張海洋

摘要：目前線材生產(chǎn)廠家采用手工機(jī)械秤稱重的方法，原材料消耗大，且測量精度低，因此設(shè)計(jì)一種對(duì)線材重量在線稱重的系統(tǒng)是十分有必要的。本文介紹了光電傳感器，論述了稱重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及工作原理，設(shè)計(jì)了測量電路，并分析稱重系統(tǒng)的精度和誤差情況。線材重量在線稱重系統(tǒng)是由光電傳感器、傳感器信號(hào)檢測電路、放大濾波以及顯示電路和系統(tǒng)軟件等構(gòu)成。本文設(shè)計(jì)的線材重量在線測量系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)效率起到關(guān)鍵作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：光電傳感器;測速系統(tǒng);在線測量;測徑儀

一、設(shè)計(jì)背景

1.1 線材重量在線測量設(shè)計(jì)背景

線材是熱軋型鋼中斷面尺寸最小的一種材料。除圓形斷面外也有其他形狀，其直徑由于需求情況和生產(chǎn)技術(shù)水平不同而不一致。根據(jù)軋機(jī)的不同可分為高速線材和普通線材兩種。其中高速線材指高速軋機(jī)生產(chǎn)的線材。不同材料的線材性能也不一樣。

如今線材生產(chǎn)廠家通常采用手工機(jī)械秤稱重的方法，但是原材料消耗比較大，自動(dòng)化程度低，有些廠家用計(jì)米測長的方法來間接代替稱重，即剪下一米的線材稱重，然后乘以長度間接得到線材的重量，這樣效率比較低且原材料損耗大，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

1.1.1 線性材料在線測量的意義

在線測量是指在加工生產(chǎn)中進(jìn)行測量。根據(jù)測量位置和方式不同，在線測量主要有兩種具體應(yīng)用：一是在加工生產(chǎn)線的不同工位布置不同的測量設(shè)備和檢測站，主要是對(duì)相關(guān)工序的工件的加工精度進(jìn)行檢測;二是在機(jī)床內(nèi)部加工過程中的主動(dòng)測量，即在機(jī)床內(nèi)部，工件加工過程中，用過主動(dòng)測量設(shè)備，直接測量工件的加工精度。

1.2 應(yīng)用場合分析

線材重量在線測量系統(tǒng)適合于廠家大量生產(chǎn)線材，且冶金線材制品行業(yè)的絕大多數(shù)線材產(chǎn)品采用定重出廠，因此設(shè)計(jì)線材在線自動(dòng)稱重，實(shí)時(shí)檢測線材的線徑和長度、重量信息是十分有必要的。同時(shí)在線稱重在物流、倉管業(yè)的運(yùn)用，物流公司需要把尺寸、重量不同的箱包分類，進(jìn)行存儲(chǔ)或運(yùn)輸。之前對(duì)于箱包的分類是靠人力來解決，勞動(dòng)強(qiáng)度大且出錯(cuò)率很高。而通過在線稱重設(shè)備的升級(jí)優(yōu)化，系統(tǒng)可以直接控制輸送帶后段增加的自動(dòng)化作業(yè)線，有效的解決了該物流公司存在的上述問題。解決了類別分選生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中操作失誤率高、生產(chǎn)效率低下等弊病，為企業(yè)提高了生產(chǎn)效率，大大減少工人的操作強(qiáng)度，并讓工人不再接觸可能危害身體健康的工作環(huán)境中。

1.3 應(yīng)用需求分析

市場上一些線材生產(chǎn)廠家采用手工機(jī)械秤稱重的方法，且原材料消耗較大，自動(dòng)化程度低，還有一些廠家用計(jì)米測長方法來間接代替稱重，雖然減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度提高了生產(chǎn)效率但是由于加工線材直徑的波動(dòng)，經(jīng)調(diào)查最高的測量精度只能達(dá)到3%，使原材料損耗更加嚴(yán)重，不僅給生產(chǎn)廠家造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也不能滿足用戶的要求。因此需要設(shè)計(jì)一種線材在線自動(dòng)稱重系統(tǒng)，測量精度：<1%。

二、設(shè)計(jì)方案

2.1線材重量在線測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

市場上常見的線材計(jì)量裝置是計(jì)米器，只能在線檢測線材的長度。技術(shù)人員必須預(yù)先根據(jù)要求的線材盤重、密度以及線徑，來計(jì)算出所需生產(chǎn)的線材長度并下達(dá)給操作人員。因此線材的規(guī)格較多且重量要求不盡一樣時(shí)，使用計(jì)米器計(jì)量需要耗費(fèi)相當(dāng)大的人力，很不方便。因此發(fā)明實(shí)用新型的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，而提供一種集計(jì)米、重量計(jì)算控制一體，操作簡單方便的線材在線計(jì)重器。

2.2 常用技術(shù)方案對(duì)比分析

2.2.1 常用技術(shù)方案

方案一：按照國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土用鋼筋第一部分：熱軋光圓鋼筋》（GB 1499.1-2008）中線材理論重量計(jì)算公式計(jì)算。W=0.006165*d2 式中，W代表理論重量，單位為Kg/m;d為直徑，單位為mm。

方案二：計(jì)米測長的方法。即稱重計(jì)算線材一米的重量，然后測量線材的長度，相乘后得出線材的總重量，但是每米的重量是根據(jù)客戶的要求而不同的，各國的客戶會(huì)有不同的標(biāo)準(zhǔn)，有的要英標(biāo)的，有的要德標(biāo)的，但每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都很細(xì)致的規(guī)定了線材的股數(shù)和粗細(xì)。

方案三：使用壓力傳感器結(jié)合數(shù)據(jù)處理，顯示系統(tǒng)的方法。在工廠生產(chǎn)中當(dāng)線材生產(chǎn)過程中，通過流水臺(tái)，流水臺(tái)下安裝有壓力傳感器，重力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)放大后，被數(shù)據(jù)采集器采集，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后反應(yīng)出線材的真實(shí)重量。

方案四： 光電傳感器與測徑儀、測速系統(tǒng)與計(jì)米測長相結(jié)合的方法，測徑儀可以測量線材的直徑，線材在通過系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)左右箱體內(nèi)帶有高速旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射器和激光接收器，激光發(fā)射器發(fā)出的激光束通過一組透鏡處理變成平行光，工件只要擋住光束，在接收器上就有信號(hào)產(chǎn)生，通過光電傳感器將此信號(hào)傳到專用計(jì)算器上，可讀出所測量的直徑值，圓度等參數(shù)。在經(jīng)過計(jì)算得到線材重量。

2.2.2 方案比較選擇

方案一是線性材料的理論重量計(jì)算方法，但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中因?yàn)樯a(chǎn)過程中線材的直徑誤差等會(huì)使真實(shí)重量與理論值有偏差，因此一般情況下不采用此方法;方案二記米測長是傳統(tǒng)生產(chǎn)生活中最常用的方法，但是這種方法增加了工人的勞動(dòng)力，由于線材直徑的波動(dòng)，測量誤差比較大，精確度也不高，且各個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)不同，客戶在購買時(shí)要求也不盡相同，所以會(huì)造成工作量比較大，原材料損失嚴(yán)重等問題。方案三中采用壓力傳感器的方法可以直接測量線材的重量，線材在流水臺(tái)上經(jīng)過時(shí)可以直接測量，但是卻不能精細(xì)測量線材的直徑，因此無法確保線材是否嚴(yán)格符合規(guī)格，而且這種方法更適合線材制作完成后，盤成盤條，最后稱重。方案四中采用在線測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)記米測長相結(jié)合的方法，在線材生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)檢測線材的直徑，再通過測速平臺(tái)，數(shù)據(jù)處理后可以完成線材的在線稱重，這樣不但提高了線材的制作精度，也大大減少了工人的勞動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)又快又精細(xì)的線材生產(chǎn)，是符合當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的要求的。

三、設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

原理：

因?yàn)樵诰€無法直接測量得到線材的重量，因此我們采用與計(jì)米測長相似的間接測量得到線材的重量。公式：

W=mg;其中m是質(zhì)量;ρ是線材密度，可以認(rèn)為沒有誤差，d為線材直徑;v是線材傳送速度，△t是測徑一掃描周期，f為測徑儀的掃描頻率，L為兩個(gè)光電傳感器間的距離，t0為光電信號(hào)的時(shí)間差，由計(jì)算機(jī)根據(jù)信號(hào)運(yùn)算得到，可以認(rèn)為沒有誤差。

光電傳感器相關(guān)測速系統(tǒng)按一定的采樣頻率得到每時(shí)刻的線材傳送速度，然后將速度數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，測徑儀按頻率f測得線材的直徑，然后將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，這時(shí)計(jì)算機(jī)從速度數(shù)據(jù)中得到此時(shí)刻的速度，按公式△m=1/4fρπd2v計(jì)算得到線材的總質(zhì)量m，再由W=mg得到線材的總重量。

3.2 光電傳感器

光電式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再通過光電器件把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。一般由光源、光學(xué)通路、光電器件三部分組成。被測量作用于光源或者光學(xué)通路，從而引起光量的變化。

具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器的特點(diǎn)檢測距離長。對(duì)檢測物體的限制少，由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，可以對(duì)幾乎所有物體進(jìn)行檢測。響應(yīng)時(shí)間短，光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常短。分辨率高，能通過高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測和高精度的位置檢測?？蓪?shí)現(xiàn)非接觸的檢測，須機(jī)械性地接觸檢測物體實(shí)現(xiàn)檢測，因此不會(huì)對(duì)檢測物體和傳感器造成損傷。

3.3誤差分析及解決

3.3.1 測量系統(tǒng)精度分析

在測量系統(tǒng)中，線材在測徑儀模塊時(shí)，因?yàn)榫€材直徑不同用到的測徑儀型號(hào)不同，而不同的型號(hào)有不同的精度已經(jīng)分辨率，在其他模塊時(shí)可以基本認(rèn)為沒有造成誤差影響，因此如何調(diào)整精確度可以通過調(diào)整測徑儀數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析以達(dá)到提高精度

3.3.2 誤差產(chǎn)生原因

生產(chǎn)現(xiàn)場的電器干擾、線材震動(dòng)和線材直徑橢圓度是影響測量精度和抗干擾性能的主要因素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)采取了很多措施，有效的減小了在線稱重的測量誤差，但是為了提高測量精度和抗干擾性能，必須對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。

3.3.3 誤差解決辦法分析

由相對(duì)誤差傳遞公式得到：

Er（m）要求最大為0.01，掃描頻率因?yàn)榭梢杂绍浖刂莆⒄{(diào)，故認(rèn)為最大的絕對(duì)誤差為1HZ，Er（f）=1/1800。對(duì)于直徑大于1mm小于50mm的線材采用LDM-50XY，則Er（d）<3μm/1mm=3/1000，所以得到：

設(shè)兩個(gè)光電傳感器的距離差L可以精確到1mm，則L>1mm/7.98*10-3=1253mm，可取L=200mm，這樣可以使G的誤差小于1%。

四、結(jié)論

在線材重量在線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，經(jīng)過查找各種文獻(xiàn)，書籍了解到線材用途很廣，主要用途為作建筑材料的線材以及拉絲原料的線材，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重大地位和作用，因此在線材生產(chǎn)過程對(duì)線材質(zhì)量進(jìn)行檢測是有重要意義的，而且在線材出售過程中因?yàn)榫€材材質(zhì)、直徑、長度等因工藝或廠家不同會(huì)有不同的定義，設(shè)計(jì)一款在線材生產(chǎn)過程中對(duì)其進(jìn)行直徑、重量檢測以及控制可以規(guī)范線材的出售，可以使工藝生產(chǎn)效率提高，減少原材料損耗，降低成本，使生產(chǎn)生活更加便捷。

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