磁致位移传感器在板材成型控制系统中的应用--【汉魅HanMei—课程讲义论文分享】.pdf

书书书 传感器技术 Journal of Transducer Technology 2005 年 第 24 卷 第 7 期 磁致位移传感器在板材成型控制系统中的应用 马丽霞 曹宏强 赵 军 燕山大学 机械工程学院 河北 秦皇岛 066004 摘 要 介绍了磁致伸缩线性位移传感器的原理及使用方法 给出了该传感器在板材成型控制系统中的 应用实例 并对系统的静态特性及系统控制精度进行了分析与评价 对测试系统进行标定 其相关系数为 0 9999 回程误差为 0 2880 V 满量程电压为 7 0154 V 滞后优于 4 FS 分辨力达 0 002 FS 灵敏度达 65 3 mV mm 控制信号的滞后误差最大为 0 33 mm 关键词 磁致伸缩 位移传感器 板材成型 数据采集与控制 中图分类号 TH822 文献标识码 A 文章编号 1000 9787 2005 07 0080 03 Application of magnetostrictive displacement sensor in sheet metal forming control system MA Li xia CAO Hong qiang ZHAO Jun Coll of Mech Engin Yanshan University Qinhuangdao 066004 China Abstract Magnetostrictive linear displacement sensor s principle and directions for use are introduced The application example of this kind of sensor in sheet metal forming control system is given and static characters and system control precision are analyzed and estimated By the calibration to test system system related coefficient is 0 9999 return error is 0 2880 V full scale voltage is 7 0154 V hysteresis is 4 FS resolution is 0 002 FS sensitivity is 65 3 mV mm maximal control signal s hysteresis error is 0 33mm Key words magnetostrictive displacement sensor sheet metal forming data collection and control 0 引 言 磁致伸缩线性位移传感器是应用磁致伸缩原理研制而 成的 由于磁致位移传感器具有精度高 重复性好 稳定可 靠 非接触式测量 寿命长 安装方便 环境适应性强等特 点 被广泛应用于石油 化工 制药 食品 饮料等行业 特别 适用于要求测量精度高 使用环境较恶劣的位移和液位测 量系统中 作为位移传感器 它不但可以测量运动物体的 直线位移 而且 还可同时给出运动物体的速度模拟信号 磁致位移传感器灵活的供电方式和极为方便的接线方式可 满足工程上各种测量 控制的要求 由于采用非接触测量 方式 不会由于磨擦 磨损等原因造成传感器的使用寿命降 低 在板材成型测试控制系统中 要求测量精度在 100 mm 之内最大误差为 0 5 mm 应用磁致伸缩位移传感器来测 量控制位移量 使测量精度提高 控制位移量的误差减小 提高了板材成型的控制精度 1 传感器的结构与工作原理 磁致伸缩位移传感器的结构如图 1 所示 图中 有 2 个 收稿日期 2004 12 20 基金项目 河北省自然科学基金资助项目 501215 图 1 磁致伸缩位移传感器结构图 Fig 1 Structure diagram of magnetostrictive displacement sensor 磁场 一个来自传感器外面的活动磁铁 另一个来自传感器 内波导丝中的电流脉冲 它使磁致伸缩丝周围产生一个磁 场与 2 块磁铁产生的磁场矢量叠加形成一个螺旋磁场 从 而使波导管发生扭曲 并产生一个应变脉冲 1 由于磁致 伸缩材料是采用圆形截面丝 根据 Pochhammer 的三维弹性 理论 扭转波的圆形截面杆中的传播形式是关于圆柱中心 对称的 其扭矩波速为 Ct G p 1 2 式中 Ct为扭转波速 G 为磁致伸缩材料的切变模量 MPa p 为磁致伸缩材料的密度值 g mm3 08 第 7 期 马丽霞等 磁致位移传感器在板材成型控制系统中的应用 磁致伸缩线性位移传感器工作时 由电子仓内电子电 路产生一起始脉冲 此起始脉冲在波导丝中传输时 同时产 生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场 当这个磁场与磁环 或浮球中的永久磁场相遇时 产生磁致伸缩效应 使波导丝 发生扭动 这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知 并转换成相应的电流脉冲 通过电子电路计算出 2 个脉冲 之间的时间差 即可精确测出被测的位移量 2 测试系统组成 在板材成型的试验研究及生产中 工件的压下量也就 是凸模行程是一个重要的工艺参数 例如 板材自由弯曲 成型工艺中 为了严格控制工件的回弹量 根据不同的材料 不同的弯曲角 其凸模下行量也是不同的 严格控制凸模的 位移量 可以得到高质量的产品 图 2 示出了板材自由弯曲控制系统框图 该系统主要 由磁致伸缩线性位移传感器 数字显示控制仪 数据采集 卡 便携计算机 LabVIEW 测试软件等组成 采集的信号 为凸模行程 H 和弯曲力 p H p 经 LabVIEW 开发平台上的 数据采集控制程序预测出最佳行程 H0 当凸模行程 H H0 时 弯曲继续进行 当 H H0时 D A 卡发出信号控制继电 器断电 弯曲终止 图 2 板材弯曲控制系统框图 Fig 2 Block diagram of sheet metal bending control system 在板材拉深成型工艺中 2 为了在不破裂不起皱的前 提下提高一次成型的极限拉深高度 要对拉深高度和压边 力的变化规律进行严格控制 图 3 为板材拉深成型控制系 统框图 测试对象为凸模行程即拉深高度 H 以及压边力 Q 拉深力 p 测得的参数经 LabVIEW 采集控制程序预测出 不起皱 不破裂的最大拉深高度 H0和最佳压边力控制规律 QC H 通过判断 H H0或 H H0 D A 卡发出信号 液压 系统换向阀换向 拉深终止 图 3 板材拉深控制系统框图 Fig 3 Block diagram of sheet metal deep drawing control system 3 信号采集模块与控制模块的选配 本测试系统采用 LabVIEW 软件编程 位移信号采集模 块与控制模块均根据本系统的要求进行选取设置 3 1 模拟输入模块 在位移信号采集程序中 选用中级模拟输入 VI AI Single Scan 执行多通道单点采集 该模块的信道设置选用 已经设定的磁致位移传感器信道 该 VI 与 AI Config VI 一起使用 将 AI Config VI 放在 While 循环外边 设 置通道 选择输入极限 并产生一个任务标识程序 把任务 标识程序和出错信息传递到 While 循环中 循环内调用 AI Single Scan VI 采集扫描一次的数据 这些数据传递 到 My Single Scan Processing VI 中 3 2 数字输出模块 控制模块调用数字输出模块 While to Digital Line vi 4 在该模块的信道设置选用事先设定的信道 digital I O H0为程序中经过计算预测出的最佳行程 H 为磁致位移传 感所测得的瞬时行程 将 H 与 H0进行比较 当 H H0时 条件端子输入为 True 循环继续进行 当 H H0时 条件 端子输入为 False 循环停止 同时 数字输出模块输出一 个低电位信号 继电器断电 弯曲终止 或换向阀换向 拉深 终止 4 测试系统特性曲线与性能改善 对测试系统进行了标定 输入 输出特性曲线如图 4 上行曲线与下行曲线线性相关系数均为 0 9999 线性度满 足测试系统要求 回程误差最大值为 0 2880 V 满量程电 压为 7 0154 V 滞后优于 4 FS 分辨力为 0 002 FS 灵 敏度达 65 3 mV mm 18 传 感 器 技 术 第 24 卷 图 4 测试系统输入 输出特性曲线 Fig 4 Characteristic curves of output and input of measurement system 设定 H0为一系列值 当满足 H H0时 控制系统发出 信号 板材成型终止 此时 各执行元件的信号会稍有滞 后 实测值与控制值有误差 其结果见图 5 对于此误差可 图 5 控制信号滞后曲线 Fig 5 Hysteresis curve of control signal 在最佳预测值中将其消去 即 H0 H 0 H 0为预测值 为控制系统滞后误差 滞后误差最大值为 0 33 最小值 为 0 07 经试验验证 该传感器在板材弯曲及板材拉深控 制系统的应用中 测试控制精度均达到要求 5 结束语 通过对测试系统进行标定 其线性度 灵敏度 分辨力 滞后均在精度要求范围内 控制信号的滞后误差在行程 70 100 mm时最大 为0 33mm 在最佳预测值中减去这个 误差 使滞后误差得到消除 测试精度范围及控制反应速度 均满足了板材成型控制的要求 由于具有非接触式及现场 适应性好等特点 磁致伸缩线性位移传感器可推广应用于 金属锻造成型 金属挤压成型 塑料制品成型等加工工艺的 数据采集与控制中 参考文献 1 黄 卉 肖定国 理 华 等 磁致伸缩式扭转超声波位移传 感器的研究与设计 J 仪表技术与传感器 2002 6 4 5 2 马丽霞 曹宏强 赵 军 圆锥形件智能拉深实验系统的研 究 J 燕山大学学报 2004 28 5 384 387 3 石博强 赵德永 李 畅 等 LabVIEW6 1 编程技术实用教 程 M 北京 中国铁道出版社 2002 188 241 4 Bishop R H LabVIEW6 1 实用教程 M 北京 电子工业出版 社 2003 110 118 作者简介 马丽霞 1957 女 黑龙江哈尔滨人 燕山大学机械工程学 院高级实验师 研究方向为板材成型及测试技术 上接第 77 页 5 结束语 利用光电编码器实现对剪切钢板长度的测量 通过对 其输出脉冲信号进行倍频处理 可大大提高测量精度 获得 理想的控制效果 此外 对拖动电机的制动和电磁干扰采 取更加有效的措施 可进一步提高测量精度 参考文献 1 黄继昌 徐巧鱼 张海贵 等 传感器工作原理及应用实例 M 北京 人民邮电出版社 2000 278 280 2 陈伯时 电力拖动自动控制系统 M 北京 机械工业出版 社 2003 117 209 作者简介 侯崇升 1967 男 山东潍坊人 副教授 主要从事电力电子 和自动控制系统方面的教学与应用研究 上接第 79 页 由于采用的是脉冲反射法 所以 探头到钢板的距离为 d 1 2 vt 7 从触发脉冲发出开始计时 采样间隔为 10 ns 到接收 到的有效回波 即回波达到一定的阈值 停止计时 便得到 时间 t 结果表明 测得的距离值与真值 卡尺的读数 的 偏差减小 准确度提高 3 结 论 本文所采用的小波分析方法可以有效地对超声回波信 号进行分析和处理 通过 NI5112 数据采集卡采来的数据 得出超声回波有较大的噪声