材料成型装备控制技术

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,材料学院 材料成型装备控制技术,,*,材料成型装备控制技术,凌宏江、熊晓红、吴丰顺,,华中科技大学材料学院,,材料学院,12,级研究生用电子教案,,2012-2013,学年第一学期,,目 录,第一章 绪论,,第二章 材料成型过程中的检测技术,,第三章 材料成型装备常用的执行装置,,第四章,PID,控制技术,,第五章 材料成型装备计算机控制系统,,第六章 材料成型过程中的电加热装置及控制,,第七章 材料连接成型设备及控制技术,,第八章 铸造成型装备及控制技术,,第九章 塑性成型设备及控制技

2、术,2,,材料学院 材料成型装备控制技术,2.4 位移的测量,在材料成形工艺中常涉及位移的测量和控制，如塑性成形工艺中板料冲压成形冲头位置变化、气门顶杆镦粗等；连接成形工艺中被焊工件的移动、焊枪高度和电弧中心位置跟踪、点焊电极膨胀位移、电阻对焊等及某些液态成形工艺都涉及位置的检测和位移的控制。位移的测量可分为：,,直线位移、角位移,,按所测位移量值大小可分为：大位移测量和微小位移测量,,按测量参数特性的角度可分为静态位移测量和动态位移测量。,3,,材料学院 材料成型装备控制技术,一、位移传感器,普通形式：电阻式、应变片式、,电感式,、电容式、,霍尔元件,、,磁场等形式。,,

3、,数字形式：,光栅,、磁栅、容栅、光电编码器和感应同步器等。,4,,材料学院 材料成型装备控制技术,位移传感器一览表（,1/3,）,,5,,材料学院 材料成型装备控制技术,位移传感器一览表（,2/3,）,类型,,测量范围,准确度,线性,特点,电感式,自感变气隙,±0.2mm,±1%,±3%,只用于微小位移测量,,螺管型,1.5~2mm,,0.15~1%,测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差,,特大型,200~300mm,,,,,差动变压器,±0.08~75mm,±0.5%,±0.5%,分辨率好，受到杂散磁场干扰时需屏蔽,,涡电流式,±2.5~250mm,±1~3%,

4、<3%,分辨率好，受被测物体材料、形状、加工质量影响,,同步机,360°,±0.1~7,°,±0.5%,可在1200r/min的转速下工作，对温度、湿度不敏感,,微同步器,±10°,±1%,±0.05%,线性误差与变压比和测量范围有关,,旋转变压器,±60°,,±0.1%,,6,,材料学院 材料成型装备控制技术,位移传感器一览表（,3/3,）,类型,,测量范围,精度,线性,特点,电,,容,,式,变面积,10,-3,~1000mm,±0.005%,±1%,受介电常数因环境温度，湿度而变化的影响,,变间距,10,-3,~10mm,0.1%,,分辨力好，测量范围小，在小范围内近似线性,霍尔

5、元件,,±1.5mm,±0.5%,,结构简单，动态特性好,感应,,同步,,器,直线式,10,-3,~10,4,mm,,2.5μm /250mm,,模拟和数字混合测量系统，数显(直线式感应同步器的分辨力可达1μm),,旋转式,0~360°,±0.5°,,,光栅,长光栅,10,-3,~1000mm,3μm/1m,,同上,(,长光栅分辨力可达1μm),,圆光栅,0~360°,±0.5”,,,编码,,器,接触式,0~360°,10,-6,r,,分辨力好，可靠性高,,,光电式,0~360°,10,-6,r,,,7,,材料学院 材料成型装备控制技术,1.,电感式位移传感器,电感（差动变压器）位移

6、传感器(,LVDT-,linear variable displacement transducers ) 基于电磁感应原理，将位移量转化为电感的变化，从而测量位移，实质是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量位移的变化而变化。,8,,材料学院 材料成型装备控制技术,a. 工作原理：互感现象,,W,W1,W2,E,s,x,-x,E,w,E,out,9,,材料学院 材料成型装备控制技术,b. 分类,双螺管线圈差动型传感器测量电路,单螺管线圈型,双螺管线圈差动,~,10,,材料学院 材料成型装备控制技术

7、,c. 差动变压器测量电路,11,,材料学院 材料成型装备控制技术,2. 光栅位移,传感器,光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。,,光栅主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样栅距。,,,光源：,钨丝灯泡，半导体发光器件；,,光栅副：,指示光栅,+,主光栅，,W=a+b,称为光栅的栅距（或光栅常数）；,,光电元件：,包括有光电池和光敏三极管等部分。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。,,12,,材料学院 材料成型

8、装备控制技术,,测量直线位移的光栅为直光栅，测量角位移的光栅为圆光栅。在直光栅中，线纹密度一般为每毫米,100、50、25,和,10,线。,,使用时两光栅相互重叠，使其中一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量,。,,栅式位移传感器具有分辨力高,(,可达,1,μ,m,或更小）、测量范围大（几乎不受限制）、动态范围宽等优点，且易于实现数字化测量和自动控制，是数控机床和精密测量中应用较广的检测元件。其缺点是对使用环境要求较高，在现场使用时要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。,13,,材料学院 材料成型装备控制技术,a. 莫尔条纹形成的原理,当指示光栅和标尺光栅的线纹相交

9、一个微小的夹角时，由于挡光效应,（,当线纹密度≤,50,条,/mm,时）或光的衍射作用（当线纹密度≥,100,条,/,mm,时），在与光栅线纹大致垂直的方向上,（,两线纹夹角的等分线上）产生出亮、暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”,。,莫尔条纹间距：,莫尔条纹的宽度B,H,由光栅常数与光栅夹角决定。,14,,材料学院 材料成型装备控制技术,长光栅莫尔条纹,,,播放动画,15,,材料学院 材料成型装备控制技术,圆弧莫尔条纹,,,播放中……,单击准备演示,播放动画,16,,材料学院 材料成型装备控制技术,b. 莫尔条纹技术的特点,调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽

10、度，起到了放大作用。,当,W,一定时，,θ,越小，则,B,Ｈ,越大。这相当于把栅距放大了,1/,θ,倍，提高了测量的灵敏度。一般,W,可以做到约,0.01mm,，,而,B,可以到,6,～,8mm,。,采用特殊电子线路可以区分出,B/,4,的大小，因此可以分辨出,W/,4,的位移量。,,莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。,17,,材料学院 材料成型装备控制技术,,光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是

11、用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。,18,,材料学院 材料成型装备控制技术,某厂生产光栅传感器指标,,1、按外型分大型尺：QH-200 QH-400 QH-600 QH-800,,2、按分辨率分有：0.2u----25u,,3、按供电电压分有：5V----24V,,4、按输出信号分有TTL方波、HTL方波(5V、12V、15V、24V)、RS422信号、正弦电压信号1Vp-p,,,栅距：0.01mm(100线对/mm)、0.02mm(50线对/mm)、0.04mm(25线对/mm),,精度：±0.008mm、±0.01mm、±0.015mm、(20℃ 1000mm),,参考标记：间

12、隔25mm、间隔50mm、间隔100mm、间隔200mm、或全量程任意位置设一个绝对位置参考点(ABS),,量程：1000mm以内任意选择,,分辨率：0.2u---25u                  响应速度：25m/min、 60m/min,,工作温度：0-45℃                    存储温度：-40℃-55℃,19,,材料学院 材料成型装备控制技术,3. 光电式编码盘,数字式传感器,: 把输入量转换成数字量输出,,优点,：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。,,最简单的数字式传感器是,编码器(ADE

13、)。,如，角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）。,20,,材料学院 材料成型装备控制技术,a.,工作原理,用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。,1－光源, 2－柱面镜, 3－码盘, 4－狭缝, 5－元件,21,,材料学院 材料成型装备控制技术,b. 码盘和码制,根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。,6,位二进制码盘,22,,材料学院 材料成型装备控制技术,c. 二进制码盘主要特点,n,位,(n,个码道,),的二进制码盘具有,2,n,种不同编码，称其容量为,2,n,， 其最小分辨力,θ,1,＝

14、,360,0,／,2,n,，它的最外圈角节距为,2θ,1,；,,二进制码为有权码，编码,C,n,,C,n-1,，,…,，,C,1,对应于由零位算起的转角为：,23,,材料学院 材料成型装备控制技术,d. 二进制码盘的粗大误差及消除,要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。,由于微小的制作误差或光电二极管的安置误差，只要有一个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。如码区从第15变到0时，二进制码应由1111变到0000，但若内码道的透光间隔稍长，则可能读成1000。,24,,材料学院 材料成型装备控制技术,消除粗大误差方法：,1). 双读数头法。,双

15、读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。,,2). 循环码（葛莱码）代替二进制码,25,,材料学院 材料成型装备控制技术,二、物位的测量,物位是液位、料位、以及界面位置的总称。具体的液位如罐、塔、槽等容器中液体或河道、水库中水的表面位置高度；料位如仓库、料斗、仓储箱内堆积物体的高度；界面位置一般指固体与液体或两种不相溶、密度不同的液体之间存在的界面。,,,测量物位有时是为了测知容器中物体的存量；有时是为了对容器中的物料进行监控，调节其进出速度，或在物位接近极限位置时能提前报警。前者为物位的静态测量，后者需采用动态连续的测量方法。,26,,材

16、料学院 材料成型装备控制技术,1.,机电测量法,机械法利用浮子或不受液体密度影响的探测板作为接收器测液面高度。为了实现自动测量，将用机械法获得的液位信息转换成电量传送和处理，即为机电测量法。,原理：钢丝,→,收线圈数,→,电位器,→,电阻,煤气包,钢丝,27,,材料学院 材料成型装备控制技术,2.,电容测量法,电容法可测量粘液和粒状、粉末状材料的物面，如仓储的粮食、洗衣粉、砂、水泥和煤粉等，或测量储料箱中的燃料、酸液、碱液及其它的粘液介质。电容法测量要求被测材料的介电常数保持恒定。,电容式物位传感器（液位计/料位计）,28,,材料学院 材料成型装备控制技术,3.,

17、其他方法,超声测量法,：,超声测量法不仅可测液体，而且适用于粒状松散并含有大量气体的被测材料，如细粒状或粉末状的泡沫塑料、纤维素等，还可用于木制或塑料容器。但超声法不适用于测量含有固体材料的液体，因为固体会在振荡器旁产生堆积，影响测量精度。,,,放射性同位素测量法,：,在因极端条件（如高压、高温、高真空度、高腐蚀性等）而不能使用常规测量方法的场合，或因结构等因素不允许装探头或装探头成本较高之处，可采用同位素法测量物位。放射性同位素法测量物位，基于射线经过被测材料时会被材料吸收而使探测器接收到的射线强度发生变化的原理。测量装置的主要元件有辐射器和计数器。,29,,材料学院 材料成型装备

18、控制技术,2.5 流量的测量,液压传动系统目前己成为锻压机械及其机械化自动化等附属装置中的重要组成部分。因此，液压元件和液压传动系统的性能试验、可靠性及耐久性试验已成为锻压机械性能试验的一项重要内容。其中压力和流量两个参数的测量对液压系统性能试验具有十分重要的意义。,,热处理中对于空气，氮气，油，水，煤气等流量要求自动检测或自动控制，才能保证在安全合理的基础上进行生产。,,流量,定义为单位时间内流过管道某一截面的体积或质量，前者称体积流量(m,3,/s)，后者称质量流量(kg/s) 。,30,,材料学院 材料成型装备控制技术,一、流量传感器的分类,由于流体性质、流动状态、流动条件以及

19、感测机理的复杂性，造成了流量测量仪表的多样性、专用性和价格差异的悬殊性。作为其核心部分的流量传感器更是百花齐放，种类繁多而且发展较快。,,分为：容积式、涡轮式、差压式、动量式、转子流量传感器、流体振荡式、电磁式、光纤式、超声式、质量式、激光式、热线式等类型。,31,,材料学院 材料成型装备控制技术,1. 速度流量计,通过测定流体在管道内的流速以计算流量,节流式流量计,,转子流量计,,电磁流量计,,涡流流量计,,涡街流量计,,超声波流量计,,叶轮流量计,,堰式流量计,,靶式流量计,32,,材料学院 材料成型装备控制技术,2. 容积式流量计,通过测定单位时间内所流过流体的容积的

20、多少计算流量,33,,材料学院 材料成型装备控制技术,二、,节流式（差压式）流量计,当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成,局部收缩，使流速增大，静压力降低,，于是在节流件前后产生压力差。该压力差通过差压计检出。流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。,34,,材料学院 材料成型装备控制技术,,流过截面II—II的体积流量为,35,,材料学院 材料成型装备控制技术,,节流式流量计主要由两部分组成：,节流装置,和测量静压差的,差压计,。,,节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置。常用的节流装置有文丘利管、喷嘴和孔板，如图所示。,36,,材料学院 材料成型装备控制技术,常用的节流装置,文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。,文丘利管,孔板,喷嘴,37,,材料学院 材料成型装备控制技术,节流件的基本形式,38,,材料学院 材料成型装备控制技术,标准孔板,标准孔板是用不锈钢或其它金属材料制造的薄板，它具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的。标准孔板的形状如图所示。,39,,材料学院 材料成型装备控制技术,