磁致伸缩传感器在液压机控制系统中的应用.pdf

务I 生 匐 似 抽 蛔 磁致伸缩传感器在液压机控制系统中的应用 Appl i ca t i on of m agnet ost r i ct i v e di spl acem ent s ensor i n cont r ol s ys t em f or h y dr aul i c m achi n e 刘燕‘ ，刘志 L I U Y a n ’ ，L I U Zh i 1 ． 常熟理工学院 电气与自动化学院，常熟 2 1 5 5 0 0 ；2 ． 兰州兰石换热设备有限责任公司，兰州 7 3 0 0 0 0 摘要 板片压制是板式换热器生产最关键、最主要的步骤，要求压制后的槽深公差在全板片面积上不 得超过允许值。液压机上工作台与下工作 台在工作过程中平行是保证板片高精度加工的前 提。本文介绍了传统液压机在板片压制中存在的问题，阐述了磁致伸缩位移传感器的测量原 理及其在液压机上的应用 ，给出了基于磁致伸缩位移传感器测量的液压机控制系统的原理。 实际运行表明 ，改造后的液压机在板片加工中具有精度高、性能稳定的特点，长期运行能够 保证板片压制槽深公差的要求，具有行业推广价值。 关键词磁致伸缩传感器 ；液压机；板片；控制系统 中图分类号T H 1 3 8 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 4 上 一0 0 4 2 0 4 0oi 1 O ． 3 9 6 9 } ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 2 ． 4 E． 1 4 t 0 引言 板 式换热器是 液一 液 、汽一 液进行热 交换 的 理 想设备 ，具有加热 、冷却 、热 回收和快速 灭菌 等多种 用途 。板片是换热器 的基本组件 ，随换热 器类型 的不同 ，板片的形状 、大小和加工方式均 不 同。核 电厂所用的热交换器多为完成换热和冷 却功用 的大型设备 ，构成这些热交换器 的板热板 片 多为尺 寸较大的金属板材 ，加工时将其置入压 制模具 中，经万吨液压机压制而得到 。板片压制 精度要求 高，其 沟槽深 度一般 为4 mm，槽深公差 在全板片面积上不得超过 0 ． 1 O mm。为了保证压 制后板片上 沟槽 深度的一致性 ，要求液压机 的上 工作 台与下工作 台在压 制过程 中必须保持一定的 平行度 。以往 大型液压 机采用滑块控制上工作 台 与下工作 台的平 行度，由于滑块存在研磨现象 ， 工作一段 时间后 ，加 工的扳片沟槽即 出现深浅不 一 、超过 公差要求的情 况 。为 了改变这种状况 ， 需要对液压机 的结构 及控制方式进行改造 以实现 扳片高精度加工的要求。 1 液压机的工作过程及磁致伸缩传感 器的应用 1 ． 1液压机的工作过程及其控制方式 板 片加工 一般 采用框板式液压机 。框板式液 压机主要 由主机及动 力机构两 大部分组 成 。其 中 主机 部 分 包括机 身 、框板 、上 工作 台 、下 工作 台 、主缸和充液装置等 ；动 力机构 由油箱、高压 泵 、低压控制 系统 、电动机及 各种压 力阀和方 向 阀 等组 成 。液压 机 一个 工作 过 程 由六 个部 分 组 成 ，即 主 缸 快 速 下 行 、主 缸 慢 下 加 压 、压 制 、 保 压延时 、主缸卸压和主缸 回程 。其控制 系统 采用 按钮集 中控制 ，可实现调整 、手动及半 自动 三种 工作方式 。 主 框板 图1液压机的结构 收稿日期2 0 1 1 -0 9 - 0 5 作者简介刘燕 1 9 6 4一，女，山东济宁人，教授，硕士，主要从事自动化专业和电力系统 自动化专业的教学与研究 工作 。 【 4 2 l 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 - 0 4 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 訇 ,tb 框式液压机一般 由两个主 油缸组 成 ，两个主 油缸 在驱动上工作台上 下移动的过程 中很难保持 同步 运行 。以往 采用 滑 块控 制上 工作 台在 整 个 加工压制过程 中与下工作台的平行度 ，这种方式 在应用一 段时间后，上 工作台与板框问的滑块在 一 侧会 产生研 磨现 象，而在另一侧出现较大的间 隙，这时液压机的上工作台与框板问就不能保持 垂直，压制后的扳片沟槽公差超过允许值。 磁致伸缩传感器是应用磁致伸缩原理研制而成 的新一代测量传感器，其测量能达到计量级精度。 在液压机的上导柱上安装四个磁致伸缩传感器，结 构如图l 所示 。由磁致伸缩传感器检测液压机在加 工过程 中上工作台的运动位移，通过P L C 控制上工 作 台上的四个方 向阀，根据量测的数据 ，方 向阀随 时调 整液 压机 上工作台与下工作台的平行度 ，从 而保证扳片加工的要求 。液压机控制 系统如图2 所 示 。P L C 采用西门子的S 7 3 0 0 ，比例方向阀采用力 士乐的4 WR E E 二位四通阀控制 ，磁致伸缩传感器 采用康宇公司生产的KY DM系列。 e 操 作 箱 按 钮 卜 S 7 _30 O I 磁 致 伸 缩 传 感 器 卜 可 - 4比 例 方 向 阀 编 l 磁 致 伸 缩 传 感 器 2 F - - 程 - 4比 例 方 向 阀 z 控 磁致伸缩传感器 3 卜． 制 - 4比 例 方 向 阀 s 器 - 4比 例 方 向 阀 磁 致 伸 缩 传 感 器 4卜 ． 图2 液压机测控 系统 1 ． 2磁致伸缩传感器的工作原理 磁致伸缩传感器 是基 于磁致伸缩和逆磁致伸 缩效应而检 测位移量 的传感器 。磁致伸缩传感器 主要有波导丝 、测杆 、电子仓和套在 测杆上 的非 接触磁环 内有永久磁铁 组成 。当传感器工作 时 ，电子仓 内的 电子 电路产生一 “ 起始脉冲 ”， 此起 始 脉冲 沿磁 致 伸缩 线 波导 丝 以恒速 传 输 ，同时产生一沿着波导丝跟随脉冲前进的旋转 磁 场 ，当该磁 场 与 定位 装置 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 内的信号处理机构感知并 转换成相应的 “ 终止脉冲 ”，通过计算 “ 起始脉 冲 ”与相应 “ 终止脉冲 ”之问的时间差 ，即可精 确 测出其 位移量。磁 致伸缩传感器在读 出活动磁 铁的位置后 ，经 内部电路转换成一个2 4 ＼ 2 5 ＼ 2 6 位格 雷码或二进制 的串行数据 ，将数据可直接传送到 PLC。 由于磁 致伸缩位移传感器的磁致伸缩波导管 与活动磁环不直接接触 ，因此在高温 、高压和高 电磁干扰等恶劣环境下也能正常工作 。磁致伸缩 传感器 的输 出是真正 的绝对位置 ，不需要定期重 新标定和维护，测量过程 中也无需重归回零位 。 2 基于磁致伸缩传感器测量的液压机 控制原理 ‘ 液压机压制板 片的一 个工作循环 由六个部分 组成 ，即主缸快速下行 、主缸慢下加压 、压制 、 保压延时 、主缸卸压和主缸 回程 。为 了保证板片 的压制精度 ，加工过程的控制要求如下 1 液压机 充液 装置打开 主缸靠 自重快 速下 行 ，4 个磁致伸 缩传感器 测量下行位 移量 ，通 过 P L C 分别调整4 比例 方向阀，以达到上下工作 台的 平行度要求 。 2 液压机滑块慢下加压 ，磁致伸缩传感器测 量 ，方 向阀继续调整台面 ，以保证接触工件时的 平行度 。 3 接触工件进行压制 ，因主缸压力大 ，磁致 伸缩传感器停止工作 。 4 达到设定压力开始保压。 5 保压延时到卸压回程 ，磁致伸缩传感器测 量 ，方向阀继续调整台面 ，以防止上工作台在抬 起时横向搓工件 。 6 回程到位后停止工作。 图3液压机工作过程控制程序 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 0 4 上 [ 4 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 造 訇 化 其控制程序如图3 所示。用M5 ． 1 表示液压机工 作在手动状态 ； I 1 ． 0 、 I 1 ． 1 、 I 1 ． 2 、 I 1 ． 3 分别 为液压机快下 、慢下、压制和 回程过程的输入 ； 辅助继电器M2 0 ． 1 、M2 0 ． 2 、M2 0 ． 3 、M2 0 ． 4 接通分 别表示上工作 台在工作过程 中的位移区段 ，即主 缸 超 上 限 区 、快 速 区 、慢 速 区 、压 制 区 ；M1 ． 0 、 M1 ． 1 、M3 ． 1 、M1 ． 3 、M1 ． 6 分别为液压机 的工作状 态控制 ，即快 下动作、慢下动作 、常压 、保压和 回程 。 根 据控制要求上工作 台在快下动作 、慢下动 作 、保压 和回程四个动作过程 中要随即调整 比例 阀 ，以保 持 上工 作 台与 下工 作 台的 平 行 。采用 F C1 1 、F C1 2 位移功能块指令完成比例阀的调整， 且 以 比例 阀 1 的输 出作为基 准 ，分 别调整 比例 阀 2 、3 、4 的输 出。比例 阀1 的控制程序如图4 所示； 比例 阀2 、3 、4 的控 制程 序如 图5 所 示 。程 序 中 I N P QW 、 I N1 为磁致伸缩传感器1 的实 测值 ， I N2 分别为磁致伸 缩传感器2 、或3 、或4 的实 测 值 ；OUT V为 比例 阀的输 出。MOVE 为数据传输 指令 ；I DI 为整数变换为长整数指令 ；DI R将整 数变换 为浮点数 指令 ；DI V R为将浮点数转换 为 0 - 1 0 V的实数输 出指令 。 F C 1 1 位移功能块程序功能 根据磁致伸缩传 感器l 的测量值控制比例阀1 的输出。 位移 P Q 快 F动作 磁致 ‘ 怪下动作 传感器J I l L v - -I - - - - - 一 0 保 压 一 程 动作 - 霉 l ； 图4 F CI l 位移功能块程序 F CI 2 位移功能块程序功能磁滞传感器2 或 3 、或4 的测量值减去磁滞传感器 1 的测量值作为 检测时的偏差值 ，若偏差大于2 0 mm，则输 出超差 指示 ，液压机停止工作。 将磁致伸缩传感器 1 的实测值加上其他各传感 器 与传感器1 的偏差值作为相应比例阀调整的对应 值 。若磁致传 感器2 或3 、或4 比磁致传感器1 下落的慢 ，就将 比例阀2 或3 、或4 开大一点 ， 下落行程加快 ；反之则开小一点 ，行程减缓 。 [ 4 4 1 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 - 0 4 上 12 鞋。 O “ 位 移P Qw “ 快下动 作” V EN E l l 0 1 1 1 王 l l “慢 下动作”I 卜 磁致 0 U T V 瓤 3 传 感器卜 I N 1 “ 保压” I 。 磁 致 C H O C H l i B． ． 6 ．传感器2 一 I N 2 “ 回程动作”l _ _ J 2 超 差指 示 Z 超差指 示 1 “ 同 l l I I 超差指示2 卜 一 超差指示3 f f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 丑 序 摩2杯惠 C H A 0 C } [ ] 。。。。。。 ] 三 三 I 。 一 IHl 偏差值取绝对值 2 ．0 0 0O 0 e 耳序 囊3拓斑 00 1。 I H 2 图5 F C 1 2 位移功能块程序 3 结束语 改造 后的液 压机 控制系统 工作稳定可靠、监 测精度高和维护简单 。一年多的实际运行表明基 于磁致伸缩传感器检 测的液压机控制 系统 ，能够 精确 测量工作 台在运动过程 中的位移 ，准确调整 上工作 台与下工作 台的平行度 ，保证板片加工的 精度，具有行业推广价值。 参考文献 【 1 】刘振东， 梁秀 满． 磁致伸缩位 移传感器在钢丝绳拉 力机 测 控 系统 中的应 用【 J 】 ． 河北理 工 大学学 报 自然科 学 版， 2 0 0 7 ， 2 9 3 6 4 6 8 ． 【 2 】王智强． 彭勇刚． 韦巍 ． 磁致伸缩位移传感器在精密注塑机 上的应用【 J 】 ． 传感器与微系统， 2 0 1 0 ， 2 9 9 1 3 8 1 4 4 ． 【 3 ]杨雅洁， 周丽． 基于磁 致伸缩效应的超声应 力波传感器设 计与优化【 J ] 仪器仪表学报， 2 0 1 0 ， 3 1 1 1 2 4 7 4 2 4 7 9 ． 【 4 】刘燕， 刘 志． 大型板料 加工 自动送料控制 系统 的设计与改 进[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术． 2 0 1 0 1 1 ． 岛● 蠢‘ k ． 蠡I 蠡‘ ． -a O A U 囊‘ ． 矗‘ 岛‘ 岛● 童‘ 蠡I 蠡‘ 童‘ 盎‘ 蠡‘ 岛‘ {蠡‘ 岛‘ 岛‘ 出‘ 【 上接第3 O 页】 5 结束语 基 于模糊客户需求 的个性化产 品定制更能真 实地反映 客户的心声 ，本文应用本体理论 建模的 优 势 ， 结合 相关 检 索技 术 ，对客 户 的个 性化 需 求进行解析 、识 别，最终参数 化客户需求。为普 通 客户和专 业设 计人员之间的交流和反馈建立 了 一 个很 好的平 台，尊重客户需求 ，体现了客户在 个性 化产品定制中的主导作用，并给 出实例 ，阐 述 了其理论 的有效性和实用性。在本文 中遇到 了 文 本的识别、检索 、映射相关理论及技术 ，构造 本体 时节点规 则的控制和反馈 ，及 当客户需求不 满 足时如何反馈 给客户且设 置客户需求特性 权重 等 ，将是下一步研究的重点。 参考文献 【 1 】GI LMORE J H， P I NE B J ． Th e f o u r f a c e s o f ma s s c u s t o mi z a t i o n [ J ] ． H a r v a r d B u s i n e s s R e v i e w， 1 9 9 7 ， 7 5 1 9 1 ～ 1 0 1 ． 【 2 】梁梁 ， 周俊 ， 罗彪 ．MC 模式下 基于顾 客需 求的产 品配 置优 化分析 [ J 】 ． 管理科学学报， 2 0 0 3 ，6 3 5 2 5 6 ． 【 3 】楼健人， 张树 有， 谭建荣． 面 向大批量定制的客户需求信息 表达与处理技术[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 4 ， 1 5 8 6 8 5 - 6 8 7 ． [ 4 】谭建 荣， 齐峰， 张树 有， 等． 基于模 糊客户 需求信 息的设计 检索技术 的研 究[ J 1 ． 机械工程学报， 2 0 0 5 ，4 1 4 7 9 8 4 ． 【 5 】但斌， 姚玲， 经有 国， 张旭梅． 基于本体映射面向模 糊客 户需 求 的产 品配 置 研究 ⋯ ． 计算 机 集成 制造 系统 ， 2 0 1 0 ， 0 2 2 2 6 2 3 2 ． 【 6 】杨沁， 韩江洪， 朱家诚． 个性化产品需求表达模型的研究[ J ] ． 组合机床 与 自动化加工技 术，2 0 0 4 ， 6 5 2 5 5 ． 【 7 】赵 建勋， 张振 明， 田锡 天， 等． 本 体及其在 机械工 程中 的应 用综述 【 J 】 ． 计算机 集成制造 系统， 2 0 0 7 ， 0 4 7 2 7 7 3 6 ． 【 8 】经 有国， 但斌， 张旭梅 ， 郭钢 ． 基 于本体 的非结构化 客户需 求智能解析方法[ J ] 计算机集成制造系统， 2 0 1 0 ， 0 5 2 6 3 1 ． 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 0 4 上 1 4 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m