光纖傳感技術(shù)在字符噴印機(jī)輸送速度測(cè)量的應(yīng)用研究

黃仲庸

（東莞市高技能公共實(shí)訓(xùn)中心，廣東 東莞 523466）

字符噴印機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用的方式為輸送帶傳輸，其傳輸速度的真實(shí)值對(duì)噴印設(shè)備的精度產(chǎn)生直接的影響。實(shí)踐中對(duì)輸送的速度測(cè)量常用的方式有轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測(cè)量法以及手工定長(zhǎng)計(jì)時(shí)法，前者由于反映的只是轉(zhuǎn)動(dòng)軸的真實(shí)速度以及經(jīng)此換算出來(lái)輸送理論速度而非輸送的實(shí)際速度，后者則由于人工計(jì)時(shí)誤差過(guò)大而無(wú)法達(dá)到精度要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)量方法逐漸被新型的傳感器取代。光纖傳感技術(shù)作為一種新技術(shù)，由于光纖傳感技術(shù)在測(cè)量中無(wú)需與被測(cè)物接觸，抗外界的電磁干擾能力強(qiáng)，因此廣泛應(yīng)用于各個(gè)檢測(cè)領(lǐng)域，例如在高溫高壓的惡劣工作環(huán)境中對(duì)被測(cè)物的檢測(cè)等[1，2]。字符噴印機(jī)的輸送速度的實(shí)際值測(cè)量的測(cè)量失準(zhǔn)會(huì)造成一系列不良的影響，如何采用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)字符噴印機(jī)輸送實(shí)際速度快速、簡(jiǎn)便、精確的測(cè)量，在字符噴印機(jī)的調(diào)試過(guò)程中有其重要的意義。

1 光纖傳感技術(shù)

光纖，光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，是利用光的全反射原理來(lái)引導(dǎo)光波的。光纖傳感技術(shù)是隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而形成的嶄新技術(shù)[3]。當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，表征光波的特征參量（如相位、波長(zhǎng)、偏振態(tài)、振幅等）會(huì)由于被測(cè)參量（如壓力、溫度、加速度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）對(duì)光纖的作用而發(fā)生變化，從而引起光波的強(qiáng)度、干涉效應(yīng)、偏振面發(fā)生變化，使光波成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光探測(cè)器和解調(diào)器從而獲得被測(cè)參量的參數(shù)[4]。

光纖傳感器正是利用光纖傳感技術(shù)的一種現(xiàn)代傳感器件，隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)對(duì)傳感器的需求，光纖傳感器得到了快速的發(fā)展。光纖傳感器根據(jù)其與光的作用機(jī)理分：非功能型（傳光型）光纖傳感器和功能型（傳感型）光纖傳感器[5]。非功能型光纖傳感器的光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能依靠其他功能元件完成。功能型光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體：光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素的作用下，光學(xué)特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。

非功能型光纖傳感器主要由光源、光纖、光調(diào)制器、敏感元件、光電探測(cè)器等組成，其基本原理如圖1所示。光源S發(fā)出的光經(jīng)發(fā)送光纖束全反射傳播，到達(dá)被測(cè)物體（反射物），反射光進(jìn)入接收光纖束再次全反射傳播到達(dá)光敏探測(cè)器D，光敏探測(cè)器D將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)U[6]。

圖1 光纖傳感器基本原理

2 輸送速度測(cè)量的意義

本噴印設(shè)備輸送平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，PCB板由相互平行的數(shù)根平皮帶通過(guò)摩擦作用進(jìn)行輸送，從機(jī)臺(tái)的上板端經(jīng)過(guò)中間的定位與噴印機(jī)構(gòu)輸送到收板端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB板的定位與噴印過(guò)程。由于本噴印設(shè)備采用流水線的作業(yè)模式，在整個(gè)工作過(guò)程中PCB板始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此PCB板的輸送速度對(duì)整個(gè)噴印效果影響巨大，對(duì)作為PCB板輸送載體的皮帶輸送速度的測(cè)量具有以下的意義：

圖2 輸送平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

（1）速度的真實(shí)值決定噴印圖像是否失真。由于本設(shè)備的噴印采用流水線的作業(yè)模式，噴印的觸發(fā)信號(hào)與輸送速度的真實(shí)值直接相關(guān)，當(dāng)實(shí)際速度大于設(shè)定理論值時(shí)，噴印圖像將發(fā)生皮帶輸送方向的拉伸，反之將出現(xiàn)圖像的壓縮現(xiàn)象。同時(shí)速度的真實(shí)值與設(shè)備值不符將使噴印延時(shí)設(shè)置失效，使噴印提前或延后。

（2）速度的穩(wěn)定性決定噴印圖像的質(zhì)量。噴印過(guò)程采用的一次性定位，而非實(shí)時(shí)圖像采集的方式，因此在觸發(fā)信號(hào)是根據(jù)速度設(shè)定值發(fā)出的，速度的波動(dòng)會(huì)造成圖像噴印位置的失準(zhǔn)，從而導(dǎo)致噴印圖像無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成PCB板的報(bào)廢。具體的表現(xiàn)形式如圖3所示，如噴印一均勻的等距格子圖像時(shí)，非勻速?lài)娪D像會(huì)偏離設(shè)定噴印位置，造成圖像質(zhì)量達(dá)不到要求。

圖3 速度不穩(wěn)定圖像對(duì)比

（3）每根皮帶的速度不同會(huì)造成PCB板的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在一般情況下，PCB板的規(guī)格都需要多根皮帶來(lái)輸送，因此當(dāng)皮帶間的速度不同時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生繞PCB板重心的力偶，使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是一種輸送過(guò)程中的不穩(wěn)定因素，對(duì)于噴印的定位精度產(chǎn)生負(fù)面影響。通過(guò)對(duì)速度的測(cè)量，并以此為基礎(chǔ)對(duì)皮帶進(jìn)行調(diào)整，可有效地控制與避免偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。

提高輸送過(guò)程中穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，對(duì)輸送速度的測(cè)量有著重要的意義，通過(guò)對(duì)輸送速度的測(cè)量，得出可量化的輸送速度的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)，為噴印設(shè)備的調(diào)試提供重要的可量化依據(jù)。

3 輸送速度測(cè)量流程

本次輸送速度的測(cè)量采用的是光纖傳感器為觸發(fā)和開(kāi)關(guān)信號(hào)源，將信號(hào)發(fā)送至定時(shí)器作為起停標(biāo)記量。通過(guò)高精度的定長(zhǎng)測(cè)試塊（制造精度0.02 mm）在皮帶上的輸送，首尾觸發(fā)的方式，定時(shí)器顯示定長(zhǎng)測(cè)試塊首尾觸發(fā)所需時(shí)間，將速度測(cè)試轉(zhuǎn)換為時(shí)間測(cè)試的方法[7]。定長(zhǎng)測(cè)試塊輸送的作用力上由其與皮帶的摩擦力直接提供，能真實(shí)反映出PCB板工作中的實(shí)際狀態(tài)，較通過(guò)對(duì)主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速測(cè)量更具有準(zhǔn)確性。本測(cè)試流程如圖4所示，具體步驟如下：

圖4 速度測(cè)試流程

（1）光纖觸發(fā)器與定時(shí)器設(shè)定。本測(cè)試方案采用的是歐姆龍E3X-ZD數(shù)字光纖傳感器，設(shè)定操作簡(jiǎn)便，只需對(duì)檢測(cè)物體有無(wú)狀態(tài)下按一次按鍵便能完成門(mén)檻值的設(shè)定與光亮調(diào)整。定時(shí)器采用的是歐姆龍H5CZ-L8毫秒級(jí)計(jì)時(shí)器，將觸發(fā)器與定時(shí)器相連，通過(guò)被檢測(cè)物體的移動(dòng)測(cè)試觸發(fā)效果。

（2）測(cè)試塊的輸送與觸發(fā)測(cè)試。將測(cè)試塊置于其中一根皮帶上，測(cè)試塊長(zhǎng)度為250 mm，放置方向與皮帶輸送方向一致。光纖觸發(fā)器固定于皮帶一側(cè)，與測(cè)試塊前端相隔大致為800 mm，光束方向與皮帶輸送方向垂直。按設(shè)置理論速度啟動(dòng)電機(jī)，測(cè)試塊在皮帶帶到下經(jīng)過(guò)觸發(fā)器，觀察光斑大小以及定時(shí)器是否正確記錄時(shí)間。當(dāng)記錄時(shí)間與理論值相近時(shí)表示觸發(fā)成功，否則需對(duì)各測(cè)試器件重新定位。

（3）正式測(cè)試與數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)數(shù)根皮帶的速度進(jìn)行測(cè)試得出各根皮帶的輸送速度，每根皮帶測(cè)試多組數(shù)據(jù)以此作為輸送速度穩(wěn)定性的判斷依據(jù)。各皮帶的輸送速度差是對(duì)皮帶輸送速度進(jìn)行調(diào)整的依據(jù)，使皮帶輸送速度趨向一致。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行修改，使皮帶的輸送速度與噴印設(shè)定速度一致。

4 測(cè)量結(jié)果與分析

采用上文所描述的方法對(duì)皮帶的輸送速度進(jìn)行測(cè)試，各皮帶分別測(cè)試5次，理論速度為10 m/min，定長(zhǎng)測(cè)試塊長(zhǎng)度為250 mm，理論時(shí)間為1.5 s，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 輸送速度測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可得出以下的結(jié)論：

（1）理論速度與實(shí)際速度相差較大，由于本系統(tǒng)采用的是高精度的伺服系統(tǒng)，其速度差來(lái)源主要來(lái)自于皮帶的打滑。要達(dá)到理論輸送速度10 m/min，需要對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度進(jìn)行修改。

（2）光纖傳感器的精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，由于皮帶的自身特性，本測(cè)試所用的毫秒級(jí)計(jì)時(shí)器已滿(mǎn)足需求。本型號(hào)傳感器精度不大于100 ns，因此要進(jìn)一步發(fā)揮其精度，計(jì)時(shí)器可選擇0.1毫秒級(jí)。

（3）皮帶的輸送速度較為平穩(wěn)，各皮帶間的速度差較小，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（4）通過(guò)后期實(shí)驗(yàn)改變觸發(fā)器與測(cè)試塊的距離，可進(jìn)一步對(duì)輸送過(guò)程中，測(cè)試塊與皮帶速度一致的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。其結(jié)果表明，加速距離較短。

5 結(jié)束語(yǔ)

光纖傳感技術(shù)是目前廣泛使用的非接觸式測(cè)量技術(shù)，能快速精確地對(duì)被測(cè)量進(jìn)行檢測(cè)。應(yīng)用光纖傳感技術(shù)對(duì)字符噴印機(jī)輸送速度的測(cè)量，有助于準(zhǔn)確地得出輸送速度的真實(shí)值。該方法快速簡(jiǎn)便，為輸送速度的測(cè)量以及設(shè)備調(diào)試提供了便利，通過(guò)對(duì)測(cè)試器件的選擇以及測(cè)試流程的優(yōu)化可進(jìn)一步提高其測(cè)試精度。隨著對(duì)測(cè)量精度與效率的需求不斷提升，光纖傳感技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用。