1 Аналитический обзор
1.1 Анализ объекта измерения
1.2 Анализ теневого метода измерения
1.3 Анализ фотоприёмника
1.4 Методы обработки сигнала с фотоприёмника
1.4.1 Метод обработки с использованием компаратора
1.4.2 Метод обработки с использованием АЦП
1.4.3 Комбинированный метод
1.5 Способы передачи данных на персональный компьютер
1.5.1 Интерфейс RS-485
1.5.2 Интерфейс USB
1.5.3 Интерфейс Ethernet
1.5.4 Интерфейс Wi-Fi
1.6 Выбор излучателя
1.6.1 Управление облучателями
1.8 Выбор устройства управления
1.8.1 Программируемые логические интегральные схемы
1.8.2 Дискретная логика
1.8.3 Микроконтроллеры
2 Обоснование сруктурной схемы
2.1 Устройство управления
2.2 Организация управления фотоприёмной линейкой
2.3 Обработка выходного сигнала с фотоприёмной линейки
2.3.1 Вычисление оптической мощности
2.3.2 Вычисление координаты, диаметра и эллиптичности филамента,
2.4 Выбор облучателей и управление ими
2.5 Алгоритм автоподстройки яркости светодиодов
2.6 Интерфейсы передачи данных на ПК
2.7 Формирование тактового сигнала 0М
2.8 Алгоритм работы структурной схемы
3 Расчёт принципиальной схемы
3.1 Проектирование блока с фотоприёмной линейкой
Обоснование схемы включения фотоприёмной линейки 38
3.1.2 Расчёт работы компаратора 39
3.2 Проектирование блока с микроконтроллером 43
3.2.1 Обоснование схемы преобразователя питания 43
3.2.2 Проектирование ГТИ 44
3.2.3 Согласование логических уровней и формирование импульса SH 46
3.2.4 Схема включения микроконтроллера AT91SAM7S64 47
3.2.5 Реализация интерфейса RS-485 48
3.2.6 Формирование счётных импульсов 48
4 Результаты экспериментальных исследований 50
4.1 Исследование полутени, возникающей из-за отсутствия диафрагмы 50
4.2 Исследование влияния прозрачности филамента на выходной сигнал МФПЛ 55
4.3 Исследование управляющих сигналов 60
Заключение 61
Список использованных источников 62
Приложение А 64
На сегодняшний день SD-печать становиться всё более популярным способом получения изделий. Существуют различные технологии 3И-печати, однако самое широкое распространение на сегодняшний день получила технология моделирования методом послойного направления. Эта технология заключается в изготовлении изделий при помощи аддитивного нанесения слоёв расплавленного материала, которые соответствует контурам цифровой модели этого изделия. В качестве материала выступает филамент - термопласт, произведённый в виде прутка круглого сечения с диаметром 1,75 мм либо 3 мм [1]. Одно из предъявляемых требований - удержание заданного диаметра на протяжении всей нити в рамках 5% погрешности [1]. Для его выполнения средствами измерения толщины производится мониторинг диаметра филамента в процессе его производства.
В настоящее время существуют готовые микрометры, обладающие хорошей точностью. Однако в случае применения их для вышеописанной задачи они имеют ряд общих недостатков.
Первый недостаток заключается в сложности, а зачастую невозможности интегрирования непосредственно с линией производства, что приводит к необходимости присутствия оператора, следящего за показаниями прибора, а применение систем автоматического регулирования оказывается невозможным. То есть, фактически, весь функционал существующих измерительных систем подобного рода сводиться к оповещению о нарушении производственного процесса персонала, который и должен вручную произвести корректировку. Невозможность автоматизации приводит к более дорогому производству изделия за счёт расходов на содержание персонала.
Ещё один существенный недостаток существующих приборов - невозможность контроля эллиптичности филамента одним оптическим датчиком. Для измерения толщины нити в двух координатных осях необходимо использовать два полноценных датчика, что приводит к удорожанию измерительной системы в два раза.
В дополнение стоит отметить и ненужную универсальность существующих микрометров, особенно оптических. Их производители предусмотрели возможность измерения не только диаметра или положения, но и величины зазора, внешнего или внутреннего размера, положения нескольких объектов и т. п., что не требуется для решения поставленной задачи. Поэтому, разрабатывая устройство конкретно для измерения диаметра филамента, появляется возможность сделать устройство проще аналогичных - в нём не будет избыточного функционала. Излишняя универсальность плоха не только с технической, но и с финансовой точки зрения: приобретая готовый микрометр, покупатель заплатит за функции прибора, пользоваться которыми он априори не будет.
а) независимое управление двумя измерительными оптическими каналами;
б) обработку информации о диаметре и эллиптичности филамента, поступающей с фотоприёмников;
в) вывод обработанной информации на персональный компьютер;
г) возможность последующего вложения в узел функции авторегуляции диаметра филамента, на основе обработанной информации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
а) провести обзор по теме с описанием предлагаемого принципа измерения диаметра нити;
б) разработать схему структурную устройства и определить требования к её основным компонентам;
в) разработать и рассчитать схему электрическую принципиальную устройства;
г) разработать конструкцию устройства (печатный узел);
д) получить результаты экспериментальных исследований разработанного устройства.
Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и двух приложений. В первом разделе проведен обзор теневого метода измерения и его оптимизация. Также рассмотрены возможные способы передачи информации на ПК, методы обработки сигнала МФПЛ и её управления. Второй раздел посвящен разработке структурной схемы. В нём рассмотрен алгоритм работы устройства, обоснованы требования ко всем основным сигналам и питающим напряжениям в нём. В третьем разделе произведён расчёт принципиальной схемы устройства, которая обеспечивает требование, предъявленные к устройству при разработке его структурной схемы. В четвёртом разделе представлены результаты экспериментов, подтверждающих возможность применения теневого метода измерения и правильность некоторых технических решений. В приложениях приведены дополнительные материалы к последнему разделу.
Практическую значимость представляет разработанный в ходе выполнения работы узел подключения многоэлементных фотоприёмных линеек с возможностью доработки его до полноценного устройства контроля производства филамента.
Научную ценность могут представлять результаты экспериментальных исследований макета датчика при работе с пластиковыми нитями, имеющими различные оптические свойства.
В ходе выполнения работы проведён обзор по теме «Узел подключения многоэлементный фотоприёмных линеек (МФПЛ)». Теневой метод был оптимизирован под решение поставленной задачи - измерение диаметра и координаты пластикового прутка с помощью фотоприёмной линейки. Была изучена спецификация на МФПЛ TCD1304DG, на основе которой были рассмотрены различные схемотехнические решения, отвечающие за управление данной фотоприёмной линейкой - с помощью микроконтроллера, ПЛИС и дискретной логики; отвечающие за обработку её выходного сигнала - с помощью АЦП и компаратора. Также произведён анализ методов передачи информации с МФПЛ на персональный компьютер (ПК) посредством различных интерфейсов - RS-485, USB, Ethernet и Wi-Fi.
На основании проделанного обзора была разработана схема электрическая структурная узла подключения МФПЛ. Разработаны методы управления фотоприёмной линейкой с помощью микроконтроллера AT91SAM7S64 и обработки выходного сигнала с неё. Предложен способ управления яркостью светодиодов, проработан алгоритм авторегуляции оптической мощности, излучаемой ими, на основе обработки сигнала с МФПЛ. В ходе разработки структурной схемы также были выведены формулы для расчёта диаметра и координаты контролируемого объекта. Обоснованы и определены требования ко всем сигналам в схеме.
После составления структурной схемы и определения требований к её основным компонентам была рассчитана схема электрическая принципиальная. В ходе разработки принципиальной схемы изучены схемы включения МФПЛ TCD1304DG и микроконтроллера AT91SAM7S64. Получены знания о расчёте гистерезиса для компаратора. Также построены схема укорочения импульса и схема генератора на основе T-триггеров. Было уделено внимание согласованию логических уровней микроконтроллера и МФПЛ, а также реализованы интерфейсы обмена данными RS-485 для передачи показаний устройства на ПК и JTAG для прошивки микроконтроллера.
На основании составленной принципиальной схемы был разработан сборочный чертёж печатного узла с МФПЛ.
Также были систематизированы экспериментальные результаты исследований собранного макета устройства, которые подтверждают правильность выбранных технических решений.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
