超聲波傳感器在開卷校平剪切線上的應用

沈晶巍 李 超 于樹江

作者通聯：沈陽捷眾汽車零部件有限公司經營管理部 沈陽市沈北新區沈北路155號 110042

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在汽車行業，鋼材配送，家電企業等進行卷料開卷、剪切的生產中，大量使用開卷校平剪切線。傳統的剪切線，開卷機采用力矩電機控制，為機頭提供反向力矩，在機頭和校平機之間的板材上形成張力，張力的大小由手動調節力矩電機的反向力矩控制。當電機力矩固定時，張力隨料卷直徑的變化而變化，手動控制電機力矩，不能準確地控制穩定的張力。當力矩設定較小，在開卷線停止時，不能及時協調停止機頭，常常發生沖卷，松卷。當力矩設定較大，料卷直徑較大時，張力過大，不僅損傷板材，而且對校平機也有損害。超聲波測距傳感器的應用，可以實時測量料卷的直徑。開卷機頭由變頻電機或伺服驅動，通過控制開卷機頭和校平機的速度，實現對開卷張力的控制，張力調節靈活，控制穩定。同時，超聲波傳感器的應用，使卷料自動裝載得以實現。

1.開卷張力的控制

超聲波傳感器通過計算超聲波脈沖發射到介質表面并返回的時間，得出測頭距檢測物的距離。在開卷機頭上方垂直安裝一個UC2000-30GM-IU-V1超聲波傳感器（倍加福公司產），以西門子ET200S模擬量模塊為例，型號為6ES7134-4FB01-0AB0，接線圖見圖1。當料卷上好后，通過檢測到的測頭到料卷的距離，可以計算出料卷的直徑D，并實時送入控制系統，開卷的線速度vl=3.14Dvk，（vk為開卷芯軸的角速度），控制vk實現開卷線速度的控制，進一步控制開卷張力。

圖1 超聲波接線圖

如圖2所示，當超聲波傳感器安裝好后，超聲波傳感器距開卷機頭中心線的距離L1為已知，料卷距傳感器的距離L2傳感器可以測得，料卷直徑D=2（L1-L2）。校平機線速度v由落料速度和落料長度決定，當校平線速度等于落料速度乘以落料長度時，開卷校平線速度和落料速度匹配，開卷校平勻速運行。當開卷機線速度和校平線速度v相同時，開卷角速度vk=v/[3.14×2×（L1-L2）]=v/[6.28（L1-L2）]，卷料張力為零，當板料厚度＜1mm 時，這種方式較為理想。當板材厚度大于1mm時，vk=v/[6.28（L1-L2）]-vf，vf為開卷機與校平機角速度的速差，校平機線速度大于開卷線速度，開卷機處于發電狀態，產生張力Q=（D/2）×F（F為電機轉矩）。開卷過程中D不斷減小，為精確控制張力，可使vf=m/D，m為調節系數，取值范圍為1%～100%，可將m值放到觸摸屏上進行更改操作，一般設為20%。這樣，vf隨D的減少而增大，電機轉矩也隨直徑變化，調節m值可使張力在整個開卷過程中保持穩定可調。

2.料卷自動裝載的實現

要實現料卷的自動裝載，必須保證上料小車由上料架處移動到芯軸的正下方，小車帶料上升使料卷中心和芯軸中心重合。通過調節小車移動減速開關和停止開關，加裝硬限位實現移位準確。

圖2 料卷直徑計算示意圖

圖3 上升高度示意圖

上升高度的控制如圖3，料卷自動裝載前超聲波傳感器檢測出距上料小車上表面的距離K1，料卷高度K，開卷機芯軸距傳感器的距離K2，可計算出X=K2-（K1-K）/2，這樣在小車帶料上升時，當傳感器檢測的K值等于計算值X時，料卷中心和芯軸中心重合，芯軸正好穿入，實現料卷自動裝載。對于每一個料卷，K1和K2在超聲波傳感器安裝完成后，即為已知固定值，K和X的值隨料卷不同變化。通過超聲波傳感器的使用，實現了料卷的自動裝載。

在開卷過程中，當超聲波傳感器檢測的距離大于K2時，向系統發出料尾信號，系統結合料尾檢測開關信號，控制系統進入料尾程序。

超聲波傳感器在開卷線上的應用，為料卷自動裝載提供了一種新的控制方法，特別在雙臂開卷機上的應用有較大的優勢。超聲波傳感器在自動張力控制上的應用，提高了開卷線的自動化控制水平及生產效率和產品品質，效果良好。