浅谈线缆挤出壁厚的精准控制与测量

——助推光电缆制造提质降本

李世昌

研发中心，杭州魔方智能科技有限公司

杭州，浙江省，中国

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摘要

介绍了失重式米重计量技术、机器视觉尺寸测量技术在光电缆制造业中的典型应用场合，提升质量、降低成本，并提出该技术的其它应用前景。

关键词：机器视觉；米重；光缆；电缆；壁厚；挤出；检测。

1.引言

当今世界，疫情的影响、全球经济形势面临下行压力，引发了产业改革、社会改革和生活方式的巨大变革，影响着人类社会发展的轨迹。实体经济始终是社会赖以生存和发展的基础，我国于2015年发布了《中国制造2025》，明确了中国制造业发展的目标、路径和重点，对制造业提出了转型升级的迫切要求。

我国线缆制造业智能制造的应用度低，转型升级的任务紧迫而艰巨，而线缆制造业要实现“智慧工厂”是一个大课题，且花费不菲。要实现“机器换人”，在高质量要求的前提下，用机器可靠地取代人进行检测及控制是迈向智能制造的第一步。本文将重点介绍本公司米重控制系统、智能投影仪在光电缆制造过程中应用情况，以及拓展应用前景。

2.连续挤出壁厚的均匀性控制存在的问题及基本解决思路

2.1 连续挤出壁厚的均匀性控制存在的问题及基本解决思路

关于线缆挤出壁厚的控制有两个方向：

（1）“横向”控制：靠调节机头模具来控制偏心；

（2）“纵向”控制：指连续挤出的壁厚均匀性。

我们知道，挤出的线缆壁厚其实就是牵引速度和挤出量的匹配程度决定的，如果牵引速度绝对不变，挤出量绝对不变，那么连续挤出的壁厚也是均匀不变的。但实际上，牵引速度是有微变化的，挤出量也是有变化的。挤出量的变化有多种因素，比如：材料流动性，各温区的温度波动，螺杆磨损等等，都会造成连续挤出壁厚的变化，为了保证取样抽测合格，就需要提高一定比例的壁厚“余量”，而这部分“余量”，客户是不付款的，对于生产厂家而言是白送给客户的，所以，如何稳妥地降低这部分“余量”，成为众多线缆制造厂商关注的问题，亟需一些控制手段的来帮助解决此问题。

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对于挤出壁厚的“纵向”控制，常见方法及适用场景有：

（1）在线激光测径仪：

通过实时检测挤出后的绝缘/护套外径来计算挤出壁厚，测径仪一般都具备有PID-比例积分微分调节控制功能，将其信号接入挤出机则可实施闭环控制，常安装于第一段定径水槽后尽量靠近挤出机头的位置。因为若安装在整段水槽之后，距离挤出机头距离太远，实时控制则会滞后，安装在此位置的测径仪一般只作为测量显示用，并不用于闭环控制。同时，因为挤出外径有热态和冷态，存在着一定的收缩率，而将水槽分段，线缆经过第一段水槽后虽然尚未充分冷却，但其外径与冷态时的外径已经很接近了，而且该位置非常接近挤出机头，在此位置测量挤出外径可以接入挤出机实施闭环控制。适用于导体/缆芯圆整的小线，不适用于直径大于25mm的大线，从GB/T2951.11测量外径的工具要求可以看出，外径大于25mm时，应采用测量带测量其圆周长，然后计算直径，原因就是线径大了，就会不圆整，用激光测径仪只能从一个或两个维度测量投影直径，其测量值与真实值就会有差异，用不准确的测量值来进行控制的话，效果可能会适得其反。

（2）熔体泵：

一般安装在“机脖子”位置，通过精确计量熔融胶体流过的体积V，来实施精准的挤出量控制，效果非常好，严格来说适用于大多数的挤出场合，但是因为停机更换清理的工作难度非常大，非常麻烦，所以并未得到广泛应用。

（3）失重式米重控制系统：

所谓“米重”，是指每米的挤出重量。

我们知道，体积V=m÷ρ且重量G=mg

故，挤出体积V=重量G÷密度ρ÷重力加速度g

而，挤出截面积S = 挤出体积V÷挤出长度L

故，挤出截面积S= G÷ρ÷ g ÷L

安装位置固定后，重力加速度g是常数，通过给定密度ρ，以及测量挤出重量G和牵引拉线走的长度L，即可计算出挤出的实时截面积S。实施米重控制，目标就是控制挤出的实时截面积S。

一般适用于大线绝缘/护套的挤出上，在挤出机喂料口与烘干机之间，增加一个失重式计量装置，实时精密测定挤出重量G和牵引走的长度L，接入挤出机控制器进行叠加信号控制，对螺杆转速进行反向微补偿调节（挤出多了，螺杆稍慢一点，挤出少了，螺杆稍快一点），把连续挤出壁厚弄得更均匀。在保证最薄情况下，通过实时记录的米重数据，就能有根据的降低平均壁厚余量，从而达到节约材料以及提高壁厚稳定性的目的。

3.米重控制系统的工作原理、方法及其优点

3.1失重式米重计量控制系统的工作原理及其优点

3.1.1为什么“吃料量”能表征“挤出量”？

   试想一下，一段横放的、充满水的水管，左端是出口，右端上方有充足的喂水装置，如果出口关闭，那么喂水装置是喂不进去水的，只有左端出口打开后，出去了多少水，右端的喂水装置才能喂进去多少水。我们换用“吃水量”这个词来表达应该会更为准确，即我们通过检测右端的喂水装置被“吃”了多少水，来表征我们的左端出口处流出了多少水。同理，在我们挤出机上就可以通过测定挤出机“吃”了多少料，来表征机头挤出了多少料。

3.1.2失重式米重计量控制系统的结构

计量系统包括：主框架、重力传感器、开关阀装置、支架、料斗托架、料斗、底座和冲击锥等组成，如下图：

                         失重式计量系统结构示意图     杭州魔方米重控制系统实物图

3.1.3 控制原理

通过精准实时测量挤出机实际吃料量和牵引速度，闭环调节螺杆速度实现动态补偿，实现米重的连续均匀化。（控制方法为叠加控制，不会对原挤出机操作方式产生影响）

图 1 米重控制原理示意图

图 2 杭州魔方安装米重控制系统现场图

3.1.4疑问一：如果挤出前缆芯外径变化 1mm，那么通过米重控制系统后，挤出的平均壁厚是否就变化了 0.5mm ？

图 3 挤出前线缆外径变化影响的推导图

我们控制米重实际上就是控制挤出层的截面积，从上面的数据推导可以看出，挤出前的缆芯外径变化导致的壁厚变化，并不是简单想象中的直径差除以2。

3.1.5疑问二：对于缆芯外径的变化，如何更好的控制米重？

方法1：可以让员工定期（如20分钟）用外径尺测量挤出前缆芯外径，在触摸屏上更新缆芯外径设置值，系统会自行调节。

方法2：增加不圆整大电缆测径装置，与米重控制系统对接，实现闭环自动控制（在下文简述）。

3.1.5疑问三：对于异型导体的绝缘，如何控制米重？

对于扇型、瓦型、半圆型等异型导体的绝缘，其截面积的计算比较复杂，精确计算的输入项很多，如果让现场操作员工去计算，可行性很低，让其输入很多输入项参数，太复杂，可行性也非常低。但我们可以通过把“缆芯外径”的输入项改为“中径周长”，那么这个可行性就非常高了，只需技术部门制作一张对应表下发到车间执行，通过跟踪几次进行数据修正，即可实现有效控制。如下图所示（涉及客户隐私，已隐去具体数据）：

图 4 异型导体中径周长对应图

图 5 异型导体中径周长公式推导图

3.1.6米重控制系统的优点

3.1.6.1“测量”功能给我们带来的好处

A、有累计产量统计功能，对用料统计、考核到班组等管理目标提供数据支持。

B、不管开不开自动控制米重，系统均可以记录每盘线的实际米重曲线，对质量风险把控，以及对挤出机台磨损老化情况的了解提供有效数据支持。

3.1.6.2“控制”功能给我们带来的好处

A、把挤出壁厚的相对大的波动变为小的波动，在满足最小壁厚满足要求的情况下，有数据支持地把壁厚“余量”往下降，实现降低材料成本。

图 6 米重自动控制效果示意图

B、降低员工操作难度，减轻对主机手熟练程度的依赖，甚至可以实现一个主机手开多台挤出机的目标。

4.实际应用收益计算

4.1失重式米重计量控制系统的应用收益计算

采用米重控制系统后一般节省原料比例为：1～10%

投资回报，本例按比较低的1.5%计算（未考虑OEE设备利用率，具体可根据实际情况重算）

产 量 * 工作时间 * 省料比例 * 材料单价

1000 kg/h * 24小时/天 * 300天 * 0.015 * 12.5rmb/kg

全年节约资金 = 145万rmb

750 kg/h * 24小时/天 * 300天 * 0.015* 12.5rmb/kg

全年节约资金 = 72.5万rmb

500 kg/h * 24小时/天 * 300天 * 0.01 * 12.5rmb/kg

全年节约资金 = 36.25万rmb

250 kg/h * 24小时/天 * 300天 * 0.015 * 12.5rmb/kg

全年节约资金 = 18.125万rmb

5.展望

5.1米重控制系统的前后技术延伸

5.1.1 挤出前缆芯外径测量装置

如上文3.1.5所述，为了让挤出前缆芯外径数据与米重控制系统自动对接，从而实现闭环自动控制，需增加不圆整大电缆测径装置。而激光测径仪只能在一个或两个维度测量不圆整大线径缆芯的投影直径，其测量值与测圆周长计算出来的直径值是有较大差异的，不可直接实施。

杭州魔方智能科技自主研发了通过增加一个来回圆周旋转的机构，让激光测径仪旋转起来，获得一圈的数据求出平均数，则测量结果与外径尺的测量值很接近，可以实施替代人工点检。下图为不圆整缆芯的激光投影测径示意图：

图 7 不圆整缆芯的双轴激光投影测径示意图

图 8 杭州魔方旋转激光测径仪结构图

5.1.2 米重数据流

如上文3.1.6所述，米重控制系统的“测量”及“控制”数据对我们的质量把控以及降本决策有相当大的帮助，故米重数据的导出显得尤为重要。实施方法有：

A、触摸屏上插入U盘，定期导出。

B、无线数据采集，如：无线串口通信、Wifi通信、4G/5G移动网络通信等，减少布线成本，实现一个车间一台电脑完成数据采集，并存入数据库中，方便后期的数据运用，如：局域网拷贝数据、车间大屏幕实时显示米重曲线、与MES系统对接等等。

（待续...）