趙德正，趙 兵，黃學鵬

雷管卡口激光編碼系統(tǒng)設計

趙德正1，趙 兵2，黃學鵬1

（1湖北警官學院信息技術系，湖北武漢430034；2武漢大華激光科技有限公司，湖北武漢430074）

原有雷管生產(chǎn)中卡口工序和激光編碼工序分離，存在卡口設備自動化程度低、效率不高、有較大生產(chǎn)安全隱患等問題。描述雷管卡口工作過程，分析卡口過程中完成激光編碼的可能性；其次介紹雷管卡口、雷管激光編碼合并工序所需的機械系統(tǒng)設計，包括控制柜的設計要求和卡頭的結(jié)構(gòu)及其加工處理工藝要求；最后闡述控制硬件實現(xiàn)、控制過程的狀態(tài)描述以及軟件的實現(xiàn)方法。

雷管；卡口；激光編碼；一體機

雷管生產(chǎn)過程中，雷管卡口和激光編碼是兩個必要工序。其中雷管卡口是影響雷管生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性的關鍵工序。原有的雷管卡口工序不僅效率低下，而且存在較大安全隱患。雷管卡口設備采用手工操作，通過踩踏腳踏開關來啟動卡口，整個雷管生產(chǎn)過程中由于卡口環(huán)節(jié)的效率不高而嚴重影響了生產(chǎn)效率。通過踩踏腳踏開關觸發(fā)雷管卡口的過程中，操作員先插入基礎雷管，安裝引爆元件，然后踩踏開關觸發(fā)卡口動作，任何一個動作出現(xiàn)差錯均會帶來不可預料的安全后果。雷管激光編碼通常是雷管生產(chǎn)的最后一道工序，獨立于卡口工序。雷管激光編碼工序分別設計為單發(fā)雷管編碼工序和流水線雷管編碼工序兩種類型。激光編碼工序中采用具有防爆保護功能的雷管激光編碼系統(tǒng)，生產(chǎn)安全性和編碼效率均有較大提高。具有防爆保護功能的雷管激光編碼設備的原理及實現(xiàn)方法已有相關論述［1－3］。

重新設計雷管卡口與激光編碼設備，集成激光編碼工序到卡口工序中，實現(xiàn)雷管自動卡口和激光編碼同時完成，可以減少一道雷管生產(chǎn)工序，能夠在保證卡口質(zhì)量的情況下有效避免誤操作，有利于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，壓降事故發(fā)生率，提升雷管生產(chǎn)安全性。氣動元件驅(qū)動機械卡口所用時間大于單發(fā)雷管激光編碼所需時間，重新設計機械卡頭的結(jié)構(gòu)，在機械卡頭上開設激光編碼窗口，啟動卡口動作的同時也啟動激光編碼，可以在雷管卡口的時間段內(nèi)完成激光編碼。為區(qū)別于原有的獨立激光編碼設備，把卡口和激光編碼工序集成的設備命名為“卡口編碼一體機”，簡稱“一體機”。

1 卡口執(zhí)行機構(gòu)設計

卡口機械部分采用人機隔離設計［4］，需要考慮影響卡痕的各種因素［5－7］。改變原有卡頭結(jié)構(gòu)，在卡頭和滑套上開設編碼窗口，精確控制卡口和激光編碼的啟動時間，可以同時完成雷管卡口和激光編碼。

雷管卡口編碼一體機的卡頭——特別是花瓣部分設計——是雷管卡口編碼一體機機械設計部分的關鍵。卡頭設計必須保證雷管的卡口效果，這就要求機械卡頭受應力變形均勻。卡頭淬火熱處理工藝必須達到內(nèi)外應力均衡的要求，開設激光編碼窗口不會改變應力分布，影響卡口效果。其次，在不影響卡口效果的基礎上，卡頭部分所開設的編碼窗口要能夠滿足激光編碼的需要。經(jīng)過反復試驗、不斷改進后，具有三道印痕效果的卡頭外形如圖1所示。

卡頭采用65＃錳鋼材料加工，加工時表面不允許有劃痕損傷等缺陷?？^部分外形加工完成后，按照HRC52－58的表面硬度進行淬火熱處理。熱處理后，卡頭外花瓣采用鋸片刀切割，花瓣外部槽縫寬度為1.5mm；內(nèi)花瓣用線切割方式切割，內(nèi)部槽縫寬度要求為0.62±0.02mm。

圖1 卡頭外形示意圖

卡頭及其配件加工完成后，進行卡頭整體裝配。圖2為雷管卡口編碼一體機卡頭各部件整體裝配示意圖。

圖2 一體機卡頭裝配示意圖

圖2中，標注1－4的部件為雷管到位檢測裝置。光反射式傳感器1引出線，感應塊連接桿4通過彈簧與雷管底座2相連接，把雷管到位信號傳送到感應塊4，光反射式傳感器1通過感應塊的位置來判斷雷管是否到位，并把雷管到位信號傳送到控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過檢測雷管到位信號啟動雷管卡口動作和雷管激光編碼動作。

松開該雷管長度調(diào)節(jié)緊固螺栓5后，調(diào)節(jié)傳感器檢測裝置和雷管底座的位置，管徑相近、長度不同的雷管可以在同一臺設備中完成卡口編碼工序。氣缸活塞的水平方向運動通過卡口執(zhí)行滑套與氣動連桿的連接柱10轉(zhuǎn)變成垂直方向的卡口執(zhí)行滑套運動，使卡頭花瓣部分向內(nèi)形變，達到卡口的目的。

在實際運行中發(fā)現(xiàn)，卡口滑套的設計和處理也非常重要，卡頭花瓣動作的受力源依靠滑套傳遞，卡口執(zhí)行滑套的硬度要和卡口花瓣的硬度相適應，同時滑套運動過程中不能有靜電產(chǎn)生。

2 控制系統(tǒng)設計

機械部分加工裝配完成后，由控制系統(tǒng)完成雷管卡口、激光編碼功能。具有防爆保護功能的雷管專用激光編碼機是卡口編碼一體機的激光編碼設備。為了提高系統(tǒng)運行的可靠性，雷管卡口激光編碼一體機控制部分采用獨立于激光編碼系統(tǒng)的方式進行設計，卡口控制系統(tǒng)向激光編碼系統(tǒng)輸出開始編碼的觸發(fā)信號，激光編碼系統(tǒng)在編碼完成后向卡口系統(tǒng)輸出編碼完成信號。觸發(fā)信號和編碼完成信號均為開關量信號。

雷管卡口編碼一體機需要處理的輸入量包括雷管到位信號、卡口完成信號、激光編碼完成信號以及功能選擇開關信號等。為了提高卡口的精確性，卡口執(zhí)行元件選用雙氣路控制氣缸，卡口控制系統(tǒng)輸出兩路數(shù)字信號進行控制。當檢測到卡口到位信號而未檢測到激光編碼完成信號時，同時停止卡口和復位氣源，氣缸活塞處于停止狀態(tài)，保證卡口質(zhì)量。在啟動卡口的同時輸出啟動激光編碼的數(shù)字信號?？刂葡到y(tǒng)以PSoC系列芯片CY8C27443芯片為核心設計。關于CY8C27443芯片的主要功能介紹見文獻［8－9］。

2.1 硬件設計

雷管卡口控制系統(tǒng)以CY8C27443芯片為核心完成卡口控制。雷管到位信號、卡口完成信號的檢測采用集電極開路輸出的光反射式傳感器完成。傳感器輸出信號和編碼完成信號經(jīng)過光電隔離和防抖動處理后作為控制芯片的輸入。卡口控制輸出信號通過通用三極管2N3904驅(qū)動線圈電壓為5V的繼電器，通過氣缸電磁閥控制氣源。圖3為雷管卡口控制電路原理圖。

圖3中U1為CY8C27443主控制芯片，U2光電耦合器件TLP281－4。光電傳感器檢測到的雷管到位信號、卡口完成信號以及由激光編碼機輸出的編碼完成信號分別通過限流電阻R7、R8、R9后接入光電耦合器件U2，U2的輸出端分別經(jīng)過由上拉電阻R2、R3、R5和電容C1、C2、C3組成的RC防抖濾波電路后連接控制芯片CY8C27443的P00、P01、P02端口。功能選擇開關信號KeyCapping（卡口）、KeyMarking（編碼）直接經(jīng)由電阻R1、R4和電容C4、C5組成的RC防抖濾波電路后連接控制芯片CY8C27443的P21、P22端口。P00、P01、P02、P21、P22端口通過專用開發(fā)軟件PSoCDesigner配置為數(shù)字輸入工作方式?？刂菩酒珻Y8C27443的復位端子通過R6接地，電源端通過電源去耦電容C6接地。

圖3 控制電路原理圖

控制芯片CY8C27443的P04、P05端口設置為強數(shù)字輸出（Strong），作為雙氣路氣缸電磁閥的控制端口。P04、P05通過驅(qū)動兩個型號為2N3904的通用三極管T1、T2控制輸出繼電器RL1、RL2，繼電器RL1、RL2直接控制氣缸電磁閥。圖中D1、D2為繼電器RL1、RL2的線圈反向?qū)ǘO管，D3、D4為兩個電磁閥的線圈反向?qū)ǘO管；R10、LED1為電磁閥1的工作指示，R11、LED2為電磁閥2的通電指示。插座JWout1、JWout2直接連接氣缸電磁閥控制線圈。P20為編碼開始信號（Start－Marking），配置為強輸出，直接連接到激光編碼系統(tǒng)作為編碼開始觸發(fā)信號。

圖3中，控制芯片P1端口的低7位P10－P16設置為字符型LCD顯示器接口，作為程序調(diào)試接口使用。

2.2 片內(nèi)硬件配置

完成硬件裝配后，在開發(fā)軟件PSoCDesigner的器件編輯器（Device Edit）中配置輸入輸出端口。P00、P01、P02、P21、P22配置為數(shù)字輸入（High Z）模式，P04、P05、P20配置為強數(shù)字輸出（Strong）模式。均采用CPU直接控制方式（StdCPU），直接由CPU進行讀寫控制。所有端口均不產(chǎn)生中斷信號，因此中斷源設置為無效（Disable Int）。

P03設置為模擬輸入（High Z Analog）端口，利用CY8C27443的片上模擬模塊進行模擬信號處理，用來監(jiān)測環(huán)境溫度。系統(tǒng)所具有的溫度保護功能，其溫度測量采用半導體溫度傳感器AD590感應環(huán)境溫度，通過精密電阻取樣后接入P03端口，通過片內(nèi)的模擬模塊設計的小信號儀器放大器放大，二階低通濾波器數(shù)字濾波后連接11位的Δ－Σ型AD模塊后實現(xiàn)溫度測量。不使用的其他端口作為備用，設置成缺省方式即可。

在PSoC Designer的器件編輯器中放置所需的數(shù)字模塊和模擬模塊，系統(tǒng)所需的4個相互獨立的硬件定時器，由數(shù)字模塊中的4個8位定時器實現(xiàn)。

DBB00、DBB01、DCB02、DBB10設置為4個數(shù)字模塊，均設置為8位定時器TIMER8。4個定時器模塊的時鐘源均設置為頻率32kHz的系統(tǒng)時鐘CPU＿32k，計時常數(shù)均設置為31，根據(jù)軟件控制需要啟動計時后，每隔1ms產(chǎn)生一次硬件中斷，達到精確計時的功能。通過精確計時達到精確控制卡口時間的目的，定時分辨率為1ms。

完成上述設置后即可點擊開發(fā)軟件PSoC Designer的產(chǎn)生配置文件（Generate Configuration Files）按鈕或在創(chuàng)建（Build）菜單下單擊該選項，開發(fā)系統(tǒng)根據(jù)器件編輯器中硬件的放置和編輯結(jié)果產(chǎn)生對應的匯編語言／c語言的硬件配置代碼和接口函數(shù)，控制軟件只需要調(diào)用硬件配置接口函數(shù)即可完成相應的硬件功能。

2.3 控制過程

系統(tǒng)設計為具有卡口編碼、僅卡口、僅編碼三種工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)在線狀態(tài)轉(zhuǎn)換。狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過讀取連接到控制芯片P21、P22端口的功能選擇開關信號改變。設狀態(tài)字Status＝D1D0，D0＝P21，D1＝P22，令狀態(tài)字Status＝00b為既卡口又編碼狀態(tài)，Status＝01b為僅卡口狀態(tài)，Status＝10b為僅激光編碼狀態(tài)，Status＝11b為保留狀態(tài)。

控制程序?qū)崿F(xiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

上電復位時，既卡口又編碼狀態(tài)作為初始狀態(tài)。復位完成后，系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關的位置即狀態(tài)字的內(nèi)容轉(zhuǎn)到相應狀態(tài)。正常工作過程中，系統(tǒng)在完成一個完整動作之后檢測狀態(tài)字，根據(jù)狀態(tài)字的值在三種狀態(tài)之間進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

圖4中，既卡口又編碼狀態(tài)的完整動作為：監(jiān)測雷管到位信號P02，檢測到雷管到位信號后，輸出開啟電磁閥1的控制信號P04、關閉電磁閥2的控制信號P05，啟動卡口動作，輸出啟動編碼開始的控制信號P20，設置超時時間，啟動定時器；監(jiān)測編碼完成信號P01和卡口結(jié)束信號P00，兩個信號同時滿足時退出等待循環(huán)；關閉電磁閥1控制信號P04、開啟電磁閥2控制信號P05，復位卡口機械，一次卡口編碼流程結(jié)束。延遲退出雷管所需的時間后進入下一個循環(huán)。這是一個正常工作的完整流程。在啟動卡口編碼的同時，需要啟動一個定時器工作，若在設定的超時時間內(nèi)不能同時監(jiān)測到卡口完成信號P00和編碼結(jié)束信號P01，則強制復位卡口機械，結(jié)束該工序流程，輸出設備故障信號。

僅卡口狀態(tài)執(zhí)行的動作無需啟動編碼和監(jiān)測編碼結(jié)束信號。僅編碼狀態(tài)執(zhí)行監(jiān)測到雷管到位信號啟動激光編碼開始信號P20，然后等待編碼結(jié)束信號P01有效即可完成本次激光編碼。

系統(tǒng)控制程序采用c語言編寫。根據(jù)圖4所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，完成系統(tǒng)控制程序設計。

程序編寫和調(diào)試過程中，還需要處理如雷管到位信號的抖動處理、看門狗電路觸發(fā)、硬件定時中斷服務程序等細節(jié)?？刂瞥绦蜻B同硬件配置文件一起編譯構(gòu)建目標文件后，根據(jù)芯片編程協(xié)議，以在線或離線編程的方式把所構(gòu)建的目標文件寫入控制芯片內(nèi)部Flash存儲器中，完成系統(tǒng)的控制軟件開發(fā)。

3 結(jié)束語

卡口和激光編碼集于一體的雷管卡口激光編碼系統(tǒng)，經(jīng)過不同雷管生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)檢驗，運行良好。該設備已經(jīng)通過相關部門組織的成果鑒定，認為該設備操作人員個體防護可靠有效；雷管卡口編碼一體機編碼清晰，卡口可靠，自動化程度高；采用自動感應和單片機控制技術，減少了誤卡現(xiàn)象；設備運行故障率低，雷管卡口、激光編碼、防爆保護效果良好。

卡口和激光編碼工序合并后的這一道新工序還需要人工參與操作才能完成，還沒有實現(xiàn)完全的自動化。雷管卡口激光編碼工序的完善還需要不斷的技術創(chuàng)新和工藝改進、不斷的探索實踐，對這一道新工序的研究和進一步完善還有較大的改進空間。

［1］ 趙德正.雷管激光編碼中的防爆保護系統(tǒng)［J］.火工品，2006（3）：46－49.

［2］ 趙德正.具有防爆保護功能的雷管激光編碼系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.武漢大學學報（工學版），2007，40（4）：109－112.

［3］ 趙德正，王德民.基于PCI接口的激光控制系統(tǒng)研究［J］.武漢大學學報（工學版），2005，38（6）：138－141.

［4］ 吳善澤.工業(yè)電雷管卡口裝配工位人機隔離方案研究［J］.機械研究與應用，2015（2）：136－138.

［5］ 嚴龍，李紅軍，王東風，等.氣缸位置分布對管殼體卡痕的影響［J］.機械研究與應用，2013（5）：83－85.

［6］ 張東平，秦衛(wèi)東，吳平召，等.一種新的導爆管雷管裝配自動化生產(chǎn)工藝技術［J］.江西科學，2013（5）：669－670.

［7］ 李強.電雷管卡口設備的自動化剖析［J］.企業(yè)技術開發(fā)，2016（11）：97－98.

［8］ 趙德正.基于PSoC技術的嵌入式系統(tǒng)設計［J］.湖北工業(yè)大學學報，2006，21（3）：132－134.

［9］ 趙德正，黃學鵬.基于PSoC的電流檢測系統(tǒng)［J］.武漢大學學報（工學版），2006，39（3）：124－127.

System Design of Detonator Crimping and Laser Marking

ZHAO Dezheng1，ZHAO Bing2，HUANG Xuepeng1
（1 Department of Information Technology，Hubei Univ.of Police，Wuhan 430034，China；2 China Lasers（Wuhan）Company Limited，Wuhan 430074，China）

The processes of detonator crimping and laser marking are separated during the detonator producing.The old detonator crimping equipment still exists some problems，such as low automation，inefficiency and production safety hazard etc.The procedure of detonator crimping is described，and analyzes that laser marking on detonator during crimping may be completed.Secondly，the machinery design of combining the detonator crimping and laser marking is described.The design requirement of control cabinet，the structure and the heat treatment requirement of crimping mechanical head are specially expounded.Thirdly，the details of control system for integrated machine are also described，including implementation of hardware，the state transitions of the procedure and the implementation method of software.

detonator；crimping；laser marking；integrated machine

TP39

A

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0015－04

2017－05－02

公安部應用創(chuàng)新項目（2016YYCXHBST024）；湖北省“十三五”省屬高校優(yōu)勢特色學科群省級立項建設項目“公安學”（鄂學位［2015］5號）；湖北省高校人文社科重點研究基地社會治安治理研究中心項目（2014－28）

趙德正（1970－），男，云南宣威人，湖北警官學院副教授，研究方向為計算機控制系統(tǒng)

黃學鵬（1978－），男，湖北漢川人，湖北警官學院講師，研究方向為計算機網(wǎng)絡