（机械电子工程专业论文）气动无线远程故障快速定位系统的研究.pdf

硕士论文气动无线远程故圈 摘要 洲i i l li i i ii i i ii i i i i i l liii y 1919 2 7 6 随着气动技术的发展和应用，气动执行系统的集成化、自动化程度也不断提高， 气动生产线的构成也越来越复杂。大型生产线上气动元件数量众多、管路布线繁杂， 涉及的气动控制、执行和辅助元件往往成百上千，若其中个别元件发生故障，要在短 时间内确定故障元件的位置及故障原因是非常困难的，因而也无法短时间内进行修复 以恢复生产，从而造成整个生产线停顿而产生巨大经济损失。为解决此问题，本文综 合利用气动、无线数据传输、电子传感等技术，研制了磁芯式工位检测换向阀以及经 济、实用性强的气动无线远程故障检测与诊断系统，该系统能实时监控各气动元件的 运行状态，并对故障进行检测与诊断，在界面上提供可读性强的提示信息或警报。通 过集成试验，基本实现了预期研究目标。 论文完成的主要研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 为了解决当前电磁换向阀使用中其工作状态不能实时检测的问题，研制了采 用磁芯产生磁性信号并配合磁性感应元件指示当前阀芯位置的磁芯式工位检测型电磁 换向阀。将该产品应用于自动化气动系统中，能够方便、准确地实时反馈气动换向阀 的正常或异常工作状态，从而实现对电磁换向阀的状态监测，为气动系统整体的状态 检测和故障诊断提供了关键的元件和技术手段，此新型阀已申报国家发明专利( 气动 液压内磁式位置检测滑阀，申报号：2 0 1 0 1 0 1 4 6 2 9 3 6 ) 。 ( 2 ) 提出了气动系统无线远程故障快速诊断和定位的系统体系结构。设计了用于 气动控制和执行元件状态采集无线收发单元、远程主控单元。该系统既实现气动元件 的远程控制，又能实现气动系统各元件状态监测与故障诊断，经济、简便、高效、准 确。 ( 3 ) 开发实现了一个气动系统无线远程故障快速诊断和定位的试验系统。这其中， 设计了气动真空搬运的机械、电气控制回路，综合地利用气缸行程状态检测技术、新 型磁芯式工位检测换向阀的状态检测技术，实现了系统中气动元件的工作状态检测； 所研制的远程故障检测与诊断的软件，可以对整个气动系统进行实时的状态监控，其 界面友好，信息直观。试验表明，所研发的新型磁芯式工位检测换向阀能够准确地反 馈其阀芯的位置状态，试验系统能快速准确地检测、控制各执行元件的工作状态并在 元件发生故障时快速报警且对具体故障元件进行定位，这为气动系统的故障快速定位 提供了简便可行的新途径。 关键字：气动系统，故障定位，故障检测，无线通信 摘要 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp n e u m a t i ct e c h n o l o g y , t h ea u t o m a t i o na n dc o m p l e x i t y o fap n e u m a t i cs y s t e mi sg r e a t l yi n c r e a s e d i ns o m eo c c a s i o n so fl a r g es c a l ep r o d u c t i o n s y s t e m ，t h e r e c o u l db eh u n d r e d so fp n e u m a t i cc o m p o n e n t s t h e r e f o r e ，w h e ns o m e c o m p o n e n t s b r e a kd o w ni ti sd i f f i c u l t t o d i a g n o s e t h e p o s i t i o n o ft h eb r e a k d o w n c o m p o n e n t sa n dt h ec a u s eo ft h ef a u l ti ns h o r tt i m e c o n s e q u e n t l y , t h er e p a r a t i o nc o u l d n o tb ec a r r i e do u ta n dt h i so f t e nc a u s e sg r e a te c o n o m i cl o s s t os o l v et h i sp r o b l e m ，an e w p r o t o t y p eo fo b s e r v a b l e v a l v ea sw e l la sap n e u m a t i cw i r e l e s sf d d ( f a u l t d e t e c t i o na n d d i a g n o s i s ) s y s t e mi si m p l e m e n t e d w i t ht h eu s eo ft e c h n o l o g i e so fp n e u m a t i c s ，w i r e l e s s d a t at r a n s f e r r i n g ，e l e c t r o n i cs e n s i n g ，a l lc o m p o n e n t s s t a t u sc o u l db eo b s e r v e di nr e a lt i m e b yt h i ss y s t e ma n df a u l t so fp n e u m a t i cc o m p o n e n t s w o u l db ed e t e c t e da n ds h o w nv i s u a l l y t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ea c t u a lw o r k i n gp o s i t i o no f d i r e c t i o n a lv a l v e sc o u l dn o t b eo b s e r v e d ，al l e wp r o t o t y p eo fo b s e r v a b l e v a l v ei sp r e s e n t e d ，t h r o u g hw h i c ht h ea c t u a l p o s i t i o no ft h ev a l v ec o r ei sd e t e c t e dw i t ht h eh e l po ft h em a g n e t i cc o r ea n dt h em a g n e t s e n s o lw i t ht h i sp r o d u c t , t h ew o r k i n gs i t u a t i o no fd i r e c t i o n a lv a l v e si np n e u m a t i cs y s t e m s c o u l db eo b s e r v e de a s i l y t h i sp r o d u c tp r o v i d e sa n e wc o m p o n e n t w e l l 嬲n e wm e t h o dt o o b s e r v eo rd i a g n o s ep n e u m a t i cs y s t e m s t h i sn e wp r o d u c th a sb e e na p p l i e df o rn a t i o n a l i n v e n t i o np a t e n t ( a p p l i c a t i o ns e r i a l ：2 0 1 0 1 0 1 4 6 2 9 3 6 ) ( 2 ) t h ea r c h i t e c t u r eo fat y p i c a lp n e u m a t i cw i r e l e s sf d ds y s t e mi s i n t r o d u c e d a w i r e l e s st r a n s c e i v e ro fs t a t u sa c q u i s i t i o na n dar e m o t em o n i t o r i n gu n i t h a v e b e e n i m p l e m e n t e d t h ef d ds y s t e m ，w h i c hi sc o n v e n i e n t , e c o n o m i c a la n de f f i c i e n t , c o u l db e u s e d 硒r e m o t ec o n t r o l l i n g 笛w e l la si n s t a n tf d do ns e v e r a l k i n d so fp n e u m a t i c c o m p o n e n t s ( 3 ) a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fp n e u m a t i cw i r e l e s sf d ds y s t e m h a sb e e nd e v e l o p e d i n t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，am e c h a n i c a ls u b s y s t e ma n de l e c t r i cc o n t r o l l i n gc i r c u i t so fa p n e u m a t i cv a c u h ! t it r a n s p o r t i n gs y s t e mh a v eb e e ni m p l e m e n t e d w i t hp n e u m a t i cc y l i n d e r s t a t u sd e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n dt h en e wp r o t o t y p eo fo b s e r v a b l ev a l v e ，t h ew o r k i n gs t a t u s o ft h ec o m p o n e n t si np n e u m a t i ce x e c u t i v es y s t e mc o u l db em o n i t o r e dc o n v e n i e n t l y a s a n o t h e rp a r to ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h er e m o t ef d ds o f t w a r e ，w i t hu s e r - f r i e n d l y i 】1 t e r f k e sa n dv i s u a ls c r e e n , c o u l dw o r k 邪r e a l - t i m em o n i t o r i n ga sw e l l a sm o v e m e n t i i i a b s t r a c t 硕士论文 c o n t r o l l i n g i tp r o v i d e sa n e wf e a s i b l ea p p r o a c hf o rf a s tf d di np n e u m a t i cf i e l d k e yw o r d s - p n e u m a t i cs y s t e m ，f a u l td e t e c t i n g ，f a u l tl o c a t i n g ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i v 硕士论文气动无线远程故障快速定位技术的研究 1 绪论 1 1 气动技术的发展 气动技术以具有无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、 抗电磁干扰、抗辐射等特点，已经日益成为当前自动化生产系统中的主要执行系统之 一甚至是某些特殊场合的首选执行系统方案。而近几年，随着工业的电子化和自动化 技术的发展，气动技术与电子电气技术的结合，使得气动产业呈现更加良好的发展势 头，气动技术的应用发展越来越快，应用越来越广，目前可以见到气动自动化技术在 各个领域的广泛应用，如气动机器人、汽车制造领域、气动非接触真空吸取搬运、气 动肌肉、柔顺性康复器械等等，在工业自动化领域中处于越来越重要的地位【l 捌。 同时，随着气动技术的发展和应用，气动自动化系统的集成化、自动化程度也不 断提高，气动自动化生产线的组成也越来越庞大、复杂。作为一种机电结合的复杂系 统，难免在使用中出现大大小小的故障，比如执行器动作不到位、换向阀的阀芯卡死 等等。由于大型生产线上气动元件数量多、控制回路布线繁杂，涉及的如换向阀、流 量与压力控制阀等气动控制、执行和辅助元件往往成百上千，当个别元件发生故障后， 要迅速确定故障元件的位置和原因是非常困难的，更无法短时间内做出修复措施以恢 复生产，而如果要迅速定位故障起因常常要先暂停整条生产线，从而造成整个生产线 停顿而产生巨大经济损失【4 】。因此，在气动系统中实现故障元件快速定位技术，是能 。满足工业实际需求、提高生产率的非常有研究价值的课题，具有非常重要的意义和广 阔的市场前景。而市场上仍然没有可在工业现场应用的气动元件的故障快速定位技术 产品。正是基于这样的现实，本论文希望通过理论与试验，研制一种能覆盖于整个气 动自动化系统各元件的故障快速定位系统，以期能实现实时地采集各元件的工作状态， 从而实现对气动系统现场的监控以及对元件的故障快速定位。这对于满足工业界的现 实需求、提高气动技术的应用价值、提高生产率具有重要的科学意义和应用前景。 1 2 气动系统故障诊断的研究现状 故障检测与诊断( f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s f d d ) ，是对工程系统所有的故障 模式进行分类和识别或根据现有的知识和一定的推理机制推断出其故障所在【5 1 。 从文献可知，国际的领先气动产品公司( 如日本s m c 、德国f e s t o ) 及国内的气 动产品生产企业，目前都仍然没有可在生产现场中应用的针对气动元件的故障快速定 l 绪论 硕士论文 位技术产品。但在这方面的研究，一直是国内外科研领域内的重点热点话题。 1 2 1 单个气动元件的故障诊断 传统的诊断气动元件故障的方法主要是依靠实践经验，借助简单的仪器仪表来对 故障进行分析，进而判别出故障的原因及部位【6 ，。经验法虽然简单且方便，但过多地 依赖于维修人员的经验，往往需要生产线停工进行故障检测，实时性差，会带来很大 的经济损失，所以已经不能满足现代自动化气动系统快速、低成本的要求。 另外一个常用的气动系统故障诊断方法为逻辑诊断法，它是指从故障的表象出发， 按照一定的逻辑与对应气动元件的规律来分析故障【8 】。采用逻辑诊断法，可以使诊断 的工作能有条不紊地按正确的思路进行，且不需要其它用于测量的仪器仪表和传感器 设备等等，诊断的效率与准度相比经验法有很大提高。图1 1 是针对“阀控气缸不动 作”这一故障的逻辑诊断推理图。但这种方法依然比较繁琐，对特殊的故障的诊断时 需要大量的假设与验证，效率仍然不够高，均不适合气动流水生产线。 “ 阎控气缸不动作 延萝k 唾学圃 匿垂毫至磁茎蛊鬟罂羹蒿字) 墨哑 否 电磁阀出口 压力是否不足? 是 网三面矗嘉淹岩压磊 古 气路压力大吗? i 蓊 图1 1 某种故障的逻辑诊断推理图 为了突破传统故障诊断方法的局限，各国均做出了积极的努力，并产生了许多先 进有效的方法及理论。例如，文献【4 ，9 】中提出了一种新型的在线气动回路故障诊断仪， 使用此诊断仪用户可以在没有气动回路原理图的情况下无需拆卸气动元件便能对气动 回路做出故障诊断。其大致结构如图1 2 所示，它包括阀体l ，阀体上有输出孔c 、d ， 排气孔t ( 位于两输出孔c 与d 中间) 、进气口p ，阀体内有活塞杆附带两个活塞2 ， 活塞中间为阀芯3 ，阀芯采用套筒5 固定，有端盖4 位于阀体两端，端盖上有驱动回 路的进、排气口e 、f ，检测换向阀的故障时用的进、排气口a 、b ，h 、g 两口处安 装有压力传感器( 或者用压力表替代) 检测气流。阀芯在驱动回路的驱动下可在阀体 内滑动。 2 黑 否一 是叫 硕士论文气动无线远程故障快速定位技术的研究 图1 2 在线故障诊断仪不意图 1 阀体：2 活塞：3 阀芯：4 端盖；5 套筒；a 检测换向阀用进气口；b 检测换向阀用排气口；c 、 d 输出孔；e 驱动回路进气口：f 驱动回路排气口；g 、h 压力检测口；t - 排气口 在用此仪器诊断气缸的故障时，将c 、d 口与气缸的进排气口连接，阀芯在驱动 回路的驱动下滑动以改变气流的方向，进而使被测量的气缸进行伸缩运动，使用者便 可以根据气缸的工作状态及来自压力传感器( 或者压力表) 的信号判别故障的有无； 同理，此仪器也可以用于检测换向阀的故障：将被测阀的输出口与a 、b 口连接，然 后给换向阀的电磁线圈通电，压力传感器便能检测出a 、b 口在换向前后的压力变化， 进而判断该阀是否故障。将此诊断仪提供的压力传感器信号输出给计算机，便能实现 对气动元件进行自动化地故障诊断。 电磁换向阀作为气动回路中的交通枢纽，有着举足轻重的作用，但是换向阀故障 率一般偏高而且阀芯位置状态不像气缸的活塞一样可见，故对电磁换向阀的故障诊断 也一直是研究的热点。气动系统中的电磁换向阀最常出现的问题是电磁线圈的短路、 断路、换向阀的阀芯机械卡死、阀内管路的考完、换向阀阀芯移动不到位等等【lo ，1 1 】。 大连海事大学的温明成采用了故障树的方法，对气动电磁换向阀的常见故障、失效形 式进行了列举及分析，并进行了可靠性实验l l 刭。将电磁换向阀的常见故障及其原因进 行分析总结，可以得出如图1 3 所示的故障树( 图中专指先导型滑柱式电磁换向阀) 。 l 绪论硕士论文 图1 3 电磁换向阀的故障树 文献【l 副中针对直流电磁换向阀的阀芯卡死这一故障提出了一种特别的故障诊断 的新方法：利用线圈电流在启动或者复位过程中的曲线变化特征来判断阀芯是正常换 向还是卡住，并且初步分析产生此故障的原因并尝试自动解决如果是由于输入电 压过低导致的阀芯卡住，则会尝试增大线圈电流增加推力来推动阀芯实现正常动作。 作者归纳出的线圈电流在正常换向和阀芯被卡住两情况下的曲线如图1 4 ( a ) 、( b ) 所示。 由图可知：只要检测换向过程中电流曲线上有没有一个下降沿即可得知电磁铁铁芯在 换向时是否正确移动( 如果有则表示换向成功，没有则表示阀芯卡住) 。作者并专门制 作了基于单片机的状态监测仪，通过对电流的检测、放大及a d 转换，将线圈中的电 流采样来进行状态监测。这为电磁换向阀的故障检测提供了一种新思路。 j j 0 五 一 矗 o n a )b ) 图1 4 分正常换向时的线圈电流曲线图：b ) 阀芯卡住时的线圈电流曲线图 1 2 2 对气动系统的故障快速定位 总结上面的研究概况可以看出，针对单个气动元件的故障诊断，没有统一的方法、 没有通用性，往往要对某类甚至某个元件单独使用特定的方法，如果将这些技术应用 于现在大型化、复杂化的大型气动自动生产线，无疑成本巨大、效率不足，是非常不 可取的。显然，如果能对整个气动系统实时故障实时检测及故障快速定位，是非常具 有工业利用价值的课题。 系统性的故障检测与诊断，可以概括地分为两大类： ( 1 ) 基于数学模型的故障检测与诊断方法； 硕士论文气动无线远程故障快速定位技术的研究 ( 2 )基于人工智能的故障检测与诊断方法。 基于数学模型的f d d 方法，主要是利用数学手段，记录整个系统的输入输出各值 的正常范围，然后对系统的各变量继续进行监测，当发现有输入或者输出值不在系统 正常值范围内时，则报错并根据一些既有逻辑做出诊断。由于空气的可压缩性及气动 系统的非线性，对气动系统的各状态量进行建模非常复杂，很难推导出固定的代数关 系，因此基于数学模型的f d d 方法有较大的局限性。 同时，基于人工智能技术( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 的故障诊断技术越来越成为 气动系统的实时状态监控与故障快速定位的研究中的热点，这种方法主要包括专家系 统的应用、智能算法的应用等等。美国的i m i nk a o 和x i a o l i nl i 等人，研究了用于气 动系统的智能故障检测与诊断技术，并通过多篇文献介绍了他们实现的实现方法。他 们通过分布式传感器及传感器的网络化，阐述了故障智能检测与诊断的特性f j 4 ， 】。 另一方面也有众多国内外的研究者研制了应用于气动领域的故障诊断专家系统 ( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 【4 1 6 , 1 。专家系统是人工智能技术( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 的 一个重要分支，它的原理是在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题i l 引，给 故障诊断技术引入专家系统，以利用专家经验和知识给诊断故障提高准确性和速度。 基于专家系统的f d d 方法原理图如图1 5 所示。故障诊断规则存放于规则库中，反映 各种故障的因果关系，整个问题的求解由推理机控制；在遇到问题时，推理机根据数 据库中的信息取出规则库中规则与之匹配，并选择最合适的规则结论；解释程序用来 对诊断故障的过程做出可读的解释；知识获取程序允许专家通过人机接口编辑诊断规 则，也可以通过分析数据库由程序自行更新规则来完善整个故障诊断系统。 目前故障诊断专家系统已经被大量地应用在了电力、化工、船舶等领域中，使得 这些领域的故障诊断效率大幅提升。而研制气动领域的故障诊断专家系统，无疑将给 气动技术的自动化应用带来更大的改进和突破。 图1 5 基于专家系统的f d d 方法原理图 除专家系统之外，模糊控制算法及基于人工神经元网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ， a n n ) 的人工智能方法，都被越来越广地采用到了故障诊断的研究中19 2 0 】，尤其是后 l 绪论 硕士论文 者以其独特的容错、记忆、自适应与自学习的优点，特别适合处理气动系统等建模困 难的系统。但由于该方法仅在研究与初步试验阶段，实现过程较为繁琐，要在工业现 场应用还为时过早。 另一方面，现代的高端传感及监控技术也为气动系统故障诊断技术的研究提供了 新的方法论依据，例如浙江大学流体传动及控制国家重点实验室提出了一种基于机器 视觉的气动系统状态监控和故障诊断新方法【2 1 1 。他们在气动系统各元件附近安装c c d 摄像头作为传感器，再在计算机中使用图像采集卡获得气动系统的动态图像。对这些 动态图像系列进行分割、识别、分析，再将结果与事先进行的自学习获得的状态进行 比较，进而判断气动系统运转是否存在故障，并在判别出故障后提出其解决办法。此 方法自动化程序较好，能够实时在线地进行故障检测与诊断，但缺点在于要对大量的 c c d 摄像头用于每个气动元件上，成本过高、安装复杂，不适合工业使用。 1 3 气动系统的无线远程控制 在现今许多大型的生产线中，对各元器件的监控绝大多数仍然采用有线传输的方 法。而这些系统，其布线繁多、连接拓扑结构复杂、各器件的相互间隔可能很远等问 题都随着系统的日益庞大而凸显，而这些问题在必须使用气管供给动力的气动自动化 系统中尤为严重，正在给现场操作人员带来工作效率上的负面影响甚至对人身安全造 成威胁。而无线通讯技术，作为当代重要的科技成果与普遍发展趋势之一，具有简洁、 低成本、安全方便等优势。另外，工程中也存在一些特殊场合，如高温、有毒或者布 线困难的场合，如果需要在这些地方对设备进行控制，采用有线传输甚至现场观测的 方法无疑是不可取的。因此，将无线通讯技术引入大型的工业自动化系统，尤其是气 动自动化生产线中，是当前的一个发展趋势，非常具有应用价值田】。例如，工业中的 起重机控制一直是一个安全问题突出的环节，稍有不慎便会危及操作人员的生命安全， 因此对起重机实行无线远程控制成为了不少研究者的课题。在文献【2 3 】及【2 4 】的作者不约 而同地采用了单片机与无线通讯相结合的方式研制了起重机的无线控制系统。 但目前气动系统中仍然很少采用无线远程控制技术。清华大学的李新明等研究者， 于2 0 0 5 年首次将无线通信技术引进气动系统的自动化控制中，实现了气动系统元件状 态监测与控制的无线化。气动系统各设备的状态数据由各种信息采集设备( 如流量计、 传感器等) 采集，之后通过一系列转换与编码，成为数字的状态信号。状态信号经由 无线数据传输模块传送给中央控制器；控制器将这些状态信号进行解码后还原成原始 的状态信息，实现了气动系统数据采集与传输的无线化【2 5 1 。此外，中央控制器还可以 通过无线数据传输模块向气动系统中的控制元件发送指令，改变控制元件及执行元件 的状态，从而达到远程无线控制的目的。该实验为工程中特殊环境的数据采集与设备 硕士论文气动无线远程故障快速定位技术的研究 控制问题提供了有效的解决方法，具有深入研究和推广应用的价值。可以归纳其实验系 统的平台原理图如图1 6 所示。 多点f 位机 图1 6 气动无线监控系统原理图 南京理工大学的张盈在工业现场中气动自动化系统故障快速定位技术研究论文中， 以无线数据收发方式，针对气缸等执行元件进行了系统的故障定位及诊断研究，初步实现 了气动系统中气缸的故障快速定位 2 6 1 。在进行的试验中，气缸是自带了磁感应开关来感应 气缸活塞位置的。但是在气动系统中，电磁换向阀故障在执行机构故障中所占比重远大于 气缸，如果电磁换向阀在运行中出现了故障，则无法被感应到。 综上所述，目前市场上仍没有低成本的气动系统故障快速定位的完整方案。表现 在： ( 1 ) 对整个气动系统的f d d 方案仍然没有简单易行的自动化解决方案； ( 2 ) 对电磁换向阀相关的状态监测方法及进一步的故障诊断研究仍很少涉及； ( 3 ) 对于气爪、真空发生器等本身不带状态信号输出的元件，除了单独安装流 量或者压力传感器等高成本的方法外，仍然无法通过简单的方法来获取状态。 1 4 本文主要研究内容 本课题正是在前述研究的基础上为整个气动执行系统中各类元器件包括气动控制阀 都实现状态监测及故障的快速定位而开展研究，这对于完善气动系统的自动化监控方法 具有非常重要的意义。本课题的研究内容是： ( 1 ) 针对当前气动换向阀状态不能实时检测所带来的气动阀故障难以快速诊断 定位的问题，需要设计研发一种能实时检测电磁换向阀阀芯位置的技术，以实现阀芯 状态易观测的电磁换向阀产品。 7 圈一 l 绪论硕士论文 ( 2 ) 通过对气动系统各元件的行为分析、在新型电磁换向阀的基础上，研制一个 气动系统无线远程故障快速诊断和定位系统的体系结构。该系统需要能够模拟出气动 执行系统在现实中的工作状态及需求，且具有一定的通用性。 ( 3 ) 在提出的系统结构的基础上，开发气动系统无线远程故障快速诊断和定位的 试验系统。其中，需要包含气动执行系统、现场的故障采集单元，以及远程的主控单 元的设计、软件研制。通过集成的远程状态监测、运动控制、故障检测与快速定位等 试验，验证新型电磁换向阀，以及现场状态采集单元、远程主控单元的实用性及应用 稳定性。 硕士论文气动无线远程故障快速定位技术的研究 2 磁芯式工位检测电磁换向阀的结构研究 2 1 需求分析 要进行气动系统故障的快速检测和定位，就必须使气动元件本身具有正常工作状 态和异常工作状态的检测功能，使上级控制系统能够依据元件的状态进行控制或故障 的诊断和定位。目前，气动执行器，如直线气缸、摆动气缸等通过配置起始位置检测 的磁性开关，己能够实时地显示其工作状态( 行程的到位与否) 。但是目前在气动系统 中大量使用的方向控制阀却并不具备这样的状态检测功能。目前国内外对此的处理一 般是：在阀的出口处安装压力或流量传感器来检测通过感应换向阀动作前后阀口 的压力或者流量变化来判断换向阀的换向情况【1 3 1 ，如文献t 4 j q b 的故障诊断仪等等，其 典型的监测原理如图2 1 所示。这种方式需要另外在阀的出口处配置压力检测或流量 检测传感器，既显著增加了系统构成的成本( 多数时候传感器比阀本身还要昂贵) 也 会增加系统复杂度和用户在接头加工、配管安装等方面的工程量，在成百上千地使用 换向阀的大型生产自动化系统中会带来很大的应用困难。因此，除了特别重要的环节 采用此种方法外，一般系统均基于成本和简化工程设计和工程量方面的考虑弃之不用。 这对于实现对整个气体系统的全面监控及故障快速定位来说是个很大的缺憾，缺少对 电磁换向阀的状态监控，气动系统则仍然不可能完全实现对所有元件的故障快速定位。 图2 1 典型的电磁换向阀出口压力监测原理图 我们可以从一般气动换向阀的结构来进一步说明这个问题。滑柱式气动换向阀是 气动方向控制阀中最主要的阀芯结构形式。它是用一个带有台肩的圆柱体，在管状阀 9 2 磁芯式工位检测电磁换向阀的结构研究 硕士论文 套内，沿其轴向移动，来实现气路通断。它具有换向力小、动作灵敏、通用性强等诸 多优点。图2 2 所示为一个双电控两位五通滑柱式电磁换向阀的结构示意图，它对应 的图形符号如图2 3 所示。 电磁铁阀芯阔套 图2 2 电磁换向阀的结构示意图 i | j l 弋7 _ l 图2 3 对应图形符号 电磁换向阀动作的机理为：由电磁铁的动铁心，直接或者间接推动阀芯，产生左 右位的位移，从而实现气路的转换。 如图2 2 所示，设此时换向阀的阀芯位置为它的初始位置( 左位) ，它当前的接通 方式分别为气源p 与a 口接通、b 口与排气口r 2 接通，此接通方式对应它的图形符 号的左方格；当换向阀的左电磁铁通电时，左电磁铁推动阀芯由图示的初始位置向右 移动，到达所示的右位。此时换向阀的接通方式为a 口与排气口r 1 接通、气源p 口 与b 口接通，此时的接通方式对应它的图形符号的右方格。 电磁铁阔芯 阔套 图2 4 电磁换向阀右位示意图 由此可看出，通过对左、右两电磁铁的交错i 彭断电即可实现换向阀的换向功能。 在目前的气动方向控制阀的组成结构中，由于缺少小型感应开关一类的传感元件 来感应其阀芯的运动状态，而阀本身不能提供其状态监测的信号依据，无法简便地获 知阀的工作状态( 例如换向阀的左右位状态) 。在多数气动电磁换向阀中，虽然已经 为控制换向的电磁线圈的通电与否增加了指示灯，但指示灯仅表示电磁阀的通电状态 却并不指示阀芯实际换向的工作位置状态，因此，当换向阀出现故障，尤其是阀芯被 1 0 硕士论文气动无线远程故障快速定位技术的研究 卡住时，线圈的通电指示灯不能正确指示换向阀的左右位信息。因此，靠感应电磁线 圈的得电与否来检测换向阀的工作状态是不真实不可靠的，只有能检测出阀芯当前的 确切位置，才算是真正地检测出了换向阀当前的换向状态。如果能够在控制阀上使用 低成本的感应元件，并直接地以电信号的方式实时反映阀的工作位置和通断状态等信 息，对于构成结构简单、低成本的易于实现的阀故障快速诊断单元，具有很高的实用 价值。 因此，研制一种在气动元件( 如控制阀、气缸) 集成一体的、用于状态信息采集 的微小型电子元件，通过电信号实时地反馈其工作状态，从而能简便快速地判断其工 作状态正常或异常，对换向阀故障的快速发现和准确定位具有重要的实用价值。另一 方面，从目前工业界自动化执行器的发展过程来看，机械与电子结合，使元件带有状 态自明的功能，并使执行器逐渐增加信息交换能力以提高其可控性、可靠性和易维护 性，将给现场观测带来极大的便利，己成为工业界的迫切需要。 2 2 位置感应元件的选择 工业应用中的位置感应元件各类繁多，其中常见的有光栅位移传感器、激光位移 传感器、行程限位开关以及接近开关等等【2 7 - 2 9 。 ( 1 ) 光栅测量 光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件，用于位移测量的光栅称为计量光 栅。光栅位移传感器的工作原理，在一对光栅副中的主光栅( 即标尺光栅) 和副光栅 ( 即指示光栅) 进行相对位移时，由于光的干涉及衍射，会产生黑白( 或明暗) 相间 的条纹图形，即莫尔条纹。光栅数显表统计并显示此条纹的信息，便可实现测量位移 的目的。 ( 2 ) 激光测量 由于激光较普通光源具有高度相干、方向性好、单色性、高亮度等优点，激光被 广泛用于距离或位移的测量。 从光栅和激光位移传感器的特性及原理可以看出：光栅及激光位移传感器精密高 度，准确性好，但过于昂贵，且都需要配套复杂的控制器；由于阀芯一直被包在阀体 内部，借助光学的传感器来感应其位置将十分困难。因此，光栅及激光位移传感器不 适合大规模地应用在电磁阀中。 ( 3 ) 行程开关 行程开关，或者限位开关，它的工作机理是当运动的物体运动( 简称动体) 到特 定位置时，开关便在机械力的作用下产生动作信号，完成相关设备或机构运转所需要 的动作，它可以安装在相对静止的物体( 如固定架、门框等，简称静体) 上或者运动的 2 磁芯式工位检测电磁换向阀的结构研究 硕士论文 物体( 如行车、门等，简称动体) 上【3 0 】。 然而，随着行程开关在生产中应用的普及，它的缺点也逐渐暴露：由于机械力对 开关的撞击使机构易折断和磨损、接点在断开时会承受很高的自感电动势，在自感电 动势作用下产生的弧光会使接点过早烧损，导致开关的备件消耗量很大、甚至由于动 作失灵，造成停工、停产、人身伤亡及设备重大事故。因此，行程开关不是最佳的选 择。 ( 4 ) 接近开关 接近开关又称无触点行程开关，是一种开关型传感器，它即有行程开关、微动开关的 特性，同时具有传感性能，是一种无需与运动部件进行机械接触就可以进行检测的位置开 关。一类典型接近开关的大致原理图如图2 5 所示。 铟 感 滤波整形电路 应 振荡器晶 体管 输出器 头 t 输出 电源 g n d 图2 5 典型接近开关的原理示意图 接近开关按照工作原理来分类，可大致分为如下几类【3 1 。3 5 】：电感型、电容型、霍 尔式接近开关及磁性接近开关等。 1 ) 电感型接近开关亦称高频振荡型接近开关，它的实现的关键原理是金属导体靠 近磁场时产生的电涡流效应，电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流， 且该电涡流所产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。这种接近开关仅能 检测出金属物体的接近，而且利用它必须设法产生交变磁场，实现起来非常复杂，不 符合简单、低成本的原则。 2 ) 电容型接近开关的测量头是构成电容器的一个极板，另一个极板则是开关外 壳，当有物体向接近开关接近时，无论此物体为导体或绝缘体、固体或液体，它的接 近必然会改变电容的介电常数，从而改变它的电容量。检测电容的变化即可感知物体 的接近。虽然它克服了电感型接近开关只能感应金属的缺点，但由于在气动换向阀中， 无论阀芯在哪个位置，与接近开关最靠近的仍然是流动的压缩空气，所以在阀芯发生 位移时能被感应的机率很低。 3 ) 霍尔式接近开关是利用霍尔效应而进行磁输入信号向电输出信号转换的器件。 霍尔效应是指当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端 就会产生电位差的现象。霍尔电动势与外加磁场的磁感应强度成正比。监视电压变化 即可检测物体的接近。霍尔式接近开关具有无触点、低功耗、使用寿命长、响应频率 高等特点，广泛应用于工业自动化场合。 1 2 硕士论文 气动无线远程故障快速定位技术的研究 4 ) 磁性接近开关是通过检测磁性物体( 一般采用永磁铁) 的接近然后产生开关信 号输出来实现对接近物体的检测的。它包括一个非晶体化的、高穿透率的磁性软玻璃 金属铁芯、l c 振荡器、信号触发器和开关放大器组成，其中，铁芯造成涡流损耗使 振荡电路产生衰减。如果把它放置在一个磁场范围内( 例如，永久磁铁附近) ，此时正 在影响振荡电路衰减的涡流损耗会减少，振荡电路不再衰减。因此，磁性接近开关的 消耗功率伴随永久磁铁的接近而增加，信号触发器随之启动而产生输出开关信号。 从比较可以看出，磁性接近开关与霍尔式接近开关均可以作为实现电磁阀可观测 的检测装置。由于磁场的穿透性，磁场能穿透很多非磁性物体，因此待测物体不一定 要安装在靠近磁性开关的检测面，从而可以使开关避免直接安装在高压高温的恶劣环 境中。磁性接近开关相比霍尔式接近开关，能适应更恶劣的环境。同时，目前集成了 到位信号输出功能的气缸已经被普遍使用，它们的普遍实现方法为在活塞上集成了特 定形状的永磁铁，并在气缸缸体外固定了磁感应式接近开关，从而能够在活塞到位时 简单、有效地反馈给p l c 等自动化控制电气设备。因此，类似地，初步选定磁性接近 开关作为实现可观测电磁阀的位置检测装置，并在阀芯上嵌入永磁铁的方案。 磁性开关为磁感应式接近开关在市场上的最典型的代表，且各厂商已经提供了标 准型号可供采购，磁性开关的选型可以根据查阅元件清单及市场应用情况分析。预选 定s m c 公司生产的d y 5 9 a 型磁性开关，同时为了方便实验及制作样品，本课题选取 电磁换向阀产品为s m c 公司的s y 9 2 2 0 型双电控两位五通先导型电磁换向阀。其真实 外形如图2 6 ( a ) 所示。用三维建模软件将之建模后可以直观地看出它的工作原理，其 左、右位机能的模型图如图2 6 ( b ) ( c ) ( d ) 所示。 ii i b ) d ) 图2 6a ) - s m cs y 9 2 2 0 型气动电磁换向阀外形图；b ) 一对应图形符号； 2 磁芯式工位检测电磁换向阀的结构研究硕士论文 c ) 、d ) 一左、右位机能示意图，p 气源、r 1 、r 2 一排气1 3 、i 、i i 工作口 2 3 永磁铁的设计 在确定采用“磁场配合磁性开关”的感应方案后，需要确定永磁铁的外观、材料、 磁场分布等各参数，目的是 ( 1 ) 使一定形状的永磁铁嵌入阀芯端部，随阀芯的左右移动而形成磁场的对应偏 移，形状、大小和安装位置要不影响气动阀的端部驱动功能，也不影响电磁换向阀的 气密性等性能； ( 2 ) 磁芯的磁场强度和安装位置要使磁性开关在需要感应到磁芯的位置时，所感 应到的永磁铁所产生磁场在磁性开关处的磁场强度大于等于磁性开关所能感应的极限 磁场强度d o ；同时永磁铁的磁场强度不能过强以免导致无论阀芯处于左位或者右位， 磁性开关处的磁场强度均大于d o ，使磁性开关总输出感应信号，从而达到感应阀芯位 移这一目的。 2 3 1 永磁铁的安装方式 为了确定要设计的永磁铁的外形，首先需要对目标换向阀的阀芯进行考察。在本 课题中，对s y 9 2 2 0 型电磁换向阀进行了拆解，得到的阀芯形状如图2 7 所示，并对 它在三维c a d 软件中进行了建模，图形如图2 8 所示。 图2 7 阀芯实物图图2 8 阀芯三维模型图 需要将永磁铁做成一定形状后嵌入至阀芯中，并在阀芯左右移动时产生同步移动 的磁场。经过对阀芯结构的分析，可总结出阀芯上可以安装永磁铁的位置如图2 9 所 示，阀芯的非轴肩区域，即图中的a 、a 、b 、b 、c 及i 、i i 两端面均可以集成永磁 铁。 1 4 ：一：m ：- ： ：l b i i i c ： iii ii l ：a ： i i 图2 9 阀芯集成永磁铁可能位置示意图 硕士论文 气动无线远程故障快速定位技术的研究 为了不影响阀芯的强度，本课题在进行中仅在对阀芯强度最高的部位( 即图中的 i 、两端面) 进行加工。 2 3 2 永磁铁的材料、尺寸参数设计 根据选取的换向阀的阀芯尺寸，设计了一对圆环状的永磁铁，其尺寸信息如图 2 1 0 ( a ) 所示。另一方面，将阀芯两端面加工出两个对应尺寸的凹槽，永磁铁将以过盈 配合嵌入阀芯，伴随阀芯一起移动，嵌入方案设计见图2 1 0 ( b ) ，其中l 、6 磁性开关 需固定在能感应到磁场的极限位置。 a )b ) 图2 1 0 永磁铁尺寸及集成设计图 l 、5 一嵌入永磁铁；2 、6 一磁性开关；3 一阀体；4 一阀芯 同时，为了能够让这个小尺寸的永磁铁产生出足够强的磁场，需要对永磁铁的材 料进行研究，以确定最适合的本课题的永磁铁类型。 目前工业应用中常见的永磁铁主要有表2 1 几种类型。 表2 1 常见永磁铁材料列表 1 5 2 磁芯式工位检测电磁换向阀的结构研究硕士论文 综合以上比较，本课题将选择磁性强度即磁能积最大的钕铁硼( n d f e b ) 作为永 磁铁材料。 2 3 3 永磁铁的磁场强度分析 在确定了磁性感应元件的型号后，则需要对磁性感应元件所能感应到的磁场强度 进行分析测试，以进一步设计永磁铁的充磁强度。把选定的s m cd y 5 9 a 型的磁性 开关置于各型永磁铁磁场中，使它置于能感应到极限位置，并使用高斯计测量该位置 的磁场，在4 种永磁铁的磁场环境中测试后，可得该型号磁性开关能感应的极限磁场 强度疡信息见表2 2 ，根据测试统计，取平均值为0 0 0 2 7 t 。 表2 2d y 5 9 a 型磁性开关玩信息 对选定的换向阀及设计的固定方案，磁性开关距离阀芯的中心最短距离为 1 3 9 m m ，也即要设计永磁铁的充磁强度，使距永磁铁中心( 阀芯中心) 1 3 9 m m 处的 极限磁感应强度值为0 0 0 2 7 t ，实际值要略大于此临界值。 对于圆环圆柱形的永磁铁，其磁场分布情况是确定的：可将圆柱形永磁铁( 假设 均匀磁化且磁化方向垂直于两底面) 近似地等效为长直通电螺线管，则其附近的磁场 分