造纸和印刷行业的核心,是纸张的“高速”和“精确”处理。想象一下,纸张在生产线上,就像一条宽阔、柔软的“河流”,它必须以极高的速度稳定地向前流动,同时还要确保每一寸的长度都符合要求,每一次印刷、切割或卷绕都能精准对齐。
纸张,作为一种柔性材料,其“河流”的特性决定了它在高速传输中面临独特的挑战。它不是刚性的钢板,而是有弹性、容易变形的。这就像你拉扯一张纸,它会伸长或收缩。因此,在高速运行中,纸张容易出现以下问题:
速度波动:由于驱动辊的打滑、张力变化或纸张自身的弹性变形,纸张的实际运行速度可能会忽快忽慢,就像“河流”流速不稳。这会导致印刷图像重影、套色不准,或者切割长度不一,产品质量大打折扣。
位置偏差:速度的波动直接影响纸张的精确位置。在需要精准对齐的印刷、涂布或分切环节,哪怕是微小的位置偏差,也可能造成废品。比如,印刷机在不同颜色之间需要高度精确的套准,如果纸张位置稍有偏移,印出来的图案就会模糊不清。
张力控制:纸张在生产过程中需要持续的张力来保持平整和稳定。张力过大可能拉断纸张,过小则可能导致纸张松弛、褶皱,影响后续加工。速度和张力的精准控制是密不可分的。
长度精度:无论是定长切割还是卷绕成特定长度的纸卷,都需要极高的长度测量精度。传统的机械式接触测量方式,如编码器,由于与纸张直接接触,容易造成磨损、压痕,甚至在高速下打滑,导致测量不准。
因此,造纸和印刷行业对纸张传输的速度和位置控制,有着严苛的技术要求:
非接触式测量:避免对纸张表面造成任何损伤或影响其物理特性。
高精度:即使在高速下,也要保证速度和长度测量的极高准确性,通常要求精度达到千分之几甚至万分之几。
高动态响应:能够快速捕捉和响应纸张速度的细微变化和加速度,以便控制系统及时调整。
稳定性与可靠性:在恶劣的工业环境下(如灰尘、振动、温度变化)能长期稳定工作,无需频繁校准和维护。
多功能集成:除了速度和长度,最好能提供方向识别、支持多种通信接口,方便与生产线上的PLC或上位机系统集成。
在造纸和印刷行业,为了确保产品质量和生产效率,对纸张传输过程中的关键参数进行监测和控制至关重要。虽然没有针对“激光测速传感器”本身的普适性国际标准,但对于纸张的性能、印刷品的质量以及相关设备的性能,都有行业认可的规范和评价方法。
我们主要关注以下几个监测参数:
线速度 (Linear Speed):
定义:指纸张在生产线上单位时间内移动的距离。它是整个生产线效率的直接体现,就像衡量一条流水线的“生产节拍”有多快。
评价方法:通过在固定时间间隔内测量纸张移动的精确距离来计算。高精度的测量意味着可以实时掌握纸张的瞬时速度,并与设定速度进行比对,进行精确的闭环控制。
长度 (Length):
定义:指纸张在传输过程中,从起点到某个特定点的累计距离,或者特定批次、特定段落的精确长度。这对于实现定长切割、精确分切以及确保产品尺寸一致性至关重要。
评价方法:通过对线速度进行时间积分得到,或直接通过长度测量功能获取。评价其准确性通常需要与标准量具或已知长度进行比对。
套准精度 (Registration Accuracy):
定义:特指多色印刷中,不同颜色油墨在纸张上叠加时的精确对齐程度。就像多层透明胶片要完全重合才能形成清晰的图案。
评价方法:通过检查印刷品上的套准标记或图案边缘的重合度来评估。高精度的速度和位置控制是实现优异套准的基础。
张力 (Tension):
定义:纸张在生产线上所受到的拉力。适当的张力能保持纸张平整,防止褶皱或断裂。
评价方法:通常通过张力传感器实时测量纸张的张力值。速度和位置的稳定控制有助于维持恒定的张力,减少生产过程中的不稳定性。
加速/减速响应 (Acceleration/Deceleration Response):
定义:指纸张速度从一个值变化到另一个值所需的时间,或者设备能够跟踪纸张速度变化的灵敏度。
评价方法:通过记录速度变化的曲线来评估。快速响应能力对于应对生产线启动、停止或速度调整时的瞬态变化至关重要,确保过程的平稳过渡。
通过对这些参数的实时、精确监测,生产线可以及时调整驱动系统、张力控制系统,从而有效提高生产效率,减少材料浪费,并确保最终产品的优良质量。
在造纸和印刷行业中实现高速纸张传输的精确速度和位置控制,需要借助先进的非接触式测量技术。市面上存在多种成熟的技术方案,它们各有特点,适用于不同的应用场景。
3.1 市面上各种相关技术方案
3.1.1 激光多普勒测量技术
工作原理和物理基础:激光多普勒测量技术是目前非接触式速度和长度测量的黄金标准之一。它的核心是利用了“多普勒效应”——就像救护车驶近你时声音变尖,驶离时声音变沉一样,光波的频率也会随着光源与观察者之间的相对运动而发生变化。
在这种测量方案中,传感器内部通常会发射两束高度相干的激光束。这两束激光以一个精确已知的夹角,聚焦并汇聚到运动的纸张表面上。当这两束激光在纸张表面相遇时,它们会发生干涉,形成一系列明暗相间的干涉条纹,就像在运动的纸张上投射了一个“光学栅格尺”。
当纸张表面上的微小颗粒或纹理(哪怕是肉眼不可见的)穿过这些固定在空间中的干涉条纹时,它们会反射回激光。由于这些颗粒是随着纸张运动的,它们穿过干涉条纹的速度,会导致反射回来的激光产生频率上的周期性变化,即所谓的“多普勒频移”。传感器内部的高灵敏度光电探测器会捕捉到这种带有频率变化的散射光,并将其转换成电信号。
这些电信号的频率,就是“多普勒频率”(fd
)。这个多普勒频率与纸张的运动速度 (v
) 成正比。通过精确测量这个多普勒频率,并结合激光的波长 (λ
) 和两束激光的已知夹角 (2θ
),我们就可以计算出纸张的精确速度。
其核心物理公式可以表示为:fd = (2 * v * sin(θ)) / λ
其中:* fd
是测得的多普勒频率。* v
是运动物体的速度,也就是我们要测量的纸张速度。* θ
是两束入射激光束之间夹角的一半。* λ
是激光的波长。
由于θ
和λ
都是传感器内部的固定参数,传感器只需精确测量fd
,就能直接、精确地计算出v
。通过对速度v
进行时间积分,就能得到纸张的精确长度。
核心性能参数典型范围:* 速度测量范围:可从静止到高速,例如高达10,000 m/min。* 测量精度:通常优于0.05%至0.1%。* 重复性:可达0.02%左右。* 内部测量速率:可高达200kHz,即每几微秒进行一次测量。* 加速度响应:可达1000 m/s²。
技术方案的优缺点:* 优点: * 高精度与高重复性: 基于物理常数和频率测量,具有极高的测量精度和稳定性,对纸张表面特性变化不敏感(只要有散射)。 * 非接触无磨损: 避免了传统接触式编码器对纸张的损伤、打滑和磨损,尤其适用于柔软、敏感或高速运行的材料。 * 宽测量范围: 能覆盖从静止到超高速的广泛速度范围,且能识别运动方向。 * 动态响应快: 能够实时捕捉高速运动中的微小速度变化和加速度,满足高动态控制需求。 * 无需校准: 出厂时已完成精密校准,用户现场通常无需额外校准,安装便捷。* 缺点: * 对表面光洁度有一定要求: 如果纸张表面过于光滑,反射信号可能较弱,但一般纸张表面都有足够的漫反射特性。 * 对安装角度敏感: 传感器需要精确对准纸张表面,以确保激光束在正确角度入射,任何倾斜都会影响测量精度。 * 成本考量: 相较于一些简单的接触式或光学编码器,激光多普勒传感器的初始投资成本通常较高。
适用场景: 高精度纸张定长切割、印刷机套准控制、卷绕张力控制、造纸机网速监测等对速度和长度精度要求极高的场合。
3.1.2 激光散斑相关法
工作原理和物理基础:激光散斑相关法利用激光照射到粗糙表面时形成的独特“散斑”图案。传感器发射两束平行激光,以特定角度照射到运动的纸张表面。纸张表面的微小不规则性会将激光散射,形成独特的随机光点图案,这些就是“散斑”。当纸张移动时,这些散斑图案也会随之移动。
传感器内部的高速图像传感器会捕获这些运动的散斑图样序列。然后,通过先进的数字信号处理算法,传感器会分析连续图像帧中散斑图样之间的相关性变化,例如,通过计算两帧图像中相同散斑图案的位移量和捕获这两帧图像之间的时间间隔,从而精确地计算出纸张的速度和长度。
核心性能参数典型范围:* 速度测量范围:最高可达 3000 m/min。* 长度测量精度:优于 ±0.05%。* 工作距离:约 300 mm 至 800 mm。
技术方案的优缺点:* 优点: 对各种表面(包括光滑、粗糙、湿润、高温等)和多种材料(金属、塑料、纸张、纺织品等)具有强大的适应性,即使在恶劣工业环境下也能提供稳定可靠的高精度测量。可同时测量速度和长度。* 缺点: 相比激光多普勒,其原理基于图像处理和相关算法,可能在理论上对纸张表面纹理的均匀性有一定依赖。计算复杂度较高。* 成本考量: 通常属于中高端解决方案。
适用场景: 适用于各种复杂或多变的纸张表面,以及需要高精度长度和速度测量的生产线。
3.1.3 微波多普勒雷达效应
工作原理和物理基础:微波多普勒雷达效应与激光多普勒类似,但它使用的是微波信号而不是激光。传感器发射连续的微波信号到运动的纸张表面。当微波信号遇到运动的纸张并反射回来时,反射信号的频率会根据纸张的速度发生“多普勒频移”。传感器通过测量发射信号和反射信号之间的频率差,即可计算出纸张的速度。
其核心物理公式类似激光多普勒,但使用了微波波长:fd = (2 * v * cos(alpha)) / λ_microwave
其中λ_microwave
是微波的波长,alpha
是微波束与运动方向的夹角。
核心性能参数典型范围:* 速度测量范围:0.1 m/s 至 100 m/s。* 测量精度:通常为速度读数的 ±1% 或 ±0.1 m/s。* 工作距离:数米至数十米。
技术方案的优缺点:* 优点: 微波穿透能力强,不易受灰尘、烟雾、蒸汽、光照或雨雪等环境因素影响,非常适用于严苛的工业环境,如造纸厂内部湿热多尘的环境。能够实现较远距离的非接触式速度测量。* 缺点: 测量精度通常低于激光类传感器,不适合对精度要求极高的应用。微波的波束相对较宽,空间分辨率不如激光。* 成本考量: 相较于一些高精度光学方案,在特定应用中可能更具成本效益。
适用场景: 适用于对环境适应性要求高、对测量精度要求相对宽松或需要远距离测量的场合,例如造纸机湿部或大型传送带的速度监控。
3.1.4 机器视觉图像处理与光流法/特征跟踪技术
工作原理和物理基础:这种方法利用高性能工业相机连续捕捉运动纸张的图像序列。相机内置的视觉处理器或连接的工业PC会运行图像处理算法,例如“光流法”或“特征跟踪”。
光流法:分析图像中像素的运动轨迹,即图像中每个像素点的瞬时速度。它通过识别图像亮度模式在连续帧之间的变化来推断运动。
特征跟踪:识别并跟踪纸张表面上独特的视觉特征点(如纹理、墨点、纤维分布等),记录这些特征点在连续帧之间的像素位移。
根据纸张在图像中的像素位移量、已知的图像捕获时间间隔(帧率)以及相机标定参数(像素与实际尺寸的对应关系),系统可以精确计算出纸张的实际速度。
其核心原理可概括为:速度 = (像素位移量 / 时间间隔) * 比例因子
其中“比例因子”是将像素距离转换为实际物理距离的关键参数。
核心性能参数典型范围:* 帧率:取决于相机型号,从数十到数百帧/秒。* 分辨率:从VGA到数百万像素。* 最小可检测速度:取决于分辨率和帧率,通常能检测非常低的速度。
技术方案的优缺点:* 优点: 高灵活性和多功能性,除了测速外,还可以同时进行尺寸测量、缺陷检测、定位、识别等多种任务。强大的图像处理和深度学习算法能适应各种表面纹理、光照变化和复杂背景,处理非刚性或不规则运动。非接触无损,且图像数据可保存用于追溯。* 缺点: 对光照条件敏感,需要稳定的照明环境。对于表面纹理过于均匀的纸张,特征提取可能面临挑战。通常需要较高的计算资源,系统集成复杂度相对较高。* 成本考量: 由于需要高性能相机和图像处理单元,整体系统成本通常较高。
适用场景: 对纸张表面质量、套准精度有复合要求,且希望集成多种检测功能的场合,如高端印刷机的质量控制。
3.2 市场主流品牌/产品对比
这里我们将对比几家在非接触式速度和长度测量领域具有代表性的国际品牌,它们各自采用了不同的技术方案来解决纸张传输中的速度和位置控制问题。
德国 聚光科技
采用技术: 激光多普勒效应。
核心参数:
速度测量范围:0.001 m/s 至 60 m/s (0.06 m/min 至 3600 m/min)。
测量精度:优于 0.1%。
工作距离:约 200 mm 至 1000 mm。
应用特点与优势: 作为激光振动和表面速度测量领域的领导者,其产品提供极高的速度和长度测量精度,尤其适用于高要求应用。测量过程非接触、无磨损,对纸张表面纹理影响小,无需校准,广泛应用于造纸、纺织、轮胎等行业。
英国真尚有
采用技术: 激光多普勒测量原理。
核心参数:
速度测量范围:从静止到高速,最高可测速度达 10,000 m/min。
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。
最大加速度响应能力:1000m/s²。
最远安装距离:可达 2000mm。
应用特点与优势: 专为工业应用设计,具有卓越的精度和响应速度,能精确捕捉高速运动,对把控产品质量至关重要。支持0速度测量与方向识别,通信接口丰富(标配以太网、RS-232和CANbus,可选PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等多种工业总线),内置2.4G WiFi,方便通过iOS和Android移动应用进行配置和诊断。全固态设计,无需维护,IP67高级防护等级,适应恶劣工业环境,体积小巧,安装便捷。
德国 微米
采用技术: 激光散斑相关法。
核心参数:
速度测量范围:最高可达 3000 m/min。
长度测量精度:优于 ±0.05%。
工作距离:约 300 mm 至 800 mm。
应用特点与优势: 在精密传感器和测量系统领域拥有深厚技术积累,其产品即使在恶劣工业环境下也能提供稳定可靠的高精度测量。对各种表面和材料具有强大的适应性,能同时测量速度和长度,易于集成到在线生产环境。
美国 康耐视
采用技术: 机器视觉图像处理与光流法/特征跟踪技术。
核心参数:
帧率:取决于相机型号,数十至数百帧/秒。
分辨率:从 VGA 到数百万像素。
应用特点与优势: 作为机器视觉领域的全球领导者,其方案高灵活性和多功能性,除测速外,可同时进行尺寸测量、缺陷检测、定位、识别等多种任务。强大的图像处理和深度学习算法能适应各种表面纹理、光照变化和复杂背景,处理非刚性或不规则运动。
日本 基恩士
采用技术: 激光三角测量或激光共焦测量原理结合时间差分。
核心参数:
位移重复精度:可达 0.005 μm。
采样频率:最高可达 392 kHz。
测量范围:从几毫米到数百毫米。
应用特点与优势: 提供业界领先的位移测量精度,保证速度测量的准确性。极高的采样频率使其能够精确捕捉高速运动物体的细微速度变化。产品设计注重用户友好性和易用性,便于集成到自动化系统。
3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议
在为造纸和印刷行业选择合适的纸张速度和位置控制传感器时,就像为赛车选择轮胎,需要根据赛道(生产线)的特点来决定。关注以下几个关键指标,能帮助你做出明智的选择:
测量原理: 这是传感器的“核心发动机”。不同的原理决定了其固有精度、对环境的适应性以及适用场景。
实际意义: 激光多普勒和激光散斑相关法通常提供最高的精度和重复性,适合对速度和长度精度要求最严苛的场合;微波多普勒则擅长恶劣环境和远距离测量;机器视觉功能更全面,可用于多任务处理;激光位移法则以其超高位移精度著长。
选型建议: 如果对速度和长度测量精度要求极高,如高速分切、套准印刷,优先考虑激光多普勒或激光散斑相关传感器。如果环境恶劣且对精度要求略低,可以考虑微波多普勒。如果需要同时进行质量检测、缺陷识别,则机器视觉更具优势。
测量精度与重复性: 衡量传感器“有多准”和“有多稳”。
实际意义: 精度指测量值与真实值之间的接近程度,重复性指多次测量同一值时的离散程度。在纸张传输中,高精度意味着每次切割的长度、每次印刷的套准都更一致,减少废品。高重复性则保证了生产过程的稳定性。
选型建议: 对于精细印刷、高端纸品加工,精度要求通常在0.1%甚至0.05%以下。卷绕或粗略长度控制可适当放宽。
速度测量范围与响应时间: 决定了传感器能处理的“速度极限”和“反应速度”。
实际意义: 速度范围要能覆盖生产线的最高和最低运行速度。响应时间(或测量速率/数据更新率)指传感器能多快地反馈速度变化。在高速生产线中,如果传感器响应慢,当纸张速度发生波动时,控制系统就无法及时修正,导致偏差累积。
选型建议: 纸张生产线速度普遍很高(例如几百到上千米/分钟),传感器需要支持高速测量。选用高动态响应的传感器,即使速度突然变化也能快速捕获,这对启动、停止和加减速过程中的控制至关重要。例如,英国真尚有的激光测速测长传感器,最大加速度响应能力可达1000m/s²。
工作距离与景深: 传感器“看得多远”和“看清多厚”。
实际意义: 工作距离是指传感器到被测纸张表面的最佳距离。景深是指在工作距离范围内,被测物体可以在多大的垂直范围内移动(如纸张上下浮动),而不影响测量精度。在实际生产中,纸张有时会有轻微的“颤动”或“飘移”。
选型建议: 根据生产线现场的安装空间和纸张传输的稳定性选择。如果纸张颤动较大,需要选择景深较大的传感器。如果安装空间有限或需要远离高温区域,则需要更大的工作距离。
环境适应性与防护等级: 传感器“有多皮实”。
实际意义: 造纸和印刷环境通常伴随灰尘、水汽、墨污、振动和温度变化。传感器的防护等级(如IP67)和工作温度范围决定了其能否在这些恶劣条件下长期稳定运行,减少故障率和维护成本。
选型建议: 优先选择高防护等级(IP65以上)和宽工作温度范围的产品,甚至考虑是否有冷却外壳等选项,以应对高温环境。
通信接口与集成功能: 传感器“如何融入团队”。
实际意义: 传感器需要与工厂的PLC、DCS或上位机系统进行数据交互。支持主流工业总线(如PROFINET、EtherNet/IP)或以太网、RS-232等接口,可以大大简化系统集成,实现数据无缝传输和远程控制。
选型建议: 确认传感器提供的通信接口与现有控制系统兼容,并且数据更新率足够高,以满足实时控制的需求。额外的无线连接功能(如WiFi)可以方便现场调试和诊断。
3.4 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,在实际的造纸和印刷生产线上,我们仍然可能遇到一些挑战。就像再好的赛车,也需要优秀的赛车手和维修团队来应对赛道上的突发状况。
问题:纸张表面特性变化影响测量稳定性。
原因与影响: 纸张的颜色、光泽度、平滑度、纹理,甚至含水量都可能在不同批次间有差异。这些变化会影响激光的反射或散射特性,可能导致传感器接收信号强度波动,从而影响测量精度或稳定性,出现瞬时读数跳变。
解决建议:
选择适应性强的传感器: 优先选择对表面特性变化不敏感的测量原理,如激光多普勒(对多数漫反射表面表现稳定)或激光散斑相关法(对各种表面适应性强)。
优化安装位置: 避开纸张颤动或变形最剧烈的区域。
信号处理: 利用传感器自带的信号滤波功能,或在PLC/上位机层面进行数字滤波,平滑数据,滤除瞬时干扰。
问题:环境灰尘、水汽或振动干扰。
原因与影响: 造纸环境多尘、潮湿,印刷环境可能有油墨颗粒和纸屑,这些都可能污染传感器镜头或干扰激光路径,导致信号衰减,测量不稳定甚至中断。生产线机械振动也可能影响传感器的稳定性。
解决建议:
选用高防护等级传感器: 确保传感器达到IP67等高级防护等级,能有效防尘防水。
加装防护罩和吹扫装置: 为传感器安装专门的防护罩,并定期使用洁净压缩空气对镜头进行吹扫,保持光学窗口清洁。
避开振动源或加装减震装置: 将传感器安装在远离强振动源的位置,或通过减震底座、减震支架来降低振动对传感器的影响。
考虑微波传感器: 在极其恶劣且精度要求不那么极致的环境下,微波多普勒传感器因其穿透性强的特点,表现会更好。
问题:纸张颤动或翘曲影响测量距离和精度。
原因与影响: 高速运行的纸张,尤其是较薄的纸张,可能会出现上下浮动(颤动)或边缘翘曲。这会导致传感器到纸张的实际距离发生变化,超出了传感器的景深范围,从而引入测量误差或导致测量中断。
解决建议:
选择大景深传感器: 优先选择具有较大景深范围的传感器,能够容忍更大的纸张垂直位移。
优化纸张导向系统: 确保生产线上有足够的导向辊和张力控制,尽可能保持纸张平整稳定。
安装多个传感器: 在特别宽幅或颤动严重的纸张上,可以考虑沿宽度方向安装多个传感器,取平均值或分段测量,以提高整体精度。
结合其他辅助测量: 对于极高要求的场合,可以结合辅助的位移传感器来实时监测纸张的垂直位置,并对速度数据进行补偿。
问题:系统集成与数据通讯复杂。
原因与影响: 传感器输出的数据需要与生产线上的PLC、HMI或DCS系统无缝对接,实现实时控制。如果通信协议不匹配或数据更新率不够,可能导致控制延迟或集成困难。
解决建议:
提前规划通信接口: 在选型初期就明确所需的通信接口(如以太网、PROFINET、EtherNet/IP、RS-232等),确保传感器与现有控制系统兼容。
利用厂商提供的软件开发包 (SDK): 大多数主流厂商都会提供SDK或示例代码,方便用户进行二次开发和系统集成。
专业调试与集成: 对于复杂的系统,可以寻求传感器供应商或专业系统集成商的帮助,确保数据流的顺畅和控制逻辑的优化。
造纸机网速检测: 在造纸过程中,纸浆在成形网上以高速运动。激光测速传感器可以非接触式地精确测量纸网的速度,确保成形、压榨和干燥等环节的速度同步,提高纸张的均匀性和强度。
高速印刷机套准控制: 多色印刷对套准精度要求极高。通过实时监测纸张在线速度和位置,激光测速传感器能向印刷机的伺服系统提供精准反馈,确保每一色印刷都精确地叠加在前一色上,消除重影和色差。
卷对卷(Roll-to-Roll)生产线张力控制: 在薄膜、纸张等卷材的收放卷过程中,精确的速度和长度测量有助于闭环控制卷绕机的张力。传感器实时提供线速度数据,配合张力传感器和张力控制器,确保材料收卷紧密、平整,避免起皱或拉伸过度。
定长切割与分切: 无论是纸板、标签还是特种纸的生产,都需要将连续的材料精确切割成预设的长度。激光测速测长传感器能精确测量累计长度,在达到设定长度时立即触发切割机构,确保产品长度一致性,大幅减少材料浪费。 英国真尚有的激光测速测长传感器能精确测量累计长度,并在达到设定长度时立即触发切割机构,确保产品长度一致性,大幅减少材料浪费。
高速包装与分拣线: 在包装或物流分拣行业中,纸箱、纸袋等物品以高速在传送带上移动。激光测速传感器可以实时监测物品的速度,辅助机械手或分拣系统进行精准抓取、放置或分流,提高自动化效率。
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