面对高速生产线上带材切割的精度难题，如何选用非接触式激光测长方案实现亚毫米级控制？【智能制造】

在工业生产中，带材，无论是金属板材、纸张、薄膜、纺织品还是线缆，都是非常常见的材料形态。为了满足最终产品的设计和使用需求，对这些带材进行精确的切割至关重要。

第1部分：带材的基本结构与技术要求

带材可以想象成一卷连续的、具有一定宽度和厚度的片状或线状材料。在实际应用中，它们往往需要被切割成特定的长度，以用于后续的加工或直接作为最终产品。例如，汽车制造中的冲压件、包装行业中的标签、建筑领域中的屋面板材等，都要求其原材料——带材被精确切割。

要实现高精度的带材切割，我们需要关注几个关键的技术要求：

• 长度精度： 这是最重要的指标，要求切割后的带材长度与目标设定值之间的偏差极小。这直接影响到产品的功能性、装配性以及材料的利用率。想象一下，如果生产手机外壳的金属带材切割长度不准，会导致后续冲压件尺寸不对，最终手机外壳无法完美契合。

• 切割边缘质量： 切割后的边缘应平整、无毛刺、无裂纹或变形。高质量的边缘能保证后续加工的顺利进行，并提升最终产品的外观和性能。

• 切割速度： 在满足精度的前提下，生产线往往追求更高的切割速度，以提高生产效率和降低成本。

• 材料适应性： 传感器和切割系统需要能够适应不同材质、表面特性（光亮、粗糙、有纹理）、颜色和厚度的带材。

第2部分：针对带材的相关技术标准简介

为了确保产品质量和行业互通性，带材的尺寸控制通常会遵循国际或国家标准。虽然具体标准条款众多，但核心目的都是为了规范对带材长度、宽度、厚度以及切割质量的监测与评价。

在带材的尺寸控制中，通常需要监测以下参数：

• 长度偏差： 指实际切割长度与设定目标长度之间的差异。例如，如果目标长度是1000毫米，实际切割是1001毫米，那么长度偏差就是1毫米。评价方法通常是测量多批次产品的长度，计算其平均偏差、最大偏差和标准差，并通过统计分析来判断生产过程的稳定性。

• 宽度偏差： 指带材的实际宽度与目标宽度之间的差异。虽然切割主要关注长度，但有些应用也需要在线监测宽度，以确保原材料的尺寸稳定性。

• 切割边缘垂直度与平整度： 衡量切割边缘是否垂直于材料表面，以及边缘本身是否平直、没有扭曲或凹凸。这通常通过光学成像或接触式测量来评估。

• 毛刺高度： 切割过程中可能在边缘产生细小的金属或材料突起，称为毛刺。毛刺过高会影响产品外观和功能，甚至造成安全隐患。其评价通常通过显微镜观察或特定量具进行测量。

这些参数的监测与评价，是确保带材产品符合国际质量标准，例如ISO（国际标准化组织）相关标准体系中对产品尺寸公差和检测方法的要求。通过持续监控这些参数，企业可以及时发现并纠正生产过程中的问题，减少废品率，提升产品竞争力。

第3部分：实时监测/检测技术方法

带材在高速生产线上运行，传统的接触式测量方法（如滚轮编码器）往往会因为打滑、磨损、振动或材料形变等问题引入误差，甚至损伤材料表面。因此，非接触式的激光测量技术成为了提升切割精度的理想选择。

（1）市面上各种相关技术方案

目前市场上主流的非接触式长度和速度测量技术主要有以下几种：

1. 激光多普勒测量技术

激光多普勒测量技术是利用物理学中的多普勒效应。这就像我们听到救护车从远处开近时警报声变尖，开远时警报声变低一样，声波的频率因为救护车的移动而发生了变化。激光也是一种波，当它照射到运动的物体表面时，从物体表面散射回来的光线的频率也会发生微小的变化。这种频率变化的大小，与物体的运动速度直接相关。

具体的测量过程是，传感器内部会发出两束相干的激光束，这两束激光会在被测带材表面相交并形成一个微小的干涉条纹区域。当带材带着其表面的微小颗粒或纹理通过这个干涉条纹区域时，这些颗粒会散射激光，产生多普勒频移。传感器接收这些散射光，并分析它们的频率变化，从而计算出带材的速度和长度。

如果我们设激光的波长为 λ，两束激光之间的夹角为 θ，被测带材的速度为 v，那么传感器检测到的多普普勒频率偏移（或称为拍频）fb 可以表示为：

fb = (2 * v * sin(θ/2)) / λ

传感器通过精确测量 fb，反推出带材的瞬时速度 v。然后，通过对速度进行积分累积，就可以实时、高精度地得到带材的长度。

• 核心性能参数： 激光多普勒测量技术能够提供较高的速度和长度测量精度，速度精度一般可达 ±0.05%，长度精度可达 ±0.02% 。这类传感器能够测量从静止到高速的运动，内部测量速率可达数百kHz。

• 优点：

  • 非接触： 避免了传统接触式测量带来的打滑、磨损、划伤材料表面等问题，尤其适用于精密、易损或高温的带材。

  • 高精度： 基于物理原理，测量精度较高，且受带材表面温度、颜色、材质、张力、湿度等因素的影响较小。

  • 可靠性高： 采用全固态设计，内部没有活动部件，降低了故障率，减少维护需求，适合工业环境。

  • 应用范围广： 适用于多种类型的带材，包括金属、纸张、薄膜、纺织品、线缆等。

• 缺点：

  • 对于光学特性极佳（如镜面）的表面可能需要特定调整或散射增强。

  • 相较于某些简单的接触式方案，初始投资成本可能较高。

• 适用场景： 高速生产线、高温环境、易损材料以及需要较高长度切割精度的场合，例如钢铁、铝加工、线缆、纸张、薄膜等行业。

2. 机器视觉及图像处理技术

机器视觉及图像处理技术利用高速工业相机作为“眼睛”，持续拍摄运动中带材的表面图像。系统通过内置的图像处理软件识别和跟踪带材上的预设标记点、纹理特征或边缘。通过计算这些特征在连续图像帧中的位移，并结合相机标定参数，从而实时计算带材的移动距离和长度。

• 核心性能参数： 测量精度取决于相机的分辨率和标定精度，通常可以达到亚毫米级别。图像采集帧率可以非常高，以适应高速生产线。

• 优点：

  • 多功能性： 除了长度测量，还可以同时进行宽度测量、表面缺陷检测、图案对齐等多种质量控制任务。

  • 灵活性高： 软件可编程，可以适应各种复杂的检测需求。

  • 非接触： 不接触材料表面。

• 缺点：

  • 依赖带材表面是否有可识别的特征或纹理。表面过于光滑、均匀或存在干扰（如水珠、油污）时，会影响识别精度。

  • 对环境光线变化敏感，需要稳定的照明条件。

  • 系统较为复杂，需要专业的视觉算法和标定，部署和维护成本相对较高。

• 适用场景： 既需要长度测量又需要同时进行表面质量检测、图案对齐等多种任务的场合，如印刷、包装、电子材料、医疗器械等。

3. 激光扫描测微技术

激光扫描测微技术采用“超精密的激光尺子”来测量带材的精确尺寸。系统发射一道细激光线或光斑投射到带材表面，通过高速线扫描相机捕捉激光在带材表面的反射图像。系统分析图像，识别光线在带材边缘的位置，以微米级的精度连续测量带材边缘位置变化，通过累积位移数据实现带材长度的测量。

• 核心性能参数： 测量精度较高，部分系统可以达到亚微米级别。扫描速度快，线性度出色。

• 优点：

  • 高精度： 在需要较高尺寸精度的场合表现出色。

  • 非接触： 避免了接触测量可能带来的损伤和误差。

  • 稳定性好： 专为精密测量设计，抗干扰能力强。

• 缺点：

  • 主要侧重于尺寸测量，不适合进行表面缺陷检测等其他视觉任务。

  • 对被测物体的边缘清晰度有较高要求。

  • 系统较为专业，成本相对较高。

• 适用场景： 对长度、宽度、厚度等尺寸公差要求严格的精密制造行业，如半导体、精密金属加工、电池隔膜、医疗器械等。

4. 表面光学相关测量技术

表面光学相关测量技术类似于在带材表面进行“纹理识别”。它使用高分辨率摄像头捕捉带材表面的微观纹理或随机特征，通过数字图像处理和相关分析算法，在连续的图像序列中跟踪同一组微观纹理的移动模式，计算位移，从而确定带材的速度和长度。

• 核心性能参数： 速度范围可达每分钟数千米，长度测量精度可达 ±0.05%。适用于多种表面纹理，对振动、温度变化有较强的鲁棒性。

• 优点：

  • 非接触： 消除接触式测量误差。

  • 适应性强： 适用于各种具有自然纹理的带材表面，无需预设标记或图案。

  • 鲁棒性好： 对环境干扰（如振动）具有一定的抵抗力。

• 缺点：

  • 对完全光滑无纹理的表面可能效果不佳。

  • 测量精度可能略低于激光多普勒，但优于传统接触式方法。

• 适用场景： 纸张、薄膜、金属等具有一定表面纹理的卷材和带材加工行业，特别是替代传统编码器以提高测量精度。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是一些在带材长度测量领域知名的品牌及其产品特点：

• 德国宝盟： 德国宝盟是激光测速领域的企业，其激光多普勒测量技术产品在工业界享有盛誉。他们采用激光多普勒效应，通过检测散射光的频率偏移来计算带材速度和长度。其产品的速度测量精度优于 ±0.05%，长度测量精度优于 ±0.02%，最高可测速度达3000米/分钟，典型测量距离在300毫米至3000毫米之间。其产品应用于金属、纸张、薄膜等行业的高速带材生产线。

• 英国真尚有： 英国真尚有专注于工业非接触式速度和长度测量，其AJS10X系列激光测速测长传感器采用了激光多普勒测量原理。该系列产品提供从静止到最高10,000米/分钟的速度测量范围，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，确保精确捕捉高速运动。AJS10X系列针对不同材料提供适配方案，并具备以太网、RS-232和CANbus等通信接口，可选PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线，以及内置WiFi无线连接能力，方便集成与诊断。产品采用全固态设计，IP67防护等级，体积小巧，适合工业环境。

• 瑞士策尔： 瑞士策尔是线缆、管材、带材等行业非接触式测量技术的企业，其ODU系列测速测长仪基于激光多普勒测速原理。该设备通过分析散射光束的多普勒频移，计算带材的表面速度，并实时积分以提供长度。ODU系列的速度范围最高可达2500米/分钟，长度精度优于 ±0.05%，典型工作距离在250毫米至1000毫米，适用于工业环境。

• 美国康耐视： 美国康耐视是机器视觉系统供应商，其In-Sight D900系列视觉系统基于机器视觉及图像处理技术。该系统通过工业相机捕捉带材表面的连续图像，内置视觉软件识别并跟踪带材上的特定图案、纹理或边缘，通过测量这些特征在图像帧中的位移来计算长度。其优势在于灵活性和多功能性，除了长度测量，还可同时进行表面缺陷检测、宽度测量、定位等多种质量控制任务。

• 日本基恩士： 日本基恩士以高精度传感器产品而闻名。LS-9000系列线扫描测微计采用激光扫描与高速线扫描相机相结合的技术。传感器发射激光线，通过线扫描相机捕捉反射图像，精确识别带材的边缘位置或标记，进行亚微米级的连续测量和跟踪，实现带材长度的测量。其测量精度最高可达 ±0.05 µm，扫描速度最高可达64000次/秒，适用于对公差要求严格的带材制造。

（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

在选择激光测量设备时，需要关注以下几个核心指标：

• 精度与重复性：

  • 实际意义： 精度是指测量值与真实值之间的接近程度。重复性是指在相同条件下多次测量结果之间的一致性。对于带材切割，精度决定了产品是否符合设计长度，而重复性保证了每次切割都能得到相同长度的产品。

  • 选型建议： 对于追求产品尺寸控制的场景，两者都非常重要。选择精度和重复性指标都较高的传感器。例如，英国真尚有AJS10X系列就提供了优于0.05%的精度和0.02%的重复性。

• 测量范围：

  • 实际意义： 包括传感器的最大可测速度、可测量的最短/最长长度以及安装距离和景深。如果生产线的带材速度非常快，或者在启动/停止时速度变化剧烈，就需要选择能覆盖这些速度范围，并能支持0速度测量和方向识别的传感器。同时，安装空间决定了传感器的安装距离和景深是否满足要求。

  • 选型建议： 确保传感器能覆盖生产线上的所有速度范围，并留有一定余量。若有停机或反向需求，选择支持0速度和方向识别功能的型号。同时，根据安装空间，选择具有合适测量距离和景深的传感器。

• 响应时间/数据更新率：

  • 实际意义： 指传感器从接收信息到输出测量结果所需的时间，以及每秒能更新多少次数据。这决定了系统对带材速度变化的反应速度。

  • 选型建议： 高速生产线或需要快速启停、加减速的场景，要求传感器具备较快的响应速度和高数据更新率，以确保切割控制系统能够及时接收数据并作出判断。

• 环境适应性：

  • 实际意义： 传感器能否在工业环境中稳定工作。

  • 选型建议： 根据生产现场的具体环境选择。例如，IP67防护等级的传感器能有效防尘防水；若工作环境温度高，则需要选择带有冷却外壳或宽温工作范围的传感器。全固态无活动部件的设计能提高长期可靠性。

• 通信接口：

  • 实际意义： 传感器如何与工厂控制系统进行数据交互。

  • 选型建议： 选择与现有控制系统兼容的通信接口，以便于快速集成，降低开发成本。支持无线连接的传感器还能提供更便捷的配置和诊断功能。

• 成本：

  • 实际意义： 不仅仅是购买价格，还包括安装、集成、维护和因测量误差造成的废品率等长期成本。

  • 选型建议： 综合考量初期投资和长期效益。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了测量设备，在实际应用中也可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能确保测量系统的稳定运行和效益。

• 问题1：带材表面特性变化导致测量不稳定。

  • 原因： 不同批次的材料可能存在颜色、光泽度、粗糙度或纹理的差异；生产过程中可能出现油污、水渍、灰尘附着，或材料表面被划伤等。这些变化可能影响激光的反射或散射特性，进而影响传感器的测量稳定性。

  • 影响： 测量值波动大，精度下降，导致切割误差增加。

  • 解决方案：

    • 选型阶段： 优先选择对表面特性不敏感的测量原理，例如激光多普勒测速传感器。表面光学相关技术也具有较好的鲁棒性。

    • 安装阶段： 确保传感器安装位置远离易受污染的区域。

    • 运行维护： 定期清洁传感器光学窗口，避免灰尘、油污等覆盖。

• 问题2：生产线振动或环境温度波动过大。

  • 原因： 生产线机械振动、周围设备噪音或环境温度急剧变化，都可能对精密光学传感器的稳定工作造成干扰。

  • 影响： 导致测量数据跳变、不稳定，甚至出现误判。

  • 解决方案：

    • 安装阶段： 确保传感器安装基座稳固，采取减振措施。

    • 选型阶段： 选择具有较高IP防护等级和宽工作温度范围的传感器，或为传感器配备冷却/加热外壳，以应对极端温度环境。

    • 系统层面： 在控制系统中加入数据滤波算法，平滑测量数据，但要注意不能牺牲响应速度。

• 问题3：传感器与控制系统集成困难，数据同步性差。

  • 原因： 传感器输出接口与上位机PLC或运动控制器不兼容，或通信协议不匹配；数据更新率与控制器处理能力不匹配，导致数据延迟。

  • 影响： 测量数据无法及时传输给切割设备，造成切割滞后或提前，影响精度；调试时间长，增加集成成本。

  • 解决方案：

    • 选型阶段： 核对传感器的通信接口和协议，确保与现有控制系统兼容。

    • 集成调试： 充分利用传感器提供的配置软件和诊断工具进行参数设置和故障排查。确保控制器的数据采集频率与传感器的数据更新率相匹配，必要时优化控制程序的逻辑，减少数据处理延迟。

• 问题4：初期校准不准确或长期使用后精度漂移。

  • 原因： 传感器安装角度或距离未按要求调整；长时间运行后，环境变化或内部元件微小老化导致测量基准偏移。

  • 影响： 测量结果系统性偏差，导致批量产品尺寸不合格。

  • 解决方案：

    • 安装校准： 严格按照制造商提供的安装手册和校准流程进行首次安装和校准。

    • 定期校验： 建立定期校验机制，使用已知的标准长度或与接触式高精度测量设备进行比对，检查传感器的测量精度。

    • 自诊断功能： 利用传感器自带的诊断功能，监控其工作状态和性能。

第4部分：应用案例分享

激光测量技术在带材切割精度控制方面已经广泛应用于多个行业：

• 金属板材切割： 在钢铁、铝材等卷板生产线中，激光测长传感器实时监控带材速度和长度，确保剪板机在精确位置完成切割，从而生产出尺寸符合行业要求的产品。

• 薄膜与纸张分切： 在包装薄膜、光学膜、特种纸张的生产线上，激光测长传感器确保分切机将连续的卷材切割成指定长度的卷或片，有效控制材料损耗并满足客户的交付要求。

• 电线电缆生产： 激光测速测长传感器用于监测电线电缆在拉伸、绝缘和卷绕过程中的精确长度，确保每卷电缆的米数准确无误，避免因长度不足或超长造成的损失。例如，英国真尚有的AJS101系列，凭借其广角镜头，更适用于线缆等圆柱形物体的测量。

• 纺织品和无纺布加工： 在纺织和无纺布生产线上，激光测量系统能够实时检测材料的速度，并指导切割设备进行精确的定长剪裁，尤其适用于对图案对齐和尺寸精度有严格要求的服装或医疗卫生用品生产。

• 橡胶和轮胎制造： 激光测长设备可用于橡胶或轮胎半成品的在线长度测量，确保各部件的尺寸精度，这对于轮胎的最终性能和安全性至关重要。