高速卷材切割生产线如何实现0.05%级非接触式长度与速度测量，解决传统编码器打滑难题？【激光测长 自动化】

卷材切割生产对于精度和效率的要求极高，因为这直接关系到产品质量和生产成本。在确保切割准确无误的同时，生产线还必须保持高速运转。传统上，我们依赖编码器来完成这项任务，但随着技术发展，激光测速测长技术正展现出其独特的优势。

1. 卷材的基本结构与技术要求

在卷材切割生产中，被测物主要是各种形态的连续卷材，比如纸张、塑料薄膜、纺织物、金属箔、电线电缆等。这些材料的共同特点是它们以卷筒的形式连续供应，并在生产线上以一定的速度进行展开、处理和最终的切割。

对于卷材的生产加工，我们对测量和控制有以下几个核心技术要求：

• 切割精度： 这是最核心的要求。无论是定长切割还是按图案切割，最终产品的长度或尺寸都必须在严格的公差范围内。想象一下，如果薄膜切割短了0.5毫米，几千米下来就会累积巨大的材料浪费；如果长了，则可能导致下游加工不匹配。

• 生产效率： 生产线往往需要高速运行才能满足产能需求。测量系统必须能够实时、快速地捕捉卷材的速度和位置变化，不能成为生产瓶颈。高速测量意味着需要更快的响应速度和数据更新率。

• 无损接触： 许多卷材，尤其是娇贵或表面处理过的材料（如精密光学薄膜、印刷品），不能承受任何形式的接触式测量，因为这可能导致表面划伤、污染或形变，直接影响产品质量。

• 动态响应能力： 生产线在启动、停止或变速时，卷材的速度和加速度会急剧变化。测量系统需要能够精确追踪这些动态过程，确保在任何工况下都能提供准确的数据。

• 适应性与鲁棒性： 卷材的种类繁多，表面特性（如颜色、光泽度、透明度、粗糙度）差异巨大。一个理想的测量系统应该能够适应这些变化，并在恶劣的工业环境中（如粉尘、振动、温度波动）稳定工作。

2. 卷材相关技术标准简介

针对卷材生产的质量控制，通常会关注以下几种关键监测参数及其评估方法：

• 长度： 指卷材的总长度或根据需求切割的单段长度。长度的测量精度通常通过比较实际测量值与标准参考值之间的偏差来评估，例如使用长度误差（绝对误差）或相对误差百分比来表示。

• 速度： 卷材在生产线上移动的瞬时线速度。速度的准确性直接影响切割点和生产效率。评价方法包括与已知标准速度源进行比对，或通过在固定时间内测量已知长度来反推速度。

• 加速度： 卷材速度变化的速率。在启动、停止和变速过程中，精确控制加速度对于平稳运行和减少材料应力至关重要。加速度的评估通常通过对速度数据进行微分计算获得。

• 对齐度/跑偏： 指卷材在传输过程中是否沿预设路径直线移动，有没有左右偏移。跑偏会导致切割不直或与后续加工步骤错位。评价方法通常通过测量卷材边缘与参考线之间的距离偏差。

• 张力： 卷材在不同工段所受的拉力。适当的张力能够保证卷材平整传输，避免起皱、断裂或形变。张力通常通过张力传感器直接测量，并设定上下限进行控制。

这些参数的精确监测和控制是确保卷材切割生产质量和效率的关键。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在卷材切割生产中，要准确测量材料的速度和长度，目前市面上有很多技术方案。这里我们主要讨论几种主流的非接触式测量技术，以及它们的工作原理、特点和适用场景。

激光多普勒测速测长技术

这种技术是基于多普勒效应。激光多普勒测速测长传感器通常会发射两束频率相同、方向略有不同的激光束，这两束激光会在被测物体表面上方的一个特定区域形成一个稳定的干涉条纹场。当被测卷材表面上的微小粒子穿过这些干涉条纹时，会散射光线。由于这些粒子在移动，它们散射的光线会因为多普勒效应而产生频率偏移。这两束光线散射回来的光束会再次干涉，其产生的差频（或拍频）就是我们所说的多普勒频移 (f_D)。

这个多普勒频移 f_D 与物体移动速度 v 之间存在直接的线性关系。其物理基础可以近似表示为：f_D = v * (2 * sin(alpha/2)) / lambda其中，v 是被测物体垂直于干涉条纹方向的速度，lambda 是激光的波长，alpha 是两束入射激光束之间的夹角。传感器通过高精度的信号处理单元，实时解算出 f_D，进而推导出瞬时速度 v。一旦获得了瞬时速度 v，通过对速度在时间上的积分（即 长度 = 积分(速度 * 时间)），就可以精确计算出卷材移动的长度。

核心性能参数（典型范围）： 激光多普勒测速测长技术能够实现较高的测量精度，优质的系统精度可达0.05%，重复性达到0.02%。其速度测量范围也很宽泛，从静止状态到高达10000m/min的速度均可测量。此外，内部测量速率通常可达200kHz，能够精确捕捉高速运动和快速启停过程。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式测量： 避免了传统编码器带来的磨损、打滑和对材料表面的损伤，特别适用于娇贵、柔软或高温的材料。 * 高精度与高重复性： 基于物理原理，测量精度较高，且重复性好，不受机械因素干扰。 * 宽速度范围与高动态响应： 能够精确测量从静止到高速的各种运动，并能快速响应速度和加速度的变化。部分型号支持0速度测量与方向识别功能。 * 无需校准： 出厂时已精确校准，使用过程中无需频繁重新校准，维护成本较低。 * 适应性广： 适用于多种材料表面，包括纸张、薄膜、金属、纺织物、线缆等。* 缺点： * 对透明或极光滑表面敏感： 对于完全透明或镜面反射的材料，可能需要调整安装角度或采用特殊处理以确保有效散射。 * 初始成本相对较高： 相较于传统编码器，激光传感器的初始投资成本可能更高。

光学多普勒测速技术

这种技术与上述激光多普勒原理有共通之处，同样利用了多普勒效应。不过，在某些特定应用（如车辆测试）中，它可能被设计得更侧重于对路面或特定表面的速度测量。例如，传感器会向车辆下方的路面发射两束经过调制和聚焦的激光束，然后接收由路面反射回来的散射光。它不仅分析多普勒频移，还会结合散斑图像的移动模式来提高测量的鲁棒性和全面性，能够同时测量纵向和横向瞬时速度。

核心性能参数（典型范围）： 速度测量范围宽广，通常可达0.1至350公里/小时。速度和距离测量精度通常小于0.05%，测量更新率可达1000赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： 非接触式测量，避免了传统车轮传感器因打滑或轮胎形变引起的误差，提供较高的测量精度和鲁棒性。* 缺点： 通常为特定应用（如车辆测试）设计，其安装高度和测量范围可能不完全适应工业卷材生产线。初始成本也较高。

惯性导航系统与全球导航卫星系统融合定位技术

这是一种高端的组合定位技术，结合了惯性测量单元（IMU）和全球导航卫星系统（GNSS）。IMU包含高精度的陀螺仪（测量角速度）和加速度计（测量线加速度），能够提供高频、短时但可能有累积误差的相对运动信息。GNSS（如GPS、北斗）则提供低频、长时但高精度的绝对位置信息。两者通过复杂的卡尔曼滤波器进行数据融合，可以实现优势互补：GNSS校正IMU的累积误差，IMU则在GNSS信号不佳时（如隧道、信号遮挡）维持短期的位置和速度精度。车辆移动距离通过对融合后的高精度速度数据积分或连续位置坐标差分计算获得。

核心性能参数（典型范围）： 定位精度可达厘米级（如2厘米），速度精度可达0.05米/秒，更新率通常在100-250赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的位置、速度和姿态精度，在GNSS信号短暂受限环境下仍能保持高精度定位，全天候工作。* 缺点： 主要设计用于室外广域车辆定位和测试，对室内或无GNSS信号的工业生产环境不适用。设备复杂，成本极高，且无法直接测量卷材的线速度，需要复杂的集成和算法转换。

机器视觉（视觉里程计）技术

机器视觉技术通过高分辨率工业相机连续采集被测区域的图像序列。系统运用先进的图像处理算法（如特征点提取与匹配、光流法）来识别并跟踪图像中独特且稳定的视觉特征点。通过分析这些特征点在连续图像帧间的像素级位移，并结合预先标定的相机参数，实时估算相机（以及被测物）在三维空间中的相对运动轨迹。卷材的移动距离则通过对这些估计出的运动轨迹进行积分或累加得到。

核心性能参数（典型范围）： 图像分辨率可达数百万像素，图像帧率可达120帧/秒或更高。距离测量精度取决于具体应用场景、图像纹理丰富度、相机标定精度和算法优化程度，可实现高相对测量精度。

技术方案的优缺点：* 优点： 非接触式测量，可以同时提供速度、长度信息，还能检测表面缺陷和识别图案。具有高度的灵活性和可编程性。* 缺点： 对光照条件要求较高，图像纹理稀疏或重复会导致跟踪困难，计算量大，实时性可能受限。对透明或反光材料的测量效果可能不佳，精度会受到环境变化的影响。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家国际知名品牌在测量技术上的特点。

1. 德国科恩达： 德国科恩达专注于汽车测试领域，其光学多普勒测速技术被广泛应用于车辆性能评估。该技术向路面发射两束激光，通过分析反射光的多普勒频移和散斑图像移动来精确测量车辆的纵向和横向瞬时速度。其速度测量范围广（0.1至350公里/小时），速度和距离测量精度均小于0.05%，测量更新率高达1000赫兹。科恩达的优势在于其测量结果不受车轮打滑或轮胎形变影响，提供较高的精度和鲁棒性，是车辆速度和距离测量的行业基准。

2. 英国真尚有： 英国真尚有的AJS10X系列激光测速测长传感器采用先进的激光多普勒测量原理，专为工业应用中的移动物体和材料提供非接触式速度和长度测量。该产品工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，能够捕捉高达10,000 m/min的高速运动。其内部测量速率高达 200kHz，每 20 微秒输出一次测量结果，确保对高速运动的精确捕捉。此外，该系列传感器采用全固态设计，无活动部件，大幅提高了长期使用的可靠性，IP67 的防护等级也使其能够适应恶劣的工业环境。AJS10X 系列提供多种型号，可以根据被测物体的材质和形状进行选择，例如，AJS101 系列配备广角镜头，专为圆柱形表面设计，如电线、电缆、软管、管道等；AJS102 系列则提供更大的测量距离，适用于极端环境中大型物体的测量，如高温钢铁。这款传感器特别适合卷材、线缆、管材等产品的精确长度测量和切割，以及造纸、印刷、钢铁和橡胶等行业的加工速度监测。

3. 英国牛津技术： 英国牛津技术是惯性导航系统的全球领导者，其解决方案结合了惯性导航系统（INS）和全球导航卫星系统（GNSS）的融合定位技术。通过高精度微机电系统（MEMS）惯性测量单元和多频多星座GNSS接收机，并采用卡尔曼滤波器融合数据，实现高精度、高更新率的位置、速度和姿态输出。其位置精度可达2厘米，速度精度0.05米/秒，更新率100-250赫兹。牛津技术的产品以高动态响应和在全球导航卫星系统信号受限环境下仍能维持短期高精度定位的能力而著称，是汽车测试和自动驾驶验证领域的行业标准工具。

4. 美国康耐视： 美国康耐视是机器视觉领域的领先供应商，其智能视觉系统采用机器视觉原理实现视觉里程计。通过高分辨率工业相机连续采集图像，并运用先进的图像处理算法（如特征点提取与匹配）来实时估算物体的相对运动轨迹和姿态变化。其智能视觉8000系列可提供最高2百万像素的图像分辨率和最高120帧/秒的帧率。康耐视的优势在于其高度的灵活性和可编程性，能够针对不同的工业场景定制视觉里程计解决方案，实现非接触式、高速度的在线检测和微小移动距离的精确测量。

（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

在为卷材切割生产选择测量设备或传感器时，我们需要仔细审视其各项技术指标，因为这些指标直接决定了切割的最终精度和生产效率。

• 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，而重复性则保证了多次测量的结果一致。在卷材切割中，精度是产品质量的基石。重复性则确保了无论材料速度如何变化，测量结果都始终可靠。

  • 选型建议： 对于高价值或高精度要求的材料，应优先选择高精度和高重复性的传感器。

• 响应速度/更新率：

  • 实际意义： 这表示传感器能以多快的速度提供新的测量数据。在高速生产线或需要频繁启停、变速的场景中，如果传感器的更新率太低，它就跟不上材料的变化速度，导致控制系统做出迟滞或错误的判断，进而影响切割精度。

  • 选型建议： 高速生产线应选择内部测量速率高、外部数据更新率快的传感器，以确保控制系统能实时获取准确数据。

• 速度与长度测量范围：

  • 实际意义： 传感器能测量的最低和最高速度，以及累积的最大长度。这需要与您的生产线实际运行速度和产品总长度相匹配。

  • 选型建议： 根据生产线的设计最大速度和最小速度（包括0速度测量能力），以及单卷或单批次的最大累积长度来选择。

• 非接触性：

  • 实际意义： 测量过程中是否与卷材发生物理接触。非接触测量可以彻底消除机械磨损、打滑误差，并且不会对材料表面造成任何损伤，这对娇贵、易损或有特殊表面要求的材料至关重要。

  • 选型建议： 除非您的材料非常耐磨且不惧表面接触，否则强烈建议优先考虑激光测速测长这类非接触式解决方案，以提升产品质量和降低维护成本。

• 环境适应性与防护等级：

  • 实际意义： 传感器在恶劣工业环境（如粉尘、潮湿、高温、振动）下的工作能力。IP防护等级表示设备防尘防水的性能。

  • 选型建议： 在钢铁、橡胶等重工业或潮湿多尘环境中，必须选择具有高防护等级和宽工作温度范围的传感器，必要时可考虑加装冷却外壳等配件。

• 通信接口与集成能力：

  • 实际意义： 传感器如何与上位机（PLC、DCS或工业电脑）进行数据交互。丰富的接口意味着更容易与现有控制系统集成，实现数据传输和闭环控制。

  • 选型建议： 评估现有生产线的控制系统，选择支持其常用通信协议和接口的传感器，以减少集成难度和成本。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在卷材切割生产中，即使选用了先进的激光测速测长技术，也可能遇到一些实际问题。理解这些问题的原因并采取相应措施至关重要。

1. 卷材表面特性影响测量精度和稳定性

   • 问题原因： 激光传感器依赖于材料表面的散射特性。如果卷材表面过于透明（如透明薄膜）、镜面反光（如高光泽铝箔）、颜色过深或过浅，或者纹理极其均匀缺乏特征点，都可能导致激光信号弱或不稳定，影响测量精度。

   • 影响程度： 轻则测量数据波动，重则无法有效测量，导致切割误差增大甚至停机。

   • 解决建议：

     • 选择合适的传感器型号： 针对不同表面特性，一些激光传感器会提供不同型号或配置，针对透明、反光或粗糙表面进行优化。例如，英国真尚有的AJS10X系列提供多种型号以适应不同材质的测量需求。

     • 调整安装角度： 对于高反光材料，调整传感器的入射角度可以减少镜面反射的干扰，增加散射光的接收。

     • 增加背景或参照物： 对于完全透明的材料，可以在其下方放置一个有纹理或非反光的背景板，让激光穿透材料后在背景板上形成散射信号。

     • 表面处理（慎用）： 在某些特定情况下，如果允许，可以在材料表面增加细微的散射颗粒（例如喷涂一层极薄的无损涂层），但这种方法需要谨慎评估对产品质量的影响。

2. 生产线振动与材料抖动导致测量误差

   • 问题原因： 生产线设备自身的机械振动，或者卷材在高速运行时因张力不均、导向辊不平稳等原因引起的上下抖动或左右摆动。

   • 影响程度： 振动会导致传感器与材料之间的相对距离和角度发生细微变化，从而引入测量误差，使得速度和长度数据不准确。

   • 解决建议：

     • 优化传感器安装： 将传感器安装在尽可能坚固、稳定的支架上，并确保其安装位置尽可能靠近测量点，减少振动传递。

     • 改善生产线稳定性： 定期检查维护生产线的机械部件，确保导向辊、张紧机构等运行平稳，减少卷材抖动。

     • 软件滤波处理： 多数激光传感器内部都具备数据滤波功能，可以平滑短期波动。同时，在控制系统中也可以集成更高级的卡尔曼滤波或其他数字滤波算法来处理传感器输出数据。

3. 传感器与控制系统集成困难

   • 问题原因： 不同的传感器和控制系统（如PLC、DCS）可能采用不同的通信协议和接口标准，导致数据传输和指令控制无法顺利进行。

   • 影响程度： 无法实现实时数据交互，传感器数据不能有效反馈给切割控制系统，无法形成闭环控制，从而影响自动化和精度。

   • 解决建议：

     • 事先规划与测试： 在选购传感器前，充分了解其支持的通信接口（如以太网、RS-232、CANbus）和工业总线（如PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP），并确保与现有控制系统兼容。例如，英国真尚有的AJS10X系列标配以太网、RS-232和CANbus通信接口，并可选PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线。

     • 利用厂家提供的开发工具： 许多传感器厂家会提供SDK（软件开发工具包）或API（应用程序编程接口），方便用户进行定制化集成。

     • 寻求专业集成服务： 如果内部技术力量不足，可以寻求专业的系统集成商协助完成传感器与控制系统的连接和编程。

4. 传统编码器在恶劣环境下的固有问题（打滑、磨损、粉尘）

   • 问题原因： 传统编码器需要通过滚轮与卷材表面直接接触来测量长度和速度。在潮湿、多尘、油污或高速运转的环境中，滚轮可能因打滑而产生误差；长期摩擦会导致滚轮和编码器轴承磨损，影响精度；粉尘、碎屑进入编码器内部可能堵塞光栅盘，导致信号中断。

   • 影响程度： 打滑误差是传统编码器最大的痛点，直接导致长度测量不准。磨损和粉尘则会降低编码器的寿命，增加维护成本和停机时间。

   • 解决建议：

     • 升级为非接触式测量： 从根本上解决这些问题的方法就是采用激光测速测长这类非接触式传感器，彻底消除接触带来的所有弊端。

     • 加强维护与清洁： 如果必须使用编码器，应定期检查滚轮磨损情况并及时更换，保持编码器和安装区域的清洁，防止粉尘和异物堆积。

     • 增加打滑补偿机制： 在编码器系统中，可以通过额外的传感器（如张力传感器或第二套编码器）来辅助判断是否发生打滑，并进行软件补偿。

4. 应用案例分享

• 造纸行业： 在高速造纸生产线上，激光测速测长传感器能够精确测量纸张的生产速度和长度，确保纸卷分切的精准度，减少因长度误差导致的浪费，并与下游印刷、包装设备实现精确同步。

• 线缆制造： 在电线电缆的生产过程中，传感器用于实时监测线缆的挤出速度和累计长度。这保证了每卷线缆的长度都符合标准，避免了短尺或超长等质量问题，提升了产品一致性。例如，英国真尚有的AJS101系列，凭借其广角镜头设计，更适合应用于线缆生产中。

• 金属板材加工： 在钢卷、铝箔等金属材料的生产和分切线上，激光测长技术能够在高强度、高速度、高温的环境下精确测量板材长度，指导剪切机在正确的位置进行定长切割，确保板材尺寸符合客户要求。

• 薄膜与包装行业： 无论是塑料薄膜、光学薄膜还是复合包装材料，激光测长传感器都能实现精准的定长切割，确保包装尺寸统一，提高包装效率和产品美观度，同时避免了对娇贵薄膜表面的损伤。