磁致伸縮位移傳感器在精密注塑機上的應用*

王智強，彭勇剛，韋 巍

(浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

0 引言

精密注塑成型是用控制精密螺桿的運動來間接控制模腔送料的速度和壓力，以確保成品的質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量不僅體現(xiàn)在外形尺寸上，同樣對制品的密度、應力，以及表面都有相應的要求。對于精密注塑機來說，位移控制無疑是最為重要的一部分，它直接影響塑料制品的質(zhì)量，而由其表征的速度也關(guān)系著制品的內(nèi)在品質(zhì)和生產(chǎn)效率。比如在射膠時，用于控制射膠螺桿的位移來控制熔融物料的用量，以保證精密注塑計量準確;準確控制開鎖模是精密注塑的必要條件，若位置不夠準確，則可能產(chǎn)生不完全合模，不能完成注塑。此外，為了得到密度均勻，應力小的塑料制品，必須嚴格控制速度來滿足注塑工藝要求［1］。如必須在熔融狀態(tài)將物料快速充滿整個模腔，如果此時射膠速度變慢，充模時間長，制品容易產(chǎn)生冷接縫，密度不均，應力大等缺陷。但是，若是射膠速度過快，熔融物料容易在澆注口處形成不規(guī)則的流動，并造成空氣吸入和排氣不良等現(xiàn)象而直接影響制品的表面質(zhì)量。因此，有效控制注射位置及其表征的速度對于精密注塑來說是非常重要的。

然而，對于傳統(tǒng)的注塑機來說，位移傳感器往往采用電子尺，其原理與電位器相似，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，故廣泛用于注塑機上。但電子尺的參考電壓將直接影響信號精度，在注塑加工現(xiàn)場，會有復雜的電磁和電壓波動干擾，對測量精度影響甚大;另一方面，對于大型注塑機，須配備的電子尺必定很長，有的長達2500 mm，甚至更長。對于精密注塑機來說，位移控制精度要達到0.01～0.1 mm，這里以1000 mm的尺子為例，對應電壓值為0.5 mV，這樣就提高了AD采樣分辨率的要求，增加了PCB布線的難度，同時對電源也提出了更高的要求。此外，傳統(tǒng)注塑機的位置尺還存在穩(wěn)定性差、重復性差、易磨損、安裝復雜等問題。因此，將非接觸式的磁致伸縮式位移傳感器應用于注塑機，可以實現(xiàn)大尺度范圍內(nèi)的精密測量，同時該傳感器還配備有CAN，SSI等數(shù)字接口，采用數(shù)字傳輸，最大程度上減少了精度在傳輸過程中的損失。

1 磁致伸縮測量原理

磁致伸縮技術(shù)原理如圖1，它利用2個不同的磁場相交產(chǎn)生一個應變脈沖信號，然后，計算這個信號被探測所需要的時間周期，換算出準確的絕對位置。這2個磁場一個來自傳感器外面的活動磁鐵，另一個來自傳感器頭部固有的電子部件產(chǎn)生的電流脈沖。當2個磁場相遇時，所產(chǎn)生的一個應變脈沖會以聲波的固定速度返回電子部件的感測線圈，通過測量電流脈沖從產(chǎn)生到感測到返回的應變脈沖所需的時間，再乘以聲波的速度，便能準確地計算出位置磁鐵的變動。利用此法所得的是絕對位置讀數(shù)，免除了放大器環(huán)節(jié)，因而不存在信號漂移或變值的情況，而且不需要定期重新標定。同時，非接觸式的測量消除了機械磨損的問題，保證了最佳的重復性和持久性。此外，該傳感器非常適合在內(nèi)置高壓的液壓或氣動環(huán)境中使用，具有很強的抗震性能，且測量誤差最大為50μm，整體線性度不超過10μm，且采用數(shù)字接口傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能。不僅如此，該傳感器兼具測量速度的功能，為注塑過程的速度控制提供了方便，并節(jié)省CPU的處理時間。

圖1 磁致伸縮原理Fig 1 Principle of magnetostrictive displacement sensor

2 系統(tǒng)總體框架與硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體框架

注塑機控制系統(tǒng)采用ARM+DSP雙核控制，ARM負責人機交互，DSP負責底層實際控制［2］。位移傳感器具有模擬電壓信號，SSI和CAN等數(shù)字接口，本系統(tǒng)采用CAN接口，使DSP與多路位移傳感器構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡，通過編程可以實現(xiàn)對相應的位移進行定時采樣，設置零點等，為注塑機精密控制提供了足夠的采樣精度。

圖2為注塑機關(guān)于位置控制的系統(tǒng)框圖。位移傳感器將注塑過程中的位置、速度信號，如，開模位置、開模速度、射膠位置、射膠速度等轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過CAN接口送入DSP控制器。DSP將位置信號通過串口發(fā)送給上位機進行實時顯示，同時，根據(jù)傳感器輸出的位移和速度數(shù)據(jù)，控制DA輸出和相應的開關(guān)輸出，進而改變液壓閥，從而達到位移和速度控制的目的。

圖2 注塑機位置控制系統(tǒng)Fig 2 Position control system for injection molding machine

本系統(tǒng)中的微處理器采用Ti的DSP和Atmel的ARM構(gòu)成上、下位機系統(tǒng)。下位機系統(tǒng)以高性能的DSP為核心控制器，主頻最高可達150 MHz，并通過16位AD，DA轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度、高速度。上位機系統(tǒng)以ARM為核心，提供鍵盤，顯示屏等人機接口，方便用戶操作。此外，系統(tǒng)外擴以I2C接口的EEPROM用于存儲用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)，包括位置傳感器零點、使用量程及其他注塑過程參數(shù)等，這些參數(shù)皆可以通過用戶界面進行修改。

2.2 傳感器與控制器接口設計

傳感器與DSP采用CAN總線通信，如圖3所示。DSP中集成了CAN總線控制器，只需要設置1個CAN驅(qū)動器就可以和位移傳感器方便的互聯(lián)。

圖3 基于CAN總線的傳感器連接圖Fig 3 Connection diagram of sensors based on CAN bus

CAN總線是一種多主串行通信協(xié)議，具有很強的干擾能力，可以應用在電磁干擾比較大的場合，非常適合工業(yè)現(xiàn)場［3］。它具有高級別的安全性，可以有效地支持分布式實時控制，通信速率最高可達1Mbps。CAN協(xié)議內(nèi)核CPK的功能主要有2個:根據(jù)CAN協(xié)議對總線上的接收到的信息進行解碼，向接收緩沖器發(fā)送解碼后的消息，以及根據(jù)CAN協(xié)議對CPU需要發(fā)送的消息進行編碼并通過發(fā)送緩沖發(fā)送出去。而消息控制器則是對接收緩沖器里的消息進行判定，以決定是否把消息送給CPU還是直接丟棄。CAN 2.0總線規(guī)范定義了2種不同的數(shù)據(jù)格式，具有11位標識符的標準幀和29位標識符的擴展幀。位移傳感器與DSP之間采用具有11位標識符的標準幀傳送，其幀格式如表1所示。

表1 CAN數(shù)據(jù)幀格式Tab 1 CAN bus data frame format

1位起始域，11位標識符(COB－ID)，1位遠程傳送請求位，6位控制位構(gòu)成控制域，0～8個字節(jié)的數(shù)據(jù)域，其長度由控制位來決定，15位CRC校驗碼構(gòu)成校驗域，3位ACK構(gòu)成應答域，以及7位0構(gòu)成結(jié)束域。

DSP具有32個郵箱用來收發(fā)數(shù)據(jù)，且每個郵箱都可以配置成發(fā)送或者接收方式，標識符、幀數(shù)據(jù)長度都可以配置，同時還有一個可編程接收濾波器屏蔽寄存器，可以接收總線上具有不同標識符的消息，兼具消息保護功能［4］。

2.3 CAN接口通信協(xié)議

DSP與傳感器構(gòu)成主從模式，通信數(shù)據(jù)主要有3種格式:網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)(network management，NMT)，服務數(shù)據(jù)對象(service data object，SDO)，過程數(shù)據(jù)對象(process data object，PDO)［5，6］。

NMT指的是DSP作為CAN網(wǎng)絡的服務器端，對傳感器等客戶端進行控制的服務指令。所有基于CAN協(xié)議的客戶端都必須支持NMT服務，一個CAN網(wǎng)絡只能有一個NMT服務器，它可以對CAN網(wǎng)絡的任意節(jié)點進行啟動、停止、復位，或?qū)φ麄€網(wǎng)絡進行復位。除此之外，它還可以采用定期或者心跳功能對網(wǎng)絡節(jié)點的狀態(tài)進行監(jiān)督，以保證各節(jié)點工作正常。其指令格式為COB－ID—CS—NodeID，依次代表的含義是，11位網(wǎng)絡標識符，具體服務(如，啟動節(jié)點，進入預工作狀態(tài))，節(jié)點號(傳感器節(jié)點號，0表示對所有節(jié)點進行操作)。例如:復位所有傳感器，指令則為0x000－0x01－0x0.

SDO的數(shù)據(jù)部分包含8個字節(jié)，主要是用來配置CAN網(wǎng)絡和相應傳感器的的參數(shù)，如在CAN網(wǎng)絡中的傳感器的節(jié)點號、通信波特率，還有如位移傳感器的零點、最大值限位點、數(shù)據(jù)更新計數(shù)器等。除此之外，通過讀取相應的SDO可以獲得傳感器本身的一些參數(shù)信息，如，位置采樣刻度、最低最高工作溫度等，這些參數(shù)都是只讀信息，不能更改。所有SDO都是基于傳感器的對象手冊(OD)，包含有index，subindex，type，default value，comment等內(nèi)容。OD 中含有很多參數(shù)，但是需要更改的很少，如，本系統(tǒng)中的傳感器僅僅用到設置零點，更新時間，節(jié)點ID，波特率。例如:對傳感器設置零點(傳感器節(jié)點設為1，由OD可知，零點數(shù)據(jù)的index為0x6010，subindex為0x01)，因此，指令代碼為COBID—Service—index—subindex—Data(4 個字節(jié))，即為0x601—0x23—0x10—0x60—0x01—Data(低字節(jié)在前)。

PDO過程數(shù)據(jù)對象，主要用來傳送實時的數(shù)據(jù)，如，本傳感器就可以實時的傳送當前的位置、速度信息。其格式由傳感器定義，前4個字節(jié)構(gòu)成32位數(shù)，表示當前的位置，第5，6個字節(jié)構(gòu)成16位的速度信息，第7個字節(jié)為狀態(tài)信息。要傳送PDO數(shù)據(jù)，這里有2種方法，第1種為同步方式，即主機發(fā)送COB－ID為0x80，數(shù)據(jù)長度為0的遠程幀，從機回應PDO數(shù)據(jù)。第2種是異步方式，即通過SDO設置計數(shù)器時間，然后啟動節(jié)點，節(jié)點就會定時向主機發(fā)送PDO數(shù)據(jù)。

3 基于傳感器的采樣程序設計

傳感器共有3種工作狀態(tài):初始狀態(tài)、預操作態(tài)、工作狀態(tài)。傳感器上電進入初始狀態(tài)，從內(nèi)置的EEPROM中讀取其配置參數(shù)以進入一個可知的狀態(tài)。當所有參數(shù)均已完成初始化，則進入預操作狀態(tài)，此時可以修改SDO參數(shù)，或者發(fā)送NMT啟動命令，使傳感器進入工作狀態(tài)。當傳感器進入工作狀態(tài)就會向DSP定時發(fā)送數(shù)據(jù)，或者在收到DSP的遠程同步幀后發(fā)送數(shù)據(jù)。由于注塑機的位置信號非常重要，其實時性也必須保證。因此，在程序設計時，必須實時取得當前的準確的位置信號，從而做出正確的判斷。注塑機各機構(gòu)中，只有開鎖模的移動速度最大，現(xiàn)今最快可達1 m/s，因此，為了配合CPU的速度和信號的實時性，采樣時間選擇為1 ms，可以將傳感器配置為異步方式，每1 ms向DSP傳送PDO的數(shù)據(jù)，DSP采用中斷的方式，實時地接收當前的位置與速度信息，并用于注塑機的過程控制，同時將位置信息傳送給上位機實時顯示，軟件處理流程如圖4。

圖4 軟件流程圖Fig 4 Software flow chart

4 實驗結(jié)果

應用新型的傳感器與傳統(tǒng)電子尺在注塑機上進行位移測量，對一個固定的位置以1ms的速度進行采樣500次，圖5為磁致伸縮傳感器的位移測試結(jié)果，圖6為傳統(tǒng)傳感器的位移測試結(jié)果。這里僅以500 mm的電子尺進行實驗，可以看出:傳統(tǒng)的傳感器由于傳感器本身和電路設計，電源噪聲，放大器偏移，AD采樣精度損失等諸多因素，使得最終測量結(jié)果不很理想，誤差最大可達0.7 mm，若是尺子長度增加，誤差也會成倍增長。而基于磁致伸縮原理的傳感器因其省去了放大器，AD采樣等精度損失環(huán)節(jié)，同時傳感器自身具有很強的抗干擾能力，而且，采用CAN總線傳輸，減少了信號在轉(zhuǎn)換傳輸時的精度損失。從結(jié)果可以看出其采樣最大誤差僅為1個刻度，即5μm，具有很高的穩(wěn)定性和精確度。

5 結(jié)束語

從實驗結(jié)果看出:新型的傳感器具有較高的精度和穩(wěn)定性，適合用于精密注塑控制系統(tǒng)，且該傳感器有CAN總線數(shù)字接口，不但節(jié)省了許多信號處理環(huán)節(jié)，節(jié)省了許多硬件與軟件的消耗，同時也避免了由這些環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差干擾，為精密注塑控制提供了良好的硬件平臺，為今后的算法設計提供了更多的基礎。

圖5 磁致伸縮傳感器采樣結(jié)果Fig 5 Sampling result of magnetostrictive displacement sensor

圖6 傳統(tǒng)傳感器采樣結(jié)果Fig 6 Sampling result of traditional displacement sensor

［1］鐘漢如.注塑機控制系統(tǒng)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004.

［2］李軍生.基于DSP控制的液壓注塑機伺服控制系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應用，2009(6):143－147.

［3］劉立新.基于CAN總線的智能節(jié)點設計［J］.計算機與網(wǎng)絡，2009(16):31－33.

［4］蘇奎峰，呂 強，耿慶峰，等.TMS320F2812原理與開發(fā)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［5］Boterenbrood H.CAN open high－level protocol for CAN－bus，Version3.0［S］.

［6］CIA Draft Standard 406，CAN open device profile for Encoders Version 3.0［S］.