磁性零件在线式激光光电计数仪的设计
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磁性零件在线式激光光电计数仪的设计Ξ孙双花 曲兴华 贾果欣 丁金明 叶声华(精密测试技术及仪器国家重点实验室 天津大学 天津 300072)摘要 为实现对磁性零件的在线计数检测,开发了一种在线式磁性零件激光光电计数仪系统。
采用激光光源,缩束光管,光束发散小,准直性好;采用对辊式自动排料机构和圆刷式梳料器,工件排列有序,下料速度快,解决了目前磁性零件大批量计数的问题。
该计数仪具有计数准确、快速和适应多种规格产品计数的特点,对<3～100mm和厚度1～20mm的零件均可进行计数,并且计数速度可达到1000件 分以上,已应用于实际生产中。
关键词 在线检测 光电传感器 缩束 对辊D esign of On-l i ne La ser Photoelectr ic Coun ter for M agnetic PartsSun Shuanghua Q u X inghua J ia Guox in D ing J inm ing Ye Shenghua (S ta te K ey L ab of P recision M easu ring T echnology and Instrum en ts,T ianj in U n iversity,T ianj in300072,Ch ina)Abstract To accomp lish on2line count inspecti on fo r m agnetic parts,a k ind of laser pho toelectric counter system is developed based on pho toelectric inspecti on theo ry.L aser ligh t source is adop ted.T h rough bunch ing,ligh t diverges little and has good co lli m ati on.Double2ro ll auto2discharging m echanis m and round2brush divider are adop ted.Parts are arranged o rderly and rap idly,so p lentiful m agnetic parts can be counted.T h is system has special features such as h igh accuracy,fast response and good adap tability.It can be used to count parts w ith diam eters from3mm to100mm and th ickness ranges from1mm to20mm.Its rap idity can reach1000parts per m inute.T h is system has been emp loyed in p ractical m anufacture.Key words O n2line inspecti on Pho toelectric senso r Bunch ing Double2ro ll1 引 言中国是稀土原材料大国,外向型的磁性零件生产企业很多。
磁性零件的生产具有大批量、多规格、小尺寸的特点,产品的计数有一定的难度。
目前的计数方法主要有人工计数、称重计数、机电计数和光电计数等。
在磁性零件生产中,前3种方式由于精度和效率的缘故,往往不能满足使用要求。
而现有的光电计数方法一般都采用红外光源[1],光束发散性大,对于小工件计数,光束较粗,调整困难。
另外,自动计数需要工件按一定规律排序,现有的传送带排序方式,对小工件不适用,零件会产生重叠,不能直接进行有效的计数。
一般的振动上料装置可以用于小工件排序,但对于多品种、多规格的产品适应性差。
以上方法也都存在速度慢的问题,不能适应大量计数的需要。
为此,我们设计了包括自动排料机构、激光光电传感器、计算机控制器构成的在线式磁性零件激光光电计数仪。
该计数仪具有计数准确、快速和适应多种规格产品计数的特点。
2 系统的计数原理系统的结构框图如图1所示。
光电管能把接收的光信号转换成与光功率成正比的电流,该电流经取样电阻转换成电压。
当光电管在光直射下输出高电平,没有光照射下输出低电平。
因此当有工件通过时光被遮挡住,光电管输出发生一次高低第26卷第1期 仪 器 仪 表 学 报 2005年1月Ξ本文于2003年2月收到,系高等学校博士学科点专项科研基金(20020056002)资助。
电平的变化,当连续有工件通过时将产生与工件个数相对应的脉冲,通过放大整形电路送计算机系统,当系统每检测到电平变化时使计数器加1,通过8279芯片在数码管显示。
图1 系统工作原理图 图2 取样滤波电路11激光电源 21激光器 31缩束光管 41光电接收器 51放大整形电路61计算机控制器 71数字显示器 81键盘 91对辊 101圆刷式梳料器3 硬件电路设计硬件电路包括放大整形电路,单片机与键盘显示接口电路及激光光电传感器的设计等,如图1所示。
3.1 放大整形电路该电路主要包括取样滤波电路及放大整形电路两部分。
取样滤波电路由电阻电容组成,将光电管输出的电流信号转换为电压信号,并去除噪声。
如图2所示,R 1为取样电阻。
无信号光源时,三极管截止,V O 输出低电平;接收到信号光源的强光时,三极管导通,V O 输出高电平。
放大整形电路主要由电压比较器构成,将光电管输出信号放大整形为标准的脉冲信号送后续电路。
在放大整形电路后增加光电耦合器,利用它的电—光—电信号的变换,起到隔离两个系统地线的作用,使两个系统的电源相互独立,消除干扰带来的地电位波动所产生的影响;另一方面,光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件,可以形成电流环路的传送形式。
由于电流环电路是低阻抗电器,它对噪音的敏感度低,因此提高了系统的抗干扰能力,增强了系统的可靠性。
考虑到在现场环境下干扰光会对测试系统产生影响或输出伪信号或不能触发计数。
为保证系统可靠性,在不同条件下,检测距离40cm 时,对光电管的输出电压进行了测试,如表1所示,其中1、2分别为光电管在太阳光直射下和40W 日光灯直射下的输出;3、4分别为布满灰尘的光电管和一般光电管在激光的直射下的输出。
根据实验数据,电压比较器的参考电压选择215V 。
当光电管的输出电压小于215V 时输出为低电平(0V ),反之,大于215V 时输出为高电平(5V )。
这样既可排除外界环境对系统的干扰又将模拟信号转换成了数字信号。
表1 光电管在不同条件下的输出电压光强(LU X )电压(V )140.52～0.602100.90～1.083544.88～4.914604.90～5.003.2 单片机与键盘显示接口电路本系统单片机使用了A tm el 公司生产的A T 89C 51芯片[2]。
A T 89C 51与M CS 251系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容;4k 程序存储器采用闪速存储技术,设有三级加密,不易仿制;128×8位内部RAM ,32位可编程I O 引脚,两个16位定时 计数器,6个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等;其宽电压工作范围217～617V 及低功耗的特点,特别适用于微型仪器仪表。
将光电传感器输出的触发脉冲信号接入A T 89C 51芯片的外部中断0管脚P 3.2,在输入信号的下降沿跳变处发生中断,计数器加1,送显示。
为提高CPU 的工作效率,系统中使用了通用的可编程的键盘、显示接口器件——8279芯片[3]。
图3为单片机与8279芯片接口电路。
8279显示器最大配置为16位显示,位选线由扫描线SL 0～SL 3经4～16译码器、驱动器提供;段选线B 0～B 3,A 0～A 3通过驱动器提供。
BD 信号线可用来控制译码器,实现显示器的消隐。
与89C 51联接中数据线P 0口、W R 、RD 可直接联接,CS 、A 0由地址线选择,时钟由AL E 提供,由8279设置适当的分频数,分频至100kH z 。
命令 状态口地址为7100(CS =0,A 0=1),数据口地址为7000(CS =0,A 0=0)。
06仪 器 仪 表 学 报 第26卷 图3 单片机与键盘显示接口电路3.3 激光光电传感器光电传感器的选择直接影响着仪器的检测精度和速度。
虽然,目前市场上可以买到对射式红外光电传感器[4],但这种传感器价格较高,并且红外光为不可见光,不利于传感器的对准调整;所发射的光束较发散,使测量有较大的误差;还易受日光灯等杂散光的干扰等,这些都不利于在线的测量。
而近年来,随着半导体技术的进步,激光器的可靠性大幅度提高,价格也降到可以接受的程度,与其它激光器相比较,半导体激光器的主要特点[5,6]是:体积小、重量轻、功率转移效率高;可以通过改变温度、掺杂量、磁场、压力等实现调谐。
并且激光具有方向性强、亮度高、单色性好等特点。
经过几种光电传感器方案的比较,本系统采用半导体激光器作为光源,以光电三极管作接收器件,设计了激光光电传感器。
3.3.1 发射端半导体激光器能发出波长630～680nm 、功率5mW 的红色光,它具有方向性好、波束窄、脉宽窄、能量分布均匀性差、信号幅度相关性差等特点,很适合作为光电传感器的光源。
在此对现有的激光指示器的电源部分进行改造,构成了激光光电传感器的发射端。
采用直流电源12V 统一供电,对激光器实施有效保护,实现对激光器的慢启动、慢关闭,在提高激光器安全性的同时延长了激光器的使用寿命。
在实际应用中,常常检测一些小尺寸(3～5mm )的工件,而这些小工件在用称重方法计数时误差率较高,有时甚至会差上几十片至几百片,所以对这些工件进行准确计数是本系统设计的关键。
小工件由于厚度薄、质量轻,容易受传输机构的干扰力和外部气体流动的影响,在通过工件传输系统呈抛物状态下落时的轨迹会稍有差异。
如图4所示,虚线所示为工件下落的轨迹。
而直接采购的半导体激光器,因结构的设计,需要照射距离较远,所发出的激光束到达工件时直径大约为2mm 。
因此,工件在下落过程中不一定会完全遮挡住激光束,使光电管仍能感受到光强,电压不发生跳变,以致发生漏检现象。
为增加系统的精确度,减少误差,使用了望远镜系统对激光束进行缩束准直。
选用两片凸透镜同轴放置,其焦点重合,平行于光轴的入射光线经过透镜系统后出射光线仍然平行于光轴。
选取两透镜焦距比为3倍,由几何关系容易得出输出光束直径是输入光束直径的1 3,即017mm 。
