棒材轧制生产线在高温高速环境下，如何通过非接触式测长技术实现±3mm的定尺剪切精度？【智能检测】

第1部分：基于棒材的基本结构与技术要求

在棒材的生产线上，我们面对的通常是长条状、截面呈圆形或方形的金属材料。这些棒材在经过轧制、冷却等工序后，需要被精确地剪切成特定长度，以满足后续加工或最终产品的要求。

对于棒材的剪切过程来说，有几个核心的技术要求：

• 精确的剪切长度： 这是最基本也是最重要的要求。想象一下，如果剪切的棒材长短不一，就像是一批制造螺栓的原材料，有的太长，有的太短，那么后续的螺纹加工就无法顺利进行，会造成大量废品。精确的长度控制直接影响产品的质量和材料利用率。

• 稳定的生产速度： 棒材生产通常是连续的，为了保证生产效率和一致性，需要维持棒材在生产线上的稳定运动速度。如果速度波动过大，不仅会影响剪切精度，还可能导致生产线上的其他设备（如轧机、冷却床等）无法同步，甚至造成设备损坏或停机。

• 快速的响应能力： 生产线上难免会有各种突发情况，比如需要紧急停机、快速加速或减速。测量系统必须能迅速捕捉这些速度变化，并实时反馈给控制系统，以便及时调整剪切动作，避免出现剪切错误或生产线堵塞。

• 适应恶劣环境： 棒材生产环境往往比较恶劣，高温、高湿、粉尘、振动都是常态。这就要求测量设备必须坚固耐用，能够在这些极端条件下稳定工作，减少维护频率。

• 非接触测量： 理想情况下，我们不希望测量设备与高速运动的棒材直接接触。因为接触会带来磨损、打滑等问题，影响测量精度和设备寿命，同时也会对棒材表面造成损伤。

第2部分：针对棒材的相关技术标准简介

针对棒材在生产和剪切过程中的质量控制，通常会关注以下几个关键监测参数：

• 棒材长度偏差： 这是指实际剪切得到的棒材长度与目标长度之间的差异。在行业内，我们通常会定义一个允许的长度偏差范围，比如目标长度是6米，允许偏差±3毫米，那么所有剪切出来的棒材长度都必须落在5.997米到6.003米之间。超出这个范围的棒材就视为不合格品。

• 剪切速度均匀性： 这个参数描述了棒材在剪切瞬间的速度波动情况。如果速度不均匀，在剪切的那一刻棒材可能突然加速或减速，这会导致剪切点不准确，进而影响剪切长度和切口质量。评价方法通常是测量在一定时间段内，棒材速度的最大波动范围或标准差。

• 棒材直线度： 指棒材的弯曲程度。在高速剪切过程中，如果棒材存在严重的弯曲，可能会导致其在传输过程中摆动，影响测量的稳定性，甚至与设备发生碰撞。评价方法通常是通过测量棒材在一定长度上的最大弦高来确定。

• 表面质量： 棒材剪切后的切口表面质量也非常重要，包括切口是否平整、是否有毛刺、是否有裂纹等。这些都直接影响到后续的加工和使用。这通常需要通过目视检查或表面粗糙度测量仪来评估。

第3部分：实时监测/检测技术方法

1、市面上各种相关技术方案

在棒材剪切速度控制中，要实现高精度和快速响应，传统上我们可能会想到接触式的编码器，它通过滚轮与棒材表面接触来测量。但这种方式存在打滑、磨损和表面损伤等问题。而现代的非接触式激光测量技术则有效地克服了这些弊端，提供了更优越的解决方案。下面我们来详细了解几种主流的非接触式测量技术：

1.1 激光多普勒测速测长技术

想象一下，你站在马路边，听到一辆疾驰而过的汽车，当它靠近你时，引擎声调变高；当它远离你时，声调变低。这就是著名的多普勒效应。激光多普勒测速测长技术就是利用了光的这种特性。

工作原理和物理基础：这种传感器会发射两束强度相同的激光束，它们在一个测量点交叉并产生一个干涉区，形成一系列明暗相间的干涉条纹，就像一把“光尺”。当棒材表面通过这个干涉区时，表面上的微小颗粒或粗糙点会散射激光。由于棒材在运动，这些散射光的频率会发生微小的变化（多普勒频移）。传感器内部的接收器会收集这些散射光，并将它们与参考光进行比较，从而检测到频率的变化。

由于棒材表面的运动，干涉区内的光条纹会以一个频率被“划过”，这个频率被称为多普勒频率。通过精确测量这个多普勒频率，就可以计算出棒材的线速度。其核心公式可以简化为：

V = Δf * λ / (2 * sin(θ/2))

其中：* V 是被测物体的线速度。* Δf 是传感器检测到的多普勒频率。* λ 是激光的波长。* θ 是两束发射激光束之间的夹角。

一旦获得了实时速度，系统就可以通过对速度进行积分来精确计算出棒材的长度：

L = ∫ V dt

其中：* L 是测量的长度。* V 是实时速度。* dt 是测量的时间间隔。

核心性能参数的典型范围：* 速度测量范围： 激光多普勒测速测长技术通常可以测量从静止到数百米/秒的速度。* 长度测量精度： 长度测量精度通常能达到±0.01%至±0.05%。* 重复性： 激光多普勒测量技术的重复性通常优于±0.02%。* 响应速度： 内部测量速率可以达到几十甚至上百kHz，这意味着每几十微秒就能输出一次测量结果，对高速运动和快速加减速的棒材响应非常及时。* 工作距离： 工作距离从几十毫米到几米不等，可以适应不同的安装条件。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触测量： 彻底避免了传统编码器常见的打滑、磨损和对棒材表面损伤的问题，尤其适用于高温、高硬度或易损的棒材。 * 高精度和高重复性： 基于物理原理，测量精度不受机械部件磨损、打滑或表面粗糙度变化的影响，能提供非常稳定的精确数据。 * 响应速度快： 能够实时捕捉高速运动和瞬间的速度变化，这对需要精确剪切和快速调节的生产线至关重要。 * 维护成本低： 全固态设计，无活动部件，基本无需日常维护。 * 宽泛的速度测量范围： 能从静止状态到极高速都能准确测量，甚至能识别运动方向。* 缺点： * 对表面条件有一定要求： 极度光滑或透明的表面可能会影响激光的散射效果，但在棒材生产中通常不是大问题，因为金属棒材表面总会有一定的粗糙度。 * 初始成本相对较高： 相较于简单的接触式编码器，激光多普勒传感器的前期投入会更高。 * 安装和校准： 需要确保激光束正确照射到被测表面，且与运动方向保持适当角度，对安装环境和精度有一定要求。

1.2 机器视觉图像处理技术

工作原理和物理基础：这种技术就像是给生产线装上了一双“慧眼”。它通过高速智能相机连续拍摄棒材运动过程中的图像，然后利用内置的图像处理算法，识别并追踪棒材表面独特的纹理或特征点。通过计算这些特征点在连续两帧图像之间移动的像素距离，再结合相机的标定参数（即一个像素代表的实际物理尺寸）和图像采集时间间隔，就能精确计算出棒材的线速度。

其基本原理是：速度 = (特征点在图像中的位移像素数 * 单像素对应实际长度) / 图像采集时间间隔

核心性能参数的典型范围：* 图像采集速度： 一般在几十到数百帧/秒，高性能系统甚至更高。* 图像分辨率： 从几十万像素到数百万像素不等，决定了捕捉细节的能力。* 测量精度： 取决于像素分辨率、视野大小和标定精度，通常可以达到较高的相对精度。* 响应速度： 受到图像处理速度的限制，通常比激光多普勒稍慢，但对于一般剪切速度控制也足够。

技术方案的优缺点：* 优点： * 多功能性： 除了测速，还能同时进行棒材表面缺陷检测、尺寸测量、形状识别等多种质量控制任务，实现全面的过程监控。 * 灵活性高： 对棒材表面的纹理和光照条件有较好的适应性，可以通过调整算法来应对不同的材料。 * 非接触： 避免了物理接触带来的磨损和损伤。* 缺点： * 对光照敏感： 环境光线变化或棒材表面反光不稳定会影响图像采集和特征识别的准确性。 * 计算量大： 实时图像处理需要较强的处理器性能，可能导致成本增加和响应延迟。 * 精度受限于像素： 理论上精度受限于单个像素的实际物理尺寸，需要高分辨率相机和精确标定。

1.3 非接触式光学纹理分析技术（虚拟编码器）

工作原理和物理基础：这种技术被称为“虚拟编码器”，因为它实现了传统接触式编码器的功能，但无需物理接触。它通过发射一束激光或红外光束照射到运动的棒材表面，然后接收反射光。当棒材移动时，其表面的微小纹理会导致反射光强度发生快速、随机的变化，形成一个独特的“光照模式”。传感器内部的数字信号处理算法会分析这个光照模式在时间上的变化，将其转化为速度信号。可以理解为，它在“阅读”棒材表面的纹理变化速度来判断其运动速度。

核心性能参数的典型范围：* 测量速度范围： 从零点几米/秒到几十米/秒。* 测量精度： 通常能达到±0.05%左右。* 重复精度： 达到±0.05%是常见水平。* 测量距离： 从几十毫米到几百毫米，适合近距离安装。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触： 彻底杜绝了机械磨损和打滑问题。 * 坚固耐用： 专为工业环境设计，防护等级高，可在恶劣环境下长期稳定运行。 * 适应性好： 对不同表面纹理（如粗糙或平滑）具有良好的适应性。 * 相对成本较低： 通常比激光多普勒和机器视觉系统更为经济。* 缺点： * 速度范围限制： 通常最大速度不如激光多普勒高，可能不适用于极高速的棒材生产线。 * 对表面洁净度有一定要求： 表面有大量油污、水珠或严重积灰可能影响测量。

2、市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选了几款在棒材剪切速度控制领域知名的非接触式测量产品进行对比：

• 德国美特斯（采用激光多普勒技术） 德国美特斯在非接触式测量领域处于领先地位，其产品以极高的精度和稳定性著称。例如，美特斯MV4200系列传感器采用激光多普勒原理，能够实现0.1至200米/秒的速度测量，长度测量精度可达±0.05%，速度测量精度±0.02%。该产品在高温、多尘等恶劣工业环境中表现出色，无机械磨损，基本免维护，非常适合钢铁等重工业的在线批量检测。

• 英国真尚有（采用激光多普勒技术） 英国真尚有AJS10X系列传感器采用先进的激光多普勒测量原理，提供非接触式的速度和长度测量，工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%。该传感器内部测量速率高达200kHz，确保能够精确捕捉高速运动，外部测量速率达25,000次/秒。该系列传感器速度测量范围广泛，最高可达10,000 m/min (约166米/秒)，部分型号支持0速度测量与方向识别。AJS10X系列具有IP67防护等级，适应恶劣工业环境，并提供以太网、RS-232和CANbus等丰富的通信接口，便于集成到现有控制系统。AJS102系列提供更大的测量距离，适用于高温钢铁等极端环境下的测量。

• 美国康耐视（采用机器视觉图像处理技术） 美国康耐视作为机器视觉领域的全球领导者，其In-Sight D900智能相机采用深度学习和图像处理技术。这款产品不仅能测量棒材的线速度，还能同时进行表面缺陷检测和尺寸测量等多种质量控制任务。其图像采集速度最高可达100帧/秒，分辨率最高1600 x 1200像素，能实现高精度测量。它的优势在于能提供全面的过程监控，但测量精度会受像素分辨率、视野和标定等因素影响，对光照环境有一定要求。

• 德国西克（采用非接触式光学纹理分析技术） 德国西克ODS-D10M传感器采用非接触式光学原理，通过分析棒材表面纹理变化来计算速度，类似于“虚拟编码器”。它测量速度范围为0.2至20米/秒，精度和重复精度均为±0.05%。该传感器工作距离在150毫米到500毫米之间，并具有IP67防护等级，坚固耐用。它的主要优势在于非接触式测量避免了机械磨损和打滑，且对不同表面纹理具有良好的适应性，适合中低速运动的棒材测量。

• 英国雷尼绍（采用激光干涉测量技术） 英国雷尼绍RLE20系统基于激光干涉测量原理，提供超高精度和分辨率。它通过干涉条纹的变化来精确测量位移，然后微分得到速度。其分辨率最高可达0.01微米，测量精度可达±0.5 ppm（百万分之一），但最大速度为11米/秒，相对较低。这种技术通常用于对精度有极致要求的精密制造或实验室环境，对于高温、高振动的棒材剪切线而言，其环境敏感度和成本通常不作为首选方案。

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

选择合适的测速测长传感器，就像选择一台最适合你生产线的车辆，需要综合考虑多个关键性能参数。

• 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，而重复性则决定了在相同条件下多次测量结果的一致性。比如，你设定剪切10米的棒材，精度±0.05%意味着实际长度可能在9.995米到10.005米之间。重复性好则能保证每批棒材剪切出来都是在这个范围内，而不是忽长忽短。

  • 选型建议： 对于棒材剪切这种对长度要求严格的应用，应优先选择精度高、重复性好的传感器，例如激光多普勒传感器通常能达到极高的精度。如果剪切公差非常小，那么精度的提升都能带来显著的质量效益。

• 响应速度：

  • 实际意义： 传感器从接收信号到输出测量结果所需的时间。想象一下，棒材生产线就像一列高速列车，如果测速传感器反应迟钝，当列车突然加速或减速时，控制系统收到的信息滞后，就无法及时调整剪切刀具的位置，可能导致剪切失误。

  • 选型建议： 棒材剪切通常是高速、动态的过程，传感器应具备毫秒级甚至微秒级的响应速度，才能实时捕捉速度变化并快速反馈给控制系统，确保剪切精度和生产效率。激光多普勒传感器通常能提供极高的内部测量速率，外部数据更新率也很快，是理想选择。

• 测量速度范围：

  • 实际意义： 传感器能准确测量的最低和最高速度。如果你的生产线既有低速启动、停止，又有高速运行，那么传感器必须能覆盖整个速度范围。

  • 选型建议： 根据棒材生产线的实际运行速度区间来选择。如果生产线涉及从静止启动到高速运行，激光多普勒传感器通常提供较宽的速度范围，有些型号甚至支持0速度测量和方向识别。

• 工作距离与景深：

  • 实际意义： 工作距离是指传感器到被测棒材的最佳距离，景深则是在此距离前后允许的测量范围。这就像是相机的焦距和对焦范围。

  • 选型建议： 根据生产线现场的安装空间和棒材的跳动范围来选择。如果安装空间有限或棒材跳动较大，需要选择工作距离灵活且景深较大的传感器。

• 环境适应性（防护等级、温度范围）：

  • 实际意义： 传感器抵抗恶劣工业环境（如粉尘、水汽、高温、振动）的能力。就像一台在沙漠中奔跑的越野车，必须具备防沙、耐热的能力。

  • 选型建议： 棒材生产环境往往非常严苛。应选择具有高防护等级和宽工作温度范围的传感器。对于高温棒材，可能还需要额外配置冷却外壳。

• 通信接口与集成能力：

  • 实际意义： 传感器如何与生产线上的PLC、DCS或其他控制系统进行数据交换。接口越多、协议兼容性越好，集成起来就越方便。

  • 选型建议： 确保传感器支持你现有控制系统的主流工业总线协议，并且具备丰富的数字或模拟输出，方便数据接入和控制。

4、实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的传感器，在实际应用中也可能遇到一些挑战。

• 问题一：传统编码器因打滑导致测量不准。

  • 原因与影响： 传统接触式编码器依靠滚轮与棒材摩擦来测量，当棒材表面存在油污、水或高温氧化皮时，滚轮容易打滑，导致测速数据低于实际值，最终剪切长度偏长。滚轮磨损也会引起测量误差。

  • 解决建议： 转向非接触式激光测速测长传感器是根本解决方案。这类传感器不与棒材接触，完全消除了打滑和磨损带来的误差。

• 问题二：棒材表面状态变化影响测量稳定性。

  • 原因与影响： 棒材在生产过程中，表面可能存在氧化皮、水、油污，或粗糙度不均。这可能影响激光的反射或图像的清晰度，导致部分非接触式传感器测量信号不稳定，数据波动大。

  • 解决建议： 选择对表面适应性更强的激光传感器，例如某些激光多普勒传感器对表面粗糙度有一定的容忍度。在安装时，可以通过调整传感器角度或距离，寻找最佳信号接收点。对于特别恶劣的表面，可以考虑在传感器前加装气刀或风罩，吹掉表面水汽和粉尘。

• 问题三：高温环境导致传感器过热失效。

  • 原因与影响： 棒材在剪切前通常是高温状态，周围环境温度很高。长时间在高温下工作，可能会导致传感器内部电子元件性能下降甚至损坏。

  • 解决建议： 选用具备宽工作温度范围和高防护等级的工业级传感器。对于特别高的温度环境，务必为传感器加装专用的冷却外壳（如水冷或空冷），确保其在规定温度范围内工作。

• 问题四：生产线振动影响测量精度。

  • 原因与影响： 轧钢生产线通常伴随剧烈振动，这可能导致传感器安装支架松动，影响测量光束的稳定性和指向，引入测量误差。

  • 解决建议： 确保传感器安装基座坚固稳定，采用防振支架或减振垫进行安装。定期检查传感器的固定情况，避免松动。

第4部分：应用案例分享

• 轧钢生产线定尺剪切： 在钢铁厂的棒材或型材轧制线上，激光测速测长传感器能精确测量高速运动的棒材长度，并通过实时数据反馈，精确控制飞剪机的剪切位置，确保每段钢材都能达到预设的定尺要求，大幅减少废料产生。例如，英国真尚有的AJS102系列，凭借其较大的测量距离和耐高温特性，尤其适用于此类环境。

• 线缆和管材生产线： 在电线电缆或塑料管材的挤出生产线上，传感器用于实时监测线缆或管材的拉伸速度和总长度。这保证了产品按照客户要求的长度进行盘绕或切割，同时监控生产效率。

• 铝箔/纸张分切： 在铝箔、纸张或薄膜的卷绕和分切设备中，激光传感器精确测量材料的走速和已分切长度。这有助于控制卷绕张力，避免材料拉伸变形，并确保每次分切都能在精确位置进行，提高成品率。