高速生产线产品传送速度的在线校准方法

肖天雷 / 上海市计量测试技术研究院，上海市在线检测与控制技术重点实验室

高速生产线产品传送速度的在线校准方法

肖天雷 / 上海市计量测试技术研究院，上海市在线检测与控制技术重点实验室

针对高速生产线上基于计数传感器的产品传送速度参数，提出一种全新的在线校准方法。分析传统方法的不足，介绍了频闪效应和相关标准器，并以此为基础对校准原理和方法进行介绍和说明。通过实例分析证明，该方法具备可操作性和实用性。进行了校准结果的计算和测量不确定度评定，实现了校准的可溯源。该方法能够在不影响企业生产的前提下完成校准工作，极大保障了工作人员的人身安全，实现了真正的在线校准。

频闪效应；在线校准；传送速度；生产线

0　引言

随着科学技术的发展，自动化生产线已经非常普遍。在工业4.0的概念提出之后，生产线智能化和高效化将成为一种必然趋势。在大多数生产线上，基于计数传感器的产品传送速度参数在生产数量统计、定量包装控制、产品质量检测、生产效率监控等方面起着十分重要的作用。在医药、包装、印刷、日用品等行业，生产线上产品的传送速度有时可达100～4 000件/ min （如未剪裁的印刷品、医用创可贴、纸币等），肉眼已经无法判断该参数的准确性。

为了保障企业的产品质量和品牌信誉，有必要对生产线上该参数进行定期校准并实现可溯源。由于传统校准方法无法完全满足企业安全生产和高效生产的需求，所以有必要设计一种新的校准方法，在完成高速生产线上产品传送速度参数校准的同时，还能兼顾生产安全和生产效率。

1　传统校准方法

通常情况下，自动化生产线控制系统根据计数传感器采样得到的统计数据和时间参数，计算出通过该线的产品传送速度。所以，直接对计数传感器进行校准是一种有效的办法。然而，将计数传感器从生产线上卸下后送到有关部门进行校准，不仅会增加人工成本，还会造成生产线长时间停工，影响企业的经济效益。

此外，目前现场校准中普遍采用的是手持式转速表比对法，但这仍然需要暂时关闭生产线，并将反光纸贴在转速传感器上后重新启动生产线进行校准。相比于上一种方案，它虽然缩短了生产线停产时间，但还是无法避免对企业生产的影响。此外，工程师需要靠近运行中的生产线机械装置才能开展工作，这也增加了企业和个人的安全风险。

综上所述，新方法必须在确保校准可靠性和可行性的同时，尽量避免对生产的影响和人身安全的威胁。

2　频闪效应

所谓频闪效应，就是物体在人的视野中消失后能暂留一定时间的视觉印象。印象暂留时间，在物体一般光度条件下约在1/20 ～1/5 s范围内。如果来自被观察物体的视激信号间隔小于1/20 s，则视觉来不及消失，从而给人以连贯的假象［1］。这种闪光对在可观察范围内的移动物体有显著作用［2］。这表现在当闪光频率与物体的运动速度或转动速度成一定的倍数关系时，人眼中能形成一个相对静止的影像，即冻结了物体的运动［3］。

以旋转圆盘为例，在圆盘上做一个标记。当转盘转速n与闪光频率n0相等时，每次闪光时标记都在同一位置出现，于是得到转盘被“冻结”的影像。根据闪光频率与转盘转速之间倍数的不同，还会得到二重图像、三重图像等。现假设转盘逆时针旋转，两者的频率与频闪图像的关系如表1所示。

表1　转盘转速、闪光频率与频闪图像的关系

利用频闪效应，人们可以轻易观测到高速运动物体的表面质量与运行情况［4］。目前，频闪效应已经被广泛应用在生物、教学、航空、工业生产等诸多领域［5-9］。

3　频闪设备及其主要技术指标

频闪设备是通过内部设定或外部触发的方式来控制LED频闪灯的闪光频率，用来观测高速旋转或运动物体的旋转速度或运行状况的仪器或系统。在本校准方法中，频闪设备作为标准器使用，其发出的光应短暂而明亮。为了区别被校区域和其他区域，闪光的亮度应为环境亮度的四倍［10］。为了减小文献［2］中描述的光危害，频闪设备发出的频闪光应让人感到舒适。根据设备的不同，频闪光色温和照度的关系可参考文献［11］。为了适应大多数高速生产线产品传送速度参数校准的需要，频闪设备的量程范围应不小于50 Hz或3 000 FPM（频闪/min）。

4　在线校准原理及方法

根据频闪效应原理，将标准频闪设备的闪光作为光源。当闪光频率与生产线传送带上物体运动速度相近时，虽然物体是高速运动着的，但看起来运动得比实际速度慢，甚至当物体运动速度与闪光频率相同（或整数倍关系）时，物体好像是静止的［12， 13］。所以，当生产线上的产品在闪光下呈现静止状态时，可以将频闪设备的闪光频率视为生产线上产品的运动速度，即产品传送速度。

校准使用的频闪设备可以是手持式频闪仪，也可以是包含频闪光源、图像识别单元和控制单元的检测系统。校准前应确保校准人员靠近产品及其传送装置时不会影响产品质量、生产线的运转以及个人人身安全。为了提高校准结果的准确程度，应预先了解被校生产线产品传送速度的大致范围。

校准人员应将频闪设备的出射光垂直投射到生产线上，并使产品尽量完整地依次通过照射区域。当产品呈现缓慢前进的影像时，表明闪光频率略小于产品的运动速度；当产品呈现缓慢后退的影像时，表明闪光频率略大于产品的运动速度。校准人员应根据实际情况调节设备的闪光频率。校准现场示意图如图1所示。

当高速运动的产品呈现静止且清晰的影像时，在接近生产速度的合理范围内，可以认为当前设置的闪光频率等于生产线上产品的运动速度。校准人员可以此作为该段生产线上产品传送速度的最佳估计值，并根据生产线控制装置上传送速度示值与标准器闪光频率之间的区别进行误差分析，同时完成生产速度测量不确定度的评定。

图1　使用频闪设备的在线校准示意图

5　校准结果

以某公司医用创可贴生产流水线为例，该生产线输出的产品是未剪裁过的创可贴。计数传感器位于机械控制单元内，不易拆卸或直接测量。当有人靠近机械控制单元时，系统会自动停止生产线的运行以保障人员安全。

企业对该线产品传送速度的要求为2 000件/ min。为方便现场作业，本例采用手持式频闪仪配合肉眼观测的方式对传送速度进行在线校准。整个过程中生产线控制系统传送速度示值均为2 000件/min，测量结果如表2所示。由于传送速度的单位为件/min，所以将10次测量的平均值向上取整数，得到该参数的最佳估计值为2 001 件/min。

表2　产品传送速度测量数据

6　测量不确定度评定

6.1测量模型

本次校准的测量数学模型为

其中：y — 被校生产线产品传送速度的校准值；n — 标准频闪仪的示值

6.2频闪仪引入的标准不确定度u（n）

u（n）可能的来源包括频闪仪示值误差或分辨力引入的不确定度，以及传送带工作状态引入的不确定度。

本次校准采用的频闪仪工作量程为1 000 ～300 000 FPM，其技术指标中标明：允许示值误差为±0.02%，那么标准器在2 000 FPM处的允许示值误差为

2000×±0.02% = ±0.4 FPM

频闪仪所用量程的分辨力为1 FPM，假设为均匀分布，分布因子为，则由频闪仪分辨力引入的标准不确定度分量为

鉴于标准器分辨力引入的B类标准不确定度比准确度引入的不确定度大，这里选择分辨力产生的标准不确定度u2参与评估。

生产线传送带各处线速度相等，一般情况下传送带运行速度基本恒定，故这里忽略传送带运行状态引入的不确定度分量。

基于以上分析，可以得到频闪仪引入的标准不确定度为

6.3测量重复性

在重复性条件下，本次校准对同一生产线进行10次测量，根据表2的数据，其引入的标准不确定度为

6.4校准结果的测量不确定度

表3　不确定度来源汇总

各不确定度分量互不相关，因此其合成标准不确定度为

包含因子取2，并将计算结果向上取整数，则本次校准中生产线产品传送速度的扩展不确定度为

7结语

本文提出的针对高速生产线上基于计数传感器的产品传送速度在线校准方法具有操作简便、效率较高、实用性强等特点。相比于传统的校准方法，它能够基本避免校准工作对企业生产的影响，并极大减少了工程师自身的危险，实现真正的“在线校准”。随着广大企业对在线校准服务需求的不断提高，该方法不影响生产线运行的特点将具有重要意义。

该方法适用于生产速度较大的生产线。在校准前预先了解产品速度的估计值非常重要，这有助于去除闪光频率与产品传送速度成特定倍数关系时对校准结果的影响。

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Online calibration method for product
conveying speed on high-speed production line

Xiao Tianlei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology， Shanghai Key Lab of On-line Testing and Control Technology）

To propose a novel online calibration method counter-based conveying speed on high-speed production line. With analysis of traditional ways and introduction of stroboscopic effect as well as standard instruments to be used， the principal and approaches of calibration are introduced. The method are proved to be reasonable and helpful by studying a working case， and related calibration result is traceable by giving the uncertainty of measurement. The method can realize calibration without interrupting production and can also ensure security of workers，which makes it a real online calibration method. Key words: stroboscopic effect； online calibration； conveying speed；production line