線材重量在線測量系統(tǒng)

張海洋

摘要：目前線材生產(chǎn)廠家采用手工機械秤稱重的方法，原材料消耗大，且測量精度低，因此設(shè)計一種對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)計的線材重量在線測量系統(tǒng)對生產(chǎn)效率起到關(guān)鍵作用，取得了良好的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：光電傳感器;測速系統(tǒng);在線測量;測徑儀

一、設(shè)計背景

1.1 線材重量在線測量設(shè)計背景

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械秤稱重的方法，但是原材料消耗比較大，自動化程度低，有些廠家用計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，費時又費力。

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，主要是對相關(guān)工序的工件的加工精度進行檢測;二是在機床內(nèi)部加工過程中的主動測量，即在機床內(nèi)部，工件加工過程中，用過主動測量設(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)計線材在線自動稱重，實時檢測線材的線徑和長度、重量信息是十分有必要的。同時在線稱重在物流、倉管業(yè)的運用，物流公司需要把尺寸、重量不同的箱包分類，進行存儲或運輸。之前對于箱包的分類是靠人力來解決，勞動強度大且出錯率很高。而通過在線稱重設(shè)備的升級優(yōu)化，系統(tǒng)可以直接控制輸送帶后段增加的自動化作業(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)廠家采用手工機械秤稱重的方法，且原材料消耗較大，自動化程度低，還有一些廠家用計米測長方法來間接代替稱重，雖然減輕了工人的勞動強度提高了生產(chǎn)效率但是由于加工線材直徑的波動，經(jīng)調(diào)查最高的測量精度只能達到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)濟損失，同時也不能滿足用戶的要求。因此需要設(shè)計一種線材在線自動稱重系統(tǒng)，測量精度：<1%。

二、設(shè)計方案

2.1線材重量在線測量系統(tǒng)設(shè)計要求

市場上常見的線材計量裝置是計米器，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，來計算出所需生產(chǎn)的線材長度并下達給操作人員。因此線材的規(guī)格較多且重量要求不盡一樣時，使用計米器計量需要耗費相當(dāng)大的人力，很不方便。因此發(fā)明實用新型的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，而提供一種集計米、重量計算控制一體，操作簡單方便的線材在線計重器。

2.2 常用技術(shù)方案對比分析

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）中線材理論重量計算公式計算。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：計米測長的方法。即稱重計算線材一米的重量，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，但每個標(biāo)準(zhǔn)都很細致的規(guī)定了線材的股數(shù)和粗細。

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，流水臺下安裝有壓力傳感器，重力轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)放大后，被數(shù)據(jù)采集器采集，再經(jīng)計算機處理后反應(yīng)出線材的真實重量。

方案四： 光電傳感器與測徑儀、測速系統(tǒng)與計米測長相結(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，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產(chǎn)生，通過光電傳感器將此信號傳到專用計算器上，可讀出所測量的直徑值，圓度等參數(shù)。在經(jīng)過計算得到線材重量。

2.2.2 方案比較選擇

方案一是線性材料的理論重量計算方法，但在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中因為生產(chǎn)過程中線材的直徑誤差等會使真實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力，由于線材直徑的波動，測量誤差比較大，精確度也不高，且各個國家標(biāo)準(zhǔn)不同，客戶在購買時要求也不盡相同，所以會造成工作量比較大，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，線材在流水臺上經(jīng)過時可以直接測量，但是卻不能精細測量線材的直徑，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)過程中實時檢測線材的直徑，再通過測速平臺，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力，可以實現(xiàn)又快又精細的線材生產(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：

因為在線無法直接測量得到線材的重量，因此我們采用與計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為兩個光電傳感器間的距離，t0為光電信號的時間差，由計算機根據(jù)信號運算得到，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刻的線材傳送速度，然后將速度數(shù)據(jù)傳遞給計算機，測徑儀按頻率f測得線材的直徑，然后將數(shù)據(jù)傳送給計算機，這時計算機從速度數(shù)據(jù)中得到此時刻的速度，按公式△m=1/4fρπd2v計算得到線材的總質(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)換成光信號的變化，再通過光電器件把光信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。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，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。光電傳感器的特點檢測距離長。對檢測物體的限制少，由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，可以對幾乎所有物體進行檢測。響應(yīng)時間短，光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機械性工作時間，響應(yīng)時間非常短。分辨率高，能通過高級設(shè)計技術(shù)使投光光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測?？蓪崿F(xiàn)非接觸的檢測，須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測，因此不會對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，因為線材直徑不同用到的測徑儀型號不同，而不同的型號有不同的精度已經(jīng)分辨率，在其他模塊時可以基本認(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)進行有效分析以達到提高精度

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)計和機械設(shè)計采取了很多措施，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，必須對測量數(shù)據(jù)進行有效處理。

3.3.3 誤差解決辦法分析

由相對誤差傳遞公式得到：

Er（m）要求最大為0.01，掃描頻率因為可以由軟件控制微調(diào)，故認(rèn)為最大的絕對誤差為1HZ，Er（f）=1/1800。對于直徑大于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)計過程，經(jīng)過查找各種文獻，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)濟中具有重大地位和作用，因此在線材生產(chǎn)過程對線材質(zhì)量進行檢測是有重要意義的，而且在線材出售過程中因為線材材質(zhì)、直徑、長度等因工藝或廠家不同會有不同的定義，設(shè)計一款在線材生產(chǎn)過程中對其進行直徑、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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