班 蔣 蕾 班耀濤

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000； 2.營口弗瑞達(dá)智能科技有限公司，遼寧 營口 115000）

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統(tǒng)是用于水泥回轉(zhuǎn)窯中各種規(guī)格的耐火磚幾何尺寸的測量。該系統(tǒng)是全自動控制，無需人工干預(yù)，大大減輕了操作工人的體力勞動，提高了產(chǎn)品出廠合格率[1]，降低了揀選成本，使產(chǎn)品全檢的愿望終于變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統(tǒng)完全覆蓋了水泥回轉(zhuǎn)窯耐火磚的尺寸范圍，幾乎所有產(chǎn)品都可實(shí)現(xiàn)機(jī)撿。耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統(tǒng)具有很高的在線檢測精度，實(shí)現(xiàn)了全尺寸檢測。所有產(chǎn)品的幾何尺寸都可存儲，為產(chǎn)品跟蹤，質(zhì)量分析，過程控制打下重要基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統(tǒng)組成包括定位環(huán)節(jié)、測量環(huán)節(jié)及剔廢環(huán)節(jié)三個部分。

定位機(jī)構(gòu)主要用作初始化耐火磚測量位置。為了確保被測耐火磚在進(jìn)入測量位時偏差較小，因此需要進(jìn)行初始定位。測量環(huán)節(jié)作為系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，主要包括測量定位模塊、防翹模塊和測量單元模塊。系統(tǒng)選取接觸式測距為測量手段，其中接觸式測距以光柵尺為主要傳感元件[2]。光柵尺通過主光柵和指示光柵的相對位移，通過莫爾條紋產(chǎn)生正弦信號，經(jīng)過處理電路以方波或者正弦的形式輸出到表顯示，并可直供24V PLC 接收數(shù)字脈沖信號。

1）定位模塊

為使得測量誤差最大化可控，保證系統(tǒng)的可靠性，測量定位模塊用于被測耐火磚的二次定位。

2）防翹模塊

用于防止被測耐火磚在二次定位的同時產(chǎn)生翹腳現(xiàn)象，而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確率。

3）測量單元模塊

滑軌滑塊作為運(yùn)動部件所組成的獨(dú)立測量模塊。測量單元模塊接口以1∶2∶2 的比例分配給耐火磚的長度、寬度以及厚度尺寸。同時為了防止耐火磚在燒制過程中產(chǎn)生翹曲，可通過測量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出6 組落差，以進(jìn)一步確保耐火磚的合格率。

剔廢機(jī)構(gòu)用于次品的分流。當(dāng)被測耐火磚經(jīng)過測量后，分成了正品和次品兩個類別：正品經(jīng)過貼紙板，卡線，噴碼后，打包碼垛，次品則由剔廢機(jī)構(gòu)，進(jìn)入次品通道中。

控制系統(tǒng)是由人機(jī)和PLC 組成主控系統(tǒng)[3]，控制步進(jìn)電機(jī)控制器，分別驅(qū)動由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)；控制電磁閥，分別驅(qū)動各氣動元件，使機(jī)械機(jī)構(gòu)執(zhí)行設(shè)計(jì)動作；接收識別測量單元傳送的信號，完成測量目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)性能指標(biāo)見表1。

表1 系統(tǒng)性能指標(biāo)表

技術(shù)指標(biāo)：

1）測量精度±0.10mm，重復(fù)精度±0.06mm。

2）測量數(shù)據(jù)可存儲或打印。

3）公差范圍可自行確定。

4）帶自標(biāo)定功能，測量頭磨損可自行補(bǔ)償。

5）可根據(jù)不同檢測結(jié)果，輸出到各自的出口。

6）耐火磚表面溫度60℃以下。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)

該檢測系統(tǒng)中，除通常的I/O 點(diǎn)外，還需要10路200K 的高數(shù)計(jì)數(shù)輸入用以接收10 組測量單元的輸入信號，5 路200K 的高數(shù)計(jì)數(shù)輸出用以控制5 臺步進(jìn)電機(jī)控制器。

臺達(dá)PLC DVP-EH 系列每臺有4 路200K 的高速輸入及2 路200K 的高速輸出，采用1 臺人機(jī)和3臺PLC 組成主控系統(tǒng)[4]。

PLC 連接需符合主從結(jié)構(gòu)配置，任選1 臺做主站，其余兩臺作從站?？蛇x用EASY PLC LINK。

2.2 數(shù)據(jù)采集及通信

系統(tǒng)工作過程中所采集的數(shù)據(jù)，不僅作為判別產(chǎn)品是否合格的依據(jù)，還應(yīng)完整有效的保存，以便用戶隨時查看分析?？紤]到數(shù)據(jù)龐大的特點(diǎn)，采用U 盤作為存貯介質(zhì)，保存數(shù)據(jù)。

PLC LINK 以MODBUS 通信協(xié)議為基礎(chǔ)來通信[5]。主站以RS485 接口連接時，與所有聯(lián)機(jī)的從站接口設(shè)備波特率及通信格式須相同。主從站站號設(shè)置是先設(shè)置主站站號，再設(shè)置從站站號。

主控系統(tǒng)的通信方式：任選1 臺PLC 做主站，站號設(shè)為1，兩臺做從站，站號分別設(shè)為2 和3。主站和從站站號不能重復(fù)。波特率及通信協(xié)議的格式必須一致。采用MODBUS 協(xié)議，PLC 主站1 與從站2 和從站3 之間通過RS485 接口進(jìn)行通信。人機(jī)與PLC 主站之間通過RS232 接口進(jìn)行通信。

2.3 尺寸測量

1）差式方式測量

耐火磚的測量采用了差式測量方式。差式測量方式即以兩個光柵尺測得的相對位移量取代單邊固定位移量的測取方式。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸為l，接觸頭無磨損時光柵尺距離L表達(dá)式

式中，at,bt為系統(tǒng)標(biāo)定時光柵尺讀數(shù)的約定真值。以上式計(jì)算所得L為基準(zhǔn)，測量任一隨機(jī)未知產(chǎn)品尺寸x時，雙邊執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時動作，光柵尺讀數(shù)分別為art,brt。則任一隨機(jī)產(chǎn)品尺寸表達(dá)式為

式中，rtrt,a b為測量任一隨機(jī)產(chǎn)品時光柵尺讀數(shù)的約定真值。這種測量方式的優(yōu)點(diǎn)是對被測耐火磚的寬度定位要求不高，只要是在測量范圍內(nèi)，均可得到精準(zhǔn)的測量結(jié)果。

2）測量頭的磨損補(bǔ)償控制

若測量接觸頭發(fā)生磨損，設(shè)兩側(cè)測量接觸頭磨損量為x1，x2，光柵尺讀數(shù)為a′，b′。此時讀數(shù)偏大，表達(dá)式為

磨損后進(jìn)行二次標(biāo)定，此時光柵尺距離表達(dá)式為

產(chǎn)生磨損量后的任一隨機(jī)產(chǎn)品尺寸表達(dá)式為

由式（5）可知，此時rx′為消除了磨損量干擾的真實(shí)值，即xr。以上方法稱之為系統(tǒng)標(biāo)定，即通過更新L，使其自動包含磨損量達(dá)到磨損補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了降低磨損，延長檢測系統(tǒng)的使用壽命，以及提高測量精度，對耐火磚產(chǎn)品采用了靜態(tài)測量，設(shè)計(jì)了托磚機(jī)構(gòu)。

首先觸發(fā)定位機(jī)構(gòu)的光電傳感器，定位托磚機(jī)構(gòu)將磚托起，脫離傳送帶，控制左右扶正氣缸動作。扶正結(jié)束后，將磚放回傳送帶。到達(dá)測量機(jī)構(gòu)后，觸發(fā)測量信號，此時測量托磚機(jī)構(gòu)將磚托起，離開傳送帶，氣缸起動，夾緊被測耐火磚。當(dāng)被測耐火磚被夾穩(wěn)后，2 組長度測量單元起動，驅(qū)動2 條長度測量單元起動，測量長度；4 組厚度組缸起動，測量厚度；4 條寬度測量單元起動，測量寬度。測量完成后，對被測磚進(jìn)行分類，正品傳送到正品通道中，次品傳送到剔廢通道內(nèi)，完成測量分類。

3 控制程序設(shè)計(jì)

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中PLC 采用 Delta_WPLSoft 編程平臺，人機(jī)采用ScrEdit 編程平臺進(jìn)行編程控制[6]。PLC 主站與從站之間的通信采用MODBUS 協(xié)議，通過Delta_WPLSoft編程平臺分別編程，進(jìn)行通信，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，從而得到測量結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

系統(tǒng)隨機(jī)抽取一塊耐火磚產(chǎn)品進(jìn)行10 次測量，其長度測量數(shù)據(jù)分別為（198.07，198.08，198.08，198.06，198.07，198.09，198.08，198.07，198.09，198.08），經(jīng)計(jì)算得知，極差r=0.03，方差s=9×10-5，系統(tǒng)波動小，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

4.2 系統(tǒng)性能測試與分析

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中待測數(shù)據(jù)量龐大，目前只能以抽檢形式檢驗(yàn)產(chǎn)品。考慮到人工檢測能力有限，本文只選取10 組樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)分析計(jì)算，對比結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表

5 結(jié)論

耐火磚幾何尺寸自動化檢測系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了上百年的檢選模式，把人們從繁重的體力勞動中解放出來，降低了檢選成本。其測量結(jié)果儲存功能為數(shù)字化生產(chǎn)、質(zhì)量控制打下了基礎(chǔ)，將促進(jìn)耐火磚檢選過程的產(chǎn)業(yè)升級。產(chǎn)品適當(dāng)改動后，完全能應(yīng)用于其他行業(yè)耐火磚的檢選，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[4] 張國平.淺析臺達(dá)PLC 在各企業(yè)機(jī)床電氣改造上的應(yīng)用[J].科技資訊,2012(15): 21.

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