杨幸芳1,2,史恩秀2,徐宏伟2
(1.西安工程大学,西安710048; 2.西安理工大学,西安710048)
摘要:针对印刷机在印刷过程中可能出现的空张、双张或多张的情况,以及以往人工检测和机械检测的弊端,提出了无接触检测的概念。通过对传感器性能的比较,设计了一种以超声波为检测手段的无接触测量系统。该系统以单片机为控制核心,通过测量纸张厚度来实现对空张、双张和多张的检测、判断和控制,测量速度快、精度高、无污染、无损害,是一种理想的印刷机检测系统。
关键词:无接触测量;印刷机;厚度检测;单片机;超声波
中图分类号: TS803; TP391.76 文献标识码: A 文章编号:1001-3563(2010)13-0087-04
在印刷[1]输纸过程中,由于纸张过薄、带静电,或者吹风压脚磨损等诸多原因,就可能出现双张或多张进入印刷机,从而使印刷机出现故障。如果不及时排除,就会影响印品质量,出现废品,影响设备的使用寿命,甚至可能造成机械设备事故,损坏设备。另外,由于印刷机零件松动或者老化等原因,输纸机会出现输送空张的情况,这些都是不希望发生且亟待解决的问题。以往的解决方式是通过人工或用机械的方式进检测,人工方式费时费力,工作效率低,机械的方式属于接触式检测[2],在接触纸张时会对纸张造成压力,从而引起纸张容易变形,尤其对于重复套印的半成品的损害更大,有可能破坏印品质量,造成废品。因此,基于传感器的无接触式测量引起了人们的普遍关注。显然,传感器[3-4]的选择是设计系统的关键。
设计基于无接触测量的纸张厚度检测系统,该系统是设在纸张进入印刷前的一道安全关卡,通过检测纸张厚度检查输纸机是否输送空张或者误送双张或多张的情况。当检查到这类情况,控制器立即发出控制信号,使输纸机停止输纸工作。
1 传感器的选择
目前常用的无接触传感器主要有激光传感器、超声波传感器和视觉传感器,每种传感器各有优缺点。
激光传感器价格昂贵,要求要有很好的光路系统,主要用于军事和科学研究方面,工业应用并不多见;超声波传感器由于能够穿透物质而传播,因此在各行各业得到了广泛地应用,其中超声波测距已是一门比较成熟的技术;视觉传感器在工业方面主要用于产品的质量检测和工业对象的定位。针对印刷机纸张厚度检测的具体情况,超声波传感器无疑是一个较好的选择。
超声波是一种机械振动在媒质中的传播过程,其频率一般在20 kHz以上。与普通声波相比,具有如下特性:
1)束射特性。由于超声波的频率高、波长短,所以超声波射线和光线一样,遵守几何光学的定律,能够反射、折射,还能聚焦。即超声波射线从一种物质表面反射时,入射角等于反射角;当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时会产生折射,即会改变它的传播方向,两种物质的密度相差越大,折射愈大。
2)吸收特性。声波在各种物质中传播时,随着传播距离的增加,强度会逐渐减弱,这是因为物质会吸收掉它的部分能量。对同一物质,超声波的频率越高,吸收越强。对频率一定的声波,在空气中传播时吸收最强,在固体中传播时吸收最弱。
3)高功率性,当声波到达某一物质中时,声波的作用使得物质中的分子也跟着振动,振动的频率和声波频率―样,频率决定了速度,频率越高,速度越快。分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外,还与分子振动的速度有关。速度越快,能量越高。超声波的频率比普通声波高很多,所以它可以使物质分子获得更大的能量,换句话说,超声波可以使物质获得足够大的功率。
4)声压作用,当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用,从而使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力的现象叫声压作用。
超声波之所以在工业领域中得到了广泛应用,主要是利用它的高功率特性。超声波的频率升高,相应地波长就变短,因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟,甚至波长可远小于试样材料的尺寸,因此超声波可用于测量厚度尺寸很小物体。
2 超声波检测纸张厚度的原理
超声波检测纸张厚度,主要是基于超声波测距原理。超声波测距就是声纳,在工业领域,它已是成熟的技术,其最大优点是检测快速、准确、精度高、无污染。超声测距按工作原理可分为:共振法、干涉法和脉冲反射法等几种,其中脉冲反射法由于不涉及共振原理,且对被测物体表面的光洁度要求不高,所以超声波脉冲反射法测距备受用户青睐。
超声波测距的原理[5]是基于飞越时间法(ToF),即首先测出超声波从发射到遇到障碍物后返回所经历的时间t,然后再乘以超声波的速度v就得到2倍的声源到障碍物的距离d,用公式表示为:d=tv /2,式中v为声速。
超声波测距是利用压电效应的原理工作的,即在发射超声波的时候,将电能转换成超声振动,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。在检测纸张厚度时,超声波向纸张内发射一个脉冲,称为始波,当超声波在纸张中传播到达纸张底面时,由于纸张和空气的介质不同,所以产生强烈的反射,称为回波,算出始波和回波间的时间间隔。当没有纸张通过传感器,或双张或多张纸通过传感器时(纸张介质相同,声波继续通过叠加后的纸,在最下面的纸张的底面反射),声波的传播时间改变:空张时传播时间缩短,双张或多张时传播时间延长。通过计算超声波传播的时间差异,不但能够定性地判断出输纸板上纸张的有无,而且可以定量地计算出输纸板上纸张的数量。纸张厚度检测系统的作用是在纸张进入印刷机前对其进行检测,如果发现空张、双张或多张的情况,及时发出控制信号控制输纸机的离合器,使之打开,停止工作,同时印刷滚筒也随即离压。因此纸张厚度检测系统对于印刷机的正常工作起着举足轻重的作用。
3 纸张厚度检测系统的设计
以单片机[6-8]AT89C51为控制核心,首先利用差动放大器来放大所采集的信号,以提高检测精度,然后通过采样/保持器来稳定该信号,以便模/数转换芯片0809将其转换为数字信号,方便单片机进行处理。单片机通过对所得到的信号与设定的信号进行对比,从而判断是否为空张、双张或多张。只要发生这些情况中的任意一种状况,单片机都会发出信号控制输纸机的离合器打开,使其停止工作,同时印刷滚筒也随即离压。检测系统的系统框图见图1。
纸张检测检测系统的电路见图2。超声波采集到距离信号经放大转变成电压信号后,通过采样保持器LF398采样保持。由于ADC0809的A,B,C的通道选择管脚都接低电位,所以选IN0作为输入通道。单片机由ALE /p脚给0809提供脉冲,通过P1端口接收来自0809的数据信号并进行处理、判断,并通过P2.1管脚向离合器发出控制信号。
单片机89C51通过P2.7,WR,RD管脚来控制0809的时序,使0809能够实时进行模数转换。
单片机的控制程序为:
ORG 0000H
START: MOV P2,#00H ;p2.7=0,ADC0809由WR和RD控制
READ: SETB P3.6
CLR P3.6 ;ADC0809通道地址锁存
NOP
SETB P3.6 ;启动ADC0809
HERE: JE P3.3,HERE ;当p3.3=0时,执行下面程序,否则继续查询
CLR P3.7 ;读允许信号
MOV A,P1 ;读ADC0809转换数据
SETB P3.7
SETB P3.3 ;以便下次查询ADC0809数据转换完成与否
LCALLCON
AJMP READ
CON:
BIJ1: MOV R2,A ;ADC0809转换数据由R2保存
CLR C ;C->0
SUBB A,#0B3H ;比较大小
JBE BIJ2 ;当R2大于等于#B3时,执行下面程序,否则跳转
SETB P2.1 ;双张或多张,控制离压
RET
BIJ2: MOV A,R2
CLR C ;再次清C->0
SUBB A, #0B3H ;比较大小
JE XSH2 ;当R2小于#0B3H时,执行下面程序,否则,跳转
SETB P2.1 ;空张,控制离压
RET
XSH2: RET
超声波传感器经标定后,通过差动放大器可将1mm厚度变化转化为0~5 V的电压变化,然后由A /D转换器(这里用ADC0809)转换为8位的数字信号,则检测精度可达到1 /256=0.0039 mm,而纸张(60 g /m2)的厚度为0.075 mm,所以检测精度足够。另外,超声波传感器是通过发出和接收声波的形式来检测距离,所以纸张的平滑度和环境温度对检测效果几乎无影响,这就决定了用超声波传感器检测纸张厚度的优势。
4 结语
针对单张纸胶印机在印刷过程中可能出现的空张、双张或多张的情况,通过对传感器的特性进行比较,提出了一种以单片机为控制核心的,基于无接触测量的检测系统,该系统检测速度快、精度高、无污染、无损害,是印刷机检测系统的一种理想选择。
参考文献:
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[2] 徐宏伟,刘海锋,刘占奎.单张纸胶印机输纸机构气动化设计[J].包装工程,2005,26(4):56-58.
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