超声波传感器在开卷校平剪切线上的应用

沈晶巍 李 超 于树江

作者通联：沈阳捷众汽车零部件有限公司经营管理部 沈阳市沈北新区沈北路155号 110042

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在汽车行业，钢材配送，家电企业等进行卷料开卷、剪切的生产中，大量使用开卷校平剪切线。传统的剪切线，开卷机采用力矩电机控制，为机头提供反向力矩，在机头和校平机之间的板材上形成张力，张力的大小由手动调节力矩电机的反向力矩控制。当电机力矩固定时，张力随料卷直径的变化而变化，手动控制电机力矩，不能准确地控制稳定的张力。当力矩设定较小，在开卷线停止时，不能及时协调停止机头，常常发生冲卷，松卷。当力矩设定较大，料卷直径较大时，张力过大，不仅损伤板材，而且对校平机也有损害。超声波测距传感器的应用，可以实时测量料卷的直径。开卷机头由变频电机或伺服驱动，通过控制开卷机头和校平机的速度，实现对开卷张力的控制，张力调节灵活，控制稳定。同时，超声波传感器的应用，使卷料自动装载得以实现。

1.开卷张力的控制

超声波传感器通过计算超声波脉冲发射到介质表面并返回的时间，得出测头距检测物的距离。在开卷机头上方垂直安装一个UC2000-30GM-IU-V1超声波传感器（倍加福公司产），以西门子ET200S模拟量模块为例，型号为6ES7134-4FB01-0AB0，接线图见图1。当料卷上好后，通过检测到的测头到料卷的距离，可以计算出料卷的直径D，并实时送入控制系统，开卷的线速度vl=3.14Dvk，（vk为开卷芯轴的角速度），控制vk实现开卷线速度的控制，进一步控制开卷张力。

图1 超声波接线图

如图2所示，当超声波传感器安装好后，超声波传感器距开卷机头中心线的距离L1为已知，料卷距传感器的距离L2传感器可以测得，料卷直径D=2（L1-L2）。校平机线速度v由落料速度和落料长度决定，当校平线速度等于落料速度乘以落料长度时，开卷校平线速度和落料速度匹配，开卷校平匀速运行。当开卷机线速度和校平线速度v相同时，开卷角速度vk=v/[3.14×2×（L1-L2）]=v/[6.28（L1-L2）]，卷料张力为零，当板料厚度＜1mm 时，这种方式较为理想。当板材厚度大于1mm时，vk=v/[6.28（L1-L2）]-vf，vf为开卷机与校平机角速度的速差，校平机线速度大于开卷线速度，开卷机处于发电状态，产生张力Q=（D/2）×F（F为电机转矩）。开卷过程中D不断减小，为精确控制张力，可使vf=m/D，m为调节系数，取值范围为1%～100%，可将m值放到触摸屏上进行更改操作，一般设为20%。这样，vf随D的减少而增大，电机转矩也随直径变化，调节m值可使张力在整个开卷过程中保持稳定可调。

2.料卷自动装载的实现

要实现料卷的自动装载，必须保证上料小车由上料架处移动到芯轴的正下方，小车带料上升使料卷中心和芯轴中心重合。通过调节小车移动减速开关和停止开关，加装硬限位实现移位准确。

图2 料卷直径计算示意图

图3 上升高度示意图

上升高度的控制如图3，料卷自动装载前超声波传感器检测出距上料小车上表面的距离K1，料卷高度K，开卷机芯轴距传感器的距离K2，可计算出X=K2-（K1-K）/2，这样在小车带料上升时，当传感器检测的K值等于计算值X时，料卷中心和芯轴中心重合，芯轴正好穿入，实现料卷自动装载。对于每一个料卷，K1和K2在超声波传感器安装完成后，即为已知固定值，K和X的值随料卷不同变化。通过超声波传感器的使用，实现了料卷的自动装载。

在开卷过程中，当超声波传感器检测的距离大于K2时，向系统发出料尾信号，系统结合料尾检测开关信号，控制系统进入料尾程序。

超声波传感器在开卷线上的应用，为料卷自动装载提供了一种新的控制方法，特别在双臂开卷机上的应用有较大的优势。超声波传感器在自动张力控制上的应用，提高了开卷线的自动化控制水平及生产效率和产品品质，效果良好。