激光测距仪在烟草制丝线中的应用
激光测距仪在烟草制丝线中的应用
作者:杜云鹏;林蔚;吕忠闯
激光测距仪是 20 世纪 80 年代问世的一种利用激光对目标距离进行准确测量定位的仪器。由于其独特的测量精确性,在航空航天、钢铁锻造、汽车制造等行业已有应用。在烟草行业制丝生产线中,对运动设备进行距离控制目前大多采用开关量位置传感器,这种控制方式的缺陷在于控制距离由开关量位置传感器的安装位置决定,当需要改变控制距离时,就要调整传感器的位置,因此无法满足生产过程中根据实际情况进行距离调整的要求。激光测距仪目前主要应用于机械手自动更换技术、起重机检验、液压提升等方面,通过对激光测距仪实际测量距离进行逻辑判断和编程,对运动物体进行相关定位控制,但这种基于实际测量距离的应用无法满足制丝生产线中连续往复运动设备的控制需求。为此针对制丝生产线的储柜铺料行车、切片机、储柜分配行车 3 种需要对连续往复运动进行控制的设备进行研究,以期利用激光测距方式实现对运动设备全程运行距离的精准测量和控制。
1 工作原理
激光测距原理基本可以归结为测量光往返目标所需要时间,然后通过光速 c = 299792458 m /s 和大气折射系数 n 计算出距离 D。由于直接测量时间比较困难,通常是测定连续波的相位,称为测相式测距仪。相位式激光测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算出此相位延迟所代表的距离,即采用间接方法测量出光往返测线所需的时间。
相位式激光测距仪多应用于精密测距,由于其精度高,一般为毫米级,因此可以应用于烟草行业的机械行程定位。
2 使用方法
激光测距仪按测量距离可分为多种,制丝生产线中采用的激光测距仪测量距离 200 m,误差 ± 2 mm。激光测距仪作为距离反馈测量元件一般直接安装在设备上,其数据反馈信号由电缆传输到现场的 I /O 控制器,经系统总线传输给主控 PLC,主控 PLC 根据激光测距仪的反馈数值对设备的执行机构进行逻辑控制。激光测距仪将测量距离以 4 ~ 20 mA 的信号输送到 PLC 模拟量模块,通过软件编程及一系列逻辑组合实现对距离的有效控制.
3 激光测距仪在烟草制丝线中的应用
激光测距是一项利用光学原理进行测量距离的技术,由于光波所具备的稳定性特征,使得测量精度非常高,能满足测量领域的需求。利用激光测距仪实现对运动设备的控制模式,可以在较大范围内调整控制距离,对运动设备进行精准定位。
3. 1 绝对距离算法在储柜中的应用
国内制丝生产线的储柜铺料行车基本采用开关量位置传感器控制模式,利用开关量位置传感器实现行车的运动换向。由于开关量位置传感器的位置在生产中不便调整,该控制方法不能实现按比例进柜( 按进料重量缩短行车行程,保证物料的储存高度) 功能,因此采用激光测距仪作为储柜行车的位置传感器,利用绝对距离计算方法来控制储柜铺料行车运动换向。绝对距离是指运动部件与参照面之间的实际距离,计算方法为:
A 柜绝对距离 = 参照面到柜尾长度 - 激光测距仪测量的距离 + ( 铺料行车的长度 - 反射板到铺料行车的相对距离)
B 柜绝对距离 = 激光测距仪测量的距离 + 反射板到铺料行车的相对距离 - 参照面到柜尾长度
假设在生产过程中 A 柜进柜比例为 Z%,那么需要控制铺料行车反向运行距离 =参照面到柜尾长度 × Z%。由此,可得到 A 柜比例进柜的逻辑控制表。
3. 2 相对距离算法在切片机中的应用
目前烟草行业使用的切片机其切片控制方式主要有 2 种,在应用中都存在着以下问题:
(1)光电管控制。标准烟包送到切片机送包皮带桥上,当烟包感应到刀前光电管后( 此时有 3 对光电管用于检测烟包高度) ,推料板向前运行,将烟包向前推至刀后光电管,通过感应光电管,触发信号控制切刀向下运行,被切烟包的切片宽度由刀后光电管的安装位置决定。由于存在非标准包装的烟包,此类烟包通过光电管控制获得的切片宽度不稳定,其切片宽度波动较大。
(2)通过采集旋转编码器值控制。这种控制方式是在切片机上安装 2 个旋转编码器,分别安装在推料板主传动轴和送包皮带桥的主托辊上,通过两者的
配合实现切片控制。增量型编码器需要高速计数模块采集其脉冲换算出转速,再通过较复杂的运算计算出运行距离。由于中间的转换环节涉及到较多的主动托辊的周长测算、机械装置打滑等因素,导致其实际距离控制精度较差。
结合切片机的结构,在切片机的支架上安装激光测距仪,使切片机的扶包器在往复运行时不影响激光测距仪的测量。相对距离是指激光测距仪两次测量距离之差,计算方法为:X = D1 - D2
式中: X———相对距离,是矢量单位; D1———测距仪第一次测量距离; D2———测距仪第二次测量距离。
L1 为推料板宽度、L2 为激光测距仪到刀前光电管距离、L3 为刀前光电管到切刀的距离,这些值可通过工具测量得出且均为固定值。X 为在切片过程中激光测距仪前后两次测长之差,即相对移动距离,X = D1 - D2,这样就得到了烟包的前行距离,通过计算X - L3 即可得到切片宽度,因此在逻辑上控制 X 即可控制切片宽度。
3. 3 有效距离带算法在储柜分配行车中的应用
储柜分配行车是将生产线上的物料分配到不同储柜的输送设备。由于生产线上的储柜较多,分配行车在寻柜与往复倒料过程中,定位的准确性十分重要。分配行车的定位传感器一般采用开关量位置传感器,在生产过程中只要有一个传感器定位不准确,就会造成分配行车定位出现错误,从而导致储柜分配行车寻找不到储柜或寻找到错误储柜。因此在储柜分配行车寻柜与往复倒料过程中,采用激光测距方式和有效距离带计算方法可以使分配行车精确定位和有效工作。
有效距离带是指一段固定长度距离值。在应用时,首先要定义一个或者若干个有效距离带,当激光测距仪测量到的距离值在定义的有效距离带内时,程序会给出一个动作,如果在定义的有效距离带以外时则会给出另外一个动作。
假设生产线上有 n 组储柜,分配行车需要进 X 号柜( X≤n) ,S 为柜宽度,LX 为激光测距仪到X 柜的距离( L1 表示激光测距仪到 1 柜的距离,L2 表示激光测距仪到 2 柜的距离,依次类推) ,L0 为分配行车的长度。D 为激光测距仪的实际测量距离,图 3 中的箭头代表分配行车的出料方向。根据分配行车的进料方式,将储柜的有效宽度定义为有效距离带。那么n 组储柜就有 n 个有效距离带,柜 1 的有效距离带可表示为( L1,L1 + S) ,柜 2 的有效距离带可表示为( L2, L2 + S) ,依次类推,柜 X 的有效距离带表示为( LX,LX+ S) 。定义有效距离带后,就可用真值表来定义储柜分配行车的定位动作。由于分配行车有向左和向右两种进料方向,因此分别进行分析。
分配行车的运行状态分为寻柜状态与铺料状态两个阶段。寻柜状态是指储柜分配行车在众多储柜中寻找需要放入烟丝的储柜; 铺料状态指储柜分配行车找到储柜后,在该储柜的有效作业面上往复运动,将烟丝输送到储柜铺料行车上。
4 结语
在制丝生产线中的储柜铺料行车、切片机、储柜分配行车上使用激光测距仪进行定位控制或距离控制后,实现了对往复运动设备的控制要求,与原有开关量控制方式相比,储柜可以根据进料量实现按比例进柜,进柜范围在 30% ~ 100% 可调; 解决了切片机对非标准包装烟包的切片宽度不均匀问题,此类烟包的切片宽度波动范围可控制在 ± 5cm 以内; 实现了分配行车在寻柜状态下的精确定位,定位准确率达到了 100% ,同时也减少了开关量传感器数量,相应地减少了故障点。
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