断路器 - SENSATA

吹风机能够消耗高达 1875W 的功率，产生温度高达 140°F 的热气流，这也是人类头皮通常可以承受而不会导致烫伤的最高温度。这是大量的电能，会产生大量的热量。热保护开关的核心由一块尺寸约为 5 × 10 毫米的双金属圆片构成，如果内部温度超过安全水平，热保护开关就会切断电路。

Sensata Technologies 为许多产品制造双金属圆片和热保护开关，包括咖啡机和电动机。双金属圆片遇热时，两层金属会以不同的速率膨胀。最终，圆片会弯曲到足以破坏与附近电极之间物理连接的程度，从而切断电路的电源。设备充分冷却后，圆片会恢复到原始形状，电路可以通电。

此前 Sensata 一直使用油浴或带有热成像系统的加热炉来加热圆片并测量“突跳”水平，即圆片相对快速且剧烈运动时的温度。然而，环境问题和不断上涨的石油成本使得油浴作为加热/测试介质的优势有所降低。此外，为了热成像能够进行精确测量，还必须对高反射双金属圆片进行涂覆。

为了缓解这些问题，Sensata 请机器视觉专家 TCPM 开发了一套系统，使用传统可见光传感器、专用烘箱以及运行 Visual Basic 前端和 MVTec 软件 HALCON 图像处理算法的通用 PC，每小时可测试最多 1024 块双金属圆片，同时精度和速度都优于之前的测试方法。

快速切断电源

双金属圆片的制作方式是将两块不同的金属薄板粘合在一起，然后冲压出圆片。每块圆片都焊接到一个“弹头”上，“弹头”代表热保护开关中的一个电极。将圆片和嵌条封装到热保护开关外壳中后，双金属圆片会靠在另一个电极（或称“触点”）上。随着环境温度升高，双金属圆片开始伸展，其中一层金属会比另一层伸展的速度更快。随着温度升高，双金属圆片开始向一侧弯曲。这种移动称为“蠕变”。

当圆片达到由圆片的金属层成分、尺寸和形状确定的特定温度时，圆片会“突跳”，产生相对快速且剧烈的弯曲，导致圆片远离“触点”，从而断开电路。温度降低后，圆片收缩，恢复到原始尺寸和形状，接触触点，接通电路（图 1）。

Sensata 希望 TCPM 设计一套视觉系统，可以检测“突跳”运动，记录每块金属圆片突跳时的温度水平，并记录该值以便用于质量保证测试。Sensata 和 TCPM 的出发点是测试系统不应需要额外的制造步骤，例如去除油浴残留的油，或是为了热成像而涂覆非反射涂层。

“我们还需要相对精确地测量突跳温度，”Sensata 的工程师 Ben Slatius 解释道。“双金属圆片是速度很快的传感设备。如果慢慢提高温度，可以得到非常准确的值。但是，生产线当然需要快速得出结果。所以，我们最终要在精度和速度之间作出权衡。我们确定，为了实现 0.3°C 的温度测量精度，需要的温度循环时间是大约一小时。”

让蠕变符合标准

为了在一小时的测试周期内实现足够的吞吐量，Sensata 临时将 32 根条带分组为 1024 块双金属圆片组成的阵列（图 2）。然后将阵列装入 TCPM 开发的专用烘箱中，以便容纳和加热阵列。

烘箱采用金属外壳，顶部和其中两个侧面是玻璃板，另外两个侧面开放，让加热后的空气可以在推动下通过外壳。使用高频率、高输出的荧光灯，透过外壳的玻璃壁板，从各个侧面照亮阵列，减少阴影。最初，TCPM 使用了红色 LED，并在相机上放置红色滤光片以提高对比度，但烘箱顶部的压板透过的光线不足以形成良好的图像。烘箱底板上装有一个金属网，将双金属圆片阵列固定在适当的位置。

烘箱上方是相机外壳。带有千兆以太网输出的 1600 × 1200 像素 ProSilica CCD 相机安装在外壳顶部（图 3）。TCPM 使用标准光学器件和较长的间隔距离来减少双金属圆片的光学失真，同时降低成本。

“必须让相机处于腔室内相对较高的位置，才能获得准确的视野，”来自 TCPM 的 Slatius 强调道。“如果距离太近，边缘处的圆片图像就会失真。我们使用的是标准的 35 毫米 C 口镜头。我们选择了 ProSilica GigE 相机，因为我们希望在 PC 上进行所有处理，所以需要较高的带宽。此外，并非所有 PC 都有 FireWire 端口。”

加热

将阵列装入烘箱之后，操作员通过操作员界面和用 Microsoft Visual Basic (VB) 编写的监控程序启动系统，监控程序在装有 Windows XP 的普通台式 PC 上运行。VB shell 程序通过以太网 I/O 向 Beckhoff EtherCAT BK1120 可扩展总线耦合器发送信号。BK1120 充当控制所有非成像外围设备的开关，包括位于烘箱下方的加热器、推动热空气通过测试烘箱的风扇、两个 HF/HO 荧光灯和六个 Pt100 铂电阻温度计（图 4）。

“这些温度计提供来自烘箱不同部位的温度读数，以便提高精度，并为连接到 EtherCAT 总线的独立安全电路供电，确保温度不超过 200°C 的最大值，”Slatius 解释道。

“双金属圆片突跳后，温度值也会通过 Beckhoff 总线耦合器发送到 PC 以便记录。”在烘箱内温度逐渐升高的过程中，ProSilica 相机以 5 帧/秒的速度捕捉图像。“这款相机的运行速度最高可达 15 帧/秒，但只用到 5 帧/秒，有可能 2 帧/秒就可以，”Slatius 解释道。

每张图像都通过 Cat 5 电缆传输到 PC，由 HALCON 算法接管，先对图像进行滤波处理，然后定位双金属圆片。“我们先对图像进行滤波处理，去除安全窗口内的噪声和反射。有时也会有来自基底金属条带的反射，而知道金属圆片之间的距离有助于我们过滤掉这些反射，集中关注金属圆片，”Slatius 继续讲解道。

“滤波处理完成后，我们使用 Blob 算法来确定每块双金属圆片的位置，逐帧跟踪每块圆片的移动。百分比变化超过某个值时，就认为突跳已经发生。然后，系统记录来自最近的 PRT 传感器的温度值，加上金属圆片在测试阵列中的编号位置。系统将这些值记录在一个文本文件中，该文件可以导入到 Excel 电子表格中，以便生产人员进行最终审查。

我们还会观察每个批次的平均突跳温度，将其作为一种跟踪双金属圆片冲压和焊接过程中变化的方法。客户可以通过跟踪 Sigma 值，跟踪生产线的工具磨损和质量水平，”Slatius 介绍道。

据 Slatius 介绍，这套系统的未来改进包括在确定开关温度时使用烘箱的热模型，以便提高结果的精确度，从而缩短周期时间、加快反馈并提高产量。

作者：Winn Hardin

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