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淺談線纜擠出壁厚的精準(zhǔn)控制與測(cè)量

——助推光電纜制造提質(zhì)降本

李世昌

研發(fā)中心，杭州魔方智能科技有限公司

杭州，浙江省，中國(guó)

+86-159-8812-0183 · 郵箱地址9499494@qq.com

摘要

介紹了失重式米重計(jì)量技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)尺寸測(cè)量技術(shù)在光電纜制造業(yè)中的典型應(yīng)用場(chǎng)合，提升質(zhì)量、降低成本，并提出該技術(shù)的其它應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；米重；光纜；電纜；壁厚；擠出；檢測(cè)。

1.引言

當(dāng)今世界，疫情的影響、全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)面臨下行壓力，引發(fā)了產(chǎn)業(yè)改革、社會(huì)改革和生活方式的巨大變革，影響著人類社會(huì)發(fā)展的軌跡。實(shí)體經(jīng)濟(jì)始終是社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，我國(guó)于2015年發(fā)布了《中國(guó)制造2025》，明確了中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的目標(biāo)、路徑和重點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)提出了轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切要求。

我國(guó)線纜制造業(yè)智能制造的應(yīng)用度低，轉(zhuǎn)型升級(jí)的任務(wù)緊迫而艱巨，而線纜制造業(yè)要實(shí)現(xiàn)“智慧工廠”是一個(gè)大課題，且花費(fèi)不菲。要實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”，在高質(zhì)量要求的前提下，用機(jī)器可靠地取代人進(jìn)行檢測(cè)及控制是邁向智能制造的第一步。本文將重點(diǎn)介紹本公司米重控制系統(tǒng)、智能投影儀在光電纜制造過(guò)程中應(yīng)用情況，以及拓展應(yīng)用前景。

2.連續(xù)擠出壁厚的均勻性控制存在的問(wèn)題及基本解決思路

2.1 連續(xù)擠出壁厚的均勻性控制存在的問(wèn)題及基本解決思路

關(guān)于線纜擠出壁厚的控制有兩個(gè)方向：

（1）“橫向”控制：靠調(diào)節(jié)機(jī)頭模具來(lái)控制偏心；

（2）“縱向”控制：指連續(xù)擠出的壁厚均勻性。

我們知道，擠出的線纜壁厚其實(shí)就是牽引速度和擠出量的匹配程度決定的，如果牽引速度絕對(duì)不變，擠出量絕對(duì)不變，那么連續(xù)擠出的壁厚也是均勻不變的。但實(shí)際上，牽引速度是有微變化的，擠出量也是有變化的。擠出量的變化有多種因素，比如：材料流動(dòng)性，各溫區(qū)的溫度波動(dòng)，螺桿磨損等等，都會(huì)造成連續(xù)擠出壁厚的變化，為了保證取樣抽測(cè)合格，就需要提高一定比例的壁厚“余量”，而這部分“余量”，客戶是不付款的，對(duì)于生產(chǎn)廠家而言是白送給客戶的，所以，如何穩(wěn)妥地降低這部分“余量”，成為眾多線纜制造廠商關(guān)注的問(wèn)題，亟需一些控制手段的來(lái)幫助解決此問(wèn)題。

??

對(duì)于擠出壁厚的“縱向”控制，常見(jiàn)方法及適用場(chǎng)景有：

（1）在線激光測(cè)徑儀：

通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)擠出后的絕緣/護(hù)套外徑來(lái)計(jì)算擠出壁厚，測(cè)徑儀一般都具備有PID-比例積分微分調(diào)節(jié)控制功能，將其信號(hào)接入擠出機(jī)則可實(shí)施閉環(huán)控制，常安裝于第一段定徑水槽后盡量靠近擠出機(jī)頭的位置。因?yàn)槿舭惭b在整段水槽之后，距離擠出機(jī)頭距離太遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)控制則會(huì)滯后，安裝在此位置的測(cè)徑儀一般只作為測(cè)量顯示用，并不用于閉環(huán)控制。同時(shí)，因?yàn)閿D出外徑有熱態(tài)和冷態(tài)，存在著一定的收縮率，而將水槽分段，線纜經(jīng)過(guò)第一段水槽后雖然尚未充分冷卻，但其外徑與冷態(tài)時(shí)的外徑已經(jīng)很接近了，而且該位置非常接近擠出機(jī)頭，在此位置測(cè)量擠出外徑可以接入擠出機(jī)實(shí)施閉環(huán)控制。適用于導(dǎo)體/纜芯圓整的小線，不適用于直徑大于25mm的大線，從GB/T2951.11測(cè)量外徑的工具要求可以看出，外徑大于25mm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)量帶測(cè)量其圓周長(zhǎng)，然后計(jì)算直徑，原因就是線徑大了，就會(huì)不圓整，用激光測(cè)徑儀只能從一個(gè)或兩個(gè)維度測(cè)量投影直徑，其測(cè)量值與真實(shí)值就會(huì)有差異，用不準(zhǔn)確的測(cè)量值來(lái)進(jìn)行控制的話，效果可能會(huì)適得其反。

（2）熔體泵：

一般安裝在“機(jī)脖子”位置，通過(guò)精確計(jì)量熔融膠體流過(guò)的體積V，來(lái)實(shí)施精準(zhǔn)的擠出量控制，效果非常好，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)適用于大多數(shù)的擠出場(chǎng)合，但是因?yàn)橥�機(jī)更換清理的工作難度非常大，非常麻煩，所以并未得到廣泛應(yīng)用。

（3）失重式米重控制系統(tǒng)：

所謂“米重”，是指每米的擠出重量。

我們知道，體積V=m÷ρ且重量G=mg

故，擠出體積V=重量G÷密度ρ÷重力加速度g

而，擠出截面積S = 擠出體積V÷擠出長(zhǎng)度L

故，擠出截面積S= G÷ρ÷ g ÷L

安裝位置固定后，重力加速度g是常數(shù)，通過(guò)給定密度ρ，以及測(cè)量擠出重量G和牽引拉線走的長(zhǎng)度L，即可計(jì)算出擠出的實(shí)時(shí)截面積S。實(shí)施米重控制，目標(biāo)就是控制擠出的實(shí)時(shí)截面積S。

一般適用于大線絕緣/護(hù)套的擠出上，在擠出機(jī)喂料口與烘干機(jī)之間，增加一個(gè)失重式計(jì)量裝置，實(shí)時(shí)精密測(cè)定擠出重量G和牽引走的長(zhǎng)度L，接入擠出機(jī)控制器進(jìn)行疊加信號(hào)控制，對(duì)螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行反向微補(bǔ)償調(diào)節(jié)（擠出多了，螺桿稍慢一點(diǎn)，擠出少了，螺桿稍快一點(diǎn)），把連續(xù)擠出壁厚弄得更均勻。在保證最薄情況下，通過(guò)實(shí)時(shí)記錄的米重?cái)?shù)據(jù)，就能有根據(jù)的降低平均壁厚余量，從而達(dá)到節(jié)約材料以及提高壁厚穩(wěn)定性的目的。

3.米重控制系統(tǒng)的工作原理、方法及其優(yōu)點(diǎn)

3.1失重式米重計(jì)量控制系統(tǒng)的工作原理及其優(yōu)點(diǎn)

3.1.1為什么“吃料量”能表征“擠出量”？

   試想一下，一段橫放的、充滿水的水管，左端是出口，右端上方有充足的喂水裝置，如果出口關(guān)閉，那么喂水裝置是喂不進(jìn)去水的，只有左端出口打開(kāi)后，出去了多少水，右端的喂水裝置才能喂進(jìn)去多少水。我們換用“吃水量”這個(gè)詞來(lái)表達(dá)應(yīng)該會(huì)更為準(zhǔn)確，即我們通過(guò)檢測(cè)右端的喂水裝置被“吃”了多少水，來(lái)表征我們的左端出口處流出了多少水。同理，在我們擠出機(jī)上就可以通過(guò)測(cè)定擠出機(jī)“吃”了多少料，來(lái)表征機(jī)頭擠出了多少料。

3.1.2失重式米重計(jì)量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

計(jì)量系統(tǒng)包括：主框架、重力傳感器、開(kāi)關(guān)閥裝置、支架、料斗托架、料斗、底座和沖擊錐等組成，如下圖：

                         失重式計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖     杭州魔方米重控制系統(tǒng)實(shí)物圖

3.1.3 控制原理

通過(guò)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量擠出機(jī)實(shí)際吃料量和牽引速度，閉環(huán)調(diào)節(jié)螺桿速度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)米重的連續(xù)均勻化。（控制方法為疊加控制，不會(huì)對(duì)原擠出機(jī)操作方式產(chǎn)生影響）

圖 1 米重控制原理示意圖

圖 2 杭州魔方安裝米重控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.1.4疑問(wèn)一：如果擠出前纜芯外徑變化 1mm，那么通過(guò)米重控制系統(tǒng)后，擠出的平均壁厚是否就變化了 0.5mm ？

圖 3 擠出前線纜外徑變化影響的推導(dǎo)圖

我們控制米重實(shí)際上就是控制擠出層的截面積，從上面的數(shù)據(jù)推導(dǎo)可以看出，擠出前的纜芯外徑變化導(dǎo)致的壁厚變化，并不是簡(jiǎn)單想象中的直徑差除以2。

3.1.5疑問(wèn)二：對(duì)于纜芯外徑的變化，如何更好的控制米重？

方法1：可以讓員工定期（如20分鐘）用外徑尺測(cè)量擠出前纜芯外徑，在觸摸屏上更新纜芯外徑設(shè)置值，系統(tǒng)會(huì)自行調(diào)節(jié)。

方法2：增加不圓整大電纜測(cè)徑裝置，與米重控制系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制（在下文簡(jiǎn)述）。

3.1.5疑問(wèn)三：對(duì)于異型導(dǎo)體的絕緣，如何控制米重？

對(duì)于扇型、瓦型、半圓型等異型導(dǎo)體的絕緣，其截面積的計(jì)算比較復(fù)雜，精確計(jì)算的輸入項(xiàng)很多，如果讓現(xiàn)場(chǎng)操作員工去計(jì)算，可行性很低，讓其輸入很多輸入項(xiàng)參數(shù)，太復(fù)雜，可行性也非常低。但我們可以通過(guò)把“纜芯外徑”的輸入項(xiàng)改為“中徑周長(zhǎng)”，那么這個(gè)可行性就非常高了，只需技術(shù)部門(mén)制作一張對(duì)應(yīng)表下發(fā)到車(chē)間執(zhí)行，通過(guò)跟蹤幾次進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，即可實(shí)現(xiàn)有效控制。如下圖所示（涉及客戶隱私，已隱去具體數(shù)據(jù)）：

圖 4 異型導(dǎo)體中徑周長(zhǎng)對(duì)應(yīng)圖

圖 5 異型導(dǎo)體中徑周長(zhǎng)公式推導(dǎo)圖

3.1.6米重控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

3.1.6.1“測(cè)量”功能給我們帶來(lái)的好處

A、有累計(jì)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)用料統(tǒng)計(jì)、考核到班組等管理目標(biāo)提供數(shù)據(jù)支持。

B、不管開(kāi)不開(kāi)自動(dòng)控制米重，系統(tǒng)均可以記錄每盤(pán)線的實(shí)際米重曲線，對(duì)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)把控，以及對(duì)擠出機(jī)臺(tái)磨損老化情況的了解提供有效數(shù)據(jù)支持。

3.1.6.2“控制”功能給我們帶來(lái)的好處

A、把擠出壁厚的相對(duì)大的波動(dòng)變?yōu)樾〉牟▌?dòng)，在滿足最小壁厚滿足要求的情況下，有數(shù)據(jù)支持地把壁厚“余量”往下降，實(shí)現(xiàn)降低材料成本。

圖 6 米重自動(dòng)控制效果示意圖

B、降低員工操作難度，減輕對(duì)主機(jī)手熟練程度的依賴，甚至可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)主機(jī)手開(kāi)多臺(tái)擠出機(jī)的目標(biāo)。

4.實(shí)際應(yīng)用收益計(jì)算

4.1失重式米重計(jì)量控制系統(tǒng)的應(yīng)用收益計(jì)算

采用米重控制系統(tǒng)后一般節(jié)省原料比例為：1～10%

投資回報(bào)，本例按比較低的1.5%計(jì)算（未考慮OEE設(shè)備利用率，具體可根據(jù)實(shí)際情況重算）

產(chǎn) 量 * 工作時(shí)間 * 省料比例 * 材料單價(jià)

1000 kg/h * 24小時(shí)/天 * 300天 * 0.015 * 12.5rmb/kg

全年節(jié)約資金 = 145萬(wàn)rmb

750 kg/h * 24小時(shí)/天 * 300天 * 0.015* 12.5rmb/kg

全年節(jié)約資金 = 72.5萬(wàn)rmb

500 kg/h * 24小時(shí)/天 * 300天 * 0.01 * 12.5rmb/kg

全年節(jié)約資金 = 36.25萬(wàn)rmb

250 kg/h * 24小時(shí)/天 * 300天 * 0.015 * 12.5rmb/kg

全年節(jié)約資金 = 18.125萬(wàn)rmb

5.展望

5.1米重控制系統(tǒng)的前后技術(shù)延伸

5.1.1 擠出前纜芯外徑測(cè)量裝置

如上文3.1.5所述，為了讓擠出前纜芯外徑數(shù)據(jù)與米重控制系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制，需增加不圓整大電纜測(cè)徑裝置。而激光測(cè)徑儀只能在一個(gè)或兩個(gè)維度測(cè)量不圓整大線徑纜芯的投影直徑，其測(cè)量值與測(cè)圓周長(zhǎng)計(jì)算出來(lái)的直徑值是有較大差異的，不可直接實(shí)施。

杭州魔方智能科技自主研發(fā)了通過(guò)增加一個(gè)來(lái)回圓周旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，讓激光測(cè)徑儀旋轉(zhuǎn)起來(lái)，獲得一圈的數(shù)據(jù)求出平均數(shù)，則測(cè)量結(jié)果與外徑尺的測(cè)量值很接近，可以實(shí)施替代人工點(diǎn)檢。下圖為不圓整纜芯的激光投影測(cè)徑示意圖：

圖 7 不圓整纜芯的雙軸激光投影測(cè)徑示意圖

圖 8 杭州魔方旋轉(zhuǎn)激光測(cè)徑儀結(jié)構(gòu)圖

5.1.2 米重?cái)?shù)據(jù)流

如上文3.1.6所述，米重控制系統(tǒng)的“測(cè)量”及“控制”數(shù)據(jù)對(duì)我們的質(zhì)量把控以及降本決策有相當(dāng)大的幫助，故米重?cái)?shù)據(jù)的導(dǎo)出顯得尤為重要。實(shí)施方法有：

A、觸摸屏上插入U(xiǎn)盤(pán)，定期導(dǎo)出。

B、無(wú)線數(shù)據(jù)采集，如：無(wú)線串口通信、Wifi通信、4G/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信等，減少布線成本，實(shí)現(xiàn)一個(gè)車(chē)間一臺(tái)電腦完成數(shù)據(jù)采集，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便后期的數(shù)據(jù)運(yùn)用，如：局域網(wǎng)拷貝數(shù)據(jù)、車(chē)間大屏幕實(shí)時(shí)顯示米重曲線、與MES系統(tǒng)對(duì)接等等。

（待續(xù)...）