（机械设计及理论专业论文）新型型砂紧实率快速智能测试仪的开发.pdf

新型型砂紧实率快速智能测试仪的开发 葡要 在粘土砂湿型铸造中 紧实率是湿型砂性能检测和控制的首选项目 在对实验室使 用的 冲击实验法 进行分析 研究的基础上 将型砂紧实率表述为 定形定初始密度 的型砂在一定的压力作用下所产生的相对变形量 根据这一原理 在保证本仪器测试 精度的条件下 本文以提高仪器的便携性 易用性及快速性为目标 同时力求降低仪器 的成本 研制了一种新型便携式型砂紧实率快速智能测试仪 以下是本文完成的主要工 作 第一 采用压电陶瓷作为核心材料 根据它受压极化产生电荷的特点 设计了力传 感器 实现对力的检测 第二二 通过分析鼠标器的工作原理 设计了光电位移传感器 应用于本仪器 不仅 保证仪器的测量精度 还降低了仪器的成本 另外 还提出了使用光电鼠标芯片进行位 移测量的方案 预计将使其进一步达到更好的效果 第三 由于仪器采用电池供电 本文以低功耗为目标 利用十六位单片机m s p 4 3 0 f 4 3 5 作为微处理器 进行了相关外围信号处理电路的整体硬件设计 并结合软件完成了仪器 的功能实现 第四 完成了仪器的结构外形设计以及f 器各部件的安装 第五 对位移传感器 力传感器以及仪器的性能进行了实验分昕 实验证明 本文采用的型砂紧实率快速测试方法是可行的 所开发完成的仪器完全 司以满足在生产现场快速测定的要求 关键词 测试仪 力传感器 位移传感器 m s p 4 3 0 单片机 紧实率 堑型霎堡墨塞墨堡垩塑壁翌堕堡墼墅垄 a b s t r a c t a t t h ep r e s e n t c l a yg r e e ns a n dc a s t i n gi ss t i l lap o p u l a rm e t h o d i nt h e f o u n d r y t h ec o m p a e t a b i l i t yi s t h ef i r s tc h o i c ei nt h ef o u n d r yf o rt e s t i n gi n o r d e rt oc o n t r o lt h es a n dp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r an e wt y p eo fm o h i l e i n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d w h i c hi sa b l et ot e s tt h es a n dc o m p a c t a b i l i t yq u i c k l y a n da c c u r a t e l y t h em e t h o do fi m p a c te x p e r i m e n t a t i o nf o rc o m p a c t a b i l i t y w h i c hu s e di nt h e l a b o r a t o r y h a v i n gb e e na n a l y z e d ac o n c l u s i o nc a nb ed r a w n t h a ti s t h es a n d c o m p a c t a b i l i t yi sd e f i n e da st h ed is t o r t i o np r o d u c e db yad e f i n i t ep r e s s u r ei n t h es a n d sw i t hd e f i n i t eo r i g i n a ld e n s i t ya n ds h a p e b a s e do nt h ep r i n e i p l e t h e 1 n b e q u r u m e n tc a l lb ed e v e l o p e dw i t ht h el o w e s tr e s e a r c hc o s t t h et e s tp r e c i s i o n ge n s u r e da n dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sm o b i l i t y w e l lh a n d l i n ga n dt e s t i n g k l y b e i n ge m p h a s i z e d t h ec o n f i g u r a t i o no ft h et e s t e ri sf i r s td e s i g n e d t h ep i e z o e l e c t r i c i t y c e r a m i cjse m p l o y e da st h ec o r em a t e r i a lo ft h ep r e s s u r e s e n s o rt om e a s u r e p r e s s u r e b ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fm e c h a n i c a lm o u s e ap h o t o e l e c t r i c i t y f f i s p a e e m e n t s e n s o ri sd e v e l o p e db yt h i sp a p e r b e c a u s et h et w os e n s o r sa r e e i f m a d e t h ec o s to ft h ei n s t r u m e n ti sr e d u c e dt ot h el o w e s t m s p 4 3 0i sat y p eo fm i c r o c o n t r o l l e re s p e c i a l l ye m p h a s i z e d0 1 1u l t r a l o wp o w e r h l c hi ss a t i s f i e dw i t ht h es i t u a t i o no fb a t t e r yp o w e rs u p p yi n t h em o b i l e n s t r u m e n t i t i st e s t i f i e db ye x p e r i m e n t a t i o nt h a tt h ep r e c i s i o no ft h ei n s t r u m e n t e s i g n e db yt h i sp a p e ri sa b o u t3 5 w h i c hi ss a t i s f i e dw i t ht h er e q u i r e m e n t nt h ef o u n d r y y w o r d s t e s t ln s t r u m e n t p r e s s u r es e n s o r d is pia c e m e n ts e n s o r m s p 4 3 0 c r o c o n t r o il e r c o m p a o t a b iii t y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 我国铸造行业近年来不断努力开拓国际市场 虽然铸件价格低廉 对购买者颇具吸 引力 但铸件的质量现状却难以令人满意 与国外产品相比 主要差距在于铸件的内在 质量差 表面质量如尺寸精度和表面粗糙度差 而且质量不稳定 波动大 这些不足固 然与我国铸造企业的设备和技术相对落后有关 而更直接的原因是由于铸件生产过程没 有有效的质量管理和质量保证体系 在我国铸造生产中 用湿型铸造应用最广泛 在出 口铸件中 用湿型生产的铸件占有绝大部分 铸件废品中约有5 0 是由于型砂质量波动 所致 日益加剧的市场竞争要求现代化的铸造企业必须生产出质量更好 可靠性更高 壁厚更薄 价格更低近终形铸件 所以要提高铸件品位 关键是提高型砂质量 i s o 一9 0 0 0 标准系列之一是强调预防和控制 因此应该选择型砂质量控制作为质量体系要素 并作 为铸造行业贯切i s o 一9 0 0 0 标准系列的突破口之一 这样可以收到投入小 见效快 受 益大 事半功倍的效果 2 湿型砂是具有一定成分的混合料 其性能主要由原材料性质 型砂成分及混制工艺 等因素决定 实际生产中 一个车间或铸造厂所使用的原材料和混制工艺是相对稳定的 而成分却在不断变化 因此 型砂的性能就主要决定于其成分 但是 影响型砂成分变 化的因素很多 要准确预测一般很困难 近年来国内外不少学者用计算法预测型砂成分 的变化做了许多有益的工作 但离实用的要求还相距很远 对型砂成分的直接分析又比 较困难和费时 不能满足造型线快速生产的需要 但是 可以利用成分与性能间所存在 的某种相关关系 研究并确定这种关系 这样由实践中较易获得的型砂性能信息 可以 推测出型砂中相应的有关成分的变化信息 通过适时调整 则不难达到稳定型砂的目的 为此 必须解决型砂性能的快速检测与建立型砂性能和成分之间相关关系 并进而实现 对型砂制备有效控制 一般来说 型砂性能可以分为型砂物理性能及机械性能 型砂物理性能的检测主要 包括型砂透气性 砂温 含水量和紧实率等 型砂机械性能以前通常指型砂的各种湿强 度 韧性的检测 其中 紧实率和湿压强度是最有代表性的型砂性能指标 而紧实率反 映型砂混碾揉和程度和回性优劣 必须将它严格控制在工艺规范要求的范围之内 众所 周知 紧实率是反映型砂调性程度的指标 每种紧砂方法都有一个最佳的紧实率值 所 以型砂质量控制的首要任务就是控制型砂紧实率 4 1 5 1 6 1 紧实率是湿型砂性能检测和控制的首选项目 因为粘土型砂具有可塑性和强度是由 于粘土的水化作用所致 自由水变成具有粘滞度的粘结水 形成一定厚度的粘结水膜并 包覆粘粒 粘结水膜越厚 型砂越柔软松散 在压实力作用下的变形率越大 最早的型 新型型砂紧实率快速智能测试仪的开发 砂工人就是凭手捏型砂根据其柔软性来判别水和粘土的比例是否合适 紧实率实验是从 手捏法演变过来的以数值的形式来表示这种关系 近年来 用紧实率来控制型砂性能受 到许多国家铸造工作者的重视 在美国 紧实率已经被认为是最简单最有效的型砂性能 控制依据 用紧实率控制型砂质量在我国正逐渐引起重视 1 1 2 国内外对型砂紧实率检测控制的研究概况 在世界各国 铸造生产中绝大多数还是用普通湿型铸造 由于西方工业国家生产高 度专业化 自动化 所以 从五 六十年代就开始制订出一系列型砂实验标准 并逐年 更新补充 同时还在大力地研制各种型砂质量检测仪器 在七十年代开始 在参照国外 同类产品的基础上我国也开发出了一些型砂质量检测仪 今天 紧实率检验已被广泛地认为是对现代的实践最有意义的 紧实率是性质 的一个很敏感的指示物 转而它还为判断型砂是否到达了它的最佳性质提供了一个很 精确的指南 现代国内外普遍认为 为使造型用型砂达到最佳性能指标 紧实率是最重 要的控制指标之一 加水量是达到目标值的调节手段 紧实率是与水分 材料配比 强 度 透气性等性能参数有关的一个综合参数 传统的型砂水分直接控制方法中 若造型 系统砂铁比波动及加料不准等 将带来回收砂中各种成分含量的波动而造成型砂性能有 较大变化 故检测在线型砂的紧实率 比检测水分更能有效的控制型砂的性能 分析表 明 在各种湿型砂性能检测仪器中 特别是各种在线检测仪中 紧实率都是必测项目 1 1 2 1 国外研究概况 随着市场对铸件质量要求的日益提高和高压造型 挤压造型 冲击造型等先进工艺 的应用 对型砂质量的要求也越来越高 过去只依靠在实验室里定时测定型砂性能的做 法 因为不能及时 准确地反映型砂的实际性能 更无法实现生产过程中对型砂质量的 及时控制和对铸件缺陷的预防 已经不能适应稳定质量的需要 所以迫切要求对型砂进 行快速检测 以便及时了解型砂性能变化 及时调整型砂组分和混制工艺 使型砂始终 保持稳定 良好的性能 近年来 国外的型砂性能检测技术发展很快 并已在许多铸造厂成功的得到应用 有效的提高了铸件的质量 目前 已有瑞士 德国 日本 美国等许多国家的公司向市 场推出了多种型砂性能检测仪器 8 0 年代 瑞士g f 公司生产的型砂成型性控制仪及3 8 1 8 型紧实率控制仪 安装在混 砂机的旁边 在混砂过程中不断取样检测 去反馈控制加水量 该紧实率测试仪是世界 上最早的型砂性能在线检测仪器之一 现在仍有许多铸造厂采用 我国也有一些铸造厂 使用这种仪器作为混碾型砂时加水量的控制装置 进入9 0 年代 瑞士g f 公司继续推出 s m c s a n dm u l t i c o n t r 0 1 1 e r 型砂性能在线检测仪器 其工作程序是由螺旋取样器从 第一章绪论 混砂碾的测孔取样并送入加砂漏斗中 然后仪器自动测试型砂的紧实率和抗压强度 这 种仪器带有与计算机进行数据通讯的接口 可用计算机进行数据存储和处理 2 德国e i r i c h 公司生产的q u a l i m a s t e r 型砂性能在线测试仪器安装在送砂皮带的上 方 直接从送砂皮带上取样 其测试的项目有 紧实率 剪切强度 变形量 另外 e i r i c h 公司还生产了r o t o c o n t r o l 型在线检测控制装置 它采用气压传动 模拟实验室检测动 作 快速检测型砂的紧实率 湿压强度 劈裂强度等参数 从而控制加水量 德国的 f o u n d r yc o n t r o l 公司开发的s p c s a n dp r o c e s sc o n t r 0 1 型砂性能在线检测仪器为 转盘式 执行元件为电控起动 可以测试型砂的紧实率 含水量和砂温 安装在送砂皮 带的上方 从皮带上直接取样 由于该仪器的取样器有4 个工位 所以取样频率快 最 快为每1 0 秒钟即可以测一组砂样 f o u n d r yc o n t r o l 公司将这种仪器通过计算机与 l i p p k e 水分控制仪连接在一起 可以实现对湿型砂的性能控制 并可以进行数据的采集 处理 显示和打印 使技术人员能及时了解型砂性能的变化 德国m e m i n c h e n f e l d e l e k t r o t e n c h i n k 公司开发的s a n d l a b 型型砂性能在线检测仪器 是从送砂皮带上取 样 可以自动检测型砂的紧实率 剪切强度 变形量 与混砂机及双盘冷却器的测温 测湿及自动加水系统一起 可以实现对型砂性能的自动控制 8 0 年代中期 日本内村腾次等在 铸物 上介绍了型砂温度 水分 透气率 紧实 率及湿压强度五性能的仪器 该仪器也是采用齿轮齿条的啮合来测定紧实率 并以之来 控制型砂水分 日本早坂理工株式会社生产的g t r g r e e ns a n dt e s t i n gr o b 型砂 性能在线检测仪器的结构和性能与瑞士g f 公司的产品相类似 只是它是手工采样和检 测 这种仪器可以在4 0 s 内测量出型砂的温度 紧实率 含水量 透气性 抗压强度等 5 个性能 并用计算机分析计算 反馈到混砂单元 去调查下一盘型砂的加水量和加料 量 日本新东工业株式会社开发的m i e 型砂性能在线检测仪器是混砂机测孔取样的 用 于测试型砂的紧实率 水分和砂温 日本太阳铸机株式会社生产一种k c b 型砂紧实率控 制仪 可以根据检测的紧实率值来控制混砂机内的型砂加水量 美国h a r t l e yc o n t r o l s 公司的2 5 0 0 系列型砂紧实率自动检测仪已在世界上一些铸 造厂应用 该仪器从送砂皮带上直接取样 并可以与该公司生产的混砂机用水分和砂温 测试仪配合使用 该仪器对紧实率的检测精度相当高 采用带有故障快速自动诊断识别 的p l c 控制器 同时能根据实际要求调整适合的紧实率 美国h w d i e t e r t 公司生产出 3 8 1 3 型型砂紧实率测试仪 该仪器安装在混砂机旁 通过光电管感受到的信号差异 自 动显示型砂紧实率 并将被测紧实率反馈回来与给定紧实率相比较 进而微调给水量以 控制型砂性能 1 2 2 国内研究概况 近年来 国内一些重点机械 汽车厂家的铸造车间 已经引进了先进的造型生产线 新型型砂紧实率快速智能测试仪的开发 但是型砂性能检测和物料补加量的计算仍然主要依靠人工凭经验进行 这与现代化的生 产很不适应 j 因此 国内许多单位对型砂性能快速检测技术进行了多方面的探讨和研 究 如东南大学 清华大学 华南理工大学等都进行过这方面技术和设备的研究 有些 已经取得了国家专利 并向市场推出 国内发展型砂快速检测设备 就可以摆脱全部依 赖进口的局面 有利于在铸造生产建立起有效的质量管理和质量保证体系 清华大学黄天佑 刘立东等结合我国铸造企业的实际需要和技术现状 开发了能用 于大批量流水生产的型砂性能在线检测系统 并已完成了样机试制 这 系统是用计算 机控制的型砂综合性能在线检测装置 以紧实率 剪切强度 变形极限为检测项目 仪 器采用电控气动 四工位转盘式结构 位移传感器和荷重传感器等机构进行控制检测 最后通过工业控制计算机进行控制并进行存储 处理和显示 记录 济南铸造锻压机械研究所也进行了c 1 3 1 型型砂性能控制仪的开发研究工作 其结 果不太理想 后来 济南铸锻所在借鉴国外技术的基础上 自行研究开发了c b 型型砂 紧实率在线检测控制装置和自动加水装置 通过对型砂紧实率的检测来控制加水量的多 少 从而保持型砂性能的稳定 该套装置有两种安装形式以及两种控制方式 该仪器主 要有检测速度快 检测精度高和电气控制可靠等特点 东南大学陆文周等人研制的型砂综合性能计算机检测装置能够在两分钟内检测并 打印出型砂五个主要性能 紧实率 水分等 该装置在微型计算机的控制下自动测试 各项性能 其工作过程需要经过取样 过筛 制样等步骤 其中紧实率的测定方法是按 照紧实率的定义设计 通过位移传感器检测表达型砂紧实率的电信号 计算机根据检测 值自动查取存入计算机的标定数据表进行标定 并插补计算出紧实率的值 由打印机输 出 检测精度可以达到l 东南大学许映秋等人研制的一种具有使用价值的型砂性 能在线检测仪 选取了既能较好地反映型砂成分变化又适宜于在线检测的五种性能 紧 实率 水分 温度 透气率 劈裂强度 作为检测项目 采用8 0 3 1 单片机控制整个检 测过程 能在1 分钟内完成五性能的测定并达到满意的精度 该仪器对紧实率的测定也 完全按照紧实率的定义设计 其检测范围为3 0 5 0 精度达到2 1 华南理工大学研制的s s k j 型砂水分自动控制仪 是通过测定型砂的紧实率来间接 控制型砂水分的 该仪器工作时需要不断取样 不断测定型砂紧实率值 并与紧实率的 设定值进行比较 然后由计算机进行数据处理 计算每次的加水时间并加水 该仪器在 广东新会铸造厂使用效果很好 紧实率控制精度为2 检测精度为l 紧实率测量 范围为2 5 6 6 清华大学与青岛第四铸造机械厂联合研制的c 1 8 1 2 和c 1 8 1 4 型砂性能自动测控仪 其工作过程也是通过取样自动检测型砂的紧实率和湿压强度 该仪器选用p l c 对开关量 和模拟量进行处理 由p c i 6 1 0 型4 8 6 工控机担任上位机 通过r s 2 3 2 接口与p l c 通讯 以对各种信号进行数据处理 其中 紧实率的检测原理是 由气缸对经过筛松型砂试样 施压达到某一设定值时 由压头出的电感式直流位移传感器测出压头行程 上位机读取 第一章绪论 位移值后再对其计算补偿后便得出精确的紧实率值 该仪器在清华大学工厂铸造车间及 北京吉普车有限公司铸造车间使用 仪器重复性很好 相对误差均在5 以内 满足铸 造工艺要求 1 湖北机电研究设计院龚文邦等研制的单片微机紧实率自适应控制系统 该系统采用 了在线自适应控制 在实验数据的基础上 建立了加水后紧实率稳定值的预测等一系列 跟踪现场的动态模型 对型砂紧实率进行控制 该控制系统的紧实率信号由自动检测机 构检测 经a d 0 8 0 9 转换后送入单片机8 0 3 1 处理 系统的紧实率控制误差 2 5 并具有较强的适应现场变化能力 可以在较短时间内使型砂水分稳定在适宜含量范围之 内 从而使其综合性能达到最佳 大连铁道学院刁志范和梁风举研制的型砂紧实率自动控制系统 该系统在长春第一 汽车铸造分厂现场运行了五个月 1 9 8 8 年1 0 月 1 9 8 9 年2 月 效果非常令人满意 该系统的紧实率测量控制原理是 在混砂机的底端上部装一螺杆 将混好的型砂取出后 经料筒送到送砂板 型砂在送砂板的一端进到造型轮与紧实轮之间 由于在紧实轮上施 加有一定的重力只根据型砂含水量的不同 在紧实率轮与造型轮之间进行了不同程度 的造型 从而使紧实轮与造型轮之间的距离不同 这个位移变量通过传感器检测出来 转变成随位移变化的电信号 经放大整流滤波后即可求得紧实率值 郑州工业大学卢广玺等人以紧实率为理论依据 以8 0 3 1 单片枫为主机 研制了型 砂紧实率微机控制系统 其中 紧实率检测系统工作原理是 在微机系统控制下 当系 统需要采样紧实率时 启动取样器及检测机构 型砂由取样螺旋从混砂机中取出 经送 砂后 均匀加入装在混砂机出口底部的槽轮 槽轮上的型砂由压实轮以一定的比压压实 压实轮摆杆上固定一角位移传感器 可将摆杆的摆幅大小转换为一变化的电压信号 紧 实率的大小就转换为一连续变化的电压信号 其经过处理后由微机自动采样 计算即可 求得紧实率值 郑州纺织工业学院的王玮等人研制的型砂紧实率控制仪 其结构原理 与以上系统相似 对紧实率的检测都是通过压实轮的摆杆的角位移来测定的 只是后者 采用p l c 作为中心控制系统 另外 还有不少铸造工作者在努力寻求新的测试方法及相应的检测仪器 发明并申 请了 专利 南京工学院王祥生等人研制的湿型砂性能自动检测装置 以紧实率 水分 砂温 透气性和劈裂强度为检测项目 该装置已在中国实用新型专利z l 8 7 2 1 0 0 9 4 公开 东南大学的戴仲琦等人研制的型砂六性能的自动检测与控制仪 专利号为z l 8 8 2 1 1 1 1 4 华南理工大学陈绍华等人研制出的实用新型专利9 0 1 0 7 4 3 4 一湿型砂紧实率 透气性和 湿压强度快速测定方法及测定仪等 新型型砂紧实率快速智能测试仪的开发 1 3 l 本课题设计的原因 1 3 本课题工作概述 分析上述国内外各种型砂性能检测控制系统或装置 可以发现 随着型砂理论和工 艺研究的逐步深化 随着电子技术 计算机技术 控制理论的应用与发展 国内外的铸 造工作者都认识到 传统标准的型砂性能测定方法及其仪器己不能适应铸造行业迅猛发 展的形势要求 他们对新测试方法的努力寻求及相应检测仪器的研制 使得今天型砂性 能的实验室检测与在线检测有了长足的进步 分析上述国内外各种仪器的结构原理和主要功能 可以看出 1 从检测型砂性能项目大致可以分为两类 一类为单独检测紧实率的仪器 其信 号反馈给控制仪后 控制混砂时的加水量 它的作用类似专门的型砂水分测量 控制仪器 另一类是检测两个以上性能的仪器 一般不直接用来控制向混砂碾 中加水 而是将采集到的信号进行存储 计算 显示测试值 还可以与砂处理 系统控制的硬件系统相联 对以后各碾水和其他成分的加入量进行控制 无论 是哪一类仪器 紧实率都是必测的项目 2 仪器对型砂紧实率的检测 大都是采用1 m p a 压力制样 3 从取样的方法看主要有两种 种是从混砂碾中取样 另一种是从送砂皮带上 取样 4 从检测控制处理主机来看 主要有三类 一是工业控制计算机 二是微型计算 机 三是单片机 虽然上述各种仪器的测试精度较高 应用效果不错 但是 由于仪器检测项目一般 较多 并且要求控制水和其他成分的加入量 另外 要求产生1 m p a 左右的压强 一般 采用液压或气压系统 使得其结构十分复杂 仪器价格非常昂贵 产品主要面向大中型 企业的铸造厂 一般的中小乡镇企业规模相对较小 资金投入小 所以他们无法购买上 述如此昂贵的设备 因此 国内许多乡镇企业和私营企业仍没有摆脱依靠有经验的老工 人观察型砂颜色和凭手感对型砂性能进行判断的方法 导致型砂质量波动过大 使得产 品废品率提高和铸件质量的下降 而对于型砂紧实率的检测 除了人工手握和观察颜色 之外 其最简便的测试方法就是采用 冲击实验法 冲击实验法包括取样 过筛 定 量 冲击 测量 计算等繁琐步骤 整个测量过程大约需要几分钟到几十分钟 这中间 远距离取样 过筛 测量 计算几个环节在测量过程中费时最多 占了整个测量时间的 9 0 以上 耗时过长和步骤繁琐严重阻碍了其在生产中的应用 难以满足生产过程中快 速测量以便指导现场生产的要求 6 第一章绪论 1 3 2 本课题的主要工作 针对上述情况 大连理工大学李剑中等人 在分析总结现有对紧实率检测方法的基 础上 提出了机电一体化的型砂紧实率快速智能测试方法 力图实现对型砂紧实率的快 速准确检测 该方法已获得国家发明专利 专利号为z l 0 0 1 0 2 1 3 7 0 本文的主要工作 就是实现基于该方法的测试仪器的研制 并根据在实际使用中存在的一些问题进行讨论 与改进 迸一步提高仪器性能 以下是本文进行的一些主要工作 i 通过分析了机电式和光电式鼠标的基本原理 将鼠标测量位移的方法原理应用 于本仪器 2 对压电传感器以及其中压电陶瓷的压电特性进行了深入研究 并根据仪器的要 求 自行设计了压电力传感器 另外 根据现有实验条件 设计了特性分析实 验方案 3以超低功耗的十六位单片机m s p 4 3 0 f 4 3 5 作为微处理器 进行了其相关外围处 理电路的整体硬件设计 4 用粥口语言以及汇编语言完成系统软件功能设计 5 完成整个仪器的结构外形设计及仪器各部件的安装 设计了仪器实验标定方 案 对仪器进行标定 实验证明 本文设计的便携式型砂紧实率快速智能测试仪 结构简单 体积小 重 量轻 性能良好 成本低 尤其具有测试迅速的突出特点 特别适合各类铸造生产企业 尤其是小规模的乡镇企业和私营企业现场检测型砂质量 以及调整 控制型砂制备过程 使用 第二章测试仪器的基本原理以及实现方案 第二章测试仪器的基本原理以及实现方案 2 1 型砂紧实率的概念 所谓型砂紧实率 就是指湿态型砂在一定的紧实力作用下其体积变化的百分率 用 以判断型砂最适宜的干湿程度 对于粘土砂 型砂中的水分是影响型砂性能和质量的最 重要的因素之一 紧实率是表示型砂中粘土与调匀水的比例是否适当并适宜于造型的一 种综合肚指标 与水分含量有关 与型砂中其他成分有着间接关系 一般认为 紧实率 反映型砂的可紧实性 韧性和对水分的敏感性 即反映了型砂的调性程度 是湿型砂最 重要的指标之一 实践证明 通过检测紧实率可以调整型砂中的加水量 把紧实率控制 在一定的范围内即可保证水分的相对稳定性 同时可使型砂获得一定的湿压强度 韧性 拳l 流动性等最佳综合性能 紧实率能够比较综合地反映型砂的质量 是可以用来在碾前鉴别型砂合格与否的一 个试验方法 通过型砂紧实率检测可以反映型砂质量的以下几个方面 8 7 3 1 通过紧实率的数值可以判断型砂水分是否适合 不论型砂的成分如何 适合于 造型的水分有一个固定的紧实率 例如一般机器造型的紧实率为4 5 左右 因 此 紧实率的高低就能直接反映出型砂水分是否过高或过低 从而就能估计对 铸件质量的影响 如紧实率过高 则型砂水分过高 容易使得铸件出现气孔 胀砂 夹砂 表面粗糙以及落砂困难等情况 如紧实率过低 则型砂水分过低 型砂发脆 砂型容易破碎 起模困难 铸件容易出现冲砂 砂眼等缺陷 2 如型砂保持紧实率一定 而水分发生变化 则反映出型砂的粘土或粉尘含量已 经发生变化 则应考虑调整新砂加入量和粘土加入量 使型砂性能保持稳定 3 测得型砂的紧实率 湿压强度和水分 也可以由紧实率求得 后 根据实验数 据图表 可阻求出型砂中起粘结作用的粘土含量 有效粘土含量以及混砂效率 4 实验表明 在一定范围内 随着型砂紧实率的增加 湿压强度下降 而透气性 增加 由于紧实率反映型砂中水与粘土的比例 并且与型砂的含水量 湿压强度 透气性 流动性 韧性等有密切关系 因此 近年来 型砂紧实率检测很受铸造工作者的重视 第一章所述的国内外各种仪器中 紧实率都是必测项目 2 2 型砂紧实率测试常用方法 型砂紧实率是代表型砂性能的综合技术指标 但型砂紧实率的现有测试方法中 除 了人工手握和观察颜色之外 其最简便的测试方法就是采用 冲击实验法 其中 紧 实率是用型砂试样被紧实的前后其高度变化的百分比来度量的 其方法如图2 1 所示a 薪型型砂紧实率快速智能测试仪的开发 测定紧实率时 首先到生产现场对混碾完毕的型砂进行取样 然后回到宴聪 座 a 填满型砂 b 刮去多余型砂 c 紧实 图2 1 冲击实验法 f i g u r e 2 1i m p a c te x d e r i m e n t a t i o n 型砂通过带有6 目漏斗型筛子 筛孔面积大约5 5 m m 2 的型砂投入器中 落入到有效 高度为1 2 0 r a m 的圆柱标准试样试筒内 筛底到标准试筒的上端为1 4 0 m m 见图2 j 此时简内的型砂十分松散 其密度称为堆积密度 接着用刮刀刮去筒顶多余的型砂 然 后将装有型砂的试样筒连同底座一起放在锤击式制样机上冲击三次或用液压制样机以 1 m p a 1 0 k g f c m 3 的压力压紧 型砂体积被压缩的程度 即为紧实率 以百分比表示 其数值可以直接从制样机上方的刻度盘上读出 也可以用钢板尺量出被压缩的距离 试 样筒上端到试样上表面的距离 用下式计算获得型砂的紧实率数值 h t h 2 l o 嗷o 2 1 扛 式中 一一试样的紧实率 日一一试样紧实前的高度 m m 殇一一试样紧实后的高度f m m 上述实验过程耗时长 速度慢 操作繁琐 一般是用在实验室中对型砂质量进行描 检 整个过程从现场取样开始约需要数分钟以上 难以满足生产过程中快速测量以便指 导现场生产的要求 近年来 国内外的各种型砂性能检测控制系统中 对紧实率的检测基本上是根据上 述的 冲击实验法 进行改进的 因此 没有摆脱对型砂试样施加大约1 m p a 压强的要 求限制 而产生如此大的压强则一般需要液压系统 从而使得仪器重量大 结构复杂 价格昂贵 9 j 登型型g 燮婴氅一 的鼻 黧耋耄 翌妻苎竺法 的测试过程 本文可以确定 在 定高度过筛的目 譬芸羹霎詈篓测苎竺竺篓孥警度均匀一致 冲击则是在被测荔毒晶蕃积磊五需菇罢美昱 黧耄霎翼萎二竺慧氅 下对砂样做等量的功或施加一定的基 嚣罢篡 罢砂耄娄妻凳忽 竺 保持不变时 定初始密度的型砂磊i 毒嚣晶磊麓 下 紧实距离对紧实前高度 3 的百分比 本文的型砂紧实率快速 测试方法就是根据这一原理 提出 然后结合采用力传感 器 位移传感器 液晶显示 器以及智能运算电路等实现 的 其工作原理如图2 2 所 示 测量开始时 取待测散 砂装满试筒并抹平 然后用 手垂直对冲头施加压力 此 时 位移传感器测得冲头下 移距离 同时力传感器测得 砂样所受的压力 当压力达 到某 预定的p 值时 例如 图2 2 型砂紧实率快速测试方法原理 f i g u r e 2 2t h e p r i n c i p l eo f q u i c k l y t e s t i n gf o rs a n d c o m p a c t a b i l i t y 液晶显示器 元件仓 单片机 外 围处理电路 滑动孔 型 置下此时对应的砂样高度日 随着手施压力的加大 当达到另一个预定的p 纂曼 婴竺 8 0 n 冀样高度变为仍 此时即可通过相应的数据运算 1 z 量i g i l l 1 y 二o 竺型篓竺竺篓誊率誓值 实际上 传感器对竹 岛 奶 仍等参数的自动测量和运算 曼譬要竺苎劈处理计算是相当迅速的 所以 下压的动作完成以后 紧实率磊面薹 薹 萼量彗 皇动导蚕出来 由上可见 与现有方法相比 这一新方法不需人为 并 主杀 竺苎 专 尊算 也不需远距离 取样 把对型砂紧实率的测量过程磊 i 夏磊差 兰耋蛩兰 娶样 定量 和 下压 三个步骤 整个测量过程在几s 内即 凳矗 萎 能得到直观的数字显示结果 一 坌析上述过程 由于试筒的几何尺寸亦即型砂试样的受力面积保持不变 因此 p 篓二苎 也要是型砂试样的初始密度一定 亦即p 值的采用保证了每次测试时型砂 竺密霎堂 警j 因此省略了以往的 过筛 工序 在此基础上继续施加压力使之达茹 b 型砂试样的高度则由玩变化到正b 与现有并广泛使用的实验室测试方法奚似 一磊 1 0 新型型砂紧实率快速智能测试仪的开发 是 本文采用的方法对压强没有要求限制在1 m p a 左右 从而对p 和n 值要求不太大 因而用手施压即可 而无需使用结构相对复杂的液压系统或者重量较大的冲头来产生压 力 本文采用了机电一体化技术 许多步骤由人工完成改为自动进行 从而使测试速度 大大加快 同时由于免除了 过筛 和 冲击 工序 测试仪得到箍化 非常便于现场 携带使用 2 4 型砂紧实率快速测试仪的结构设计 2 4 1 本仪器总体结构 根据本文提出的紧实率快速测试原理 本文设计的新型便携式型砂紧实率测试仪的 结构如附录a 所示 整个仪器装置主要由定位机构 联结杆 冲头 试筒及力传感器 位移传感器 单片机信号处理电路和液晶显示器组成 仪器的顶端是元件仓 除力传感 器和位移传感器外 所有电子部件包括液晶显示器和电池均装置于元件仓内 定位机构 用于保持冲头与试筒的运动定位 定位机构可以在冲头中的滑动孑l 中上下自由活动 力 传感器设置于冲头的冲压端 这样有利于减少摩擦力对测量精度的影响 其作用是测量 冲头对试简中的砂样施加的压力 位移传感器用于测量冲头的移动距离 力传感器和位 移传感器输出的电压信号连接至信号处理电路 单片机不仅完成对压力测量值和位移测 量值进行采样与计算 还能直接驱动液晶显示器 将最终计算结果送至液晶显示器 直 接显示出测试结果 为减轻仪器的重量 方便携带 仪器的冲头 外筒和隔板采用质量较轻的尼龙或a b s 塑料 其中 仪器的外筒采用a b s 塑料 成品的圆筒 减少了加工的步骤 而且其外表 也洁白美观 仪器冲头 隔板和力传感器下沿的绝缘板都采用同一棒材的尼龙加工 由于在实际测量中 仪器的精度决定于位移和力的测量 其直接影响最终的结果 因而力传感器和位移传感器的选取与设计显得非常重要 既要保证结构尺寸与仪器的便 携性这一特点相符 又要保证测量精度达到要求 因此 在以下的两个小节中 本文详 细介绍力传感器和位移传感器的设计 2 4 2 力传感器的设计 一 力传感器m 作为六大敏感传感器之一的力传感器其种类较多 按照工作原理可以分为电阻式 应变式 压阻式和电位器式 电感式 压磁式 电容式 磁电式 霍尔式 压电 式 表面声波 s a w s u r f a c e a c o u s t i cw a v e 光纤 薄膜 连续膜 力传感器等 压电式传感器的工作原理是以某些物质 如石英等单晶体和人造压电陶瓷等多晶 第二蕈测试仪器的基本原理以及实现方案 体 的压电效应为基础 将压力等被测量转换为电信号输出的滑动式传感器 压电式传 感器的压电转换元件是一种典型的力敏元件 具有自发电和可逆两种重要性能 而且体 积小 结构简单 工作可靠 固有频率高 灵敏度和信躁比高等优点 虽然压电式传感 器无静态输出 不能测量静态物理量 但是可以通过前置放大器电路等办法来扩大传感 器的低频特性 使其可以测量准静态物理量 经过分析上述的几种常用的力传感器的性能 结构特点等 并比较其优缺点 结合 本仪器的具体实际要求 压电式传感器较为符合本文的要求 二 压电式传感器工作原理 2 1 j 压电效应 当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时 晶体相对的两个表面会出现等量的异 号电荷 科学家把之称为压电现象 具有压电现象的介质称为压电材料或压电元件 常见的压电材料有石萸 钛酸钡 锆钛酸铅等 它们在一定的方向上被施加机械力 作用而产生变形时 就会引起它们内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化 从而导 致其两个相对表面 极化面 上出现符号相反的束缚电荷 当外力消失后 又复还不带 电状态 当外力变化电荷极性随之变化 这种现象即为压电效应 2 压电效应的数学表示 根据文献 3 1 在压电晶体的电轴 工 方向作用力只后 便在垂直z 轴的晶面上产 生电荷 其大小与作用力大小成正比 与几何尺寸无关 q d l c 2 2 式中 d 为x 轴方向受力时的压电系数 图2 3 晶片上电荷符号与受力方向的关系 f i g u r e 2 3t h e r e l a t i o nb e t w e e n c h a r g es i g na n d t h ef o r c ed i r e c t i o n a c t e do l lt h ew a f e r 当在同一晶面上沿机械轴方向施加外力 时 产生电荷与晶片的凡何尺寸有关 g 以 f f 2 3 新型型砂紧实率快速智能测试仪的开发 式中 t 为晶片厚度 d 为y 轴方向受力时的压电系数 晶片上电荷的符号与受力方向的关系如图2 3 所示 对于压电元件相关的压电方程 压电常数矩阵以及变形方式等知识 可参考文献 3 1 三 本仪器的压电式力传感器结构设计 l 压电材料及其变形方式的选择 压电材料的主要特性参数主要包括压电常数 弹性常数 介电常数 电阻和居里点 等 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数 它直接关系到压电传感器输出的灵敏度 弹性常数决定着压电器件的固有频率和动态特性 对于一定形状 尺寸的压电元件 其 固有电容与介电常数有关 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限 居里点是压电 材料开始丧失压电性的温度 具有较强的压电性能的压电材料 目前主要是石英压电晶 体 s i 0 7 和压电陶瓷 曰口a 0 j 压电石英晶体主要性能特点是 压电常数小 其时间和温度稳定性极好 常温下 几乎不变 机械强度和品质因数高 许用应力高达 6 8 9 8 1 0 7 p a 且刚度大 匿i 有 频率高 动态特性好 居里点5 7 34 c 无热释电性 且绝缘性 重复性均好 常用于 精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体 特点是 压电常数大 灵敏 度高 制造工艺成熟 可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的牲能 成 形工艺好 成本低廉 利于广泛应用 压电陶瓷除有压电性外 还具有热释电性 所以 对高稳定的传感器 压电陶瓷的应用受到限制 压电材料的选择决定于所测力的量值大小 对测量误差提出的要求 工作环境温度 等各种因素 在仪器的实际设计中 所测力值不大 要求精度一般 工作环境不恶劣 结合仪器结构和成本要求 本文选用压电陶瓷压电元件 这里选用n 7 系列的丁卜叫型 锆钛酸铅压电陶瓷 p z 卜年 它的内孔直径为1 3 m m 外园直径为3 4 r a m 厚度为5 m m 其外形如图24 所示 它的参数如下 图2 4 t y 一4 型锆钛酸铅压电陶瓷 p z t 4 f i g u r e 2 4t h e t y 4 t y p eo f p z t 一一 箜三望型望堡壁塑兰查星翌坠垦塞墨查壅 压电常数 1 0 1 2 c n 吐j 3 5 0 破 1 6 0 d l 5 0 0 相对介电常数 1 4 0 0 s j 1 5 5 0 居里温度c c t c 3 2 0 弹性柔顺系数 1 0 2 m 2 小 s t 1 2 6 繇 1 5 8 介电损耗 0 0 0 5 体积密度 k g m 3 p 7 6 0 0 从优化设计和择优选用压电传感器考虑 根据压电常数的大小来确定压电陶瓷的变 形方式 由压电陶瓷的压电常数矩阵 3 可以看出在取极化方向为 轴方向的前提下 对于压电陶瓷 厚度剪切变形 瑚的压电效应最强 d 5 0 0 其次是厚度伸缩变形 d 3 5 0 长度伸缩变形最差 d 3 1 6 0 对于本文选用的压电陶瓷片 根据其实际形 状和尺寸 为安装方便 本文采用厚度伸缩变形方式 r e 方式 固定螺栓 电极1 压电陶瓷片 电极2 基座 图2 5 压电力传感器的结构示意幽 f i g u r e 2 5t h ec o n f i g u r a t i o no f p i e z o e l e c t n c i t yp r e s s u r es e n s o r 2 压电力传感器的结构设计 综合仪器本身的几何尺寸 所选用的压电陶瓷片的结构尺寸以及变形方式 本文所 设计的压电力传感器的结构如图2 5 所示 其中 基座为受力面 同时也作为整个仪器的冲头 它由与仪器内筒相同的尼龙材 料制成 起密封和屏蔽作用 它直接与型砂接触 将所受的压力传递给压电陶瓷片 电 极2 为非常薄的金属片 电极l 也是受力面 采用比重较大的金属质量块 可以结合固 定螺栓对压电陶瓷片簏加一定的预紧力 一方面可以消除压电陶瓷片内外接触间隙 提 高静 灵敏度和线性度 动态特性 另一方面利用预紧力对外力的分载原理 用它来实 现对外力的分载调节 用以改善传感器的灵敏度 线性度或量程 结构设计时应注意的问题 1 为减少横向干扰 安装平面应该保证传感器的法线方向与受力方向相一致 图 中的电极l 电极2 和基座的平面尽量加工平滑 在其间涂以硅脂 可以增加 表面接触刚度和受力均匀性 另外 电极l 与仪器内筒的接触平面保持与受力 新型型砂紧实率快速智能测试仪的开发 方向尽量垂直 2 因为实际使用时 基座要与型砂接触 为防止型砂进入传感器内 影响测量线 性度 基座外径 即内筒的外径 与外筒的内径差应尽量小 以刚好能上下自 由移动为佳 四 传感器的电路设计 1 压电式传感器的等效电路 本仪器使用的压电传感器是典型的有 源传感器 其等效电路如图2 6 其中 等 效电容量为 c 三拦 2 4 f 式中 s 极板面积 f 压电片厚度 危二l 压电材料 a b 图2 6 压电元件等效电路 f i g u r e 2 6t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f p i e z o e l e c t r i c i t ye l e m e n t g 空气介电常数 值为8 8 5 1 0 1 2 f m 压电材料的相对介电常数 随材料不同而变 对于本文选用的t y 4 型p z t 4 a b 图2 7 放大器输入端等效电路 f i g u r e 2 7t h ee q u i v a l e n t c i r c u i t so fi n p u ta m p l i f i e ro f p i e z o e l e c t r i c i t y s e n s o r 其等效电容c i 9 2 x 1 0 3 p f 文献 3 1 指出 可以把压电式传感器等效成一个电源u q e 和一个电容为e 的串