提升棒材定长剪切效率，如何选择兼顾高速与±1mm精度的非接触测量方案？【工业自动化】

1. 棒材的基本结构与技术要求

在棒材定长剪切这个环节，我们的“主角”——棒材，就像是生产线上源源不断的长面条。它通常是圆形、方形或其他截面的长条状金属材料，比如钢筋、铜棒、铝棒等。在被剪切之前，这些棒材可能经历过高温轧制或冷拉伸等工艺，所以它们可能很长，表面温度很高，并且表面状态（如氧化皮、水汽、油污、振动）也比较复杂。

为了确保最终产品的质量，棒材的定长剪切需要非常高的精度和稳定性。想象一下，如果剪切出来的每一段棒材长度不一，就像你切面条时，有些长得离谱，有些又短得可怜，这不仅会造成材料浪费，还会影响后续加工和最终产品的性能，导致大量废品产生。因此，我们需要精确知道棒材的实时位置和移动距离，以在设定的位置精准下剪。

2. 棒材定长剪切相关技术标准简介

对于棒材的定长剪切，虽然没有一个普适的统一标准来指导传感器选型，但其最终产品的几个关键监测参数是行业内普遍关注的：

• 定尺长度偏差： 这是指棒材实际剪切后的长度与我们预设的目标长度之间的差异。比如，我们设定要剪切10米的棒材，实际剪切出来是10.005米，那么偏差就是5毫米。这个偏差越小，说明剪切精度越高，废品率越低。在很多行业中，对这个偏差都有严格的上限要求，通常是毫米级甚至是亚毫米级。

• 端面平整度： 剪切后的棒材两端截面是否平整、垂直于轴线，没有毛刺、撕裂或明显的变形。这不仅影响后续加工的便利性，也直接关系到产品的装配和使用性能。剪切过程中的定位精度和剪切设备的机械状态都会影响这一指标。

• 直线度偏差： 棒材在移动过程中是否保持直线，没有明显的弯曲或晃动。如果棒材在测量或剪切时发生弯曲或摆动，即使传感器本身精度很高，也可能因为测量点偏离中心线而导致最终剪切长度不准。

• 表面缺陷： 剪切前，棒材表面可能存在的氧化皮、凹坑、划痕等缺陷，这些缺陷可能会干扰非接触式传感器的测量，影响测量结果的稳定性。

这些参数的评价通常通过随机抽样检测、在线测量与人工复核相结合的方式进行。例如，长度偏差会用高精度尺或专用量具对剪切后的产品进行测量，并与目标长度进行比较。

3. 实时监测/检测技术方法

在棒材定长剪切的生产线上，为了实现稳定可靠的精度控制，降低废品率，市面上涌现了多种先进的实时监测技术。它们各有优势，适用于不同的场景和精度要求。

（1）市面上各种相关技术方案

• 激光飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）

工作原理与物理基础： 传感器会向目标物体（比如棒材的末端）发射一束极短的激光脉冲。这个激光脉冲碰到棒材表面后会反射回来，被传感器内部的接收器捕捉到。传感器会精确测量从激光发射出去到接收器接收到反射光脉冲之间的时间差。由于光在空气中的传播速度是一个已知且非常稳定的常数（约为299,792,458米/秒），我们可以通过以下公式来计算距离：

距离 (D) = (光速 (c) × 时间差 (t)) / 2

这里的除以2是因为光要经历一个来回。这个方法的核心就在于对这个微小时间差的超高精度测量。为了克服环境光干扰和提高测量距离，通常会采用调制脉冲或相位比较等技术。

核心性能参数的典型范围： 这种技术通常能提供较长的测量范围，从几厘米到几百米甚至更远。例如，一般测距范围可以达到0.05米至500米。激光测量精度一般为±1mm，重复精度也在此范畴内。测量速度可高达每秒几百次，满足高速生产线的需求。此外，由于其非接触的特性，可以应用于高温、多尘、潮湿等恶劣工业环境，有些传感器甚至能够测量高达1500°C以上高温物体的表面距离。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 非接触式测量： 不与棒材直接接触，避免磨损和对棒材表面的损伤，特别适用于高温或高速移动的棒材。

  • 测量距离远： 能够应对较长的棒材长度或较大的测量间距，安装灵活。

  • 环境适应性强： 对棒材表面的颜色、粗糙度、反射率变化有较好的适应性，甚至可以在有太阳辐射的户外和深色表面上进行测量。部分型号对高环境温度和棒材表面高温有很好的耐受能力，通过IP65等防护等级保证其在恶劣工业环境中的可靠运行。

  • 响应速度快： 高的测量频率能提供实时的位置数据，有助于实现快速响应的剪切控制。

• 局限性：

  • 精度受限： 相对于短距离的高精度三角测量法，其在微米级精度上略显不足，但对于毫米级的定长剪切已足够。

  • 对目标角度敏感： 如果目标表面过于倾斜，可能导致反射光强度不足或无法有效反射回传感器，影响测量稳定性。

  • 成本考量： 相比简单的接触式编码器，这类传感器成本相对较高，但其带来的高精度和低废品率能够带来长期的经济效益。

• 激光三角测量法

工作原理与物理基础： 传感器向目标物发射一束激光，形成一个光点。目标物反射回来的激光光点，会通过一个接收透镜，聚焦到一个特殊的位置检测元件（PSD）上。当目标物与传感器的距离发生变化时，PSD上接收到的光点位置也会随之移动。传感器通过精确测量这个光点在PSD上的微小位移，结合固定的发射角度和基线长度（激光发射器与接收器之间的距离），利用三角几何关系来计算出目标物的距离。

假设激光发射器与接收器之间的基线长度为B，发射激光与PSD平面的夹角为A，反射光在PSD上的位移为X。则距离D可通过三角函数关系计算得出，具体公式会比较复杂，但其核心就是在一个固定的三角形结构中，通过测量一个边的变化来推算另一个边的长度。

核心性能参数的典型范围： 激光三角测量法以其极高的精度而闻名，重复精度可以达到微米甚至亚微米级别，线性度也非常好。然而，它的测量范围相对较短，通常只有几毫米到几十毫米，适用于近距离的精密测量。采样频率可以非常高，达到数百千赫兹，能够满足高速在线检测的需求。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 极高精度和分辨率： 适用于需要微米级甚至亚微米级精度的极端精密测量场景。

  • 高速采样： 能够快速获取数据，适应高速生产线。

  • 非接触： 避免对棒材的物理接触损伤。

• 局限性：

  • 测量范围短： 只能在很小的距离范围内进行测量，不适合远距离测距或大尺寸工件。

  • 受表面特性影响： 目标的反射率、颜色、表面粗糙度甚至入射角度都会影响测量结果的稳定性和精度。

  • 对环境光敏感： 强环境光可能干扰测量。

  • 成本考量： 高性能的激光三角测量传感器价格相对较高。

• 机器视觉法

工作原理与物理基础： 机器视觉系统通常由工业相机、光源、光学镜头和图像处理单元组成。它通过相机获取棒材的数字图像，然后利用复杂的图像处理算法和深度学习模型对这些图像进行分析。系统会识别棒材的起始和终止边缘，计算它们之间的像素距离，再根据预先标定好的像素与实际尺寸的转换关系，精确计算出棒材的长度、直径或定位信息。深度学习模型的引入，使得系统能够更好地适应复杂的表面纹理、光照变化，甚至识别一些传统算法难以处理的缺陷。

核心性能参数的典型范围： 图像分辨率可达数百万像素，这为亚像素级别的测量精度提供了基础，能实现微米级的重复精度，具体取决于系统的视野和校准。处理速度非常快，支持高节拍生产线。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 功能强大且灵活： 不仅可以测量长度、直径，还能检测表面缺陷、形状、姿态等多种参数，实现一站式检测。

  • 高鲁棒性： 结合深度学习技术，对棒材表面条件、光照变化等复杂环境具有强大的适应性。

  • 非接触测量： 不对棒材造成任何物理损伤。

  • 可追溯性： 图像记录便于后期分析和质量追溯。

• 局限性：

  • 系统复杂： 需要精确的照明、光学设置和复杂的软件配置与校准，系统集成和维护成本较高。

  • 计算资源需求： 高速图像采集和复杂算法需要强大的处理能力。

  • 视野限制： 单个相机只能检测有限的区域，对于超长棒材可能需要多个相机或移动平台，增加复杂性。

  • 成本考量： 初期投入成本较高。

• 编码器/测量轮法（接触式）

工作原理与物理基础： 增量型编码器通过光电原理将旋转轴的角位移转换为电脉冲信号。当编码器与一个精确的测量轮连接时，测量轮通常会紧密压在棒材表面并随其移动而滚动。棒材的直线移动会驱动测量轮旋转，进而驱动编码器产生一系列脉冲。系统通过计数这些脉冲的数量，并乘以测量轮的周长（以及编码器的分辨率，即每转脉冲数），就可以精确计算出棒材的直线移动距离。

例如，如果测量轮的周长为L，编码器每转发出P个脉冲。当棒材移动一个距离D时，测量轮转动了N个脉冲。那么，棒材移动的距离D可以简单计算为：

D = (N / P) * L

核心性能参数的典型范围： 编码器可以提供较高的分辨率，这意味着可以精确到毫米甚至更小的位移。最大工作转速通常可以达到几千转每分钟。输出信号通常为TTL或HTL电平，可以直接与PLC或控制器连接。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 结构坚固，可靠性高： 设计简单，适用于恶劣的工业生产环境，抗干扰能力强。

  • 成本相对较低： 相比光学或视觉系统，初期投入和维护成本更低。

  • 实现简单： 安装和调试相对容易。

  • 不受表面反射率和环境光影响： 测量原理基于机械接触，对棒材表面条件和环境光照要求不苛刻。

• 局限性：

  • 接触式测量： 测量轮与棒材表面直接接触，存在磨损、打滑的风险。磨损会影响测量轮周长的准确性，打滑则会导致测量误差。

  • 不适用于高温棒材： 测量轮和编码器通常无法承受极高的温度，对于热轧棒材需要特殊的冷却或避开高温区域。

  • 需要定期维护： 接触部件（测量轮、轴承）需要定期检查和更换，以保证精度和可靠性。

  • 对棒材表面平整度有要求： 棒材表面过于粗糙或不规则，可能导致测量轮跳动，影响精度。

（2）市场主流品牌/产品对比

棒材定长剪切的应用中，不同的传感器技术各有优势。以下是一些主流品牌及其采用的技术和特点。

• 日本基恩士： 该品牌在工业自动化领域享有盛誉，其产品以高精度和高可靠性著称。在棒材定长剪切的场景中，日本基恩士通常采用激光三角测量法传感器。这类产品能提供极高的测量精度和重复性，采样频率很高，适合对棒材头部或尾部进行高精度定位检测，而非整体长度的远距离测量。

• 英国真尚有： 英国真尚有提供低成本但高性能的激光测距传感器，主要采用激光飞行时间法。其LCJ系列产品测量范围从0.05米至500米，精度可达±1mm，测量速度高达250Hz。该系列传感器能够测量表面温度高达 1550℃的高温物体，并且工作温度范围为-40℃至+60℃，防护等级为IP65。这使得它非常适用于重工业和户外应用中高温、长距离、恶劣环境下的棒材定长测量。

• 意大利迪泰： 意大利迪泰也是自动化领域的知名品牌，其LDS40激光测距传感器同样基于激光飞行时间原理。该传感器提供0.2米至40米的测量范围，分辨率和重复精度均可达到1毫米，测量频率高达100 Hz。迪泰的解决方案以其稳定的精度和对环境光照的良好抗干扰能力著称，适用于需要较远距离和稳定测量的工业场景。

• 美国康耐视： 美国康耐视是机器视觉领域的全球领导者。其In-Sight D900系列产品采用先进的机器视觉结合深度学习技术。这种方案通过智能相机获取棒材图像，利用深度学习软件进行处理和分析，能够精确识别棒材边缘，计算长度、直径等，并能应对复杂表面纹理、光照变化和缺陷。其主要优势在于多功能性和对复杂检测挑战的强大适应性，而非单纯的远距离长度测量，系统成本和复杂性相对较高。

• 德国西克： 德国西克作为领先的传感器供应商，其DGS60系列增量型编码器采用测量轮接触式测量方案。它通过测量轮与棒材表面接触滚动来驱动编码器，将位移转换为脉冲信号进行长度计算。这种方案结构坚固，可靠性高，且成本相对较低，对棒材表面条件要求不苛刻。然而，作为接触式方案，存在磨损和打滑的风险，且不适用于高温棒材，更适合冷态或常温棒材的长度测量。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的传感器就像为一辆赛车挑选合适的轮胎，每个参数都关系到最终的性能表现。

• 测量范围： 这就像传感器的“视力范围”。它决定了传感器能测量多长距离的棒材。

  • 实际意义： 如果棒材很长，或者传感器需要安装在离剪切点较远的位置，就需要选择测量范围大的传感器。否则，传感器可能无法覆盖整个测量区域。

  • 选型建议： 对于棒材定长剪切，通常需要覆盖整个棒材的长度，甚至预留一定的安全距离。如果棒材长度可达几十米甚至上百米，激光飞行时间法传感器（如英国真尚有LCJ系列可达500米）是更合适的选择。对于短距离或精确定位剪切点，激光三角测量法可能更优。

• 精度/重复精度： 这就像传感器的“准头”和“稳定性”。精度是指测量结果与真实值之间的差异，重复精度是指多次测量同一位置时结果的一致性。

  • 实际意义： 精度直接决定了棒材定长剪切的最终废品率。高精度能确保每次剪切都在目标长度附近，减少材料浪费。重复精度则保证了生产过程中测量结果的稳定性，避免因偶然误差导致剪切失准。

  • 选型建议： 对于棒材定长剪切，通常要求毫米级甚至亚毫米级的精度。例如，±1毫米的精度对于大部分工业棒材剪切已经非常优秀。如果对棒材的质量要求极高，废品率容忍度极低，可以考虑激光三角测量或机器视觉等能提供微米级精度的方案，但同时也要考虑其测量范围的局限性。

• 测量速度（响应频率）： 这就像传感器的“反应速度”。它指传感器每秒能进行多少次测量。

  • 实际意义： 在高速生产线上，棒材是连续快速移动的。如果传感器测量速度慢，它就不能及时捕捉棒材的位置变化，导致剪切指令滞后，造成剪切误差。

  • 选型建议： 对于移动速度快的棒材线，至少需要几百赫兹（Hz）的测量频率。例如，250Hz的传感器意味着每秒能提供250个位置数据，足以满足大多数高速剪切线的需求。如果速度特别快，可考虑激光三角测量等采样频率更高的方案。

• 环境适应性： 这就像传感器的“抵抗力”。它包括耐高温、防尘、防水、抗振动等能力。

  • 实际意义： 棒材生产现场环境通常比较恶劣，如高温、粉尘、水汽、油污、振动等。传感器如果不能适应这些环境，就会频繁出现故障，影响生产。

  • 选型建议： 如果棒材是高温状态，选择能测量高温物体表面且具有高温防护能力的传感器（如英国真尚有LCJ系列支持1550℃表面温度测量）。同时，防护等级（如IP65）是考量防尘防水的重要指标。对于多尘环境，可以考虑加装气幕或冷却套等辅助措施。

• 输出接口： 这就像传感器与控制系统沟通的“语言”。常见的有RS232/485/422、SSI、USB、模拟量输出、数字量输出等。

  • 实际意义： 传感器需要将测量数据实时传输给剪切机的控制系统（如PLC或DCS），以便控制系统发出剪切指令。如果接口不兼容，就无法正常通信。

  • 选型建议： 选择与现有控制系统兼容的接口类型。例如，RS485/422适合远距离通信，模拟量适合与PLC连接进行线性控制，数字量输出可用于简单的阈值触发。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在棒材定长剪切的实际应用中，即使选择了合适的传感器，也可能遇到各种“小麻烦”，影响最终的剪切精度。

• 问题一：高温对传感器的影响

  • 原因与影响： 轧制后的棒材温度非常高（几百到上千摄氏度），高温会直接损坏不具备耐高温设计的传感器内部元件，导致测量漂移甚至完全失效。热辐射还会扰乱激光束，影响测量稳定性。

  • 解决建议： 选用专门设计用于高温环境的传感器（如英国真尚有LCJ系列），它们通常具备耐高温外壳和内部散热机制。如果环境温度极高，可以为传感器配备冷却套（如水冷或空冷），并通过气幕吹扫掉传感器镜片前的热空气和蒸汽，保持测量通道的清洁和温度稳定。

• 问题二：粉尘、水汽、油污等环境干扰

  • 原因与影响： 钢厂等重工业现场往往粉尘弥漫、水汽蒸腾，棒材表面可能沾染油污。这些颗粒物或液滴附着在传感器光学窗口上，会阻挡或散射激光束，削弱反射信号，导致测量不稳定、数据跳变或完全无法测量。

  • 解决建议：

    1. 防护等级： 选用具有高防护等级（如IP65或更高）的传感器。

    2. 气幕吹扫： 在传感器光学窗口前加装气幕，利用洁净压缩空气形成一道“空气墙”，持续吹走灰尘和水汽，保持镜片清洁。

    3. 定期清洁： 即使有防护，也应定期检查并清洁传感器光学窗口，但务必使用专用工具和清洁剂，避免刮伤。

    4. 避开污染源： 在安装时尽量避开主要的粉尘、水汽和油污喷溅区域。

• 问题三：棒材表面反射率变化或晃动

  • 原因与影响： 棒材在不同批次、不同生产阶段，表面状态（如氧化皮厚度、颜色深浅、有无水汽）可能存在差异，导致激光反射率不稳定。此外，高速移动的棒材可能存在轻微的晃动或弯曲，导致测量点偏离或传感器接收到的光斑不稳定。

  • 解决建议：

    1. 选用宽反射率适应性传感器： 某些激光测距传感器具有自适应算法，能够处理宽范围的表面反射率变化。

    2. 优化安装角度： 调整传感器与棒材之间的角度，确保反射光能稳定返回传感器，并尽量减少目标倾斜带来的影响。

    3. 多点测量或平均处理： 对于轻微晃动，可以采用多个传感器对同一截面进行测量取平均值，或者通过控制系统对测量数据进行滤波和平均处理，消除瞬时波动。

    4. 机械导向： 在测量区域前后设置可靠的机械导向装置，以限制棒材的晃动和弯曲。

• 问题四：控制系统与传感器数据传输延迟

  • 原因与影响： 传感器发送测量数据，控制系统接收并处理，再发出剪切指令，这整个过程需要时间。如果延迟过大，剪切指令到达时棒材已经超出了预定剪切位置，导致剪切偏差。

  • 解决建议：

    1. 选用高速传感器： 确保传感器的测量频率足够高，提供实时性更强的数据。

    2. 优化通信协议： 使用高速、稳定的工业通信协议，减少数据传输耗时。

    3. 预测控制算法： 在控制系统中引入预测控制算法。通过历史数据和棒材速度预测剪切指令发出后棒材将移动的距离，从而提前发出剪切指令，补偿传输和执行延迟。

    4. 提升PLC/DCS处理能力： 确保控制系统的处理速度足够快，能及时响应传感器数据。

4. 应用案例分享

• 钢铁厂热轧棒材线： 在高温轧制完成后，棒材需要被精准剪切成预定长度。激光测距传感器能够非接触式测量高温移动的棒材末端位置，并通过高速数据反馈，联动剪切机实现定长剪切，显著降低因长度不准造成的废品。例如，在产线环境恶劣、高温的场景中，可选用具备耐高温特性的激光传感器。

• 有色金属加工： 铝棒、铜棒等在挤压或拉伸后，也需要进行定长切割。激光测距传感器以其高精度和非接触的优势，可以避免对精密加工的表面造成损伤，确保最终产品尺寸的一致性，满足航空、汽车等高端制造领域的严格要求。

• 建材生产： 在钢筋混凝土预制件的生产中，钢筋的精准下料是关键环节。激光测距技术可以对高速运行的钢筋进行精确长度测量，指导自动化剪切设备进行定长切割，提高生产效率和材料利用率，广泛应用于建筑行业。