如何在800°C高温、高速轧线环境下，实现棒材剪切长度±1毫米高精度控制？【非接触激光测长】

1. 棒材的基本结构与技术要求

在钢铁生产线上，棒材通常是指截面为圆形、方形、扁平或异形的钢材。这些棒材在经过轧制、冷却等工序后，需要被剪切成特定长度以满足后续加工或市场需求。

棒材的“基本结构”在这里更多地指其物理特性和在生产线上的状态：* 高温特征： 尤其是在初轧或精轧后的剪切阶段，棒材温度可能高达800°C甚至更高，表面会伴随红热、氧化皮、水蒸气等复杂现象。这对于测量设备的抗高温能力和穿透干扰能力提出了极高要求。* 高速运动： 棒材在生产线上通常以较高的速度连续输送，速度可达数十米每秒，且可能存在加减速过程。这意味着测量系统必须具备极快的响应速度和数据采集能力，才能捕捉到精确的瞬时速度。* 表面状态复杂： 棒材表面可能存在氧化皮、水垢、凹凸不平、反光不均匀等情况，这些都会影响非接触式测量设备的光信号接收或图像识别效果。* 振动与摆动： 运输过程中，棒材可能发生轻微的振动或摆动，导致其在测量区域内位置不稳定，影响测量的准确性。

针对棒材剪切长度控制，主要的技术要求包括：* 高精度： 剪切长度的误差直接影响产品质量和材料利用率，通常要求达到毫米甚至亚毫米级的精度。* 快速响应： 为了实现精准的定尺剪切，系统必须能够实时、快速地获取棒材的速度和位置信息，并迅速反馈给剪切设备。* 环境适应性： 测量设备需要能够在高温、多尘、水雾、蒸汽、强光照、振动等恶劣工业环境下长期稳定可靠运行。* 非接触式测量： 避免对高温棒材造成损伤，同时也防止测量设备自身因接触高温而损坏，并减少维护。

2. 针对棒材的相关技术标准简介

对于棒材的长度和尺寸控制，主要关注以下几个关键参数的定义和评价方法：

• 长度（Length）： 指棒材头部到尾部的直线距离。在剪切控制中，关键是获取棒材的实时运动速度，并通过时间积分得到精确的移动距离。评价方法通常是通过标准量具或更高精度的测量系统进行对比校准。

• 剪切定尺精度（Cutting Length Accuracy）： 指实际剪切长度与目标设定长度之间的偏差。这是衡量剪切控制系统性能的核心指标。评价时会统计一批棒材的剪切长度偏差，通常用平均值、标准差或最大偏差来表示。

• 速度（Speed）： 棒材在生产线上的移动速率。精确的速度测量是实现长度控制的基础。评价速度测量的准确性通常采用与高精度编码器或另一已知准确度的测速系统进行同步对比。

• 直径/截面尺寸（Diameter/Sectional Dimension）： 尤其是对于圆形棒材，直径的一致性也很重要。虽然不是直接的长度参数，但一些测量技术可以在测量长度的同时监测直径或截面形状。评价方法通常通过高精度测微仪或视觉系统对棒材的横截面进行扫描和分析。

• 直度（Straightness）： 棒材沿其轴线的弯曲程度。虽然不直接影响长度剪切，但过于弯曲的棒材可能导致测量点偏离或在输送过程中卡滞，间接影响剪切精度。评价通常采用激光对中或视觉检测棒材的直线度。

3. 实时监测/检测技术方法

在棒材剪切长度控制中，为了满足高精度和快速响应的需求，市面上涌现了多种先进的非接触式测量技术。

(1) 市面上各种相关技术方案

a. 激光多普勒测速测长技术这种技术利用的是“多普勒效应”，即当光源（这里是激光）和反射面（棒材表面）之间有相对运动时，反射回来的激光频率会发生变化。传感器发射一束或多束激光，它们在棒材表面形成一个细小的干涉区域。当棒材穿过这个区域时，其表面的微小颗粒或纹理会反射激光。由于棒材在运动，反射光会携带一个频率偏移，这个偏移量与棒材的运动速度成正比。

其核心物理基础是多普勒频移：频率偏移 f_d = (2 * v * cosθ) / λ其中，v 是棒材的速度，λ 是激光波长，θ 是激光束与运动方向的夹角。通过精确测量这个频率偏移 f_d，就可以计算出棒材的瞬时速度 v。然后，系统通过对瞬时速度进行时间积分（即把每一个微小时间内的速度乘以这个时间，再把这些结果累加起来），就能得出棒材移动的总长度。

核心性能参数：* 精度：高精度激光多普勒测速测长系统工厂校准精度通常优于0.05%，重复性可达0.02%。* 响应速度：内部测量速率极高，可达200kHz，这意味着每20微秒就能进行一次测量输出，能精准捕捉高速运动。外部数据更新率通常在数百Hz到数kHz之间。* 测量范围：速度测量范围广，从静止到高速可达10,000 m/min。* 安装距离：根据型号不同，最远安装距离可达2000mm，适合不同工况。

优点：* 极高的精度和重复性： 依靠物理效应直接测量速度，不受表面粗糙度、颜色、温度变化的影响，因此测量精度非常高。* 快速响应： 由于其内部高测量速率，能够实时、准确地捕捉物体瞬时速度变化，对于高速生产线上的动态剪切控制至关重要。* 非接触式： 不磨损被测物，也无自身磨损，非常适合高温、高磨损的钢铁棒材应用。* 无累积误差： 长度测量是基于瞬时速度的积分，而非步进计数，因此不会产生机械接触式测量中常见的累积误差。* 支持零速和方向识别： 可以精确测量静止或低速状态，并识别运动方向。

缺点：* 对传感器安装位置和角度有一定要求，需要确保激光束能够有效照射到被测表面并接收反射信号。* 受限于激光的穿透性，在极度浓密的蒸汽或粉尘环境下可能需要辅助净化装置。* 初始投入成本相对较高。

b. 飞行时间（TOF）激光测距技术 (激光雷达)飞行时间激光测距技术，可以想象成我们对着一个物体大喊一声，然后测量声音从发出到听到回音所用的时间。激光测距仪（或称激光雷达）发射一个激光脉冲，这个脉冲以光速传播，碰到棒材表面后反射回来，传感器接收到回波脉冲。通过精确测量激光从发出到接收的时间差（飞行时间），就可以计算出传感器到棒材表面的距离。

距离 D = (C * t) / 2其中，C 是光速，t 是激光脉冲的飞行时间。对于棒材剪切长度测量，这种技术通常不是直接测速测长，而是通过扫描（如2D激光雷达）来获取棒材的轮廓，或者通过固定位置的多个传感器来判断棒材的起始和结束位置，然后结合外部同步信号计算长度。当被测物移动时，通过多次距离测量，配合时间信息，也可以间接计算出速度和长度。

核心性能参数：* 测量范围：可达数百米，适合长距离测量。* 测量精度：距离测量精度通常在毫米级到厘米级，例如±5 mm。* 测量频率：每秒数百次到数千次。

优点：* 测量距离远： 能够应对大型棒材或长距离的定位需求。* 抗环境干扰能力强： 对高温、多尘、水雾有较好的鲁棒性，一些工业级产品设计有高防护等级。* 可获取二维轮廓： 2D激光雷达可以扫描得到棒材的横截面轮廓，用于识别头部和尾部特征。

缺点：* 精度相对较低： 相较于激光多普勒或平行光束扫描，单一距离测量的精度通常较低，不适合对剪切长度有极高精度要求的场景。* 响应速度相对一般： 虽然测量频率较高，但要通过距离变化来推算速度和长度，其对瞬时速度变化的捕捉能力不如激光多普勒直接。* 受表面反射率影响： 极端暗或高反光的表面可能影响测量稳定性。

c. 平行光束扫描法 (阴影扫描法)这种方法可以理解为用一个极细的光栅尺去“扫描”棒材。传感器发射一束宽度均匀且平行的激光束（想象成一把非常直的激光“刀”），棒材通过测量区域时会遮挡部分激光，在接收端形成一个“阴影”。通过高精度的CMOS图像传感器捕获未被遮挡的光线，然后测量这个阴影部分的宽度，就能确定棒材的直径或宽度。对于长度测量，则需要检测棒材的头部和尾部何时进入和离开这个测量区域，并结合棒材的移动速度来计算长度。

核心性能参数：* 测量范围：通常为几十毫米，适合精密尺寸测量。* 重复精度：可达微米甚至亚微米级别（如±0.03 μm）。* 采样速度：可达数千赫兹。

优点：* 极高的测量精度： 尤其适合对棒材直径或精密尺寸有严苛要求的场景。* 测量稳定： 不受棒材表面颜色、材质等影响，因为只测量光线遮挡的几何尺寸。* 非接触： 无磨损。

缺点：* 测量范围有限： 通常只能测量小直径的棒材或在特定区域进行高精度局部尺寸测量。* 长度测量需结合测速： 无法直接测量运动速度，需要配合其他测速装置才能实现精准的长度控制。* 对环境要求高： 测量区域需尽量避免烟雾、水蒸气、粉尘等对光束路径的干扰，否则可能影响精度。

d. 激光三角测量法激光三角测量法的工作原理就像我们用双眼看物体，根据两个眼睛看到同一个物体角度的差异来判断距离。传感器发射一道激光线（不是点，是一条线）投射到棒材表面，形成一个可见的激光轮廓线。当棒材表面高度变化时，这条激光线在不同位置的反射光线会以不同的角度反射到接收器（通常是CMOS或CCD传感器）。通过几何三角关系，传感器可以根据反射光线在接收器上的位置，精确计算出棒材表面上激光线每个点的三维坐标，从而获取棒材的二维轮廓数据。通过连续获取这些轮廓数据并结合棒材的运动，可以测量长度、直径甚至形状。

核心性能参数：* 测量范围（Z轴）：通常为几十到一百多毫米。* 轮廓点数：通常为数百到数千点，提供高分辨率的轮廓。* 轮廓扫描频率：可达数千赫兹。* 重复精度（Z轴）：可达微米级别（如0.5 μm）。

优点：* 获取高分辨率的二维轮廓： 不仅能测长度和直径，还能检测棒材的截面形状、缺陷和表面不规则性。* 对表面纹理和光照变化有较强鲁棒性： 相比机器视觉，激光轮廓仪对环境光干扰和表面纹理变化的适应性更强。* 非接触测量： 适合高温或易损棒材。

缺点：* 测量视野有限： 测量宽度和高度（Z轴）范围相对有限，对于超大型棒材可能需要多个传感器协同工作。* 计算量大： 处理大量的轮廓数据需要较强的计算能力。* 可能受蒸汽和粉尘影响： 激光线路径上的介质干扰可能影响测量效果。

(2) 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在棒材剪切长度测量领域表现突出的国际知名品牌。

• 日本基恩士 日本基恩士在精密测量领域以其极高的精度和稳定性著称。其LS-9000系列采用平行光束扫描法，通过阴影扫描原理来测量棒材的尺寸。该系列产品的重复精度可达±0.03 μm，线性度±1.5 μm，采样速度高达16 kHz。这使得它在对尺寸精度有极致要求的精密棒材加工行业具有显著优势，能够精确监测棒材直径，并结合外部测速系统实现长度控制。

• 英国真尚有 英国真尚有AJS10X系列传感器专为工业应用中的移动物体和材料的非接触式速度和长度测量研发，采用激光多普勒测量原理。其工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，内部测量速率高达200kHz，可测最高速度达10,000 m/min。该系列特别是AJS102系列，设计上能够应对极端环境中大型物体的测量，例如高温钢铁，且提供冷却外壳选项，使其在高温环境下具有卓越的精度和响应速度。它能直接提供高精度的速度和长度数据，非常适合用于钢铁棒材的高速剪切控制。

• 芬兰拉赛泰克 芬兰拉赛泰克LaseLDM系列工业激光测距仪采用飞行时间（TOF）激光测距原理，本质上是一种激光雷达。该产品以其坚固耐用和在恶劣工业环境中的稳定运行而闻名，特别是在高温、多尘、高振动的重工业应用。其距离测量范围可达300米，精度为±5 mm，测量频率可达100 Hz（可配置至500 Hz）。它主要用于长距离的定位和大型棒材的起点终点识别，进而推算剪切长度，尤其适合对测量距离和环境适应性要求高的场景。

• 德国米铱 德国米铱的scanCONTROL 3000系列激光线扫描仪应用了激光三角测量原理。它能够发射一道激光线投射到棒材表面，获取高分辨率的二维轮廓数据。这款传感器的Z轴重复精度达到0.5 μm，轮廓扫描频率可达2000 Hz（甚至3000 Hz），能够精确测量棒材的剪切长度，并同时检测截面形状。其强大的抗环境光和表面纹理干扰能力，使其在处理复杂截面或表面不规则棒材的长度及形状检测方面表现出色。

(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

在为钢铁棒材剪切长度控制选择合适的传感器时，以下几个技术指标至关重要：

• 测量精度与重复性：

  • 实际意义： 精度决定了测量结果与真实值之间的接近程度，重复性则体现了多次测量结果的一致性。在剪切长度控制中，这直接关系到剪切定尺的合格率和材料的利用效率。

  • 影响： 精度不足会导致剪切出的棒材长度不达标，产生废料或需要二次加工；重复性差则使得生产过程不稳定，难以进行有效控制。

  • 选型建议： 对于要求严苛的精密棒材，应选择精度和重复性指标达到0.1%甚至0.05%以上的高精度激光多普勒或平行光束扫描传感器。如果只是粗略定位，则TOF激光测距仪可能足够。

• 响应速度与测量频率：

  • 实际意义： 响应速度是指传感器对被测物变化作出反应并输出结果所需的时间。测量频率（或内部测量速率）是指传感器每秒能进行多少次独立测量。对于高速运动的棒材，更快的响应速度和更高的测量频率意味着系统能更及时、更细致地捕捉到速度变化，从而实现更精准的瞬时控制。

  • 影响： 响应速度慢会导致剪切指令滞后，造成剪切误差；测量频率低则可能遗漏瞬时加速或减速过程中的速度变化，影响长度累积的准确性。

  • 选型建议： 对于高速、动态变化频繁的棒材生产线，应优先选择内部测量速率高的激光多普勒测速测长传感器。

• 环境适应性（耐高温、防尘防水）：

  • 实际意义： 钢铁生产线环境恶劣，高温、水蒸气、氧化皮、粉尘等是常态。传感器必须能够在此类环境下稳定工作而不受损，且测量性能不下降。

  • 影响： 环境适应性差的传感器容易出现故障，影响生产连续性；在高温下性能漂移则会降低测量准确性。

  • 选型建议： 重点关注设备的防护等级（如IP67或更高），以及是否有专门针对高温环境的防护措施，如冷却外壳、空气吹扫接口等。激光多普勒和TOF激光雷达在恶劣环境下的表现通常优于普通光学传感器。

• 测量范围与安装距离：

  • 实际意义： 测量范围决定了传感器能覆盖的速度和长度区间，安装距离则指传感器与棒材之间的最佳工作距离。

  • 影响： 测量范围不匹配会导致无法覆盖所有生产工况；安装距离不足可能导致传感器离高温棒材过近而损坏，或与生产线机械结构冲突。

  • 选型建议： 根据实际生产线布局和棒材运动特点选择。如果需要长距离测量，TOF激光测距仪有优势；如果需要近距离高精度，激光多普勒和激光三角测量则更合适。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁棒材剪切长度控制的实际应用中，尽管选择了高性能传感器，仍可能遇到一些挑战：

• 问题1：高温环境干扰

  • 原因与影响： 高温不仅仅指棒材本身，也包括周围空气温度升高。这可能导致传感器内部电子元件过热，影响其稳定性和测量精度。棒材表面散发的热辐射和高温水蒸气也可能干扰激光束的传输路径，降低信号强度。

  • 解决方案：

    • 冷却系统： 务必为传感器配置专用的冷却外壳或水冷系统，确保其工作在推荐温度范围内。例如，一些激光测速测长传感器提供可选的冷却外壳，可用于高温环境。

    • 空气吹扫： 在传感器镜头前安装空气吹扫装置，用压缩空气形成“气帘”，有效阻挡高温蒸汽、灰尘和氧化皮飞溅物附着在镜头表面，保持光路清晰。

• 问题2：棒材表面状况复杂

  • 原因与影响： 棒材表面可能存在严重的氧化皮、水垢、凹凸不平、反光不均匀，甚至有铁锈或油污。这些因素会改变激光的反射特性，导致信号强度不稳定，甚至无法有效接收反射信号，进而影响测量精度和稳定性。

  • 解决方案：

    • 选择适应性强的传感器： 激光多普勒原理对表面粗糙度、颜色变化有较好的鲁棒性，因为它测量的是频率偏移而非反射光强度。

    • 优化安装角度： 调整传感器与棒材之间的角度，寻找最佳的反射接收点，尽量避开表面高反光或镜面反射区域。

    • 表面处理： 在某些情况下，若条件允许，可考虑对棒材测量区域进行简单的除锈或清洁，但这在高速生产线上通常难以实现。

• 问题3：棒材振动与摆动

  • 原因与影响： 在输送过程中，棒材可能因轧机振动、导卫板磨损或其他机械因素而发生轻微的上下或左右摆动。这会导致传感器与棒材之间的距离或角度发生微小变化，影响测量的准确性，特别对于依赖精确光路对准的系统。

  • 解决方案：

    • 优化机械支撑： 确保棒材在测量区域有稳定的导卫系统，减少振动和摆动。

    • 选择大景深传感器： 具有较大景深（允许测量距离有一定变化范围）的传感器能更好地适应棒材的轻微摆动。

    • 数据滤波： 在软件层面引入滤波算法，平滑测量数据，消除由瞬时振动引起的高频噪声。

• 问题4：数据通信与系统集成

  • 原因与影响： 测量传感器的数据需要实时传输给PLC或DCS等控制系统，以协调剪切设备的动作。如果通信接口不兼容、传输速度慢或协议不匹配，可能导致数据延迟或丢失，影响剪切控制的实时性。

  • 解决方案：

    • 选择兼容的接口： 优先选择支持主流工业以太网协议（如PROFINET、EtherNet/IP）或CANbus、RS-232等标准接口的传感器，确保与现有控制系统无缝集成。

    • 无线通信辅助： 针对调试和诊断，内置WiFi等无线连接能力可以提供极大的便利，减少现场接线，并支持移动应用进行快速配置。

4. 应用案例分享

• 高速线材轧机定尺剪切： 在高速线材轧制线上，可采用激光多普勒测速测长传感器精确测量移动中线材的速度，实时计算累计长度，指导飞剪在毫秒级内完成高精度定尺剪切，确保每盘线材长度一致。

• 棒材生产线分段切割优化： 传感器实时监测高温棒材的运动状态和长度，结合缺陷检测结果，智能优化分段切割方案，最大限度提高材料利用率并减少次品。

• 钢管生产线的在线长度测量： 在钢管生产过程中，激光测速测长传感器被用于非接触式测量高速移动钢管的长度，为后续的锯切、定尺或打捆提供准确数据，确保产品符合规格。

• 冷轧带钢或板材的长度控制： 在冷轧生产线上，传感器监控带钢或板材的卷取速度和累计长度，实现精确的卷径控制和定长分卷，提高生产效率和产品质量。