紅外線技術應用於工具機車削工件之研究
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(2) 摘要 科技愈進步，帶動人類之生活品質越趨向數位化，高科技所開發之產品其淘 汰率也相對提高，在此一狀態下，以從事 CNC 機械五金另件之加工業者來說，如 何提高產能及降低人事之成本為首要之考量，一般而言，只有朝向自動化生產可 大幅降低人員操作不當及其他不可抗拒之因素。使用 CNC 來車銑削工件，其成品 之尺寸通常會使用游標卡尺或測微儀和分里厘卡…等來檢驗，經人的眼睛及憑感 覺做判斷檢測工件之尺寸是否在公差內，此一作法其數據誤差大且耗時，為求得 更精準之數據，可以應用紅外線之觸發式探頭偵測工件尺寸，車銑削過程中啟動 工件量測裝置，量測時測頭與工件表面保持切線接觸，達到特定壓力時，即可觸 發信號，擷取測頭的 X、Y、Z 方向相對基準點的座標，經由紅外線傳遞資料，電 腦計算處理，可得測頭與真實尺寸的關係，進而將資料記錄並補償刀具移動距離 作為後續工程之用。 關鍵字：自動化、紅外線、工件量測.
(3) （紅外線技術應用於工具機車削工件之研究）. 目錄 摘要 ……………………………………………………………… 0 目錄 ……………………………………………………………… І 第一章 簡介……………………………………………………… 1 第二章 無線光波通信…………………………………………… 1 第三章無線光波通訊系統結構…………………………..……….3 第四章 工件量測裝置…………………………………………… 5 第五章 結論 …………………………………………………….. 7 參考文獻……………………………………………………………7. I. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(4) （紅外線技術應用於工具機車削工件之研究）. 第一章 簡介 光感測器是利用光敏元件將光訊號轉換為電訊號的感測器。現在常用光敏元 件的感應波長皆位於可見光波長範圍，也有橫跨到紅外線波長和紫外線波長。光 感測器不只是應用於光的測量，更常用於作為探測元件以組成其它類型的感測 器，對非電量（如溫度等）進行檢測，只要將這些非電量轉換為光訊號的變化， 便可實現對非電量的檢測。 目前典型的光感測器有紅外線感測器、紫外線感測器、光纖感測器、色彩感 測器，及 CCD 圖象感測器等，但具體每種光感測器採用的光敏元件和工作原理都 有一定的差別。 紅外線感測器採用熱電型紅外線光敏元件和量子型紅外線光敏元件來製 作。我們常用來作防盜報警、來客告知和非接觸開關等。紅外線領域的熱釋電紅 外線感測器就是採用熱電型紅外線光敏元件來製作，它採用的基本原理是熱釋電 效應，即當一些晶體受熱時，在晶體的兩端將會產生數量相等的但正負相反的電 荷，產生電極化現象。在熱電型紅外線光敏元件兩端並聯上電阻，當元件受熱時， 電阻上就有電流通過，在電阻的兩端就能得到電壓訊號。 紅外線感測器件內一般有發射器及接收器，發射器不停發出紅外線，接收器 一直處於等候訊號狀態，當被檢物移近紅外線感測器件時，被檢測物把紅外線反 射到接收器上，當接收器內的晶體因受紅外線照射而受熱時，在晶體的兩端將會 產生數量相等的但正負相反的電荷產生電極化現象，在熱電型紅外線光敏元件兩 端並聯上電阻，當元件受熱時，電阻上就會有電流通過，在電阻兩端就能得到電 壓訊號，電壓訊號可用來控制其他設備的開關。. 第二章 無線光波通信 在科學日益進步的今天，不良工作環境人類已漸漸被機械人及無人般運車所 取代，因為畢竟人類無法在惡劣環境中工作，且元件的微小型化已是人類雙手能 力所及，而機械人發展到現在幾乎能做相當複雜工作。工作環境工作形態由早期 的定位、定點改進到定軌。到如今進步到不定方位、不定點工作，固定的有線通 訊就很難滿足控制台與介面之間控制與通訊的需求。因此就產生有無線控制與傳 送資料的需要。目前已發展出來之無線控制與通訊，主要可分為光波、無線電波、 超音波等，其優、缺點陳述如表 1.1。 表 1.1 各種傳播介質優、缺點比率 1. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(5) （紅外線技術應用於工具機車削工件之研究）. 傳播介質. 優點. 缺點. 無線電波. 可繞射. 1.廠內高頻電訊雜波干擾很大可靠 度降低. 超音波. 可繞射. 1.空氣衰減強烈 2.廠內聲波雜訊大 3.聲波濾波裝置設計不易. 紅外線光波 1.無線電波及聲波干 1.直線性 擾可避免 2.需考慮佈置位置 2.調變技術及光電介 3.日光燈太陽白熱燈可干擾 面容易製作 在無線光波通訊與控制中，以 LED 發射之近紅外線 (波長 880nm~950nm)最 常用，如圖 1，此乃因為矽檢知器在 0.8~1.0 微米範圍的電流反應率最高，其中 波長 880nm 的發光效率大於 940nm，而電流反應率 940nm 略大於 880nm，且矽檢 知器元件及材料製作成本低簾，因為製作技術非常成熟之原故。在干擾較大的通 訊中，數據準確率要求很高，必須以調變方式來消除電路上或背景的雜訊，一般 都使用 ASK 、FSK 及 PSK 等技術；它們的特性如表 1-2 所列。該使用何種數位調 變，如何的選擇是依系統性能、成本、頻寬等相關因素而定。. <圖 1>發射光譜. 表 1-2 各種數位調變之比較 2. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(6) （紅外線技術應用於工具機車削工件之研究）. 調變系統. 優點. 缺點. ASK. 1.數據不傳送時無傳送功率 2.發射系統頻率穩定高 3.解調容易 4.做濾波放大時可用放大率最高 的部分. 1.波形容易失真 2.接受時頻寬必需隨接受信 號的準位調整. FSK. 1.頻寬判定較準確. 1.無數據傳送時也需耗功率 2.需較大頻寬. PSK. 1.在相同功率比較下誤碼機率較 小. 1.檢波線路較難設計 2.無數據傳送時也需耗功率. 第三章 無線光波通訊系統結構 目前 95﹪以上的筆記型電腦、PDA 及 HPC 均裝有紅外線傳輸埠，印表機、數 位相機及大哥大電話安裝紅外線比例也提高。在實際設計中，必須注意電腦 (MOSFET)及電路(TTL 元件)之準位匹配，以及考慮 LED 串聯數與消耗功率等因 素。在這裡我們舉二應用實例，一為 56.7KHz 載波信號，另一為 455KHz 載波信 號，皆使用 ASK 方式。 (一)工作原理 1、發射部份 此系統方塊圖如圖 2。做單方向傳送。但只要二套系統，電腦即可完成雙向 傳送。電腦送出之資料乃不規則低 bit 信號，因此須要將信號做載波調變， 才能有效地利用中週放大來提高信號增益及降低雜訊的要求。資料由第一部 電腦透過 RS232 介面傳送，與振盪電路 56.7KHz 或 455KHz 產生混頻，形成載 波信號再經紅外線傳送介面，透過空氣傳送到另一個接收端。 2、接收部份 此系統方塊圖如圖 3。長距離紅外線接收的信號一般都極小，需經放大、濾 波消除雜訊，使信號更完整，再經解碼，然後將資料傳送給另一部電腦 RS232 介 面。 空氣 電腦 RS232 介面 混波電路 紅外線傳送介面. 產生 56.7KHz 或 455KHz 振盪電路. 圖 2 紅外線傳送發射方塊圖 3. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(7) （紅外線技術應用於工具機車削工件之研究）. 空氣 紅外線接收介面. 解碼. 前置放大及 濾波放大電路. 電腦 RS232 介面. 圖 3 紅外線傳送接收方塊圖 (二)振幅移鍵調變之工作原理 對於載波信號與數位數據，數位調變有三個基本形式，有振幅位移鍵 ASK、 頻率位移鍵 FSK 和相位移鍵 PSK。 ASK 是使用高頻載波之數位調變形式，其信號振幅在二或更多準位之間切 換。對應於 PCM 碼，即在二值情形下，通常選擇為開閉鍵，合成振幅調變波形， 有射頻載波時稱為標誌表示二進制的 1，和無載波信號時稱為空白表示二進制的 0，如此組成數位形式。在傳送前先把數位訊息予以編碼，利用量化及編碼方式 來強化其優點。量化在此只有高態及低態兩個步階，故消除誤碼更強。若傳送信 號與載波，兩者產生"AND"作用，可得被調變信號。解碼時只要有載波信號時就 是高態，無載波時就是低態，以一低通電路來執行載波濾除即可。根據 Nyquist 取樣理論 ASK 之頻寬必需雙倍於原始傳送信號之最大頻率，接受時才可將原信號 復原，在設計濾波電路時，必需就此頻寬加入考慮。 (三)雜訊與飽和分析 一般接收到信號的光功率十分微弱，而各類干擾皆相當強。避免雜訊的方法 除了在電路設計的技術上需講究外，亦需先從系統分析來求得優良的設計法則， 期能配合目標須求。 干擾的分類有三：(1)背景雜光飽和現像；(2)信號中夾雜之雜訊；(3)後放 大電路之寄生振盪干擾。前者使光檢知器及前置放大器飽和，降低增益，因而無 法對信號感測。後二者則使信號訊雜比降低，因而影響檢知之距離及可靠性，產 生誤碼，並影響送速率。 (四)56.7KHz 與 455KHz 載波系統在各種工作模式之比較如表 1-3 所示。 表 1-3 各種工作模式之比較 傳送系統 項目. ASK 56.7KHz. ASK 455KHz. 發光功率. 1.4. 1. 透鏡 F/＃. 1. 1. LED 發光角度. 40°. 40°. 最高傳輸速度. 1200. 21000. 不需調整之工作 距離範圍 接收視角. 1.2cm~15cm 6°. 5cm ~10m 3°. 4. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(8) （紅外線技術應用於工具機車削工件之研究）. 第四章 工件量測裝置 (一)基本架構 工件量測裝置主要是由以下之另件組成 項次. 物料名稱. 規格. 1. 量測頭 OMP. LT02S OMP. 2. 量測頭 PROBE. LP2H Probe. 3. 介面系統 MI12 L/F. MI12. 4. 光學式模組 OMM. OMM. 5. OMM Mounting Breaket. OMM 支架. 6. 探針 STYL1 PS3-1C. Dia 6 mm,L 50mm 陶瓷. 7 INSPE S/W LATHBS (二)系統方塊圖如<圖 4>所示，功能說明如下. <圖 4>系統方塊圖 1.在安裝 LTO2S 與 OMM 時，須注意接收與傳送的角度是否在範圍內。 2.LTO2S 乃靠紅外線檢測信號傳送與接收，探針在碰觸到工件後，從 MP-12 上的 指示燈送出信號給 OMM，然後再到控制器。 3.OMM 信號及燈號說明： c當 OMM 發送信號時，LTO2S 若未接收到訊號，則 SKIP(第 14 及 15 腳)恆為 1， 直到 LTO2S 收到才變 0，當碰觸 LP2 PROBE 時，SKIP 訊號變為 1，將補正值 輸入。 d當 OMM 發送信號時，LTO2S 接收到訊號，則 MI-12 控制盒的 ERROR SSR(第 10 及 11 腳)會送出為 1 訊號，反之則為 0 訊號。 e當 LTO2S 電池沒電，則 MI-12 控制盒的 LOW BATT SSR(第 12 及 13 腳)會送出 為 1 訊號，反之則為 0 訊號。 4紅色 LED (當電源投入時燈亮)。 5LED 3 顆 (傳送紅外線信號到探針)。 6綠燈 LED (當訊號從探針接收到時亮)。 7黃色 LED (當 MI-12 傳送一個 START 信號到探針。 8安裝時請維護鏡面的乾淨以確保信號正常傳送接收。 4.MI-12 之內部接線及控制盒燈號說明： c使用一組 OMM 時，OMM 之原裝線接至 M1-12 內部端子台(1~5 腳)。 5. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(9) （紅外線技術應用於工具機車削工件之研究）. dMI-12 電源使用 DC24V 控制(16~17 腳)，由車床執行 M 機能。 e探棒狀態(SKIP)信號：訊號線接 16~17 腳。 4錯誤信號(ERROR SSR)：訊號線接 10~11 腳。 5電池過低信號(LOW BATT SSR)：訊號線接 12~13 腳。 6 LED ERROR：當光學部份的光線被遮蔽，探針超出範圍，探針的 SWITCH OFF 或 OMM 接收到外部干擾信號。 7LED LOW BATTERY 須更換探針電池。 8 LED PROBE STATUS 亮：當探針接觸到工件。 不亮：當探針角度偏差、歪斜或錯誤產生。 9LED POWER 當電源投入時亮。 START BUTTON-SWITCH SW1 手動啟動按鍵。 5.訊號傳遞有效行程示意圖如<圖 5>所示：在 OMM 內部有 DIP SWITCH 選擇開關 可選擇 OMM 之傳送與接收範圍。. <圖 5>訊號傳遞有效行程示意圖. 6. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(10) （紅外線技術應用於工具機車削工件之研究）. 第五章 結論 一般而言，自動化工件量測技術之開發應用，對產業來說是件相當重要之技 術，就目前使用 Renishaw 之工件量測，其重現精度可達 1~2μm，然而客戶之加 工環境、溫度、濕度及其他人為因素也可能使精度無法達 1~2μm，因此一般皆 會以製程精密度 Cp(Capability Precision)來評估，製造產品批之變異與規格 公差間之比，其 Cp 值愈大代表產品批之精密度愈佳，反之 Cp 值愈小代表產品批 之精密度愈差，Cp 值最佳等級屬 A 級，Cp≧1.33。使用無線光波通訊必須考量 工作環境，其通訊方式主要分為光波、無線電波、超音波等，然而以 CNC 機械加 工之環境較惡劣，其通訊方式通常使用紅外線技術，馬達連結球螺桿來移動機 械，相形之下可能會產生訊號干擾，因紅外線光波具有無線電波及聲波干擾可避 免之優點，以至於目前機械方面皆應用紅外線之技術發射與接收。民生用幾年前 聞 SARS 色變也是利用紅外線技術量測人體體溫，國防上飛彈系統、夜視鏡也應 用此技術。紅 外 線 傳 輸 是 利 用 直 線 可 見 光 進 行 ， 每 一 傳 輸 點 之 間 ， 不 可 以 有 外 物 阻 隔 或 其 他 電 子 設 備 干 擾 ， 未 來 若 改 用 IrDA 藉 由 紅 外 線 進 行 傳 輸，有 效 傳 輸 距 離 達 8 公 尺，傳 輸 速 率 達 每 秒 16Mbps，發 射 解 析 度 達 120 度 ， 可 將 它 應 用 在 桌 上 型 電 腦 、 筆 記 型 電 腦 來 做 資 料 傳 遞 ， 可 減 少 信 號 干 擾，使 用 者 只 需 在 電 子 產 品 上，安 裝 紅 外 線 傳 輸 埠 之 後，可 以 直 接 和 另 一 種 電 子 產 品 做 發射與接收動作，不 需 再 用 線 路 或 網 路 卡 連 接 兩 端 裝 置 ， 就 可 輕 鬆 、 高 速 的 傳 輸 資 料 。 IrDA 的發展趨勢，隨著行動電話通訊 的日益普及，各類可攜式產品紛紛出籠，配合著這些多樣化產品 IrDA 的產品有 以下發展趨勢，輕薄短小、低耗電、傳輸速度越來越快。它的應用發展為大哥大 手機、數位相機、手提式掃瞄器、手提式儲存媒體、手提式電腦、、等。 誌謝 本 篇 論 文 感 謝 國 科 會 (NSC-94-2215-E-006-)經 費 的 支 援 得 以 完 成，在 此 特別誌謝。 參考文獻 1. 林 宸 生、陳 德 請 , 近 代 光 電 工 程 導 論 全 華 科 技 圖 書 股 份 有 限 公 司 出 版 ,二 版 2. RENISHAW 技 術 手 冊 3. John Wilson & John Hawkes ,Optoelectronics an introduction ,third edition. 7. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
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