基本信息
- 项目名称：
- 硅片成膜生产线上皮带速度的光电检测系统开发
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 根据某公司的生产线上传输带的打滑、卡紧等传输带与电机输出轴出现运动不一致的现象，致使光电编码器的检测方式失去效用，本文开发出一种用于生产线的非接触式皮带速度的光电检测系统。该系统采用OM02光电检测芯片组，配合单片机与Labview图像显示软件，从而实时监测皮带的运行过程。经实验对比，该系统能满足厂家提出的精度与速度范围的要求，并可有效解决生产线上所需的问题。
- 详细介绍：
- 检测器件介绍 针对现有测速方法的不足，我们提出采用非接触式光电传感器进行检测。该OM02检测器件是一款光学CMOS传感器，主要应用于个人计算机上的光电鼠标上。它集成有数字信号处理器（DSP）、双通道正交输出端口等。在芯片底部有一个感光眼，能够不断的对物体进行拍照，并将前后两次图像送入DSP中进行处理，得到移动的方向和距离。DSP产生的位移值，转换成双通道正交信号，配合相应芯片控制器，将双通道正交信号转结成单片机能够处理的PS/2数据格式。设备安装在一套塑料的光学透镜设备上，并一个配备有一个高强度的LED。此外，他可提供高达400点/英寸的分辨率以及16英寸/秒以内的速度检测。 OM02芯片为CMOS型传感器，因此必须配备有与之相适应的高强度发光二极管，发射角度与底板夹角30°～45°范围内。在标准安装配合后，底板距离工作表面的有效距离在0mm～2mm内，OM02芯片可进行正常的数据接收检测。 检测系统设计 机械传动系统作为机器的重要组成部分,不仅应能实现预期功能,而且应具有良好性能。为此,本实验采用三相交流异步电机（Y2-63M1-4型，0.12KW）、，40:1蜗轮蜗杆减速器、同步带减速、带传输装置、轴承座等作为模拟工业设备的主要的传动及执行部分。 试验系统采用变频器输出恒频率，控制电机带动传送带转动，采用光电传感器、光电编码器、手持式测速表三种测量工具进行横向比较。光电传感器数据通过RS232传送到PC上位机，光电编码器数据通过LCD液晶屏显示，手持式测速表由自带的屏幕显示。 非接触式光电传感器鼠标芯片组采用OM02芯片作为检测芯片，结合使用Elan EM84510F芯片作为控制芯片。其硬件设计图如下所示。在整个检测系统中，芯片组所检测到的位移数据传送给AT89S51单片机，转换成速度数据后，再通过MAX232串口发送给PC上位机显示。 其控制芯片与单片机的数据通信方式采用PS/2通信协议。PS/2传感器的物理接口为6脚圆形接口，使用中只需1引脚Data、3引脚GND、4引脚+5VPower和5引脚Clock这4个引脚即可。 控制芯片组履行一种双向同步串行通信协议，在时钟信号的作用下串行发送或者接受数据。通常情况下，单片机在总线上具有总线控制优先权，可在任何时候抑制来自于芯片组的通信。从芯片组到单片机的数据在时钟的下降沿被读取，相反，单片机到芯片组的数据在时钟的上升沿被读取。时钟信号总由芯片组提供，时钟频率一般在10~20KHz。 通过单片机的串口发送，在LabVIEW中编写程序来完成PC 机控制数据通信设备进行数据交换，并通过串口接收外部数据并进行图形显示，当速度值超过预设值时，实施报警。 Labview中主要是使用VISA控件实现串行口直接数据通信，而单片机通过RS-232串行接口和Labview实现数据的通信。使用read string控件对数据进行接收，并通过Waveform graph控件来显示实时波形。本labview程序克服数据不能连续不断接收的缺点，实现了不间断的接收单片机发送的串口数据包。因串口接收到的数据是字符型的，而我们所需要的是整型，因可通过强制转换将数据转换为单精度整型。创建数组将数据和数组初始化相结合得到一个完整的数组，通过Waveform graph控件以及移位寄存器即可实现上位机的实时显示与记录。 用户在该界面中进行速度预设值的设置，当实际检测速度出现超出预设定值时，系统将给予报警。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 在硅片生产现场，硅片随着带一起运动，经过三个硅膜喷射器喷射后，要在其表面形成一层厚度须被严格控制的SiO2膜或BPSG膜。因此，传输带须匀速运动。可是现实中，如果带在运动过程中出现速度突然变化，那么淀基在硅片表面的膜厚将会出现变化，从而导致硅片面的均一性受到影响。以BPSG膜种为例，当传输带速度设定值为5.0英寸/分钟，如果运动过程中带速度突然发生变化，硅片将因膜厚面内均一性超标而导致瞬间废弃。因此，传输带的速度检测非常重要。 目前得知公司该设备速的速度检测器件均安装在电机输出端，即检测电机主动轴处速度是否正常。当带与反应腔侧壁，或者其他位置发生摩擦，且摩擦力大于主动轴摩擦力的时候，就会发生主动轴转动正常，传输带运动滞后或者停止运动等不良情况。此时检测设备并没有任何故障警报提示。 根据现场工程师的设计要求，提出使用新型检测方式.当设备出现打滑现象，且速度超出预期速度设定范围时，设备应能进行报警，以便维修人员能够及时维修。 主要技术指标：低速、高精度、非接触式
科学性、先进性
- 1)适用对象为低速运动，该系统在低速运动的情况下检测具有非常好的线性拟合程度。 2)在低速运动下具有较高的检测精度； 3)非接触式检测方式，可直接得出检测对象的速度； 4)互换性高，对传输带表面质量要求低；光栅尺等先进光学检测器件对表面要求质量非常高，且对现场环境要求较高，不适宜普通工况使用。采用被系统的方案，就算在相对粗糙的表面以及相对恶劣的工况下也能较准确的测量数据。 5)价格低廉，易于更换；相比同等精度的速度检测期间，本系统成本较低，在一般市面上均可购买相关器件。改装设备也非常简单 6)便捷的实时速度显示。传统显示屏为设备上自带的液晶屏，其缺点是无法事后分析速度变化以及需要亲自到现场观看屏幕。本系统改用电脑上直接显示，以便设备工程师能进行事后分析。
获奖情况及鉴定结果
- 1、获校“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛特等奖 2、获校创新设计大赛暨第二届专业竞赛特等奖 3、实验论文《光电鼠标传感器的精密测量及控制系统》被《单片机与嵌入式系统应用》期刊收录，2009.2 4、获“挑战杯”省大学生课外学术科技作品竞赛二等奖
作品所处阶段
- 实验室测试阶段 半生产测试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、图片、录像等
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用OM02光电检测芯片组作为传输带运动的检测方式，其价格低廉、准确性高而且使用方便，配合相应的单片机控制方式以及Labview软件的图形显示，可以很好的对速度要求较低、要求精度较高的设备进行改装，使其符合速度检测要求。又因为非接触式光电传感器技术已趋于成熟，一般分辨率的情况下对检测表面的要求不高，在比较恶劣的工况下仍可保证运行无障碍。近些年所推出的激光芯片组精度达到0.01毫米，使用其作为检测器件，效果甚佳。
同类课题研究水平概述
- 在速度检测领域内，有利用CCD摄像头等对运动物体进行拍照从而处理数据，也有利用激光进行高精度距离测量等。 使用该类型的光电芯片组作为检测器件，国内的研究大多在其使用原理上进行研究，在应用上较少。近年来，国内有学者提出这种检测方式应用于非接触式的运动物体上是可行的，个别学者也尝试将其应用到检测电机转轴测试等简易试验中。不过，在直接的线速度检测以及得出相应的测试结果，目前相关的文献及应用还是较少。
