引 言

红外探边仪是集光机电为一体的新颖探边装置，它被广泛应用于纺织、轻工和化工工业中。它通常安装在定形机、拉幅机和包装设备的进口处。在各种花色布料的印染中,对布的染色、烘干、整形等多道工序,都存在一个将布平铺在流水线上传送, 当进布处织物布边位置不断随机变化时，红外探边装置能够调整针板链轨的位置，从而保证布边正确地纳入针板，使加工织物布边的上针宽度保持一致，并在终端将其整齐地卷成布卷的过程。布在被传送的过程中,传送的方向不能发生偏离,以免造成布卷卷边不整齐,影响后续工序的加工质量。为了做到这一点,布在传送过程中,通过红外发光二极管检测布边相对位置的偏离情况,及时通过电机及传动装置予以调整到最佳位置。目前各厂家采用的探边仪多数为红外光电式,安装在布边的正上方,通过两组红外光发射与接收管来检测布的反射。若接收管接收被布反射回的红外光信号与预定义的不相同,说明布已偏离。若能检测出偏离的程度,并根据偏离程度的大小以发送脉冲量给电机进行调整,就可以更好的提高布卷的质量。

1 红外光电探边仪设计原理

红外光电探边仪由探测头、信号发射和处理电路、电机控制及驱动电路、执行电机及相应的机械减速装置和齿轮以及齿条等组成。探测头由两组红外对光组成，它将探测到的织物边缘信号送至单片机信号处理电路，经处理后以脉冲的形式送至电机控制及驱动电路，执行电机根据其控制信号带动机械减速装置和齿轮以及齿条对织物边缘位移进行调整。

图1红外探边仪原理图

2 硬件设计

为了适应现代工业测控系统越来越高的要求，单片机的复杂程度和性能都大幅度提高。单片机集成度的提高，使得过去通常需要扩展外部器件电路才能实现的功能，大都已集成于单片机的内部。MCU采用新华龙公司代理的C8051F020八位微控制器。以CIP51微处理器为内核的C8051F020单片机是高集成度的混合信号系统芯片，它符合IEEE1149.1标准，支持JTAG接口进行片内的调试和边界扫描，便于在线调试和运行程序。它独有的海量FLASH程序存储器和数据存储器，可在线地多次重复编程，使程序和数据的存储更加方便。与标准8051相比，它丰富的1/O接口、大量的特殊功能寄存器使编程的工作更加轻松。所有这些资源非常适合于把红外光的检测、控制、显示集中在一个嵌入式系统中，运行可靠、稳定、快速、维护方便，经济上节省。因此不仅简化了硬件和相应软件的设计和调试工作，缩短了开发周期，更重要的是使系统的稳定性和抗干扰性显著提高

基于C8051F020的红外光电探边仪系统的硬件设计如电路结构图2所示。硬件部分主要由红外光发射和接收模块、伺服电机控制模块、LED显示模块、人机交互模块四部分组成。

   图2  电路结构图

2.1  红外发射与接收模块

如图3所示，阴影部分代表流水线上所传送的布，M1-M4为红外发射二极管，L1-L10为安装在布上面的红外接收二极管，其外径为1.5mm。M3、M4中任一红外光发射二极管所发射的80 kHz 的已调制红外光信号经布反射后,都能被L6-L10红外接收二极管检测到,并以信号形式输入至单片机接口。如果M1、M2 所发射的红外光信号未经布的反射, L1-L5红外接收二极管接收不到信号。这种情况表示布边在接收管的中部,属最佳状态,不需要调整布的相对位置。如果布在向前传送的过程中向右发生了偏移,M3 发射的部分红外光信号未能经过布的反射,而是直接发射到距布1 m 多的地面上, L6 接收不到反射信号;而M4所发射的信号,经布反射L7-L10能够检测到信号,说明布向右偏离的距离较小,通过单片机发射少量脉冲驱动电机正转。如果L6-L8都未能检测到发射信号，说明布向右偏离已达3mm 左右,应发射较多脉冲驱动电机进行校正。如果L6-L10都没能检测到发射的信号，说明布向右偏离的程度较大,单片机应发射更多脉冲进行校正。同样布向左发生偏移时, M1、M2发射信号,由L1-L5接收检测并判断布偏离的程度,单片机根据偏离的程度发射脉冲驱动电机反转来予以校正。

定时器T0寄存器的初值设置为0XF4，可使P34引脚输出80KHZ的方波作为M1-M4所发射红外光的调制信号。布在被传送的过程中发生偏移时，即L1-L10信号接收灯的有效状态发生变化时，主程序则通过P03引脚发送相应的脉波控制电机进行校正；通过P02引脚控制电机左右调整。

图3 红外发射与接收原理图

    为了避免发射到地面的红外光信号发射后引起对接收信号的干扰，在设计时，红外发射和接收二极管分别直插在两块对称电路板上面，然后封装在一个安装盒里面。流水线上被检测的布并非纯平面，布对发射光的反射主要是一个散射的过程，所以接收灯能够良好的检测到。

2.2 伺服电机控制模块

前几代红外探边仪的执行电机都采用直流电机或步进电机，而此设计采用台达公司的ASD-A系列交流伺服电机，使探边仪的跟踪速度和精度等方面都得到了很大的提高。因为ASD-A是台达公司的一系列定位精确、响应迅速、性能/价格比高的伺服电机，该系列台达ASD系列以PM型AC伺服马达为主力，控制回路采用高速数字信号处理器(DSP)，可以高速、高精度地完成各种复杂控制的运算；再加上把现代控制理论的一些成果应用于交流伺服驱动系统。采用强健性控制技术，使得伺服马达的低速特性更佳，增益自动调整，指令平滑功能的设计，软件分析与监控，使得ASD系列交流伺服真正做到高性能，高响应，高精度，高可靠。

ASD-A系列伺服电机提供了5组输出和8组输入与上位控制器相互自由沟通，这样控制起来相当灵活，工作稳定可靠。在本设计中，伺服驱动器采用Pt操作模式，驱动器接受位置命令，控制电机至目标位置，位置命令由端子台输入，信号型态为脉波。根据本设计需要，在预设DI/DO信号线选择了SRDY、SON、ALARM、ALR、ARST、CCLR、TPOS跟MCU进行连接，如电路结构图2所示，即P20—P26为伺服电机与MCU之间的握手信号，能满足此设计要求。

2.3   LED显示模块

本设计所做成的两块对称PCB板封装在一个盒子里面，在外露的调节面板上显示手动/自动调节状态灯选择和故障灯状态，以及十个红外接收管的状态， 便于手动调节。

2.4 人机交互模块

当布偏移距离较大时，操纵人员根据接收状态灯的显示可以选择手动调整偏移的布。在程序运行时， P06引脚为低电平，进行手动调节。当P04引脚低电平时，则P02引脚为低电平，即控制伺服电机正转；当P05为低电平时，则P02引脚为高电平，即控制伺服电机反转。这样大大方便了操作。

3        软件设计

该程序主要功能是，单片机I/O口输出80KHZ的方波作为发射灯管所发射红外光的调制信号，单片机再采集十路接收管信号以进行判别布在被传送的过程中是否发生了偏移，根据相关的状态发送脉冲给伺服电机进行调整，在数据采集过程中，主程序还可以进行手动/自动调节选择，使操纵起来更加简单、方便。

系统软件用Ｃ语言编写，开发工具使用KEIL。系统软件主要完成红外二极管的发射与接收、手动与自动调节选择、外部事件中断控制以及数字控制算法实现等功能。软件总体框图如图4所示：

图4  程序主流程图

4、结束语

     前几代探边装置反应速度慢、精度差及故障率高，本文所设计的红外光电探边仪系统采用伺服电机作为执行电机，经实际运行操纵，该系统能良好完成所有预期功能，且跟踪速度快、定位精度高，产品具有工作可靠、适用范围广、寿命长、维护简单、操纵简单方便，还可以进行手动和自动调节选择等一系列优点。该产品已投入到湖南唯罗克纺织印染有限公司运行。

本文创新点：1、跟前几代探边装置相比，定位精度得到了提高（能达到0.75mm）。2、采用伺服电机作为执行电机，加快了对布跟踪的响应速度，而且定位精确。3、在布偏移距离较大的情况下，可以选择手动调节，方便了操作。

参考文献

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