高速生產(chǎn)線產(chǎn)品傳送速度的在線校準(zhǔn)方法

肖天雷 / 上海市計量測試技術(shù)研究院，上海市在線檢測與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

高速生產(chǎn)線產(chǎn)品傳送速度的在線校準(zhǔn)方法

肖天雷 / 上海市計量測試技術(shù)研究院，上海市在線檢測與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

針對高速生產(chǎn)線上基于計數(shù)傳感器的產(chǎn)品傳送速度參數(shù)，提出一種全新的在線校準(zhǔn)方法。分析傳統(tǒng)方法的不足，介紹了頻閃效應(yīng)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)器，并以此為基礎(chǔ)對校準(zhǔn)原理和方法進(jìn)行介紹和說明。通過實(shí)例分析證明，該方法具備可操作性和實(shí)用性。進(jìn)行了校準(zhǔn)結(jié)果的計算和測量不確定度評定，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)的可溯源。該方法能夠在不影響企業(yè)生產(chǎn)的前提下完成校準(zhǔn)工作，極大保障了工作人員的人身安全，實(shí)現(xiàn)了真正的在線校準(zhǔn)。

頻閃效應(yīng)；在線校準(zhǔn)；傳送速度；生產(chǎn)線

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動化生產(chǎn)線已經(jīng)非常普遍。在工業(yè)4.0的概念提出之后，生產(chǎn)線智能化和高效化將成為一種必然趨勢。在大多數(shù)生產(chǎn)線上，基于計數(shù)傳感器的產(chǎn)品傳送速度參數(shù)在生產(chǎn)數(shù)量統(tǒng)計、定量包裝控制、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、生產(chǎn)效率監(jiān)控等方面起著十分重要的作用。在醫(yī)藥、包裝、印刷、日用品等行業(yè)，生產(chǎn)線上產(chǎn)品的傳送速度有時可達(dá)100～4 000件/ min （如未剪裁的印刷品、醫(yī)用創(chuàng)可貼、紙幣等），肉眼已經(jīng)無法判斷該參數(shù)的準(zhǔn)確性。

為了保障企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和品牌信譽(yù)，有必要對生產(chǎn)線上該參數(shù)進(jìn)行定期校準(zhǔn)并實(shí)現(xiàn)可溯源。由于傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法無法完全滿足企業(yè)安全生產(chǎn)和高效生產(chǎn)的需求，所以有必要設(shè)計一種新的校準(zhǔn)方法，在完成高速生產(chǎn)線上產(chǎn)品傳送速度參數(shù)校準(zhǔn)的同時，還能兼顧生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。

1　傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法

通常情況下，自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)根據(jù)計數(shù)傳感器采樣得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和時間參數(shù)，計算出通過該線的產(chǎn)品傳送速度。所以，直接對計數(shù)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)是一種有效的辦法。然而，將計數(shù)傳感器從生產(chǎn)線上卸下后送到有關(guān)部門進(jìn)行校準(zhǔn)，不僅會增加人工成本，還會造成生產(chǎn)線長時間停工，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，目前現(xiàn)場校準(zhǔn)中普遍采用的是手持式轉(zhuǎn)速表比對法，但這仍然需要暫時關(guān)閉生產(chǎn)線，并將反光紙貼在轉(zhuǎn)速傳感器上后重新啟動生產(chǎn)線進(jìn)行校準(zhǔn)。相比于上一種方案，它雖然縮短了生產(chǎn)線停產(chǎn)時間，但還是無法避免對企業(yè)生產(chǎn)的影響。此外，工程師需要靠近運(yùn)行中的生產(chǎn)線機(jī)械裝置才能開展工作，這也增加了企業(yè)和個人的安全風(fēng)險。

綜上所述，新方法必須在確保校準(zhǔn)可靠性和可行性的同時，盡量避免對生產(chǎn)的影響和人身安全的威脅。

2　頻閃效應(yīng)

所謂頻閃效應(yīng)，就是物體在人的視野中消失后能暫留一定時間的視覺印象。印象暫留時間，在物體一般光度條件下約在1/20 ～1/5 s范圍內(nèi)。如果來自被觀察物體的視激信號間隔小于1/20 s，則視覺來不及消失，從而給人以連貫的假象［1］。這種閃光對在可觀察范圍內(nèi)的移動物體有顯著作用［2］。這表現(xiàn)在當(dāng)閃光頻率與物體的運(yùn)動速度或轉(zhuǎn)動速度成一定的倍數(shù)關(guān)系時，人眼中能形成一個相對靜止的影像，即凍結(jié)了物體的運(yùn)動［3］。

以旋轉(zhuǎn)圓盤為例，在圓盤上做一個標(biāo)記。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n與閃光頻率n0相等時，每次閃光時標(biāo)記都在同一位置出現(xiàn)，于是得到轉(zhuǎn)盤被“凍結(jié)”的影像。根據(jù)閃光頻率與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速之間倍數(shù)的不同，還會得到二重圖像、三重圖像等。現(xiàn)假設(shè)轉(zhuǎn)盤逆時針旋轉(zhuǎn)，兩者的頻率與頻閃圖像的關(guān)系如表1所示。

表1　轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、閃光頻率與頻閃圖像的關(guān)系

利用頻閃效應(yīng)，人們可以輕易觀測到高速運(yùn)動物體的表面質(zhì)量與運(yùn)行情況［4］。目前，頻閃效應(yīng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在生物、教學(xué)、航空、工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域［5-9］。

3　頻閃設(shè)備及其主要技術(shù)指標(biāo)

頻閃設(shè)備是通過內(nèi)部設(shè)定或外部觸發(fā)的方式來控制LED頻閃燈的閃光頻率，用來觀測高速旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動物體的旋轉(zhuǎn)速度或運(yùn)行狀況的儀器或系統(tǒng)。在本校準(zhǔn)方法中，頻閃設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)器使用，其發(fā)出的光應(yīng)短暫而明亮。為了區(qū)別被校區(qū)域和其他區(qū)域，閃光的亮度應(yīng)為環(huán)境亮度的四倍［10］。為了減小文獻(xiàn)［2］中描述的光危害，頻閃設(shè)備發(fā)出的頻閃光應(yīng)讓人感到舒適。根據(jù)設(shè)備的不同，頻閃光色溫和照度的關(guān)系可參考文獻(xiàn)［11］。為了適應(yīng)大多數(shù)高速生產(chǎn)線產(chǎn)品傳送速度參數(shù)校準(zhǔn)的需要，頻閃設(shè)備的量程范圍應(yīng)不小于50 Hz或3 000 FPM（頻閃/min）。

4　在線校準(zhǔn)原理及方法

根據(jù)頻閃效應(yīng)原理，將標(biāo)準(zhǔn)頻閃設(shè)備的閃光作為光源。當(dāng)閃光頻率與生產(chǎn)線傳送帶上物體運(yùn)動速度相近時，雖然物體是高速運(yùn)動著的，但看起來運(yùn)動得比實(shí)際速度慢，甚至當(dāng)物體運(yùn)動速度與閃光頻率相同（或整數(shù)倍關(guān)系）時，物體好像是靜止的［12， 13］。所以，當(dāng)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品在閃光下呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)時，可以將頻閃設(shè)備的閃光頻率視為生產(chǎn)線上產(chǎn)品的運(yùn)動速度，即產(chǎn)品傳送速度。

校準(zhǔn)使用的頻閃設(shè)備可以是手持式頻閃儀，也可以是包含頻閃光源、圖像識別單元和控制單元的檢測系統(tǒng)。校準(zhǔn)前應(yīng)確保校準(zhǔn)人員靠近產(chǎn)品及其傳送裝置時不會影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)以及個人人身安全。為了提高校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，應(yīng)預(yù)先了解被校生產(chǎn)線產(chǎn)品傳送速度的大致范圍。

校準(zhǔn)人員應(yīng)將頻閃設(shè)備的出射光垂直投射到生產(chǎn)線上，并使產(chǎn)品盡量完整地依次通過照射區(qū)域。當(dāng)產(chǎn)品呈現(xiàn)緩慢前進(jìn)的影像時，表明閃光頻率略小于產(chǎn)品的運(yùn)動速度；當(dāng)產(chǎn)品呈現(xiàn)緩慢后退的影像時，表明閃光頻率略大于產(chǎn)品的運(yùn)動速度。校準(zhǔn)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)設(shè)備的閃光頻率。校準(zhǔn)現(xiàn)場示意圖如圖1所示。

當(dāng)高速運(yùn)動的產(chǎn)品呈現(xiàn)靜止且清晰的影像時，在接近生產(chǎn)速度的合理范圍內(nèi)，可以認(rèn)為當(dāng)前設(shè)置的閃光頻率等于生產(chǎn)線上產(chǎn)品的運(yùn)動速度。校準(zhǔn)人員可以此作為該段生產(chǎn)線上產(chǎn)品傳送速度的最佳估計值，并根據(jù)生產(chǎn)線控制裝置上傳送速度示值與標(biāo)準(zhǔn)器閃光頻率之間的區(qū)別進(jìn)行誤差分析，同時完成生產(chǎn)速度測量不確定度的評定。

圖1　使用頻閃設(shè)備的在線校準(zhǔn)示意圖

5　校準(zhǔn)結(jié)果

以某公司醫(yī)用創(chuàng)可貼生產(chǎn)流水線為例，該生產(chǎn)線輸出的產(chǎn)品是未剪裁過的創(chuàng)可貼。計數(shù)傳感器位于機(jī)械控制單元內(nèi)，不易拆卸或直接測量。當(dāng)有人靠近機(jī)械控制單元時，系統(tǒng)會自動停止生產(chǎn)線的運(yùn)行以保障人員安全。

企業(yè)對該線產(chǎn)品傳送速度的要求為2 000件/ min。為方便現(xiàn)場作業(yè)，本例采用手持式頻閃儀配合肉眼觀測的方式對傳送速度進(jìn)行在線校準(zhǔn)。整個過程中生產(chǎn)線控制系統(tǒng)傳送速度示值均為2 000件/min，測量結(jié)果如表2所示。由于傳送速度的單位為件/min，所以將10次測量的平均值向上取整數(shù)，得到該參數(shù)的最佳估計值為2 001 件/min。

表2　產(chǎn)品傳送速度測量數(shù)據(jù)

6　測量不確定度評定

6.1測量模型

本次校準(zhǔn)的測量數(shù)學(xué)模型為

其中：y — 被校生產(chǎn)線產(chǎn)品傳送速度的校準(zhǔn)值；n — 標(biāo)準(zhǔn)頻閃儀的示值

6.2頻閃儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（n）

u（n）可能的來源包括頻閃儀示值誤差或分辨力引入的不確定度，以及傳送帶工作狀態(tài)引入的不確定度。

本次校準(zhǔn)采用的頻閃儀工作量程為1 000 ～300 000 FPM，其技術(shù)指標(biāo)中標(biāo)明：允許示值誤差為±0.02%，那么標(biāo)準(zhǔn)器在2 000 FPM處的允許示值誤差為

2000×±0.02% = ±0.4 FPM

頻閃儀所用量程的分辨力為1 FPM，假設(shè)為均勻分布，分布因子為，則由頻閃儀分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

鑒于標(biāo)準(zhǔn)器分辨力引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度比準(zhǔn)確度引入的不確定度大，這里選擇分辨力產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2參與評估。

生產(chǎn)線傳送帶各處線速度相等，一般情況下傳送帶運(yùn)行速度基本恒定，故這里忽略傳送帶運(yùn)行狀態(tài)引入的不確定度分量。

基于以上分析，可以得到頻閃儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

6.3測量重復(fù)性

在重復(fù)性條件下，本次校準(zhǔn)對同一生產(chǎn)線進(jìn)行10次測量，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

6.4校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度

表3　不確定度來源匯總

各不確定度分量互不相關(guān)，因此其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

包含因子取2，并將計算結(jié)果向上取整數(shù)，則本次校準(zhǔn)中生產(chǎn)線產(chǎn)品傳送速度的擴(kuò)展不確定度為

7結(jié)語

本文提出的針對高速生產(chǎn)線上基于計數(shù)傳感器的產(chǎn)品傳送速度在線校準(zhǔn)方法具有操作簡便、效率較高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，它能夠基本避免校準(zhǔn)工作對企業(yè)生產(chǎn)的影響，并極大減少了工程師自身的危險，實(shí)現(xiàn)真正的“在線校準(zhǔn)”。隨著廣大企業(yè)對在線校準(zhǔn)服務(wù)需求的不斷提高，該方法不影響生產(chǎn)線運(yùn)行的特點(diǎn)將具有重要意義。

該方法適用于生產(chǎn)速度較大的生產(chǎn)線。在校準(zhǔn)前預(yù)先了解產(chǎn)品速度的估計值非常重要，這有助于去除閃光頻率與產(chǎn)品傳送速度成特定倍數(shù)關(guān)系時對校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

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Online calibration method for product
conveying speed on high-speed production line

Xiao Tianlei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology， Shanghai Key Lab of On-line Testing and Control Technology）

To propose a novel online calibration method counter-based conveying speed on high-speed production line. With analysis of traditional ways and introduction of stroboscopic effect as well as standard instruments to be used， the principal and approaches of calibration are introduced. The method are proved to be reasonable and helpful by studying a working case， and related calibration result is traceable by giving the uncertainty of measurement. The method can realize calibration without interrupting production and can also ensure security of workers，which makes it a real online calibration method. Key words: stroboscopic effect； online calibration； conveying speed；production line