電抗器，輸出端接入輸出電抗器和濾波器并用接地的鋼管將輸出線路屏蔽，以減輕對(duì)電子設(shè)備的干擾。

2）主要電子裝置（包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)、稱量二次儀表等）均由經(jīng)過(guò)隔離變壓器和交流參數(shù)穩(wěn)壓器的“清潔”電源供電。

3）稱重傳感器的供橋電源和輸入信號(hào)線采用雙屏蔽電纜，其外屏蔽層必須接至地線，與計(jì)算機(jī)通訊采用高速光電隔離型RS232接口[9,10]。接線圖如圖6所示。

4）編碼器與計(jì)算機(jī)連接也采用普通光電隔離耦合器。接線圖如圖6所示。

5）溫度信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)接口。接線圖如圖6所示。

這些措施再與軟件編程抗干擾措施相結(jié)合，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，有效地隔離了干擾源的干擾，提

高測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖6 光電隔離型RS232串行通信接口接線圖

3 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)主程序

測(cè)控系統(tǒng)主程序是系統(tǒng)的智能核心，它完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量控制，可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行智能查詢和數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析，以及顯示系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)等功能，可實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量控制生產(chǎn)線涂膠量。本系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件。

測(cè)量系統(tǒng)主程序框圖如圖7所示。圖7顯示了如前所述的數(shù)據(jù)處理的思路。首先在輸入端對(duì)滾筒直徑、膠桶稱重傳感器系數(shù)、膠盆稱重傳感器系數(shù)、溫度傳感器供電系數(shù)、膠桶稱重零位和膠盆稱重零位進(jìn)行設(shè)定，然后對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析與濾波處理，在輸出端輸出膠桶的用膠量，膠盆的盛膠量，膠桶的膠水溫度，傳送帶運(yùn)行時(shí)所生產(chǎn)的砂布走過(guò)的長(zhǎng)度。

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件的主要功能

本測(cè)量控制系統(tǒng)用于測(cè)量控制涂附磨具生產(chǎn)線涂膠量。該軟件主要包括六個(gè)功能模塊。其中“開機(jī)管理”模塊功能是使系統(tǒng)初始化，使系統(tǒng)自動(dòng)處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)。“系統(tǒng)設(shè)定”模塊可設(shè)定滾筒直徑、砂布寬度、膠桶稱重、膠盆稱重、溫度系數(shù)和報(bào)警上下限等各種參數(shù)的系數(shù)。“測(cè)量監(jiān)控”模塊可以監(jiān)測(cè)膠桶內(nèi)膠量，膠盆內(nèi)膠量和膠桶溫度，并用柱狀圖和數(shù)字顯示出砂布運(yùn)行長(zhǎng)度、砂布運(yùn)行速度、單位面積涂膠量和生產(chǎn)線累計(jì)用膠量等，如圖8所示?！皡?shù)管理”模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各參數(shù)變化量的記錄、存儲(chǔ)?！爱a(chǎn)品性能分析”模塊可以根據(jù)已設(shè)定的參數(shù)和生產(chǎn)過(guò)程中記錄的參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析?！瓣P(guān)機(jī)管理”模塊可以在關(guān)機(jī)前自動(dòng)保存正在運(yùn)行的程序，然后再退出系統(tǒng)。

圖7 測(cè)量系統(tǒng)主程序框圖

圖8 運(yùn)行中的涂膠測(cè)量系統(tǒng)

4 測(cè)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素

4.1 采樣間隔時(shí)間

需要合理選擇采樣時(shí)間間隔。采樣時(shí)間間隔△t取樣的短，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大，△t取樣的長(zhǎng)，讀數(shù)比較穩(wěn)定，但實(shí)時(shí)性較差。為了使結(jié)果最優(yōu)，本系統(tǒng)的采樣頻率要高于信號(hào)最高頻率的3～5倍。

采樣稱重法測(cè)量用膠量，采樣時(shí)間較長(zhǎng)，只有在生產(chǎn)比較穩(wěn)定的情況下，才能用測(cè)量結(jié)果作反饋控制，做到真正的實(shí)時(shí)控制。

4.2 膠盆中膠水液面的控制和膠輥間隙的控制

為了使膠輥上的膠水用量趨于均恒，進(jìn)而使涂布在砂布上的膠水更加恒定，需要使膠輥浸入膠水的深度保持穩(wěn)定，即膠盆內(nèi)膠水的液面保持恒定。通過(guò)測(cè)量膠盆的重量變化量，可以得出膠盆內(nèi)膠水重量的變化量，進(jìn)而換算出膠盆內(nèi)膠水液面的變化量。此時(shí)通過(guò)與預(yù)定液面高度的對(duì)比，可由工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)連接膠桶和膠盆的管道中的流量控制閥的開度大小，進(jìn)而使膠盆中膠水液面保持穩(wěn)定。

在△t時(shí)間段內(nèi)，用砂布卷過(guò)的長(zhǎng)度，乘以砂布的寬度，可以計(jì)算出砂布的有效面積，再用在 △t時(shí)間段內(nèi)膠桶內(nèi)膠水的消耗量除以砂布的有效面積，就能計(jì)算出△t時(shí)間段內(nèi)單位面積砂布的瞬間涂膠量。按照預(yù)置設(shè)定值與實(shí)測(cè)值的比較，調(diào)節(jié)上下軋輥間隙，實(shí)現(xiàn)涂膠量自動(dòng)控制。膠盆內(nèi)膠水量的溫度對(duì)膠水的粘度有很大影響，直接關(guān)聯(lián)到單位時(shí)間內(nèi)的用膠量，所以必須對(duì)其監(jiān)控。

綜上所述，本系統(tǒng)的控制部分，分別由兩個(gè)可預(yù)置的反饋式閉環(huán)控制系統(tǒng)組成。預(yù)置值由用戶根據(jù)產(chǎn)品的工藝要求設(shè)定，反饋信號(hào)由測(cè)量軟件獲取動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量值，從而形成反饋式閉環(huán)控制系統(tǒng)，然后由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如：膠水流量的閥門、膠輥間隙連桿），達(dá)到智能化自適應(yīng)控制目的。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用高精度16位A/D轉(zhuǎn)換芯片RS232可以實(shí)現(xiàn)傳感器微弱信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)的精度；采用液晶顯示器作為顯示界面,并制作了測(cè)量系統(tǒng)面板圖，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)操作界面。該測(cè)量控制系統(tǒng)自設(shè)計(jì)、選型、調(diào)試完畢至今，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了涂附磨具生產(chǎn)線涂膠量的自動(dòng)測(cè)量控制,完全滿足了用戶的生產(chǎn)要求。硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)。應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，避免了在生產(chǎn)的成品上割取樣品，然后再用天平稱重法來(lái)計(jì)算其是否達(dá)到技術(shù)要求，從而提高了生產(chǎn)效率, 體現(xiàn)了良好的技術(shù)效果。

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