光纖傳感技術在字符噴印機輸送速度測量的應用研究

黃仲庸

（東莞市高技能公共實訓中心，廣東 東莞 523466）

字符噴印機進給運動采用的方式為輸送帶傳輸，其傳輸速度的真實值對噴印設備的精度產生直接的影響。實踐中對輸送的速度測量常用的方式有轉軸轉速測量法以及手工定長計時法，前者由于反映的只是轉動軸的真實速度以及經此換算出來輸送理論速度而非輸送的實際速度，后者則由于人工計時誤差過大而無法達到精度要求。

隨著科學技術的發展，傳統的測量方法逐漸被新型的傳感器取代。光纖傳感技術作為一種新技術，由于光纖傳感技術在測量中無需與被測物接觸，抗外界的電磁干擾能力強，因此廣泛應用于各個檢測領域，例如在高溫高壓的惡劣工作環境中對被測物的檢測等[1，2]。字符噴印機的輸送速度的實際值測量的測量失準會造成一系列不良的影響，如何采用光纖傳感技術實現對字符噴印機輸送實際速度快速、簡便、精確的測量，在字符噴印機的調試過程中有其重要的意義。

1 光纖傳感技術

光纖，光導纖維的簡稱，是利用光的全反射原理來引導光波的。光纖傳感技術是隨著光導纖維和光纖通信技術的發展而形成的嶄新技術[3]。當光波在光纖中傳輸時，表征光波的特征參量（如相位、波長、偏振態、振幅等）會由于被測參量（如壓力、溫度、加速度、電場、磁場等）對光纖的作用而發生變化，從而引起光波的強度、干涉效應、偏振面發生變化，使光波成為被調制的信號光，再經過光探測器和解調器從而獲得被測參量的參數[4]。

光纖傳感器正是利用光纖傳感技術的一種現代傳感器件，隨著光纖傳感技術的發展以及工業對傳感器的需求，光纖傳感器得到了快速的發展。光纖傳感器根據其與光的作用機理分：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光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他功能元件完成。功能型光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測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，光學特性的變化來實現“傳”和“感”的功能。

非功能型光纖傳感器主要由光源、光纖、光調制器、敏感元件、光電探測器等組成，其基本原理如圖1所示。光源S發出的光經發送光纖束全反射傳播，到達被測物體（反射物），反射光進入接收光纖束再次全反射傳播到達光敏探測器D，光敏探測器D將光強信號轉換成相應的電信號U[6]。

圖1 光纖傳感器基本原理

2 輸送速度測量的意義

本噴印設備輸送平臺的功能結構如圖2所示，PCB板由相互平行的數根平皮帶通過摩擦作用進行輸送，從機臺的上板端經過中間的定位與噴印機構輸送到收板端，從而實現對PCB板的定位與噴印過程。由于本噴印設備采用流水線的作業模式，在整個工作過程中PCB板始終處于運動狀態。因此PCB板的輸送速度對整個噴印效果影響巨大，對作為PCB板輸送載體的皮帶輸送速度的測量具有以下的意義：

圖2 輸送平臺功能結構

（1）速度的真實值決定噴印圖像是否失真。由于本設備的噴印采用流水線的作業模式，噴印的觸發信號與輸送速度的真實值直接相關，當實際速度大于設定理論值時，噴印圖像將發生皮帶輸送方向的拉伸，反之將出現圖像的壓縮現象。同時速度的真實值與設備值不符將使噴印延時設置失效，使噴印提前或延后。

（2）速度的穩定性決定噴印圖像的質量。噴印過程采用的一次性定位，而非實時圖像采集的方式，因此在觸發信號是根據速度設定值發出的，速度的波動會造成圖像噴印位置的失準，從而導致噴印圖像無法達到設計要求，嚴重時會造成PCB板的報廢。具體的表現形式如圖3所示，如噴印一均勻的等距格子圖像時，非勻速噴印圖像會偏離設定噴印位置，造成圖像質量達不到要求。

圖3 速度不穩定圖像對比

（3）每根皮帶的速度不同會造成PCB板的偏轉現象。在一般情況下，PCB板的規格都需要多根皮帶來輸送，因此當皮帶間的速度不同時，將會產生繞PCB板重心的力偶，使其發生偏轉。偏轉現象是一種輸送過程中的不穩定因素，對于噴印的定位精度產生負面影響。通過對速度的測量，并以此為基礎對皮帶進行調整，可有效地控制與避免偏轉現象的發生。

提高輸送過程中穩定性與準確性，對輸送速度的測量有著重要的意義，通過對輸送速度的測量，得出可量化的輸送速度的穩定性與準確性數據，為噴印設備的調試提供重要的可量化依據。

3 輸送速度測量流程

本次輸送速度的測量采用的是光纖傳感器為觸發和開關信號源，將信號發送至定時器作為起停標記量。通過高精度的定長測試塊（制造精度0.02 mm）在皮帶上的輸送，首尾觸發的方式，定時器顯示定長測試塊首尾觸發所需時間，將速度測試轉換為時間測試的方法[7]。定長測試塊輸送的作用力上由其與皮帶的摩擦力直接提供，能真實反映出PCB板工作中的實際狀態，較通過對主動軸的轉速測量更具有準確性。本測試流程如圖4所示，具體步驟如下：

圖4 速度測試流程

（1）光纖觸發器與定時器設定。本測試方案采用的是歐姆龍E3X-ZD數字光纖傳感器，設定操作簡便，只需對檢測物體有無狀態下按一次按鍵便能完成門檻值的設定與光亮調整。定時器采用的是歐姆龍H5CZ-L8毫秒級計時器，將觸發器與定時器相連，通過被檢測物體的移動測試觸發效果。

（2）測試塊的輸送與觸發測試。將測試塊置于其中一根皮帶上，測試塊長度為250 mm，放置方向與皮帶輸送方向一致。光纖觸發器固定于皮帶一側，與測試塊前端相隔大致為800 mm，光束方向與皮帶輸送方向垂直。按設置理論速度啟動電機，測試塊在皮帶帶到下經過觸發器，觀察光斑大小以及定時器是否正確記錄時間。當記錄時間與理論值相近時表示觸發成功，否則需對各測試器件重新定位。

（3）正式測試與數據分析。通過對數根皮帶的速度進行測試得出各根皮帶的輸送速度，每根皮帶測試多組數據以此作為輸送速度穩定性的判斷依據。各皮帶的輸送速度差是對皮帶輸送速度進行調整的依據，使皮帶輸送速度趨向一致。對測試數據進行分析，并對電機轉速進行修改，使皮帶的輸送速度與噴印設定速度一致。

4 測量結果與分析

采用上文所描述的方法對皮帶的輸送速度進行測試，各皮帶分別測試5次，理論速度為10 m/min，定長測試塊長度為250 mm，理論時間為1.5 s，測試結果如表1所示。

表1 輸送速度測試數據

通過對測試數據的分析可得出以下的結論：

（1）理論速度與實際速度相差較大，由于本系統采用的是高精度的伺服系統，其速度差來源主要來自于皮帶的打滑。要達到理論輸送速度10 m/min，需要對伺服電機的驅動速度進行修改。

（2）光纖傳感器的精度達到設計要求，由于皮帶的自身特性，本測試所用的毫秒級計時器已滿足需求。本型號傳感器精度不大于100 ns，因此要進一步發揮其精度，計時器可選擇0.1毫秒級。

（3）皮帶的輸送速度較為平穩，各皮帶間的速度差較小，能滿足設計要求。

（4）通過后期實驗改變觸發器與測試塊的距離，可進一步對輸送過程中，測試塊與皮帶速度一致的時間進行測試。其結果表明，加速距離較短。

5 結束語

光纖傳感技術是目前廣泛使用的非接觸式測量技術，能快速精確地對被測量進行檢測。應用光纖傳感技術對字符噴印機輸送速度的測量，有助于準確地得出輸送速度的真實值。該方法快速簡便，為輸送速度的測量以及設備調試提供了便利，通過對測試器件的選擇以及測試流程的優化可進一步提高其測試精度。隨著對測量精度與效率的需求不斷提升，光纖傳感技術將得到更為廣泛的應用。