－专论兆瑞新一代在线测径仪

（本文於2005年10月中国金属学会第二届年会的轧钢研讨会上发表）

天津市兆瑞测控技术有限公司[1]   孙智琴，邢中柱

 

天津市兆瑞测控技术有限公司（下简称兆瑞）是专业从事在线非接触测径仪（下简称测径仪）研发和生产的高新技术企业。本文不仅对多种测径仪作了概述性回顾，而且对兆瑞的研发理念和新一代实时在线线度测量系统的特点进行了阐述。新一代测量系统的基本配置，其性能与以往产品相比有质的飞跃，测量准确，工作稳定，便于维护。更因我们提供的专业服务更多地关注客户和客户需求，为客户“量身定做”，

兆瑞公司即将上市的新测径仪有不同凡响的技术亮点。充分体现了创新理念。产品为用户提供“量身定做”的服务，体现了我们的专业服务更多地关注客户和客户需求。

 

关键词：光学测径仪，模块化结构原则，界面需求，可市场化，可维护性。

 

 

 

光学非接触测径仪（下简称测径仪）是各种线、棒材轧制企业在预精轧、精轧环节中必备的设备。

测径仪是光机电一体化的装置，是按照模块化结构拼装的。主要由光电子测量部件，通信，PC化的数据分析、显示部件，机械结构，（辅助性的）压缩气，冷却水供给部件等组成，旋转式设备还有一个运动驱动与调节环节。其中，最核心的部分是俗称测头的光电子测量部件。

本文试图从用户对测径仪最关注的几个问题，如设备的工作原理，用户在使用中最需要得到的信息是什么，设备的可市场化和用户的可维护性等，结合兆瑞测控技术有限公司新一代测径仪的进展予以阐述。

该类设备按测头的运动方式分类大体有三种，即固定式，摆动式，和旋转式三种。早期（约二、三十余年前）使用的均为固定式，理由很简单，市场使用最多的钢材形状是圆形的，圆形棒、线材在生产线上使用相互正交的轧辊组进行轧制成形，从圆形截面材料看，也只要测出棒、线材的正交位置的两个线度，则圆形截面的面积就可被确定。当然，使用二组测头，四组测头，八组测头的方案都是有的，但以二组测头的居多。后来出现了旋转式和摆动式的，为的是测量异型钢材（非圆形截面）。随着CCD（即电荷耦合器件）技术日渐成熟，十多年前旋转式测头设备问世，意味着测径仪可以对各种（具备凸轮廓的）异型材料进行实时的规格测量。

多测头固定式测径仪，其测量的是在某一时刻同断面、不同角坐标上的轮廓线度数据。被测断面是离散的，但只要测头配置的角坐标位置得当，同样可对被测圆形棒、线材的关键参数进行有效检测。被测断面的间隔为线材轧制速度除以测头的测量频率。不妨举例说明。若线材轧制速度为100米/秒，测头的测量频率为500次/秒，则被测断面的间隔为100 /500 = 0.2米。至于旋转式测头的测径仪，其测量轨迹，根据力学中的运动学分析可知，是一条圆柱螺旋线。依然以线材轧制速度为100米/秒，旋转测头的旋转频率为200转/分为例，即3.33转/秒。这意味着当线材行进约15米，测径仪方可得到整个一个横截面的轮廓数据。同样，线材的最先的30米之前，和最后有一段小于15米的产品是无全截面数据的。

对多测头固定式测径仪而言，当测头的测量频率趋于无穷大时，其测量断面亦趋于连续。对旋转式测头的测径仪而言，若其测头的旋转角速度趋于无穷大时，或者当线材的轴向运动速度趋于无穷小时,该测量螺旋线轨迹也趋向于连续的径向断面。

其实，从线材轧制的实践看，当线材在高速轧制过程中，工艺上已经保证了线材的轮廓在一定的间隔内不会发生突变，这种特定的渐变过程，无论是固定式多测头，还是旋转式或摆动式测头，只要测头和被测线材横截面存在相对的运动，设备配置得当，参数设定得当，均可进行有效的测量。

从光源选择看，大体有用卤钨灯一类的白炽灯，激光扫描，LED等三类光源。白炽灯的亮度高，发光效率高，成本也低，但使用寿命短，自身发热量也大，现在出厂的设备似乎用得少了。激光光源因其单色性好，可以很容易获得平行光，这是突出的优点，不足之处是需要一套要求严格的机械传动机构，长期连续运行一段时间之后，因机械磨损会引起测量精度下降。另外，激光光源在上电初始阶段多少需要一段稳定时间。近年来，因LED工艺和性能有重大进步，它有体积小，重量轻，工作电压低，耗电少，效率高，发光亮度高，亮度也便于调节，寿命长等优点，故国内外测径仪制造厂商都倾向于使用LED作为光源。

其实，无论从按测头的运动方式分类看，还是从光源的分类看，各类设备均有其存在的理由，这要根据实际的需求决定。

此从略。请参见“测径仪工作原理，测量技术指标和螺纹钢测量可行性探讨”一文。

用户对设备需求首要的自然是测量准确，性能稳定，操作方便，可维护性好。一台设备，无论本身如何复杂，这些与用户都没有直接的关系。用户面对的界面应当简洁，表述含义明确（即决不会对它的含义产生岐义），好掌握，操作简单，提供的信息有利于指导生产过程的改进。

本节要讨论的是用户在控制单元的人机界面上想要得到、在在线使用中最最关注的是：

●    设定待生产线材的规格，参数，阈值。

 

●    对采集的数据进行严格、有效的筛选。每一根线材在轧制过程中，如对于大宗生产的圆钢而言，一般是****直径，最小直径，椭圆度等，这些数据可以进行实时显示，建档存放的数据应当是线材不合格段的一些参数，它们大体在什么部位等做出历史追述。有了这种数据分析得出的信息，即可对轧制工艺过程作出及时的评估，以指导对孔型，轧辊等工艺因素进行调整，更换不合要求的轧制零部件等。还是那句话，数据多未必是信息多。

 

●    提供班产量，及与此相关的某些细节。

也许测径仪的用户会想，可市场化问题是设备制造商的事情，其实不然，设备的可市场化直接关系到是否能得到性能稳定可靠，有良好的服务，和良好性价比的设备。

 

●“模块化结构”。

本文一开始提及的“模块化结构”是一种设备拼装的原则。其中有几层意思。尤其针对非标准系列产品，更具实际意义。测径仪的产品属性当属非标准系列。

◆ 是完全面向用户的。所以最明智的功能搭配方式即为模块化拼装，以适应不同用户，不同层次的需要。

测径仪不仅冶金行业要用，其它许多行业也需要。如某些工具生产企业，为了保证刃具生产的材质，自行生产工具钢线材；某些纸管生产企业，需要对卷制的精密纸管进行实时检测等等。

不同企业，虽然都是测径，但要求的指标各不相同，工作环境亦迥异。对于测径仪生产企业而言，为此就要针对用户进行“量身定做”。

测径仪的基本功能不言而喻是测径，除此之外还有一些功能选项，如班产量，远程测控、升级，温度自动补偿等等，可以根据用户的需要予以取舍。

“量身定做”的商品有良好的性价比。

◆ 有利于设备生产商进行并发式的团队研发，有利于保证产品的“坚固性”（Robustness），有利于产品的快速技术更新。

 

● 结构合理性。

结构是否合理不仅影响到设备长期稳定的工作，也涉及维护成本。

新一代测径仪，测量车内无论有几组测头，测得的轮廓尺寸（如直径）在测头内直接获得。这不仅减轻了PC机中进行尺寸计算的负担，更重要的是避免了以往测量车送出的数据信号不按现场通信规范在工业环境中长距离传送因损耗或干扰造成的不可靠性。新的通信结构，也为下一步的设备远程控制和检测打下基础。

新一代测径仪的机械结构还增加了测量区径向（X,Y方向）在线快速调节。测量车还有一独特的定位机构，保证在几分钟之内完成测量车的上下线。前一措施有利于测量方向的及时调整。后一措施则大大缩短了日常的维护时间。

 

● 设备的可生产性。

非标准设备往往因技术指标多变，产量有限，交货期紧迫等因素，导致零部件的标准化程度差，安装调试不便等问题，导致设备性能欠稳定，测量不准确。“模块化结构”对策使得上述的问题得以相当的改善。使用技术精湛的研发人员，生产人员和现场支持人员组成的团队则是最根本的解决办法。

要牢牢记住的是设备的生产，应当是一种技术的体现，不是一种“高超”的手艺。

本公司仅一年来，由于对设备的可生产性的改进，设备基本配置的装调时间从去年的两个月缩短到今年的两到三周。今后还有望进一步缩短。

测径仪的核心是测头，光学系统必须避免水，气，雾，油的污染。最重要的、也是最频繁的日常维护就是光学系统清扫，以此确保测量的光学路径无“障碍”。

带有光学系统的设备对使用环境有要求这是不争事实，但一味依靠设备外环境的改善是不切合实际的。为此，设备应当有对从被测线材脱落的氧化皮进行反吹，和对镜头进行清扫的功能。

天津市兆瑞测控技术有限公司今年设计的新系统，崭新的测头清扫机构的气动力学方案取得重大进展，使用效果显著，现已获得国家专利。

吹扫功能的完善，确保了设备测量的可靠性。提供快速简便的测头清扫方式，既提高了用户的使用效率，也促成操作人员乐意使用测径仪。难以设想一台需要频繁擦拭，并且难以擦拭的设备会被用户接受。

本文从测径仪的使用者视角出发对设备的诸方面进行了论述。现回顾一下主要的观点。

●    作者对各种类型的测径仪，从一些特定的视角做了简短的解读和评估。我们认为，究竟选用何种结构的设备为好，并无定论，主要由实际的需求决定。

 

●    基于光学非接触测量的测径仪，其核心部件是测头。测头的结构，经过多年的演进，已经相当成熟。但真正要做得好，有许多细节要考虑，如对一些互相制约参数的权衡，工艺的可实现性等。除了测头的性能好之外，保障测头的良好工作环境，和便于进行日常性维护也很重要。兆瑞测控技术有限公司可以无愧地申明，我们掌握有关的知识和技能。可以向客户提供测量准确，性能稳定，易于维护的测径仪。

 

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