如何在高温高速轧线上实现工业棒材±2mm的定长剪切精度？【非接触测量】【智能制造】

1. 工业棒材的基本结构与技术要求

工业棒材，顾名思义，是长条形状的金属材料，在钢铁、有色金属等行业中被大量生产和使用。这些棒材在制造过程中，通常会经历热轧环节，也就是在高温状态下通过轧机塑性变形，最终形成所需截面形状和尺寸。

在热轧状态下，棒材的温度往往高达数百甚至上千摄氏度，表面呈现红热甚至炽热状态。同时，它还在高速向前运动。对这类高温、高速运动的棒材进行定长剪切，听起来就像要在一条快速流动的火龙身上，精准地切下特定长度的一段，并且要求这“一段”的长度误差不能超过正负2毫米。这±2mm的公差要求，在高速、高温、高振动的恶劣工况下，确实是一个非常精密的挑战。

为什么这个公差如此重要？想象一下，如果棒材的长度不准，后续的加工环节，比如冲压、锻造、机械加工，都会出现问题。短了可能报废，长了则需要额外加工，都意味着材料浪费、能源消耗增加和生产效率降低。所以，确保剪切精度是保证整个生产线顺畅高效运行的关键。

2. 针对工业棒材长度监测的相关技术标准简介

在工业棒材的生产和剪切过程中，为了保证产品质量，需要对棒材的多个参数进行监测和评价。其中，长度是核心参数之一，它的监测和评价通常围绕以下几个方面：

• 棒材长度（实际长度）：指棒材从一端到另一端的真实直线距离。这是最直接的测量目标。在生产线上，通常是在棒材运动过程中进行实时测量，或者在静止状态下进行检测。

• 定尺长度：这是生产计划或客户订单中规定的棒材目标长度。剪切的目标就是让实际长度尽可能地接近这个定尺长度。

• 长度偏差（公差）：指实际长度与定尺长度之间的差值。这个偏差必须控制在允许的范围内，比如我们提到的±2mm。评估时会关注偏差的最大值、最小值以及偏差的分布情况，确保大部分产品都能符合要求。

• 切头切尾长度：在棒材轧制初期和末期，由于材料组织不均匀或端部形状不规则，需要切除一定长度的废料。这些切头的长度也需要监控，以优化材料利用率。

• 长度测量重复性：指在相同条件下，对同一根棒材的同一位置进行多次长度测量时，测量结果之间的一致性。重复性是衡量测量系统稳定性和可靠性的重要指标，对于动态、高温环境下的测量尤为关键。

• 长度测量精度：指测量结果与棒材真实长度之间的接近程度。它受到传感器自身精度、环境因素（如温度、振动）、棒材表面状态等多种因素的影响。

这些监测参数共同构成了棒材长度控制体系，旨在通过精确的测量和反馈，确保剪切过程的准确性，从而满足产品质量和生产效率的要求。

3. 实时监测/检测技术方法

确保工业棒材在热轧状态下定长剪切精度，需要依赖先进的实时监测技术。市面上存在多种非接触式测量方案，它们利用不同的物理原理来实现对棒材长度或位置的精确感知。

（1）市面上各种相关技术方案

激光脉冲测距（TOF）/相位差测距

这种技术就像是给激光光束发一个“快递”，通过测量这个“快递”从发出到收到反馈信号所花费的时间，来精确计算距离。

• 工作原理与物理基础：

  • 激光脉冲测距（Time-of-Flight, TOF）：传感器发射一个激光脉冲，这个脉冲以光速C前进，碰到目标物体表面后反射回来。传感器接收到反射回来的光脉冲，并记录从发射到接收的总时间t。由于光速是已知常数，且光路是往返的，所以距离D可以通过简单的公式计算： D = (C * t) / 2 这里的C是光速，大约为3 x 10^8 米/秒。想象一下，你对着远处的山峰喊一声，然后等待回声，通过计算声音往返的时间来估算你到山峰的距离，激光脉冲测距就是这个原理，只不过它用的是光而不是声波，而且速度快得多，精度也高得多。

  • 激光相位差测距：这种方法不直接测量时间，而是发射一个连续调制（比如正弦波调制）的激光束。当激光束反射回来时，它相对于发射时的原始调制信号会有一个相位滞后。通过测量这个相位差Δφ，结合调制频率f，就可以计算出距离： D = (Δφ / (2π)) * (C / (2f)) 它就像是你在一个旋转的圆盘上做了个标记，然后让它转了一圈，通过标记点转过的角度来计算圆盘转了多远。这种方法通常能实现比脉冲测距更高的精度，尤其是在中短距离内。在棒材定长剪切的应用中，可以通过在棒材运动路径的起点和终点各设置一个激光测距传感器，或者一个传感器配合一个固定参照物，持续测量棒材端点的位置变化，从而推算出棒材的实时长度。

• 核心性能参数典型范围：

  • 精度：通常可达±1mm至±10mm，高精度型号甚至能达到微米级。

  • 测量范围：从几厘米到几百米甚至更远。

  • 测量速度（响应频率）：从几十赫兹到数千赫兹。

  • 重复性：通常优于精度指标。

  • 高温适应性：部分传感器可以承受高达1500℃以上的物体表面温度，环境温度可达60℃，配合冷却罩可达更高。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式测量：对高温高速运动的棒材不会造成磨损或干扰。

    • 测量范围广：能轻松应对长达数十米甚至数百米的棒材。

    • 精度高：能够满足±2mm甚至更高精度的要求。

    • 抗干扰能力强：对于高温、蒸汽、粉尘等恶劣工业环境，经过特殊设计的传感器仍能保持较好的性能。

    • 安装灵活：传感器可以安装在距离被测物较远的位置，避免高温区域。

  • 缺点：

    • 对反射面要求：虽然先进的传感器能测量低反射率表面，但极端高反光或镜面反射可能会影响测量稳定性。

    • 成本：高性能的激光测距传感器成本相对较高。

    • 环境影响：强烈的阳光直射、空气折射率变化等可能对长距离测量精度造成微小影响。

激光三角测量

这种技术就像是通过观察三角形的变化来判断距离。

• 工作原理与物理基础：传感器发射一道激光线或激光点到目标物体表面。反射回来的激光光斑会被一个CMOS图像传感器（类似小型摄像机）接收。当目标物体的距离发生变化时，反射光斑在图像传感器上的位置也会发生变化。通过已知的激光发射角度、接收器角度以及基线距离，结合三角几何原理，就可以计算出物体表面的距离。 核心公式基于相似三角形原理，简化来看，光斑在传感器上的位移Δx与被测物体距离Z的变化ΔZ成正比。 Z = (L * f) / (X + (L * sinθ) / (cosθ + sinθ * (X/f))) （简化形式） 其中，L是基线长度，f是焦距，X是光斑在传感器上的位置，θ是发射角。

• 核心性能参数典型范围：

  • 精度：Z轴重复精度可达微米甚至亚微米级（0.1 µm）。

  • 测量速度：非常快，可达数十千赫兹（如64 kHz）。

  • 测量范围：通常较短，从几毫米到几十毫米。

  • 扫描宽度：几十毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度和高分辨率：尤其适用于测量物体表面微小的轮廓变化和精确定位。

    • 测量速度快：适合高速生产线上的在线检测。

    • 非接触式：避免对物体造成损伤。

  • 缺点：

    • 测量范围短：不适合直接测量长距离的棒材整体长度，更常用于检测棒材的端面位置或局部轮廓。

    • 对表面反射敏感：高反光或镜面物体可能导致测量困难或不准确。

    • 容易受环境光干扰：需要良好的遮光或过滤措施。

光电速度长度传感

这种方法就像是给棒材的表面纹理拍“快照”，然后通过对比不同时刻的“快照”来计算它移动了多远、多快。

• 工作原理与物理基础：传感器发射激光束到运动的棒材表面。棒材表面并非完美光滑，总会有微小的纹理和不规则性。当激光束照射到这些不规则处并反射回来时，反射光的强度会发生变化。传感器通过高速检测这些反射光强度的变化，利用多普勒效应（频率偏移）或空间滤波原理（图像模式匹配），识别出棒材在单位时间内的微小位移，从而计算出棒材的实时速度。将速度对时间进行积分，就能得到棒材的行进长度。 对于多普勒效应，频率偏移Δf与速度v成正比： Δf = (2 * v * cosα) / λ 其中，λ是激光波长，α是激光束与运动方向的夹角。

• 核心性能参数典型范围：

  • 测量精度：长度测量精度可达0.1%甚至更高。

  • 速度范围：从极慢（0.1 m/min）到极快（3000 m/min）。

  • 工作距离：通常为几十毫米到一百多毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式测量：避免了传统编码器接触式测量带来的磨损、打滑等问题，提高了测量可靠性和传感器寿命。

    • 直接测量速度和长度：非常适合在线定长剪切应用。

    • 适用于多种材料：对钢材、木材、纸张等均适用。

    • 对棒材表面条件适应性较好：利用表面不规则性进行测量。

  • 缺点：

    • 对振动敏感：棒材的剧烈振动可能影响测量稳定性。

    • 启动/停止测量误差：在棒材加速或减速阶段，精度可能略有下降。

    • 测量精度受表面条件影响：过于光滑或过于粗糙的表面可能带来挑战。

机器视觉图像处理

这种方法就像给棒材拍一张高清晰度的照片，然后通过分析照片里的像素点来测量棒材的长度。

• 工作原理与物理基础：智能相机通过高分辨率镜头捕捉棒材的2D图像。相机内部或连接的图像处理系统，利用复杂的算法，如边缘检测、形状匹配、标定等，识别出棒材的两个端点。然后根据事先标定好的像素与实际距离的转换关系（通常通过一个已知尺寸的物体进行标定），计算出棒材在图像视野内的精确长度。 例如，如果一个像素代表实际距离P毫米，图像中棒材长度占据了N个像素，那么实际长度L = N * P。

• 核心性能参数典型范围：

  • 分辨率：取决于相机型号和镜头，通常为百万像素级别。

  • 检测速度：取决于图像处理算法的复杂度和相机帧率，从每秒几帧到几十帧不等。

  • 测量精度：高度依赖于标定精度、照明条件和相机视野大小，通常可达亚像素级别，转化为毫米级甚至更小。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 多功能性：除了长度检测，还能同时进行缺陷检测、位置识别、直径测量等多种任务。

    • 非接触式：对棒材无任何物理干预。

    • 信息丰富：提供图像信息，便于人工复核和故障诊断。

    • 适应性强：在合适的照明和算法下，对不同表面条件有较好的适应性。

  • 缺点：

    • 视野限制：一台相机只能测量其视野范围内的长度，对于长棒材可能需要多台相机拼接或特殊的运动跟踪算法。

    • 对环境光和烟尘敏感：恶劣的光照或烟尘会影响图像质量，从而影响测量精度。

    • 系统复杂性：需要专业的图像处理知识和强大的计算能力，系统集成和维护相对复杂。

    • 高温挑战：在热轧高温环境下，需要特殊的散热和防护措施。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是针对工业棒材定长剪切检测领域，一些主流品牌及其相关技术方案的对比：

• 日本基恩士： 日本基恩士的LJ-V7000系列超高速2D激光位移传感器采用的是激光三角测量原理。这种传感器擅长以极高的速度和精度获取物体的2D轮廓信息。例如，LJ-V7000系列能够达到64 kHz的最大测量速度，Z轴重复精度可达0.1 µm，虽然其测量范围相对较小（如LJ-V7080测量范围约±1.5mm），但凭借其超高的测量速度和重复精度，非常适合用于精准检测棒材端面位置，作为剪切触发信号或配合其他传感器进行长度计算。日本基恩士作为全球知名的传感器厂商，其产品易于集成且技术支持完善。

• 英国真尚有： 英国真尚有的LCJ系列低成本激光测距传感器，采用的是激光脉冲测距（TOF）或相位差测距技术。该系列传感器测量范围可达500米，精度为±1mm，测量速度高达250Hz，并且可以测量高达1550℃的物体表面温度。LCJ系列激光测距传感器采用坚固的金属外壳，防护等级达到IP65，能够在+60℃的环境温度下稳定工作，并且可以通过配备冷却外壳来适应更高的温度环境。通过在棒材运动方向的起点和终点安装传感器，持续监测棒材端点位置，从而计算出棒材的实时长度，指导剪切。

• 德国西克： 德国西克的OLM200系列光电速度长度传感器采用的是非接触式光学原理，通过检测物体表面不规则性导致的反射光强度变化，利用多普勒效应或空间滤波原理，计算出物体在运动中的速度和行进长度。这种传感器直接提供长度测量结果，精度可达0.1%，速度范围0.1至3000 m/min。例如，OLM200-100的工作距离为100mm。其优势在于非接触式测量，避免了传统接触式测量的磨损和打滑问题，提高了测量可靠性和寿命，特别适用于各种运动材料的长度和速度测量，如钢材。

• 美国康耐视： 美国康耐视的In-Sight D900系列智能相机采用的是机器视觉图像处理原理。通过高分辨率镜头捕捉棒材的2D图像，利用内置的边缘检测和校准工具对图像进行分析，识别棒材的起止点，从而计算出其长度。D900系列的分辨率可达2.2 MP，具有很强的灵活性，除了长度检测，还能同时进行缺陷检测和位置识别。对于热轧棒材，它能在特定视野内提供精确的长度测量，尤其适合对棒材截面形状、尺寸以及表面缺陷进行综合分析。美国康耐视在机器视觉领域具有领先地位，提供强大的软件工具和算法。

（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

在选择用于工业棒材定长剪切的测量设备或传感器时，以下几个关键技术指标至关重要，它们直接影响最终的测量效果和系统稳定性：

• 测量精度与重复性：

  • 实际意义：精度是测量结果与真实值之间的接近程度，重复性是多次测量结果的一致性。对于±2mm的公差要求，你的测量系统精度至少要达到±1mm甚至更高，才能在实际应用中留有裕量。

  • 影响：如果精度不足，即使剪切机构再精确，也会因为测量误差导致最终产品长度不合格。重复性差则意味着测量结果不稳定，剪切出的棒材长度忽长忽短，无法满足批量生产要求。

  • 选型建议：优先选择精度高于目标公差一个数量级（例如，如果要求±2mm，则选择精度±0.2mm的传感器）的设备。对于热轧这种高速运动的场景，重复性比绝对精度有时更为重要，因为重复性直接关系到每次剪切的一致性。

• 测量范围：

  • 实际意义：指传感器能够测量的最大和最小距离或长度。

  • 影响：测量范围不足可能导致无法覆盖棒材的全长，或者传感器需要安装在过近/过远的位置，影响其性能和安全性。

  • 选型建议：根据棒材的实际长度和生产线布局，选择具有足够测量范围的传感器。例如，如果棒材长度达数十米，则需要选择长距离激光测距传感器。如果只检测端面位置，短距离高精度传感器即可。

• 测量速度（响应频率）：

  • 实际意义：指传感器每秒能够进行测量并输出结果的次数。

  • 影响：棒材在热轧状态下是高速运动的。测量速度慢，传感器就无法及时捕捉棒材位置变化，导致剪切指令滞后，剪切点不准。

  • 选型建议：计算棒材最大运行速度和最小剪切长度，确保传感器响应速度远高于棒材的运动速度。例如，如果棒材以10米/秒的速度移动，且需要达到毫米级精度，那么传感器至少需要数百赫兹甚至千赫兹的响应频率。

• 抗高温与恶劣环境能力：

  • 实际意义：热轧车间高温、蒸汽、粉尘、振动等恶劣条件是常态。传感器必须能够在这种环境下稳定工作。

  • 影响：传感器容易因高温而损坏，或因粉尘、水汽、振动导致测量误差大、寿命短，甚至停机。

  • 选型建议：选择防护等级高（如IP65/IP67）、具有宽工作温度范围、支持冷却系统以及抗振动设计的产品。重点关注传感器能否直接测量高温物体，以及在有蒸汽、粉尘等遮挡物时的性能表现。

• 输出接口与系统集成性：

  • 实际意义：传感器与上位控制系统（PLC/DCS）的连接方式和数据传输效率。

  • 影响：接口不匹配或传输速率低会增加系统集成难度，甚至导致数据丢失或延迟，影响剪切精度。

  • 选型建议：选择提供多种标准工业接口（如RS232、RS485、RS422、SSI、Ethernet/IP、Profinet等）的传感器，确保与现有控制系统无缝对接，并支持高速数据传输。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在工业棒材热轧定长剪切的实际应用中，尽管选择了高性能的传感器，仍可能遇到一些挑战。

• 问题1：棒材高温变形与振动

  • 原因与影响：热轧状态下的棒材由于自身重力、冷却不均或轧制应力，可能出现轻微的弯曲、翘曲或晃动。这种变形和振动会导致测量点不稳定，使传感器测得的距离发生瞬时偏差，进而影响剪切精度。想象一下，如果棒材像一条抖动的蛇在前进，传感器测量它的长度自然会受到干扰。

  • 解决建议：

    1. 稳定测量点：在靠近测量区域设置导向辊或夹具，尽可能地稳定棒材的运动姿态，减少垂直方向的跳动和水平方向的摆动。

    2. 多点测量与数据融合：采用多个传感器同时测量，通过算法对数据进行滤波、平均或融合，消除单一测量点的瞬时误差。

    3. 高速采样与后处理：选择高测量频率的传感器，并对采集到的原始数据进行更复杂的数字信号处理（如中值滤波、卡尔曼滤波），去除毛刺和噪声。

• 问题2：恶劣环境干扰（高温、蒸汽、粉尘）

  • 原因与影响：热轧车间环境恶劣，高温会加速传感器老化；蒸汽和粉尘可能附着在传感器光学窗口上，阻挡激光束，或者在光路中形成散射，导致信号衰减，测量失准甚至中断。

  • 解决建议：

    1. 选择工业级传感器：选用防护等级高（如IP65/IP67）、能在高温环境下工作的传感器，并考虑配备专门的冷却外壳或气幕吹扫装置，保持光学窗口清洁和传感器内部温度稳定。

    2. 优化安装位置：将传感器安装在离高温、粉尘、蒸汽源相对较远且不易受直接冲击的位置，并加装物理防护罩。

    3. 定期清洁与维护：制定严格的传感器光学窗口清洁计划，并定期检查传感器的状态。

• 问题3：棒材表面状态变化

  • 原因与影响：热轧棒材表面可能存在氧化皮、水垢、粗糙度不均、颜色深浅不一等情况。这些表面特性会影响激光的反射率和散射特性，导致测量信号强度不稳定，甚至无法正常反射，影响测量精度。

  • 解决建议：

    1. 选择适应性强的传感器：选用具备测量深色或低反射率表面能力的激光测距传感器，或者对反射面要求低的测量技术（如光电速度长度传感器）。

    2. 优化激光参数：对于可调节的激光传感器，可以尝试调整激光功率、脉冲宽度或接收灵敏度。

    3. 校准与补偿：定期对测量系统进行校准，并针对不同表面状态或温度引入补偿算法，提高测量的鲁棒性。

• 问题4：系统延迟与剪切机构响应

  • 原因与影响：从传感器测量到控制系统发出剪切指令，再到剪切机构（如飞剪）实际完成剪切，整个过程存在时间延迟。如果延迟过大，或者剪切机构响应速度慢，棒材可能已经移动了很长一段距离，导致实际剪切位置与目标位置不符。

  • 解决建议：

    1. 优化控制算法：采用预测控制算法，根据棒材的实时速度和系统总延迟，提前计算并发出剪切指令。

    2. 选择高速响应设备：选择响应时间更快的传感器和剪切机构，缩短整个控制回路的延迟。

    3. 系统同步与校准：确保所有组件（传感器、控制器、执行器）的时间同步，并对整个系统的延迟进行精确测量和补偿。

4. 应用案例分享

• 高速线材轧制线定长剪切：在钢厂高速线材生产线上，激光测距传感器被用于实时监测高速运行的线材端头位置。当线材达到预设长度时，传感器发出信号触发飞剪进行精准剪切，确保每盘线材的长度符合标准，减少废料产生。

• 型钢生产线长度控制：大型型钢在热轧后需要按照不同订单进行定长切割。通过安装在型钢输送辊道两侧的激光测距系统，可以精确测量型钢的整体长度，并在冷却前或冷却后精确控制锯切位置，保证建筑构件的尺寸精度。

• 铝棒材挤压后切割：在铝合金棒材挤压成型后，其温度仍然较高，且需要立即进行定长切割。使用能够测量高温物体表面距离的激光测距传感器，可以实时提供准确的长度数据，确保后续加工的材料准备准确无误。在类似应用中，英国真尚有的LCJ系列高温激光测距传感器可以发挥重要作用。