電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器在三輥卷板機(jī)定位改造中的應(yīng)用

洪英勇

（福建省工業(yè)設(shè)備安裝有限公司，福建 福州 350001）

在機(jī)械設(shè)備加工制造領(lǐng)域，由于加工精度、加工效率等要求，部分機(jī)械設(shè)備需要滿足一定的移動(dòng)定位要求，但受加工工件沖擊振動(dòng)幅度大、工作環(huán)境惡劣等因素影響，機(jī)械設(shè)備加裝自動(dòng)化定位控制裝置的成本較高，定位精度難以滿足機(jī)械加工需求，不得不采用人工調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行機(jī)械移動(dòng)定位，不僅效率低下，而且存在一定的操作風(fēng)險(xiǎn)。電渦流傳感器是一種基于電渦流效應(yīng)原理對(duì)被測(cè)體、探頭相對(duì)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種傳感器。該類傳感器具有可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型設(shè)備軸振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文以三輥卷板機(jī)定位改造為例，深入分析電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器在機(jī)械定位中的應(yīng)用，以期提高機(jī)械設(shè)備定位精度。

1 設(shè)備轉(zhuǎn)速定位改造方案

現(xiàn)有三輥卷板機(jī)三個(gè)輥軸呈品字形，上輥位于兩下輥中央位置，上輥軸在驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)軸的作用下帶動(dòng)下輥軸運(yùn)動(dòng)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)借助主減速機(jī)末級(jí)齒輪帶動(dòng)下輥軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而為板材卷制提供扭矩。待加工的金屬板經(jīng)多次連續(xù)彎曲加工后，形成永久性塑性變形，進(jìn)而加工為預(yù)期的圓筒型或圓弧型產(chǎn)品。在加工過(guò)程中，由于加工制作精度要求，需要操作工人手動(dòng)調(diào)節(jié)上輥軸下壓位置，以滿足加工精度和加工效率要求。但在實(shí)際生產(chǎn)中，人工調(diào)節(jié)方式不僅效率低下，而且定位精度不高，可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)不到位或過(guò)度調(diào)節(jié)的問(wèn)題，進(jìn)而影響了機(jī)械加工質(zhì)量。

鑒于此，有必要借助電渦流轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)原三輥卷板機(jī)進(jìn)行改造。通過(guò)在傳動(dòng)軸上安裝位置傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的位移量并判斷上輥軸位置，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的作用。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于三輥卷板機(jī)存在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的實(shí)際需求，而單個(gè)的傳感器難以準(zhǔn)確判斷傳感器正反轉(zhuǎn)，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位的功能。針對(duì)該問(wèn)題，在此次改造中，在三輥卷板機(jī)傳動(dòng)軸上安裝一個(gè)自制感應(yīng)體，在感應(yīng)體兩側(cè)安裝兩個(gè)電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器，兩個(gè)傳感器電位角互差90°，以此組成計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器，從而達(dá)到上輥軸位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。經(jīng)試驗(yàn)，兩個(gè)傳感器組合能夠判斷傳動(dòng)軸的方向及位移量，并輸出相應(yīng)的增減脈沖信號(hào)，經(jīng)逆計(jì)數(shù)器處理，能夠得到傳動(dòng)軸實(shí)時(shí)角位移量，進(jìn)而獲得上輥軸實(shí)時(shí)位置。當(dāng)上輥軸位置與預(yù)設(shè)位置出現(xiàn)偏移時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)判斷上輥軸當(dāng)前狀態(tài)并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)三輥卷板機(jī)的準(zhǔn)確定位。

2 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器由微處理器、位置傳感器、可逆計(jì)數(shù)器、顯示電路、程序存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備組成。

2.1 微處理器選擇

在本次改造項(xiàng)目中，微處理器選擇Intel公司生產(chǎn)的MSC-51系列8位單片機(jī)處理器8031.該型號(hào)處理器內(nèi)置32根I/O線，即4個(gè)并行接口（P0、P1、P2、P3），其中，2根I/O線為全手工串行口，P0為雙向串行口，P1、P2、P3為準(zhǔn)雙向串行口。P0和P2可用于外部存儲(chǔ)器的通信口，P0口作為邏輯地址和數(shù)據(jù)復(fù)用口。該處理器可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)4種不同的工作模式，有5個(gè)中斷源，可設(shè)置兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，能夠滿足三輥卷板機(jī)定位和控制需求。

2.2 位置傳感器選擇及構(gòu)成

采用電渦流傳感器最為重要的原因是其對(duì)油污不敏感，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足三輥卷板機(jī)上輥軸定位要求。本次改造中，采用三個(gè)電渦流式傳感器組合的方式進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，A、B傳感器位于渦輪副輸入軸側(cè)，主要實(shí)現(xiàn)上下輥軸位置監(jiān)測(cè)，兩個(gè)傳感器電位角互差為90°。傳感器C作為基點(diǎn)傳感器，作為上輥軸位置判斷依據(jù)，當(dāng)上輥軸提升到傳感器C位置時(shí)，控制器做出相應(yīng)的壓輥、退輥、停輥和計(jì)數(shù)器清零指令，從而實(shí)現(xiàn)卷板機(jī)的自動(dòng)化定位與控制。

2.3 可逆計(jì)數(shù)器

可逆計(jì)數(shù)器的主要作用計(jì)樹(shù)來(lái)自于位置傳感器的增減脈沖，并與控制器預(yù)設(shè)數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)數(shù)據(jù)一致時(shí)，計(jì)數(shù)器向控制器發(fā)出請(qǐng)求，控制器自動(dòng)判斷輥軸位置并執(zhí)行下一步動(dòng)作。根據(jù)設(shè)備改造需求，可逆計(jì)數(shù)器選擇4路同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)行程為0～9999，滿足卷板機(jī)生產(chǎn)加工實(shí)際需求。

2.4 控制系統(tǒng)組成及原理

本控制系統(tǒng)由8031微處理器、74LS373地址鎖存器及外部存儲(chǔ)器27128組成，具備32K存儲(chǔ)空間和2個(gè)可編程芯片8255，其中，8255A通過(guò)集成動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)芯片連接輸入輸出設(shè)備；8255B連接A、B兩個(gè)傳感器，并接受可逆計(jì)數(shù)器信號(hào)輸入，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)一致時(shí)，8255B向微處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求。同時(shí)，傳感器C與8255B相連，當(dāng)滿足中斷條件時(shí)，8255B發(fā)出中斷請(qǐng)求，并經(jīng)微處理器判斷后由8255B執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。8255B可執(zhí)行指令包括停壓輥、壓輥正輥、壓輥反輥、計(jì)數(shù)器清零。

3 定位系統(tǒng)制造及安裝

3.1 電路板印刷及安裝

電路板是控制系統(tǒng)的集成化，其印刷質(zhì)量直接影響壓輥卷板機(jī)定位系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。因此，在線路板印刷制作時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)線路設(shè)計(jì)的優(yōu)化，合理布局線路、方向和印刷工藝。印刷電路板分為三個(gè)區(qū)域，即模擬區(qū)、數(shù)字區(qū)與功率驅(qū)動(dòng)區(qū)，在電路板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量將存在功能聯(lián)系的電子元器件聚集在一起，盡量減少線板走線。針對(duì)存在相互作用的電子元器件，如噪聲器件、大電流電路、開(kāi)關(guān)電路等，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯和存儲(chǔ)元件，避免因互相作用而影響控制系統(tǒng)的可靠性。為了提高線路板邏輯、存儲(chǔ)元件的抗干擾能力，應(yīng)合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)線路板地線的走線及面積，分開(kāi)設(shè)置模擬區(qū)和邏輯區(qū)地線。在模擬區(qū)，地線可采用粗的線路，以閉環(huán)的方式設(shè)置邏輯區(qū)底線，降低地線信號(hào)對(duì)邏輯區(qū)的干擾。此外，針對(duì)主要的噪聲元件應(yīng)采取必要的屏蔽措施，如晶體振蕩器等，可采取外殼接地等方式進(jìn)行處理。

3.2 感應(yīng)器設(shè)計(jì)與安裝

在本次機(jī)械改造中，傳感器精度受傳動(dòng)齒數(shù)的影響，感應(yīng)器齒數(shù)越多，其定位精度越高。然而，在定位精度和行程控制滿足要求的前提下，過(guò)度追求精度是無(wú)意義的，將過(guò)度占用計(jì)數(shù)器行程，因此，在感應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足定位和行程控制精度的前提下，盡可能降低感應(yīng)器齒數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)和測(cè)算，感應(yīng)器齒數(shù)以4～6齒為宜。同時(shí)，感應(yīng)體尺寸是獲取準(zhǔn)確信號(hào)的基礎(chǔ)，本次改造所選用的感應(yīng)體直徑為150mm，厚度為40mm，寬度為20mm，能夠捕獲并輸出穩(wěn)定的定位信號(hào)。在傳感器安裝時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確控制傳感器與感應(yīng)器間隙，可使用塞尺測(cè)量間隙，間隙過(guò)小時(shí)，感應(yīng)器與傳感器易發(fā)生碰撞進(jìn)而穩(wěn)定性不高，當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)，傳感器信號(hào)輸出強(qiáng)度不足，定位精度不高，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，感應(yīng)器與傳感器精度以0.8mm～1mm為宜。傳感器與感應(yīng)器安裝時(shí)，A、B傳感器應(yīng)呈90°角，并固定牢靠。

4 設(shè)備改造結(jié)果研究

三輥卷板機(jī)改造完成后，經(jīng)安裝調(diào)試，其定位精度控制在0.1mm以內(nèi)，滿足卷板機(jī)定位要求。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)運(yùn)行，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，年穩(wěn)定率約為97.8%，有效提高了三輥卷板機(jī)的生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。