如何在高速卷材定尺切割中，实现0.05%级的非接触测速测长精度？【自动化产线，质量控制】

1. 卷材的基本结构与技术要求

在工业生产中，我们所说的“卷材”是一个广泛的概念，它指的是那些以连续卷状形式储存和运输的材料，比如纸张、薄膜、纺织物、铝箔、钢带、线缆、橡胶片等等。这些材料通常都具有柔韧性，并且在生产线上会以一定的速度持续移动。

对于卷材的切割生产来说，它的核心要求是“精准”。想象一下，我们要把一大卷的材料切割成固定长度的小块，就像把一卷壁纸剪成一张张相同长度的墙布。这里面最重要的技术要求包括：

• 精确的长度控制： 每一段切割出来的材料都要达到预设的长度，误差要尽可能小。如果长度不准，轻则造成材料浪费，重则影响后续产品的组装和功能。

• 稳定的运行速度： 卷材在生产线上的运行速度需要稳定且可控，这不仅关系到切割效率，也直接影响到长度测量的准确性。速度忽快忽慢，会给测量和切割带来挑战。

• 高生产效率： 在保证精度的前提下，生产线需要尽可能快地运行，以满足市场需求，降低生产成本。

这些要求都对速度和长度的测量提出了非常高的标准，尤其是卷材的特性（如表面光滑度、张力变化、厚度不均等）往往会给传统的测量方式带来不小的挑战。

2. 针对卷材的相关技术标准简介

为了确保卷材加工的质量，行业内通常会关注一系列关键的监测参数。这些参数的定义和评价方法是衡量产品质量和生产过程控制水平的基础，即使我们不深入具体的标准条款，理解它们也是至关重要的。

• 长度（Length）： 这是最直观的参数，指卷材在切割后达到的物理尺寸。评价方法通常是测量实际切割长度与目标设定长度之间的偏差。例如，如果目标是1000毫米，实际切割出了1001毫米或999毫米，那么就需要评估这个1毫米的偏差是否在可接受的范围内。

• 速度（Speed）： 指卷材在生产线上单位时间内移动的距离。速度的监测通常是为了确保生产过程的稳定性和同步性。评价方法关注速度的波动范围，比如在设定速度为100米/分钟时，实际速度是否始终保持在99.5至100.5米/分钟之间，以及速度变化的平稳性。

• 张力（Tension）： 指施加在卷材上的拉力，对薄膜、纸张等柔性材料尤为重要。张力过大可能导致材料拉伸变形甚至断裂，过小则可能导致卷材松弛、跑偏或测量不准。评价方法通常是设定一个张力范围，并实时监测其是否维持在该范围内。

• 宽度（Width）： 指卷材横向的尺寸。虽然在切割生产中通常不是直接测量速度和长度的参数，但在某些应用中，如分切或边部修整时，对宽度的精确监测可以确保产品的规格符合要求。评价方法通常是测量实际宽度与设定宽度之间的偏差。

这些参数的准确获取和稳定控制，直接决定了最终产品的质量和生产线的运行效率。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在卷材切割生产中，为了实现对材料速度和长度的精准控制，市面上有多种实时监测技术方案。这些方案各有特点，适用于不同的应用场景和精度要求。

a. 机械接触式测量方案（如接触式编码器）

工作原理和物理基础： 这种方案很好理解，就像我们小时候玩的玩具车上的里程表。它通过一个精密加工的测量轮直接与卷材表面接触。当卷材移动时，摩擦力会带动测量轮同步转动。测量轮的转动会被一个编码器（Encoder）捕捉并转换成电脉冲信号。编码器每转动一圈会发出固定数量的脉冲，通过计算单位时间内发出的脉冲数量，就可以得出卷材的速度；将脉冲总数乘以测量轮的周长再除以编码器每圈的脉冲数，就可以得到卷材的累积长度。

其核心计算公式是：速度 V = (脉冲数 / 时间) * 测量轮周长 / 编码器每转脉冲数长度 L = 总脉冲数 * 测量轮周长 / 编码器每转脉冲数

核心性能参数的典型范围： 精度通常在0.1%到1%之间，这取决于测量轮的制造精度、安装方式以及卷材表面的特性。分辨率可以达到微米级别，但实际应用中受限较多。响应时间较快，但由于机械惯性，对高速瞬时变化响应会有延迟。

技术方案的优缺点：* 优点： 结构简单，成本相对较低，技术成熟，安装和维护相对容易。* 缺点： 最大的问题是机械磨损和打滑。测量轮长期与材料接触会磨损，导致测量轮直径变化，进而影响精度。更关键的是，如果卷材表面光滑、湿润、柔软或张力不稳定，测量轮很容易打滑，就像汽车轮胎在湿滑路面上打滑一样，这时测量轮还在转，但材料实际移动的距离却少了，这就会引入不可累积的测量误差。此外，接触测量还可能对一些敏感材料（如软薄膜）表面造成压痕或损伤。

b. 激光多普勒测量方案

工作原理和物理基础： 想象一下，交警用雷达枪测车速。雷达枪发出无线电波，车动了，反射回来的波频率就变了，频率变化越大车速越快。激光多普勒测速测长传感器用的是类似原理，不过它用的是激光。

它会发射两束高度一致（相干）的激光束，这两束激光会在被测卷材的表面形成一个非常细密、明暗交替的“光栅”或者叫“干涉条纹场”。当卷材带着它表面那些微小的、我们肉眼看不见的颗粒或纹理通过这个光栅区域时，这些颗粒会散射激光。由于材料在运动，散射光的频率会发生微小的变化，这就是所谓的“多普勒效应”。传感器会接收这些散射光，并检测它们频率上的差异（即“多普勒频移”）。这个多普勒频移的频率（fd）与材料的运动速度（V）成正比。

其核心物理公式可以表示为：fd = (2 * V * sin(α)) / λ其中，fd 是多普勒频移频率，V 是卷材的速度，α 是两束入射激光束夹角的一半（即光束与表面法线的夹角），λ 是激光的波长。

一旦我们通过检测fd知道了材料的瞬时速度V，就可以通过对速度进行时间积分来精确计算出材料移动的长度：L = 积分(V dt) （即长度等于速度乘以时间，再累加起来）

核心性能参数的典型范围： 激光多普勒测量具有非接触、高精度的特点，测量精度通常优于0.05%，一些高端系统重复性甚至可达0.02%。 测量速率非常快，能捕捉到高速的运动变化。速度测量范围宽泛，从低速到极高速均可测量。

技术方案的优缺点：* 优点： 最大的优势是非接触测量。这意味着它不会对卷材表面造成任何磨损或损伤，也没有机械打滑的风险，因此测量结果非常稳定和精确，且无需维护。它能适应各种表面材质（如纸张、薄膜、金属、橡胶），即便材料表面存在一定抖动或安装距离有轻微变化，也能保持较高精度。特别适合需要极高精度和速度的生产线，以及对材料表面要求严格的场景。* 缺点： 相较于机械式方案，激光多普勒传感器的初始投资成本通常较高。虽然现代技术已经大大提高了其对不同表面特性的适应性，但对于极度透明或镜面反射的材料，可能需要特定的安装角度或表面处理才能获得最佳效果。

c. 机器视觉测量方案

工作原理和物理基础： 这种方案就像用一台非常聪明的相机来“看”和“量”卷材。它使用高分辨率工业相机拍摄卷材的图像，然后利用内置的图像处理器和复杂的视觉软件算法来分析这些图像。这些算法可以识别材料的边缘、特定的图案或标记，并根据预先校准好的像素与实际尺寸的对应关系，计算出卷材的长度、宽度，甚至检测缺陷。比如，它可以连续拍摄卷材，通过计算相邻图像中同一个特征点的位移来推算速度，或通过测量图片中切割点到下一个特征点的像素距离来确定长度。

核心性能参数的典型范围： 测量精度可达到像素级别，这通常意味着微米到几十微米的级别，具体取决于相机的分辨率、镜头质量、视野大小和校准精度。图像采集速度可达数百帧/秒，响应速度相对较快。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的灵活性和多功能性。它不仅可以测量长度和速度，还能同时进行宽度测量、缺陷检测（如划痕、污点）、定位校准等。适用于各种复杂形状和表面纹理的材料，是非接触式测量。* 缺点： 对环境光照条件要求较高，需要稳定的光源才能获得清晰的图像。计算量大，处理速度可能受限于硬件性能。对于高速卷材，图像模糊可能影响测量精度。初始设置和校准较为复杂，成本通常较高。

d. 光学直线编码器方案

工作原理和物理基础： 光学直线编码器有点像一把刻度非常精密的尺子和一把放大镜的组合。它由两部分组成：一个固定在运动路径上的“光栅尺”（上面刻有极其精密的周期性刻线）和一个“读数头”。读数头会发射光线穿过光栅尺，由于光栅尺上的刻线非常细密，光线穿过时会产生干涉现象，形成莫尔条纹。当读数头沿着光栅尺移动时，这些莫尔条纹会发生周期性变化。读数头内部的光电元件会捕捉这些变化，并将其转换为一系列高频正弦信号。通过对这些信号进行电子细分和计数处理，就可以极其精确地计算出读数头的线性位移量。

核心物理公式： 线性位移量 = 计数脉冲数 × （光栅周期 / 电子细分倍数）

核心性能参数的典型范围： 精度极高，部分产品可达到±2微米甚至更高，分辨率更是能达到纳米级别。最大测量长度可达几十米，最高移动速度也可达每分钟120米。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度和分辨率都非常高，具有出色的长期稳定性。无论是封闭式还是开放式设计，都能提供非常直接和可靠的线性位移测量。封闭式光栅尺坚固耐用，能有效抵抗灰尘、切屑和液体等恶劣工业环境的影响；开放式则因无机械接触，减少了磨损，适用于对极致精度要求更高的应用。* 缺点： 主要用于测量固定路径上的线性位移，不直接测量卷材的输送速度和长度，而是测量切割刀具或卷材定位平台的位移。需要将光栅尺物理安装在运动轴上，安装相对复杂，成本也较高。开放式光栅尺对环境清洁度有要求。

（2）市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市场上一线品牌在这些技术方案上的代表产品和各自的优势。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光三角测量法。这种技术主要用于高精度位移和厚度测量。传感器发射激光束到被测物表面，反射光通过接收镜头聚焦到CMOS传感器上。根据反射光点在CMOS传感器上的位置变化，通过几何三角关系计算出距离。在卷材切割中，它可以用于精确的材料定位、厚度检测或切割位置的微调，间接辅助切割精度。

  • 核心参数： 测量范围通常在±15毫米到±800毫米，重复精度可达0.5微米至10微米，响应速度快至0.5毫秒，线性度±0.05% F.S.。

  • 应用特点和独特优势： 以其极高的测量精度和重复性著称，对不同颜色和粗糙度表面有较强的适应性。其产品易于集成到自动化生产线中，是精密定尺裁剪、厚度测量和定位控制中的强力辅助工具。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光多普勒测量原理。这是一种非接触式测量技术，传感器发射两束激光在材料表面形成干涉场，通过检测散射光的频率变化（多普勒频移）来精确计算材料的速度和长度。

  • 核心参数： 英国真尚有的AJS10X系列激光测速测长传感器，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，每20微秒输出一次测量结果。速度测量范围从静止到10,000米/分钟，最大加速度响应能力达1000m/s²。

  • 应用特点和独特优势： 英国真尚有的产品优势在于非接触、高精度、无磨损、无打滑，特别适合高速、连续的卷材生产线。无论材料是光滑还是粗糙，柔软还是坚硬，都能提供极其可靠的速度和长度数据，对于线缆、管材、薄膜、纸张等卷对卷或定长切割生产过程中的精确控制至关重要。全固态设计，IP67防护等级，确保在恶劣工业环境下的长期可靠性。

• 德国海德汉

  • 采用技术： 透射式光栅扫描原理（光学直线编码器）。通过在运动轴上安装精密光栅尺，读数头扫描光栅尺的刻线并产生莫尔条纹，将条纹的相对位移转换为电信号，从而精确测量线性位移。

  • 核心参数： 精度等级可达±2微米，分辨率可达0.001微米（1纳米），最大测量长度可达30米，最高移动速度可达120米/分钟。防护等级达IP64。

  • 应用特点和独特优势： 在数控机床和精密加工设备领域是行业标准，以其极高的测量精度、长期稳定性和坚固耐用性而闻名。能有效抵抗灰尘、切屑和液体等恶劣工业环境的影响，是高精度定尺裁剪和定位控制的理想选择。

• 美国康耐视

  • 采用技术： 机器视觉图像处理技术。通过高分辨率工业相机捕捉卷材图像，利用内置的视觉软件工具（如边缘检测、模式匹配）分析图像中的像素数据，精确识别物体边缘、计算长度、宽度等尺寸信息。

  • 核心参数： 图像分辨率从VGA到500万像素不等，图像采集速度高达数百帧/秒，测量精度可达像素级别。

  • 应用特点和独特优势： 提供非接触、高灵活性的全面质量控制解决方案。它不仅可以进行定尺测量，还能同时检测多种尺寸和质量特征，特别适合复杂形状、不同材质和表面纹理的材料，尤其擅长高速、在线的批量检测和缺陷检测。

（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

在选择卷材切割生产中的测速测长设备时，不能只看一个参数，而是要综合考虑以下几个关键的技术指标，并根据实际应用场景做出权衡。

• 精度（Accuracy）和重复性（Repeatability）：

  • 实际意义： 精度是指测量值与真实值之间的接近程度，它决定了切割长度的绝对误差。重复性是指多次测量同一位置或同一长度时结果的一致性，它决定了批量生产中切割长度的稳定性。

  • 影响： 高精度和高重复性是确保切割质量和减少材料浪费的基石。如果精度或重复性差，就可能出现一批产品长度不一，导致废品率上升或无法满足客户要求。

  • 选型建议： 对于高价值、高要求的材料（如精密电子薄膜、特种合金带材），应优先选择精度优于0.05%甚至更高的激光多普勒或光学直线编码器。对于普通材料，0.1%-0.5%精度的设备可能也足够。

• 测量原理（接触式 vs. 非接触式）：

  • 实际意义： 接触式（如机械编码器）需要物理接触材料，非接触式（如激光多普勒、机器视觉）则无需。

  • 影响： 接触式可能导致材料磨损、压痕，引入打滑误差，并需要定期维护；非接触式则避免了这些问题，但可能对材料表面特性有要求。

  • 选型建议： 除非成本是绝对主要考虑因素且对精度要求不高，否则强烈推荐非接触式方案，尤其是对于柔软、易损、光滑或高速运行的卷材。

• 速度测量范围和最大加速度响应能力：

  • 实际意义： 指传感器能测量的最低和最高速度，以及在速度快速变化时传感器能多快、多准确地响应。

  • 影响： 如果生产线需要从静止启动，或者在生产过程中速度经常变化，传感器必须能快速准确地捕捉这些变化，否则会导致长度累积误差。

  • 选型建议： 对于高速生产线（例如超过100米/分钟）或频繁启停、加减速的生产线，激光多普勒传感器通常是最佳选择，因为它能支持极宽的速度范围和高加速度响应。

• 测量速率（Update Rate）：

  • 实际意义： 指传感器每秒钟能输出多少次测量数据。

  • 影响： 更高的测量速率意味着更实时、更精细的速度和长度数据，这对于高速切割、快速反馈控制至关重要。

  • 选型建议： 对于需要毫秒级响应的精密控制系统，应选择测量速率在数百到数千次/秒的设备。

• 环境适应性（Environmental Robustness）：

  • 实际意义： 指传感器在粉尘、潮湿、高温、震动等恶劣工业环境下的工作能力和防护等级。

  • 影响： 恶劣环境可能导致传感器性能下降、故障率增加，甚至损坏。

  • 选型建议： 考虑生产现场的具体环境。例如，在钢铁、造纸等重工业领域，IP67或更高防护等级、支持宽温工作范围的激光多普勒传感器或封闭式光学直线编码器更为合适。

• 通信与集成功能：

  • 实际意义： 传感器提供哪些通信接口（如以太网、RS-232、CANbus、Profinet、EtherNet/IP等），是否易于与现有PLC、上位机系统集成。

  • 影响： 良好的通信接口和集成功能可以简化系统设计，降低开发和调试难度，实现数据的快速传输和控制。

  • 选型建议： 优先选择支持主流工业总线和多种通信接口的传感器，方便与生产线上的其他设备协同工作。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了先进的测速测长设备，也可能遇到一些问题。理解这些问题的根源并采取预防措施至关重要。

• 问题1：机械式测量中的打滑和磨损导致精度下降。

  • 原因和影响： 测量轮与卷材之间的摩擦系数不稳定，或卷材表面光滑、湿润、张力不均等，都可能导致测量轮打滑，使得传感器实际计算的长度多于卷材真实移动的长度，造成切割过长。同时，长期接触会使测量轮磨损，直径变小，导致切割过短。这些累积误差在长距离测量中尤其明显。

  • 解决建议：

    1. 根本解决： 升级为非接触式测量方案，如激光多普勒传感器。这是最彻底且高效的方案。

    2. 短期措施： 定期检查测量轮的磨损情况，并进行校准或更换。确保测量轮与材料之间有足够的、稳定的接触压力。选用高摩擦系数的测量轮，并保持卷材表面清洁干燥。

• 问题2：非接触式测量对材料表面特性的敏感性。

  • 原因和影响： 某些激光传感器或机器视觉系统可能对极度镜面反射、透明、或颜色变化剧烈的材料表面测量不稳定，导致数据跳变或无法测量。

  • 解决建议：

    1. 激光多普勒： 选择具备先进信号处理能力和自适应算法的传感器，它们能更好地应对不同表面。调整传感器的安装角度或距离，有时可以改善测量效果。对于极端情况，可在材料表面喷涂薄层无损的消光剂或制作特定标记。

    2. 机器视觉： 优化照明系统，使用漫射光源或特定光谱的光源，以消除反光或增强对比度。调整相机参数，如曝光时间、增益等，以适应材料特性。

• 问题3：环境因素对传感器性能的影响。

  • 原因和影响： 生产现场的灰尘、油污、水汽、高温、振动等都会影响传感器的光路、电子元件或机械部件，导致测量精度漂移、故障甚至损坏。

  • 解决建议：

    1. 防护： 为传感器安装防护罩或冷却外壳（针对高温环境），确保其防护等级（如IP67）符合环境要求。

    2. 清洁： 定期清洁传感器的光学窗口，避免灰尘和油污积累。

    3. 安装： 确保传感器安装稳固，远离振动源，或采用减振措施。

• 问题4：安装和校准误差。

  • 原因和影响： 传感器安装角度不准确、测量距离不符合要求、初始校准不当，都会导致系统性测量误差，即使传感器本身精度很高也无法弥补。

  • 解决建议：

    1. 严格遵循安装手册： 确保传感器与被测材料之间保持正确的安装角度和测量距离。

    2. 定期校准： 使用标准长度的参照物定期对传感器进行校准，确保其输出数据与真实长度一致。一些先进的传感器可能带有自校准功能，可以简化这一过程。

    3. 专业调试： 在系统集成初期，寻求专业技术人员进行现场调试和优化。

4. 应用案例分享

• 薄膜和纸张加工： 在薄膜分切机或纸张复卷机上，激光测速测长传感器可以高精度地控制材料的卷取长度和速度，确保每一卷产品的米数准确无误，避免因长度误差导致的浪费。例如，英国真尚有的传感器可应用于此类场景，实现精确测量。

• 线缆和管材生产： 在电线电缆、塑料管材的挤出和切割环节，激光测速测长传感器能够实时监测生产速度并精确累积长度，指导切割机在达到预设长度时进行精准切断，极大提高了定长切割的精度和效率。

• 钢铁带材加工： 在冷轧、酸洗或镀锌线上，高温、高速的钢带对测量设备提出了严苛要求。激光测速测长传感器因其非接触和耐高温特性，能够稳定测量钢带的速度和长度，为后续的定尺切割和在线质量控制提供可靠数据。

• 纺织品和无纺布生产： 纺织材料的柔软和弹性特性使得机械测量极易打滑。激光多普勒传感器可以有效避免接触带来的误差，确保纺织品和无纺布在裁剪、分卷等环节的长度一致性，提升产品质量。