磁致伸縮傳感器在液壓機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言

板式換熱器是液—液、汽—液進(jìn)行熱交換的理想設(shè)備，具有加熱、冷卻、熱回收和快速滅菌等多種用途。板片是換熱器的基本組件，隨換熱器類型的不同，板片的形狀、大小和加工方式均不同。核電廠所用的熱交換器多為完成換熱和冷卻功用的大型設(shè)備，構(gòu)成這些熱交換器的板熱板片多為尺寸較大的金屬板材，加工時(shí)將其置入壓制模具中，經(jīng)萬噸液壓機(jī)壓制而得到。板片壓制精度要求高，其溝槽深度一般為4mm，槽深公差在全板片面積上不得超過±0.10mm。為了保證壓制后板片上溝槽深度的一致性，要求液壓機(jī)的上工作臺(tái)與下工作臺(tái)在壓制過程中必須保持一定的平行度。以往大型液壓機(jī)采用滑塊控制上工作臺(tái)與下工作臺(tái)的平行度，由于滑塊存在研磨現(xiàn)象，工作一段時(shí)間后，加工的扳片溝槽即出現(xiàn)深淺不一、超過公差要求的情況。為了改變這種狀況，需要對(duì)液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制方式進(jìn)行改造以實(shí)現(xiàn)扳片高精度加工的要求。

1 液壓機(jī)的工作過程及磁致伸縮傳感器的應(yīng)用

1.1 液壓機(jī)的工作過程及其控制方式

板片加工一般采用框板式液壓機(jī)?？虬迨揭簤簷C(jī)主要由主機(jī)及動(dòng)力機(jī)構(gòu)兩大部分組成。其中主機(jī)部分包括機(jī)身、框板、上工作臺(tái)、下工作臺(tái)、主缸和充液裝置等；動(dòng)力機(jī)構(gòu)由油箱、高壓泵、低壓控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)及各種壓力閥和方向閥等組成。液壓機(jī)一個(gè)工作過程由六個(gè)部分組成，即主缸快速下行、主缸慢下加壓、壓制、保壓延時(shí)、主缸卸壓和主缸回程。其控制系統(tǒng)采用按鈕集中控制，可實(shí)現(xiàn)調(diào)整、手動(dòng)及半自動(dòng)三種工作方式。

圖1 液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)

框式液壓機(jī)一般由兩個(gè)主油缸組成，兩個(gè)主油缸在驅(qū)動(dòng)上工作臺(tái)上下移動(dòng)的過程中很難保持同步運(yùn)行。以往采用滑塊控制上工作臺(tái)在整個(gè)加工壓制過程中與下工作臺(tái)的平行度，這種方式在應(yīng)用一段時(shí)間后，上工作臺(tái)與板框間的滑塊在一側(cè)會(huì)產(chǎn)生研磨現(xiàn)象，而在另一側(cè)出現(xiàn)較大的間隙，這時(shí)液壓機(jī)的上工作臺(tái)與框板間就不能保持垂直，壓制后的扳片溝槽公差超過允許值。

磁致伸縮傳感器是應(yīng)用磁致伸縮原理研制而成的新一代測(cè)量傳感器，其測(cè)量能達(dá)到計(jì)量級(jí)精度。在液壓機(jī)的上導(dǎo)柱上安裝四個(gè)磁致伸縮傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由磁致伸縮傳感器檢測(cè)液壓機(jī)在加工過程中上工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位移，通過PLC控制上工作臺(tái)上的四個(gè)方向閥，根據(jù)量測(cè)的數(shù)據(jù)，方向閥隨時(shí)調(diào)整液壓機(jī)上工作臺(tái)與下工作臺(tái)的平行度，從而保證扳片加工的要求。液壓機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。PLC采用西門子的S7-300，比例方向閥采用力士樂的4WREE二位四通閥控制，磁致伸縮傳感器采用康宇公司生產(chǎn)的KYDM系列。

圖2 液壓機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

1.2 磁致伸縮傳感器的工作原理

磁致伸縮傳感器是基于磁致伸縮和逆磁致伸縮效應(yīng)而檢測(cè)位移量的傳感器。磁致伸縮傳感器主要有波導(dǎo)絲、測(cè)桿、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接觸磁環(huán)（內(nèi)有永久磁鐵）組成。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電子倉(cāng)內(nèi)的電子電路產(chǎn)生一“起始脈沖”，此起始脈沖沿磁致伸縮線（波導(dǎo)絲）以恒速傳輸，同時(shí)產(chǎn)生一沿著波導(dǎo)絲跟隨脈沖前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)該磁場(chǎng)與定位裝置中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)。這一扭動(dòng)被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的信號(hào)處理機(jī)構(gòu)感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的“終止脈沖”，通過計(jì)算“起始脈沖”與相應(yīng)“終止脈沖”之間的時(shí)間差，即可精確測(cè)出其位移量。磁致伸縮傳感器在讀出活動(dòng)磁鐵的位置后，經(jīng)內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換成一個(gè)242526位格雷碼或二進(jìn)制的串行數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)可直接傳送到PLC。

由于磁致伸縮位移傳感器的磁致伸縮波導(dǎo)管與活動(dòng)磁環(huán)不直接接觸，因此在高溫、高壓和高電磁干擾等惡劣環(huán)境下也能正常工作。磁致伸縮傳感器的輸出是真正的絕對(duì)位置，不需要定期重新標(biāo)定和維護(hù)，測(cè)量過程中也無需重歸回零位。

2 基于磁致伸縮傳感器測(cè)量的液壓機(jī)控制原理

液壓機(jī)壓制板片的一個(gè)工作循環(huán)由六個(gè)部分組成，即主缸快速下行、主缸慢下加壓、壓制、保壓延時(shí)、主缸卸壓和主缸回程。為了保證板片的壓制精度，加工過程的控制要求如下：

1）液壓機(jī)充液裝置打開主缸靠自重快速下行，4個(gè)磁致伸縮傳感器測(cè)量下行位移量，通過PLC分別調(diào)整4比例方向閥，以達(dá)到上下工作臺(tái)的平行度要求。

2）液壓機(jī)滑塊慢下加壓，磁致伸縮傳感器測(cè)量，方向閥繼續(xù)調(diào)整臺(tái)面，以保證接觸工件時(shí)的平行度。

3）接觸工件進(jìn)行壓制，因主缸壓力大，磁致伸縮傳感器停止工作。

4）達(dá)到設(shè)定壓力開始保壓。

5）保壓延時(shí)到卸壓回程，磁致伸縮傳感器測(cè)量，方向閥繼續(xù)調(diào)整臺(tái)面，以防止上工作臺(tái)在抬起時(shí)橫向搓工件。

6）回程到位后停止工作。

圖3 液壓機(jī)工作過程控制程序

其控制程序如圖3所示。用M5.1表示液壓機(jī)工作在手動(dòng)狀態(tài)；Ⅰ1.0、Ⅰ1.1、Ⅰ1.2、Ⅰ1.3分別為液壓機(jī)快下、慢下、壓制和回程過程的輸入；輔助繼電器M20.1、M20.2、M20.3、M20.4接通分別表示上工作臺(tái)在工作過程中的位移區(qū)段，即主缸超上限區(qū)、快速區(qū)、慢速區(qū)、壓制區(qū)；M1.0、M1.1、M3.1、M1.3、M1.6分別為液壓機(jī)的工作狀態(tài)控制，即快下動(dòng)作、慢下動(dòng)作、常壓、保壓和回程。

根據(jù)控制要求上工作臺(tái)在快下動(dòng)作、慢下動(dòng)作、保壓和回程四個(gè)動(dòng)作過程中要隨即調(diào)整比例閥，以保持上工作臺(tái)與下工作臺(tái)的平行。采用FC11、FC12位移功能塊指令完成比例閥的調(diào)整，且以比例閥1的輸出作為基準(zhǔn)，分別調(diào)整比例閥2、3、4的輸出。比例閥1的控制程序如圖4所示；比例閥2、3、4的控制程序如圖5所示。程序中ⅠN-PQW、ⅠN1為磁致伸縮傳感器1的實(shí)測(cè)值，ⅠN2分別為磁致伸縮傳感器2、或3、或4的實(shí)測(cè)值；OUT-V為比例閥的輸出。MOVE為數(shù)據(jù)傳輸指令；I-DI為整數(shù)變換為長(zhǎng)整數(shù)指令；DI-R將整數(shù)變換為浮點(diǎn)數(shù)指令；DIV-R為將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為0～10V的實(shí)數(shù)輸出指令。

FC11位移功能塊程序功能：根據(jù)磁致伸縮傳感器1的測(cè)量值控制比例閥1的輸出。

圖4 FC11位移功能塊程序

FC12位移功能塊程序功能：磁滯傳感器2（或3、或4）的測(cè)量值減去磁滯傳感器1的測(cè)量值作為檢測(cè)時(shí)的偏差值，若偏差大于20mm，則輸出超差指示，液壓機(jī)停止工作。

將磁致伸縮傳感器1的實(shí)測(cè)值加上其他各傳感器與傳感器1的偏差值作為相應(yīng)比例閥調(diào)整的對(duì)應(yīng)值。若磁致傳感器2（或3、或4）比磁致傳感器1下落的慢，就將比例閥2（或3、或4）開大一點(diǎn)，下落行程加快；反之則開小一點(diǎn)，行程減緩。

超差指示

圖5 FC12位移功能塊程序

3 結(jié)束語

改造后的液壓機(jī)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、監(jiān)測(cè)精度高和維護(hù)簡(jiǎn)單。一年多的實(shí)際運(yùn)行表明基于磁致伸縮傳感器檢測(cè)的液壓機(jī)控制系統(tǒng)，能夠精確測(cè)量工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中的位移，準(zhǔn)確調(diào)整上工作臺(tái)與下工作臺(tái)的平行度，保證板片加工的精度，具有行業(yè)推廣價(jià)值。

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