王海寬 諸葛曉鐘 費(fèi)敏銳 薛志文

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院1,上海 200072；上海市電站自動化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,上海 200072)

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金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

王海寬1,2諸葛曉鐘1費(fèi)敏銳1,2薛志文1

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院1,上海 200072；上海市電站自動化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,上海 200072)

針對沖壓式金屬罐生產(chǎn)過程中造成的微小裂紋、沙眼等罐體缺陷，采用光電檢測技術(shù)進(jìn)行高速在線檢測?？紤]缺陷罐體漏光極其微弱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于高靈敏度光電倍增管的光強(qiáng)檢測和光照電路，以及高實(shí)時(shí)工位、罐體、壞罐剔除、防漏等測控軟硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了罐體的高速連續(xù)在線檢測。測試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)正常工作達(dá)到1 800罐/min工況下的有效性和良好性能。

金屬罐缺陷檢測 漏光檢測 嵌入式系統(tǒng) 光電倍增管 調(diào)光LED

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬制罐技術(shù)水平不斷提升。在罐體不斷實(shí)現(xiàn)輕量化快速生產(chǎn)的過程中，基于先進(jìn)光電技術(shù)的質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用[1]。光電倍增管(PMT)作為一種極限微弱光探測的重要探測器，有著廣泛的用途[2]。本文研發(fā)的高速在線金屬罐漏光檢測系統(tǒng)，利用光電倍增管對光強(qiáng)的量化測量與分析，可以檢測出金屬罐是否存在有微孔或者裂縫等瑕疵問題，并將次品剔除。該系統(tǒng)較常規(guī)的氣壓檢測[3]具有明顯優(yōu)勢，具有非接觸性、高速度、高精度、響應(yīng)速度更快的特點(diǎn)，滿足現(xiàn)代高速高質(zhì)量生產(chǎn)的需求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于金屬罐包裝市場競爭不斷加劇，眾多制罐企業(yè)關(guān)注于在保證質(zhì)量的情況下，如何最大限度地減小板料厚度，減輕單罐質(zhì)量，提高材料利用率。但在實(shí)現(xiàn)金屬罐輕量化的過程中，材料厚度不均、過度拉伸等經(jīng)常造成罐體出現(xiàn)微孔、裂縫等瑕疵[1]。常用壓力金屬罐，如灌裝啤酒、可樂等易拉罐在噴涂或覆膜前，對微孔等瑕疵的基本要求是最小檢測尺寸達(dá)到0.002 inch(0.050 8 mm)，而在線檢測的最大檢測速度要達(dá)到3 000個/min。

為了檢測出最小0.002 inch的微孔，本文采用檢測漏光的方法，即在金屬罐的外部用強(qiáng)光照射，然后利用光電倍增管模塊來探測透過金屬罐的微弱光，依據(jù)透過金屬罐光強(qiáng)的強(qiáng)弱來判斷金屬罐是否存在瑕疵。為滿足系統(tǒng)高速在線的檢測要求，本文整體系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。測量系統(tǒng)將透過金屬罐微弱光信號量轉(zhuǎn)換電信號量并通過濾波等有效的信號調(diào)理處理?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)罐體檢測流水線光電觸發(fā)信號采樣弱光信號，然后做出相應(yīng)的瑕疵判斷及剔除等操作和處理。照明系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的光照，由于光電倍增管的高度靈敏性，光照強(qiáng)度在長期運(yùn)行中必須具有一定穩(wěn)定性[4]，且能根據(jù)光電倍增管鏡頭積灰狀況主動調(diào)整校準(zhǔn)。

系統(tǒng)基本工作原理：通過測量系統(tǒng)檢測透過金屬罐的漏光信號并完成信號轉(zhuǎn)換處理輸出有效電信號量，如果控制系統(tǒng)采集信號量超過基準(zhǔn)值就發(fā)送控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，剔除被檢測出的壞罐。同時(shí)，考慮到生產(chǎn)線上有可能存在漏罐現(xiàn)象，為避免強(qiáng)光直接進(jìn)入光電倍增管，導(dǎo)致光電倍增管過飽和，設(shè)計(jì)了快門機(jī)構(gòu)用來在出現(xiàn)空罐檢測時(shí)能夠快速擋住測量光孔。本文采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)整個控制系統(tǒng)，設(shè)置了兩個光電開關(guān)、一個霍爾開關(guān)來提供中斷觸發(fā)信號?；魻栭_關(guān)提供每次采樣并數(shù)據(jù)處理的啟動信號，保障在高速條件下能夠安全穩(wěn)定工作，光電開關(guān)為系統(tǒng)提供進(jìn)罐和出罐信號。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖

金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)的硬件模塊組成主要包括帶門控光電倍增管模塊、濾波放大器模塊、微處理器控制器、PWM智能調(diào)光驅(qū)動模塊、電源模塊、各類傳感器和快門驅(qū)動電路模塊。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于解決微弱光的在線檢測以及高速邏輯控制問題，需要采用具有靈敏度高、線性度高、噪聲小等特征的光電探測器，構(gòu)建基于具有采樣精度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的MCU高實(shí)時(shí)性嵌入式控制系統(tǒng)。

2.1 檢測與控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)

結(jié)合高速在線漏光檢測系統(tǒng)的具體應(yīng)用要求，本文采用高性能MCU構(gòu)建嵌入式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣與分析、實(shí)時(shí)快門控制、LED照明系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)光、實(shí)時(shí)有效地給出剔除信號、與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信等任務(wù)。

所構(gòu)建的嵌入式控制器要求具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、較高的A/D速率和高速且穩(wěn)定的通信速率。由于ARM芯片成本較低、技術(shù)優(yōu)勢明顯，具有速度快、性能高、功耗低、芯片集成度高和外圍接口豐富的基本特點(diǎn)，比較適合于工業(yè)過程中當(dāng)作嵌入式控制器。本系統(tǒng)采用STM32F207增強(qiáng)型MCU，其工作主頻120 MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換器12位轉(zhuǎn)換精度，1 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣高精度和數(shù)據(jù)處理高速度的要求。

所構(gòu)建的弱光檢測與控制系統(tǒng)解決方案如圖2所示，金屬罐隨著生產(chǎn)流水線依次進(jìn)入檢測工位。當(dāng)?shù)轿粚?zhǔn)時(shí)，觸發(fā)霍爾開關(guān)產(chǎn)生中斷信號，系統(tǒng)進(jìn)入弱光檢測工作時(shí)序；而當(dāng)金屬罐未到達(dá)檢測工位時(shí)，快門處于關(guān)閉狀態(tài)。微處理器依據(jù)當(dāng)前所處的工作模式，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)處于學(xué)習(xí)模式時(shí)，即所有的檢測金屬罐都是合格品，將檢測所得的數(shù)據(jù)建立生成一個合格數(shù)據(jù)庫。當(dāng)系統(tǒng)處于檢測模式時(shí)，微處理器依據(jù)已學(xué)習(xí)合格數(shù)據(jù)庫，判斷所測金屬罐是否合格。

圖2 檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.2 光電倍增管及后端電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文采用光電倍增管(PMT)作為系統(tǒng)的光電探測器，設(shè)計(jì)了基于光電倍增管的弱光檢測系統(tǒng)。在弱光檢測方面，光電倍增管是性能最好的一種，在靈敏度、響應(yīng)速度、噪聲系數(shù)和線性度性能上遙遙領(lǐng)先于其他光電傳感器件[5]。

光電倍增管一般由光陰極、聚焦電極、電子倍增極系統(tǒng)和陽極組成，同時(shí)，配套的高壓偏置電路為各電極提供必要而穩(wěn)定的電壓分布，以得到穩(wěn)定的倍增總增益并使輸出具有最大信噪比[6]。

本系統(tǒng)要求檢測出最小0.002 inch的微孔，當(dāng)光子透過微孔進(jìn)入光電倍增管，與光電材料物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出，即發(fā)生光電發(fā)射效應(yīng)。光電子在外電場的作用下，經(jīng)多次聚焦在倍增電極碰撞發(fā)射材料，再經(jīng)多次倍增信號最后被陽極接收并輸出電子流。光電倍增管內(nèi)部簡化結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光電倍增管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用PMT模塊使用多堿性光電陰極，測量的光波長范圍280～850 nm，轉(zhuǎn)換增益為1 V/μA，輸出響應(yīng)時(shí)間15 μs。實(shí)驗(yàn)測試證明，該光電倍增管模塊能夠有效檢測出透過金屬罐的微弱光信號，即能夠有效分辨出金屬罐0.002 inch的微孔瑕疵。

通過實(shí)驗(yàn)測量光電倍增管輸出波形可發(fā)現(xiàn)采用的光電倍增管輸出信號具有一定的高頻噪聲，在高速檢測中易造成誤判。因此，根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)有源低通濾波放大電路，主要由電阻、電容、運(yùn)算放大器組成，可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的濾波效果，濾除高頻噪聲并放大信號，提高信噪比[7～8]?？紤]系統(tǒng)最高檢測速度57個/s，即有效信號的最大頻率為57 Hz，因此設(shè)計(jì)低通濾波器的截止頻率為100 Hz。系統(tǒng)采用二階有源低通濾波電路除去噪聲，設(shè)計(jì)有源濾波器的最大優(yōu)點(diǎn)就是濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)變得簡單。設(shè)計(jì)的有源低通濾波放大電路如圖4所示。

圖4 有源低通濾波放大電路

該濾波器的傳遞函數(shù)如式(1)所示。

(1)

因此，按巴特沃斯LPF歸一化表，取f1=1，Q=0.707，則Avp=1.59<3，電路能夠穩(wěn)定工作，不會產(chǎn)生自激震蕩。若取C=100 nF，則電阻值R=R1=R2的阻值計(jì)算為：

R=1/(2πCfc)

(2)

計(jì)算值約16kΩ，實(shí)際取R4=R5=16kΩ，R2=10kΩ，R1=6kΩ。用PSpice軟件仿真得到有源低通濾波器的幅頻特性曲線所示截止頻率約為100 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可觀察到，經(jīng)低通濾波放大后弱光檢測信號中的高頻干擾噪聲被有效抑制。

2.3 智能LED調(diào)光驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

弱光檢測系統(tǒng)對光源的要求較為苛刻，要求光強(qiáng)穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，快速亮度調(diào)節(jié)。本文采用大功率LED燈珠陣列作為系統(tǒng)的光源。因環(huán)境條件的改變，系統(tǒng)需要對光源進(jìn)行定期校準(zhǔn)，所以需要設(shè)計(jì)一套智能調(diào)光照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)每次開機(jī)時(shí)光源校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)每次工作光源強(qiáng)度保持不變。系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)光亮度的情況還包括：LED長時(shí)間工作導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度降低；光檢機(jī)長時(shí)間工作濾片粘上灰塵污點(diǎn)影響測量值等情況。

大功率LED是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過LED的電流決定。因此，LED驅(qū)動器需要提供恒定電流，以確保LED的發(fā)光亮度穩(wěn)定。大功率LED恒流驅(qū)動基本方式有電阻限流、線性控制調(diào)節(jié)、開關(guān)調(diào)節(jié)器控制等[9]。系統(tǒng)采用TPS92640精確調(diào)光LED驅(qū)動器，其輸入電壓Uin范圍為7～85 V，同時(shí)支持模擬與數(shù)字PWM調(diào)節(jié)，PWM控制可實(shí)現(xiàn)2 500∶1細(xì)分調(diào)光。通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，來實(shí)現(xiàn)不同光亮的調(diào)節(jié)。PWM的頻率調(diào)節(jié)可影響光源的閃爍頻率，實(shí)現(xiàn)證明頻率大于300 Hz時(shí)，LED的光源趨于穩(wěn)定?；赥PS92640智能LED調(diào)光驅(qū)動器電路原理圖如圖5所示。

內(nèi)部電路包括：PWM輸入接口、RC震蕩電路、電流反饋、最大輸出電壓限制電路、MOSFET單臂橋、BUCK CONVERTERS等。

本照明系統(tǒng)采用5 W大功率LED燈珠陣列，其最大驅(qū)動電流1.25 A。因此，設(shè)置LED驅(qū)動板最大輸出電壓UOUT=12 V，最大輸出電流ILED=1 A。依據(jù)公式(3)確定RVOUT1、RVOUT2反饋電壓回路。同時(shí)依據(jù)公式(4)確定BUCK控制回路開關(guān)頻率fsw及Ron、Con。依據(jù)式(5)和式(6)可確定恒流控制回路的參數(shù)RIADJ1、RIADJ2與Rcs。

(3)

(4)

圖5 智能LED調(diào)光驅(qū)動電路

(5)

(6)

取RVOUT2=10 kΩ，則RVOUT1=37 kΩ；取Ron=47 kΩ、Con=0.1 μF，則fsw=1 000 Hz。取ILED=1 A，由UREF=3.03 V，則RIADJ2=19.6 kΩ、RIADJ1=10 kΩ、Rcs=0.2 kΩ。

對智能LED調(diào)光驅(qū)動器進(jìn)行測試，當(dāng)輸入電壓為12 V，10個LED串聯(lián)作負(fù)載，PWM占空比為100%時(shí)，測得負(fù)載端電流可知響應(yīng)速度快速，約40 μs，電流恒定在1 A。連續(xù)變化PWM占空比，可測的負(fù)載端電流大小與PWM占空比呈線性比例關(guān)系變化。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺搭建與測試

本文研制的金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)應(yīng)用于金屬鋁罐生產(chǎn)線，安裝于整條生產(chǎn)線縮徑機(jī)的末端檢測環(huán)節(jié)。因不便于在生產(chǎn)線直接測試，需設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺。依據(jù)系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄏ到y(tǒng)轉(zhuǎn)盤、光孔密封滑塊機(jī)構(gòu)、快門機(jī)構(gòu)、電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)等。轉(zhuǎn)盤上設(shè)計(jì)有安裝金屬罐孔位；平臺與裝盤之間安裝光孔密封滑塊使得光路通道不受外光影響；快門機(jī)構(gòu)控制光通道的打開和關(guān)閉，快門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用高頻電磁鐵，快速推動帶光孔的遮光板實(shí)現(xiàn)光通道的通斷控制。在金屬罐上部構(gòu)建LED照明系統(tǒng)，同時(shí)為避免外光影響需要構(gòu)建暗箱保持內(nèi)部光亮度穩(wěn)定，不受外界光干擾。

同時(shí)在實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺上進(jìn)行金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)測試，分別對檢測系統(tǒng)的檢測精度、檢測速度進(jìn)行分析測試。該系統(tǒng)最小漏光孔的孔徑為0.05 mm，若檢測能夠成功辨別出最小孔徑則視為檢測精度達(dá)到系統(tǒng)要求。該系統(tǒng)最高檢測速度為3 000個/min，若在最高檢測速度下，相同孔徑的檢測值與低速檢測時(shí)，采樣值的漂移不大，則滿足系統(tǒng)高速檢測要求。圖6所示為金屬罐罐身孔位分布圖，以下所測數(shù)據(jù)設(shè)LED驅(qū)動電流為1 A時(shí)，LED的光強(qiáng)為100%，采樣A/D值均為平均濾波后的值。

圖6 光孔分布圖

在LED光強(qiáng)為100%，0.05 mm標(biāo)準(zhǔn)測光孔，以金屬罐正上方標(biāo)記為12點(diǎn)鐘方向，則對應(yīng)分布于1～12點(diǎn)鐘不同方向測光孔的測試采樣A/D值如表1所示。由表1數(shù)據(jù)測試分析可得，孔位分布不同，對漏光檢測值會有一定的偏差，但偏差值不足以影響金屬罐漏光檢測的判斷。

表1 不同孔位位置采樣A/D值

在LED光強(qiáng)為100%，檢測速度在10個/s，不同采樣條件下，采樣A/D值如表2所示。由表2可知，合格罐與漏罐的采樣值相差較大，能夠?qū)崿F(xiàn)最小0.05 mm光孔檢測。隨著光孔的增大，光電倍增管輸出增大。

表2 不同孔徑下的采樣A/D值

在LED光強(qiáng)為100%，0.05 mm標(biāo)準(zhǔn)測光孔，檢測速度不同條件下，采樣A/D值如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可得，隨檢測速度的提高，采樣A/D值有所下降，但下降幅度不大，能夠滿足系統(tǒng)檢測要求。

表3 不同檢測速率下采樣A/D值

4 結(jié)束語

本文研發(fā)的金屬罐高速漏光在線檢測與控制系統(tǒng)已基本能夠檢測出最小0.002 inch的微孔，最高檢測速度可達(dá)到3 400個/min以上，滿足系統(tǒng)檢測精度、檢測速度的要求。后續(xù)將進(jìn)一步完善準(zhǔn)確率指標(biāo)，同時(shí)構(gòu)建友善的人機(jī)界面和上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)，最終研制一套國產(chǎn)的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的、高靈敏度、高速、高穩(wěn)定性能的在線漏光檢測系統(tǒng)，改變我國在金屬罐檢測設(shè)備依賴進(jìn)口設(shè)備的情況。該高速在線漏光檢測系統(tǒng)的研制成功，也有助于光電檢測技術(shù)在生產(chǎn)中更廣泛應(yīng)用。

Implementation of the High-speed Online Light Leakage Detection and Control for Metal Can Production

For the micro cracks,trachoma and other defects caused in the stamping productive process of metal cans,high speed online detection is conducted by using photoelectric detection technology.Due to the light leakage of the defected can is extremely weak,the light intensity detection and illumination circuit based on high sensitive photomultiplier tubes; and the hardware and software modules for real time can body,working position,bad can excluded,leak-proof,etc.,are designed for implementing high speed continuous online detection for can body.The test results verify that under normal operating condition,the system can be working at up to 1 800 pcs/min,with good effectiveness and performance.

Metal can defect inspection Light leakage detection Embedded system Photomultiplier tube (PMT) Dimming LED

上海市科委重大基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(編號：14JC1402200)。

王海寬(1977-)，男，2011年畢業(yè)于上海大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，講師;主要從事嵌入式儀器儀表及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信研究。

TH7;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601012

修改稿收到日期：2015-05-12。