磁致位移传感器在板材成型控制系统中的应用

磁致位移传感器在板材成型控制系统中的应用
作者：马丽霞；曹宏强；赵军





       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中有 2个磁场 ,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。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。

       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。

板材自由弯曲控制系统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、LabV IEW 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 LabV IEW 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。

       在板材拉深成型工艺中 ,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 LabV IEW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。

3、信号采集模块与控制模块的选配

       本测试系统采用 LabV IEW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“V I2A ISingle 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“V I”“与 A I Config V I”一起使用 ,将“A I Config V I”放在“W hile”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“W hile”循环中 ,循环内调用 “A I Single Scan V I”采集扫描一次的数据 ,这些数据传递到“My Single Scan Processing V I”中 。

3. 2　数字输出模块

       控制模块调用数字输出模块“While to D igital L ine vi”。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 ,输入输出特性曲线中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. 288 0 V,满量程电压为 7. 015 4V,滞后优于 4 % FS,分辨力为 0. 002 % FS,灵敏度达 65. 3mV /mm。

       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。对于此误差可在最佳预测值中将其消去 ,即 H0 = H′- Δ, H′为预测值 , Δ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70～100mm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。





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