一种原料卷与卷筒对中的方法及系统 【技术领域】
本发明涉及工业控制领域， 尤其是涉及一种原料卷与卷筒对中的方法及系统。背景技术 在工业生产中， 生产线上有时会碰到需要将卷筒 ( 或卷轴 ) 插入到原料卷中心通 孔中的工序。 该工序一般包括两个步骤 ： 第一步， 先通过操控使原料卷与卷筒对中 ( 即二者 轴线重合 ) ； 第二步， 使原料卷向卷筒方向 ( 或者使卷筒向原料卷方向 ) 移动固定的距离， 从而完成插入。显然第一步的对中是关键环节。
当然， 若各原料卷的粗细 ( 即外径 ) 相同， 则对中并不复杂， 例如只需要按一些既 定的距离进行移动即可。但是， 当各个原料卷的外径数值不统一时， 要想每次都快速、 精准 的实现对中， 并不是一件容易的事。
例如在钢铁行业中， 存在一个 “上卷” 的工序， 即将各种直径的原料卷例如冷轧卷 自动上到开卷机的卷筒上 ( 此后， 卷筒直径可以膨胀， 当膨胀到与原料卷内径一致时二者 便处于紧密配合的状态， 通过卷筒旋转从而带动冷轧卷旋转， 实现开卷 )。而上卷的前提正 是原料卷与卷筒的对中。具体来讲， 一般是如下情形 ： 开卷机的卷筒水平固定， 可竖直升降 的小车的底座也固定， 并使卷筒与小车的朝向以及竖直位置都一致， 以保证原料卷水平放 在小车上后， 其轴线升降时的轨迹平面正好经过卷筒轴线 ( 即原料卷的轴线与卷筒的轴线 始终在同一竖直平面上 )。然后， 通过小车的升降来调整原料卷的高度， 最终定位至与卷筒 卷心 ( 即卷筒轴线 ) 同高的地方， 从而完成对中。
在现有技术中， 实现上述对中功能有多种解决办法， 现介绍一种常用的方案， 如图 1、 2、 3 所示 ( 其中图 1、 3 为主视图， 图 2 为俯视图， 图 1 为初始时刻， 图 3 为完成对中的时 刻， 另外注意图 2 中只画出了卷筒、 原料卷及第一支架 ) ：
其中测距装置 3 为超声波传感器， 在原料卷 1 的正上方并朝向原料卷 1， 同时固定 在第二支架 6 上 ； 开卷机的卷筒 2 也固定在第一支架 5 上 ( 见图 2 虚线 )， 位于原料卷 1 的 上方 ( 但不会被原料卷 1 碰到 ) ； Φ 为原料卷 1 的直径 ( 外径 ) ； L1 为卷筒 2 的轴线到超 声波传感器的距离， 为定长， 由设计决定 ； L2 为初始时刻 ( 如图 1 所示的时刻 )， 升降小车 4 上用来承载原料卷 1 的台面的最低点到超声波传感器的距离， 也是定长， 由设计决定 ； d为 超声波传感器测量得到的自身到原料卷 1 圆柱表面的距离， 为变量， 会随原料卷 1 高度的变 化而变化， 初始时刻测得该值为 d0 ； 原料卷 1 放到升降小车 4 的台面上后， 其最低端与该台 面最低处的高度差为 X， 也是定长， 由原料卷 1 的直径及该台面倾斜角度决定。
该方案是先测量并计算得到 Φ 值、 然后再根据 Φ 值来完成对中的。设 L1 ＝ 1800mm， L2 ＝ 3000mm， 所述台面的斜面与水平夹角为 α， α ＝ 15°， d0 ＝ 1300mm。具体步 骤如下 ：
第一步 ： 先忽略 X 的长度， 计算原料卷 1 的直径 Φ， Φ ＝ L2-d0 ＝ 1700mm ；
第二步 ： 通过 Φ 计算 X 的长度， X ＝ 1700/2*(1-COSα) ＝ 28.963mm， 从而得到修 正后的直径 Φ ＝ L2-d0-X ＝ 1671mm ；
第三步 ： 计算对中时 d 的预期值 d′， d′＝ L1-Φ/2 ＝ 1800-1671/2 ＝ 964.5mm ；
第四步 ： 让升降小车 4 开始上升， 当测量值 d 等于预期值 d′时， 即 d ＝ 964.5mm 时 ( 如图 3 所示时刻 ) 停止运动， 并保持当前高度， 从而完成定位， 实现原料卷 1 与卷筒 2 的对 中。
通过以上描述可见， 该方案虽然可以应对原料卷粗细不同的情况， 但也明显存在 以下缺点 ：
第一， 该方案在计算过程中存在近似值， 故对中的精度不高。 该方案对中时要判断 是否 d ＝ d′， 其中 d′是依靠卷径测量的结果 Φ 算得， 故卷径测量的精度会影响对中的精 度， 而该方案计算 Φ 时引入了 X， 这样得到的 Φ 为近似值， 故最终导致对中的精度不高。
第二， 该方案的对中精度会受具体测量值的精度的影响。该方案对中时要判断是 否 d ＝ d′， 其中 d 为测量值， 会受很多因素影响， 例如超声波检测的距离值与环境温度有 关， 所以为了保证精度有时还需要选择带温度补偿的超声波检测元件。
此外， 第三， 该方案必须先进行卷径测量才能再进行对中， 多了一个步骤显然会影 响工作效率。第四， 测量得到的卷径 Φ 值在理论上就已经为近似值， 存在不可克服的缺陷， 故不适合应用到其他需要较高精度的场合。 第五， 该方案中的传感器安装检修不便， 例如原 料卷一般最大直径在 2100mm 左右， 加上机械设备的高度， 所以超声波元件安装高度一般大 于 2500mm， 这样的高度对于人员安装和检修即不安全又不方便。 发明内容 有鉴于此， 本发明要解决的主要技术问题是 ： 原料卷对中精度不高的问题。
本发明提供了如下方案 ：
一种原料卷与卷筒对中的方法， 用于包括原料卷、 原料卷承载装置、 卷筒、 测距装 置、 处理装置、 第一支架及第二支架的系统 ； 其中，
所述原料卷承载装置， 用于做与水平面垂直的直线往复运动 ；
所述原料卷， 置于所述原料卷承载装置上， 所述原料卷的轴线水平， 在所述原料卷 承载装置的带动下做所述往复运动 ；
所述卷筒， 与所述原料卷内径相匹配， 固定在所述第一支架上， 所述卷筒的轴线与 所述原料卷的轴线平行， 且所述卷筒的轴线与所述原料卷的轴线所构成的第一平面与水平 面垂直 ；
所述测距装置， 固定在所述第二支架上， 用于测量自身到所述原料卷圆柱表面的 距离值， 所述测距装置的感应端的中心线与所述卷筒的轴线等高、 且垂直于所述卷筒的轴 线；
所述处理装置与所述原料卷承载装置、 测距装置电连接 ；
所述方法包括 ：
所述处理装置驱动所述原料卷承载装置带动所述原料卷做所述往复运动 ；
在所述原料卷做所述往复运动过程中， 驱动所述测距装置多次测量自身到所述原 料卷圆柱表面的距离值 ；
采集所述测距装置测量的多个距离值， 获取最小距离值 ；
发送定位信号， 以使所述原料卷承载装置根据接收到的定位信号定位到所述最小
距离值所对应的位置， 以使所述原料卷与所述卷筒对中。
优选的， 还包括以下步骤 ：
根据公式 Φ ＝ 2×(L1-dmin) 计算得到所述原料卷的直径 Φ， 其中 L1 为所述卷筒 的轴线到所述测距装置的距离， dmin 为所述最小距离值。
优选的， 所述驱动所述测距装置多次测量自身到所述原料卷圆柱表面的距离值， 具体为 ： 驱动所述测距装置连续测量。
优选的， 所述驱动所述测距装置多次测量自身到所述原料卷圆柱表面的距离值， 具体为 ： 驱动所述测距装置定时测量。
优选的， 所述原料卷具体包括冷轧卷。
优选的， 所述测距装置具体包括超声波传感器或激光传感器。
一种原料卷与卷筒对中系统， 包括原料卷、 原料卷承载装置、 卷筒、 测距装置、 处理 装置、 第一支架及第二支架 ； 其中，
所述原料卷 ： 其轴线水平， 置于所述原料卷承载装置上， 并在所述原料卷承载装置 的带动下做与水平面垂直的直线往复运动 ；
所述卷筒 ： 与所述原料卷内径相匹配 ； 固定在所述第一支架上 ； 所述卷筒的轴线 与所述原料卷的轴线平行， 且所述卷筒的轴线与所述原料卷的轴线所构成的第一平面与水 平面垂直 ；
所述测距装置 ： 固定在所述第二支架上 ； 用于在所述原料卷做所述往复运动过程 中多次测量自身到所述原料卷圆柱表面的距离值 ； 所述测距装置的感应端的中心线与所述 卷筒的轴线等高， 且垂直于所述卷筒的轴线 ；
所述处理装置 ： 与所述原料卷承载装置、 测距装置电连接 ； 用于驱动所述原料卷 承载装置带动所述原料卷做所述往复运动 ； 在所述原料卷做所述往复运动过程中， 用于驱 动所述测距装置多次测量自身到所述原料卷圆柱表面的距离值 ； 用于采集所述测距装置测 量的多个距离值， 获取最小距离值 ； 根据所述最小距离值向所述原料卷承载装置发送定位 信号， 以使所述原料卷承载装置定位到与所述最小距离值所对应的位置 ；
所述原料卷承载装置 ： 用于做与水平面垂直的直线往复运动 ； 接收所述处理装置 发送的定位信号， 并根据所述定位信号定位到与所述最小距离值所对应的位置， 以使所述 原料卷与所述卷筒对中 ；
所述第一支架 ： 用于固定所述卷筒 ；
所述第二支架 ： 用于固定所述测距装置。
优选的， 还包括 ： 计算装置， 用于根据公式 Φ ＝ 2×(L1-dmin) 计算得到所述原料卷 的直径 Φ， 其中 L1 为所述卷筒的轴线到所述测距装置的距离， dmin 为所述最小距离值。
优选的， 所述原料卷具体包括冷轧卷。
优选的， 所述测距装置具体包括超声波传感器或激光传感器。
可见， 本发明有如下技术效果 ：
本发明对中时的计算过程无任何近似值， 故对中精度更高 ； 且对中是通过数值比 较的方式实现的， 与具体测量值无关， 摆脱了环境温度等的限制， 确保了对中精度。
此外， 因为本发明对中时并不需要用到原料卷直径数值， 故可以在对中计算过程 中省略卷径测量的步骤， 提高了对中的效率。但应用本发明实施例提供的方法仍然可以计算原料卷卷径值， 这样对中和卷径测量还可分别完成， 互不干扰。 又因为计算原料卷直径时 没有近似值， 所以本发明中得到的直径数值也更准确， 可以进一步应用到其他场合。另外， 由于本发明测距装置与卷筒卷心同高， 而卷筒卷心的高度一般为 1500mm 以下， 所以人员很 容易对测距装置进行安装和检修， 即安全又方便。 附图说明
图 1 是现有技术中系统初始时刻的主视图 ； 图 2 是现有技术中系统的俯视图 ； 图 3 是现有技术中系统对中时刻的主视图 ； 图 4 是本发明实施例 1 提供的系统的主视图 ； 图 5 是本发明实施例 1 提供的系统的俯视图 ； 图 6 是本发明实施例 1 中原料卷横截面的运动轨迹示意图 ； 图 7 是本发明实施例 1 中提供的方法的流程图。具体实施方式 为了使本发明的上述目的、 特征和优点能够更加显明易懂， 下面结合附图和具体 实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例 1 ：
本实施例主要包括 ： 原料卷 1、 卷筒 2、 测距装置 3、 原料卷承载装置 4、 第一支架 5、 第二支架 6 及处理装置 7。各部件的位置关系如图 4、 图 5 所示， 其中图 4 为主视图， 图5为 俯视图， 图 4 显示的是完成对中的时刻， 图 5 中仅画出了原料卷 1、 卷筒 2、 测距装置 3 及第 一支架 5， 省略了其他部件。下面进行详细描述 ：
(1) 原料卷 1 和卷筒 2。原料卷 1 相当于一个带中心通孔的圆柱体， 在本实施例 中原料卷 1 具体为冷轧卷， 在本发明其他实施例中还可以是布匹卷、 纸卷、 胶卷、 塑料卷， 等 等。卷筒 2 与原料卷 1 的内径相匹配， 相当于一个直径小于原料卷 1 内径的圆柱体， 用来插 入到原料卷 1 的通孔中。卷筒 2 固定在第一支架 5 上， 且卷筒 2 的轴线水平。在一种可能 的实施例中， 第一支架 5 为开卷机。原料卷 1 置于原料卷承载装置 4 上， 并可在其带动下做 与水平面垂直的直线往复运动， 即竖直升降运动。原料卷 1 的轴线水平， 并与卷筒 2 的轴线 平行， 且卷筒 2 的轴线与原料卷 1 的轴线所构成的第一平面与水平面垂直。当然， 还要使原 料卷 1 运动时不会碰到卷筒 2。
(2) 原料卷承载装置 4， 用于做与水平面垂直的直线往复运动， 从而当承载原料卷 1 时带动原料卷 1 做与水平面垂直的直线往复运动。本实施例中原料卷承载装置 4 具体为 升降小车。该升降小车有固定的底座和可竖直升降的车身。优选的， 为了使原料卷 1 较为 稳定地放置在升降小车上， 升降小车的车身上表面可开设有一个 V 形槽， 由两个倾斜平面 相交而成。该槽也与卷筒 2 的轴线平行， 原料卷 1 即放置在槽中。
此外， 本实施例中的原料卷承载装置 4 也可以是其他装置， 只要能保证实现原料 卷 1 与卷筒 2 的上述位置关系及原料卷 1 的上述竖直升降运动即可。另外， 在本实施例中 升降小车为自动升降， 在本发明其他实施方式中， 还可利用手动装置实现原料卷 1 的升降 操作。
(3) 测距装置 3， 用来测量自身到原料卷 1 的圆柱表面的距离。本实施例中测距装 置 3 具体为超声波传感器， 此外还可以换成其他有测距功能的装置， 例如价格更高的激光 传感器。
测距装置 3 固定在第二支架 6 上。其感应端， 如超声波探头、 激光探头， 的中心线 应与卷筒 2 的轴线等高， 且垂直于卷筒 2 的轴线。当然， 还要使原料卷 1 做所述竖直升降运 动时不会碰到测距装置 3。
需要说明的是， 对卷筒 2、 原料卷承载装置 4 的底座及测距装置 3 进行上述固定时， 其固定顺序非唯一， 即可以先固定其中任意一个， 然后再根据以上位置关系和运动方式来 固定其他两个。
(4) 处理装置 7， 与原料卷承载装置 4、 测距装置 3 电连接。 本实施例中具体为一主 机， 可与测距装置 3 及原料卷承载装置 4 进行通信。处理装置 7 用于采集测距装置 3 测量 的多个距离值， 获取最小距离值， 并根据该最小距离值向原料卷承载装置 4 发送定位信号 以使原料卷 1 与卷筒 2 对中。
本实施例中各个距离值定义如下 ( 参加图 4、 5) ：
L1 为卷筒 2 的轴线到测距装置 3 的距离， 为定长， 由设计决定或现场测绘得到。d 是测距装置 3 测得的其自身到原料卷 1 圆柱表面的距离。因为对中过程中原料卷 1 在不断 运动所以 d 的值也在不断变化， 该过程具体可见图 6 ： 图 6 是原料卷 1 横截面的运动轨迹示 意图， 标记 31 所指的虚线代表测距装置 3 射出的超声波的方向 ( 也即测距装置 3 的感应端 的中心线 ) ； 标记 11 代表原料卷 1 刚进入测距装置 3 的测量区域 ( 在此区域原料卷 1 的圆 柱表面可反射超声波 ) 后不久的位置， 此时 d ＝ d11 ； 标记 12 代表对中时刻 ( 即原料卷 1 的 轴线与卷筒 2 的轴线等高 ) 原料卷 1 的位置， 此时 d ＝ d12 ； 标记 13 代表原料卷 1 即将离开 测量区域时的位置， 此时 d ＝ d13。 由于原料卷 1 横截面为圆形， 所以开始时随着原料卷 1 的 上升 d 值一直在减小， 当过了对中位置后 d 值又开始增大， 故对中的位置处 d 值最小， 即 d12 为 d 的最小值。
本实施例提供的对中的方法， 其步骤如下 ( 如图 7 所示 ) ：
S701 ： 主机驱动载有原料卷 1 的升降小车开始上升， 从而带动原料卷 1 开始上升。
S702 ： 当原料卷 1 进入测距装置 3 的测量区域后， 主机驱动测距装置 3 多次测量测 距装置 3 到原料卷 1 圆柱表面的距离值 ； 主机采集到所述多个距离值 ( 即 d 值 )， 并且在原 料卷 1 离开测量区域后 ( 即完成了第一轮测量 )， 主机通过数据统计找到各个 d 值的最小值 d12， 设 d12 ＝ 500mm。
S703 ： 使升降小车开始下降， 重新进入测量区域后 ( 即开始第二轮测量 )， 主机驱 动测距装置 3 再次的多次测量自身到原料卷 1 圆柱表面的距离值 ； 主机再次采集上述多个 距离值， 注意此时的采集为与测距装置 3 测量同步的采集， 即实时采集 ； 当主机发现当前采 集到的 d 值等于 d12 时， 向升降小车发送定位信号， 使升降小车停车， 即升降小车定位到 d12 与所对应的位置， 从而使卷筒 2 与原料卷 1 对中。
此外， 在得到 d 值的最小值之后， 如果还需要计算原料卷 1 的直径， 则可以通过步 骤 S704 完成。注意 S704 可以在 S702 与 S703 之间， 也可以在 S703 之后， 还可以与 S703 并 行。
S704 ： 设 L1 ＝ 1300mm， 根据公式 Φ ＝ 2×(L1-d12)＝ 2×(1300-500) ＝ 1600mm， 计算得到原料卷 1 的直径 Φ， 从而完成了卷径测量。
本实施例还有几点需要说明 ：
第一、 上述步骤中测距装置 3“多次测量” 自身到原料卷 1 圆柱表面的距离值， 其 中 “多次测量” 具体可以包括以下两种方式 ：
a、 主机向测距装置 3 发送连续测量信号， 驱动测距装置 3 进行连续测量， 即不间断 的测量。
b、 主机向测距装置 3 发送定时测量信号， 驱动测距装置 3 进行定时测量 ( 例如每 间隔 5 秒测量一次 )。
当然， 主机的采集方式也要与测量装置的测量方式相适应。
第二、 不一定是在原料卷 1 完全离开测量范围后才进行统计， 即步骤 S702 还可以 替换为 S702′ ： 在升降小车上升过程中， 在发现 d 值出现拐点时， 该拐点即为所要找的最小 值 d12。
第三、 在以上过程中， 测距装置 3 也可以一直测量 d 值而不管原料卷 1 是否进入了 测量区域， 只不过在原料卷 1 未进入测量区域时 d 无读数或为无限大， 在统计时直接舍去即 可。 第四、 在本实施例中， 升降小车是先上升再下降， 而且只升降一次即可完成对中。 在本发明其他实施例中， 显然还可以是先下降再上升的方式， 甚至是往复升降多次 ( 以使 测量及对中更准确， 例如在采集 d 时可令小车反复升降多次， 以采集到更多的 d 值， 从中找 出更准确的最小值 )， 都是本实施例的变形。
第五、 本实施例是通过两轮测量的方式进行定位的， 事实上还可以只进行一轮测 量， 即只进行上升时的测量， 在此过程中主机记录下各 d 值所分别对应的升降小车的位置 值。 在完成第一轮测量找到 d12 后， 再找到 d12 对应的小车位置值， 然后主机向升降小车发送 定位信号， 命令升降小车直接运动到该位置， 从而也完成了定位， 实现了对中。
第六、 由于测距装置精度的限制和 / 或小车升降控制精度的限制， 现实中对中时 可能会允许有一个误差范围， 即当 d 不是完全等于而是接近 d12 时即可使升降小车停止。例 如在本实施例中当 d 再次等于 d12±1mm( 即 500±1mm) 时即可停止升降小车的升降， 完成对 中。
对中完成后， 升降小车开始沿卷筒 2 的轴线方向向卷筒 2 移动， 此时卷筒 2 收缩到 最小直径 ( 方便其插入到原料卷 1 内径中 )。当升降小车运行到原料卷 1 宽度中心线与机 组运行中心线重合时， 升降小车停止移动。卷筒 2 胀到最大直径， 与原料卷 1 的内径紧密配 合， 然后带动原料卷 1 转动实现开卷。而升降小车则重新退回到初始位置， 等待下一原料卷 上卷。
实施例 2 ：
本实施例提供了一种原料卷与卷筒对中系统， 包括原料卷 1、 原料卷承载装置 4、 卷筒 2、 测距装置 3、 处理装置 7、 第一支架 5 及第二支架 6， 如图 4、 5 所示， 其中 ：
原料卷 1 ： 其轴线水平， 置于原料卷承载装置 4 上， 并在原料卷承载装置 4 的带动 下做与水平面垂直的直线往复运动 ；
卷筒 2 ： 与原料卷 1 内径相匹配 ； 固定在第一支架 5 上 ； 卷筒 2 的轴线与原料卷 1 的轴线平行， 且卷筒 2 的轴线与原料卷 1 的轴线所构成的第一平面与水平面垂直 ；
测距装置 3 ： 固定在第二支架上 6 ； 用于在原料卷 1 做所述往复运动过程中多次测 量自身到原料卷 1 的圆柱表面的距离值 ； 测距装置 3 的感应端的中心线与卷筒 2 的轴线等 高， 且垂直于卷筒 2 的轴线 ；
处理装置 7 ： 与原料卷承载装置 4、 测距装置 3 电连接 ； 用于驱动原料卷承载装置 4 带动原料卷 1 做所述往复运动 ； 在原料卷 1 做所述往复运动过程中， 用于驱动测距装置 3 多 次测量自身到原料卷 1 的圆柱表面的距离值 ； 用于采集测距装置 3 测量的多个距离值， 获取 最小距离值 ； 根据所述最小距离值向原料卷承载装置 4 发送定位信号， 以使原料卷承载装 置 4 定位到与所述最小距离值所对应的位置， 以使原料卷 1 与卷筒 2 对中 ；
原料卷承载装置 4 ： 用于做与水平面垂直的直线往复运动 ； 接收处理装置 7 发送的 定位信号， 并根据所述定位信号定位到与所述最小距离值所对应的位置， 以使原料卷 1 与 卷筒 2 对中 ；
第一支架 5 ： 用于固定卷筒 2 ；
第二支架 6 ： 用于固定测距装置 3。
优选的， 本实施例还包括 ： 计算装置， 用于根据公式 Φ ＝ 2×(L1-dmin) 计算得到原 料卷 1 的直径 Φ， 其中 L1 为卷筒 2 的轴线到测距装置 3 的距离， dmin 为所述最小距离值。
优选的， 本实施例中原料卷 1 具体包括冷轧卷。
优选的， 本实施例中测距装置 3 具体包括超声波传感器或激光传感器。
最后需要说明的是， 在本文中， 术语 “包括” 、 “包含” 或者其任何其他变体意在涵 盖非排他性的包含， 从而使得包括一系列要素的过程、 方法、 物品或者设备不仅包括那些要 素， 而且还包括没有明确列出的其他要素， 或者是还包括为这种过程、 方法、 物品或者设备 所固有的要素。在没有更多限制的情况下， 由语句 “包括一个……” 限定的要素， 并不排除 在包括所述要素的过程、 方法、 物品或者设备中还存在另外的相同要素。
此外， 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述， 以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想 ； 同时， 对于本领域的一般技术人 员， 依据本发明的思想， 在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述， 本说明 书内容不应理解为对本发明的限制。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同 替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。