一种基于陀螺仪传感器测量铝卷材卷径的装置的制作方法

本实用新型涉及铝加工设备技术领域，尤其是涉及一种基于陀螺仪传感器测量铝卷材卷径的装置。

背景技术：

铝卷材生产机列都包括开卷机和卷取机，生产过程中需要对卷材张力和机列速度进行控制，生产机列开卷机和卷取机铝卷材顶部都装有在生产过程中压靠铝卷材上表面的面压辊，它能起到防止铝材黏伤的作用。伸缩气缸经连杆传动结构带动面压辊旋转轴旋转，使面压辊能上下摆动，伸缩气缸的电磁阀控制伸缩气缸的工作。生产机列主控PLC用于开卷机和卷取机工作时张力和速度控制。生产机列根据操作人员设定的开卷张力或卷取张力保持恒张力控制，张力F等于电机经过减速机输出的转矩T除以卷材的半径D/2，所以要保持生产过程中开卷张力或卷取张力的恒定，转矩T需要根据铝卷材卷径的变化而变化。同时生产机列开卷机和卷取机的线速度是一致的，它们的线速度定义为机列速度，机列速度V等于电机经过减速机的转速R乘以πD，铝卷材在生产过程中操作人员可以通过摇杆对机列进行升降速控制，因此开卷机电机和卷取机电机转速需要根据卷经的变化而变化。综上铝卷材在生产过程中对卷径的精度要求很高，因此通过技术分析进而充分论证，提出一种基于陀螺仪传感器测量铝卷材卷径的装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于陀螺仪传感器测量铝卷材卷径的装置，具有测量结构简单、制作成本低、操作便捷、测定结果准确等优点。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于陀螺仪传感器测量铝卷材卷径的装置，包括第一陀螺仪传感器、第二陀螺仪传感器、卷径测量主控器、开卷面压辊摆动按钮和卷取面压辊摆动按钮，所述第一陀螺仪传感器紧贴设于开卷机的开卷面压辊摆臂上，第一陀螺仪传感器实时采集开卷面压辊摆臂所处位置的角度，所述第二陀螺仪传感器紧贴设于卷取机的卷取面压辊摆臂上，第二陀螺仪传感器实时采集卷取面压辊摆臂所处位置的角度，所述卷径测量主控器分别连接第一陀螺仪传感器、第二陀螺仪传感器、开卷面压辊摆动按钮、卷取面压辊摆动按钮、开卷机的开卷伸缩气缸电磁阀、卷取机的卷取伸缩气缸电磁阀以及用于控制开卷机和卷取机的生产机列主控器。

所述第一陀螺仪传感器和第二陀螺仪传感器均采用HWT901B姿态传感器。

所述卷径测量主控器采用AT89C51单片机。

所述卷径测量主控器通过串口连接生产机列主控器。

所述卷径测量主控器连接有用于存储设备运行互锁条件的存储器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：在铝卷材顶部面压辊摆臂上安装陀螺仪传感器，铝卷材生产过程中面压辊从涨缩轴压靠到铝卷材上，随着生产铝卷材卷径的变化，面压辊偏摆的角度也会随之变化，将陀螺仪传感器检测的模拟量信号传输给卷径测量主控器，卷径测量主控器通过模数转换精确计算出面压辊动作偏摆的角度，进而快速准确地获取铝卷材实时半径。测量过程简单易行，测定结果准确。

附图说明

图1为本实用新型装置的电路连接框图；

图2为开卷面压辊压靠在开卷涨缩轴上的示意图；

图3为开卷面压辊压靠在开卷机的铝卷材表面上的示意图；

图4为卷取面压辊压靠在卷取涨缩轴上的示意图；

图5为卷取面压辊压靠在卷取机的铝卷材表面上的示意图。

图中，11、开卷涨缩轴，12、开卷面压辊，13、开卷面压辊摆臂，14、开卷面压辊旋转轴，15、开卷伸缩气缸电磁阀，21、卷取涨缩轴，22、卷取面压辊，23、卷取面压辊摆臂，24、卷取面压辊旋转轴，25、卷取伸缩气缸电磁阀，3、生产机列主控PLC，4、第一陀螺仪传感器，5、第二陀螺仪传感器，6、卷径测量主控器，7、开卷面压辊摆动按钮，8、卷取面压辊摆动按钮，9、存储器，A、铝卷材。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于陀螺仪传感器测量铝卷材卷径的装置包括第一陀螺仪传感器4、第二陀螺仪传感器5、卷径测量主控器6、开卷面压辊摆动按钮7和卷取面压辊摆动按钮8，第一陀螺仪传感器4紧贴设于开卷机的开卷面压辊摆臂13上，第一陀螺仪传感器4实时采集开卷面压辊摆臂13所处位置的角度，第二陀螺仪传感器5紧贴设于卷取机的卷取面压辊摆臂23上，第二陀螺仪传感器5实时采集卷取面压辊摆臂23所处位置的角度，卷径测量主控器6分别连接第一陀螺仪传感器4、第二陀螺仪传感器5、开卷面压辊摆动按钮7、卷取面压辊摆动按钮8、开卷机的开卷伸缩气缸电磁阀15、卷取机的卷取伸缩气缸电磁阀25以及用于控制开卷机和卷取机的生产机列主控PLC3，开卷面压辊摆动按钮7和卷取面压辊摆动按钮8设置在主控操作台上。

卷径测量主控器6接收开卷面压辊摆动按钮7的信号后向开卷伸缩气缸电磁阀15发送命令，使得开卷伸缩气缸带动卷取面压辊22压靠在开卷涨缩轴11上，卷径测量主控器6根据第一陀螺仪传感器4实时采集的角度获取开卷机上铝卷材A实时半径，生产机列主控PLC3根据获取的开卷机上铝卷材A实时半径控制开卷机工作时的张力和速度。

卷径测量主控器6接收卷取面压辊摆动按钮8的信号后向卷取伸缩气缸电磁阀25发送命令，使得卷取伸缩气缸带动卷取面压辊22压靠在卷取涨缩轴21上，卷径测量主控器6根据第二陀螺仪传感器5实时采集的角度获取卷取机上铝卷材A实时半径，生产机列主控PLC3根据获取的卷取机上铝卷材A实时半径控制卷取机工作时的张力和速度。

本实施例中，第一陀螺仪传感器4和第二陀螺仪传感器5均采用HWT901B姿态传感器，HWT901B姿态传感器安装简单，只需水平固定在相应面压辊摆臂上。卷径测量主控器6采用AT89C51单片机。卷径测量主控器6通过串口连接生产机列主控PLC3，生产机列主控PLC3的型号为西门子S7300。

同时为了防止面压辊误动作，卷径测量主控器6连接有用于存储设备运行互锁条件的存储器9。

开卷面压辊摆动按钮7和卷取面压辊摆动按钮8作为面压辊摆动的信号来源，开卷面压辊摆动按钮7包括用于控制开卷面压辊12抬起的开卷面压辊12抬起按钮和用于控制开卷面压辊12摆下的开卷面压辊12摆下按钮，卷取面压辊摆动按钮8包括用于控制卷取面压辊22抬起的卷取面压辊抬起按钮和用于控制卷取面压辊22摆下的卷取面压辊摆下按钮，当卷径测量主控器6接收到操作人员操作开卷面压辊摆动按钮7或卷取面压辊摆动按钮8的信号时，卷径测量主控器6对应向开卷伸缩气缸电磁阀15或卷取伸缩气缸电磁阀25发出命令，控制相应伸缩气缸工作，使得开卷面压辊旋转轴14或卷取面压辊旋转轴24旋转，则开卷面压辊12或卷取面压辊22能上下摆动。

开卷机铝卷材卷径测量原理如图2、3所示，当开卷机的铝卷材A没上传到开卷涨缩轴11，开卷面压辊12压靠在开卷涨缩轴11时，第一陀螺仪传感器4采集开卷面压辊摆臂13所处位置的角度，并记为θ1，当开卷机的铝卷材A上传到开卷涨缩轴11后、开卷面压辊12压靠在铝卷材A上时，第一陀螺仪传感器4实时采集开卷面压辊摆臂13所处位置的角度，并记为θ2，开卷机上铝卷材A实时半径R3，则开卷机上铝卷材A实时半径R3的计算公式如下：

θc＝θa+|θ2-θ1| (2)

式中，L1为开卷面压辊旋转轴14的轴心到开卷面压辊12的轴心的距离，L2为开卷面压辊旋转轴14的轴心到开卷涨缩轴11的轴心的距离，θc为开卷面压辊旋转轴14的轴心到开卷涨缩轴11的轴心的直线与开卷面压辊摆臂13的实时夹角角度，R1为开卷面压辊12的半径，θa为当开卷机的铝卷材A没上传到开卷涨缩轴11、开卷面压辊12压靠在开卷涨缩轴11时开卷面压辊旋转轴14的轴心到开卷涨缩轴11的轴心的直线与开卷面压辊摆臂13的夹角角度，R2为开卷涨缩轴11的半径。

卷取机铝卷材卷径测量原理如图4、5所示，当卷取机的铝卷材A没上传到卷取涨缩轴21，卷取面压辊22压靠在卷取涨缩轴21时，第二陀螺仪传感器5采集卷取面压辊摆臂23所处位置的角度，并记为θ3，当卷取机的铝卷材A上传到卷取涨缩轴21后、卷取面压辊22压靠在铝卷材A上时，第二陀螺仪传感器5实时采集卷取面压辊摆臂23所处位置的角度，并记为θ4，则卷取机上铝卷材A实时半径R6的计算公式如下：

θf＝θd+|θ4-θ3| (5)

式中，L3为卷取面压辊旋转轴24的轴心到卷取面压辊22的轴心的距离，L4为卷取面压辊旋转轴24的轴心到卷取涨缩轴21的轴心的距离，θf为卷取面压辊旋转轴24的轴心到卷取涨缩轴21的轴心的直线与卷取面压辊摆臂23的实时夹角角度，R4为卷取面压辊22的半径，θd为当卷取机的铝卷材A没上传到卷取涨缩轴21、卷取面压辊22压靠在卷取涨缩轴21时卷取面压辊旋转轴24的轴心到卷取涨缩轴21的轴心的直线与卷取面压辊摆臂23的夹角角度，R5为卷取涨缩轴21的半径。

某开卷机中L1＝1400mm，L2＝1650mm，R1＝130mm，R2＝305mm，该开卷机上铝卷材A实时半径的具体测量过程如下：

(1)如图2所示，铝卷材A还没上到开卷涨缩轴11，操作人员按下开卷面压辊12摆下按钮，卷径测量主控器6接收到开卷面压辊12摆下按钮的信号后，通过开卷伸缩气缸电磁阀15控制开卷伸缩气缸动作，开卷伸缩气缸通过连杆传动结构带动开卷面压辊旋转轴14旋转，使得开卷面压辊12压靠在开卷涨缩轴11上。安装在开卷面压辊摆臂13上的第一陀螺仪传感器4检测到的模拟量信号传输给卷径测量主控器6，然后卷径测量主控器6通过模数转换精确计算出开卷面压辊12动作偏摆的角度为θ1＝52.46°，由公式(3)可得夹角角度θa＝13°27′3″≈13.45°。

(2)如图3所示，首先操作人员按下开卷面压辊12抬起按钮，卷径测量主控器6接收到开卷面压辊12抬起按钮的信号后，通过开卷伸缩气缸电磁阀15控制开卷面压辊旋转轴14旋转，使开卷面压辊12抬起到水平位置，铝卷材A通过上卷小车上到开卷涨缩轴11后，操作人员再按下开卷面压辊12摆下按钮，卷径测量主控器6接收到开卷面压辊12摆下按钮的信号，通过开卷伸缩气缸电磁阀15控制开卷面压辊旋转轴14旋转，使开卷面压辊12压靠在铝卷材A表面上。此时安装在开卷面压辊摆臂13上的第一陀螺仪传感器4检测到的模拟量信号传输给卷径测量主控器6，然后卷径测量主控器6通过模数转换精确计算出开卷面压辊12动作偏摆的角度为θ2＝23.48°。

(3)图3中开卷面压辊摆臂13变化角度θb＝|θ2-θ1|，则根据公式(2)开卷面压辊旋转轴14的轴心和开卷涨缩轴11的轴心之间形成的直线与开卷面压辊摆臂13的夹角θc＝42.43°，则根据公式(1)开卷机上铝卷材A初始卷径D1＝2*R3≈1996.07mm。如图1所示，生产过程中开卷卷径不断变小，安装在开卷面压辊摆臂13上的第一陀螺仪传感器4检测到的模拟量信号随着开卷面压辊12偏摆的角度变化而变化，即采集的角度θ2也随之变化。卷径测量主控器6通过公式(1)就可以求出开卷机铝卷材A的实时卷径，并由串口通讯到主机。最后生产机列主控PLC3-西门子S7300可以利用WINCC系统、组态王系统等从主机读取到卷径，用于开卷机的张力和速度控制。

某卷取机中L3＝1400mm，L4＝1650mm，R4＝130mm，R5＝305mm，该卷取机上铝卷材A实时半径的具体测量过程如下：

(1)如图4所示，铝卷材A还没从开卷机传送到到卷取涨缩轴21，操作人员按下卷取面压辊摆下按钮，卷径测量主控器6接收到卷取面压辊摆下按钮的信号，通过卷取伸缩气缸电磁阀25控制卷取伸缩气缸动作，卷取伸缩气缸经连杆传动结构带动卷取面压辊旋转轴24旋转，使卷取面压辊22压靠在卷取涨缩轴21上。安装在卷取面压辊摆臂23上的第二陀螺仪传感器5检测到模拟量信号传输给卷径测量主控器6，然后卷径测量主控器6通过模数转换精确计算出卷取面压辊22动作偏摆的角度为θ3＝127.53°。根据公式(6)卷取面压辊旋转轴24的轴心和卷取涨缩轴21的轴心之间形成的直线与卷取面压辊摆臂23的夹角θd＝13°27′3″≈13.45°。

(2)如图5所示，首先操作人员按下卷取面压辊抬起按钮，卷径测量主控器6接收到卷取面压辊抬起按钮的信号，通过卷取伸缩气缸电磁阀25控制卷取面压辊旋转轴24旋转，使卷取面压辊22抬起到水平位置，铝卷材A从开卷机传送到卷取涨缩轴21后，操作人员再按下卷取面压辊摆下按钮，卷径测量主控器6接收到卷取面压辊摆下按钮的信号，通过卷取伸缩气缸电磁阀25控制卷取开卷面压辊旋转轴14旋转，使卷取面压辊22压靠在铝卷材A表面上。当铝卷材A大致生产到一半时，安装在卷取面压辊摆臂23上的第二陀螺仪传感器5检测到的模拟量信号传输给卷径测量主控器6，然后卷径测量主控器6通过模数转换精确计算出卷取面压辊22动作偏摆的角度为θ4＝148.26°。

(3)图5中开卷面压辊摆臂13变化角度θe＝|θ4-θ3|，则根据公式(5)卷取面压辊旋转轴24的轴心和卷取涨缩轴21的轴心之间形成的直线与面压辊摆臂的夹角θf＝34.18°，则此时卷取机上铝卷材A卷径D2＝2*R6≈1595.24mm。如图1所示，生产过程中卷取卷径不断变大，安装在卷取面压辊摆臂23上的第二陀螺仪传感器5检测到的模拟量信号随着卷取面压辊22偏摆的角度变化而变化，即采集的角度θ4也随之变化。卷径测量主控器6通过公式(4)就可以求出卷取机铝卷材A的实时卷径，并由串口通讯到主机。最后生产机列主控PLC3-西门子S7300可以利用WINCC系统、组态王系统等从主机读取到卷径，用于卷取机的张力和速度控制。