一種位移－光電式在線檢測裝置設(shè)計(jì)

左章華

（廣東省南海化工總廠有限公司，廣東 佛山528200）

0 引言

導(dǎo)爆索是一種民爆產(chǎn)品，纏繞型導(dǎo)爆索生產(chǎn)過程中，制索機(jī)用塑料扁絲、牛皮紙條將藥粉包裹纏繞，制成導(dǎo)爆索半成品。導(dǎo)爆索藥芯是其重要的質(zhì)量控制指標(biāo)之一，如果索芯斷細(xì)藥不僅影響產(chǎn)品的使用性能（如爆轟，爆速等），且與使用的安全性關(guān)系重大。實(shí)際生產(chǎn)中，通過間接控制檢測索芯的直徑來掌握藥芯藥量的多少。

1 檢測裝置設(shè)計(jì)原理

導(dǎo)爆索索徑檢測技術(shù)的原理來源于導(dǎo)火索檢測，根據(jù)相類似的索類產(chǎn)品導(dǎo)火索檢測技術(shù)，按檢測裝置與檢測對象之間是否直接接觸分類，檢測方法可分為接觸式與非接觸式［1－4］。

本檢測裝置為位移－光電式檢測，根據(jù)光電效應(yīng)原理展開設(shè)計(jì)，探頭直接接觸并感應(yīng)探測導(dǎo)爆索的外徑變化，間接反應(yīng)出導(dǎo)爆索斷細(xì)藥，包覆物是否完整無損。探頭把感受到的外徑變化量（主要是外徑變細(xì)情況下的變化量），通過檢測裝置感應(yīng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成照射光路的通斷信號。當(dāng)照射光路中的光敏原件受照射時(shí)，光敏原件電阻降低，連接光敏原件電路接通，這樣就可以制成一個(gè)控制電路，實(shí)現(xiàn)制索機(jī)自動停機(jī)控制，防止不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生。

2 檢測裝置感應(yīng)機(jī)構(gòu)的組成特點(diǎn)

檢測裝置感應(yīng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測裝置感應(yīng)機(jī)構(gòu)

2．1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作過程

正常檢測時(shí)，導(dǎo)爆索卡在扶正滾輪與測量滾輪之間，導(dǎo)爆索被制索機(jī)的牽引輪不斷拉制出來，并帶動扶正滾輪及測量滾輪轉(zhuǎn)動。靜連桿與扶正滾輪通過銷軸及滾動軸承連接，靜連桿尾端通過固定螺母固定在支座上。測量滾輪、活動連桿、彈簧、發(fā)光二極管燈、光敏電阻、定位彈簧、定位珠和調(diào)整旋鈕共同裝配在測量機(jī)構(gòu)固定套上，構(gòu)成主體測量感應(yīng)傳動部套。測量機(jī)構(gòu)固定套也是安裝在支座上，這樣才能最終保證2個(gè)滾輪位置的定位。

彈簧為壓彈簧，始終作用于活動連桿，保證測量滾輪始終壓在待測的導(dǎo)爆索上。

發(fā)光二極管燈為光源，與光敏電阻處于同一圓柱通道內(nèi)，該通道即為光路通道，二者相對，光敏電阻隨時(shí)接受發(fā)光二極管的觸發(fā)作用。活動連桿與調(diào)整旋鈕的調(diào)整心桿也處于一個(gè)圓柱通孔內(nèi)，兩相比較，光路通道直徑要比圓柱通孔小些。正常制索過程中，活動連桿尾端端面與調(diào)整旋鈕的調(diào)整心桿端面密合，形成密封面，該密封面正處于光路通道中間，遮擋住光路通道，使光亮無法照射到光敏電阻上。當(dāng)2個(gè)滾輪間導(dǎo)爆索變細(xì)時(shí)，活動連桿在彈簧的作用下前移，這時(shí)活動連桿與調(diào)整旋鈕的調(diào)整心桿密封面出現(xiàn)間隙，發(fā)光二極管發(fā)出的光將觸發(fā)光敏電阻。

調(diào)整旋鈕與調(diào)整心桿實(shí)際上加工為一體。調(diào)整旋鈕的內(nèi)側(cè)加工有一圈定位凹坑，與定位彈簧及定位鋼珠相配合。實(shí)際上加工了25個(gè)凹坑，由于調(diào)整心桿的螺紋螺距為0．50 mm，所以每次旋轉(zhuǎn)調(diào)整旋鈕，調(diào)整一個(gè)定位凹坑位置，就會得到調(diào)整心桿軸向0．02 mm的進(jìn)退調(diào)整量。

很重要的一點(diǎn)，接觸式的檢測元件都是在一定機(jī)械力作用下卡住制索的。這種可控的微調(diào)量適用于導(dǎo)爆索的初始設(shè)置，保證機(jī)械力的控制，得到理想的控制狀態(tài)。正式生產(chǎn)前，標(biāo)準(zhǔn)直徑的導(dǎo)爆索卡在扶持滾輪與測量滾輪之間，旋轉(zhuǎn)調(diào)整旋鈕，調(diào)整到光路通道透光觸發(fā)控制電路后，調(diào)整量旋進(jìn)0．10 mm，即得到基本的初始工作設(shè)置。

2．2 探頭設(shè)計(jì)

2．2．1 探頭的選擇

圖2 a為前期設(shè)計(jì)使用的探頭結(jié)構(gòu)形狀，一端為靜探桿，另一端為動探桿，動靜探桿端部均為直徑4 mm圓弧的一部分并修為圓滑刃口，正好卡住4 mm的導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索與探頭間為滑動摩擦。這種探頭也可以實(shí)際使用，但問題是這種探頭接觸部位容易造成包裹纏繞導(dǎo)爆索的編織覆蓋物磨損，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 b為新設(shè)計(jì)的一種探頭，該探頭在整個(gè)檢測裝置感應(yīng)機(jī)構(gòu)中的裝配位置如圖1所示，為一組滾動輪，動靜滾動輪均開有一段直徑4 mm圓弧槽，導(dǎo)爆索卡在圓弧槽中，導(dǎo)爆索與探頭間的接觸關(guān)系為滾動摩擦。動靜連桿均加工有U形口，滾動輪裝在U形口中，通過軸承及銷軸與動靜連桿連接。

圖2 探頭形狀

2．2．2 測量滾動輪參數(shù)設(shè)計(jì)［5－6］

測量滾動輪設(shè)計(jì)上不但是圓弧槽，而且還將圓弧槽上加工為類似蝸輪形狀的凸弧齒，凸弧齒圓弧形齒頂外形直徑為4 mm，也就是剛剛好卡住標(biāo)準(zhǔn)4 mm的導(dǎo)爆索。

將圓弧槽上加工為凸弧齒主要基于索徑變大的情況下，齒狀結(jié)構(gòu)可以弱化這一不利因素對正常制索的影響。由于導(dǎo)爆索是柔性索類產(chǎn)品，當(dāng)采用蝸輪狀凸弧齒，齒間間隙所產(chǎn)生的空間將容納索徑變大量，避免導(dǎo)爆索在探頭這里阻滯拉斷。

純圓弧槽與凸弧齒圓弧槽在測量標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)爆索時(shí)，有一點(diǎn)很明顯的變化就是會產(chǎn)生一個(gè)很小的串動。對于凸弧齒圓弧槽，當(dāng)導(dǎo)爆索從一條齒向另一條齒過渡時(shí)，由于齒間與導(dǎo)爆索的接觸面是不連續(xù)的，檢測探頭將要產(chǎn)生一定的串量，串動值和齒間距有關(guān)。齒間距越大串動值越大。

在整個(gè)檢測裝置設(shè)計(jì)中，有一個(gè)重要的參數(shù)要事先確定，即探頭的串量不能大于0．10 mm。當(dāng)探頭的串量大于0．10 mm時(shí)，檢測滾輪的活動連桿與調(diào)整連桿之間密封面也將出現(xiàn)0．10 mm的間隙，光通路透光強(qiáng)度達(dá)到感應(yīng)觸發(fā)光敏電阻，造成控制停機(jī)。這個(gè)極限串量是根據(jù)實(shí)際檢測數(shù)據(jù)得到的。

所以，為保證齒間距離不至影響串動量過大，設(shè)計(jì)的探頭允許串量為極限值0．10 mm的20%，即允許串量為0．02 mm，并以此來確定齒間距離。

如圖3所示，根據(jù)實(shí)際情況確定凸弧齒的齒頂圓直徑為14 mm，齒高為1 mm，檢測滾輪直徑為17 mm（扶正滾輪直徑為17 mm），檢測滾輪與扶正滾輪之間距離在卡測標(biāo)準(zhǔn)索徑時(shí)為1 mm。

在以上條件下，當(dāng)齒間距離產(chǎn)生的串量為0．02 mm時(shí)，實(shí)際上是兩道凸弧齒之間截取的直徑為14 mm齒頂圓的弦高。這時(shí)凈齒間距離為1．06 mm。以此為基準(zhǔn)，考慮齒頂厚度為0．30～0．40 mm，可將齒頂圓等分30份，得到30條凸弧齒。

圖3 測量滾動輪凸弧齒參數(shù)

改進(jìn)后的檢測探頭不但克服了前期設(shè)計(jì)探頭的大部分缺陷，還能夠更加準(zhǔn)確敏感檢測到藥芯的直徑變化，避免包裹纏繞物折疊、錯(cuò)位的偶然影響。能夠更好感應(yīng)到藥芯的密實(shí)程度，基本排除藥芯、塑料扁絲和牛皮紙條偶然不均勻?qū)z測的影響，作為接觸式感應(yīng)機(jī)構(gòu)及時(shí)穩(wěn)定準(zhǔn)確反映索徑的變化。

3 檢測裝置控制機(jī)構(gòu)

光電控制器的電源電路如圖4所示。采用220 V交流電供電，經(jīng)變壓器變壓后，采用晶體管整流穩(wěn)壓后得出12 V和2．2 V的2種總電壓。光電控制器控制電路如圖5所示。

圖4 光電控制器穩(wěn)壓電源原理

圖5 光電控制器控制電路

輸入通過光敏電阻D的阻值變化，控制晶體管BG1發(fā)射極對地的阻值變化，本級采用射級輸出時(shí)，為了增加輸入阻抗，從而保證光敏電阻在照度極小的情況下可靠工作，把D設(shè)計(jì)和安裝在BG1的基極上，當(dāng)無光射入時(shí)BG1截止，D幾乎無電流通過。第2射極觸發(fā)器由BG2，BG3組成，其作用相當(dāng)于一個(gè)電子開關(guān)，在第1級輸入電壓作用下接通、斷開，當(dāng)索徑正常時(shí)（令其綠燈亮），BG1截止，電子開關(guān)BG2截止，BG3導(dǎo)通，在射極電阻上只有BG3的射極電流通過，BG2基極電位低于發(fā)射極電位VE，但當(dāng)BG2基極電位稍高于射極電位VE時(shí)，即D受光，BG1射極電阻8 kΩ上稍有電流（約2～5 μA）流過，電子開關(guān)觸動工作，當(dāng)D無光照時(shí)又恢復(fù)原狀。最后一級是功率放大，其作用是把前級輸入的通斷信號經(jīng)過功率放大后帶動繼電器動作，切斷電動機(jī)220 V電源，停機(jī)。

4 結(jié)束語

對導(dǎo)爆索檢測裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，作為接觸式感應(yīng)方式，整個(gè)檢測裝置具有測量簡單可靠、連續(xù)測量、反映速度快和控制快等特點(diǎn)。導(dǎo)爆索與測量滾輪理論上無相對運(yùn)動，消除了滑動摩擦生熱這一隱患，測量中保證了系統(tǒng)工作狀態(tài)的安全性。由于采用測量滾動輪，卡測索徑將更為準(zhǔn)確。從結(jié)構(gòu)上來看，光電效應(yīng)的原理應(yīng)用也有一定的啟示，是解決類似問題的良好思路。

在生產(chǎn)現(xiàn)場導(dǎo)爆索檢測裝置還存在以下問題：一是測量滾動輪參數(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化；二是對藥芯偏粗、藥量偏大的情況，還要進(jìn)一步改進(jìn)加藥機(jī)構(gòu)；三是還需對防爆控制箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，并需相關(guān)檢測部門進(jìn)行合格檢測；四是作為爆炸環(huán)境應(yīng)用，還需要相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)的評估鑒定，才能正式投運(yùn)應(yīng)用。

［1］ 雷麗文，繆均達(dá)．工業(yè)導(dǎo)火索斷細(xì)藥疵病的在線檢測［J］．爆破器材，1996，25（2）：1－3．

［2］ 李光亞，王明泉，鄭景義．基于超聲的鉛皮導(dǎo)爆索斷細(xì)藥檢測方法研究［J］．兵工學(xué)報(bào)，2013，34（8）：1037－1040．

［3］ 胡慕耕，丁洪奎．淺談DYJ－1型導(dǎo)火索藥芯監(jiān)控裝置在生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．爆破器材，1993，22（5）：33－34．

［4］ 姜文喜．工業(yè)導(dǎo)火索藥芯直徑與在線檢測［J］．爆破器材，1998，27（5）：21－23．

［5］ 聞邦椿．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］．5版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［6］ 機(jī)械工程手冊電機(jī)工程手冊編輯委員會．機(jī)械工程師手冊［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990．